Прошедшая неделя запомнилась одним из выдающихся достижений человечества: успешная посадка сложнейшего робота массой свыше тонны на другую планету. Это событие впервые зафиксировали сразу несколько камер высокого разрешения. Ролик, опубликованный NASA, – это не просто увлекательное зрелище, но и настоящая научно-поисковая короткометражка.
В чём необычность раскраски парашюта — это узор или продуманный рисунок? Незаметны ли пламени ракетных двигателей, останавливающих аппарат массой полторы тонны в нескольких метрах от поверхности? Голубое небо на Марсе? Как инженерам удалось обеспечить передачу сразу трёх потоков видео высокой четкости одновременно на бортовой компьютер ровера, если вычислительные блоки космических аппаратов обычно слабые, а надёжные?
Многие вопросы возникают у тех, кто хоть немного разбирается в технике после просмотра видео посадки Perseverance. Давайте разберем все эти вопросы по порядку и коснёмся даже малозаметных деталей, которые могут быть интересны не только специалистам, но и любителям робототехники и космонавтики. Если вы ещё не видели ролик, обязательно ознакомьтесь с ним.
Независимо от уровня знания темы, этот видеоролик Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США … NASA) заслуживает внимания каждого землянина.
Информативный парашют
Первым делом зритель видит раскрывающийся парашют после сцен из Центра управления полетами. Съемкой занимались три камеры одновременно. Камера верхнего обзора опорной конструкции парашюта. Видео записывается с частотой сначала 75 кадров в секунду первые 30 секунд после активации, затем 30 кадров в секунду до отключения. В видео представлены данные двух источников: картинка слева воспроизводится со скоростью записи (30% от реальной скорости), а справа — с фреймрейтом 30 кадров в секунду, привычным глазу современного человека.
В момент отсоединения крышки парашютного отсека спускаемый аппарат неожиданно потерял деталь — купол, который изображён на фото выше. Официального пояснения о его назначении пока нет. Потеря не повлияла на выполнение миссии, но известный специалист по космонавтике Скотт Мэнли ( Scott Manley) утверждаетИзначально в конструкции не было предусмотрено отстреливания купола, однако механизм раскрытия парашюта оказал слишком большую силу и повредил защиту одной из антенн.
Возвращаемся к рисунку на куполе парашюта. Кто подумал, что этот узор не случаен, прав. Контрастные полосы помогают инженерам анализировать поведение парашюта в марсианской атмосфере при сверхзвуковом движении. В них скрыта еще одна загадка, намек на которую сделали ведущие официальной трансляции. NASAВ ходе мероприятия впервой были продемонстрированы данные кадры. Распознавание кода потребовало от заинтересованных зрителей не больше нескольких часов.
Первым ключ к шифру опубликовал пользователь Twitter из Франции Максенс Абела (Maxence AbelaПо его словам, он расшифровал послание вместе с отцом. Послание закодировано в двоичном формате. Купол разделен на четыре кольца, каждое из которых содержит четыре 10-битных числа. Красная ячейка — единица, белая — ноль. При переводе двоичных чисел в десятичные получаем номер буквы английского алфавита. Игнорируя числа, состоящие из сплошных единиц, получится фраза. DARE MIGHTY THINGS и координаты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), которая создала Perseverance.
Фразу «Dare mighty thingsМожно перевести как «Смело творите великие дела». Девизом … является . JPLЛучше совершать великие поступки и добиваться триумфов, пусть и с неудачами, чем оставаться рядовым среди слабых духом, которые не могут испытать полной радости или сильной печали, а живут в серых сумерках, лишенных как побед, так и поражений.
Пружины отделения теплозащитного щита
В видеоролике первое изменение плана показывает снимок с камеры навигации ровера, смотрящей вниз. До того, как электронный «мозг» и земные наблюдатели увидели поверхность Марса, около секунды все поле зрения было заблокировано блестящим чёрным внутренним покрытием теплозащитного щита. Что же можно разглядеть на нём?
Помимо небольших проводов медного цвета, ведущих к датчикам температуры под абляционным покрытием, заметны девять механизмов отделения. Механизмы пружинные, и это хорошо видно по одной из выпавших пружин, прокатившейся по щиту. Он больше никому не нужен, поэтому продолжаем движение дальше. Perseverance вместе с «Небесным краном» (Sky СraneЧерез атмосферу движется капсула, с помощью «скорлупы» (защитного кожуха перелетного модуля) и парашютной системы на скорости около 485 метров в секунду (1746 километров в час). Высота ее составляет примерно 9,5 километра над поверхностью.
