Кіріспе

Аэробот – әуедегі робот, көбінесе ұшқышсыз ғарыш зонды немесе ұшқышсыз әуе көлігі контекстінде қолданылады. Айды және Күн жүйесіндегі басқа да әлемдерді зерттеу үшін 1960 жылдан бері робот "роуверлер" бойынша жұмыс жүргізіліп келеді, бірақ мұндай машиналардың мүмкіндіктері шектеулі. Олардың құны жоғары, қашықтығы шектеулі, және планетаралық қашықтықтардағы байланыс уақытының кешігуіне байланысты, өздерін-өздері бұзбай навигациялай алатындай жеткілікті интеллектуалды болулары керек. Дегенмен, атмосферасы бар планеталар үшін тағы бір мүмкіндік бар: автономды ұшатын робот, яғни "аэробот". Көптеген аэробот концепциялары аэростаттарға, негізінен ауа шарларына, бірақ кейде әуе кемелеріне негізделген. Желдегі кедергілерден жоғары ұшып, ауа шарлары планетаның үлкен аудандарын салыстырмалы түрде төмен құнмен егжей-тегжейлі зерттей алады. Планеталарды зерттеу үшін ұшақтар да ұсынылған.

Баллондар туралы негізгі мәліметтер

Шарды басқа планетаға жіберу идеясы алғашқыда қызықсыз болса да, планеталарды зерттеуде шарлар көптеген артықшылықтарға ие. Оларды жеңіл салмақты жасауға болады және салыстырмалы түрде арзан болуы мүмкін. Олар үлкен аумақты қамтуға қабілетті, ал биіктіктен алатын көрінісі орбиталық спутниктен қарағанда жердің кең аумақтарын әлдеқайда егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік береді. Зерттеу миссиялары үшін олардың бағытты басқарудың нашарлығы аса маңызды кедергі емес, себебі оларды нақты бір жерге бағыттау қажеттілігі болмайды. Планеталық миссиялар үшін ұсынылған шарлардың жобалары бірнеше ерекше концепцияларды қамтиды. Олардың бірі – күн немесе инфрақызыл (ИК) Монгольфьер. Бұл ыстық ауалы шар, оның қабығы күн сәулесінен немесе планета бетінен шығатын жылуды ұстап тұратын материалдан жасалған. Жылуды сіңіру үшін қара түс ең қолайлы, бірақ басқа факторлар да қарастырылады, сондықтан материал міндетті түрде қара болмауы мүмкін. Күн Монгольфьерлері планеталарды зерттеуде бірнеше артықшылықтарға ие, оларды жеңіл газды шарға қарағанда орналастыру оңай, оларды толтыру үшін жеңіл газ резервуары қажет емес және олар кішкентай ағып кетулерге төзімді. Олардың кемшілігі – олар тек күндіз ғана көтеріледі. Екіншісі – «кері ағылатын сұйықтық» шары. Бұл шардың түрі резервуарға қосылған қабықтан тұрады, резервуарда оңай буланатын сұйықтық болады. Шарды сұйықтықты газға айналдыру арқылы көтерілуге, ал газды сұйықтыққа конденсациялау арқылы төмен түсуге болады. Бұл схеманы іске асырудың әртүрлі жолдары бар, бірақ физикалық принцип барлық жағдайларда бірдей. Планеталарды зерттеуге арналған шар аспаптар жиынтығы бар шағын гондоламен жабдықталады. Гондола сонымен қатар қуат, басқару және байланыс жүйелерін де қамтиды. Салмақ және қуатпен қамтамасыз ету шектеулеріне байланысты байланыс жүйесі көбінесе кішкентай және қуаты төмен болады, ал планетааралық байланыс релелік станция ретінде әрекет ететін орбиталық планеталық зонд арқылы жүзеге асырылады. Күн Монгольфьері түнде төмен түседі, гондоланың төменгі жағына бағыттайтын арқан бекітіледі, ол жерге оралып, қараңғы уақытта шарды ұстап тұрады. Жетекші арқан жер бетіне жабыспау үшін төмен сүргішті материалдан жасалады. Балама ретінде, шар гондола мен баудың орнына аспаптармен жабдықталған қалың «жыланды» алып жүруі мүмкін, бұл екеуінің де қызметтерін біріктіреді. Бұл тікелей жер бетін зерттеу үшін ыңғайлы схема. Сондай-ақ, шар атмосфераны зерттеу үшін бір орында тұруға бекітілуі мүмкін. Мұндай стационарлық шар «аэростат» деп аталады. Планеталық шарларды пайдаланудың ең қиын аспектілерінің бірі – оларды іске қосу. Әдетте, шар планета атмосферасына «аэрокапсула» арқылы кіреді, ол жалпақталған конус пішіндес жылудан қорғайтын қабық. Атмосфераға кіргеннен кейін парашют шар жиынтығын аэрокапсуладан шығарады, ол төмен түседі. Содан кейін шар жиынтығы ашылып, толтырылады. Жұмыс істегеннен кейін аэробот негізінен өздігінен жұмыс істейді және Жермен ұзақ байланыс кезінде тек жалпы командаларды қабылдай отырып, өз миссиясын дербес орындайды. Аэробот үш өлшемде жүзуге, ғылыми деректерді жинап сақтауға, биіктігін өзгерту арқылы ұшуды басқаруға және жақын зерттеулер үшін нақты жерлерге қонуға қабілетті болуы керек.

