داستان كاوشگر؛ چگونه نخستين هلي كوپتر فضايي ساخته شد؟
ناسا به‌عنوان بخشي از مأموريت بعدي‌اش به مريخ كه تا چند روز ديگر زمين را ترك مي‌كند، تلاش خواهد كرد دستاوردي بي‌سابقه را رقم بزند: به‌پرواز درآوردن هلي‌كوپتر در جو رقيق مريخ. اگر سازمان فضايي آمريكا اين هدف را محقق كند، هلي‌كوپتري كوچك به‌نام اينجنيوتي (Ingenuity: به‌معناي نبوغ)، مسيري تازه را براي كاوشگران رباتيك بعدي خواهد گشود تا از مريخ و ديگر جهان‌ها در منظومه‌ي شمسي، نماي ديده پرنده به‌دست آورند.
ميمي آنگ، مدير پروژه‌ي هلي‌كوپتر مريخي در آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا (JPL) كه بيش از ۶ سال است اين مسئوليت را برعهده دارد، پرواز اينجنيوتي در مريخ را به لحظه‌ي پرواز نخستين هواپيما به‌دست برادران رايت تشبيه مي‌كند.» پرواز در مريخ، تلاشي جزئي و بي‌اهميت نيست. در سطح مريخ، چگالي جو تنها يك‌صدم زمين است؛ از اين‌رو درآنجا هواي چنداني وجود ندارد تا به كمك آن بتوان نيروي ليفت (برآر) ايجاد كرد. هرچه گرانش كمتر باشد، (گرانش مريخ يك‌سوم زمين است)، در هوا ماندن راحت‌تر مي‌شود؛ اما برخاستن از روي سطح مريخ معادل پرواز در ارتفاع ۳۰ كيلومتري زمين است. هيچ هلي‌كوپتري تاكنون تا اين حد از زمين اوج نگرفته است و هواپيماهاي مسافربري نيز معمولا تنها تا كمتر از نصف اين ارتفاع پرواز مي‌كنند.
برخاستن از روي سطح مريخ معادل پرواز در ارتفاع ۳۰ كيلومتري زمين است
هلي‌كوپتر ناسا به‌همراه پرسويرنس (Perseverance)، پنجمين مريخ‌نورد رباتيك اين سازمان به سياره‌ي سرخ سفر مي‌كند. اين مأموريت كه قرار است در ۳۰ ژوئيه (۹ مرداد) پرتاب شود، پس از مدارگرد اماراتي اميد و مأموريت سه‌گانه‌ي تيا‌ن‌ون ۱ چين، سومين سفر مريخي در تابستان جاري خواهد بود. جيم برايدنستاين، مدير ناسا ماه گذشته در كنفرانسي مطبوعاتي با برجسته‌ساختن اهميت اينجنيوتي گفت «آنچه بيش از هرچيز من را به‌عنوان مدير ناسا هيجان‌زده كرده، آماده‌شدن براي تماشاي پرواز يك هلي‌كوپتر در جهاني ديگر است.»
متخصصان آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا در پاسادنا كاليفرنيا، در يك محفظه‌ي خلاء در حال كار روي هلي‌كوپتر مريخي هستند
تا سال ۱۹۹۷، تمام فضاپيماهاي ارسال‌شده به سطح مريخ، سطح‌نشين‌هاي ثابت بودند؛ اما در اين سال، مأموريت مارس پت‌فايندر (رهياب مريخ) دربردارنده‌ي وسيله‌اي بود كه براي ناسا انقلابي محسوب مي‌شد: رباتي چرخ‌دار به‌نام سوجرنر كه اندازه‌اي تقريبا برابر با يك كابينت فايل كوتاه داشت. به‌دنبال اين موفقيت، دو مريخ‌نورد هم‌اندازه با چرخ‌دستي به‌نام‌هاي اسپيريت و آپورچونيتي در سال ۲۰۰۴ به مريخ رسيدند و سپس كيوراسيتيِ تقريبا هم‌اندازه با خودرو، در سال ۲۰۱۲ روي سطح سياره‌ي سرخ قدم گذاشت.
