Технологическое развитие робототехники и автоматики является необходимым для успешного исследования поверхности Марса автоматическими аппаратами, чтобы получать информацию по марсианской геологии, марсианской геохимии, также по атмосферным наукам, климатологии экзобиологии и т.д., ещё для того, чтобы обеспечить сохранность людей и сэкономить время для тех задач, которые однозначно потребуют человеческого участия, многие бытовые задачи, связанные с человеческим присутствием на Марсе могут выполняться роботизированными машинами. Удалённое управление роботами в большинстве случаев также будет оправдано, с учётом больших рисков для человека при марсианских расстояниях и связанных с ними трудностях связи. В настоящей статье рассматривается роль космических роботов, управляемых мехатронными системами, которые авторам видятся частью технологических разработок, важных для исследования Марса.

Мировые космические агентства начинают марсианскую гонку по исследованию Красной планеты и поиску возможностей для жизни человека на других планетах. Путешествие на Красную планету Марс будет серией шагов, которые необходимо выполнить для интенсивного международного космического исследования Марса с применением роботов, что приведёт к поселению людей на планете Марс, а также к разработкам по привнесению туда постоянного жизненного цикла. Продвижение технологий может быть полезно для программ исследования Марса, лучшего понимания планеты и понимания её пригодности для живых существ. Сейчас мы находимся в том положении, когда расширение международной программы роботизированного и человеческого исследования Марса может помочь увидеть новые начинания со свежим перспективами. Нам необходимо строить аппараты, в основном получающие информацию тем путём, который изначально запрограммирован создателями. В настоящее время только человек-космический исследователь может приобретать знания через творческую организацию информации в режиме реального времени, также и учась жить и работать в космосе, хотя в будущих автоматических кораблях это ограничение изменится. Исследование Марса именно человеком имеет широкий спектр преимуществ в сравнении с обычными научными исследованиями Мраса, но потенциальная стоимость исследования Марса непосредственно человеком потребует большего, чем просто возврат научных данных. Мы уверены, что можем расширить наши возможности для межпланетных путешествий. Такие исследовательские путешествия можно предпринять ещё до того, как мы полностью поймем долгосрочную реакцию человека на среду в помещениях экипажа космического корабля, но предпринять можно с некоторым риском для экипажа. Мы можем получить значительный объём данных относительно приспособления человека к микрогравитации и изоляции на долгих космических миссиях, таких как человеческие миссии на Марс. Мы также должны научиться разрабатывать и создавать действительно долгосрочно надёжные механические и электронные системы.

Марсианская геология и атмосфера

Атмосфера тонкая и состоит в основном из двуокиси углерода. Давление на поверхности порядка 1/100 от Земного, и оно меняется со сменой марсианских сезонов, так как Часть углекислого газа в атмосфере осаждается на полюсах, образуя полярную ледяную шапку зимой. На экваторе температура поверхности колеблется от -90 °C ночью до + 20 °C в полдень, что соответствует температурным условиям на Земле. На полярных шапках из двуокиси углерода температура может снизиться до -120 °C. Очень важно научиться изучать, документировать и анализировать процессы, которые превратили Марс в бесплодную, негостеприимную область.

Текущий марсианский климат регулируется сезонными изменениями ледяных шапок из углекислого газа, перемещением большого количества пыли в атмосфере и обменом водяным паром между поверхностью и атмосферой. Одно из самых динамичных погодных явлений на Марсе — это образование пылевых бурь, которое обычно происходит на юге весной и летом. Эти бури могут разрастаться и охватывать всю планету. Понимание того, как они развиваются и растут — одна из целей будущих климатических исследований.

Лучшее понимание современного климата Марса поможет учёным более эффективно моделировать прошлые климатические условия. Для этого нам понадобятся подробные карты погоды планеты и информация о том, сколько пыли и водяного пара находится в атмосфере. Наблюдение за планетой для получения этих данных за один полный марсианский год (687 земных дней) поможет нам понять, как Марс ведёт себя в течение сезонного цикла и направит нас к пониманию того, как планета менялась миллионы лет.

В рамках программы исследования Марса мы хотим понять, какую относительную роль ветер, вода, вулканизм, тектоника, кратерообразование и другие явления сыграли в формировании и изменении поверхности Марса. Роботизированные зонды могут помочь нам лучше понять планету Марс, как и наблюдение марсианского приповерхностного климата на месте. Марсианская атмосфера, хотя она и намного тоньше, чем на Земле, является естественной планетарной лабораторией, в которой возможно проверять модели атмосферных процессов, применимые и к Земле. Марс представляет большой интерес, поскольку он показывает доказательства поверхностных вод в прошлом, и это указывает на то, что Марс ранее имел иные атмосферные условия, чем сегодня. У нас много предположений, но мало доказательств по таким вопросам, как относительная роль водной эрозии, расход массы (оползни), ветровая эрозия и осаждение.

