Аэробот - Aerobot

Предлагаемый Исследователь Венеры на месте спускаемый аппарат выпустит метеорологический шар

An аэробот это антенна робот, обычно используется в контексте беспилотный космический зонд или Беспилотный летательный аппарат.

Хотя работа над роботом велась с 1960-х годов »вездеходы "изучить Луна и другие миры в Солнечная система, у таких машин есть ограничения. Они, как правило, дороги и имеют ограниченную дальность действия, а из-за задержек во времени связи на межпланетных расстояниях они должны быть достаточно умными, чтобы ориентироваться, не отключая себя.

Однако для планет с атмосферой из любого вещества есть альтернатива: автономный летающий робот или «аэробот».[1][2] Большинство концепций аэроботов основаны на аэростаты, в первую очередь шарики, но иногда дирижабли. Пролетая над препятствиями на ветру, воздушный шар может детально исследовать большие регионы планеты при относительно небольших затратах. Предлагались также самолеты для исследования планет.

Основы воздушных шаров

Хотя идея отправки воздушного шара на другую планету поначалу кажется странной, воздушные шары имеют ряд преимуществ для исследования планет. Они могут быть легкими по весу и потенциально относительно недорогими. Они могут покрывать большую территорию, а их вид с высоты дает им возможность исследовать широкие участки местности с гораздо большей детализацией, чем можно было бы получить с орбиты. спутниковое. Для исследовательских миссий их относительное отсутствие контроля направления не является серьезным препятствием, поскольку, как правило, нет необходимости направлять их в определенное место.

Конструкции воздушных шаров для возможных планетарных миссий включают несколько необычных концепций. Один - солнечный, или инфракрасный (ИК) Montgolfiere. Это воздушный шар где оболочка сделана из материала, улавливающего тепло от солнечного света или тепла, излучаемого поверхностью планеты. Черный - лучший цвет для поглощения тепла, но здесь присутствуют и другие факторы, и материал не обязательно может быть черным.

Солнечные монгольфьеры имеют несколько преимуществ для исследования планет, поскольку их легче развернуть, чем баллон с легким газом, для надувания не обязательно нужен баллон с легким газом, и они относительно легко переносят небольшие утечки. У них есть тот недостаток, что они находятся в воздухе только в дневное время.

Другой - баллон с «обратимой жидкостью». Этот тип баллона состоит из оболочки, соединенной с резервуаром, причем резервуар содержит жидкость, которую легко испарился. Баллон можно заставить подниматься, превращая текучую среду в газ, и можно заставить опускаться, конденсируя газ обратно в текучую среду. Есть несколько различных способов реализации этой схемы, но физический принцип во всех случаях одинаков.

На воздушном шаре, предназначенном для исследования планет, будет небольшой гондола содержащий полезную нагрузку прибора. Гондола также будет нести подсистемы питания, управления и связи. Из-за ограничений по весу и электропитанию подсистема связи обычно будет небольшой и маломощной, а межпланетная связь будет осуществляться через орбитальный планетарный зонд, действующий как реле.

Солнечный монгольфьер будет тонуть ночью, и к основанию гондолы будет прикреплен направляющий трос, который свернется на земле и закрепит воздушный шар в темное время суток. Направляющий трос будет изготовлен из материалов с низким коэффициентом трения, чтобы он не зацепился за грунт или не запутался.

В качестве альтернативы воздушный шар может нести более толстую оснащенную «змейкой» вместо гондолы и направляющего троса, совмещая их функции. Это удобная схема для проведения прямых измерений поверхности.

Воздушный шар также можно было закрепить на якоре, чтобы оставаться в одном месте для наблюдения за атмосферой. Такой статический воздушный шар известен как "аэростат ".

Один из самых сложных аспектов операций с планетарными шарами - ввод их в действие. Обычно воздушный шар входит в атмосферу планеты в виде «аэрозольной оболочки», т.е. тепловой экран в виде приплюснутого конуса. После вход в атмосферу, а парашют извлечет баллон в сборе из аэрозольной оболочки, которая отпадет. Затем баллон в сборе раскрывается и надувается.

После ввода в эксплуатацию аэробот будет в основном сам по себе и должен будет выполнять свою миссию автономно, принимая только общие команды по своей длинной связи с Землей. Аэробот должен будет перемещаться в трех измерениях, собирать и хранить научные данные, управлять полетом, меняя высоту, и, возможно, совершать посадку в определенных местах, чтобы обеспечить детальное расследование.

Воздушные шары Венеры Вега

Основная статья: Программа Vega § Воздушный шар
Зонд воздушного шара Vega на дисплее в Удвар-Хази Центр Смитсоновского института.

