Engineering News Return to Engineering News

Wyzwanie łazika: Mars Rover Evolution 1970-2020

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

Accu sponsoruje zespół UCL Mars Rover od 2018 roku. Zespo@@ ły UCL wzięły udział w 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 naprzód, zespół UCL Rover ma nadzieję, że tam będzie!

Pozaziemskie łaziki są jedną z najbardziej fascynujących części eksploracji kosmosu. Rovers (zwane również księżycowymi wózkami) to wehikuły eksploracji powierzchni planet zaprojektowane do przetrwania i eksploracji powierzchni innego ciała niebieskiego. Urządzenia te są szczególnie interesujące z punktu widzenia inżyniera, ponieważ ilustrują wyzwania inżynierskie i sukcesy każdej dekady.

W ramach zespołu Mars Rover UCL (University College London) badaliśmy ewolucję pozaziemskich łazików w latach 1970—2020. Poznanie łazików z przeszłości dało nam niesamowity wgląd w projektowanie i inżynierię łazików. W tym artykule badamy, jak ewoluowały bezzałogowe łaziki w ciągu ostatnich 50 lat; rzucamy również okiem na przyszłe perspektywy eksploracji łazików i nieskończone możliwości, które dopiero nadejdą.

Podróż od 1970 do 2020

W ciągu ostatnich 50 lat odbyło się wiele misji eksploracji kosmosu, była to długa podróż dla naukowców i inżynierów, aby pokonać jedną przeszkodę po drugiej. Dzisiaj na Księżycu lub Marsie wylądowało 8 udanych bezzałogowych łazików i spodziewamy się coraz większej liczby misji w nadchodzących latach. W poniższej sekcji omówimy pokrótce jedną misję księżycową i trzy misje na Marsa z przeszłości i zobaczymy, jak technologia łazika ewoluowała w czasie.

Lata siedemdziesiąte: Lunokhod

Wszystko zaczęło się w 1970 roku. Po tym, jak USA wysłały pierwszych ludzi na Księżyc (misja Apollo 11), Związek Radziecki był pierwszym krajem, który wysłał bezzałogowy łazik do eksploracji powierzchni Księżyca. Celem misji było zobrazowanie powierzchni Księżyca, zbadanie poziomów światła otoczenia, pomiar lokalnych pól magnetycznych i przeprowadzenie eksperymentów laserowych z Ziemi. Łazik o nazwie Lunokhod 1 (po rosyjsku „Moonwalker”), był pierwszym bezzałogowym łazikiem, który z powodzeniem wylądował na pozaziemskim ciele. Jego następca, Lunokhod 2, również z powodzeniem wylądował na Księżycu trzy lata później.

Szybkie fakty: Lunokhod 1

Data wylądowania: listopad 1970 Długość 
 operacji: 10 miesięcy Przebyta 
 odległość: 10,5 km 
 Waga: 756 kg 
 Rozmiar: 2,3 m długości, 1,5 m wysokości

Z perspektywy czasu łaziki Lunokhod były niezwykle udanymi urządzeniami inżynierskimi. Lunokhod 1 działał przez 10 miesięcy przebywał na łącznej odległości przekraczającej 10 km. Dla porównania, w pierwszych sześciu latach działalności Opportunity przejechała tylko 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 komunikacji — niezwykle trudne zadanie z wysokim ryzykiem. Lunokhody nosiły również różne urządzenia naukowe, takie jak penetrometr (do pomiaru gęstości gleby), spektrometr rentgenowski, teleskop rentgenowski i detektor promieni kosmicznych.

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

1996: Sojourner

Wymiar Sojournera miał tylko około 48 cm szerokości i 30 cm wysokości i ważył 10,6 kg, NASA opisuje go jako „mikro węźnik”. W rzeczywistości Sojourner jest najmniejszym łazikiem, który został wysłany na Marsa. Pomimo niewielkich rozmiarów Sojourner odegrał niezastąpioną rolę w eksploracji Marsa. Był pionierem marsjańskich łazików, których wiele cech nadal jest widocznych na łazikach.

Szybkie fakty: Sojourner

Data wylądowania: lipiec 1997 Długość 
 operacji: 83 dni Przebyta 
 odległość: 100 m 
 Waga: 11,5 kg 
 Rozmiar: 66 cm długości, 30 cm wysokości

Jedną z najbardziej niezwykłych cech Sojournera był mechanizm zawieszenia rocker-wózek, mechanizm, który do dziś jest nieodłączny. Zapewnia dużą stabilność i zdolność przekraczania przeszkód dla łazika i jest jednym z najważniejszych elementów konstrukcyjnych, które pozwalają łazikowi poruszać się po nierównej powierzchni Marsa. Łazik był zasilany panelami słonecznymi w ciągu dnia i nieładowalną baterią litową, aby utrzymać ogrzewanie łazika w nocy, co oznaczało, że łazik miał ograniczoną żywotność.