Некоторые исследователи считают, что все затраты ресурсов на Марс должны ограничиваться только автоматическими исследованиями Марса, по крайней мере в первой половине 21-го века, и что осуществление человеческой экспедиции на Марс будет слишком дорогостоящим. Они считают, что человеческая экспедиция будет серьёзно расходовать средства и «истощать» исследовательские усилия в по космической робототехнике, аэронавтике, фундаментальным научным и промышленным исследованиям. Другие считают, что космические исследования только для науки — слишком узкая цель.

Роботизированные технологии для исследования Марса

Хотя здесь далее мы рассмотрим общие вопросы, связанные с роботизированными космическими аппаратами, которые имеют критическое значение для космического робоинженера, но космическая робототехника как дисциплина сосредоточена на более специфических проблемах и более углубляется в предметную область, охватывающую наземную робототехнику. В действительности космическая робототехника, как и её наземный аналог, делится на две области (значительно перекрывающихся): 1. Роботизированные манипуляторы – устройства, предназначенные для развёртывания в космосе или на поверхностях планет для подражания человеческим манипуляциям. Они могут быть размещены на самих космических аппаратах, либо на орбитальных аппаратах, обслуживающих другое космическое судно, внутри кораблей для обслуживания полезных грузов, или на посадочных аппаратах и движущейся технике, чтобы собирать образцы. 2. Роботизированные движущиеся установки — такие устройства предлагается развертывать на поверхности, чтобы имитировать возможности передвижения человека. Они могут быть развёрнуты на поверхностях, подобных земной, на малых телах солнечной системы, в атмосферах (аэроботы), или для преодоления слоёв льда (криоботы) и жидких сред (гидроботы).

Космические роботы должны работать в экстремальных условиях. Как правило это означает повышенные уровни ионизирующего излучения, требующие не массовой электроники, а специально разработанной и/или подтверждённой для использования в таких средах. Температурные условия также сильно будут отличаться от земных, требуя хотя бы тех систем, которые охлаждаются не воздухом или конвекцией, а проводимостью. Многие среды за пределами Земли обычно значительно жарче или холоднее, чем тепловые рамки, используемые при проектировании обычных коммерческих или военных компонентов. В таких случаях разработчик космического робота сталкивается с выбором того, следует ли размещать компоненты в специальном теплозащитном корпусе для обеспечения требуемых условий или пытаться подтвердить работоспособность вне известного диапазона. Оба подхода успешно работают, но со значительными затратами.

Робототехника опирается на различные фундаментальные области и, таким образом, в значительной степени интегрирует широкий спектр технологий. Все важные робототехнические технологии имеют аспекты, которые актуальны исключительно для робототехники и аспекты, которые относятся не только к робототехнике, но и к другим областям. Хорошими примерами первой, робототехнической, группы являются манипуляторы, навигаторы и датчики. Батареи представляют хороший пример второй группы, продвижения в которой будут полезны робототехнике, но в настоящее время робототехника для их развития не основная. Конкурентные преимущества в высокотехнологичных областях нелегко получить. Европа должна не только сохранить лидерство там, где оно было достигнуто, но и возглавить развитие первичных марсианских технологий. Для успеха Европы жизненно важно использовать её существующую сильную академическую базу, посредством хорошо организованного распространения технологий. Тем не менее, Европа не может позволить себе сосредотачиваться только на сильных направлениях, также необходимо будет способствовать технологическим процессам, которые могут стать критическими барьерами для сбыта. По относительно слабым направлениям должно быть принято осознанное решение о приемлемости зависимости от других. Чтобы помочь в этом выборе, даётся оценка времени до создания продукта с нужной технологией, показываются европейские сильные стороны и определяются драйверы развития технологий. В будущем роботизированная техника станет пригодной для транспортировки людей, а также полезной для поселений.

Деятельность, выполняемая описанной техникой, будет заключаться в проведении научных исследований, сборе и доставке образцов на обитаемую площадку, а также в разведке возможных мест для более подробного исследования непосредственно человеком. Три марсохода будут доставлены в рамках первой грузовой миссии и будут контролироваться с Земли в течение времени между выгрузкой и прибытием первого человеческого экипажа. Определение участков для человеческого исследования и безопасных маршрутов к таким участкам будет основной деятельностью до прибытия первого экипажа и в то время, пока прибывшие ещё не высадились на поверхность. Пока люди находятся на марсианской поверхности техника будет доступна для управления этими людьми. Подробные исследования, сбор образцов и научные измерения будут основными задачами при управлении операторами, которые смогут управлять этими марсоходами из соответствующего участка на обитаемой базе/в лаборатории на поверхности планеты. Описанные мобильные системы позволят проводить исследовательские работы непрерывно, сразу как первая грузовая миссия доставит полезную нагрузку на марсианскую поверхность. Разнообразные требования к характеристикам и разнообразие поверхностной деятельности затребуют целого набора мобильных систем с пересекающимися возможностями.

