Исследование Вселенной — это, в первую очередь, осознание своего места в ней, а вместе с тем постижение принципов и причин возникновения и развития человеческого разума, способного задавать вопросы мирозданию.
Люди, отправляя к планетам Солнечной системы своих роботизированных посланников, пытаются не только разузнать побольше о соседях матушки-Земли: сакраментальный вопрос "Есть ли жизнь на Марсе? " отныне вверен Марсианской научной лаборатории (MSL — Mars Science Laboratory) — комплексу аппаратуры, установленной на мобильной платформе (ровере), именуемой Curiosity.
Задача марсохода — оценить вероятность того, что на планете были условия для существования хотя бы простейших форм жизни. Для этого на его борту есть целый комплекс аппаратуры для поиска в почве и скальных породах «кирпичиков жизни» — таких, например, как различные соединения на основе углерода.
Даже место посадки было выбрано не случайно. Curiosity приземлился практически у самого подножья горы, образующей стену кратера Гейла. Гигантский метеор, пробивший «дыру» в поверхности Марса около четырёх миллиардов лет назад, выбросил на поверхность планеты массу скальных пород. Удалённое исследование их состава показало наличие в местных почвах глины и сульфатов, образование которых возможно только при наличии ключевого компонента жизни — воды.
Посадочная зона имела форму эллипса с радиусами величиной 20 и 7 километров и располагалась у подножия скалы, окружающей кратер. Это означает, что аппарат выполняет отнюдь не лёгкую прогулку по гладкой поверхности. Научная миссия Curiosity заставит марсоход карабкаться по крутым склонам и преодолевать разнообразные препятствия. И все эти «телодвижения» придётся выполнять при температуре от нуля до минус девяносто градусов по Цельсию.
Автомобилисты, скорее всего, уже задали себе вопрос: какая же подвеска должна быть у этой машинки, размером и весом, кстати, напоминающей среднюю малолитражку? Ведь именно она и делает MSL по-настоящему мобильной платформой, и от её надежности зависит то, далеко ли уедет Curiosity. По условиям миссии, которая продлится около двух земных лет, роверу для обеспечения статистического разнообразия исследований придётся преодолеть расстояние более чем в двадцать километров.
Семейка марсоходов
Curiosity — это представитель третьего поколения марсианских роверов, и, конечно же, он унаследовал все лучшие технологические решения своих боевых предшественников. Его «дедушкой» можно считать первый марсианский ровер Sojourner, «приземлившийся» на Марсе в 1997 году в рамках программы Mars Pathfinder Project. Во время посадки крохотный аппарат длиной всего 65 см защищал кокон из надувных «подушек безопасности».
Отцы Curiosity — близнецы Spirit и Оpportunity, заброшенные на Красную планету в 2004 году в рамках миссии MER (Mars Exploration Rover), были в два с лишним раза крупнее Sojourner, но и они кажутся субтильными в сравнении со своим потомком-акселератом Curiosity, длина которого составляет целых три метра.
Несмотря на серьёзные различия массогабаритных показателей, всё семейство марсианских «джипов» объединяет прекрасно зарекомендовавшая себя архитектура шасси, включающего подвеску и колёсную базу. Именно они и являются тем хорошим, которое инженеры-проектировщики решили не менять на лучшее.
Подвеска Rocker-bogie
Проектированием ходовой части семейства марсоходов для NASA занимались инженеры Лаборатории реактивного движения (JPL — Jet Propulsion Laboratory) при Калифорнийском институте технологий.
" Ключевые слова проекта складываются в аббревиатуру MTM (Mechanical, Thermal and Mobility), обозначающую свойства платформы: лёгкий вес при значительной прочности, мощная теплоизоляция, спасающая чрезвычайно точную научную аппаратуру миссии от лютых марсианских морозов, и надёжная подвеска, позволяющая марсоходам преодолевать значительные препятствия.
Задача теплоизоляции внутренностей марсоходов была решена путём создания специального «кузова» с подогревом, именуемого WEB (Warm Electronic Box). И если Sojourner и MER в смысле сохранения тепла можно считать седанами, то Curiosity стоит отнести к классу кабриолетов. Специальная откидная крыша RED (Rover Equipment Deck) позволяет его аппаратуре подниматься над тёплым нутром, осматривая и ощупывая окрестности.
А вот тип подвески объединяет все три поколения марсоходов. Выбирая его, инженеры JPL рассматривали проекты колёсной базы наших «Луноходов», оригинальный подход, реализованный в так и не побывавшем на Марсе отечественном «Марсоходе», и даже многочисленные варианты шагающих механизмов.
