Введение
Аэробот – это летающий робот, обычно используемый в контексте беспилотного космического зонда или беспилотного летательного аппарата. Хотя с 1960-х годов ведутся разработки роботов-роверов для исследования Луны и других планет Солнечной системы, такие машины имеют свои ограничения. Они, как правило, дороги и обладают ограниченным радиусом действия, а из-за задержки сигнала на межпланетных расстояниях должны быть достаточно автономными для навигации, чтобы не выйти из строя. Однако для планет, обладающих атмосферой, существует альтернатива: автономный летающий робот, или "аэробот". Большинство концепций аэроботов основаны на аэростатах, преимущественно на воздушных шарах, но иногда и на дирижаблях. Летая над препятствиями на ветру, воздушный шар может детально исследовать обширные территории планеты с относительно небольшими затратами. Также предлагались самолеты для планетарных исследований.
Основы воздушных шаров
Хотя идея отправки воздушного шара на другую планету поначалу может показаться странной, воздушные шары обладают рядом преимуществ для исследования планет. Их можно сделать легкими и потенциально относительно недорогими. Они способны преодолевать большие расстояния, а обзор с высоты позволяет им изучать обширные участки местности с гораздо большей детализацией, чем это возможно с орбитального спутника. Для разведывательных миссий относительное отсутствие контроля над направлением не является серьезным препятствием, поскольку обычно нет необходимости направлять их в конкретное место. В конструкциях воздушных шаров для возможных планетных миссий используются несколько необычных концепций. Одна из них – солнечный или инфракрасный (ИК) Монгольфьер. Это воздушный шар, оболочка которого изготовлена из материала, улавливающего тепло от солнечного света или от тепла, излучаемого с поверхности планеты. Черный цвет лучше всего поглощает тепло, но существуют и другие факторы, и материал не обязательно должен быть черным. Солнечные Монгольфьеры имеют несколько преимуществ для исследования планет, поскольку их легче развернуть, чем воздушный шар, наполненный легким газом, они не обязательно требуют резервуар с легким газом для надувания и относительно терпимы к небольшим утечкам. Их недостаток заключается в том, что они находятся в воздухе только в дневное время. Другая концепция – воздушный шар с "обратимой жидкостью". Этот тип воздушного шара состоит из оболочки, соединенной с резервуаром, содержащим жидкость, которая легко испаряется. Шар может подниматься за счет испарения жидкости в газ и опускаться за счет конденсации газа обратно в жидкость. Существует несколько различных способов реализации этой схемы, но физический принцип во всех случаях остается одинаковым. Воздушный шар, предназначенный для исследования планет, будет нести небольшую гондолу с приборным оборудованием. Гондола также будет оснащена подсистемами электропитания, управления и связи. Из-за ограничений по весу и энергоснабжению подсистема связи обычно будет небольшой и маломощной, а межпланетная связь будет осуществляться через орбитальный планетарный зонд, выполняющий роль ретранслятора. Солнечный Монгольфьер будет опускаться ночью и будет иметь направляющий трос, прикрепленный к нижней части гондолы, который будет скручиваться на земле и якорить шар в темное время суток. Направляющий трос будет изготовлен из материалов с низким коэффициентом трения, чтобы избежать зацепов или запутывания о неровности местности. В качестве альтернативы, воздушный шар может нести более толстую приборную "змею" вместо гондолы и направляющего троса, объединяя функции обоих. Это удобная схема для проведения прямых измерений на поверхности. Воздушный шар также может быть закреплен, чтобы оставаться на одном месте для проведения атмосферных наблюдений. Такой статический воздушный шар известен как "аэростат". Одним из наиболее сложных аспектов эксплуатации планетарных воздушных шаров является ввод их в действие. Обычно воздушный шар входит в атмосферу планеты в "аэрооболочке" – тепловом щите в форме усеченного конуса. После входа в атмосферу парашют извлекает воздушный шар из аэрооболочки, которая отпадает. Затем воздушный шар разворачивается и надувается. После ввода в эксплуатацию аэробот будет в значительной степени автономен и должен будет выполнять свою миссию самостоятельно, принимая только общие команды по каналу связи с Землей. Аэроботу придется ориентироваться в трех измерениях, собирать и хранить научные данные, управлять полетом, изменяя высоту, и, возможно, совершать посадки в определенных местах для проведения детальных исследований.