Существует мнение, что человеческое развитие простимулируется в целом, и даже научные и базовые исследовательские задачи будут достигнуты быстрее, если автоматическое и человеческое исследование космоса будут проводиться одновременно. Человечество почитает и поддерживает науку, но общество также ценит и исследовательские путешествия самого человека. С точки зрения данной работы международная программа автоматических марсианских зондов и предварительные разработки параллельно с человеческими миссиями на Марс будут наилучшим образом служить человечеству. Будущие миссии на такие планеты, как Марс, потребуют исследовательских/рабочих роботов для выполнения задач повышенной сложности, таких как разведка, добыча ископаемых, проведение научных экспериментов, сооружение установок и прочая подготовка к прибытию человека. Чтобы выполнять задачи в 2014-2025 годах, планетарные роботы должны будут быстро работать, путешествовать на большие расстояния и выполнять очень сложные задачи с высокой автономностью.

Жизнь на Марсе

Успех стратегий обнаружения доказательств жизни на Марсе существенно зависит от нашей способности контролировать загрязнение Марса земными биологическими материалами, которое может навредить толкованию результатов исследования образцов. Судьбу земного органического материала, введённого в марсианскую среду, нужно понять на начальной стадии программы экспериментов. Марс — единственная планета за пределами системы Земля-Луна, где постоянное поселение на удалённом расстоянии кажется возможным. Поэтому ранние экспедиции на планету должны включать в свои цели ещё оценку количества пригодных для использования ресурсов, таких как вода, кислород, стройматериалы и тепловая энергия.

Марсианская база может потребовать выращивания пищи на Марсе. Поэтому следует оценить различные способы выращивания пищи там. Невозможно заранее предсказать, какими будут научные выгоды от исследования Марса. Это всё потому, что мы мало знаем о Марсе, что его научное исследование — это такие интересные и сложные проекты, как, например, миссии по исследованию Марса, разработка транспорта, чтобы развивать технологии, а также демонстрация самих технологий. Роботизированные миссии на Марс должны достигать ещё большие возможности автономности. Человеческие миссии должны хорошо соответствовать той продолжительности времени, которая значительно дольше и труднее, чем у любых предыдущих космических полетов человека. Среди наиболее важных проблем, которые будут толкать технологическое развитие, и которые могут принести пользу на Земле, есть такие проблемы как: движение и мощность, здоровье человека и адаптация, развитие систем жизнеобеспечения, использование ресурсов, экологические технологии, повышение надежности и срока службы аппаратов и систем, автоматизация и робототехника, и разработка новых датчиков.

Марсианские автоматические и предварительные миссии

Подробная информация уже получена в программах «Макринер», «Марс», «Викинг» и «Фобос», но нам нужно узнать путь к человеческому марсианскому поселению. Нам нужно оценить планетологические и космологические данные, а также добиться составления подробной научной основы для будущих полётов человека. Роботизированные миссии должны продолжаться, чтобы улучшить наше научное понимание Марса и продемонстрировать новые технологии в робототехнике. Научные роботизированные программы должны быть продолжены даже после доставки человека на Марс. Однако робототехника также может использоваться для проверки и исследования систем пассажирских космических кораблей и другого соответствующего оборудования, для разработки стратегии и сценария первоначальной фазы миссии с людьми, а также для предварительной организации доставки грузов. С этой точки зрения роботов можно считать предварителями будущих полётов человека на Марс.

Автоматизированные миссии должны собирать основную информацию по марсианской геологии, геохимии, атмосферным наукам, климатологии, экзобиологии и т.д., а также данные о работе инженерных систем. Предварительные миссии могут быть основой для всей научной программы Марса и с развитием робототехники смогут дополнять человеческие исследования в будущем. Автоматические миссии могут помочь в выборе посадочной площадки и подготовке рабочей площадки для деятельности человека, и могут стать важной частью исследовательских программ при развитии марсианских миссий. Их двойная роль не только желательна, но и необходима, чтобы точно знать, что усилия и затраты на достижение Марса дадут ценные научные результаты и уменьшат риск и затраты на человеческую деятельность. Роботизированные предварительные миссии помогут также установить тот предел, при котором человеческое присутствие является обязательным требованием для большей эффективности и продуманности изучения Марса, и помогут определить какую роль автоматизация может сыграть при содействии человеческим исследованиям.

Параметры человеческих экспедиций на Марс

Если корабль с экипажем находится на орбите Земли и готов к запуску на Марс, то дальнейшее ясно: межпланетный перелёт на Марс, выход на орбиту Марса, спуск на поверхность с помощью посадочного устройства, операции поверхностной миссии, возвращение на орбиту Марса, возможное кружение в паре с межпланетным кораблём на орбите, межпланетный перелёт на Землю, выход на орбиту Земли, и, наконец, посадка на Землю. Автоматическая миссия, если она возвращает образец на Землю, следует той же последовательности. Если автоматическая поверхностная миссия на Марс не возвращается на Землю, то последовательность заканчивается миссией на поверхности Марса, как для аппарата «Викинг».

