Mars Hopper: що українські вчені пропонують НАСА

Відео http://www.bbc.com/ukrainian/science/2016/05/160519_marshopper_nasa_ko

20 травня закінчується голосування в конкурсі НАСА, до фіналу якого пройшла команда українських винахідників з проектом літака-"стрибунця" для дослідження полярних шапок Марса.

Якщо українці переможуть, це ще не означатиме, що Аерокосмічна агенція обов'язково втілить у життя їхній проект.

Попри це, співавтори розробки розповіли ВВС Україна, що налаштовані довести свій задум до кінця незалежно від результатів конкурсу.

Що таке Mars Hopper?

"Він використовує ресурс іншої планети для власних потреб, і взагалі якимось чином наближається до живої істоти", – розповідає інженер Олександр Буткалюк, співавтор розробки.

Mars Hopper – це прототип безпілотного автоматизованого літака, який живитиметься сухим льодом. Так називають заморожений вуглекислий газ, яким узимку щедро покриті полюси Марса

Передбачається, що апарат рухатиметься поверхнею Червоної планети затяжними стрибками, кожен з яких триватиме по кілька хвилин. Приземлившись на покриту кригою поверхню, літак зачерпне сухий лід, з якого отримає енергію для наступного стрибка.

Звідси й назва апарата, яка співзвучна з англійським словом grasshopper - коник-стрибунець.

Сам літак поки що існує лише в головах і комп'ютерах розробників.

Який вигляд він матиме?

Умови для польотів над поверхнею Марса зовсім інші, ніж на Землі. З одного боку, гравітація на цій планеті майже втричі слабша за земну, що полегшує політ. З іншого – густина атмосфери в сто разів нижча за щільність земного повітря, що, навпаки, вимагає додаткової енергії для літання.

Взявши до уваги марсіанські умови, українські винахідники порахували, що при вазі літака 200кг розмах його крил має бути 8,5 метра – це більше, ніж довжина маршрутки "Богдан". Швидкість польоту буде близько 360 км/год.

На кожному крилі літака будуть великі складані гвинти.

Наукові прилади зосередяться в носовій частині.

Знизу фюзеляжу буде одна велика лижа і дві менші шасі-пластини на крилах – для приземлення на кригу.

Апарат має бути створений з надлегких композитних матеріалів.

Майже всі технології, які будуть використані в цій розробці, присутні в Україні, кажуть автори ідеї. Винятком є лише система РІТЕГ, яка дозволить отримувати енергію із сухого льоду.

Поки що всі досліди і демонстрації вчені роблять з підручних матеріалів, таких як пластикові пляшки, сухий лід, який продається по 30 грн. за кілограм, пінопласт і двигун від шліфувальної машинки.

"У нас навіть свого гаража нема", - жартує інженер Буткалюк.

Як відбуватиметься стрибок?

Апарат злітатиме як реактивний літак, після чого на крилах розгортатимуться великі гвинти, які вестимуть машину далі, до верхньої точки польоту.

Потім гвинти складатимуться і "стрибунець" спускатиметься на посадку як планер.

Весь цей час на борту працюватиме наукове обладнання.

При приземленні знизу фюзеляжу відкривається забірник для льоду, який зачерпує крижане "пальне", одночасно гальмуючи апарат. Стоянка триватиме кілька годин – стільки часу потрібно, щоб добути з замерзлого діоксиду вуглецю тепло й електрику.

У цей час літак стоятиме нерухомо, зачепившись за кригу фіксаторами – щоб не здуло вітром.

Рівні майданчики для посадки обиратиме навігаційна система на борту Mars Hopper. Вона плануватиме польоти щонайменше на два цикли наперед.

Для кількох хвилин польоту потрібно близько 50 кг твердого вуглекислого газу. З них 30 кг піде на реактивний старт, а решту – на крутіння гвинтів і обслуговування електроніки й наукових апаратів.

Як добувають енергію з сухого льоду?

"Якби гіпотетично на Марсі була цивілізація, вони б першою освоїли енергію вуглекислого газу, так само як ми освоїли енергію води", - розповідає інженер Буткалюк.

Оскільки везти на Марс пальне з Землі дорого й неекономно, апарати, які працюють на цій планеті, такі як Curiosity, живляться за рахунок сонячних панелей і технології РІТЕГ – радіоізотопного термоелектричного генератора.

РІТЕГ, яким обладнають Mars Hopper, дозволяє отримувати тепло й електрику з замерзлого вуглекислого газу за рахунок природного розпаду радіоактивних ізотопів.