Венера Вега шарлары

Бірінші және қазірге дейін жалғыз планеталық шар миссиясын 1985 жылы Кеңес Ғылым академиясының Ғарыш зерттеу институты француз ғарыш агенттігі CNES-пен бірлесіп жүзеге асырды. 1984 жылы ұшырылған екі советтік Vega Venus ғарыш зондтарының әрқайсысында жердегі ауа райы шарларына ұқсас кішкентай шар болды. Бірінші шар 1985 жылдың 11 маусымында Венера атмосферасына жіберілді, ал екінші шар 1985 жылдың 15 маусымында жіберілді. Бірінші шар 56 минуттан кейін істен шықты, бірақ екіншісі батареясы толыққанша таусылғанша екі Жер күніне жуық жұмыс істеді. Венера Вега шарларының авторы – CNES бас ғалымы және планеталық шарларды зерттеудің негізін қалаушы Жак Бламон. Ол осы тұжырымды белсенді түрде ілгерілетумен қатар, шағын жобаға халықаралық қолдау ұйымдастырды. Венера VEGA зондтарының ғылыми нәтижелері көп емес болды. Көбірек маңызға иесі – ақылды және қарапайым эксперимент планеталарды зерттеу үшін шарларды пайдаланудың мүмкіндігін көрсетті.

Марс аэроботтары

Венера VEGA шарларының табысынан кейін Бламонт советтік ғарыш зондымен бірге Марсқа бағытталған, көбірек амбицияға толы шар миссиясына назар аударды. Марстағы атмосфералық қысым Жердегіден 150 есе төмен. Мұндай жұқа атмосферада көлемі бар шар жүк көтеруге мүмкіндік береді, ал көлемі бар шар көтеруге болады. Француздар 1970 жылдардың соңынан 1990 жылдардың басына дейін 30-дан астам ұшуды жүзеге асырып, күн Монголфиерлерімен кең ауқымды тәжірибелер жүргізді. Монголфиерлер 35 километр биіктікте ұшты, онда атмосфера Марстағыдай жұқа және суық болды, ал біреуі 69 күн бойы ауада болып, Жерді екі рет айналды. Марсқа арналған шардың алғашқы концепцияларында "қос шар" жүйесі қарастырылды, ол күн Монголфиеріне байланған, герметикалық жабылып, сутек немесе гелиймен толтырылған шар болды. Жеңіл газды шар Монголфиерді түнде жерге түсірмей ұстау үшін арналған. Күндіз күн Монголфиерді қыздырып, шар жиынтығының көтерілуіне себеп болар еді. Ақырында, топ алюминийленген ПЭТ пленкасынан жасалған цилиндр тәрізді герметикалық гелий шарды таңдады, оның көлемі болды. Шар күндіз қызғанда көтеріліп, түнде салқындағанда төмен түсер еді. Шар жиынтығының жалпы массасы , гондола және аспаптық жабдықталған бағыттаушы арқанмен бірге. Шардың он күн жұмыс істеуі күтілді. Өкінішке орай, шар мен оның ішкі жүйелерінде көп жұмыс істелгенімен, Ресейдің қаржылық қиындықтары Марс зондын 1992 жылдан 1994 жылға, содан кейін 1996 жылға ықпалдады. Марсқа арналған шар құнына байланысты жобадан алынып тасталды.