Хотя базовая последовательность операций достаточно проста, возникает сложность из-за выбора циклограммы полёта и выбора межпланетной двигательной системы (или систем). Существует две основных циклограммы — медленная, с минимальными энергозатратами, и вторая гораздо более дорогостоящая (с точки зрения затрат топлива) с высокоэнергетическим «быстрым» перелётом, каждая из двух также имеет несколько вариантов. Выбор циклограммы миссии зависит от выбора двигательной системы или систем. В настоящее время существует три варианта движения, доступных разработчику: химические ракеты, ядерные тепловые установки и электрические двигатели, использующие ядерную или солнечную энергию. Из них только химические ракеты были надёжно использованы для человеческих миссий.

Аэродинамическое торможение и захват атмосферой на орбите, после межпланетного перелёта, могут быть использованы при выборе любого из приведённых параметров. Выбор технических вариантов для Марса должен отвечать набору ограничений и целей, которые в совокупности называются «драйверами миссии». Решение по миссии и проектированию систем представляет собой компромисс между противоречивыми требованиями и желаниями. Инженеры должны искать компромисс между конкурирующими требованиями. Неспособность тщательно определять приоритеты среди требований только приведёт к потенциально опасным компромиссам и неоправданному росту затрат.

Цели влияют на разработку миссий и выбор систем через такие требования, как численность экипажа, научная и эксплуатационная характеристики перевозимого груза, время пребывания на Марсе, доступ к поверхности и возможное стремление двигаться в направлении непрерывного присутствия на Марсе (например, к постоянной базе там). Анализ необходимого уровня навыков указывает минимальное количество членов экипажа от пяти до восьми для миссии на Марс. Большие требования к первичным научным навыкам, а также потребности в международном представительстве могут привести к увеличению, а не к уменьшению количества членов экипажа. Размер и стоимость миссии напрямую зависят от численности экипажа.

Марсианские поверхностные системы и их параметры

Роль поверхностных систем на Марсе в должна полностью обеспечить (при скромном старте) полный спектр возможностей для реализации целей исследовательской программы международного сообщества с роботизированным и человеческим исследованием и возможным будущим поселением на Марсе. Эти автоматические/человеческие исследовательские возможности могут включать в себя предварительно запрограммированные и автономные робототехнические системы, дистанционно управляемые марсоходы, стационарные геофизические станции, первоначальные экспедиционные форпосты человеческих исследований Марса, самообеспечивающиеся человеческие базы и марсианские системы космических перевозок. Чтобы распланировать поверхностные системы Марса, необходимо изучить основные цели самого важного уровня, отсюда вывести следующий уровень, а затем сконструировать отношения затрат времени, взаимодействия и переходы из фазы в фазу, которые наилучшим образом опишут стратегический подход, обеспечивающий достижение обозначенных целей. Параметрами являются автоматические и полуавтоматические системы. Мехатронная система управления для марсианской межпланетной космической станции приведена на блок-диаграмме на рис. 1.

Рис. 1 Диаграмма управляющих систем

Рис. 1 Диаграмма управляющих систем

Цели исследования Марса потребуют, чтобы система на поверхности Марса поддерживала сбор научных данных, который улучшит наше общее понимание Марса, и чтобы поддерживала развитие и подтверждение Марса как будущего места для жизни людей. После рассмотрения двух этих основных целей следующие можно отнести к категориям «Исследование» и «Человеческая экспансия». Эти категории требуют различных путей выполнения. Исследование в основном даёт необходимость «глобального» покрытия Марса с возможностью временного присутствия человека на любой площадке, а человеческая экспансия задаёт целью рост и расширение одиночной площадки с постоянным присутствием человека.

Характерной особенностью исследования планеты является то, что крайне важно будет посещать множество площадок. Это подразумевает либо возможность путешествовать на большие расстояния по поверхности Марса, используя идею мобильной «базы», либо подразумевает возможность посетить многие площадки с орбитальной базы или через несколько отдельных экспедиций на Марс. Оснащение, дающее временную поддержку, из-за ограниченных средств и короткой продолжительности, является наиболее подходящим. С другой стороны, цель человеческого расширения потребует другого подхода с тем, что человеческое поселение начинается с единственного места, из которого может развиваться инфраструктура поверхностной базы. В рамках цели расширения человечества ожидается, что расширение возможностей может быть обеспечено за счет использования местных ресурсов, которые позволят значительно по времени оставаться на одном месте, поддерживать другие цели и открыть путь реализации возможностей для проведения исследований на больших расстояниях.

Обе концепции не должны исключать ни одного подхода, а должны скорее обеспечивать одновременное осуществление друг друга путём использования общих вещей. В самом деле, воплощение расширения человечества должно развиваться с помощью идеи роста, для которой нужны исследовательские усилия.

