Engineering News Return to Engineering News

Rover Challenge: Mars Rover Evolution 1970-2020

Dzięki Leon Yao & Lisa Doetsch, wraz z zespołem UCL Rover za ten doskonały artykuł gościnny. Leon & Lisa są liderami zespołu projektu i uprzejmie podzielili się swoją wiedzą na temat historii tych niesamowitych wyczynów inżynierii!

Accu sponsorował zespół UCL Mars Rover od 2018 roku. Zespoły UCL weszły do European Rover Challenge (ERC) w 2018 i 2019 roku i planują wziąć udział w University Rover Challenge (URC) w 2020 roku. (Aktualizacja URC 2020 została anulowana z powodu COVID-19, jeśli ERC pójdzie do przodu zespół UCL Rover nadzieję, że tam będzie!

Pozaziemskie łaziki są jedną z najbardziej fascynujących części eksploracji kosmosu. Łaziki (zwane także księżycowymi buggies) to planetarne pojazdy do eksploracji powierzchni, zaprojektowane tak, aby przetrwać i odkrywać powierzchnię innego ciała niebieskiego. Urządzenia te są szczególnie interesujące z punktu widzenia inżyniera, ponieważ ilustrują wyzwania inżynierskie i sukcesy każdej dekady.

W ramach UCL (University College London) Mars Rover Team, badaliśmy ewolucję łazików pozaziemskich w latach 1970 do 2020. Nauka o łazikach z przeszłości dała nam niesamowity wgląd w projektowanie i inżynierię łazików. W tym artykule przyjrzymy się, jak bezzałogowe łaziki ewoluowały w ciągu ostatnich 50 lat; przyjrzymy się także perspektywom eksploracji łazików i niekończącym się możliwościom, które jeszcze nadejdą.

Podróż z 1970 do 2020

W ciągu ostatnich 50 lat, było wiele misji do odkrywania przestrzeni kosmicznej, to była długa podróż dla naukowców i inżynierów, aby pokonać jedną przeszkodę po drugiej. Dzisiaj odbyło się 8 udanych bezzałogowych łazików, które wylądowały na Księżycu lub Marsie, a w nadchodzących latach spodziewamy się coraz więcej misji. W poniższej sekcji omówimy krótko jedną misję księżycową i trzy misje Mars z przeszłości i zobaczymy, jak technologia rover ewoluowała w miarę upływu czasu.

1970.: Lunokhod

Wszystko zaczęło się w 1970 roku. Po tym, jak Stany Zjednoczone wysłały pierwszych ludzi na Księżyc (misja Apollo 11), Związek Radziecki był pierwszym krajem, który wysłał bezzałogowego łazika, aby zbadać powierzchnię księżyca. Celem misji było zobrazowanie powierzchni księżyca, zbadanie poziomu światła otoczenia, pomiar lokalnych pól magnetycznych oraz przeprowadzenie eksperymentów laserowych z Ziemi. Łazik, nazwany Lunokhod 1 („Moonwalker” po rosyjsku), był pierwszym bezzałogowym łazikiem, który z powodzeniem wylądował na pozaziemskim ciele. Jego następca, Lunokhod 2, został z powodzeniem wylądowany na Księżycu trzy lata później.

Szybkie fakty: Lunokhod 1

Data wylądowania: Lis, 1970 Długość
operacji: 10 miesięcy
Odległość objęta: 10.5 km
Waga: 756 kg
Rozmiar: 2.3m długi, 1.5m wzrostu

Z perspektywy czasu łaziki Lunokhod były niezwykle udanymi urządzeniami inżynieryjnymi. Lunokhod 1 działał przez 10 miesięcy przemierzał łączną odległość przekraczającą 10 km. Dla porównania, w ciągu pierwszych sześciu lat funkcjonowania programu Opportunity podróżował tylko przez około 12 km.

Łaziki Lunokhod były zasilane energią słoneczną w ciągu dnia i opierały się na energii cieplnej z grzejnika radioizotopowego polonu-210. Lunokhod 1 był zdalnie sterowany przez operatorów na Ziemi, z 5-sekundowym opóźnieniem komunikacyjnym — niezwykle trudnym zadaniem o wysokim ryzyku. Lunokhods przewoził również różne urządzenia naukowe, takie jak penetrometr (do pomiaru gęstości gleby), spektrometr rentgenowski, teleskop rentgenowski i detektor promieniowania kosmicznego.

