Aerobot - Aerobot
Aerobot je anténa robot , se obvykle používá v souvislosti s bezpilotní vesmírné sondě nebo bezpilotní .
Zatímco od 60. let 20. století se na robotických „ roverech “ pracovalo na průzkumu Měsíce a dalších světů ve sluneční soustavě , takové stroje mají omezení. Bývají drahé a mají omezený dosah a vzhledem ke zpoždění komunikace na meziplanetárních vzdálenostech musí být dostatečně chytří, aby navigovali, aniž by se sami deaktivovali.
Pro planety s atmosférou jakékoli látky však existuje alternativa: autonomní létající robot neboli „aerobot“. Většina konceptů aerobotů je založena na aerostatech , především balónech , ale příležitostně vzducholodi . Létající nad překážkami ve větru mohl balón podrobně prozkoumat velké oblasti planety za relativně nízké náklady. Rovněž byla navržena letadla pro planetární průzkum.
Základy balónků
Zatímco pojem vyslání balónu na jinou planetu zní zpočátku divně, balónky mají pro planetární průzkum řadu výhod. Mohou být lehké a jsou potenciálně relativně levné. Mohou pokrýt velkou část země a jejich pohled z výšky jim dává možnost prozkoumat široké pruhy terénu s mnohem většími detaily, než jaké by byly k dispozici z obíhajícího satelitu . U průzkumných misí není jejich relativní nedostatek směrového řízení hlavní překážkou, protože obecně není potřeba je nasměrovat na konkrétní místo.
Návrhy balónů pro možné planetární mise zahrnovaly několik neobvyklých konceptů. Jedním z nich je sluneční nebo infračervený (IR) Montgolfiere . Jedná se o horkovzdušný balón, kde je obal vyroben z materiálu, který zachycuje teplo ze slunečního světla nebo z tepla vyzařovaného z povrchu planety. Černá je nejlepší barvou pro absorpci tepla, ale jsou zahrnuty i další faktory a materiál nemusí být nutně černý.
Solar Montgolfieres má pro planetární průzkum několik výhod, protože je lze snadněji nasadit než lehký plynový balón, nemusí nutně vyžadovat nádrž lehkého plynu pro nafukování a relativně dobře odpouští malé úniky. Mají tu nevýhodu, že jsou ve vzduchu pouze za denního světla.
Druhý je balónek „reverzibilní tekutiny“. Tento typ balónu se skládá z obalu spojeného se zásobníkem, přičemž zásobník obsahuje tekutinu, která se snadno odpařuje . Balón lze nechat stoupat odpařováním tekutiny do plynu a lze jej nechat klesat kondenzací plynu zpět do tekutiny. Existuje řada různých způsobů implementace tohoto schématu, ale fyzikální princip je ve všech případech stejný.
Balón určený pro planetární průzkum ponese malou gondolu obsahující užitečné zatížení přístroje. Gondola bude také přepravovat energetické, řídicí a komunikační subsystémy. Vzhledem k omezením hmotnosti a napájení bude komunikační subsystém obecně malý a nízký výkon a meziplanetární komunikace bude probíhat prostřednictvím obíhající planetové sondy fungující jako relé.
Solární Montgolfiere se v noci potopí a na dno gondoly bude mít připevněné vodicí lano, které se stočí na zem a ukotví balón během temných hodin. Vodicí lano bude vyrobeno z materiálů s nízkým třením, aby se nezachytilo nebo nezamotalo do zemských prvků.
Alternativně může balón nést silnější instrumentovaného „hada“ místo gondoly a guideropy, kombinující funkce těchto dvou. Toto je praktické schéma pro přímé měření povrchu.
Balón by mohl být také ukotven, aby zůstal na jednom místě a prováděl atmosférická pozorování. Takový statický balón je známý jako „ aerostat “.
Jedním ze záludnějších aspektů operací planetárních balónků je jejich uvedení do provozu. Balónek obvykle vstupuje do planetární atmosféry v „aeroshell“, tepelném štítu ve tvaru zploštělého kužele. Po atmosférickým vstupu , je padák bude extrahovat balón sestavu z AeroShell, který odpadne. Sestava balónu se poté nasadí a nafoukne.