Есть следующие основные цели системы на поверхности Марса:

Научные:

  • Понять состав и внутреннюю структуру планеты Марс
  • Определить геологическую эволюцию и возраст особенностей марсианской поверхности
  • Определить состав и динамику атмосферы Марса
  • Определить происхождение и историю воды на поверхности Марса
  • Определить существование и эволюцию жизни на Марсе, вымершей или сохранившейся.

Поселенческие цели:

  • Определить целесообразность человеческих поселений на Марсе
  • Определить и оценить методы, позволяющие населенным пунктам самообеспечиваться и быть менее зависимыми от снабжения с Земли.

Человеческие факторы и физиологические аспекты

Межпланетный космический полёт или проживание на другой планете в течение длительного периода времени может означать изнурительные, вредные и, возможно, фатальные воздействия. Некоторые из этих воздействий — радиация, гипогравитация, изоляция/заточение, токсичность и специфические условия среды на миссии. Чтобы быть уверенным в том, что миссия имеет высокую вероятность успеха необходимо будет с течением времени расширить человеческие знания об этих воздействиях и их влиянии на человека, перед тем, как совершить полёт. Многое можно узнать живя и работая на борту Международной космической станции (МКС).

Планирование миссии должно также включать соображения по выбору экипажа и эффективности, по жизнепригодности среды, социологическим вопросам, поддержанию жизнедеятельности, гигиене окружающей среды и управлению припадками и болезнями. Необходимо принять допустимый уровень риска. Мы должны понимать, что, по сути, риск нельзя полностью исключить и не следует его отрицать. Миссии должны разрабатываться с разумными уровнями риска (возможно 3% шанс катастрофы). Лучшим способом управления уровнями рисков миссии является понимание обстановки и условий этой миссии, в том числе и того, как на человека повлияет обстановка и как он будет действовать в данной среде, и того, как смягчить меры по контролю.

Человеческий фактор и физиологические проблемы не будут, скорее всего, мешать человеческому исследованию Марса, при условии, что поиски решений проблем начнутся сейчас. Отбор экипажа будет основываться на физиологических, психологических, социологических, рабочих соображениях, а также на совместном обучении для устойчивых взаимоотношений. Значительная часть подготовительной работы по-прежнему должна быть сделана в областях радиации, гипогравитации и изоляции/заточения, чтобы понять последствия этих нагрузок. Биологические эффекты облучения, ожидаемого в пути, на поверхности и в случае отмены миссии, должны быть точно определены. Расчёт времени, экранирование и противомеры должны быть такими, чтобы опасность была приемлемой, и возможные последствия должны быть уменьшены настолько, насколько это возможно. Для длительных миссий среда с ускорением свободного падения в 1g для космонавтов (предпочтительно с использованием большого диаметра и низкой скорости вращения) устранит потенциально опасные эффекты гипогравитации. Достаточное знание эффектов продолжительной гипогравитации и нулевого ускорения свободного падения необходимо получить и отдельно рассмотреть для выживаемости в случае отказа системы с 1g и для борьбы с пониженной гравитацией на Марсе. Психологические последствия изоляции и заточения должны быть уменьшены путем тщательного отбора и обучения членов экипажа. Среда должна быть разработана для удобства проживания, а деятельность экипажа должна быть тщательно спланирована и обеспечена.

Рис. 2 Идея робопарника

Рис. 2 Идея робопарника

«Маленький принц» (рис. 2) представляет собой концепцию роботизированной теплицы, которая специально разработана для содействия будущим исследованиям и увеличению населения на Марсе. Этот интеллектуальный робот может хорошо ухаживать за растениями внутри стеклянного контейнера, который устанавливается на его четырёхножное тело.

 

Марсианская межпланетная космическая станция

Марсианская межпланетная космическая станция (рис. 3) может быть запущена на Марс вместе с роботизированными космическими аппаратами, предназначенными для изучения планеты как с орбиты, так и на её поверхности, пока люди не приземлятся на Красную планету. Станция достигнет орбиты Марса, где её экипаж будет исследовать Марс, управляя космическими роботами. По этой причине миссию можно назвать «гибридной миссией». Поскольку роботы будут управляться экипажем межпланетной станции с марсианской орбиты, будет устранена одна из основных проблем роботизированных марсианских миссий, а именно задержка в 14 минут у радиосигнала для достижения Земли. В этой идее образцы марсианской почвы могут быть отправлены роботами на марсианскую межпланетную космическую станцию ​​и позже могут быть доставлены на Землю. Вся продолжительность полёта устанавливается на 2,5 года с одним месяцем работы на орбите Марса. Миссия также докажет, что люди могут выжить в длительном путешествии через дальний космос и эффективно выполнять свои профессиональные обязанности, включая эксплуатацию космического корабля и проведение исследовательских работ.