Ця технологія надійна й може працювати роками без втручання людини. Її мінус у тому, що вона дає слабку потужність і має низьку ефективність. Саме тому літакові буде потрібно так багато сухого льоду для кожного стрибка. Плюс такого підходу в тому, що замерзлого СО₂ на полюсах планети – як зірок на марсіанському небі.

Щоб отримати від РІТЕГ максимум віддачі, розробники вирішили зробити ставку не на електричну енергію, а на теплову, якої генератор може віддати значно більше, ніж електрики.

Коли рідкий СО₂ попадає в розріджену марсіанську атмосферу, він миттєво перетворюється на газ і створює потужну тягу, яка й дозволить апаратові різко стартувати, підскочивши з поверхні.

Але на цьому схожість з реактивним літаком закінчується. Використовувати реактивну тягу протягом усього польоту неефективно, бо так швидко витрачається пальне.

Тому, піднявшись на висоту кілька метрів, літак розправить гвинти, які обертатимуться завдяки двигунам, принцип роботи яких нагадуватиме старі парові машини.

"Тобто все це працює на енергії стисненого СО₂, такий собі олд-скул", - пояснює пан Буткалюк.

Всі закрилки і кермові механізми теж будуть рухатися не електрикою, а пневматикою.

Невелика кількість електричної енергії, яка зберігатиметься в акумуляторі, живитиме авіаційне й наукове обладнання.

Як доставити його на Марс?

За задумом, "стрибунець" зможе потрапити на Марс у тій самій капсулі й на тій самій ракеті "Атлас-5", яка доставляла туди зонд Curiosity.

Щоб поміститися в таку капсулу, літак повинен мати складану конструкцію.

"Наш "стрибун" стартує, долітає до Марса, входить в атмосферу, де розкривається капсула, він виходить з неї, розкладає стабілізатор і розгортає крила", - описує розвиток подій Олександр Буткалюк.

На борту в апарата буде запас скрапленого вуглекислого газу, щоб протестувати всі його системи.

Обравши майданчик для посадки, літак приземлиться, щоб почати свої мандри крижаною шапкою планети.

Що можна вивчати на полюсах Марса?

Mars Hopper зможе працювати на Червоній планеті лише взимку, коли полярні шапки покриті замерзлим вуглекислим газом. Цей період триває близько шести земних місяців. Решту часу, в марсіанське літо, сухий лід сходить з полюсів планети, оголюючи лід звичайний – тобто замерзлу воду, непридатну для живлення літака.

Винахідники припускають, що цей час "стрибунець" зможе просто перечекати, закріпившись на кризі.

Олександр Буткалюк показує, як отримують енергію з сухого льоду

Полюси Марса вивчені відносно погано. 1999 року НАСА відправила на південний полюс зонд Mars Polar Lander, який чомусь так і не вийшов на зв'язок.

Найближче до полюса підібралася місія Phoenix 2008 року. Тоді апарат приземлився в приполярній північній зоні.

Тож поки що шапки планети вивчали лише з космосу.

У цих зонах, пояснюють учені, відбувається інтенсивне геологічне життя Марса. Полярні шапки називають "великим пилотягом", який засмоктує пил з усієї планети.

"З усієї планети йде доставка в "лабораторію" різних матеріалів. І ми можемо зробити на цьому місці досить багато проб", - пояснює інженер Буткалюк.

Українські розробники, які називають свій літак "пересувною лабораторією", сподіваються, що апарат дозволить аналізувати атмосферу і вивчати пил з різних районів планети.

Що буде, якщо проект виграє конкурс?

Єдиним гарантованим наслідком перемоги в конкурсі стане те, що авторів розробки запросять до Космічного центру ім. Кеннеді в США, де вони зможуть побачити черговий космічний запуск.

НАСА не гарантує, що проект-переможець обов'язково буде втілений в життя.

"Самі НАСА дуже обережні. Вони не дають обіцянок, що запустять проект. Але нам це дійсно цікаво самим", - каже хімік Микола Денисенко.

Українські винахідники кажуть, що попри результат конкурсу, вони доведуть свою розробку до кінця.

Для цього вчені планують провести серію експериментів на Землі. Один з них передбачає, що прототип Mars Hopper піднімуть аеростатом на висоту 31000 м над землею, щоб випробувати, як він літатиме в умовах розрідженого повітря. На цій висоті густина повітря приблизно така ж, як щільність марсіанської атмосфери.

Про свою зацікавленість проектом уже заявило Державне космічне агентство України.

P.S. Український проект Mars Hopper отримав перше місце в номінації People's Choice Awards на всесвітньому конкурсі NASA SpaceApps Challenge. Про це повідомляє сайт NASA.