Прошедшая неделя ознаменовалась одним из наиболее значимых достижений в истории человечества — успешной высадкой на поверхность другой планеты сложного робота, масса которого превышает тонну. При этом процесс посадки впервые был запечатлен на видео несколькими камерами высокой четкости. Ролик, опубликованный NASA, оказался не только увлекательным зрелищем, но и настоящим научно-популярным фильмом-расследованием.
Необычная раскраска парашюта — это результат намеренного дизайна или просто интересный узор? Почему пламя ракетных двигателей, используемых для торможения аппарата массой около полутора тонн на небольшой высоте над поверхностью, не видно? На Марсе наблюдается голубое небо? Как инженерам удалось обеспечить одновременную передачу трех видеопотоков высокой четкости на бортовой компьютер ровера, учитывая ограниченную вычислительную мощность и повышенные требования к надежности космических аппаратов?
Вероятно, это лишь часть вопросов, которые возникают у людей, обладающих хотя бы базовыми техническими знаниями, после просмотра видеозаписи посадки Perseverance. Мы постараемся рассмотреть их все последовательно, а также обратим внимание на менее очевидные детали, которые могут быть интересны не только энтузиастам, но и всем, кто увлекается робототехникой и космонавтикой. Однако, для начала, если вы еще не видели запись, настоятельно рекомендуем ее посмотреть.
Вне зависимости от того, насколько глубоко вы изучили эту тему, этот ролик, созданный Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США ( NASA) заслуживает внимания каждого землянина.
Информативный парашют
Сразу после кадров из Центра управления полетами в поле зрения попадает раскрывающийся парашют. Запись происходила одновременно с использованием трех камер (Камера визуального контроля парашютной системы, PUC ) видео записывалось с частотой 75 кадров в секунду в течение первых 30 секунд после начала, а затем частота снизилась до 30 кадров в секунду до момента отключения. Для создания видео использовались данные только двух источников: изображение слева представлено в исходной скорости записи (что составляет 30% от реальной скорости события), а справа — изменено для соответствия типичной частоте кадров, воспринимаемой современным зрителем (30 кадров в секунду).
Во время отделения крышки парашютного отсека спускаемый аппарат неожиданно потерял одну из деталей. На представленном выше кадре виден купол, который был потерян. Официальных разъяснений относительно произошедшего пока не последовало. По всей видимости, потеря не повлияла на общий успех миссии, однако известный эксперт в области космонавтики Скотт Мэнли ( Scott Manley) утверждает, первоначально отстрел купола не планировался. Причиной стал излишне мощный механизм раскрытия парашюта, который повредил одну из антенн.
Рисунок на куполе парашюта имеет вполне конкретное назначение. Те, кто предположил, что этот узор не случайный, оказались правы. Чередующиеся полосы служат инженерам для анализа поведения парашюта в условиях марсианской атмосферы при сверхзвуковых скоростях. Однако в них заложена еще одна тайна, намек на которую был сделан ведущими во время официальной трансляции NASA — впервые эти кадры были показаны во время нее. Любознательным зрителям потребовалось всего несколько часов для расшифровки кода.
Первым ключ к шифру опубликовал пользователь Twitter из Франции Максенс Абела (Maxence Abela). По словам источника, он расшифровал сообщение вместе с отцом, и оно представлено в двоичном коде. Купол состоит из четырех колец, в каждом из которых находятся четыре числа, состоящие из 10 битов. Красный цвет обозначает единицу, белый — ноль. Преобразование двоичных чисел в десятичные позволяет получить номер буквы английского алфавита. Исключение чисел, состоящих исключительно из единиц, позволяет вычленить фразу DARE MIGHTY THINGS и координаты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), которая создала Perseverance.
Фразу «Dare mighty things» ее можно интерпретировать как призыв к совершению выдающихся поступков. Она является одним из девизов JPL и приписывается 26-му президенту США Теодору Рузвельту. Полностью цитата переводится так: «Гораздо лучше осмеливаться на великие дела и добиваться славных триумфов, пусть и перемежающихся с неудачами, чем стоять в одном ряду со слабыми духом, которые не могут ни наслаждаться от души, ни сильно страдать, потому что живут в серых сумерках, не знающих ни побед, ни поражений».
Пружины отделения теплозащитного щита
В начале видео показано изображение с навигационной камеры, направленной вниз. Перед тем как электронная система управления ровера и наблюдатели на Земле смогли увидеть поверхность Марса, на протяжении примерно секунды поле зрения было перекрыто блестящей черной внутренней частью теплозащитного щита. Какие детали можно было заметить на этом щите?