Рис. 3 Концепт космической станции у Масра

Рис. 3 Концепт космической станции у Масра

Модули космической станции собираются на орбите как единый комплекс и запускаются на Марс с экипажем на борту. Мы можем назвать это марсианской межпланетной космической станцией. Элементы марсианской межпланетной космической станции (ММКС) (рис. 3) были спроектированы и могут быть запущены в космос системой «Space Launch System» (SLS). Общий вес марсианской межпланетной космической станции составляет около 450 тонн. Полёт с земной орбиты на Марс может быть усилен ионными или передовыми плазменными реактивными двигателями.

Система управления мощностью

Системы на солнечной энергии/на регенеративных топливных элементах

Фотоэлектрическая солнечная энергетическая система использует солнечные элементы, которые образуют массив и обычно соединены с накопителем энергии, таким как топливный элемент. Накопитель энергии требуется для обеспечения мощности, когда массив не освещён солнцем или когда выходная мощность падает ниже требуемой нагрузки. Энергонакопитель также должен обеспечивать пиковые потребности в энергии. Доступные ныне солнечные элементы запасают 27% получаемой энергии, как например тройное соединение GaAs/Ge (арсенид галлия/германий), используемое топливных ячейках на марсоходах. Требуемые площади массивов, необходимые для получения заданной мощности на человеческой миссии, будут очень большими, даже с высокоэффективными солнечными батареями. Чтобы солнечные установки оправдывали себя на Марсе, необходимо улучшить текущее состояние по энергоэффективности ячеек, смягчению пылевого воздействия, развертыванию массивов и техобслуживанию. Необходимо также разработать надёжные методы роботизированного или автономного развёртывания, закрепления, проверки состояния и управления большими массивами, поскольку система электроснабжения будет развёрнута до прибытия экипажа. Размер одного массива в проекте «Mars Design Reference Architecture» был 2,5 мX58 м, общая система состояла из 10 крыльев-массивов. Среда Марса, очень известная накоплением пыли и пылевыми бурями, окажет глубокое влияние на общую производительность систем солнечной энергии. Предыдущие роботизированные миссии на поверхности Марса предоставили ценные данные по накоплению пыли. Нужно найти надёжный метод, который мог бы выполняться автоматикой, поскольку массивы должны работать до прибытия экипажа. Уже рассмотренные технологии уменьшения количества пыли включают продувку сжатым газом, механическое вытирание, вибрацию для удаления пыли и электростатическое отталкивание. И дальнейшая работа необходима для определения наилучшего подхода, особенно для больших массивов. Поэтому необходимо развивать подходы к уменьшению количества пыли, которые будут включены в будущие проекты солнечных энергосистем. Передовые энергозапасающие устройства необходимы для обеспечения нужной мощности для работы ночью и во время пылевых бурь. Продолжаются достижения как в энергетических системах на одиночных топливных элементах (ОТЭ), так и в энергозапасающих системах на регенеративных топливных элементах (РТЭ).

Система РТЭ представляет собой комбинацию ОТЭ и системы электролиза, а также связанного оборудования для взаимодействия. Работа над топливными элементами и РТЭ подразделяется на шесть основных частей:

(1) развитие одиночных потоковых топливных элементов на основе протонообменных мембран (ТЭОПМ)

(2) развитие беспотоковых ТЭОПМ

(3) разработка электролиза при высоком давлении

(4) Разработка технологии РТЭ

(5) Развитие по пассивному тепловыделению

(6) Развитие мебранно-электродных блоков (МЭБ)

Изотопные энергетические системы

Изотопные энергетические системы предоставляют постоянную мощность, сопоставимую с системами на делении ядер. Их практический диапазон составляет порядка нескольких киловатт из-за наличия плутония-238 (238Pu), производимого нейтронным облучением нептуния-237 (237Np). 238Pu имеет много привлекательных возможностей по сравнению с другими изотопами: низкая радиация (то есть нужно минимальное экранирование), большая плотность запасаемой энергии и 87,7-летний период полураспада. 238Pu используется во всех радиоизотопных термоэлектрических генераторах, работающих на миссиях НАСА. Использование радиоизотопов со стороны НАСА хорошо известно ещё с «Аполлонов» (комплект «Apollolunar surface Experimental package» («ALSEP»)), изотопы использовались более чем в 30 кораблях на других планетах, таких как посадочные аппараты программы «Викинг». Эти системы работают путем преобразования природного радиоактивного тепловыделения (в основном за счёт альфа-частиц) в электрический ток. Термоэлектрические устройства ограничены по КПД преобразования. Таким образом, для мощных систем потребуются большое количество топлива с радиоактивным изотопом. Установка на комплексе «Саванна Ривер», производившая 238Pu, была закрыта с планами по возобновлению производства на разных объектах в будущем. В настоящее время существует ограниченный запас 238Pu и сильная конкуренция за него для поддержки будущих миссий НАСА.