Первое фото места посадки
Спустя несколько секунд после отделения теплозащитного экрана в объектив навигационной камеры попадает место будущей посадки. До него ещё около нескольких километров вертикального полёта, но специальный радар уже изучает поверхность. Прибор ищет все возможные препятствия и выбирает площадку в пределах заданной области, которая будет максимально безопасной. На отметке одна минута 20 секунд видео посадки скорость снижения замедлилась примерно до 100 метров в секунду (360 километров в час), высота составляет 6,6 километра над поверхностью.
Через почти полминуты бортовой компьютер ровера принимает решение: место посадки выбрано. Автоматика теперь ожидает достижения заданных значений нескольких параметров: расстояния до цели, скорости снижения и отклонения от траектории. Как только данные попадают в определенные диапазоны (или выходят за них), парашют отстегивается, и начинает работу «Небесный кран» — система мягкой посадки с реактивными двигателями.
Управляемый полет
Через две минуты и пять секунд происходит яркая вспышка на верху кадра — это выхлоп одного из двигателей «Небесного крана». Двигатель еще не достиг рабочей температуры, поэтому из сопла вылетело немного не до конца прореагировавшего топлива. В этом случае можно сказать, что это облачко пара.
На высоте около 2,6 километра над поверхностью ровер, все еще двигающийся со скоростью около 300 километров в час, выполняет резкий вираж влево. Аппарат наклоняется на 45-60 градусов, чтобы изменить свое положение по горизонтали относительно точки посадки. В это короткое время открывается вид на окружающую местность марсохода с высоты птичьего полета (хотя, разумеется, птиц там нет и быть не может).
Прогулявшись по сложному ландшафту с дюнами, скалами и маленькими кратерами, PerseveranceЗакладывает еще один вираж — в другую сторону, чтобы компенсировать горизонтальное движение. Камера смотрит прямо вниз, на поверхность под марсоходом, и видны детали, невидимые с орбиты. Полезная информация в этом, наверное, только для геологов. В конце происходит финальная операция: зависание на высоте около 20 метров и аккуратное опускание ровера на поверхность.
Невидимый выхлоп двигателей
В это время демонстрируют изображение с трёх камер одновременно. Первое изображение видно справа, оно даётся с камеры ровера и направлено на поверхность. Rover Down-Look Camera, RDCПервая улыбается, вторая, которая находится в углу кадра сверху слева, смотрит с вездехода наверх. Rover Up-Look Camera, RUCТри камеры установлены на космическом корабле. Одна – на корпусе, рядом с «Небесным краном». Третья расположена на посадочном модуле, снизу слева. Descent Stage Down-Look Camera, DDCДля наглядности далее предоставлены поэтапные иллюстрации.
Не будем тянуть кота за хвост, а сначала рассмотрим рисунок с… RUCКосмический корабль, словно невидимка, парит в воздухе. Не видно пламени из двигателей посадочной ступени — будто его удерживают фантастические силы. Или может быть тросом, как в цирке? Конспирологи могут закрыть свои клавиатуры: перед нами явный признак того, что действие происходит на Марсе.
Очевидно, что из сопла ракетного двигателя выходит поток раскаленных продуктов горения, хорошо различимый глазу. Видео, демонстрирующее это простыми средствами, подтверждает это представление. NASA JPLВ тексте описывается механизм посадки с помощью «Небесного крана». Причины, по которым двигателям посадочной ступени добавили иллюстративные факелы, понятны: в некоторых случаях наглядность важнее реалистичности. Чтобы понять отсутствие настоящего огня, стоит вспомнить химия.
На аппарате Sky CraneВстановлені однокомпонентні двигуни, що використовують гідразин. N2H4В качестве топлива используется гидразин. Его подают в камеру сгорания, где находится катализатор из алюминия, покрытого иридием. При попадании на него гидразин бурно реагирует, распадаясь на азот, водород и небольшое количество аммиака в ходе трех химических реакций. Две из них — экзотермические и производят огромное количество тепла, разогревая камеру с катализатором до плюс 800 градусов Цельсия. Горячие и сильно расширившиеся продукты реакций вырываются из сопла, создавая тягу.