Первый и пока единственный полет планетарного шара был выполнен Институтом космических исследований Академии наук СССР в сотрудничестве с французским космическим агентством CNES в 1985 году. Небольшой аэростат, внешне похожий на наземный. метеорологические шары, был нанесен на каждый из двух Советский Зонды Vega Venus, выпущенный в 1984 году.

Первый воздушный шар был введен в атмосферу Венеры 11 июня 1985 года, а второй - 15 июня 1985 года. Первый воздушный шар вышел из строя всего через 56 минут, а второй проработал чуть меньше двух земных суток, пока его батареи не разрядились. .

Воздушные шары Venus Vega были идеей Жак Бламон, главный научный сотрудник CNES и основоположник исследования планетных шаров. Он энергично продвигал идею и заручился международной поддержкой небольшого проекта.

Научные результаты зондов Venus VEGA были скромными. Что еще более важно, умный и простой эксперимент продемонстрировал обоснованность использования воздушных шаров для исследования планет.

Усилия аэроботов на Марсе

После успеха воздушных шаров Venus VEGA Бламон сосредоточился на более амбициозной миссии воздушного шара на Марс, который должен был быть доставлен на советский космический зонд.

Атмосферное давление на Марсе примерно в 150 раз меньше, чем на Земле. В такой разреженной атмосфере воздушный шар объемом от 5000 до 10000 кубических метров (от 178 500 до 357000 кубических футов) может нести полезную нагрузку 20 кг (44 фунта), в то время как воздушный шар объемом 100000 кубических метров (3600000 кубических футов) ) мог нести 200 кг (440 фунтов).

Французы уже провели обширные эксперименты с солнечными Монгольфьерами, выполнив более 30 полетов с конца 1970-х до начала 1990-х годов. «Монгольфьер» пролетел на высоте 35 километров, где атмосфера была такой же тонкой и холодной, как на Марсе, и один из них провел в воздухе 69 дней, дважды облетев Землю.

Ранние концепции воздушного шара на Марсе представляли собой систему «двойного шара», в которой герметичный воздушный шар, наполненный водородом или гелием, был привязан к солнечному Монгольфьеру. Воздушный шар на легком газе был разработан, чтобы удерживать Монгольфьер от земли ночью. Днем Солнце нагревает «Монгольфьер», вызывая подъем воздушного шара.

В конце концов, группа остановилась на цилиндрическом герметичном гелиевом шаре из алюминизированной ПЭТ пленка, и объемом 5 500 кубических метров (196 000 кубических футов). Воздушный шар поднимался бы при нагревании днем ​​и опускался бы при охлаждении ночью.

Общая масса баллона в сборе составляла 65 кг (143 фунта), включая гондолу весом 15 кг (33 фунта) и оборудованный трос на 13,5 кг (30 фунтов). Предполагалось, что воздушный шар проработает десять дней. К сожалению, хотя воздушный шар и его подсистемы были проделаны значительные работы, финансовые трудности в России заставили Марсианский зонд из 1992, затем в 1994, а затем в 1996. Воздушный шар Mars был исключен из проекта из-за стоимости.

Лаборатория реактивного движения с аэроботами

К этому времени Лаборатория реактивного движения (JPL) США Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) заинтересовалось идеей планетарных аэроботов, и на самом деле команда под руководством Джима Каттса из JPL в течение нескольких лет работала над концепциями планетарных аэроботов, а также проводила эксперименты для проверки технологии аэроботов.

Первые такие эксперименты были сосредоточены на серии воздушных шаров с обратимой жидкостью под названием ALICE для «Эксперимента по управлению высотой». Первый такой воздушный шар, ALICE 1, полетел в 1993 году, а другие полеты через ALICE 8 состоялись в 1997 году.

Связанная с этим работа включала определение характеристик материалов для оболочки воздушного шара Венеры и два полета воздушного шара в 1996 году для тестирования полезной нагрузки прибора под названием BARBE для "Баллонного оборудования для радиационного бюджета".

К 1996 году JPL работала над полноценным экспериментом с пилотажем под названием PAT для «Испытательного стенда планетарного аэробота», который был предназначен для демонстрации полноценного планетарного аэробота через полеты в атмосферу Земли. Концепции PAT предусматривали создание реверсивного воздушного шара с 10-килограммовой полезной нагрузкой, который будет включать системы навигации и камеры и в конечном итоге будет работать под автономным управлением. Проект оказался слишком амбициозным и был отменен в 1997 году. JPL продолжала работать над более целенаправленными и недорогостоящими экспериментами, чтобы создать марсианский аэробот под названием MABVAP для «Программы проверки марсианских аэроботов». Эксперименты MABVAP включали сброс систем воздушных шаров с воздушных шаров и вертолетов для проверки сложной фазы развертывания полета планетарных аэроботов и разработку оболочки для аэростатов сверхдавления с материалами и конструкциями, подходящими для длительной миссии на Марс.

