داستان کاوشگر؛ چگونه نخستین هلی کوپتر فضایی ساخته شد؟

ناسا به‌عنوان بخشی از مأموریت بعدی‌اش به مریخ که تا چند روز دیگر زمین را ترک می‌کند، تلاش خواهد کرد دستاوردی بی‌سابقه را رقم بزند: به‌پرواز درآوردن هلی‌کوپتر در جو رقیق مریخ. اگر سازمان فضایی آمریکا این هدف را محقق کند، هلی‌کوپتری کوچک به‌نام اینجنیوتی (Ingenuity: به‌معنای نبوغ)، مسیری تازه را برای کاوشگران رباتیک بعدی خواهد گشود تا از مریخ و دیگر جهان‌ها در منظومه‌ی شمسی، نمای دیده پرنده به‌دست آورند.

میمی آنگ، مدیر پروژه‌ی هلی‌کوپتر مریخی در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا (JPL) که بیش از ۶ سال است این مسئولیت را برعهده دارد، پرواز اینجنیوتی در مریخ را به لحظه‌ی پرواز نخستین هواپیما به‌دست برادران رایت تشبیه می‌کند.» پرواز در مریخ، تلاشی جزئی و بی‌اهمیت نیست. در سطح مریخ، چگالی جو تنها یک‌صدم زمین است؛ از این‌رو درآنجا هوای چندانی وجود ندارد تا به کمک آن بتوان نیروی لیفت (برآر) ایجاد کرد. هرچه گرانش کمتر باشد، (گرانش مریخ یک‌سوم زمین است)، در هوا ماندن راحت‌تر می‌شود؛ اما برخاستن از روی سطح مریخ معادل پرواز در ارتفاع ۳۰ کیلومتری زمین است. هیچ هلی‌کوپتری تاکنون تا این حد از زمین اوج نگرفته است و هواپیماهای مسافربری نیز معمولا تنها تا کمتر از نصف این ارتفاع پرواز می‌کنند.

متخصصان آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا در پاسادنا کالیفرنیا، در یک محفظه‌ی خلاء در حال کار روی هلی‌کوپتر مریخی هستند

تا سال ۱۹۹۷، تمام فضاپیماهای ارسال‌شده به سطح مریخ، سطح‌نشین‌های ثابت بودند؛ اما در این سال، مأموریت مارس پت‌فایندر (رهیاب مریخ) دربردارنده‌ی وسیله‌ای بود که برای ناسا انقلابی محسوب می‌شد: رباتی چرخ‌دار به‌نام سوجرنر که اندازه‌ای تقریبا برابر با یک کابینت فایل کوتاه داشت. به‌دنبال این موفقیت، دو مریخ‌نورد هم‌اندازه با چرخ‌دستی به‌نام‌های اسپیریت و آپورچونیتی در سال ۲۰۰۴ به مریخ رسیدند و سپس کیوراسیتیِ تقریبا هم‌اندازه با خودرو، در سال ۲۰۱۲ روی سطح سیاره‌ی سرخ قدم گذاشت.

برای یک کاوشگر رباتیک روی سیاره‌ای دیگر، توانایی جابه‌جایی به اطراف مزیت بسیار بزرگی است. دانشمندان سیاره‌شناس دیگر ناگزیر نیستند به یک نقطه خیره بمانند. سطح‌نورد می‌تواند درامتداد چشم‌انداز حرکت و برای نگاه نزدیک‌تر به سنگ‌های جذاب توقف کند. این آزادی عمل، کلید دستیابی به درک کنونی از دوران اولیه‌ی شکل‌گیری مریخ بود؛ سیاره‌ای که اکنون سرد و خشک است، روزگاری مرطوب و دست‌کم دارای برخی محیط‌هایی بود که بالقوه امکان میزبانی از حیات را داشتند.

اینجنیوتی اساسا همتای هوایی سوجرنر محسوب می‌شود و نمایشی از فناوری تازه‌ای است که می‌تواند به‌طور گسترده‌تر در مأموریت‌های آینده به‌کار رود. بدنه‌ی اینجنیوتی قدری بزرگ‌تر از توپی بیسبال با پایه‌هایی نازک است که از آن بیرون زده‌اند. دو مجموعه پره هرکدام با اندازه‌ی ۱/۲ متر در جهات مخالف یکدیگر می‌چرخند. هلی‌کوپتر مریخی تنها ۱/۸ کیلوگرم وزن و تقریبا ۴۵ متر ارتفاع دارد.

