Oficjalna strona misji: nasa.gov/helicopter
Artykuły o Ingenuity na blogu: #ingenuity
Ingenuity (pol. „Pomysłowość”) – zrobotyzowany wiropłat, który ma być użyty do testowania technologii do wykrywania interesujących obiektów na Marsie i pomagania w planowaniu najlepszej trasy jazdy dla przyszłych łazików marsjańskich. Mały śmigłowiec-dron ma zostać rozmieszczony po pierwszych 30 solach (około 31 dni ziemskich) następujących po wylądowaniu łazika Perseverance 18 lutego 2021 r. w ramach misji NASA pod nazwą Mars 2020.
Zadanie
Ingenuity ma odbyć pierwszy w historii astronautyki lot z napędem na planecie innej niż Ziemia. Przewiduje się, że podczas 30-dniowej kampanii testowej na początku misji łazika, Ingenuity wzniesie się do pięciu razy; będzie to przede wszystkim demonstracja nowej technologii. Każdy lot planowany jest na wysokościach od 3 do 5 m nad powierzchnią planety. W ciągu 90 sekund lotu dron może się oddalić do około 50 m od miejsca startu, a następnie wrócić do strefy startowej. Może korzystać z autonomicznego sterowania podczas krótkich lotów, chociaż loty będą planowane telerobotycznie i skryptowane przez kontrolerów z Jet Propulsion Laboratory (JPL). Ingenuity będzie komunikował się z łazikiem Perseverance bezpośrednio po każdym lądowaniu. Jeśli wszystko zadziała zgodnie z oczekiwaniami, NASA będzie mogłaby wykorzystać projekt do przyszłych misji lotniczych na Marsie.
Liderką projektu jest inż. MiMi Aung współpracująca z firmami AeroVironment Inc., NASA Ames Research Center i NASA Langley Research Center.
Ingenuity ma być demonstratorem technologii opracowanej przez JPL, i pozwoli ocenić, czy technologia ta pozwala latać bezpiecznie. Ma też zapewnić lepsze mapy oraz pomóc opracować wskazówki, które dałyby przyszłym kontrolerom misji więcej informacji pomocnych w planowaniu tras podróży i unikaniu zagrożeń, a także w identyfikowaniu interesujących miejsc dla łazika. Śmigłowiec jest zaprojektowany tak, aby przekazywał obrazy „z lotu ptaka” w rozdzielczości około dziesięciokrotnie większej niż obrazy orbitalne, a także obrazy cech, które mogą być przesłonięte przez kamery łazika Perseverance. Oczekuje się, że takie rozpoznanie może umożliwić przyszłym łazikom bezpieczne pokonanie nawet trzykrotnie większej odległości na jeden sol.
Śmigłowiec wykorzystuje przeciwbieżne współosiowe wirniki o średnicy około 1,2 m. Wyposażony jest w skierowaną w dół kamerę o wysokiej rozdzielczości przeznaczoną do nawigacji, kontroli lądowania i do badań naukowych terenu oraz w system komunikacji do przekazywania danych do łazika Perseverance. Chociaż jest to odmiana śmigłowca, to skonstruowany został zgodnie ze specyfikacjami statku kosmicznego, aby wytrzymać siłę przeciążenia i wibracje podczas startu z Ziemi. Obejmuje również systemy odporne na promieniowanie, które zdolne do funkcjonowania w zimnym środowisku Marsa. Niespójne pole magnetyczne Marsa wyklucza użycie kompasu do nawigacji, wobec czego Ingenuity wykorzystuje kamerę śledzącą światło słoneczne zintegrowaną z wizualnym systemem nawigacji bezwładnościowej JPL. Niektóre dodatkowe dane wejściowe wykorzystują żyroskopy, wizualną drogometrię, czujniki przechyłu, wysokościomierz i czujniki zagrożeń. Śmigłowiec został zaprojektowany do wykorzystania paneli słonecznych do ładowania akumulatorów: sześciu ogniw litowo-jonowych firmy Sony o mocy 35–40 Wh (130-140 kJ) pojemności energetycznej akumulatora (pojemność znamionowa 2 Ah).
W helikopterze zastosowano procesor Qualcomm Snapdragon 801 z systemem operacyjnym Linux. Oprócz innych funkcji kontroluje on algorytm nawigacji wizualnej poprzez oszacowanie prędkości wyprowadzone z funkcji śledzonych za pomocą kamery. Procesor Qualcomm jest podłączony do dwóch mikrokontrolerów sterujących lotem (MCU) w celu wykonywania niezbędnych funkcji sterowania lotem. Posiada również bezwładnościowy moduł pomiarowy i wysokościomierz laserowy Garmin LIDAR Lite v3. Komunikacja z łazikiem odbywa się za pośrednictwem łącza radiowego z wykorzystaniem protokołów komunikacyjnych ZigBee małej mocy, realizowanych za pośrednictwem chipsetów 900 MHz SiFlex 02 zamontowanych zarówno w łaziku, jak i w helikopterze. System komunikacyjny jest przeznaczony do przekazywania danych z prędkością 250 kbit/s na odległość do 1000 m.