Jakmile bude aerobot v provozu, bude do značné míry sám a bude muset provádět svou misi autonomně, přičemž bude přijímat pouze obecné příkazy přes své dlouhé spojení se Zemí. Aerobot bude muset navigovat ve třech rozměrech, získávat a ukládat vědecká data, provádět řízení letu změnou jeho nadmořské výšky a případně přistát na konkrétních místech, aby poskytl detailní průzkum.
Balónky Venuše Vega
První, a zatím jedinou, planetární balónovou misi provedl Vesmírný výzkumný ústav Sovětské akademie věd ve spolupráci s francouzskou vesmírnou agenturou CNES v roce 1985. Na každém byl nesen malý balón, podobný vzhledu jako pozemské meteorologické balóny. dvou sovětských sond Vega Venus , vypuštěných v roce 1984.
První balón byl vložen do atmosféry Venuše 11. června 1985, druhý balón následoval 15. června 1985. První balón selhal po pouhých 56 minutách, ale druhý fungoval něco málo přes dva pozemské dny, dokud se nevybily baterie .
Balónky Venus Vega byly myšlenkou Jacquese Blamonta , hlavního vědce CNES a otce průzkumu planetárních balónů. Energicky propagoval koncept a získal pro tento malý projekt mezinárodní podporu.
Vědecké výsledky sond Venus VEGA byly skromné. Ještě důležitější je, že chytrý a jednoduchý experiment demonstroval platnost používání balónků pro planetární průzkum.
Úsilí aerobota na Marsu
Po úspěchu balónů Venus VEGA se Blamont zaměřil na ambicióznější balónovou misi na Mars, která měla být přepravena na sovětské vesmírné sondě.
Atmosférický tlak na Marsu je asi 150krát nižší než na Zemi. V tak řídké atmosféře by balón o objemu 5 000 až 10 000 krychlových metrů (178 500 až 357 000 krychlových stop) mohl nést užitečné zatížení 20 kilogramů (44 liber), zatímco balón o objemu 100 000 metrů krychlových (3 600 000 krychlových stop) ) mohl nést 200 kilogramů (440 liber).
Francouzi již provedli rozsáhlé experimenty se solárními Montgolfieres a provedli více než 30 letů od konce 70. let do začátku 90. let. Montgolfieres letěl ve výšce 35 kilometrů, kde byla atmosféra tenká a studená jako na Marsu, a jeden strávil 69 dní ve vzduchu, dvakrát obletěl Zemi.
Počáteční koncepce balónu na Marsu obsahovala systém „dvojitého balónu“ s utěsněným balónkem naplněným vodíkem nebo heliem připoutaným ke sluneční Montgolfierě. Světelný plynový balón byl navržen tak, aby Montgolfiere v noci držel nad zemí. Během dne Slunce zahřívalo Montgolfieru, což způsobilo vzestup balónové sestavy.
Nakonec se skupina rozhodla pro válcovitý uzavřený balónek z hélia vyrobený z aluminizované PET fólie a o objemu 5 500 metrů krychlových (196 000 kubických stop). Při zahřívání během dne balón stoupal a v noci klesal, když se ochladil.
Celková hmotnost sestavy balónu byla 65 kilogramů (143 liber), s 15 kilogramovou (33 liber) gondolou a 13,5 kilogramu (30 liber) s instrumentovanou guiderope. Očekávalo se, že balón bude fungovat deset dní. Přestože byla na balónu a jeho subsystémech provedena značná vývojová práce, ruské finanční potíže vytlačily sondu Mars z roku 1992, poté do roku 1994 a poté do roku 1996. Balón Mars byl z projektu kvůli nákladům vyřazen.
Experimenty s JPL aeroboty
Do této doby se Jet Propulsion Laboratory (JPL) amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA) začala zajímat o myšlenku planetárních aerobotů a ve skutečnosti tým pod Jimem Cuttsem z JPL pracoval na konceptech planetárních aerobotů několik let a také provádění experimentů na ověření technologie aerobotů.
