Dwanaście lat temu, NASA wylądował w swoim sześciokołowym laboratorium naukowym, korzystając z nowej, śmiałej technologii, która obniża łazik za pomocą automatycznego plecaka odrzutowego.
Opracowany ze względu na rozmiar i wagę Curiosity dźwig powietrzny umożliwiał precyzyjne lądowanie w miejscach cennych z naukowego punktu widzenia. Ten innowacyjny system, choć początkowo budził wątpliwości, okazał się niezbędny w misjach i może zostać zaadaptowany do stosowania na innych ciałach niebieskich.
Należąca do NASA misja łazika Curiosity obchodzi 12. rocznicę pobytu na Czerwonej Planecie, gdzie sześciokołowy naukowiec w dalszym ciągu dokonuje wielkich odkryć, wspinając się u podnóża marsjańskiej góry. Właśnie pomyślnie ląduję Mars to wyczyn, ale 5 sierpnia 2012 r. misja Curiosity poszła o kilka kroków dalej i wylądowała przy użyciu nowej, odważnej techniki: manewru dźwigu powietrznego.
Pionierska technika podniebnego żurawia
Nurkujący robotyczny plecak odrzutowy dostarczył Curiosity na miejsce lądowania i obniżył go na powierzchnię za pomocą nylonowych lin, następnie przeciął liny i odleciał, aby przeprowadzić kontrolowane awaryjne lądowanie bezpiecznie poza zasięgiem łazika.
Oczywiście wszystko to było poza zasięgiem wzroku zespołu inżynierów Curiosity, który pełnił funkcję kontroli misji w Jet Propulsion Laboratory NASA w południowej Kalifornii i czekał siedem bolesnych minut (zobacz wideo poniżej), zanim wybuchnął radością, gdy otrzymał sygnał, że statek łazik wylądował pomyślnie.
Manewr dźwigu powietrznego zrodził się z konieczności: Curiosity był zbyt duży i ciężki, aby wylądować, tak jak jego poprzednicy – zamknięty w poduszkach powietrznych, które odbijały się od powierzchni Marsa. Technika ta zwiększyła również precyzję, prowadząc do mniejszej elipsy lądowania (patrz obrazek poniżej).
Podczas lądowania Perseverance, najnowszego łazika marsjańskiego NASA w lutym 2021 r., technologia dźwigu powietrznego była jeszcze bardziej precyzyjna: dodanie czegoś, co nazywa się nawigacją względną terenu, umożliwiło łazikowi wielkości SUV-a bezpieczne wylądowanie w starożytne dno jeziora usiana skałami i kraterami.
Ewolucja lądowania na Marsie
JPL jest zaangażowany w lądowania NASA na Marsie od 1976 r., kiedy laboratorium współpracowało z należącym do tej agencji Centrum Badawczym Langley w Hampton w Wirginii nad dwoma stacjonarnymi lądownikami Viking, które wylądowały przy użyciu drogich silników opadających z przepustnicą.
Do lądowania w 1997 r Tropiciel Marsa misji JPL zaproponowało coś nowego: gdy lądownik zwisał ze spadochronu, wokół niego napełniała się grupa gigantycznych poduszek powietrznych. Następnie trzy rakiety wsteczne w połowie drogi między poduszkami powietrznymi a spadochronem zatrzymałyby statek kosmiczny nad powierzchnią, a statek kosmiczny otoczony poduszką powietrzną spadłby z wysokości około 66 stóp (20 metrów) na Marsa, odbijając się wiele razy – czasami nawet na wysokość 50 stóp (15 metrów) — przed zatrzymaniem się.
Działało tak dobrze, że NASA użyła tej samej techniki do lądowania łazików Spirit i Opportunity w 2004 roku. Jednak w tamtym czasie inżynierowie tylko w kilku miejscach na Marsie mieli pewność, że statek kosmiczny nie napotka elementu krajobrazu, który mógłby przebić poduszki powietrzne lub wyślij wiązkę w niekontrolowany sposób w dół.
„Ledwo znaleźliśmy na Marsie trzy miejsca, które moglibyśmy bezpiecznie rozważyć” – powiedział Al Chen z JPL, który odgrywał kluczowe role w zespołach wchodzących, opadających i lądujących w programach Curiosity i Perseverance.