JPL аэробтық эксперименттері

Осы уақытқа дейін АҚШ Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) реактивті қозғалтқыш зертханасы (JPL) планеталық аэроботтар идеясына қызығушылық танытты. Шындығында, JPL-дің Джим Каттс басқаратын командасы бірнеше жыл бойы планеталық аэроботтардың тұжырымдамаларын жасап, аэроботтар технологиясын тексеру үшін тәжірибелер жүргізіп келді. Мұндай алғашқы тәжірибелер "Биіктік бақылау эксперименті" деген мақсаттағы ALICE жобасы аясында кері қайтарылатын сұйық шарлар сериясына бағытталған. Алғашқы шар, ALICE 1, 1993 жылы ұшты, ал 1997 жылға дейін ALICE 8-ге дейін басқа да ұшулар жасалды. Бұл жұмыстарға Венера шар қаптамасы үшін материалдарды сипаттау, сондай-ақ 1996 жылы "Шармен көмектесетін сәулелену бюджеті жабдықтары" деген мағынадағы BARBE атымен аспаптық жүктемені сынау үшін екі шар ұшуы кірді. 1996 жылы JPL Жер атмосферасына ұшу арқылы толыққанды планеталық аэроботты көрсетуге арналған "Планеталық аэробот сынақ алаңы" деген мағынадағы PAT толыққанды аэробот экспериментімен жұмыс істеді. PAT тұжырымдамалары 10 килограмдық жүк тиейтін, навигация және камера жүйелерін қамтитын, соңында автономды басқарумен жұмыс істейтін кері айналдырылатын сұйық шарды көздеді. Жоба тым күрделі болып шықты және 1997 жылы тоқтатылды. JPL Марс аэроботына бағытталған, қарапайым және төмен құнды эксперименттермен жұмысын жалғастырды, бұл жұмыс "Марс аэроботын растау бағдарламасы" деген мағынадағы MABVAP деп аталды. MABVAP эксперименттері планеталық аэробот миссиясының қиын орналасу кезеңін растау үшін ыстық ауа шарлары мен тікұшақтардан шар жүйелерін түсіруді, сондай-ақ Марста ұзақ мерзімді миссияға сәйкес материалдар мен құрылымдармен жасалған супербасымды шарлар үшін қаптамаларды әзірлеуді қамтыды. JPL сонымен қатар Solo Spirit әлемді айналып өтетін адамдармен жүзегіне жеткен шар ұшулары үшін атмосфералық және навигациялық сенсорлар жиынтығын ұсынды, бұл шар миссиясын қолдауға және планеталық аэроботтар үшін технологияларды тексеруге бағытталған. Осы сынақтар мен тәжірибелер жүргізіліп жатқан кезде, JPL планеталық аэробот миссиясы үшін Марс, Венера, Сатурнның серігі Титан және сыртқы планеталарға қатысты бірқатар зерттеулер жүргізді.

Марс

JPL-дің MABVAP технологиясы эксперименттері "Марс аэроботтары технологиясы эксперименті" үшін MABTEX деп аталатын нақты Марс аэроботтары миссиясына әкелуі тиіс еді. MABTEX атауынан көрініп тұрғандай, ол ең алдымен операциялық технологиялық эксперимент ретінде, одан да масштабты жобалардың алғы құрылымы ретінде жоспарланған. MABTEX шағын суперқысымды шар ретінде көзделіп, салмағы 100 кг-дан аспайтын "микрозондпен" Марсқа жеткізілуі керек еді. Жеткізілгеннен кейін, жұмыс істейтін шардың жалпы массасы 100 кг-дан аспауы тиіс еді және ол бір апта бойы жұмыс істеуге арналған. Шағын гондолада навигациялық және басқару электрондық құрылғылары, стерео бейнелеу жүйесі, сондай-ақ спектрометр және магнитометр орналасуы керек еді. MABTEX-тен кейін "MGA", яғни "Mars Geoscience Aerobot" деп аталатын, әлдеқайда күрделі аэроботты жасау жоспарланған. MGA-ның жобалық тұжырымдамалары MABTEX-ке ұқсас, бірақ әлдеқайда үлкен суперқысымды шар жүйесін көздеді. MGA MABTEX-тен он есе салмағы ауыр жүк тасымалдайтын және үш айға дейін Марстың үстінде қалықтап, 25 реттен астам айналып, үлкен аумақты қамтитын еді. Жүкке жоғары ажыратымдылықтағы стерео бейнелеу құрылғысы, көлбеу бейнелеу мүмкіндіктері, жер астындағы суды іздеуге арналған радар, маңызды минералдарды іздеуге арналған инфрақызыл спектроскопия жүйесі, магнитометр, сондай-ақ ауа райы мен атмосфералық құралдар кіретін еді. MABTEX-тен кейін күн энергиясымен жұмыс істейтін MASEPA, яғни "Mars Solar Electric Propelled Aerobot" деп аталатын шағын дирижабль жасалуы мүмкін еді.