Łaziki Lunokhod zwróciły ponad 500 zdjęć panoramicznych i 20000 obrazów telewizyjnych, wykonano 500 sond powierzchniowych i 25 badań rentgenowskich. Lunokhod 1 ostatecznie zawiódł, ponieważ jego izotopy się rozdawały, a Lunokhod 2 nie powiódł się z przegrzania.

1996: Roker

Wymiar Sojournera miał zaledwie około 48 cm szerokości i 30 cm wzrostu i ważył 10,6 kg, NASA opisuje go jako „mikro łobek”. Sojourner jest najmniejszym łazikiem, który został wysłany na Marsa. Pomimo niewielkich rozmiarów Sojourner odegrał niezastąpioną rolę w eksploracji Mars. Był to pionierem łazików Mars, którego wiele cech nadal pozostaje widocznych w łazikach.

Szybkie fakty: Podróżnik

Data wylądowania: lipiec 1997 Długość
operacji: 83 dni
Odległość objęta: 100 m
Waga: 11,5 kg
Rozmiar: 66 cm długości, 30 cm wzrostu

Jedną z najbardziej niezwykłych cech Sojourner był mechanizm zawieszenia rocker-wózka, mechanizm, który dziś wciąż nieodłączny. Zapewnia doskonałą stabilność i możliwość pokonywania przeszkód dla łazika i jest jednym z najważniejszych elementów konstrukcyjnych, które umożliwiają łazikowi poruszanie się po nierównej powierzchni Marsa. Łazik był zasilany przez panele słoneczne w ciągu dnia i akumulator litowy, aby utrzymać łazik ogrzewany w nocy, co oznaczało, że łazik miał ograniczoną żywotność.

2004: Duch i okazja

Spirit and Opportunity to bliźniacze łaziki, które wylądowały na Marsie odpowiednio 3 i 24 stycznia. Razem odkryli, że dawno temu Mars był bardziej mokry i że warunki na Marsie mogły utrzymywać życie mikrobiologiczne, jeśli takie istnieją.

Szybkie fakty: okazja

Data wylądowania: Sty 2004 Długość
operacji: 15 lat
Odległość: 45 km
Waga: 185 kg
Rozmiar: 2.3m długi, 1.5m wzrostu

Naukowa ładowność Ducha i Szansa odnotowała znaczące ulepszenie od czasu Sojournera. Istnieją dwie kamery panoramiczne, które miały szczegółowe, wielofalowe, panoramiczne zdjęcia krajobrazu 3D; mikroskopijny obraz, który zawierał obrazy skał i gleb w wysokiej rozdzielczości, oraz narzędzia do ścierania skał do wiercenia w skały i powierzchnie.

Dzięki niedawnym wydarzeniom w architekturze mikroprocesorów, Spirit and Opportunity miał 1000 razy więcej pamięci pokładowej w porównaniu do Sojourner, co pozwoliło łazikom uzyskać autonomiczną mobilność planetarną, obraz kamery stereo jest odwzorowany na 3D terenu, a następnie łaziki decydują o najbezpieczniejszym i najbardziej efektywna ścieżka sama. System zawieszenia jest przystosowany i ulepszony w systemie rocker-wózka Sojourner.

Jednym z wyzwań inżynierskich, przed którymi Spirit and Opportunity, było źródło energii. Łaziki były nadal zasilane przez panele słoneczne, ale ulepszenia w technologii akumulatorów pod przewodnictwem rewolucji mobilnej na początku XXI wieku oznaczały, że akumulatory litowe dostarczały energię, którą można łatwo uzupełnić. Oznaczało to, że łaziki były w stanie zbadać tylko regiony równikowe, w których istniały regularne możliwości ładowania w ciągu dnia.

2012: Ciekawość

Ciekawość jest najnowszym łazikiem, który został wysłany na Marsa i jest jedynym łazikiem, który jest obecnie w eksploatacji, a jego celem jest zbadanie, czy warunki były korzystne dla życia mikrobiologicznego i dla zachowania wskazówek w skałach o możliwym przeszłym życiu. W porównaniu do swoich poprzedników, Curiosity była kolejnym znaczącym ulepszeniem w prawie wszystkich aspektach łazika.