Баллоны "Венера Вега"
Первая и на данный момент единственная миссия планетарного аэростата была осуществлена Институтом космических исследований Советской академии наук в сотрудничестве с французским космическим агентством CNES в 1985 году. Небольшой аэростат, внешне похожий на земные метеорологические зонды, был доставлен на каждом из двух советских аппаратов "Вега-Венера", запущенных в 1984 году. Первый аэростат был спущен в атмосферу Венеры 11 июня 1985 года, за ним последовал второй аэростат 15 июня 1985 года. Первый аэростат вышел из строя всего через 56 минут, но второй проработал чуть менее двух земных суток, пока не разрядились батареи. Идея аэростатов "Венера-Вега" принадлежала Жаку Бламону, ведущему ученому CNES и пионеру исследования планет с помощью аэростатов. Он активно продвигал эту концепцию и привлек международную поддержку к этому небольшому проекту. Научные результаты, полученные аппаратами "Вега", были скромными. Однако, что более важно, этот остроумный и простой эксперимент доказал целесообразность использования аэростатов для исследования планет.
Усилия марсианских аэроботов
После успеха шаров Venus VEGA Блемонт сосредоточился на более амбициозной миссии на Марсе, которую планировалось осуществить с помощью советского космического зонда. Атмосферное давление на Марсе примерно в 150 раз меньше, чем на Земле. В такой разреженной атмосфере воздушный шар объемом в 100 м³ мог нести полезную нагрузку в 100 кг, в то время как воздушный шар объемом в 300 м³ мог нести . Французы уже провели обширные эксперименты с солнечными Монгольфьерами, выполнив более 30 полетов с конца 1970-х до начала 1990-х годов. Монгольфьеры поднимались на высоту 35 километров, где атмосфера была такой же тонкой и холодной, как на Марсе, и один из них находился в воздухе 69 дней, дважды облетев Землю. Ранние концепции марсианского воздушного шара предусматривали систему "двойного шара", состоящую из герметичного шара, наполненного водородом или гелием, прикрепленного к солнечному Монгольфьеру. Легкий газовый шар был разработан для того, чтобы удерживать Монгольфьер над землей ночью. Днем Солнце нагревало Монгольфьер, заставляя всю конструкцию подниматься. В конечном итоге группа остановилась на цилиндрическом герметичном гелиевом шаре из алюминиевой ПЭТ-пленки объемом в 100 м³. Шар должен был подниматься при нагревании днем и опускаться при охлаждении ночью. Общая масса конструкции шара составляла , с гондолой и инструментированным направляющим тросом. Предполагалось, что шар будет работать в течение десяти дней. К сожалению, несмотря на значительные работы по разработке шара и его подсистем, российские финансовые трудности перенесли запуск зонда на Марс с 1992 года на 1994 год, а затем на 1996 год. Марсианский шар был исключен из проекта из-за высокой стоимости.
The French had already conducted extensive experiments with solar Montgolfieres, performing over 30 flights from the late 1970s into the early 1990s. The Montgolfieres flew at an altitude of 35 kilometers, where the atmosphere was as thin and cold as it would be on Mars, and one spent 69 days aloft, circling the Earth twice. Early concepts for the Mars balloon featured a "dual balloon" system, with a sealed hydrogen or helium filled balloon tethered to a solar Montgolfiere. The light gas balloon was designed to keep the Montgolfiere off the ground at night. During the day, the Sun would heat up the Montgolfiere, causing the balloon assembly to rise. Eventually, the group decided on a cylindrical sealed helium balloon made of aluminized PET film, and with a volume of The balloon would rise when heated during the day and sink as it cooled at night. Total mass of the balloon assembly was , with a gondola and a instrumented guiderope. The balloon was expected to operate for ten days. Unfortunately, although considerable development work was performed on the balloon and its subsystems, Russian financial difficulties pushed the Mars probe out from 1992, then to 1994, and then to 1996. The Mars balloon was dropped from the project due to cost.