باب بالارام، مهندس ارشد هلی‌کوپتر، کار روی ایده‌ی هواگرد فضایی را در دهه‌ی ۱۹۹۰ به‌همراه برخی از همکاران آغاز کرد. او می‌گوید «این ایده واقعا کنار گذاشته نشد. ما برخی آزمایش‌های کوچک اجرا کردیم؛ اما سپس تا تقریبا ۶ – ۷ سال فاقد کارایی تلقی شد.» به‌گفته‌ی بالارام، بعدا چارلز الاچی، مدیر آزمایشگاه پیش‌رانش جت به ایده علاقه‌مند شد و با فراهم‌کردن بودجه برای مطالعه‌ی بیشتر، روند تحقق آن را آغاز کرد.

از چپ: تدی زنیتوس، مهندس رباتیک در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا، میمی آنگ، مدیر پروژه‌ی هلی‌کوپتر مریخ و باب بالارام، مهندس ارشد پروژه درحال تماشای تست پرواز

عملی‌ساختن ایده‌ی هلی‌کوپتر فضایی به سال‌ها آزمون و خطا احتیاج داشت. تا انتهای سال ۲۰۱۴ِ مهندسان نمونه‌ی آزمایشی کوچکی ساختند. این هلی‌کوپتر کوچک در محفظه‌ای قرار گرفت که با بیرون‌کشیدن تمام هوای داخل آن، چگالی جو مریخ را شبیه‌سازی کرده بود. ازآنجا که مهندسان هنوز برای پرواز خودکار هلی‌کوپتر، نرم‌افزاری ننوشته بودند، عضوی از تیم تلاش کرد تا همانند فرد آماتوری که پهپادی را به پرواز می‌آورد، حرکت هلی‌کوپتر را با دسته هدایت کند. هلی‌کوپتر با چرخش پره‌ها از روی زمین برخاست؛ اما بلافاصله از کنترل خارج شد. آن‌ها با وجود داشتن نیروی لیفت، قادر به کنترل هلی‌کوپتر نبودند.

با وجود نیروی لیفت، کنترلی درکار نبود

هاوارد گریپ، مهندس پروژه و مسئول فعالیت در زمینه‌ی آیرودینامیک و دستیابی به پرواز کنترل‌شده می‌گوید معلق‌ماندن نسخه‌ی آزمایشی هلی‌کوپتر در هوا، موفقیتی بود که نشان داد می‌توانیم واقعا از روی زمین بلند شویم. بااین‌حال مشخص بود که برای درک چگونگی رفتار هلی‌کوپتر، هنوز کارهای زیادی باید اینجا روی زمین انجام شود. به‌گفته‌ی بالارام و گریپ، یک مشکل این بود که پره‌ها با چرخش در سرعت ۲ تا ۳ هزار دور در دقیقه، بالا و پایین می‌رفتند. هوای چگال زمین با واردکردن فشار به پره‌ها، بالا و پایین‌رفتن آن‌ها را به‌حداقل می‌رساند؛ اما در جو رقیق مریخ، این جنب‌وجوش پره‌ها با ایجاد بی‌ثباتی، کنترل حرکت هلی‌کوپتر را دشوار می‌کند.

مهندسان به این نتیجه رسیدند که راهکار، سفت‌تر کردن جزئی پره‌ها است؛ اما این کار موجب شد وزن آن‌ها قدری افزایش یابد. گریپ می‌گوید «رسیدن به طراحی مناسب برای پره‌ها، یکی از بزرگ‌ترین معضلات در ابتدای راه بود.» درنهایت آن‌ها راه‌حل را یافتند. «بلندکردن این پره‌ها واقعا حیرت‌انگیز است. اگر آن را در دستتان بگیرید، تصور می‌کنید قرار است جسمی سنگین را بلند کنید؛ [درحالی‌که] به سبکی هوا و درعین‌حال به‌شدت سفت است.

مهندسی ساخت هلی‌کوپتر شامل مجموعه‌ای از بده‌بستان‌های مورد نیاز برای سازگاری با محدودیت‌های اندازه، وزن و توان باتری بود. گریپ درهمین‌حال توسعه‌ی الگوریتم‌هایی کامپیوتری را هدایت کرد که قادر به راندن و تنظیم پرواز سریع هلی‌کوپتر باشند تا به‌طور خودکار به شرایط جوی متغیر مریخ واکنش نشان دهند.

در مه ۲۰۱۶، نسخه‌ی آزمایشی بعدی آماده بود. هلی‌کوپتر در همان محفظه‌ی شبیه‌ساز جو سبک مریخ، از روی زمین برخاست، سپس به‌طور ثابت شناور ماند و به آرامی فرود آمد. برای نخستین‌بار، نسخه‌ای آزمایشی از یک هلی‌کوپتر تحت کنترل در شرایط شبیه‌سازی‌شده‌ی مریخ به‌پرواز درآمد؛ هرچند همچنان به منبع تعذیه‌ی خارجی و کامپیوتر متصل بود.