Szybkie fakty: Ciekawość

Data wylądowania: Sie 2012 Długość
operacji: 15 lat
Odległość objęta: 21.2 km (od stycznia 2020)
Waga: 899 kg
Rozmiar: 2,9m długości, 2,2m wzrostu

Jedną z najbardziej niezwykłych zmian w porównaniu do wcześniejszych łazików jest to, że ciekawość jest około 5 razy cięższa i zawiera ładunek ponad 10 razy cięższy. Zawiera sprzęt do zbierania i przetwarzania próbek skał i gleby oraz jest w stanie rozprowadzać je do pokładowych komór testowych.

Wyzwanie inżynieryjne dotyczące zasilania zostało również pokonane przez Curiosity. Opiera się on na radioizotopowym systemie energetycznym, który wytwarza energię elektryczną z ciepła radioaktywnego rozpadu plutonu.

System rocker-wózek jest nadal przyjęty z sześcioma kołami każdy z własnym niezależnym silnikiem. Dwa przednie i tylne koła mają indywidualne silniki kierownicy i w razie potrzeby łazik może obracać się o 360 stopni na miejscu. Koła wykonane są z aluminium, z korkami do trakcji i zakrzywionymi sprężynami tytanowymi do podparcia.

Koła ciekawości zostały uszkodzone przez skały wyrzeźbione przez wiatr i wystąpił problem z pamięcią flash aktywnego komputera. Niemniej jednak nadal działa w zdrowym stanie w momencie pisania tego artykułu i spodziewamy się, że będzie on kontynuował eksplorację w nadchodzących latach.

Streszczenie: Ewolucja Marsa Rovers

Obserwując ewolucję Marsa i łazików księżycowych w ciągu ostatnich 50 lat, zdobyliśmy cenny wgląd w to, jak inżynierowie pokonali wyzwania inżynierskie. Nastąpiły trwałe ulepszenia zarówno sprzętu, jak i oprogramowania łazików i prawie często zwiększały wydajność o rząd wielkości.

Dwóch inżynierów statków kosmicznych dołącza do grupy pojazdów, zapewniając porównanie trzech pokoleń łazików Marsa opracowanych w Laboratorium Napędu Jet NASA, Pasadena, Kalif. Ustawieniem jest obszar testowy Mars Yard JPL.

Jednym z niewielu konstrukcji mechanicznych, które utrzymywały się przez wszystkie pokolenia łazików Mars jest system zawieszenia wózka wahowego, który okazał się jednym z najbardziej niezawodnych mechanizmów dla łazików działających na Marsie. Podobnie, zastosowanie aluminium jako materiału koła utrzymywało się również przez pokolenia marsowskich łazików.

Z drugiej strony, naukowa ładowność każdego pokolenia łazika stale się poprawia — zarówno pod względem jakości, jak i ilości. Chociaż kategoria urządzeń pozostaje podobna, ich jakość i wydajność znacznie się poprawiają dla każdego pokolenia łazika. Ponadto, wielkość i waga łazików również wzrasta w czasie, dzięki ulepszonej technologii rakietowej, która jest w stanie przenosić więcej ładunku. Wreszcie, gdy naukowiec i inżynierowie dowiedzą się więcej o każdej misji na Marsie, wiedza i doświadczenie nadal pomagają nam budować łaziki, które są bardziej niezawodne i przystosowalne do środowiska Marsa.

Future Rovers

W nadchodzącym roku planowane są dwa ekscytujące łaziki na Marsa: łazik Mars 2020 NASA i łazik ExoMar ESA, Rosalind Franklin. Obie misje stanowią kolejny krok w kluczowym pytaniu o eksplorację Marsa, poszukując oznak wcześniejszego życia mikrobiologicznego.