Исследование вариантов подвесок проводилось с целью выбора оптимального механизма для движения по предполагаемой марсианской поверхности. В качестве требований к мобильным платформам миссий Mars Pathfinder и Mars Exploration Rover выдвигалась возможность преодоления препятствий величиной до двадцати сантиметров, движение под уклоном до сорока пяти градусов и выполнение таких манёвров, как разворот на месте и крутой поворот. Ну и, конечно же, платформа должна была препятствовать опрокидыванию дорогостоящих аппаратов.
Естественно, с решением подобных задач прекрасно справилась бы система активной (адаптивной) подвески, однако её применение увеличило бы число датчиков и приводов, которыми ровер и без того напичкан под завязку, а это, в свою очередь, повлияло бы и на надёжность шасси. Именно поэтому в качестве мобильной базы роверов была выбрана подвеска Rocker-bogie, запатентованная в 1989 году сотрудником JPL Дональдом Биклером (Donald Bickler).
Rocker-bogie является «вариацией на тему» двух давно используемых в транспорте видов пассивных рычажных подвесок: blocker-bogie и пантографической. Первую из них можно увидеть на железной дороге. На тележки blocker-bogie устанавливаются вагоны. Сдвоенная колёсная база грузовиков также покоится на подвеске blocker-bogie. В основе пантографической подвески лежит использование плеча-балансира (rocker), позволяющего транспортному средству плавно обходить препятствия.
Обе подвески обеспечивают высокую эффективность преодоления препятствий за счёт того, что на каждое колесо транспортного средства приходится равная нагрузка, то есть его вес постоянно перераспределяется между колёсами в диапазоне деформации подвески.
Сдвоенные кормовые средние колёса располагаются на тележке (bogie), а передние колёса, являющиеся поворотными, — на балансире (rocker), что обеспечивает баланс корпуса ровера, позволяя ему крениться или качаться вверх и вниз в зависимости от текущего положения всех шести колёс.
Когда корпус ровера, перемещаясь по скалистой поверхности, поднимется в одну сторону, тележки и балансиры Rocker-bogie автоматически заставят другую его сторону опуститься, выравнивая тем самым нагрузку на колёса.
При этом каждое из колёс подвески оборудовано собственным электродвигателем, для координации действий которых внутри марсохода развёрнута настоящая вычислительная сеть на основе промышленной шины данных CAN.
Программное обеспечение этой распределённой вычислительной системы постоянно отслеживает информацию от датчиков крена и поворота и направления подвески, гироскопа, а также системы сбора данных с поверхности. На основе собранных данных выбираются команды и их параметры для контроллеров требуемых двигателей и выполняется необходимый манёвр.
Прототипы
Применение подвески Rocker-bogie позволяет также уменьшить диаметр колёс, необходимый для преодоления одинаковых с подвеской pantograph препятствий.
Безусловно, Rocker-bogie в буквальном смысле «прошла» долгий путь от чертёжной доски до реальных марсианских миссий.
Первыми её «обуло» семейство тестовых земных вездеходов Rocky, разработанных инженерами JPL для исследования надёжности и проходимости Rocker-bogie по различным видам поверхности. В восьми вариантах Rocky последовательно улучшались свойства подвески, всё лучше адаптируя ходовые характеристики к суровым марсианским «тропинкам».
Однако эти требования были не единственными. Доставка первых роверов на Марс предполагала их плотную упаковку в спускаемом аппарате. И если для малыша Sojourner инженеры сумели разработать складывающийся вариант Rocker-bogie, то массивные солнечные батареи роверов Spirit и Opportunity представляли существенную проблему.
Без предварительного развёртывания солнечных батарей двигатели ровера на получили бы требуемой для движения энергии. А в развёрнутом виде они мешали складывающемуся механизму Rocker-bogie. Но разве бывают по-настоящему безвыходные ситуации?
Метаморфоза «бабочек» миссии MER
Итак, подвеска Rocker-bogie роверов миссии MER должна была уметь не только адаптироваться к условиям местности на Марсе, но и суметь распаковать себя из плотной укладки в посадочном модуле «под крышей» развёрнутых крыльев — солнечных батарей.
Решение этой задачи вылилось в создание складного варианта подвески Rocker-bogie и её тесного взаимодействия со специально разработанным «лифтом» RLM (Rover Lift Mechanism) — подъёмником, установленным в днище посадочного модуля.
Заднее плечо тележки bogie роверов миссии было сделано выдвижным, а балансир rocker стал настоящим произведением инженерного искусства. Он состоял из двух плеч, соединённых специальным сочленением Rocker Bridge Joint (RBJ) — своеобразным локтевым суставом, позволяющим подвеске плотно уложить балансиры с поворотными колёсами в ограниченном пространстве посадочного модуля. При этом передняя часть балансиров была оборудована специальным механизмом развёртывания RDA (Rocker Deployment Actuator), вращающим её, а следовательно, и прикреплённые к ней поворотные колёса.