První takové experimenty se zaměřily na sérii balónků s vratnými kapalinami pod názvem projektu ALICE pro „Experiment kontroly nadmořské výšky“. První takový balón, ALICE 1, letěl v roce 1993, s dalšími lety ALICE 8 v roce 1997.
Související práce zahrnovaly charakterizaci materiálů pro obálku balónu Venuše a dva lety balónem v roce 1996 za účelem testování užitečného zatížení přístrojů pod názvem BARBE, pro „rozpočtové zařízení s radiační podporou s balónem“.
V roce 1996 pracoval JPL na plnohodnotném experimentu aerobota s názvem PAT pro „Planetary Aerobot Testbed“, který měl demonstrovat kompletní planetární aerobot prostřednictvím letů do zemské atmosféry. Koncepty PAT předpokládaly reverzibilní balón s užitečným zatížením 10 kilogramů, který by zahrnoval navigační a kamerové systémy, a nakonec by fungoval pod autonomním řízením. Projekt se ukázal jako příliš ambiciózní a byl zrušen v roce 1997. JPL pokračovala v práci na cílenějších a levnějších experimentech, které by vedly k Mars aerobotovi pod názvem MABVAP pro „Program validace Mars Aerobot“. Experimenty MABVAP zahrnovaly kapky balónkových systémů z horkovzdušných balónů a helikoptér k ověření složité fáze nasazení planetární aerobotové mise a vývoj obálek pro přetlakové balóny s materiály a strukturami vhodnými pro dlouhodobou misi na Mars.
JPL také poskytla sadu atmosférických a navigačních senzorů pro lety balónem s lidskou posádkou Solo Spirit po celém světě, a to jak na podporu balónových misí, tak na ověření technologií pro planetární aeroboty.
Zatímco tyto testy a experimenty probíhaly, JPL provedl řadu spekulativních studií pro mise planetárních aerobotů na Mars , Venuši , Saturnův měsíc Titan a vnější planety .
Mars
Technologické experimenty JPL MABVAP měly vést ke skutečné misi Mars aerobot s názvem MABTEX pro „Experiment technologie Mars Aerobot“. Jak naznačuje jeho název, MABTEX měl být primárně experimentem provozní technologie jako předzvěst ambicióznějších snah. MABTEX byl představen jako malý supertlakový balónek , nesený na Mars na „mikrosonda“ o hmotnosti nejvýše 40 kilogramů (88 liber). Po vložení bude mít operační balón celkovou hmotnost nejvýše 10 kilogramů (22 liber) a zůstane v provozu po dobu jednoho týdne. Malá gondola by měla navigační a řídicí elektroniku spolu se stereo zobrazovacím systémem, stejně jako spektrometr a magnetometr .
Plány předpokládaly pokračování MABTEXu jako mnohem sofistikovanějšího aerobota s názvem MGA pro „Mars Geoscience Aerobot“. Konstrukční koncepty pro MGA předpokládaly systém supertlakových balónků velmi podobný systému MABTEX, ale mnohem větší. MGA by unesla desetkrát větší užitečné zatížení než MABTEX a zůstala by nahoře až tři měsíce, obletěla Mars více než 25krát a urazila přes 500 000 kilometrů (310 000 mi). Užitečné zatížení by zahrnovalo sofistikované vybavení, jako je stereofonní kamera s ultra vysokým rozlišením, spolu se šikmými zobrazovacími schopnostmi; radar sirény k hledání podpovrchové vody ; infračervené spektroskopie systém k hledání důležitých minerálních látek; magnetometr; a meteorologické a atmosférické nástroje. Po MABTEXu může následovat malý balón poháněný solární energií s názvem MASEPA pro „Aerobot s pohonem Mars Solar Electric“.