Технологии преобразования энергии, такие как генераторы Стирлинга, необходимы для улучшения эффективности преобразования тепла в электроэнергию. Предлагаемые технологии преобразования могут обеспечить четырех-пятикратное улучшение по использованию изотопов, что значительно сократит стоимость миссии, дав возможность более разумно использовать наш скудный ресурс изотопного топлива для будущих миссий.

Идеи популяризации

Рис. 4 Mars-Bot

Рис. 4 Mars-Bot

Марсианский робот «Mars-Bot» (рис. 4) будет иметь механизмы движения и управления обычного конкурсного робота, а также беспроводную видеокамеру и различные датчики. Научные ярмарки c инженерными науками, физикой, астрономией и химией сократились в последние десятилетия, тогда как конкурсы роботов быстро выросли в популярности. После просмотра ряда соревнований по робототехнике я уверен, что их можно расширить, подключив некоторые науки. Вот моё предложение для нового вида соревнований роботов: «Mars-Bot» — имитирование космической миссии.

Видеокамера.

Самым важным датчиком на каждом Mars-Bot’е будет, по крайней мере, одна цветная беспроводная камера. Базовая установка будет иметь стационарное крепление, направленное вперёд и прямо. Более сложные роботы будут иметь камеру, которая может вращаться, чтобы лучше изучать пейзаж, находить назначенные цели и давать видеоподсказки при сборе проб. Сама камера также может передавать данные со своих датчиков или инструментов в поле зрения.

Моделирование пылевой бури

Марс известен своими огромными пылевыми бурями. Пылевая продувка на пути Mars-Bot’а, проверит способность движущихся частей выдержать налетающий поток песка. Снижение электрической мощности, возникающее при попадании пыли на солнечную панель, также можно измерить. Однако ветер может удалять накопленную пыль с робота (рис. 5), так что на поле можно добавить продувку робота чистым воздухом. Если продувка пылью неосуществима, то искусственный туман может имитировать пылевую бурю.

Рис. 5 Испытательная площадка для конкурса

Рис. 5 Конкурсная испытательная площадка

Датчик скорости ветра.

Mars-Bot должен измерять скорость любого ветра, с которым сталкивается. Вентилятор или пропеллер, установленные на валу небольшого двигателя постоянного тока, могут действовать как аналоговый датчик скорости ветра. Когда ветер вращает пропеллер двигателя, на клеммах будет отображаться напряжение, пропорциональное скорости вращения. Установка диска на стержне с пропеллером может сделать цифровой датчик скорости ветра. Далее нужно прицепить небольшой магнит к внешнему краю диска и смонтировать так, чтобы кромка диска вращалась мимо датчика Холла. Датчик Холла будет подавать импульс напряжения каждый раз, когда магнит проходит рядом. Если вес магнита мешает вращению диска, то для балансировки можно симметрично установить 2 или 3 дополнительных магнита. Сделанный датчик можно откалибровать, используя его рядом с другим, купленным датчиком скорости ветра, на различном расстоянии от вентилятора.

Дымка

Пыль, унесённая высоко в атмосферу Марса, может вызвать долгую дымку. На соревновании в крытом помещении периодическое затемнение искусственного освещения может имитировать дымку, на соревнованиях под открытым небом похожий эффект может быть вызван прохождением облаков. Фотодиод или солнечный элемент могут определить уменьшение интенсивности света. Стоит смонтировать его за пластиковым рассеивателем, чтобы прибор мог получать свет независимо от местоположения искусственного освещения.

Температура.

Температура во время миссии будет слегка изменяться из-за ветра, дымки и облачных условий. Её можно легко измерить с помощью терморезистора, встроенного датчика температуры или с помощью инфракрасного термометра, который также может сканировать температуру различных объектов по пути следования.

Спектрометр.

Цвет горных пород, песка и почвы дает важные сведения об их составе. Видеокамера Mars-Bot’а может использоваться в качестве простого 3-цветного спектрометра. Программы обработки изображений могут анализировать отдельные видеокадры, чтобы выразить относительную интенсивность синей, зеленой и красной длин волн на модельном марсианском ландшафте. План миссии «Mars-Bot» может потребовать трёхцветного анализа различных характеристик в трёх отдельных видеокадрах, собранных во время модельной миссии.

Отбор проб песка и гальки.

Особенно важной частью миссии «Mars-Bot» является сбор образцов песка и гальки, и отправка их для анализа. Операторы миссии должны будут использовать видеосвязь для управления своим роботом на песчаных и гравийных участках вдоль курса. Механические возможности современного поколения конкурсных роботов могут быть легко дополнены для отбора проб песка и гальки.

Бур для сбора образцов прочной породы.

