هلیکوپتر Ingenuity ناسا؛ اولین پرواز بشر در سیاره‌ای دیگر

هلیکوپتر Ingenuity ناسا، که به‌عنوان اولین وسیله نقلیه هوایی کنترل‌شده در سیاره‌ای دیگر شناخته می‌شود، نقطه عطفی در اکتشافات فضایی است. این ربات کوچک، که در سال 2021 همراه با مریخ‌نورد Perseverance به مریخ فرستاده شد، با انجام 72 پرواز موفق، توانایی پرواز در جو رقیق مریخ را اثبات کرد. با معرفی هلیکوپتر Ingenuity همراه سایت ابرار صنعتی بمانید.

معرفی هلیکوپتر Ingenuity

هلیکوپتر Ingenuity، با نام مستعار “Ginny”، یک پهپاد خودکار 1.8 کیلوگرمی است که توسط آزمایشگاه پیش‌رانش جت (JPL) ناسا طراحی و ساخته شد. این هلیکوپتر در سال 2021 به‌عنوان بخشی از مأموریت Mars 2020 همراه با مریخ‌نورد Perseverance به مریخ فرستاده شد و در 19 آوریل 2021 اولین پرواز کنترل‌شده در جو سیاره‌ای دیگر را انجام داد. Ingenuity با هدف آزمایش فناوری پرواز در جو رقیق مریخ (1% چگالی جو زمین) طراحی شد و از قطعاتی مانند فیبر کربن و باتری‌های لیتیوم-یون بهره می‌برد. این هلیکوپتر، که در ابتدا برای پنج پرواز آزمایشی برنامه‌ریزی شده بود، تا ژانویه 2024، 72 پرواز انجام داد و مسافت 17 کیلومتر را پیمود.

هدف از طراحی و پرتاب Ingenuity

هدف اصلی هلیکوپتر Ingenuity اثبات امکان پرواز کنترل‌شده و قدرتی در جو رقیق مریخ بود، که چگالی آن معادل 1% جو زمین در سطح دریاست. ناسا قصد داشت این فناوری را به‌عنوان پیش‌زمینه‌ای برای مأموریت‌های آینده، مانند استفاده از پهپادها برای شناسایی مسیر مریخ‌نوردها یا دسترسی به مناطق صعب‌العبور مانند صخره‌های یخی و دیواره‌های دهانه‌ها، آزمایش کند. Ingenuity همچنین برای ارزیابی عملکرد پهپادها در شرایط سخت مریخ، مانند دماهای پایین (-90 درجه سانتی‌گراد) و گردوغبار، طراحی شد. موفقیت این هلیکوپتر راه را برای طراحی وسایل نقلیه هوایی پیشرفته‌تر، مانند Mars Science Helicopter یا Dragonfly برای تیتان، هموار کرد.

اولین پرواز در جو سیاره‌ای دیگر

در 19 آوریل 2021، Ingenuity اولین پرواز کنترل‌شده در سیاره‌ای دیگر را انجام داد و لحظه‌ای تاریخی مشابه پرواز برادران رایت در سال 1903 خلق کرد. این پرواز 39.1 ثانیه طول کشید، طی آن هلیکوپتر تا ارتفاع 3 متر بالا رفت، معلق ماند و سپس فرود آمد. این دستاورد در دهانه Jezero، محل فرود Perseverance، ثبت شد و توسط دوربین‌های مریخ‌نورد ناسا مستندسازی شد. جو رقیق مریخ، که چگالی آن معادل ارتفاع 34000 متری در زمین است، پرواز را به چالش کشید، اما هلیکوپتر Ingenuity با پره‌های بزرگ و سرعت چرخش بالا (2500 دور در دقیقه) این مانع را پشت سر گذاشت. این پرواز اثبات کرد که فناوری‌های هوایی می‌توانند در اکتشافات سیاره‌ای نقش داشته باشند.

چالش‌های طراحی پره برای پرواز در مریخ

طراحی پره‌های Ingenuity برای جو رقیق مریخ چالش بزرگی بود. جو مریخ با چگالی 0.6% جو زمین، مولکول‌های کمی برای ایجاد نیروی بالابر (Lift) فراهم می‌کند. برای غلبه بر این مشکل، پره‌های فیبر کربنی Ingenuity با طول 1.2 متر و وزن تنها 56 گرم طراحی شدند که نسبت به پره‌های هلیکوپترهای زمینی ضخیم‌تر بودند تا لرزش را کاهش دهند. این پره‌ها با سرعت 2500 دور در دقیقه (10 برابر هلیکوپترهای زمینی) می‌چرخیدند تا نیروی کافی تولید کنند. آزمایش‌ها در محفظه خلأ JPL، که جو مریخ را شبیه‌سازی می‌کرد، نشان داد که پره‌ها باید سبک، محکم و مقاوم در برابر ارتعاش باشند. این طراحی امکان پرواز در گرانش 38% زمین را فراهم کرد.