براي يك كاوشگر رباتيك روي سياره‌اي ديگر، توانايي جابه‌جايي به اطراف مزيت بسيار بزرگي است. دانشمندان سياره‌شناس ديگر ناگزير نيستند به يك نقطه خيره بمانند. سطح‌نورد مي‌تواند درامتداد چشم‌انداز حركت و براي نگاه نزديك‌تر به سنگ‌هاي جذاب توقف كند. اين آزادي عمل، كليد دستيابي به درك كنوني از دوران اوليه‌ي شكل‌گيري مريخ بود؛ سياره‌اي كه اكنون سرد و خشك است، روزگاري مرطوب و دست‌كم داراي برخي محيط‌هايي بود كه بالقوه امكان ميزباني از حيات را داشتند.
اينجنيوتي اساسا همتاي هوايي سوجرنر محسوب مي‌شود و نمايشي از فناوري تازه‌اي است كه مي‌تواند به‌طور گسترده‌تر در مأموريت‌هاي آينده به‌كار رود. بدنه‌ي اينجنيوتي قدري بزرگ‌تر از توپي بيسبال با پايه‌هايي نازك است كه از آن بيرون زده‌اند. دو مجموعه پره هركدام با اندازه‌ي ۱/۲ متر در جهات مخالف يكديگر مي‌چرخند. هلي‌كوپتر مريخي تنها ۱/۸ كيلوگرم وزن و تقريبا ۴۵ متر ارتفاع دارد.
باب بالارام، مهندس ارشد هلي‌كوپتر، كار روي ايده‌ي هواگرد فضايي را در دهه‌ي ۱۹۹۰ به‌همراه برخي از همكاران آغاز كرد. او مي‌گويد «اين ايده واقعا كنار گذاشته نشد. ما برخي آزمايش‌هاي كوچك اجرا كرديم؛ اما سپس تا تقريبا ۶ – ۷ سال فاقد كارايي تلقي شد.» به‌گفته‌ي بالارام، بعدا چارلز الاچي، مدير آزمايشگاه پيش‌رانش جت به ايده علاقه‌مند شد و با فراهم‌كردن بودجه براي مطالعه‌ي بيشتر، روند تحقق آن را آغاز كرد.
پرواز نخستين هلي‌كوپتر فضايي، همانند حركت نخستين سطح‌نورد مريخي در سال ۱۹۹۷ براي ناسا انقلابي خواهد بود
انجام كاري بي‌سابقه مثل ساخت هلي‌كوپتر فضايي، چالشي مهندسي بود كه براي ميمي آنگ كه در ميانه‌ي سال ۲۰۱۴ به‌عنوان مدير پروژه به تيم محلق شد، جذاب به‌انديشه متخصصين آمد. خانم آنگ كه پيش از پيوستن به پروژه‌ي مريخ، نائب‌رئيس واحد سامانه‌ي خودران در آزمايشگاه پيش‌رانش جت بود، مي‌گويد «تقريبا ۲۰ سال پيش، [ساخت هلي‌كوپتر فضايي] واقعا به‌دليل رياضي امكان‌پذير نبود.» اما شماري از پيشرفت‌ها نظير كوچك‌سازي ابزارهاي الكترونيك، ساخت باتري‌هايي كه قادر به ذخيره‌ي انرژي بيشتر هستند و موادي كه مي‌توانند به شكل پره‌هاي سبك‌وزن دربيايند، درنهايت روياي پرواز دستگاهي در مريخ را به امكاني فناورانه تبديل كرده است.
از چپ: تدي زنيتوس، مهندس رباتيك در آزمايشگاه پيش‌رانش جت ناسا، ميمي آنگ، مدير پروژه‌ي هلي‌كوپتر مريخ و باب بالارام، مهندس ارشد پروژه درحال تماشاي تست پرواز
عملي‌ساختن ايده‌ي هلي‌كوپتر فضايي به سال‌ها آزمون و خطا احتياج داشت. تا انتهاي سال ۲۰۱۴ِ مهندسان نمونه‌ي آزمايشي كوچكي ساختند. اين هلي‌كوپتر كوچك در محفظه‌اي قرار گرفت كه با بيرون‌كشيدن تمام هواي داخل آن، چگالي جو مريخ را شبيه‌سازي كرده بود. ازآنجا كه مهندسان هنوز براي پرواز خودكار هلي‌كوپتر، نرم‌افزاري ننوشته بودند، عضوي از تيم تلاش كرد تا همانند فرد آماتوري كه پهپادي را به پرواز مي‌آورد، حركت هلي‌كوپتر را با دسته هدايت كند. هلي‌كوپتر با چرخش پره‌ها از روي زمين برخاست؛ اما بلافاصله از كنترل خارج شد. آن‌ها با وجود داشتن نيروي ليفت، قادر به كنترل هلي‌كوپتر نبودند.