Перевод роверов MER из «походного» положения в «боевое» выполнялся в четыре этапа. Вначале подъёмник RLM приподнимал ровер, удерживая его на кормовых и средних колёсах. Затем механизм RDA разворачивал rocker-плечи с поворотными колёсами так, чтобы не повредить нависающие над ними солнечные батареи. Сочленение RBJ распрямляло балансир и переводило его в рабочее состояние. И только после этого подъёмник опускался, передавая нагрузку на передние колёса ровера.
Чрезвычайно сложный механизм подвески Rocker-bogie потребовал не только остроты инженерного мышления, но и особых материалов. Если для ходовой части первенца Sojourner применялся алюминий, то подвеска Spirit и Opportunity была сделана из титана. Титан повышал стоимость конструкции, а наличие в механизме активных компонентов требовало компьютерного управления и вредило надёжности. Именно поэтому, планируя миссию MSL, инженеры отказались от упаковки Curiosity внутри посадочного модуля, сделав им сам ровер. В результате конструкция подвески Rocker-bogie претерпела изменения в сторону улучшения как ходовых качеств марсохода, так и надёжности и экономичности её механизма.
Curiosity. «Любопытный» кроссовер
Несмотря на внушительные размеры ровера Opportunity, инженеры лаборатории JPL не снабдили его складной подвеской. Впервые в истории марсоходов подвеска Rocker-bogie представляет собой конструкцию, достаточно жёсткую для непосредственного приземления на поверхность Марса. Спускаемый аппарат миссии MSL состоял из трёх частей: теплозащитного днища (Heatshield), оборудованной парашютом крышки (Backshell) и реактивного «небесного подъёмного крана» (Sky Crane), удерживающего ровер.
На высоте 20 метров от поверхности Марса Sky Crane освободил ровер и плавно опустил его на стропах к поверхности. Выполнив свою миссию, модуль Sky Crane удалился с места посадки, чтобы не путаться у ровера под колёсами.
Памятуя о проблемах с солнечным энергоснабжением, инженеры сделали основным источником питания Curiosity «атомную батарейку» — радиоизотопный термоэлектрический генератор. Её мощности хватает не только на то, чтобы запитывать научную аппаратуру и шасси ровера, но и для обогрева внутренностей аппарата.
Благодаря жёсткой конструкции подвески Rocker-bogie удалось увеличить диаметр колёс Curiosity до модных двадцати дюймов и повысить его клиренс до шестидесяти сантиметров. Кормовые колёса у нового ровера, в отличие от колёс его предшественников, также являются поворотными. Улучшение этих характеристик сказалось на проходимости ровера. В дополнение ко всему, алюминиевые колёса ровера оборудованы внушительными шипами. С таким арсеналом Curiosity без особых проблем способен преодолевать препятствия до семидесяти пяти сантиметров высотой, двигаться боком и карабкаться без опрокидывания в гору с уклоном до сорока пяти градусов (правда, программно это значение на всякий случай занижено до тридцати градусов).
А вот скоростные характеристики Curiosity — по земным меркам весьма скромные. Максимальная скорость ровера составляет всего девяносто метров в час. С учётом же реального ландшафта и конкретного направления его движения она не превышает тридцати метров в час. При этом навигационное программное обеспечение аппарата, доказавшее свою профпригодность в предыдущих марсианских миссиях, предварительно планирует очередное перемещение аппарата в пределах исследованной датчиками области радиусом пятьдесят метров. Предварительное планирование позволяет роверу избежать встречи с крупными, непреодолимыми для него препятствиями и выбрать обходные пути для достижения цели. Да уж, гонки на ховербайках из «Звёздных войн» пока остаются уделом фантастики! Неспешность и продуманность действий — вот реалии нынешних путешествий по далёким планетам.
Пока «малолитражка» Curiosity оставляет свои следы на «пыльных дорожках» предгорий марсианского кратера, инженеры JPL трудятся над его потомком — ровером следующей марсианской миссии. В сравнении с ним Curiosity будет выглядеть настоящим малышом, ведь размер очередного марсохода предполагается приблизить к размеру небольшого грузовика. К чему эта гигантомания? Целью очередной марсианской миссии будет исследование коры планеты, и новый ровер повезёт на себе специализированную буровую установку. Полученные образцы предполагается запаковать и отправить обратным рейсом на Землю.
Сейчас сложно сказать, какие инженерные решения предложат для нового марсохода инженеры JPL. Однако, думается, испытанные в реальных условиях Красной планеты механизмы найдут своё место в конструкции очередного ровера. И среди них наверняка окажется простая и надёжная подвеска Rocker-bogie, обеспечившая уверенные марсианские «шаги» не одному поколению марсоходов.
Евгений Лебеденко