طراحی نهایی هلی‌کوپتر با باتری‌ها، پردازنده‌ی اسنپدراگون کوالکام که همان نمونه‌ی به‌کاررفته در گوشی‌های همراه است، سامانه‌های ارتباطاتی و حسگرهای یکپارچه در ژانویه‌ی ۲۰۱۸ آماده شد. به‌منظور شبیه‌سازی فشار گرانشی ضعیف‌تر مریخ، قرقره‌ای به سمت بالا کشیده شد تا بخشی از گرانش زمین را خنثی کند. چگالی هوا در محفظه دوباره کاهش یافت؛ اما این‌بار به‌جای باقی‌گذاشتن حجمی اندک از هوای زمین، قدری کربن دی‌اکسید (ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی هوای مریخ) به درون محفظه تزریق شد. در این شرایط، هلی‌کوپتر برخاست و پرواز کرد.

تقریبا دو ماه پس از آنکه پرسویرنس در ماه فوریه روی مریخ فرود آید، آزمایش‌های اینجنیوتی آغاز خواهد شد. بدین منظور، مریخ‌نورد نقطه‌ای مسطح را پیدا و هلی‌کوپتر را را زمین رها خواهد کرد و سپس دست‌کم ۹۰ متر از از آن فاصله خواهد گرفت. به‌گفته‌ی آنگ «هلی‌کوپتر دیگر هرگز به مریخ‌نورد بازنمی‌گردد.»

هلی‌کوپتر در ماه آوریل در تاسیسات خدمات‌دهی محموله‌های پرخطر در مرکز فضایی کندی روی مریخ‌نورد پرسویرنس نصب شد

درطول ۳۰ روز، هلی‌کوپتر پنج مرتبه پروز خواهد کرد و اغلب این زمان را منتظر خواهد نشست تا پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها را دوباره شارژ کنند. اینجنیوتی اول نزدیک به چند ۱۰ سانتی‌متر بلند خواهد شد، حداکثر ۳۰ ثانیه معلق خواهد ماند و سپس فرود خواهد آمد. پروازهای بعدی طولانی‌تر، مرتفع‌تر و با طی مسافت بیشتر انجام خواهد شد. اگر همه‌چیز طبق انتشار پیش برود، هلی‌کوپتر در پرواز پنجم تقریبا ۴/۵ متر اوج خواهد گرفت، نزدیک به ۱۵۲ متر پرواز خواهد کرد و پس از یک دقیقه و نیم به محل اصلی خود بازخواهدگشت. اینجنیوتی دو دوربین دارد: یک نمونه‌ی رو به پایین و سیاه و سفید برای ردیابی مداوم موقعیت آن و نمونه‌ای رنگی برای نماهای مایل از چشم‌انداز.

وقتی پروازها انجام شوند، اینجنیوتی در محل فرود نهایی خود رها خواهد شد و پرسویرنس با دور شدن از آن، ماموریتش را ادامه خواهد داد. به‌گفته‌ی آنگ، با اصلاح فناوری می‌توان به‌جای هواگردی ۱/۸ کیلوگرمی، نمونه‌ای بزرگ‌تر با وزن حداکثر نزدیک به ۱۴ کیلوگرم ساخت. این مقدار ممکن است به‌اندازه‌ای کافی باشد تا چندین کیلوگرم دوربین و دیگر ابزارها را حمل کرد. ناسا هم‌اکنون قصد دارد نوعی بالگرد هسته‌ای به‌نام دراگون‌فلای را به تیتان، بزرگ‌ترین قمر زحل ارسال کند. بااین‌حال، ازآنجا که تیتان جوی ضخیم دارد، مهندسان برای پرواز در آن با چالش‌های فناورانه‌ی مشابه با مریخ مواجه نخواهند بود.

حتی اگر در آینده هلی‌کوپترهایی را روانه‌ی مریخ کنیم، آن‌ها تقریبا به‌طور قطع هرگز وسیله‌ی حمل‌ونقل پایداری برای جابه‌جایی فضانوردان در آنجا نخواهند بود. به‌گفته‌ی آنگ، نمی‌توان تصور کرد که عملکرد هلی‌کوپترها تا جایی گسترش یابد که همانند زمین، انسان‌ها نیز با آن پرواز کنند؛ زیرا مریخ صرفا جو کافی برای پشتیبانی از سفر هوایی را ندارد.

ادامه دارد...