با وجود نيروي ليفت، كنترلي دركار نبود
هاوارد گريپ، مهندس پروژه و مسئول فعاليت در زمينه‌ي آيروديناميك و دستيابي به پرواز كنترل‌شده مي‌گويد معلق‌ماندن نسخه‌ي آزمايشي هلي‌كوپتر در هوا، موفقيتي بود كه نشان داد مي‌توانيم واقعا از روي زمين بلند شويم. بااين‌حال مشخص بود كه براي درك چگونگي رفتار هلي‌كوپتر، هنوز كارهاي زيادي بايد اينجا روي زمين انجام شود. به‌گفته‌ي بالارام و گريپ، يك اشكال اين بود كه پره‌ها با چرخش در سرعت ۲ تا ۳ هزار دور در دقيقه، بالا و پايين مي‌رفتند. هواي چگال زمين با واردكردن فشار به پره‌ها، بالا و پايين‌رفتن آن‌ها را به‌حداقل مي‌رساند؛ اما در جو رقيق مريخ، اين جنب‌وجوش پره‌ها با ايجاد بي‌ثباتي، كنترل حركت هلي‌كوپتر را دشوار مي‌كند.
مهندسان به اين نتيجه رسيدند كه راهكار، سفت‌تر كردن جزئي پره‌ها است؛ اما اين كار موجب شد وزن آن‌ها قدري افزايش يابد. گريپ مي‌گويد «رسيدن به طراحي مناسب براي پره‌ها، يكي از بزرگ‌ترين معضلات در ابتداي راه بود.» درنهايت آن‌ها راه‌حل را يافتند. «بلندكردن اين پره‌ها واقعا حيرت‌انگيز است. اگر آن را در دستتان بگيريد، تصور مي‌كنيد قرار است جسمي سنگين را بلند كنيد؛ [درحالي‌كه] به سبكي هوا و درعين‌حال به‌شدت سفت است.
مهندسي ساخت هلي‌كوپتر شامل مجموعه‌اي از بده‌بستان‌هاي مورد نياز براي سازگاري با محدوديت‌هاي اندازه، وزن و توان باتري بود. گريپ درهمين‌حال توسعه‌ي الگوريتم‌هايي كامپيوتري را هدايت كرد كه قادر به راندن و تنظيم پرواز سريع هلي‌كوپتر باشند تا به‌طور خودكار به شرايط جوي متغير مريخ واكنش نشان دهند.
در مه ۲۰۱۶، نسخه‌ي آزمايشي بعدي آماده بود. هلي‌كوپتر در همان محفظه‌ي شبيه‌ساز جو سبك مريخ، از روي زمين برخاست، سپس به‌طور ثابت شناور ماند و به آرامي فرود آمد. براي نخستين‌بار، نسخه‌اي آزمايشي از يك هلي‌كوپتر تحت كنترل در شرايط شبيه‌سازي‌شده‌ي مريخ به‌پرواز درآمد؛ هرچند همچنان به منبع تعذيه‌ي خارجي و كامپيوتر متصل بود.
طراحي نهايي هلي‌كوپتر با باتري‌ها، پردازنده‌ي اسنپدراگون كوالكام كه همان نمونه‌ي به‌كاررفته در موبايل‌هاي همراه است، سامانه‌هاي ارتباطاتي و حسگرهاي يكپارچه در ژانويه‌ي ۲۰۱۸ آماده شد. به‌منظور شبيه‌سازي فشار گرانشي ضعيف‌تر مريخ، قرقره‌اي به سمت بالا كشيده شد تا بخشي از گرانش زمين را خنثي كند. چگالي هوا در محفظه دوباره كاهش يافت؛ اما اين‌بار به‌جاي باقي‌گذاشتن حجمي اندك از هواي زمين، قدري كربن دي‌اكسيد (ماده‌ي اصلي تشكيل‌دهنده‌ي هواي مريخ) به درون محفظه تزريق شد. در اين شرايط، هلي‌كوپتر برخاست و پرواز كرد.