Эксперименты с аэроботами JPL
К этому времени Лаборатория реактивного движения (JPL) Национального управления аэронавтики и космоса США (NASA) проявила интерес к идее планетарных аэроботов, и команда под руководством Джима Каттса из JPL на самом деле уже несколько лет работала над концепциями планетарных аэроботов, а также проводила эксперименты для подтверждения технологии аэроботов. Первые эксперименты были сосредоточены на серии обратимых жидкостных воздушных шаров под названием ALICE, что расшифровывается как "Эксперимент по управлению высотой". Первый такой воздушный шар, ALICE 1, совершил полет в 1993 году, за которым последовали полеты ALICE 8 в 1997 году. Связанные работы включали определение характеристик материалов для оболочки воздушного шара для Венеры и два полета в 1996 году для тестирования полезной нагрузки приборов под названием BARBE, что означает "Оборудование для поддержки радиационного бюджета, использующее воздушный шар". К 1996 году JPL работала над полноценным экспериментом с аэроботами под названием PAT, или "Планетарный испытательный стенд для аэроботов", который должен был продемонстрировать полноценный планетарный аэробот посредством полетов в атмосферу Земли. Концепция PAT предусматривала обратимый жидкостный воздушный шар с полезной нагрузкой 10 килограммов, включающей системы навигации и камеры, и в конечном итоге работающий в автономном режиме. Проект оказался слишком амбициозным и был отменен в 1997 году. JPL продолжила работу над более целенаправленными и недорогими экспериментами, направленными на создание марсианского аэробота под названием MABVAP, что расшифровывается как "Программа валидации марсианских аэроботов". Эксперименты MABVAP включали сброс систем воздушных шаров с воздушных шаров и вертолетов для проверки сложной фазы развертывания миссии планетарного аэробота, а также разработку оболочек для воздушных шаров сверхвысокого давления с материалами и конструкциями, подходящими для длительной миссии на Марс. JPL также предоставила набор атмосферных и навигационных датчиков для кругосветных пилотируемых полетов на воздушных шарах Solo Spirit, как для поддержки этих миссий, так и для проверки технологий для планетарных аэроботов. Параллельно с этими испытаниями и экспериментами JPL провела ряд теоретических исследований для миссий планетарных аэроботов на Марс, Венеру, спутник Сатурна Титан и внешние планеты.
Марс
Эксперименты JPL по технологии MABVAP были направлены на создание реальной миссии марсианских аэроботов под названием MABTEX, что расшифровывается как "Эксперимент по технологии марсианских аэроботов". Как следует из названия, MABTEX задумывался прежде всего как оперативный технологический эксперимент, предшествующий более масштабным проектам. MABTEX представлялся собой небольшой воздушный шар сверхвысокого давления, доставляемый на Марс на "микрозонде" массой не более 100 кг. После развертывания эксплуатационный воздушный шар имел бы общую массу не более 100 кг и оставался бы в рабочем состоянии в течение недели. Небольшая гондола содержала бы навигационное и управляющее оборудование, а также систему стереоизображений, спектрометр и магнитометр. Планировалось продолжить развитие MABTEX в виде гораздо более сложного аэробота под названием MGA, что означает "Аэробот марсианской геонауки". Концептуальные проекты MGA предусматривали систему воздушных шаров сверхвысокого давления, очень похожую на систему MABTEX, но значительно большего размера. MGA должен был нести полезную нагрузку в десять раз превышающую массу полезной нагрузки MABTEX и оставаться в полете до трех месяцев, совершая более 25 оборотов вокруг Марса и покрывая площадь более. Полезная нагрузка включала бы сложное оборудование, такое как стереокамера сверхвысокого разрешения, а также возможности косой съемки; радарный зонд для поиска подземных вод; инфракрасную спектроскопическую систему для поиска важных минералов; магнитометр; и метеорологические и атмосферные приборы. За MABTEX мог последовать небольшой дирижабль на солнечной энергии под названием MASEPA, что расшифровывается как "Аэробот Марса с солнечным электрическим приводом".
Венера
JPL также проводил аналогичные исследования аэроботов Венеры. Эксперимент по технологии "Венера" (VEBTEX) рассматривался как эксперимент для подтверждения технологий, но, по-видимому, основное внимание уделялось полноценным оперативным миссиям. Одна из концепций миссии, Venus Aerobot Multisonde (VAMS), предполагает, что аэробот, работающий на больших высотах, будет сбрасывать поверхностные зонды ("зонды") на заданные точки на поверхности. Затем аэробот будет передавать информацию от зондов непосредственно на Землю, а также собирать данные о планетарном магнитном поле и другую информацию. Для реализации VAMS не потребуется принципиально новых технологий, и она может быть подходящей для недорогой планетарной миссии NASA в рамках программы Discovery. Значительная работа была проведена над более амбициозной концепцией, Venus Geoscience Aerobot (VGA). В проекте VGA представлен относительно большой обратимый баллон, заполненный гелием и водой, который может спускаться на поверхность