Stało się również jasne, że poduszki powietrzne po prostu nie nadają się do zastosowania w łaziku tak dużym i ciężkim jak Curiosity. Jeśli NASA chciała wylądować większym statkiem kosmicznym w bardziej ekscytujących naukowo lokalizacjach, potrzebna była lepsza technologia.
Łazik na linie
Na początku 2000 roku inżynierowie zaczęli bawić się koncepcją „inteligentnego” systemu lądowania. Pojawiły się nowe rodzaje radarów zapewniających odczyty prędkości w czasie rzeczywistym – informacje, które mogą pomóc statkom kosmicznym kontrolować ich opadanie. Nowy typ silnika mógłby zostać wykorzystany do skierowania statku kosmicznego w określone miejsca lub nawet zapewnienia siły nośnej, kierując go z dala od zagrożenia. Manewr dźwigu powietrznego nabierał kształtów.
Rob Manning, pracownik JPL, pracował nad wstępną koncepcją w lutym 2000 roku i pamięta przyjęcie, jakie spotkało się z tym, jak ludzie zobaczyli, że plecak odrzutowy umieścił nad łazikiem, a nie pod nim.
„Ludzie byli tym zdezorientowani” – powiedział. „Zakładali, że napęd zawsze będzie pod tobą, jak w starym science fiction z rakietą lądującą na planecie”.
Zobacz, jak łazik NASA Perseverance ląduje na Marsie w 2021 r., wykonując ten sam manewr dźwigu powietrznego, który Curiosity wykorzystał w 2012 r. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Manning i współpracownicy chcieli zachować jak największą odległość między ziemią a silnikami odrzutowymi. Oprócz wzniecania gruzu silniki lądownika mogą wykopać dziurę, z której łazik nie byłby w stanie wyjechać. I chociaż w poprzednich misjach korzystano z lądownika, w którym znajdowały się łaziki i z wydłużoną rampą do stoczenia się w dół, umieszczenie silników sterowych nad łazikiem oznaczało, że jego koła mogły dotykać bezpośrednio powierzchni, skutecznie działając jak podwozie i oszczędzając dodatkowy ciężar związany z transportem wzdłuż platformy lądowania.
Inżynierowie nie byli jednak pewni, jak zawiesić duży łazik na linach, tak aby nie kołysał się w sposób niekontrolowany. Patrząc na to, jak problem został rozwiązany w przypadku ogromnych helikopterów transportowych na Ziemi (zwanych dźwigami podniebnymi), zdali sobie sprawę, że plecak odrzutowy Curiosity musi być w stanie wyczuć kołysanie i kontrolować je.
„Cała ta nowa technologia daje szansę na dotarcie we właściwe miejsce na powierzchni” – powiedział Chen.
A co najlepsze, koncepcję tę można zastosować w przypadku większych statków kosmicznych – nie tylko na Marsie, ale w innych miejscach Układu Słonecznego. „W przyszłości, jeśli będziesz potrzebować usługi dostarczania ładunku, będziesz mógł z łatwością wykorzystać tę architekturę, aby opuścić statek na powierzchnię Księżyca lub w inne miejsce, bez dotykania ziemi” – powiedział Manning.
Łazik Curiosity należący do NASA
Łazik Curiosity, oficjalnie znany jako Mars Science Laboratory (MSL), bada powierzchnię Marsa od czasu pomyślnego lądowania 6 sierpnia 2012 r. Łazik Curiosity wyposażony w zestaw instrumentów naukowych przeznaczonych do analizy skał, gleby i atmosfery Podstawową misją jest zbadanie klimatu i geologii planety oraz ocena, czy na Marsie mogło kiedykolwiek istnieć życie mikrobiologiczne. Do znaczących osiągnięć łazika należy odkrycie starożytnych przepływów wody, złożonych cząsteczek organicznych i wahań poziomu metanu w marsjańskiej atmosferze, co wskazuje na bardziej nadającą się do zamieszkania przeszłość planety. Trwająca podróż przez krater Gale nadal dostarcza bezcennych danych na temat historii środowiska Marsa i procesów naturalnych.