هلي‌كوپتر در طول مدت ۳۰ روز پنج مرتبه پرواز خواهد كرد و حداكثر ۴/۵ متر اوج خواهد گرفت
۶ ماه بعد، ناسا با افزودن هلي‌كوپتر به پرسويرنس، مأموريت مريخ‌نورد بعدي خود موافقت كرد. اينجنيوتي اكنون به قسمت زيرين پرسويرنس متصل شده است و تا چند روز ديگر به‌همراه اين مريخ‌نورد، زمين را ترك خواهد كرد. درهمين‌حال، آنگ و تيمش اقداماتي را كه بايد هنگام رسيدن اينجنيوتي به مريخ انجام دهند، تمرين كرده‌اند. درحالي‌كه آزمايشگاه پيش‌رانش جت عمدتا به‌دليل دنياگيري ويروس كرونا تعطيل شده است، تمام كارها ازطريق تله‌كنفرانس و فعاليت اعضاي تيم از خانه
تقريبا دو ماه پس از آنكه پرسويرنس در ماه فوريه روي مريخ فرود آيد، آزمايش‌هاي اينجنيوتي آغاز خواهد شد. بدين منظور، مريخ‌نورد نقطه‌اي مسطح را پيدا و هلي‌كوپتر را را زمين رها خواهد كرد و سپس دست‌كم ۹۰ متر از از آن فاصله خواهد گرفت. به‌گفته‌ي آنگ «هلي‌كوپتر ديگر هرگز به مريخ‌نورد بازنمي‌گردد.»
هلي‌كوپتر در ماه آوريل در تاسيسات خدمات‌دهي محموله‌هاي پرخطر در مركز فضايي كندي روي مريخ‌نورد پرسويرنس نصب شد
درطول ۳۰ روز، هلي‌كوپتر پنج مرتبه پروز خواهد كرد و اغلب اين زمان را منتظر خواهد نشست تا پنل‌هاي خورشيدي، باتري‌ها را دوباره شارژ كنند. اينجنيوتي اول نزديك به چند ۱۰ سانتي‌متر بلند خواهد شد، حداكثر ۳۰ ثانيه معلق خواهد ماند و سپس فرود خواهد آمد. پروازهاي بعدي طولاني‌تر، مرتفع‌تر و با طي مسافت بيشتر انجام خواهد شد. اگر همه‌چيز طبق انتشار پيش برود، هلي‌كوپتر در پرواز پنجم تقريبا ۴/۵ متر اوج خواهد گرفت، نزديك به ۱۵۲ متر پرواز خواهد كرد و پس از يك دقيقه و نيم به محل اصلي خود بازخواهدگشت. اينجنيوتي دو دوربين دارد: يك نمونه‌ي رو به پايين و سياه و سفيد براي رديابي مداوم موقعيت آن و نمونه‌اي رنگي براي نماهاي مايل از چشم‌انداز.
وقتي پروازها انجام شوند، اينجنيوتي در محل فرود نهايي خود رها خواهد شد و پرسويرنس با دور شدن از آن، ماموريتش را ادامه خواهد داد. به‌گفته‌ي آنگ، با اصلاح فناوري مي‌توان به‌جاي هواگردي ۱/۸ كيلوگرمي، نمونه‌اي بزرگ‌تر با وزن حداكثر نزديك به ۱۴ كيلوگرم ساخت. اين مقدار ممكن است به‌اندازه‌اي كافي باشد تا چندين كيلوگرم دوربين و ديگر ابزارها را حمل كرد. ناسا هم‌اكنون قصد دارد نوعي بالگرد هسته‌اي به‌نام دراگون‌فلاي را به تيتان، بزرگ‌ترين قمر زحل ارسال كند. بااين‌حال، ازآنجا كه تيتان جوي ضخيم دارد، مهندسان براي پرواز در آن با چالش‌هاي فناورانه‌ي مشابه با مريخ مواجه نخواهند بود.
حتي اگر در آينده هلي‌كوپترهايي را روانه‌ي مريخ كنيم، آن‌ها تقريبا به‌طور قطع هرگز وسيله‌ي حمل‌ونقل پايداري براي جابه‌جايي فضانوردان در آنجا نخواهند بود. به‌گفته‌ي آنگ، نمي‌توان تصور كرد كه عملكرد هلي‌كوپترها تا جايي گسترش يابد كه همانند زمين، انسان‌ها نيز با آن پرواز كنند؛ زيرا مريخ صرفا جو كافي براي همراهي از سفر هوايي را ندارد.
ادامه دارد...
هم انديشي ها