Как электромобили осваивают Марс

На Земле электромобили только борются за место на дороге. Зато в космосе они давно уже завоевали себе место под Солнцем и вокруг него. Речь не про Tesla Roadster, летающий где-то на орбите как символ достижений Илона Маска. Электрическим приводом уже полвека оснащены все колесные средства, которые земляне отправили на внеземные поверхности. Недавно путешествие по Красной планете начал марсоход Perseverance. Он стал пятым работающим марсоходом и седьмым прибывшим на Марс.

Валерий Чусов

В этом году исполнится 50 лет первым попыткам доставки на Марс транспортных средств. Тогда это было «время первых» – то есть нас. Основная задача советских самодвижущихся «Приборов оценки проходимости – Марс» (ПрОП-М) исчерпывающе описана в их названии. Поскольку о поверхности Красной планеты не было достоверных данных, эти 4,5-килограммовые беспилотники должны были передвигаться на полозьях, как шагающий экскаватор, так что для прибора не стали бы помехой ни песок, ни камни. Увы, спускаемый аппарат станции «Марс-2» разбился при жесткой посадке 27 ноября 1971 года. «Марс-3» успешно примарсился 2 декабря, но это все, что о нем известно: через 14,5 секунды сигнал от него пропал, предположительно из-за сильной пыльной бури. Лишь в 2013 году энтузиасты по фотографиям поверхности обнаружили «Марс-3» на дне кратера Птолемея.

Задать направление

Нынешний всплеск внимания к Марсу связан не только с развитием технологий, но и с тем, что в 2018 году расстояние между этой планетой и Землей в момент противостояния было минимальным, всего лишь 57,7 млн км, сейчас оно увеличивается, и в 2027-м минимальная дистанция будет более 100 млн км. Максимальная же превышает 400 млн километров!

Но даже при самом близком к Земле расстоянии это все равно чудовищно далеко, поэтому марсоходы должны быть автономными транспортными средствами – «беспилотность», кстати, еще один тренд нашего времени. Радиосигнал преодолевает 60 млн км за 3 минуты и 20 секунд, а 400 млн – за 22 минуты 13 секунд. Для сравнения: Луна находится ближе к Земле приблизительно в тысячу раз, радиосигнал до нее идет полторы секунды, так что советские луноходы управлялись операторами из ЦУПа.

Именно невозможность создать эффективную систему автономного управления стала причиной того, что работоспособный марсоход был создан лишь через 25 лет после первых попыток. Американский Sojourner отправился к Марсу 4 декабря 1996 года, прибыл на место 4 июля 1997 года и проработал до 27 сентября, намного дольше запланированного. Проехал он за это время чуть больше ста метров. Он и сам не очень большой – примерно 70 см в длину и массой около 11 кг. И максимальная скорость его равнялась 24 м в час, или 40 см в минуту. Стереокамера в передней части позволяла компьютеру на основе восьмиразрядного процессора с частотой 2 МГц и оперативной памятью 512 КБ – это примерно в две тысячи раз меньше, чем 4ГБ у современного недорогого ноутбука, – формировать трехмерные карты и прокладывать безопасный маршрут на дистанции от 0,5 до 2,0 м. Но без участия людей управление все-таки не обошлось, кто-то должен был задавать направление.

Spirit и Opportunity, прибывшие в разные районы Марса в 2004 году, имели одинаковую конструкцию и весили уже по 180 кг, то есть в 15 раз больше своего предшественника. Они были куда лучше оснащены для управления, что позволило увеличить максимальную скорость до 34 м/ч. Компьютеры на основе процессора с частотой 20 МГц работали уже с несколькими камерами с разными углами обзора и дальностью, чтобы создавать максимально полную картину. Сейчас по этому принципу строятся системы сбора информации систем безопасности для беспилотных автомобилей – и когда вы едете, например, в Mercedes-Benz S-Класс или беспилотнике «Яндекса», вы пользуетесь плодами покорения космоса.

Новейшие Curiosity и Perseverance еще больше, на Земле они весят примерно тонну – на Марсе масса та же, но вес в 2,7 раза меньше – и движутся еще быстрее, 144 и 152 м/ч соответственно.

Вы так настойчивы

В рамках американской программы «Марс-2020» 30 июля 2020 года с мыса Канаверал стартовала ракета Atlas V, которая унесла в небо марсоход Perseverance, что в переводе значит «Настойчивость». Полет продолжался более полугода, лишь 18 февраля 2021-го марсоход совершил мягкую посадку на Красную планету.

Как и все прежние американские марсоходы, он шестиколесный, подвеска состоит из двойного балансира: два задних колеса с каждой стороны на одной «тележке», на нее, в свою очередь, опирается коромысло, к которому прикреплено и переднее колесо. В каждом колесе свой электромотор. Еще как минимум два используются для привода управления передними и задними колесами – это уменьшает радиус поворота вплоть до того, что аппарат может разворачиваться на месте.

Подвеска рассчитана на устойчивое движение по уклонам до 45 градусов, как и у большинства земных внедорожников. Но поскольку поднимать упавший марсоход будет некому, система управления запрограммирована на выбор таких маршрутов, где нет уклонов более 30 градусов.

Традиционный источник питания в космосе – солнечные батареи. Они всегда использовались и на марсоходах. Атмосфера на Марсе есть, но не очень плотная – давление у поверхности примерно такое же, как на Земле на высоте 35 км, так что энергия Солнца не уходит на нагрев воздуха, но в то же время там есть ветры, которые сдувают песок и пыль с панелей. Благодаря этому Spirit проработал гораздо дольше, чем ожидалось. Но при создании марсоходов нового поколения решили не полагаться на удачу: и Curiosity с Perseverance получили в качестве источника энергии РИТЭГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Энергию он получает от распада изотопа плутония-238, мощность составляет 125 Вт, но к концу срока службы она должна упасть до 100. Запас в 4,8 кг «топлива» – по слухам, закупленного в России – обеспечит работу марсоходов в течение 14 лет.

4 марта Perseverance совершил свое первое путешествие: за 33 минуты проехал в общей сложности 6,4 м, включая поворот на 150 градусов. Это был тест-драйв для проверки привода. Перефразируя Нила Армстронга: «маленький шаг для марсохода, но гигантский скачок для беспилотной электромобильности».

ПрОП-М имел очень простую систему управления: столкнувшись с препятствием, он должен был отойти от него, чуть повернуть – насколько позволял движитель – и снова идти. Его ареал был ограничен длиной кабеля, связывавшего его со станцией, – 15 м. Насколько хорошо все это работало, никто и никогда уже не узнает.

Вопрос массы важен для любого космического аппарата – ведь сначала его надо оторвать от Земли, – поэтому детали подвески изготовлены из титановых труб. Конструкция подвески позволяет складывать марсоход для транспортировки в космической станции.

Perseverance имеет 23 камеры. Навигационная стереокамера – для обзора пути по направлению движения, шесть ищут потенциальные опасности, еще одна следит за отсеком для образцов, семь выполняют научные задачи, а еще семь помогали при спуске и посадке.