Помимо небольшого количества медных проводов, ведущих к датчикам температуры под абляционным покрытием, видны девять механизмов отделения. Они имеют пружинную конструкцию, что стало очевидным, когда одна из пружин выскочила из своего крепления и скатилась по панели. Этот элемент больше не пригодится ни нам, ни марсоходу, поэтому продолжаем движение. Отметим только, что в этот момент Perseverance вместе с «Небесным краном» (Sky Сrane), «перелетный модуль, защитный кожух («скорлупа») и парашютная система движутся со скоростью приблизительно 485 метров в секунду (1746 километров в час) и располагаются на высоте около 9,5 километра над поверхностью.
Первое фото места посадки
Сразу после отделения теплозащитного экрана в объектив навигационной камеры впервые отобразилось место посадки. До него остается несколько километров вертикального пути, однако специальный радар активно сканирует поверхность. Прибор определяет все возможные препятствия и выбирает наиболее безопасную площадку в пределах установленной области. На отметке одна минута 20 секунд видео посадки скорость снижения снизилась примерно до 100 метров в секунду (360 километров в час), высота над поверхностью составляет 6,6 километра.
Почти полминуты потребовалось бортовому компьютеру ровера, чтобы принять решение о месте посадки. Теперь автоматика ожидает достижения заданных значений нескольких параметров: расстояния до цели, скорости снижения и отклонения от необходимой траектории. Как только данные попадают в заранее определенные диапазоны (или выходят за их пределы), отстегивается парашют и активируется «Небесный кран» — система мягкой посадки с использованием реактивных двигателей.
Управляемый полет
На отметке две минуты и пять секунд происходит следующее. Процесс сброса парашюта и защитной оболочки не был продемонстрирован, однако можно заметить, как на вершине кадра на протяжении менее чем за секунду появляется яркая вспышка. Это выхлоп ракетного двигателя «Небесного крана» в момент старта. Двигатель еще не достиг рабочей температуры, поэтому из сопла выделилось топливо, которое не полностью отреагировало. Таким образом, при внимательном рассмотрении, это не вспышка, а небольшое облако пара.
Начинается настоящий инженерный триумф. На высоте примерно 2,6 километра над землей, продолжая движение с вертикальной скоростью около 300 километров в час (82 метра в секунду), ровер совершает крутой поворот налево. Чтобы скорректировать свое горизонтальное положение относительно намеченного места посадки, весь аппарат наклоняется на угол от 45 до 60 градусов. В течение этих нескольких секунд нам представляется возможность мельком увидеть живописные пейзажи, где работает марсоход, будто с высоты птичьего полета (что, конечно, является метафорой — птиц там нет и, скорее всего, никогда не было).
Мы оценили сложный ландшафт, включающий дюны, скалы и небольшие кратеры, Perseverance закладывает еще один вираж — в противоположную сторону, для компенсации горизонтального движения. Теперь камера смотрит прямо на поверхность под марсоходом, и на ней можно разглядеть невидимые с орбиты детали. Правда, какая-то ценная информация в этом содержится, наверное, только для геологов. Наконец, происходит финальная операция: зависание на высоте порядка 20 метров и аккуратное опускание ровера на поверхность.
Невидимый выхлоп двигателей
В этот момент на экране появляется изображение, полученное одновременно с трех камер. Первая камера, изображение с которой отображается справа, установлена на ровере и направлена на поверхность ( Rover Down-Look Camera, RDC), вторая, расположенная в левом верхнем углу кадра трансляции, направлена вверх с ровера ( Rover Up-Look Camera, RUC) на «Небесный кран». Третья, расположенная слева внизу, находится непосредственно на посадочном аппарате ( Descent Stage Down-Look Camera, DDC). Для лучшего понимания ниже представлены подробные иллюстрации.
Мы не будем прибегать к упрощенным методам, а сразу перейдем к рассмотрению изображения RUC, на снимке — ужас! — отсутствует видимое пламя, вырывающееся из сопел двигателей посадочной ступени: кажется, что объект парит в воздухе, подчиняясь неким невероятным силам. Или, возможно, он подвешен на тросе, удерживающем его в павильоне (сарказм). И заядлые сторонники теорий заговора могут отложить свои клавиатуры, готовые излить потоки опровержений: перед нами неоспоримое доказательство того, что действие происходит на Марсе.
Пожалуй, никто не сомневается, что из сопла ракетного двигателя выходит пламя, или, точнее, заметный поток раскаленных продуктов горения. Схематичные видеоролики только укрепляют это впечатление NASA JPL, понятно, почему на иллюстрациях посадочной ступени изображены факелы двигателей: в некоторых случаях наглядность играет более важную роль, чем точное соответствие действительности. Однако, чтобы понять, почему в реальности пламени нет, необходимо обратиться к знаниям химии.
На аппарате Sky Crane установлены однокомпонентные двигатели, использующие гидразин ( N2H4) гидразин используется в качестве топлива. Данное соединение подается в камеру сгорания (для упрощения будем называть ее так, хотя это и не совсем точный термин), где расположен катализатор, состоящий из алюминия с иридиевым покрытием. При контакте с ним гидразин подвергается бурной реакции, распадаясь на азот, водород и незначительное количество аммиака посредством трех химических процессов. Две из этих реакций являются экзотермическими и высвобождают значительное количество тепла, нагревая камеру с катализатором до 800 градусов Цельсия. Горячие продукты реакции, сильно расширившись, выходят через сопло, формируя тягу.
Парадоксально, но все составляющие рабочее тело в этих двигателях — азот, водород и аммиак — обладают оптической прозрачностью. Это означает, что если после сопла им не с чем взаимодействовать, их невозможно увидеть визуально (за исключением разве что разлетающейся пыли). На Земле в атмосфере достаточно кислорода, с которым горячий водород мог бы соединиться (и загореться), что позволило бы его обнаружить. Однако на Марсе присутствует углекислый газ, небольшое количество азота и незначительное количество аргона. Остальные молекулы содержатся лишь в ничтожных количествах. Чтобы понять, какие двигатели функционируют, анализируя «Небесный кран», необходимо изучить снимки высокого разрешения (на видео это незаметно): камеры сгорания этих двигателей слабо светятся красным цветом из-за нагрева.
Выключение половины двигателей
Теперь перейдем к самой крупной кадра в данном фрагменте трансляции — изображению с камеры RDC. Факел пламени от двигателей, как мы уже установили, не виден. Однако на предыдущем изображении выше можно заметить, что некоторые двигатели — те, что направлены вниз — выглядят несколько прохладнее остальных четырех (их камеры сгорания светятся менее интенсивно). Чтобы определить, является ли это оптической иллюзией или они действительно выключены, можно проанализировать логику происходящего или обратить внимание на поднимающуюся пыль.
В первом случае результат будет сразу заметен: реактивная струя от сопел, направленных вниз, затронет опущенный ровер, поэтому эти двигатели необходимо как можно быстрее отключить. Дополнительным признаком станет поведение пылевых вихрей над поверхностью Марса. Внимательное наблюдение за облаками пыли, поднятой посадочным модулем, позволит заметить, что изначально в центре кадра появляется область устойчивого фронта, которая затем переходит в хаотичную турбулентность. Это происходит в момент отключения половины двигателей. Что интересно, вышеописанный ролик NASA JPL с симуляцией посадки этот момент не учитывает.
Голубое небо
Сразу после посадки, когда пассажирам демонстрируют удаляющийся вдали «Небесный кран», заметно еще одно явление, вызывающее интерес у сторонников конспирологических теорий. Речь идет о голубом небе, которое, хотя и редко, но все же встречается на Марсе. Однако способ возникновения этого оптического эффекта отличается от того, что мы наблюдаем на Земле.
Марсианская пыль поглощает синюю часть видимого солнечного излучения, однако часть фотонов отражается от мельчайших частиц песка. Это особенно заметно при прямом наблюдении за Солнцем, в особенности во время заката или восхода, когда широкоугольный объектив позволяет захватить больше света. На видео посадки поднятое облако пыли подсвечено светом, падающим справа сверху.
«Лапша» Ethernet-кабеля на Марсе
Вероятно, наиболее увлекательная часть для специалистов – техническая реализация: какое оборудование обеспечивало синхронизацию всех камер и хранение значительных объемов информации? Ответ может показаться неожиданным. Подробное описание представлено в научной работе, написанной инженерами JPL, опубликованной в прошлом ноябре в рецензируемом журнале Springer. Пробежимся по некоторым любопытным моментам.
В предыдущих разделах мы не уделили должного внимания третьей камере, RUC. Это спиральный белый кабель Ethernet. Да, тот самый кабель, который обеспечивает выделенную линию интернет-подключения для многих домов или объединяет компьютеры в локальную сеть. Разумеется, ровер соединяет усиленный и экранированный кабель с помощью «Небесного крана», однако технически это стандартный гигабитный сетевой провод. По нему на ровер передается изображение с камер «скорлупы» (которые зафиксировали раскрытие парашюта) и посадочной ступени Scy Crane.
На марсоходе за обработку видео отвечал специализированный блок с процессором Intel Atom в основе. В качестве главного накопителя используется твердотельный диск емкостью 480 гигабайт. Важный момент — это не основной бортовой компьютер, который принимает решения о маршруте движения и управляет инструментами, а лишь блок обработки информации с дополнительных камер. Ну и «добивка»: большинство камер подключались с помощью самого обычного интерфейса USB 3, а парочка вовсе имели лишь USB 2.
Создается впечатление, будто инженеры Jet Propulsion Laboratory потратили весь бюджет на мощные научные инструменты, а когда дело дошло до компьютера, просто сбегали в магазин подержанной электроники и набрали всего, что под руку попалось. Конечно, это лишь шутка: на самом деле, такой выбор был обусловлен целым спектром причин. И многие решения существенно дорабатывались. Однако в любом случае Perseverance на данный момент — космический аппарат с самым большим количеством массово производящихся электронных компонентов потребительского уровня.