Венера

JPL Венера аэроботтары бойынша да сондай зерттеулер жүргізді. Венера аэроботы технологиялық эксперименті (VEBTEX) технологияны растау эксперименті ретінде қарастырылған, бірақ назар толыққанды операциялық миссияларға ауысқан сияқты. Бір миссиялық концепция, Венера аэроботының көп зондтық жүйесі (VAMS), жоғары биіктікте жұмыс істейтін аэроботты көздейді, ол белгілі бір жер беті нысандарына жер беті зондтарын немесе "зондтарды" жібереді. Аэробот содан кейін зондтардан алған ақпаратты тікелей Жерге жеткізеді, сонымен қатар планетаның магнит өрісі және басқа да мәліметтерді жинақтайды. VAMS-ке түбегейлі жаңа технологиялар қажет емес және ол NASA-ның төмен құнмен жүзеге асырылатын Discovery планеталық ғылыми миссиясы үшін қолайлы болуы мүмкін. Venus Geoscience Aerobot (VGA) атты амбициялы концепция бойынша маңызды жұмыстар атқарылды. VGA жобалары гелий мен сумен толтырылған салыстырмалы түрде үлкен, қайтымды сұйық шарды көздейді, ол Венераның бетіне түсіп, жер беті участаларынан сынамалар алады, содан кейін қайта биікке көтеріліп, салқындатады. Венера бетіндегі жоғары қысым мен температураға (480 градус Цельсийге дейін) төтеп беруге, сондай-ақ күкірт қышқылы бұлттарынан өтуге қабілетті аэроботты жасау үшін жаңа технологиялар қажет болады. 2002 жылы VGA келесі онжылдықтың соңында ғана дайын болады деп күтілді. Шардың прототиптік қабықтары полибензоксазолдан жасалды, бұл полимер жоғары беріктікке, жылуға төзімділікке және жеңіл газдардың аз шығуына ие. Полимерлік пленканың қышқыл бұлттарынан коррозияға төзімді болуын қамтамасыз ету үшін алтын жалатылады. Сонымен қатар, салмағы шамамен 6 кг болатын VGA гондоласы жасалды. Бұл конструкцияда көптеген құралдар титаннан жасалған сыртқы қабығы және тот баспайтын болаттан жасалған ішкі қабығы бар шар тәрізді қысым ыдысында орналасқан. Ыдыста қатты күйдегі камера және басқа да құралдар, сондай-ақ байланыс және ұшуды басқару жүйелері бар. Ыдыс жүз атмосфераға дейінгі қысымға төтеп беруге және тіпті Венера бетінде де ішкі температураны 30 °C (86 °F) төмен ұстауға арналған. Ыдыс күн панельдерінен тұратын алтыбұрышты "себеттің" түбінде орналасқан, ол жоғарыдағы шар жүйесіне байланыстырғыш ретінде қызмет етеді және жылу алмастырғышы ретінде әрекет ететін құбырлар сақинасымен қоршалған. S-диапазонындағы байланыс антеннасы себеттің жиегіне орнатылған, ал жер бетін зерттеу үшін радар антеннасы ыдыстан мачтаға созылып шығады. Венера атмосфералық маневрлік платформасы (VAMP) – Northrop Grumman және LGarde аэроғарыш компанияларының ұзаққа созылатын, қуатты, жартылай жүзуге қабілетті үрмелі ұшаққа арналған миссиялық концепциясы. Бұл ұшақ Венераның жоғарғы атмосферасын биосигнатуралар іздеу үшін және атмосфералық өлшемдерді жүргізу үшін зерттеуге арналған. 2021 жылдың сәуір айында NASA Венераны зерттеу үшін роботтық шарларды жобалау және сынау жұмыстарын жүктегені хабарланды.