Łazik Mars 2020 ma wiertło, które zbierze próbki obiecujących miejsc i odłoży je w pamięci podręcznej dla potencjalnej przyszłej misji powrotnej na Ziemię. Łazik zgromadzi również wiedzę i technologię testową, która jest istotna dla przyszłych wypraw człowieka, w tym metodę wytwarzania tlenu z atmosfery planety i technik lądowania. Konstrukcja łazika opiera się na Curiosity i wykorzystuje wiele części zamiennych. Modernizacje obejmują nową konstrukcję kół z bardziej zaawansowanym aluminium, nową podszewkę zagrożającą dla bardziej stromej wspinaczki oraz kształt, który pozwala uzyskać większą średnicę, maksymalizując wydajność. Innym ciekawym dodatkiem jest Mars Helicopter Scout, dron, który przetestuje możliwość latania na Marsie i może być wykorzystany do mapowania tras lub studiowania trudno dostępnych obszarów, takich jak kratery

Rover ExoMars jest o wiele mniejszy, ma tylko masę 300 kg, jedną trzecią masy Curiosity. Podobnie jak łazik NASA, Rosalind Franklin ma wiertło podpowierzchniowe do próbkowania, do maksimum dwóch metrów. Próbki będą analizowane bezpośrednio za pomocą przyrządów naukowych, zwanych ładunkiem Pasteur, w celu wykrycia morfologicznych lub chemicznych sygnatur życia. W przeciwieństwie do łazika NASA i Curiosity, łazik wykorzystuje panele słoneczne do generowania wymaganej energii i przetrwa noce przy użyciu nowych baterii. Niezwykłą cechą jest możliwość indywidualnego obracania kół i regulacji wysokości i kąta Rovera względem powierzchni, tworząc również zdolność chodzenia, która jest przydatna w glebach miękkich i niespoistych.

tym samym czasie misje na Księżyc stają się coraz bardziej powszechne. Na przykład Chiny, które właśnie pobiły rekord z Yutu-2 jako najdłuższym działającym łazikiem na Księżycu, pracują nad kolejną misją księżycową w celu powrotu próbek. Wiele innych agencji planuje misje, w tym Roscosmos, Korea Północna i różne firmy prywatne, takie jak technologia Astrobotic i PTScientists.

Aktualizacja z marca 2020: Rover Mars 2020 zostanie nazwany „Wytrwałość”

Współpraca i komercjalizacja

Obecnie zmienia się sposób, w jaki rozwijają się misje kosmiczne. W przeszłości eksploracja kosmosu często skutkowała rywalizacją między krajami; udane misje kosmiczne były dowodem potęgi technologicznej kraju. Ta rywalizacja spowodowała, że programy kosmiczne otrzymały od rządu wiele funduszy. Obecnie jest coraz więcej misji, które są wynikiem współpracy międzynarodowej. Rover Rosalind Franklin jest wspólnym wysiłkiem ESA i rosyjskiej Agencji Kosmicznej Roscosmos; Chiny i Rosja łączą siły, aby zbadać księżyc; i oczywiście, jest też międzynarodowa stacja kosmiczna.

Co więcej, to już nie tylko rządy są zaangażowane w wyścig kosmiczny. Od czasu ustawodawstwa sprywatyzowanych podróży kosmicznych, firmy takie jak SpaceX, Virgin Galactic i Astrobotic Technology weszły do przemysłu. Przyspieszy to produkcję mniejszych, tańszych i bardziej wydajnych produktów poprzez umożliwienie kontraktowej konkurencji między przedsiębiorstwami. Niemniej jednak warto zauważyć, że krajowe agencje kosmiczne nadal będą przewodzić technologiom i misjom, których rynek nie może wspierać. Często są to istotne z naukowego punktu widzenia, ale brak bezpośredniego zwrotu z inwestycji niezbędnych do komercjalizacji.

To dopiero początek...

Eksploracja pozaziemskich będzie nadal jednym z najbardziej ekscytujących wydarzeń, na które czekamy w nadchodzących latach. Ten artykuł zawiera krótki przegląd ewolucji łazików, przyszłych łazików i ich wpływu na świat, w którym żyjemy dzisiaj. Dopiero porysowaliśmy powierzchnię wszystkich projektów i misji, które miały miejsce w przeszłości, wydarzą się w przyszłości. Jednak właśnie to sprawia, że temat jest tak interesujący — poszukiwania pozaziemskie to próba ludzkości zrozumienia nieznanego, a przed nami jeszcze długa podróż.

Ostatnie podziękowania dla Lisy & Leon z zespołu UCL Rover 2020 za udział w tym artykule. Spójrz na to, co robią tutaj: Strona internetowa UCL Rover