ساختار و اجزای کلیدی هلیکوپتر

هلیکوپتر Ingenuity از اجزای سبک و مقاوم تشکیل شده است:

• بدنه: بدنه‌ای مکعبی با ابعاد 13.6×19.5×16.3 سانتی‌متر، ساخته‌شده از مواد کامپوزیتی برای کاهش وزن
• پره‌ها: دو جفت پره فیبر کربنی 1.2 متری که در جهت مخالف می‌چرخند
• پاها: چهار پایه فیبر کربنی برای فرود ایمن
• دوربین‌ها: یک دوربین ناوبری سیاه‌وسفید و یک دوربین رنگی با رزولوشن 4208×3120 پیکسل
• سیستم الکترونیکی: شامل پردازنده‌های Qualcomm و حسگرهای ناوبری

این هلیکوپتر، که در زیر Perseverance حمل شد، با هزینه 80 میلیون دلار ساخته شد و در برابر شرایط سخت مریخ، مانند دماهای پایین و گردوغبار، مقاوم بود.

موتور و سیستم تأمین انرژی Ingenuity

Ingenuity از یک موتور الکتریکی برای چرخاندن پره‌ها با سرعت 2500 دور در دقیقه استفاده می‌کرد. این موتور توسط باتری‌های لیتیوم-یون تغذیه می‌شد که از یک پنل خورشیدی 0.35 متری شارژ می‌شدند. پنل خورشیدی حدود 350 وات انرژی برای یک پرواز 90 ثانیه‌ای در هر روز مریخی (Sol) فراهم می‌کرد. باتری‌ها همچنین سیستم‌های گرمایشی را برای محافظت از الکترونیک در شب‌های سرد مریخ (تا -90 درجه سانتی‌گراد) فعال می‌کردند. آزمایش‌ها در زمین نشان داد که این سیستم می‌تواند انرژی کافی برای پروازهای کوتاه و حفظ عملکرد در شرایط مریخ تأمین کند. در پروازهای طولانی‌تر، مانند پرواز نهم، مدیریت انرژی برای پیمودن مسافت‌های بیشتر (704 متر) حیاتی بود.

پروازهای آزمایشی موفق در مریخ

هلیکوپتر Ingenuity در ابتدا برای پنج پرواز آزمایشی در 30 روز مریخی برنامه‌ریزی شده بود، اما تا ژانویه 2024، 72 پرواز انجام داد. این پروازها شامل 128.8 دقیقه پرواز، پیمودن 17 کیلومتر و رسیدن به ارتفاع 24 متر بود. پرواز نهم در جولای 2021، که مسافت 625 متری را در منطقه Séítah پیمود، توانایی Ingenuity در عبور از زمین‌های ناهموار را نشان داد. پروازهای بعدی به‌عنوان عملیات شناسایی برای Perseverance ادامه یافت و مسیرهای ایمن را برای مریخ‌نورد شناسایی کرد. موفقیت این پروازها، که در شرایط گردوغبار و دماهای پایین انجام شد، فراتر از انتظارات ناسا بود. در پرواز 72، آسیب به پره‌ها مأموریت را پایان داد.

ارتباط با مریخ‌نورد Perseverance

هلیکوپتر برای ارتباط با زمین به Perseverance وابسته بود، زیرا توان کافی برای ارتباط مستقیم با زمین نداشت. هلیکوپتر داده‌ها و تصاویر را از طریق لینک رادیویی کوتاه‌برد به Perseverance ارسال می‌کرد، که سپس آن‌ها را از طریق شبکه Deep Space Network ناسا به زمین منتقل می‌کرد. Perseverance در فاصله‌ای امن (حدود 100 متر) قرار داشت تا از برخورد جلوگیری شود، اما همچنان ارتباط را حفظ می‌کرد. در پرواز 71، قطع ارتباط موقت رخ داد، اما در 20 ژانویه 2024 ارتباط دوباره برقرار شد. این سیستم رله، که توسط دوربین‌ها و میکروفون‌های Perseverance پشتیبانی می‌شد، امکان مستندسازی پروازها را فراهم کرد.