JPL также предоставила набор атмосферных и навигационных датчиков для кругосветных полетов пилотируемого воздушного шара Solo Spirit, как для поддержки полетов воздушных шаров, так и для проверки технологий для планетарных аэроботов.

Пока продолжались эти испытания и эксперименты, Лаборатория реактивного движения провела ряд теоретических исследований для миссий планетарных аэроботов. Марс, Венера, Сатурн луна Титан, а внешние планеты.

Марс

Технологические эксперименты JPL MABVAP должны были привести к реальной миссии аэроботов на Марс, получившей название MABTEX, для «Марсианского технологического эксперимента с аэроботами». Как следует из названия, MABTEX в первую очередь был задуман как эксперимент в области операционных технологий, предваряющий более амбициозные усилия. МАБТЕКС задумывался как небольшой баллон сверхдавления, доставленный на Марс на «микрозонде» весом не более 40 кг (88 фунтов). После установки рабочий шар будет иметь общую массу не более 10 кг (22 фунта) и будет оставаться в рабочем состоянии в течение недели. Маленькая гондола будет иметь навигационную и управляющую электронику, а также стереоизображение система, а также спектрометр и магнитометр.

Планы предусматривали продолжение MABTEX в виде гораздо более совершенного аэробота под названием MGA, от имени Mars Geoscience Aerobot. Конструктивная концепция MGA предусматривала систему баллонов сверхдавления, очень похожую на MABTEX, но намного более крупную. MGA будет нести полезную нагрузку в десять раз больше, чем MABTEX, и будет оставаться в воздухе до трех месяцев, облетев Марс более 25 раз и преодолев более 500 000 километров (310 000 миль). Полезная нагрузка будет включать в себя сложное оборудование, такое как стереоскопический формирователь изображений сверхвысокого разрешения, а также возможности построения наклонных изображений; а радар эхолот для поиска подземные воды; ан инфракрасная спектроскопия система поиска важных полезных ископаемых; магнитометр; и инструменты погоды и атмосферы. За MABTEX, в свою очередь, может последовать небольшой дирижабль на солнечной энергии под названием MASEPA, что означает "Mars Solar Electric Propelled Aerobot".

Венера

Лаборатория реактивного движения также проводила аналогичные исследования на аэроботах Венеры. Эксперимент Venus Aerobot Technology Experiment (VEBTEX) рассматривался как эксперимент по проверке технологии, но, похоже, основное внимание уделялось полным оперативным миссиям. Одна из концепций миссии, Venus Aerobot Multisonde (VAMS), предполагает работу аэробота на высоте более 50 километров (31 миль), который будет сбрасывать наземные зонды или «зонды» на определенные наземные цели. Затем воздушный шар будет передавать информацию от зондов прямо на Землю, а также собирать данные о планетном магнитном поле и другую информацию. VAMS не потребует принципиально новой технологии и может быть подходящим для недорогого НАСА. Миссия планетарной науки Discovery.

Значительная работа была выполнена над более амбициозной концепцией - Venus Geoscience Aerobot (VGA). Конструкция VGA предусматривает относительно большой воздушный шар с обратимой жидкостью, наполненный гелием и водой, который может опускаться на поверхность Венеры для получения образцов на поверхности, а затем снова подниматься на большие высоты и остывать.

Разработка аэробота, способного выдерживать высокие давления и температуры (до 480 градусов по Цельсию или почти 900 градусов по Фаренгейту) на поверхности Венеры, а также прохождение через облака серной кислоты потребуют новых технологий. По состоянию на 2002 год ожидалось, что VGA будет готов только в конце следующего десятилетия. Оболочки-прототипы воздушных шаров были изготовлены из полибензоксазол, полимер, обладающий высокой прочностью, устойчивостью к нагреванию и низкой утечкой легких газов. Нанесено золотое покрытие, чтобы полимерная пленка сопротивлялась коррозии из-за кислотных облаков.

