Расширение миссии Ingenuity: марсианскому вертолету дали дополнительные 30 суток на новые полеты

В пятницу, 30 апреля, около шести часов вечера по московскому времени (а точнее — в 12:33 по местному солнечному времени в кратере Езеро на Марсе) Ingenuity выполнил очередной полет. Из-за ошибки в работе программного обеспечения дрона он состоялся на день позже запланированного — изначально инженеры Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) собирались провести четвертый взлет в четверг, 29 числа. Но, судя по всему, возникла та же неполадка, что помешала вертолету подняться в марсианский воздух первый раз 11 апреля.

Тогда обнаружилось рассогласование контрольного таймера и дрон отказался перейти из предполетного в полетный режим. Сотрудники JPL больше недели трудились над решением проблемы и разработали два способа нивелировать проблему. Один включал полную замену программного обеспечения Ingenuity на исправленную версию, а другой — небольшую модификацию отправляемых с Земли команд. В первом случае проблема бы устранялась полностью, однако это рискованный подход (во всех остальных режимах работы ПО показало себя отлично), требующий дополнительного времени на все необходимые проверки.

Поэтому выбрали второй вариант, хотя он оставлял некоторую вероятность повторения ошибки с таймером (в 15% случаев). При этом опасность для дальнейшего функционирования вертолета из-за отказа взлететь в результате программной проблемы отсутствовала. По всей видимости (в NASA пока не уточняют деталей) 29 числа таймер опять выдал сбой и полет перенесли на следующий день. В пятницу Ingenuity исправно поднялся в воздух, выполнил всю программу полета и вернулся обратно на своеобразный аэродром, получивший имя братьев Райт. Именно план этого полета и представляет наибольший интерес — от его результатов зависит дальнейшая судьба дрона.

Успех миссии

Перво-наперво, отметим, что предварительные итоги эксплуатации демонстратора технологий механизированного полета на Марсе — дрона Ingenuity, — уже подведены. Еще пару дней назад JPL опубликовала на сайте Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США статью с говорящим названием «Цели достигнуты, NASA намерено расширить границы возможного с помощью Ingenuity». Фактически, в ней Дэйв Лэвери (Dave Lavery) и Мими Аунг (MiMi Aung), руководители миссии марсианского вертолета, заявили о ее полном успехе.

Перед инженерами JPL стояло три задачи: доказать возможность управляемого механизированного полета в атмосфере Марса, взлететь на Красной планете и собрать все необходимые технические данные для дальнейшей разработки подобных аппаратов в будущем. Первую цель они достигли еще шесть лет назад в гигантской вакуумной камере, вторую — 19 апреля. Когда опоры Ingenuity коснулись марсианского песка в конце третьего полета и последняя задача была выполнена.

Как оба инженера отметили в ходе брифинга в пятницу, на деле данных оказалось намного больше, чем ожидалось. При этом, по итогам третьего полета и техническое состояние марсианского вертолета оказалось лучше ожидаемого. Именно из-за невероятной производительности Ingenuity миссию решили продлить. Но кроме впечатляющих результатов эксперимента с дроном, для этого еще должны были «сойтись звезды» над головами команды Perseverance и руководства всего проекта Mars 2020. Как ни странно, удача улыбнулась «изобретательному» вертолету.

Все получилось так хорошо, что возникли проблемы

Изначально у Ingenuity было 30 солов (марсианских суток) на выполнение всех поставленных перед ним задач. Время ограничивалось по двум причинам. Во-первых, первый марсианский вертолет — лишь демонстратор технологий и при его создании большой запас прочности не закладывался. Главное, чтобы хоть раз взлетел, а что будет потом — неважно (потому что в успехе миссии вообще никакой уверенности не было). Поэтому в конструкции дрона использовалось много компонентов из потребительской электроники, не рассчитанных на суровые условия эксплуатации.

А во-вторых, у Perseverance есть и своя программа работы. Да, за этот месяц он проверил почти все инструменты на борту и даже провел несколько самостоятельных экспериментов — например, впервые получил кислород из марсианской атмосферы. Но в целом, пока испытывается вертолет, ровер почти буквально связан по рукам и ногам. Чтобы не вносить помехи в сигнал он вынужден не двигаться сам и не шевелить манипулятором. Для контроля полетов со стороны используются его камеры, а для передачи данных — его антенны. В итоге, 30 солов подряд марсоход не делает почти ничего полезного для собственной миссии.

Начиная с первой недели мая команда Perseverance планировала сфокусироваться на своих научных задачах и наконец отвлечься от Ingenuity. Иными словами, в этот момент вертолет должны были забросить. Но он, зараза такая, мало того, что проработал лучше ожидаемого, так еще и не собирается ломаться — телеметрия показывает, что несмотря на довольно нежное «железо», дрон в полном порядке. Возникает конфликт интересов: с одной стороны, миссия марсохода в приоритете, ему надо искать следы древней жизни на Красной планете и собирать образцы грунта, а с другой — нельзя же просто выбросить полностью исправное оборудование стоимостью под 90 миллионов долларов.