Титан

Сатурнның ең үлкен серігі Титан аэроботтарды зерттеу үшін тартымды нысан, себебі оның азот атмосферасы Жер атмосферасынан бес есе тығыз, және органикалық фотохимиялық заттардың тұманды смогын қамтиды, бұл айдың бетін визуалды сенсорлардан жасырады. Аэробот осы тұманды тесіп, айдың құпия бетін зерттеуге және күрделі органикалық молекулаларды іздеуге қабілетті. НАСА Титан үшін бірнеше аэробот миссиясының тұжырымдамаларын, жалпы атауы "Титан Биологиялық Зерттеушісі" астында ұсынды. Бір тұжырымдама, "Titan Aerobot Multisite" миссиясы деп аталады, ол аргонмен толтырылған қайтымды сұйық шарды қамтиды, ол биік биіктіктен айдың бетіне түсіп, өлшемдер жүргізеді, содан кейін қайта биік биіктікке көтеріліп, өлшемдер жүргізеді және басқа орынға жылжып отырады. Тағы бір тұжырымдама – "Titan Aerobot Singlesite" миссиясы, ол бір орынды таңдап, газдың көп бөлігін шығарып, содан кейін сол орынды егжей-тегжейлі зерттеу үшін жоғары қысымды шарды пайдаланады. Бұл схеманың бір ерекше түрі – "Titan Aerover", ол аэробот пен роверді біріктіреді. Бұл көлік үшбұрышты рамамен жабдықталған, ол үш шарды байланыстырады, олардың әрқайсысының диаметрі шамамен бірдей. Титан атмосферасына енгеннен кейін, аэровер қызықты орынды тапқанша жүзіп, содан кейін гелийді шығарып, жер бетіне түседі. Үш шар қажет болған жағдайда жүзуге немесе дөңгелектерге айналады. JPL үш жағажай добына ұқсайтын, түтікшелі рамаға орнатылған қарапайым прототип жасады. "Титан Биологиялық Зерттеушісі" миссиясының қандай нысанда болмасын, жүйеге атомдық қуатты радиоизотоптық термоэлектрлік генератор модулі қажет болады. Сатурнның қашықтығында және Титанның тұманды смогы астында күн энергиясын пайдалану мүмкін емес, ал батареялар миссияның қажетті төзімділігін қамтамасыз етпейді. Аэробот сондай-ақ күрделі органикалық химиялық заттарды іздеу үшін миниатюралық химиялық зертхананы алып жүреді. JPL-ден басқа, Титан аэроботының басқа миссиялық зерттеулері MIT және NASA Glenn жүргізген әуе кемелерінің зерттеулерін, сондай-ақ NASA Ames ұсынған Титан ұшағының зерттеуін қамтиды.

Юпитер

Ақырында, аэроботтар Юпитер атмосферасын және, мүмкін, басқа да газды сыртқы планеталарды зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Осы планеталардың атмосферасы көбінесе сутектен тұратындықтан және сутектен жеңіл газ болмағандықтан, мұндай аэробот Монгольфьер болуы керек. Күн сәулесі мұндай қашықтықта әлсіз болғандықтан, аэробот көп бөлігін төмендегі планетадан таралатын инфрақызыл энергиядан алады. Юпитер аэроботы бірден он атмосфераға дейін ауа қысымы болатын биіктікте жұмыс істей алады, кейде егжей-тегжейлі зерттеулер үшін одан да төмен түседі. Ол атмосфералық өлшемдер жасап, түсірілген суреттерді және Юпитердің Ұлы Қызыл Дағы сияқты ауа райы құбылыстарының қашықтықтан алынған мәліметтерін жібереді. Юпитер аэроботы сондай-ақ атмосфераның тереңіне зондтар жіберіп, олардың мәліметтерін температура мен қысымның оларды жойғанша орбитадағы аппаратқа жеткізе алады.