Особенно интересной задачей для Mars-Bot’ов будет использование бура для сбора образца материала из макетного валуна. Команда будет направлять своего робота к валуну, получать образец и загружать его для доставки. «Валун» может быть изготовлен из тонкого листового дерева или другого мягкого материала, который легко дырявится обычной 1/2-1 дюймовой кольцевой пилой с батарейным питанием, которая напоминает короткую стальную чашу с пильными зубьями по диаметру, закрепляемую на стержень, устанавливаемый в обычный трёхкулачковый патрон. Рабочий конец сверла выступает за зубьями пилы, чтобы обеспечить начальное отверстие, так что кольцевая пила сохраняет направление во время процесса резки. Стандартная пила с батарейным питанием, делающая отверстие диаметром до 1/2 до 1 дюйма, могла бы быть установлена спереди Mars-Bot’а, и затем включаться и выключаться с помощью радиоуправляемого реле, подключенного через питание. По моему опыту вырезанный круг дерева остаётся внутри пилы до тех пор, пока не будет удален вручную, поэтому сама пила должна удерживать и хранить один или два небольших образца. Если кольцевая пила не используется для проверки или непосредственных задач на миссии, то она всегда должна быть покрыта красным пластиковым колпачком со значком безопасности, чтобы предотвратить травмы команды и зрителей.

Робонавт-2

Условия на борту космической станции обеспечивают идеальный испытательный стенд для действий роботов в непосредственной близости от людей, а также для работы машин

Рис.6 Робонавт-2

Рис.6 Робонавт-2

в условиях невесомости. Однажды это уже было продемонстрировано на космической станции, и обновление программных средств и механизмов позволит R2 (рис. 6) работать снаружи станции в космическом вакууме. Это поможет НАСА подготовиться использовать роботов в будущих дальних космических миссиях. Когда технологии R2 дозреют, робонавты перейдут к выполнению задач дальше в космосе. Это испытает технологии для более сильных тепловых и радиационных условий, а также позволит решать новые задачи, связанные с микрогравитацией. Это также позволит R2 обслуживать коммуникационные, метеорологические и разведывательные спутники, которые связаны с деятельностью на Земле. Следующим шагом для роботизированных устройств, как R2, будет изучение околоземных объектов, включая астероиды и кометы, причём конечным пунктом назначения являются спутники Марса и сам Марс. Робот будет служить разведчиком, предоставляя улучшенные карты, данные с образцов, ответы об основных поверхностных структурах и будет поддерживать инфраструктуру в рамках подготовки к прилёту человека. Тогда люди смогут исследовать околоземный объект, гораздо более подготовленный, чем без роботизированной миссии. Эта эволюция возможностей как для робототехники, так и для человека может сделать возможной миссию на поверхности Марса. Это робочеловеческое партнёрство позволит проводить миссии на поверхности Марса более безопасно и с меньшим экипажем, не жертвуя планами и результатами миссий.

Заключения и рекомендации

Мы пришли к выводу, что международное исследование космоса однозначно открывает человечеству доступ к захватывающим границам новых знаний. Открытия на всё новых планетах в новых условиях космическими робототехническими исследователями дополняют наши знания о Солнечной системе, но они также исследуют возможности по расширению человеческой жизни за пределы Земли.

Планета Марс является самой естественной целью этого великого исследования. Его геологическая эволюция во многом схожа с земной. В его атмосфере и на поверхности мы находим воду, углерод и азот — всё это необходимо для существования жизни. К марсианским формам ландшафта относятся вулканы и обширные каналы, которые, по-видимому, образовались из большого количества проточной воды. Сегодня атмосферное давление на Марсе составляет лишь один процент от земного, а температуры редко превышают ноль по Цельсию. Путешествие на Марс технически сложно осуществить, и операции на его поверхности тоже сложны. Поэтому комплексная программа исследования Марса должна включать как роботизированные, так и человеческие миссии. Основной проблемой выбираемой стратегии будет являться правильное соотношение между автоматикой и экипажем. Рекомендуется сосредоточиться на предварительных роботизированных усилиях с постоянными усилиями по роботизированным миссиям, которые помогут человеку разместиться на Марсе и также помогут проводить научные исследования человеком.

Космические роботы предлагают уникальные функции, преимущества и возможности с широким спектром приложений в космосе, здравоохранении, производстве, исследовании материалов, экологическом наблюдении, биотехнологиях, поисково-спасательных работах и развлечениях. Благодаря новым физическим приложениям и механизмам, физика позволяет пересматривать традиционную работу, выполняемую человеком. Кроме того, космические роботизированные технологии помогут нам преодолевать некоторые проблемы в исследовании Марса, благодаря координации большого числа марсоходов и прочей автоматики. Марсианская межпланетная космическая станция станет испытательным полигоном для будущих межпланетных автоматизированных и человеческих полётов.

Перевод статьи авторов Jayakumar Venkatesan, K.M. Parammasivam, Sandhya Rao

Рис.7 Коммуникации на Марсе

Рис.7 Коммуникации на Марсе