Śmigłowiec jest przymocowany do spodu łazika Perseverance, który wylądował 18 lutego 2021 roku i powinien zostać opuszczony na powierzchnię między 60. a 90. marsjańskim dniem (solem) po lądowaniu (między 19 kwietnia a 19 maja 2021 roku). Następnie – przed rozpoczęciem lotów Ingenuity – łazik ma odjechać na odległość około 100 m.
Przygotowanie przedsięwzięcia
NASA JPL i AeroVironment opublikowały w 2014 roku projekt koncepcyjny helikoptera zwiadowczego towarzyszącego łazikowi. Do połowy 2016 r. przeznaczono 15 mln USD, aby kontynuować rozwój śmigłowca. Do grudnia 2017 r. modele inżynieryjne pojazdu zostały przetestowane w symulowanej atmosferze Marsa; niektóre przechodziły też testy w Arktyce, ale ich włączenie do misji nie zostało jeszcze zatwierdzone ani sfinansowane z budżetu federalnego Stanów Zjednoczonych, ogłoszonego w marcu 2018 r., kiedy przeznaczono na śmigłowiec na okres jednego roku 23 mln USD; następnie 11 maja 2018 r. ogłoszono, że śmigłowiec będzie mógł zostać opracowany i przetestowany w czasie odpowiednim do tego, aby włączyć go do misji Mars 2020. Śmigłowiec przeszedł szeroko zakrojone testy dynamiki lotu i środowiska, a następnie został zamontowany na spodzie łazika Perseverance w sierpniu 2019 r. Jego masa wynosi nieco poniżej 1,8 kg a JPL określiło, że planowany okres projektowy to 5 lotów na Marsie. NASA zainwestowała około 80 milionów USD w budowę Ingenuity i około 5 milionów USD w obsługę helikoptera.
NASA ogłosiła konkurs „Name the Rover” („nazwij pojazd”), na który napłynęło 28 tysięcy odpowiedzi od uczniów amerykańskich szkół średnich. Zwyciężczynią konkursu okazała się Vaneeza Ruppani, uczennica 11. klasy High School w Northport z Tuscaloosa County w Alabamie, i to jej propozycja przyjęta została jako nazwa marsjańskiego helikoptera.
Testowanie
W 2019 roku wstępne projekty Ingenuity zostały przetestowane na Ziemi w symulowanych warunkach atmosferycznych i grawitacyjnych Marsa. Do testów w locie wykorzystano dużą komorę próżniową do symulacji bardzo niskiego ciśnienia atmosferycznego Marsa, wypełnioną dwutlenkiem węgla do około 0,6% znormalizowanego ciśnienia atmosferycznego na Ziemi (tj. na poziomie morza), co w przybliżeniu odpowiadałoby helikopterowi lecącemu w atmosferze ziemskiej na wysokości około 34 km. Aby zasymulować znacznie zmniejszone pole grawitacyjne Marsa, 62% ziemskiej grawitacji zostało skompensowane przez linę ciągnącą pojazd w górę podczas testów w locie.
Ingenuity w nocy z 19 na 20 lutego za pośrednictwem orbitera przekazał na Ziemię pierwsze po wylądowaniu na Marsie potwierdzenie, że funkcjonuje zgodnie z planem i czeka na swoje zadania.
Dalsze zamierzenia związane z łazikami marsjańskimi
Wypróbowanie technologii Ingenuity pozwoli opracować bardziej wydajne pojazdy latające do eksploracji Marsa i innych badań związanych z atmosferą celów planetarnych. Następna generacja wiropłatów może mieć masę w przedziale od 5 do 15 kg i być zdolna do przenoszenia ładunków między 0,5 a 1,5 kg. Te potencjalne statki powietrzne mogą mieć bezpośrednią komunikację z orbiterem i mogą, ale nie muszą, kontynuować pracę obiektami dostarczonymi z Ziemi. Przyszłe helikoptery mogłyby zostać wykorzystane do zbadania specjalnych regionów z odsłoniętym lodem wodnym lub solankami, w których mogłyby potencjalnie przetrwać mikroorganizmy podobne do znanych na Ziemi. Można również rozważyć użycie śmigłowców marsjańskich do szybkiego dostarczania próbek do lądownika przeznaczonego do zabrania ich z powrotem na Ziemię, takiego jak ten, który ma zostać wystrzelony w 2026 r.
Krótki film o pierwszym helikopterze na innej planecie:
