• Tomáš Tichý

Ingenuity – první bezpilotní vrtulník na Marsu

Úspěšné přistání amerického průzkumného robota Perseverance na povrchu planety Mars, ke kterému došlo 18. února 2021, je historickým milníkem i v oboru bezpilotních letadel a dronů. Průzkumné vozítko velikosti osobního automobilu s sebou nese samostatný experiment projektu Mars Helicopter, kterým je autonomní koaxiální vrtulník s názvem Ingenuity.


Vizualizace vrtulníku Ingenuity na povrchu Marsu: Jet Propulsion Laboratory



První let bez raketových motorů na jiné planetě

V případě úspěšného provedení alespoň jednoho vzletu tohoto dronu by se jednalo o první létající zařízení, které se bude pohybovat v atmosféře jiného tělesa než Země s pomocí vztlaku vytvořeného na nosných plochách pohybujících se v atmosféře, tedy bez reaktivního (raketového) pohonu. Dosud žádné průzkumné zařízení mimo Zemi nebylo vybaveno pevnými nebo rotujícími nosnými plochami pro aktivní pohyb v atmosféře.


Vrtulník Ingenuity (v překladu vynalézavost nebo důvtip) není zatím určen pro jakoukoli vědeckou práci na Marsu, je „pouze“ takzvaným technologickým demonstrátorem, tedy projektem, který má ověřit funkčnost technologií a postupů v rámci přípravy na další kosmické mise. Samotný vrtulník je po přistání marsovského roveru připevněn pod jeho spodní částí, před vzletem jej tedy robotické vozítko Perseverance (v překladu vytrvalost) po odhození ochranného krytu vysadí na povrch Marsu a odjede do bezpečné vzdálenosti.


Extrémní provozní podmínky

Ingenuity je koncipován jako autonomní vrtulník se dvěma rotory z uhlíkového kompozitu o průměru 120 cm v koaxiálním uspořádání, které jsou poháněné střídavým elektromotorem. Jako zdroj energie je využita lithium iontová baterie, která se bude během marsovského dne nabíjet ze solárního panelu umístěného v horní části rotorové hlavy, tedy nad samotnými rotory. Je předpokládáno plné nabití pohonné baterie během jednoho marsovského dne. Vzhledem k řídké marsovské atmosféře musí oba rotory vyvinout rychlost 2400 otáček za minutu, aby byl celý vrtulník s hmotností 1.8 kg vůbec schopen letu. Dlužno dodat, že tíhová síla na povrchu Marsu je zhruba 2,6 krát menší oproti hodnotě na povrchu Země. Vzhledem k hustotě marsovské atmosféry, která má méně než 1 % hustoty zemské atmosféry na povrchu Země, však nabitá pohonná baterie vystačí pouze na zhruba devadesátisekundový let. Velkým problémem jsou také nízké noční teploty klesající až k -90 °C, během kterých musí být jak baterie, tak ostatní palubní systémy vyhřívány, aby nedošlo k jejich poškození.


Autor fotografie: NASA/JPL/Caltech



Orientace a navigace na Marsu

Vrtulník Ingenuity, stejně jako rover Perseverance, je vybaven pokročilými systémy pro autonomní provoz. I když bude každý jeho vzlet pečlivě dopředu plánován techniky z JPL, v průběhu letu již kvůli prodlevě při šíření řídících signálů mezi Marsem a Zemí (v době přistání Perseverance cca 12 minut, tedy celková reakční doba na nenadálou událost skoro půl hodiny) nebude možné let jakkoli ovládat nebo korigovat. Asi není nutné zdůrazňovat, že řídící jednotka vrtulníku se musí obejít bez podpory jakéhokoli družicového navigačního systému GNSS, jaký známe ze Země – tedy bez polohové stabilizace a orientace pomocí družic GPS, GLONASS, Galileo nebo BeiDou. Nestálé magnetické pole Marsu navíc neumožňuje využití palubního magnetometru k orientaci tak, jak jsme zvyklí u bezpilotních letadel na Zemi. K navigaci je tedy použit především vizuální orientační systém založený na sledování povrchu přímo pod vrtulníkem spolu s další kamerou sledující polohu slunce v kombinaci s inerciálním polohovým systémem IMU (tříosé akcelerometry a gyroskopy). Jako výškoměr je použit LiDAR Garmin Lite v3.


Palubní počítač vrtulníku využívající procesor Qualcomm Snapdragon běží na operačním systému Linux, komunikace s mateřským roverem probíhá dle protokolu Zigbee pomocí modulů SiFlex 02 ve frekvenčním pásmu 900 MHz.


Podobné projekty

V případě úspěchu tohoto experimentu se otevírají nové možnosti bezpilotního průzkumu planet s atmosférou, především Marsu. Vrtulník je schopen mnohem rychlejších a bezpečnějších přesunů na větší vzdálenosti, než jakých jsou schopny doposud hojně využívané rovery (Opportunity a Spirit, Sojourner, Curiosity), což je pro mapování terénu nebo sběr vzorků nesporná výhoda. Kromě právě probíhající mise Perseverance/Ingenuity jsou již plánovány další projekty leteckého průzkumu objektů ve Sluneční soustavě. NASA již pracuje na projektu Dragonfly, což je oktokoptéra poháněná radioizotopovým termoelektrickým generátorem, která by se měla pohybovat v atmosféře největšího Saturnova měsíce Titanu. Její start ze Země je plánován na rok 2027. Jiné projekty by se měly týkat průzkumu Marsovských kaňonů nebo horních vrstev atmosféry Venuše.


Vzhledem k extrémně komplikovaným podmínkám pro provoz tohoto typu robota na Marsu může úspěch vrtulníku Ingenuity v budoucnu znamenat i výrazný pokrok v bezpilotních technologiích provozovaných v zemské atmosféře.


Autor fotografie: NASA/JPL/Caltech



Technické specifikace vrtulníku Ingenuity:

Hmotnost: 1,80 kg

Váha na zemi: 1,80 kg

Váha na Marsu: 0,68 kg

Průměr rotorů: 1,20 m

Výška: 0,49 m

Maximální výška letu: 5 m AGL

Maximální vzdálenost: 300 m od roveru Perseverance

Vytrvalost letu: 90 s

Výkon motoru: 350 W

Typ pohonné baterie Sony Li-ion, 6S

Kapacita baterie: 2000 mAh

Hmotnost baterie: 273 g



Reference a odkazy:

Stránky projektu Mars Helicopter na webu NASA

Stránky projektu na Jet Propulsion Laboratory

Astro.cz – Co byste měli vědět o helikoptéře NASA Ingenuity určené pro Mars

SciTechDaily – Detailní informace o projektu Ingenuity

Ingenuity (Mars Helicopter) – článek na Wikipedii

Článek NASA's Ingenuity Mars Helicopter na serveru American Scientist