2004: Duch i szansa

Spirit i Opportunity to bliźniacze łaziki, które wylądowały na Marsie odpowiednio 3 i 24 stycznia. Razem odkryli, że dawno temu Mars był bardziej wilgotny i że warunki na Marsie mogły utrzymać życie drobnoustrojów, jeśli w ogóle istniało.

Szybkie fakty: szansa

Data wylądowania: styczeń 2004 Długość 
 operacji: 15 lat Przebyty dy 
 stans: 45 km 
 Waga: 185 kg 
 Rozmiar: 2,3 m długości, 1,5 m wysokości

Naukowa ładowność Ducha i Opportunity odnotowała znaczną poprawę od czasu Sojournera. Istnieją dwie kamery panoramiczne, które wykonały szczegółowe, wielofalowe, panoramiczne zdjęcia 3D krajobrazu; mikroskopowy aparat fotograficzny, który robił obrazy skał i gleby w wysokiej rozdzielczości; oraz narzędzia ścierające skały do wiercenia w skały i powierzchnie.

Dzięki niedawnym osiągnięciom w architekturze mikroczipów, Spirit i Opportunity miały 1000 razy więcej pamięci pokładowej w porównaniu z Sojourner, co pozwoliło loverom uzyskać autonomiczną mobilność planet, obraz kamery stereo jest mapowany na teren 3D, a następnie rovery same decydują o najbezpieczniejszej i najbardziej wydajnej ścieżce. System zawieszenia został dostosowany i ulepszony w systemie rocker-bagie firmy Sojourner.

Jednym z wyzwań inżynieryjnych, przed którymi wciąż stoją Duch i Okazja, było źródło mocy. Łoziki nadal były zasilane panelami słonecznymi, ale ulepszenia technologii akumulatorów prowadzone przez rewolucję mobilną na początku XXI wieku oznaczały, że akumulatory litowe dostarczały teraz zasilanie energią, które można było łatwo uzupełnić. Oznaczało to, że łaziki były w stanie eksplorować tylko regiony równikowe, w których istniały regularne możliwości ładowania w ciągu dnia.

2012: Ciekawość

Curiosity to najnowszy łazik, który został wysłany na Marsa i jest jedynym łazikiem, który obecnie działa, a jego celem jest zbadanie, czy warunki były korzystne dla życia drobnoustrojów i zachowania wskazówek w skałach na temat możliwego przeszłego życia. W porównaniu do swoich poprzedników, Curiosity był kolejnym znaczącym ulepszeniem w prawie wszystkich aspektach łazika.

Szybkie fakty: ciekawość

Data wylądowania: sierpień 2012 Długość 
 operacji: 15 lat Przebyty dy 
 stans: 21,2 km (stan na styczeń 2020 r.) 
 Waga: 899 kg 
 Rozmiar: 2,9 m długości, 2,2 m wysokości

Jedną z najbardziej niezwykłych zmian w porównaniu z wcześniejszymi roverami jest to, że Curiosity jest około 5 razy cięższy i zawiera ładunek ponad 10 razy cięższy. Zawiera sprzęt do zbierania i przetwarzania próbek skał i gleby oraz jest w stanie rozprowadzić je do pokładowych komór testowych.

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

System rocker-wózek jest nadal stosowany z sześcioma kołami, każde z własnym niezależnym silnikiem. Dwa przednie i tylne koła mają indywidualne silniki kierownicze i w razie potrzeby łazik może obracać się o 360 stopni na miejscu. Koła wykonane są z aluminium, z zaciskami do przyczepności i zakrzywionymi sprężynami tytanowymi dla podparcia.

Doniesiono, że koła Curiosity zostały uszkodzone przez wyrzeźbione przez wiatr skały 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 kontynuowany w nadchodzących latach.

Streszczenie: Ewolucja Mars Rovers

Obserwując ewolucję marsów i łazików księżycowych w ciągu ostatnich 50 lat, uzyskaliśmy cenny wgląd w to, jak inżynierowie pokonali wyzwania inżynieryjne. Wprowadzono ciągłe ulepszenia zarówno w sprzęcie, jak i oprogramowaniu rowerów, i prawie często zwiększały wydajność o rząd wielkości.

Dwóch inżynierów statków kosmicznych dołącza do grupy pojazdów, zapewniając porównanie trzech generacji łazików Marsa opracowanych w laboratorium napędu Jet Propulsion Laboratory NASA w Pasadenie w Kalifornii. Otoczeniem jest obszar testowy Mars Yard firmy JPL.

Jedną z jedynych konstrukcji mechanicznych, które przetrwały we wszystkich pokoleniach łazików marsjańskich, jest system zawieszenia wózka kołyskowego, który okazał się jednym z najbardziej niezawodnych mechanizmów dla łazików działających na Marsie. Podobnie wykorzystanie aluminium jako materiału kół utrzymywało się również przez pokolenia łazików Mars.