ثبت داده‌های تصویری و ناوبری

Ingenuity مجهز به دو دوربین بود: یک دوربین ناوبری سیاه‌وسفید برای ردیابی زمین و یک دوربین رنگی با رزولوشن بالا برای ثبت تصاویر پانوراما. دوربین ناوبری با حسگرهای داخلی، سرعت و جهت حرکت را محاسبه می‌کرد، در حالی که دوربین رنگی تصاویری از ویژگی‌های زمین‌شناسی مانند دهانه‌ها و تپه‌های شنی ارائه می‌داد. این تصاویر، مانند تصاویر پرواز نهم از منطقه Séítah، به تیم علمی Perseverance کمک کرد تا مناطق موردنظر برای کاوش را شناسایی کنند. داده‌های ناوبری همچنین برای به‌روزرسانی نرم‌افزار و بهبود پرواز در زمین‌های ناهموار استفاده شد. این تصاویر از طریق Perseverance به زمین ارسال شدند.

فناوری استفاده‌شده در سیستم کنترل

سیستم کنترل Ingenuity کاملاً خودکار بود، زیرا تأخیر سیگنال (5 تا 20 دقیقه) کنترل بلادرنگ را غیرممکن می‌کرد. این سیستم از پردازنده Qualcomm Snapdragon و الگوریتم‌های ناوبری مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده می‌کرد. حسگرهای اینرسی و دوربین ناوبری داده‌های سرعت، جهت و ارتفاع را جمع‌آوری می‌کردند و نرم‌افزار به‌صورت خودکار مسیرها را تنظیم می‌کرد. به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری، مانند به‌روزرسانی قبل از پرواز 34، دقت ناوبری را در زمین‌های ناهموار بهبود بخشید. این فناوری، که در محفظه خلأ JPL آزمایش شد، امکان پروازهای ایمن و دقیق را در شرایط متغیر مریخ فراهم کرد.

نحوه حفظ دما در شب‌های مریخ

شب‌های مریخ با دمای -90 درجه سانتی‌گراد می‌توانستند الکترونیک Ingenuity را تخریب کنند. برای مقابله، هلیکوپتر از عایق‌های حرارتی و بخاری‌های الکتریکی استفاده می‌کرد که توسط باتری‌های لیتیوم-یون تغذیه می‌شدند. پنل خورشیدی باتری‌ها را در روز شارژ می‌کرد و انرژی کافی برای فعال نگه داشتن بخاری‌ها در شب فراهم می‌شد. این سیستم، که در آزمایش‌های شبیه‌سازی‌شده زمین آزمایش شد، امکان تحمل 1000 شب مریخی را فراهم کرد. طراحی سبک هلیکوپتر Ingenuity، با حداقل قطعات متحرک، مصرف انرژی را کاهش داد و از یخ‌زدگی جلوگیری کرد.

نحوه ارتباط با مرکز کنترل ناسا

Ingenuity به‌طور مستقیم با زمین ارتباط نداشت و از Perseverance به‌عنوان رله استفاده می‌کرد. هلیکوپتر داده‌ها را از طریق لینک رادیویی کوتاه‌برد به Perseverance ارسال می‌کرد، که سپس آن‌ها را از طریق آنتن‌های با بهره بالا به مدارگردهای مریخ (مانند MRO) و شبکه Deep Space Network ناسا منتقل می‌کرد. تأخیر سیگنال (5 تا 20 دقیقه) نیاز به برنامه‌ریزی دقیق پروازها داشت. دستورات از JPL به Perseverance ارسال می‌شد و سپس به Ingenuity منتقل می‌گردید. این سیستم، که در پروازهای اولیه آزمایش شد، حتی در شرایط قطع موقت (مانند پرواز 71) قابل اعتماد بود.

تحلیل مکانیزم بلند شدن در جو رقیق

بلند شدن در جو رقیق مریخ نیاز به طراحی خاصی داشت. پره‌های Ingenuity با سرعت 2500 دور در دقیقه می‌چرخیدند تا نیروی بالابر کافی در چگالی 0.6% جو زمین تولید کنند. این پره‌ها، که از فیبر کربن و هسته فومی ساخته شده بودند، زاویه حمله بهینه‌ای داشتند تا حداکثر نیرو را ایجاد کنند. گرانش مریخ (38% زمین) به کاهش وزن کمک کرد، اما جو رقیق همچنان چالش اصلی بود. آزمایش‌ها در محفظه خلأ JPL، که فشار و ترکیب جو مریخ را شبیه‌سازی می‌کرد، نشان داد که سرعت بالای پره‌ها و وزن کم (1.8 کیلوگرم) برای بلند شدن ضروری است.