Venuše
JPL také prováděla podobné studie o aerobotech Venuše. Technologický experiment Venus Aerobot (VEBTEX) byl považován za experiment ověřování technologie, ale zdá se, že pozornost byla věnována spíše plným operačním misím. Jedna koncepce mise, Venus Aerobot Multisonde (VAMS), předpokládá aerobot pracující ve výškách nad 50 kilometrů (31 mi), který by vrhl povrchové sondy nebo „sondes“ na konkrétní povrchové cíle. Balón by pak přenášel informace z sondy přímo na Zemi a také by sbíral data o planetárním magnetickém poli a další informace. VAMS nevyžadují žádnou zásadně novou technologii a mohou být vhodné pro nízkonákladovou misi NASA pro planetární vědecké objevy .
Významná práce byla provedena na ambicióznějším konceptu, Venus Geoscience Aerobot (VGA). Návrhy pro VGA předpokládají relativně velký balón s reverzibilní tekutinou naplněný héliem a vodou, který by mohl sestoupit na povrch Venuše, aby vzorkoval povrchová místa, a pak opět stoupat do vysokých nadmořských výšek a ochladit se.
Vyvinout aerobota, který by odolal vysokým tlakům a teplotám (až 480 stupňů Celsia nebo téměř 900 stupňů Fahrenheita) na povrchu Venuše, stejně jako průchod oblaky kyseliny sírové, bude vyžadovat nové technologie. Jak 2002, VGA se neočekávalo, že bude připraven až pozdě v následujícím desetiletí. Prototypové balónkové obaly byly vyrobeny z polybenzoxazolu , polymeru, který vykazuje vysokou pevnost, odolnost vůči teplu a nízký únik lehkých plynů. Aplikuje se zlatý povlak, aby polymerový film odolával korozi z kyselých mraků.
Práce byla také provedena na gondole VGA o hmotnosti asi 30 kilogramů (66 liber). V tomto provedení je většina nástrojů obsažena v sférické tlakové nádobě s vnějším pláštěm z titanu a vnitřním pláštěm z nerezové oceli . Plavidlo obsahuje polovodičovou kameru a další přístroje, stejně jako komunikační a letové řídicí systémy. Nádoba je navržena tak, aby snášela tlaky až do stovky atmosfér a udržovala vnitřní teploty pod 30 ° C (86 ° F) i na povrchu Venuše. Nádoba je umístěna na dně šestihranného „koše“ solárních panelů, které na oplátku zajišťují připojení k výše uvedenému balónovému systému, a je obklopena prstencem potrubí, který funguje jako výměník tepla. Na okraj koše je připevněna komunikační anténa v pásmu S a radarová anténa pro povrchové studie vyčnívá z plavidla na stožár.
Venus Atmospheric manipulovatelný Platform (VAMP) je úkolem koncepce ze strany leteckého průmyslu Northrop Grumman a LGarde U motorového, dlouhá výdrž, semi-vznosného nafukovací letadel, která by prozkoumala horní atmosféry Venuše na biosignatures i provádět atmosférických měření.
V dubnu 2021 bylo oznámeno, že NASA přidělila práci na konstrukci a testování robotických balónů pro budoucí průzkum Venuše .
Titan
Titan , největší měsíc Saturnu , je atraktivním cílem pro průzkum aerobotů, protože má dusíkovou atmosféru pětkrát hustší než atmosféra Země, která obsahuje smog organických fotochemických látek, skrývající povrch měsíce před zrakem pomocí vizuálních senzorů. Aerobot by byl schopen proniknout do tohoto oparu, aby studoval tajemný povrch měsíce a hledal složité organické molekuly. NASA načrtla pro Titan řadu různých konceptů aerobotových misí pod obecným názvem Titan Biologic Explorer.
Jeden koncept, známý jako mise Titan Aerobot Multisite, zahrnuje balón s reverzibilní tekutinou naplněný argonem, který by mohl sestoupit z vysoké nadmořské výšky na povrch měsíce, provést měření a poté opět vystoupat do vysoké nadmořské výšky, aby mohl provést měření a přesunout se na jiný web. Další koncepce, mise Titan Aerobot Singlesite, by používala supertlakový balón, který by vybral jedno místo, odvzdušnil velkou část plynu a poté toto místo podrobně prozkoumal.