Продление миссии

Появившийся компромисс в формате следующей, совершенно новой фазы испытаний Ingenuity стал возможен сразу по двум причинам. В первую очередь, среди неожиданных приятных сюрпризов для инженеров NASA оказалось качество связи между двумя роботами на поверхности Марса. Фактическое соотношение сигнал-шум существенно лучше, чем предсказывали расчеты, так что вертолет сможет улетать от ровера гораздо дальше первоначальных планов. По словам главного инженера марсианского вертолета Боба Баларама (Bob Balaram), максимальная дальность уверенной передачи данных со скоростью порядка 100 килобит в секунду составляет больше километра.

Дистанция — главное техническое ограничение продления эксплуатации Ingenuity. Perseverance, благодаря продвинутому ПО и камерам, способен двигаться куда быстрее своего предшественника — Curiosity. То есть за считанные дни, он должен был уехать от вертолета так далеко, что попросту не смог бы с ним связаться.

Вдобавок к этому, Ingenuity спас непредвиденный интерес геологов к области посадки миссии Mars 2020. Изучая тысячи снимков, которые ровер успел сделать за первые два с небольшим месяца на Красной планете, ученые обнаружили очень много объектов для исследования. На их изучение уйдут ближайшие примерно сто солов, в течение которых Perseverance будет перемещаться в пределах ограниченной области максимальной протяженностью около полутора километров. А учитывая более высокое, чем ожидалось, качество связи, это означает, что Ingenuity сможет передавать данные и получать команды с Земли.

Новый этап жизни марсианского вертолета получил название «Фаза демонстрационной эксплуатации» (Operations demonstration phase). А прежняя, соответственно, была «фазой технологической демонстрации» (Technology demonstration phase). Переход между ними — четвертый и пятый полеты. В пятницу Ingenuity не просто поставил очередной рекорд дальности горизонтального перемещения (266 метров), но и сделал 65 снимков своими камерами. Это больше, чем во всех предыдущих полетах. Из них пять цветных, а остальные монохромные, с навигационных камер.

Вопреки обыкновению, инженеры отдали вертолету команду не удалять, а сохранить технологические изображения (шесть десятков монохромных кадров). Их используют для построения трехмерной карты местности. Затем ее дополнят пятью цветными снимками и выберут новый аэродром — как можно более ровную площадку. На нее вертолет переберется в свой пятый полет, то есть впервые совершит перемещение между двумя точками с посадкой в них, а не маршрут туда-обратно в воздухе.

Эта операция будет переходом между двумя фазами и с ее помощью инженеры JPL покажут, что может летающий аппарат сделать лишь благодаря своим камерам. По итогам пятого рейса, уже на новой посадочной площадке, состояние Ingenuity снова всесторонне проверят и примут решение, что делать дальше. Возможно, вертолет заглянет за расположенные неподалеку дюны, куда роверу путь заказан — слишком велик риск увязнуть в песке. Или дрон проведет разведку скалистых участков с воздуха. Вариантов множество и все они могут быть невероятно полезны с научной точки зрения. Но есть парочка «но».

Ограничения

Как ни прискорбно это признавать, но Ingenuity может отказать в любой момент. Баларама отмечает, что несмотря на отличные данные телеметрии, вертолет имеет высокие шансы сломаться в каждую секунду, проведенную на Марсе. Нельзя предсказать, когда и какая его деталь наконец не выдержит экстремальных перепадов температур. И даже если он выживет дольше, чем можно представить, после августа его все равно забросят — Perseverance начнет перемещаться быстрее и дрон даже с учетом хорошей связи за ним не поспеет.

Текущие планы предусматривают, что Operations demonstration phase продлится следующие 30 дней после пятого полета. Когда он произойдет еще не объявлялось, но, скорее всего, не позднее конца следующей недели. Кроме того, в ходе расширенной миссии фотографий вертолета со стороны будет меньше, а видео можно и вовсе не ждать. Ресурсы ровера направят на основные задачи его мисиии и поддержка Ingenuity со стороны Perseverance ограничится только передачей данных. Наконец, чтобы не перегружать марсоход лишней работой и не отвлекать его команду инженеров JPL, количество полетов дрона тоже будет ограничено. Их планируют совершать не чаще одного в две-три недели (то есть, максимум два за 30 солов новой фазы).

Заканчивать на столь минорной ноте не хотелось бы, поэтому грустить не будем. Впереди у Ingenuity есть время, чтобы неоднократно превзойти все ожидания — целых три с лишним месяца, более чем втрое дольше, чем срок, на который он был рассчитан. И это далеко не первый раз, когда творения JPL служат гораздо дольше, чем должны были, вспомнить хотя бы программу Mars Exploration Rovers. Малыши Spirit и Opportynity прилетели на Красную планету, чтобы изучать ее 90 солов, а в итоге успешно отработали годы.

Первый внеземной вертолет, несмотря на опасения инженеров, имеет довольно высокие шансы показать еще немало трюков. А любители «хардкорных» технических подробностей могут ознакомиться с публикацией JPL о том, какие знания человечество получило из полетов Ingenuity. Или полностью посмотреть брифинг NASA, посвященный переходу в новую фазу эксплуатации марсианского вертолета, где его создатели делятся множеством мелких деталей из своей работы.