Венеры для отбора проб, а затем подниматься обратно в верхние слои атмосферы для охлаждения. Разработка аэробота, способного выдерживать высокие давления и температуры (до 480 градусов Цельсия, или почти 900 градусов Фаренгейта) на поверхности Венеры, а также воздействие облаков серной кислоты, потребует новых технологий. По состоянию на 2002 год ожидалось, что VGA будет готов не ранее конца следующего десятилетия. Прототипы оболочек баллонов были изготовлены из полибензоксазола – полимера, обладающего высокой прочностью, термостойкостью и низкой проницаемостью для легких газов. Для защиты полимерной пленки от коррозии кислотными облаками на нее нанесено золотое покрытие. В этой конструкции большинство приборов размещены в сферическом герметичном корпусе с внешней оболочкой из титана и внутренней – из нержавеющей стали. Корпус содержит твердотельную камеру и другие приборы, а также системы связи и управления полетом. Он рассчитан на выдерживание давления до ста атмосфер и поддержание внутренней температуры ниже 30 °C (86 °F) даже на поверхности Венеры. Корпус расположен на дне шестиугольной "корзины" из солнечных панелей, которые, в свою очередь, обеспечивают связь с баллонной системой, и окружен кольцом труб, выполняющих функцию теплообменника. На ободе корзины установлена антенна связи S-диапазона, а радиолокационная антенна для изучения поверхности вынесена из корпуса на мачте. Venus Atmospheric Maneuverable Platform (VAMP) – это концепция миссии, предложенная аэрокосмическими компаниями Northrop Grumman и LGarde, для создания управляемого, долговечного, полу-несущего надувного аппарата, который будет исследовать верхние слои атмосферы Венеры в поисках биосигнатур и проводить атмосферные измерения. В апреле 2021 года стало известно, что NASA выделило средства на проектирование и испытание роботизированных баллонов для будущих исследований Венеры.
Титан
Титан, крупнейший спутник Сатурна, является привлекательной целью для исследования аэроботов, поскольку он обладает атмосферой азота, плотность которой в пять раз превышает земную, содержащей смог органических фотохимических веществ, скрывающий поверхность луны от визуальных датчиков. Аэробот сможет проникнуть сквозь эту дымку для изучения таинственной поверхности Титана и поиска сложных органических молекул. NASA разработало ряд различных концепций миссий с использованием аэроботов для Титана под общим названием Titan Biologic Explorer. Одна из концепций, известная как миссия Titan Aerobot Multisite, предусматривает использование обратимого жидкостного аэростата, наполненного аргоном, который сможет спускаться с большой высоты на поверхность луны, проводить измерения, а затем подниматься обратно на большую высоту для проведения измерений и перемещения к другой точке. Другая концепция, миссия Titan Aerobot Singlesite, предполагает использование аэростата сверхвысокого давления, который выберет одну точку, выпустит большую часть газа и затем проведет детальное обследование этой точки. Оригинальным вариантом этой схемы является Titan Aerover, сочетающий в себе аэробот и марсоход. Этот аппарат имеет треугольную раму, соединяющую три аэростата, каждый диаметром около [вставить диаметр]. После входа в атмосферу Титана Aerover будет дрейфовать, пока не обнаружит интересную точку, а затем выпустит гелий для спуска на поверхность. Три аэростата затем будут служить поплавками или колесами по мере необходимости. JPL построил простой прототип, напоминающий три пляжных мяча на трубчатой раме. Независимо от того, какую форму примет миссия Titan Biologic Explorer, системе, вероятно, потребуется атомный радиоизотопный термоэлектрический генератор для обеспечения энергией. Использование солнечной энергии невозможно на расстоянии Сатурна и из-за смога Титана, а батареи не обеспечат достаточной продолжительности работы миссии. Аэробот также будет оснащен миниатюрной химической лабораторией для поиска сложных органических соединений. Помимо JPL, другие исследования концепций аэроботов для Титана включали изучение дирижаблей, проводимое MIT и NASA Glenn, а также предложенный NASA Ames самолет для Титана.
Юпитер
Наконец, аэроботы могут быть использованы для исследования атмосферы Юпитера и, возможно, других газовых гигантских планет. Поскольку атмосфера этих планет в основном состоит из водорода, а газа легче водорода не существует, такой аэробот должен быть построен по принципу Монгольфьера. Учитывая слабость солнечного света на таких расстояниях, аэробот будет получать основную часть энергии для нагрева от инфракрасного излучения, исходящего от планеты. Аэробот для Юпитера может функционировать на высотах, где атмосферное давление варьируется от одной до десяти атмосфер, периодически опускаясь ниже для проведения детальных исследований. Он будет осуществлять измерения атмосферы, передавать изображения и данные дистанционного зондирования погодных явлений, таких как Большое Красное Пятно Юпитера. Аэробот Юпитера также может сбрасывать зонды в глубокие слои атмосферы и ретранслировать их данные на орбитальный аппарат до тех пор, пока зонды не будут уничтожены температурой и давлением.