Geniální variace tohoto schématu, Titan Aerover, kombinuje aerobot a rover. Toto vozidlo má trojúhelníkový rám, který spojuje tři balónky, každý o průměru přibližně dva metry (6,6 ft). Po vstupu do atmosféry Titanu se aerover vznášel, dokud nenalezl zajímavé místo, a poté odvětral helium a sestoupil na povrch. Tyto tři balónky by pak podle potřeby sloužily jako plováky nebo kola. JPL postavil jednoduchý prototyp, který vypadá jako tři beachballs na trubkovém rámu.
Bez ohledu na to, jakou formu mise Titan Biologic Explorer má, systém by pravděpodobně pro napájení vyžadoval atomový radioizotopový termoelektrický generátorový modul. Sluneční energie by nebyla možná na vzdálenost Saturnu a pod Titanovým smogem a baterie by nedávaly adekvátní výdrž mise. Aerobot by také měl miniaturizovanou chemickou laboratoř pro hledání komplikovaných organických chemikálií.
Mimo JPL zahrnovaly další studie misí konceptů aerobotů Titan studie vzducholodí MIT a NASA Glenn a navrhovaný letoun Titan navržený NASA Amesem.
Jupiter
Nakonec by aeroboti mohli být použity k prozkoumání atmosféry Jupitera a případně dalších plynných vnějších planet . Jelikož jsou atmosféry těchto planet z velké části složeny z vodíku a jelikož neexistuje lehčí plyn než vodík, musel by takový aerobot být Montgolfiere . Protože sluneční světlo je v takových vzdálenostech slabé, aerobot by získal většinu svého tepla z infračervené energie vyzařované planetou níže.
Aerobot Jupiter může fungovat ve výškách, kde se tlak vzduchu pohybuje od jedné do deseti atmosfér, přičemž občas klesá pro detailní studie. Mělo by provádět atmosférická měření a vracet snímky a dálkové snímání povětrnostních jevů, jako je Jupiterova Velká červená skvrna . Aerobot Jupiter může také upustit sondy hluboko do atmosféry a předat jejich data zpět na orbiter, dokud nebudou sondy zničeny teplotou a tlakem.
Planetární letadlo
Okřídlené koncepce letadel byly navrženy pro robotický průzkum v atmosféře Marsu, Venuše, Titanu a dokonce i Jupitera.
Mezi hlavní technické výzvy létání na Marsu patří:
- Porozumění a modelování nízkého Reynoldsova čísla , vysoké podzvukové aerodynamiky Machova čísla
- Budování vhodných, často nekonvenčních návrhů draků a aerostruktur
- Zvládnutí dynamiky nasazení ze sestupného letounu vstupního vozidla
- Integrace subsystému pohonu, který nedýchá vzduch, do systému.
Koncept letadla ARES byl vybrán pro podrobnou studii designu jako jeden ze čtyř finalistů příležitosti programu Mars Scout 2007 , ale nakonec nebyl vybrán ve prospěch mise Phoenix . V projekční studii byla v atmosféře Marsu testována letadla v polovičním i plném měřítku. (Viz také letadlo Mars .)
Planetární rotorová letadla
V roce 2002 byl publikován dokument navrhující autonomní robotické helikoptéry pro průzkum Marsu, možné pro Mars Scout Program . Byla zaznamenána řada výhod životaschopné konstrukce rotorových letadel, včetně schopnosti projít obtížným terénem Marsu, přesto navštívit několik míst in situ . Krátký hop vyrobený Lunar Surveyor 6 v roce 1967 byl označen jako příklad přeskakování na návštěvu jiného místa.
Vynalézavost , která je součástí NASA ‚s Mars 2020 mise, je robotický vrtulník, který demonstroval první rotorového letadla letu v atmosféře Marsu. Letoun byl nasazen z roveru Perseverance a letěl pětkrát během své 30denní testovací kampaně na začátku mise. Každý let nebude trvat déle než 110 sekund ve výškách od 3 do 10 metrů nad zemí a překoná maximální vzdálenost až 266 m (873 stop) na let. Používal autonomní ovládání a komunikoval s Perseverance přímo po každém přistání. Dosáhlo prvního motorového letu na jiné planetě.