تفاوت‌های اساسی با پهپادهای زمینی

Ingenuity با پهپادهای زمینی تفاوت‌های اساسی دارد. پهپادهای زمینی در جو متراکم (100 برابر مریخ) عمل می‌کنند و نیازی به پره‌های بزرگ یا سرعت چرخش بالا (معمولاً 500 دور در دقیقه) ندارند. Ingenuity با وزن 1.8 کیلوگرم و پره‌های 1.2 متری برای جو رقیق مریخ طراحی شد، در حالی که پهپادهای زمینی اغلب سنگین‌تر و مجهز به ابزارهای علمی هستند. Ingenuity کاملاً خودکار بود و به دلیل تأخیر سیگنال، برخلاف پهپادهای زمینی که گاهی کنترل بلادرنگ دارند، به‌صورت مستقل عمل می‌کرد. همچنین، Ingenuity در دماهای -90 درجه سانتی‌گراد و بدون پشتیبانی زمینی کار می‌کرد، برخلاف پهپادهای زمینی که در شرایط معتدل‌تر عمل می‌کنند.

دستاوردهای علمی تاکنون

گرچه Ingenuity ابزار علمی حمل نمی‌کرد، اما داده‌های مهندسی و تصاویر آن دستاوردهای علمی مهمی داشت. تصاویر هوایی با رزولوشن بالا از دهانه Jezero، مانند منطقه Séítah، به شناسایی ویژگی‌های زمین‌شناسی مانند دلتاهای باستانی کمک کرد. این تصاویر مسیرهای ایمن برای Perseverance را مشخص کردند و زمان مأموریت را کاهش دادند. Ingenuity همچنین داده‌هایی درباره رفتار جو مریخ، مانند باد و گردوغبار، ارائه داد که برای طراحی پهپادهای آینده مفید است. موفقیت 72 پرواز آن اثبات کرد که وسایل نقلیه هوایی می‌توانند مکمل مریخ‌نوردها باشند و راه را برای مأموریت‌هایی مانند Dragonfly باز کرد.

سوالات متداول

چگونه Ingenuity از یخ‌زدگی شبانه در امان ماند؟

هلیکوپتر Ingenuity برای تحمل شب‌های سرد مریخ (-90 درجه سانتی‌گراد) به عایق‌های حرارتی و بخاری‌های الکتریکی مجهز بود. باتری‌های لیتیوم-یون، که توسط پنل خورشیدی شارژ می‌شدند، انرژی بخاری‌ها را تأمین می‌کردند تا دمای قطعات الکترونیکی را بالای سطح بحرانی نگه دارند. طراحی کم‌مصرف Ingenuity، با حداقل قطعات متحرک، مصرف انرژی را کاهش داد. آزمایش‌ها در محفظه خلأ JPL نشان داد که این سیستم می‌تواند دماهای پایین را تحمل کند. در طول 1000 شب مریخی، Ingenuity حتی در زمستان مریخ، که دما به -130 درجه سانتی‌گراد می‌رسید، از یخ‌زدگی در امان ماند.

آیا هلیکوپتر Ingenuity جایگزین مریخ‌نوردها خواهد شد؟

هلیکوپتر جایگزین مریخ‌نوردها نمی‌شود، بلکه مکمل آن‌هاست. مریخ‌نوردها، مانند Perseverance، ابزارهای علمی پیشرفته‌ای مانند طیف‌سنج‌ها و مته‌ها دارند و می‌توانند نمونه‌برداری و تحلیل‌های پیچیده انجام دهند، در حالی که Ingenuity تنها دوربین حمل می‌کرد و برای شناسایی طراحی شده بود. هلیکوپترها می‌توانند مناطق صعب‌العبور را کاوش کنند و مسیرهای ایمن را برای مریخ‌نوردها مشخص کنند، اما ظرفیت حمل و عمر باتری محدود آن‌ها (90 ثانیه پرواز روزانه) جایگزینی مریخ‌نوردها را غیرممکن می‌کند. در آینده، پهپادهای بزرگ‌تر ممکن است نقش‌های بیشتری ایفا کنند، اما مریخ‌نوردها همچنان برای تحلیل‌های علمی عمیق ضروری‌اند.

آیا Ingenuity می‌تواند نمونه‌ها را جابجا کند؟

Ingenuity برای جابجایی نمونه‌ها طراحی نشده بود، زیرا وزن 1.8 کیلوگرمی و ظرفیت باتری محدود آن برای حمل بار اضافی کافی نبود. این هلیکوپتر به‌عنوان یک آزمایش فناوری برای پرواز ساخته شد و تنها دوربین‌های سبک حمل می‌کرد. بااین‌حال، موفقیت آن الهام‌بخش طراحی هلیکوپترهای پیشرفته‌تر، مانند Sample Recovery Helicopter (SRH) برای مأموریت Mars Sample Return، شد که می‌توانند نمونه‌های جمع‌آوری‌شده توسط Perseverance را حمل کنند. این هلیکوپترهای آینده بزرگ‌تر و مجهز به ابزارهای علمی خواهند بود، اما هلیکوپتر Ingenuity صرفاً برای اثبات پرواز طراحی شده بود و توانایی حمل نمونه نداشت.

منبع: ابرار صنعتی