Z drugiej strony ładowność naukowa łazika każdej generacji stale się poprawia — zarówno pod względem jakości, jak i ilości. Chociaż kategoria sprzętu pozostaje podobna, ich jakość i osiągi drastycznie poprawiają się dla każdej generacji łazika. Co więcej, rozmiar i waga łazików również wzrasta z czasem, w wyniku ulepszonej technologii rakietowej, która jest w stanie przenosić większy ładunek. Wreszcie, ponieważ naukowcy i inżynierowie dowiadują się więcej o Marsie z każdej misji, wiedza i doświadczenie nadal pomagają nam budować łaziki, które są bardziej niezawodne i przystosowalne do środowiska Marsa.

Przyszłe Rovers

W nadchodzącym roku planowane są dwa ekscytujące łaziki na Marsa: łazik NASA Mars 2020 i łazik ExoMars ESA, Rosalind Franklin. Obie misje stanowią kolejny krok w kluczowej kwestii eksploracji Marsa, szukając oznak samego życia drobnoustrojów w przeszłości.

Łazik Mars 2020 ma wiertło, które zbierze próbki obiecujących miejsc i odłoży je na bok na potencjalną przyszłą misję powrotną na Ziemię. Łazik zgromadzi również wiedzę i przetestuje technologię istotną dla przyszłych wypraw człowieka, w tym metodę wytwarzania tlenu z atmosfery planety i techniki lądowania. Konstrukcja łazika opiera się na Curiosity i wykorzystuje wiele jego części zamiennych. Ulepszenia obejmują nową konstrukcję kół z bardziej zaawansowanym aluminium, nową podszewkę zagrożeń dla bardziej stromej wspinaczki oraz kształt, który pozwala na większą średnicę, maksymalizując wydajność. Kolejnym interesującym dodatkiem jest Mars Helicopter Scout, dron, który przetestuje możliwość latania na Marsie i może służyć do mapowania tras lub badania trudno dostępnych obszarów, takich jak kratery

Łazik ExoMars jest znacznie mniejszy, ma tylko masę 300 kg, co stanowi jedną trzecią masy Curiosity. Podobnie jak łazik NASA, Rosalind Franklin ma wiertło podpowierzchniowe do pobierania próbek, maksymalnie do dwóch metrów. Próbki będą analizowane bezpośrednio za pomocą instrumentów naukowych, zwanych ładunkiem Pasteura, w celu wykrycia morfologicznych lub chemicznych sygnatur życia. W przeciwieństwie do łazika NASA i Curiosity, łazik wykorzystuje panele słoneczne do generowania wymaganej mocy i przetrwa noce, używając nowych baterii. Niezwykłą cechą jest możliwość indywidualnego obracania kół oraz regulacji wysokości i kąta Łazika względem powierzchni, tworząc również zdolność chodzenia, która jest przydatna w miękkich i niespoistych glebach.

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

Aktualizacja z marca 2020 r.: Łazik Mars 2020 będzie nosił nazwę „Perseverence”

Współpraca i komercjalizacja

Dzisiaj zmienia się sposób rozwoju misji kosmicznych. W przeszłości eksploracja kosmosu często skutkowała rywalizacją między krajami; udane misje kosmiczne były dowodem technologicznej mocy kraju. Ta rywalizacja spowodowała, że programy kosmiczne otrzymały duże fundusze od rządu. Obecnie pojawia się coraz więcej misji będących wynikiem międzynarodowej współpracy. Łazik Rosalind Franklin to wspólny wysiłek ESA i rosyjskiej agencji kosmicznej Roscosmos; Chiny i Rosja łączą siły, aby zbadać Księżyc; i oczywiście, jest też międzynarodowa stacja kosmiczna.

Co więcej, nie tylko rządy są już zaangażowane w wyścig kosmiczny. Od czasu wprowadzenia przepisów dotyczących sprywatyzowanych podróży kosmicznych firmy takie jak SpaceX, Virgin Galactic i Astrobotic Technology weszły do branży. Przyspieszy to produkcję mniejszych, tańszych i bardziej wydajnych produktów, umożliwiając konkurencję kontraktową między firmami. Niemniej jednak warto zauważyć, że krajowe agencje kosmiczne nadal będą liderem w technologiach i misjach, których rynek nie może wspierać. Często są one istotne naukowo, ale brakuje im bezpośredniego zwrotu inwestycji niezbędnego do komercjalizacji.

To dopiero początek...

Eksploracja pozaziemska będzie nadal jednym z najbardziej ekscytujących wydarzeń, na które można się spodziewać w nadchodzących latach. W tym artykule przedstawiono krótki przegląd ewolucji łazików, przyszłych łazików i ich wpływu na świat, w którym żyjemy dzisiaj. Zarysowaliśmy tylko powierzchnię wszystkich projektów i misji, które miały miejsce w przeszłości, które będą miały miejsce w przyszłości. Jednak właśnie to sprawia, że temat jest tak interesujący - eksploracja pozaziemska jest próbą zrozumienia nieznanego przez ludzkość, a przed nami jeszcze długa podróż.

Ostatnie podziękowania dla Lisa & Leon z zespołu UCL Rover 2020 za dodanie tego artykułu.