NASA готує до запуску трійку марсіанських гелікоптерів SkyFall, які шукатимуть замерзлу воду в ґрунті Червоної планети. Для цього апарати отримають новий тип гнучкої, тканинної антени для радара зануреного зондування. Про розробку детально розповідає Universe Today.
З 2021 по 2024 рік гелікоптер Ingenuity став першим літальним апаратом, що досліджував атмосферу та поверхню Марса. Після успішної демонстрації можливості керованого польоту в розрідженому повітрі планети NASA переходить до наступного кроку — використання гелікоптерів для пошуку води, критично важливої для майбутніх пілотованих місій.
Як SkyFall шукатиме лід під поверхнею
Три гелікоптери SkyFall — один більший і два менші — мають виявляти замерзлу воду в межах кількох метрів від поверхні марсіанського реголіту. Для цього вони використовуватимуть радар зануреного зондування, який працює в надширокому діапазоні частот від 500 до 2500 мегагерц.
Довші хвилі з цього діапазону здатні проникати на глибину кількох метрів, тоді як коротші дають детальнішу картину верхніх шарів ґрунту. Орбітальні апарати вже вміють картувати великі поклади льоду на глибинах у кілька десятків метрів, але практично «сліпі» до неглибоких запасів на глибині близько 5 метрів. Саме такі поклади найбільше цікавлять планувальників майбутніх експедицій, адже до них легше дістатися астронавтам.
«Єдиний спосіб віддалено виявити неглибокий підповерхневий лід — це летіти близько до ґрунту», — пояснює Адріан Танґ (Adrian Tang), провідний науковець з радара зануреного зондування SkyFall у Лабораторії реактивного руху (JPL). За його словами, повільний політ на малій висоті дозволить отримати радарні зображення, які розрізняють тонкі шари, де сухий ґрунт переходить у лід, і картувати їхню протяжність.
Кожен гелікоптер SkyFall, як і Ingenuity, нестиме по чотири наукові прилади. Ingenuity за три роки роботи довів, що політ у марсіанській атмосфері можливий, а повітряна розвідка допомагає вибирати маршрути та наукові цілі для наземних місій. Однак для SkyFall особливим викликом стали радіозв’язок і конструкція антени радара.
Чому потрібна нова антена
Звичайна антена для роботи в потрібному діапазоні частот мала б довжину близько 48 сантиметрів і потребувала б вільного огляду ґрунту. Це несумісно з профілем польоту SkyFall, адже мінімальний зазор між гелікоптером і поверхнею становитиме лише близько 15 сантиметрів.
Після аналізу кількох варіантів команда обрала антену типу Vivaldi — пласку, вигнуту конструкцію, схожу на дві вигнуті лопаті, розташовані спина до спини. Така антена може працювати в широкому безперервному діапазоні частот і легко виготовляється з листового металу, друкованих плат або металізованих тканин.
Стандартний варіант Vivaldi все одно був завеликий для польоту на висоті 15 сантиметрів, але інженерам вдалося додатково його зменшити. Допомогло те, що антену спеціально оптимізували для неглибокого зондування сухого марсіанського реголіту, який значно менше поглинає радіохвилі, ніж ґрунт на Землі.
Механічна лідерка напряму радара зануреного зондування SkyFall Крістін Ґебара (Christine Gebara) пояснює, що навіть після мініатюризації антена все ще приблизно у 1,5 раза довша за посадкові опори гелікоптера. Це означає, що під час посадки Vivaldi має гнутися вбік, а якщо апарат сяде на камінь — ще сильніше. Після зльоту антена повинна повертатися у робоче положення, не втрачаючи форми, і витримати десятки таких циклів.
Гнучка конструкція та випробування
Щоб антена витримувала навантаження під час польоту в атмосфері Марса і при багаторазових посадках, її вклали в оболонку з поліестеру та шарів матеріалу Vectran — того самого, який використовували для посадкових «подушок» марсоходів Spirit і Opportunity. Додаткову гнучкість і пружність забезпечують стрічкові пружини з гнучкого склопластику та легка магнієва монтажна рама.
Перші етапи перевірки обмежувалися розрахунками та комп’ютерним моделюванням, але ключові випробування відбулися в лабораторії випробувань навколишнього середовища JPL. Інженери багаторазово згинали й деформували прототип антени, імітуючи різні положення після польоту та численні посадки.
Потім антену піддавали різким перепадам температур, щоб відтворити добові коливання на Марсі, а між цими циклами розміщували в електромагнітній камері для перевірки якості передавання та прийому сигналу. Окремо конструкцію тестували у перевернутому положенні, створюючи навантаження, що значно перевищують марсіанську гравітацію, і паралельно вимірювали радіочастотні характеристики.
Результати показали, що антена витримує вдвічі більше посадок, ніж потрібно для основної місії — понад 200 — без помітної втрати якості сигналу. За словами Танґа, цей етап випробувань став великим технічним рубежем: апаратне забезпечення повністю відповідало очікуванням, хоча попереду ще робота до повної льотної сертифікації.
Наступні кроки та майбутній запуск
Після успішної першої серії тестів команда радара зануреного зондування створює інженерний зразок антени, який має пройти випробування на вібрацію, розгортання в умовах, наближених до марсіанських, додаткові перевірки сигналу та польові тести на полігоні JPL Mars Yard.
Місія SkyFall планується до запуску наприкінці 2028 року на борту апарата Space Reactor-1 Freedom — першої міжпланетної місії людства з ядерною енергетичною установкою. Якщо все піде за планом, гелікоптери з революційною гнучкою антеною допоможуть скласти детальну карту неглибоких запасів льоду на Марсі, що стане важливим кроком до довготривалих пілотованих експедицій.
Відео з оглядом місії SkyFall та її технологій можна переглянути за цим посиланням: .