Также была проделана работа над гондолой VGA весом около 30 кг (66 фунтов). В этой конструкции большинство инструментов заключено в сферический сосуд высокого давления с внешней оболочкой из титан и внутренняя оболочка из нержавеющая сталь. Судно содержит твердотельную камеру и другие приборы, а также системы связи и управления полетом. Сосуд спроектирован так, чтобы выдерживать давление до ста атмосфер и поддерживать внутреннюю температуру ниже 30 ° C (86 ° F) даже на поверхности Венеры. Судно установлено на дне шестиугольной «корзины» из солнечных панелей, которые, в свою очередь, обеспечивают тросовое соединение с системой воздушных шаров наверху, и окружено кольцом из труб, действующих как теплообменник. An S-диапазон Антенна связи установлена ​​на ободе корзины, а антенна радара для наземных исследований выступает из судна на мачте.

В Атмосферная маневренная платформа Венеры (VAMP) - концепция миссии аэрокосмических компаний. Northrop Grumman и LGarde для мощного, долговечного, полуплавучего надувного самолета, который исследовал бы верхние слои атмосферы Венеры в течение биосигнатуры[3][4] а также выполнять атмосферные измерения.[5]

Титан

Титан, самая большая луна Сатурн, является привлекательной целью для исследования с помощью аэроботов, поскольку его азотная атмосфера в пять раз плотнее атмосферы Земли, которая содержит смог органических фотохимических веществ, скрывающих поверхность Луны от визуальных датчиков. Аэробот сможет проникнуть сквозь эту дымку, чтобы изучить загадочную поверхность Луны и найти сложные органические молекулы. НАСА обрисовало в общих чертах ряд различных концепций полетов аэроботов для Титана под общим названием Titan Biologic Explorer.

Одна из концепций, известная как миссия Titan Aerobot Multisite, включает в себя воздушный шар с обратимой жидкостью, наполненный аргоном, который может спускаться с большой высоты на поверхность Луны, выполнять измерения, а затем снова подниматься на большую высоту для выполнения измерений и перехода к другой сайт. Другая концепция, миссия Titan Aerobot Singlesite, предполагает использование аэростата сверхдавления, который выбирает одно место, выпускает большую часть своего газа, а затем подробно исследует это место.

Гениальный вариант этой схемы, Titan Aerover, сочетает в себе аэробот и вездеход. Этот автомобиль имеет треугольную раму, которая соединяет три шара диаметром около двух метров (6,6 фута) каждый. После входа в атмосферу Титана аэровер будет плавать, пока не найдет интересное место, а затем выпустить гелий, чтобы спуститься на поверхность. Затем эти три шара будут служить поплавками или колесами по мере необходимости. JPL построила простой прототип, который выглядит как три мячика на трубчатой ​​раме.

Независимо от того, какую форму примет миссия Titan Biologic Explorer, системе, скорее всего, потребуется атомный двигатель. радиоизотопный термоэлектрический генератор модуль для питания. Солнечная энергия была бы невозможна на расстоянии от Сатурна и в смоге Титана, а батареи не обеспечивали бы достаточной продолжительности миссии. На аэроботе также должна быть миниатюрная химическая лаборатория для поиска сложных органических химикатов.

Помимо JPL, другие миссионерские исследования концепций аэроботов Titan включали исследования дирижаблей Массачусетского технологического института.[6] и НАСА Гленн,[7] и предложенный НАСА Эймс самолет Титан.[8]

Юпитер

Наконец, аэроботы могут быть использованы для исследования атмосферы Юпитера и, возможно, других газовых внешние планеты. Поскольку атмосферы этих планет в основном состоят из водорода, и поскольку нет более легкого газа, чем водород, такой аэробот должен быть Montgolfiere. Поскольку солнечный свет на таких расстояниях слабый, аэробот будет получать большую часть своего тепла за счет инфракрасной энергии, излучаемой планетой внизу.[9]

Аэробот Юпитера может работать на высотах, где давление воздуха колеблется от одной до десяти атмосфер, иногда понижаясь для подробных исследований. Он будет производить атмосферные измерения, получать изображения и дистанционное зондирование погодных явлений, таких как Юпитер. Большое красное пятно. Аэробот Юпитера может также сбрасывать зонды глубоко в атмосферу и передавать их данные обратно на орбитальный аппарат, пока зонды не будут разрушены температурой и давлением.

Планетарный самолет

Художественная концепция самолета Венеры

Концепции крылатых самолетов были предложены для роботизированных исследований в атмосфере Марса.[2][10] Венера,[11][12] Титан,[8] и даже Юпитер.[13]

Основные технические проблемы полета на Марс включают:[10]

  1. Понимание и моделирование низкого Число Рейнольдса, аэродинамика с высоким дозвуковым числом Маха
  2. Создание подходящих, часто нетрадиционных конструкций планера и аэроконструкций.
  3. Освоение динамики развертывания из аэрооболочки спускающегося аппарата входа
  4. Интеграция в систему двигательной подсистемы, не работающей на воздухе.