Ирония состоит в том, что все составляющие рабочего тела — азот, водород и аммиак — оптически прозрачны. Вследствие этого после сопла, если им не с чем реагировать, их визуально обнаружить нельзя (кроме разлетающейся пыли, разумеется). На Земле присутствует много кислорода, с которым горячий водород мог бы взаимодействовать (загореться) и обнаружить себя. Но на Марсе есть только углекислый газ, немножко азота и совсем немного аргона. Все остальные молекулы представлены лишь в гомеопатических количествах. Установить, какие двигатели работают, можно, рассмотрев снимки высокого разрешения: камеры сгорания слегка светятся красным из-за разогрева.
Выключение половины двигателей
Обращаемся к главному изображению, показываемому на данном кадре трансляции. RDCДа, факел от двигателей мы уже выяснили, что не увидим. Но на предыдущем изображении выше видно, что часть двигателей — те, что смотрят прямо вниз — будто несколько холоднее остальных четырех (их камеры сгорания светятся тусклее). Чтобы понять, оптический эффект это или они действительно отключены, можно обратиться к логике, а можно посмотреть на разлетающуюся пыль.
При первом случае вывод будет ясен: реактивная струя из направленных вниз сопел попадет на опускаемый марсоход, поэтому эти двигатели необходимо отключить как можно скорее. Подтверждением станет танец пылевых вихрей над поверхностью Марса. При внимательном наблюдении за облачками пыли, поднятой посаждающимся марсоходом, можно заметить, что сначала посередине кадра формируется область стабильного фронта, а затем она переходит в хаотичную турбулентность. Это происходит в момент отключения половины двигателей. Что примечательно, вышеописанный ролик… NASA JPLВ моделируемой посадке этот аспект остаётся незатронутым.
Голубое небо
Сразу после приземления, когда нам демонстрируют улетающий в сторону «Небесный кран», появляется ещё одно явление, беспокоящее конспирологов. Говорят о голубом небе, которое на Марсе хоть и нечасто, но всё же можно увидеть. Только процесс его создания несколько отличается от земного.
Марсианская пыль поглощает синий свет от Солнца, но часть фотонов всё же отражается от песчинок. Это заметно при просмотре Солнца прямо, особенно перед закатом или восходом с помощью широкоугольного объектива, который собирает больше света. На видео посадки облако пыли подсвечивается светом справа сверху.
«Лапша» Ethernet-кабеля на Марсе
В завершение, возможно, самая интересная деталь для тех, кто интересуется техническими особенностями: что за «железо» обеспечивало синхронизацию всех камер и хранение огромных объемов данных? Ответ удивит многих. Много подробностей описано в научной статье авторов инженеров. JPL, опубликованной в прошлом ноябре в рецензируемом журнале Springer. Пробежимся по некоторым любопытным моментам.
В двух последних разделах третья камера осталась незатронутой. RUCДополним пропущенное: обратите внимание на спиральный белый кабель — это… EthernetДа, та самая «лапша», которая вносит во многие дома выделенную линию интернет-подключения или соединяет компьютеры в локальную сеть. Ровер с «Небесным краном» соединяется усиленным и экранированным кабелем, но технически это обычный гигабитный сетевой провод. По нему на ровер передается картинка с камер «скорлупы» (которые фиксировали раскрытие парашюта) и посадочной ступени. Scy Crane.
На марсоходе обработку видео получала информационная система с процессором. Intel AtomКак накопитель используется твердотельный диск объемом 480 гигабайт. Стоит отметить, что это не основной бортовой компьютер, который определяет маршрут движения и управляет инструментами, а блок обработки данных с дополнительных камер. Также большинство камер подключались через обычный интерфейс. USB 3, а парочка вовсе имели лишь USB 2.
Создается впечатление, будто инженеры Jet Propulsion LaboratoryВыделили весь бюджет на продвинутое оборудование, а при покупке компьютера обратились в магазин бывшей в употреблении техники и приобрели всё доступное. Конечно же, это шутка: фактически такой выбор был результатом множества причин, и многие решения неоднократно корректировались. PerseveranceВ настоящее время это космический аппарат, содержащий наибольшее число массово выпускаемых электронных деталей для широкого круга потребителей.