Концепция самолета, АРЕС[14] был выбран для детального исследования дизайна в качестве одного из четырех финалистов конкурса 2007 г. Программа Mars Scout возможность, но в итоге не была выбрана в пользу Феникс миссия. В ходе проектных исследований как полуразмерные, так и полномасштабные летательные аппараты были испытаны в марсианских атмосферных условиях.[14] (Смотрите также Самолет Марс.)

использованная литература

  1. ^ Барнс Д.П., Саммерс, П., Шоу, А., "Исследование технологий аэроботов для исследования планет", в Proc. 6-й семинар ЕКА по передовым космическим технологиям для робототехники и автоматизации, ASTRA 2000. ESTEC Noordwijk, NL, стр. 3.6–5, декабрь 2000 г. PDF версия В архиве 15 мая 2006 г. Wayback Machine.
  2. ^ а б Энтони Колоцца, Джеффри Лэндис и Валери Лайонс, Обзор инновационных силовых и двигательных систем самолета и их применения для исследования планет, NASA TM-2003-212459 (июль 2003 г.) ссылка на NASA TM В архиве 12 мая 2008 г. Wayback Machine
  3. ^ Астрономы размышляют о возможной жизни в облаках Венеры. Дебора Берд, Земля и небо. 31 марта 2018.
  4. ^ Ученые исследуют возможность существования жизни, скрытой в облаках Венеры. Критин Мур, Инквизитр. 1 апреля 2018.
  5. ^ Есть ли жизнь в облаках Венеры?. Терри Девитт, Science Daily. 30 марта 2018.
  6. ^ Джон Даффнер, Майкл Лю, Кристоф Мэнди, Роберт Пэниш и Джеффри Лэндис, «Концептуальный проект полета дирижабля к Титану», документ AIAA 2007-6265, Конференция и выставка AIAA Space-2007, Лонг-Бич, Калифорния, 18–20 сентября 2007 г. (бумага на сайте документов собрания AIAA, полученном 13 мая 2015 г.)
  7. ^ Р. Хеллер, Дж. Лэндис, А. Хепп и А. Колозза, "Дирижабль с подогревом в среде Титана: термический анализ", Дои:10.1061/9780784412190.047, Земля и космос 2012, С. 425–433. (бумага в Библиотека ASCE, дата обращения 13 мая 2015; [https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120012527.pdf pdf на сайте NASA NTRS, получено 13 мая 2015 г.)
  8. ^ а б Дж. У. Барнс, К. Маккей, Л. Лемке, Р. А. Бейер, Дж. Радебо и Д. Аткинсон, «АВИАТР: летательный аппарат для локальной и воздушной разведки Титанов», 41-я конференция по изучению Луны и планет, 1–5 марта, 2010 год, Вудлендс, Техас; Вклад ФИАН № 1533, стр.2551 (Абстрактные в базе данных smithsonian, данные получены 13 мая 2015 г.)
  9. ^ Джек А. Джонс и Мэтт Хун [Аэроботы на воздушном шаре Монгольфьера для атмосферы Юпитера (аннотация)] Лаборатория реактивного движения, Калифорнийский технологический институт
  10. ^ а б НАСА Самолет AME Mars концепт, 1996
  11. ^ Джеффри А. Лэндис, «Изучение Венеры с помощью солнечного самолета», Международный форум по применению космических технологий; 11–15 февраля 2001 г .; Альбукерке, Нью-Мексико, Материалы конференции AIP Vol. 552, г. стр. 16–18 (НАСА NTRS получено 13 мая 2015 г.)
  12. ^ Джеффри А. Лэндис, Энтони Колоцца и Кристофер М. Ламарр, "Атмосферный полет на Венере", Журнал AIAA по космическим кораблям и ракетам, Vol. 40 № 5, 40-е собрание и выставка AIAA, Американский институт аэронавтики и астронавтики, Рино, Невада, 14–17 января 2002 г. (ссылка на NASA TM В архиве 12 мая 2008 г. Wayback Machine )(ссылка на статью журнала получено 13 May 2015
  13. ^ Джордж Мейз, «Исследование атмосферы Юпитера с помощью летательного аппарата с ядерным прямоточным воздушным двигателем», представленный на NIAC 4th. Ежегодное собрание Отчет NIAC
  14. ^ а б Самолет Ареса Марса интернет сайт В архиве 2010-03-25 на Wayback Machine

внешние ссылки