Этот лунный самоходный аппарат (Lunar Roving Vehicle, LRV), на котором ездили астронавты, был разработан фирмой Boeing в 1969–1971 годах. На его конструирование было выделено $19 млн., но уложиться в эту сумму специалистам Boeing не удалось, и первая такая машина обошлась в $38 млн. При массе 209 кг LRV был способен перевозить двух астронавтов в скафандрах с ранцами PLSS массой 180 кг каждый и еще 130 кг груза. Системы ровера, в том числе четыре мотор-колеса, питались от двух серебряно-цинковых аккумуляторных батарей напряжением 36 В и емкостью 120 Ач. Максимальная дальность хода составляла 65 км. Все четыре колеса лунохода были ведущими. В сложенном виде луноход размещен в посадочной ступени лунной кабины. Занимаемый им объем не превышает 0,85 кубических метров.
В их ступицах располагался электромотор мощностью 0,25 л.с. и механический редуктор с передаточным отношением 80:1. Имелись также два независимых электромотора мощностью 0,1 л.с. – передний и задний – для поворота колес, они работали в паре с редуктором с передаточным отношением 257:1. Колеса были сплетены из оцинкованной рояльной проволоки и снабжены титановыми пластинками для улучшения сцепления и защиты от износа проволочного обода. Хотя луноход можно было разогнать до скорости 16 км/ч, в основном астронавты двигались медленнее – 9–10 км/ч. Слишком большая скорость превращала ровер в «необъезженного скакуна», пугающе встающего на дыбы при каждом ударе о незамеченную преграду. Управлялся луноход рычагом, расположенным между сидениями пилотов. Причем несмотря на то, что все астронавты страшно хотели порулить луноходом, до управления был допущен только командир экипажа. Всего было построено четыре летных образца роверов – три из них предназначались для миссий Аполло 15, 16 и 17, а еще один использовался как источник запасных частей после отмены планов следующих лунных миссий.
В ходе экспедиции «Аполлон-16» был установлен рекорд скорости передвижения по Луне - 18 км/ч.
Схема:
1 Остронаправленная антенна.
2 Телевизионная камера.
3 Малонаправленная антенна.
4 Пульт управления.
5 Кинокамера (16 мм).
6 Ручка управления.
7 Контейнеры для лунных образцов.
8 Оборудование и инструменты.
9 Колесо с ободом из проволоки.
10 Контейнеры под сиденьями.
11 Защита от пыли.
12 Приемопередающее оборудование для непосредственной связи с Землей.
Технические характеристики
Длина 3,1 м.
Ширина колеи 1,82 м.
Колесная база 2,3 м.
Диаметр колеса 81,3 см.
Клиренс 35,5 см. Радиус поворота 3,05 м.
Максимальная скорость около 18 км/ч.
Приведение в рабочее состояние лунохода
Сложенный лунный «джип» с электрическим двигателем хранится в перевернутом виде в посадочной ступени лунной кабины, откуда астронавт может извлечь его с помощью двух нейлоновых тросов.
Развертывание лунохода производится полуавтоматически.
1 Луноход извлекается из отсека посадочной ступени лунной кабины.
2 Откидывается задняя секция шасси и задние колеса фиксируются в рабочем положении.
3 Задние колеса опускаются на грунт, откидывается передняя секция шасси и передние колеса фиксируются в рабочем положении.
4 Астронавт опускает передние колеса на грунт. Теперь он может установить сиденья и подставки для ног.
Схемы взяты из книги «Космическая техника»
lunar roving vehicle , сокр. LRV ) - четырёхколёсный транспортный планетоход для передвижения людей по поверхности Луны , использовавшийся в ходе последних экспедиций программы «Аполлон» - «Аполлон-15 », «Аполлон-16 » и «Аполлон-17 » в начале 1970-х годов. Разработчик и генеральный подрядчик - Boeing.Представлял собой двухместный электромобиль на двух неперезаряжаемых батареях. Управление электромобилем поручалось командиру экипажа.
Преимущество
Лунный автомобиль значительно расширил доступную для астронавтов площадь лунной поверхности. Ранее астронавты могли перемещаться на Луне лишь пешком и, следовательно, только непосредственно вокруг места посадки из-за сковывавших их скафандров и других приборов жизнеобеспечения. На луноходе же астронавты могли передвигаться по Луне со скоростью до 13 км/ч. В ходе экспедиции «Аполлон-16» был установлен рекорд скорости передвижения по Луне - 18 км/ч. Общая длина пути, пройденного лунными автомобилями в экспедициях Аполлон-15, Аполлон−16 и Аполлон−17, составила соответственно 28, 27 и 36 км .
Конструкция
Лунный автомобиль был снабжён четырьмя ТЭДами постоянного тока Delco (каждое колесо луномобиля приводилось в действие индивидуальным ТЭДом) мощностью по 190 Вт каждый при оборотах до 10 тыс. оборот/мин. Передача крутящего момента осуществлялась через понижающий волновой редуктор 80:1, а также - двумя рулевыми двигателями (по одному для передних и задних колёс). Источник электроэнергии - две неперезаряжаемые серебряно-цинковые батареи напряжением 36 вольт и ёмкостью 121 А·ч каждая. Конструкцией предусматривалась возможность питания от батарей электромобиля устройства связи или телекамеры. Батареи и электроника были снабжены системой пассивного охлаждения.
Колёса луномобиля были разработаны компанией General Motors . Конструкция колеса включала алюминиевый диск и покрышку диаметром 810 мм и шириной 230 мм. Покрышка была выполнена из плетёной стальной проволоки (волокон) толщиной 0,84 мм с цинковым покрытием. Порядка 50 % площади покрышки занимал специальный титановый протектор для надёжного контакта с грунтом. Над колёсами располагались пылевые щитки.
Лунный автомобиль обладал массой в 210 кг и грузоподъёмностью в условиях лунной силы тяжести в 490 кг. Рама шасси длиной в 3 м с колёсной базой в 2,3 м была сварена из алюминиевых труб (алюминиевый сплав 2219).
Рама состояла из трёх частей, скреплённых шарнирами, благодаря чему она складывалась и во время полёта к Луне была закреплена снаружи, в отсеке 3 посадочной ступени в сложенном виде, занимая объём 0,85 м 3 . Машина опускалась на грунт двумя астронавтами с помощью блочно-тросовой системы, шасси и сиденья раскладывались и фиксировались .
Остронаправленная антенна хранилась в другом отсеке. Максимальная высота автомобиля составляла 1,1 м. Дорожный просвет при полной загрузке - 350 мм. Радиус разворота - около трёх метров .
Управление машиной осуществлялось T-образной рукояткой, расположенной между сиденьями:
- подача ручки вперёд - движение вперёд (назад - в режиме заднего хода);
- влево-вправо - поворот, соответственно, влево или вправо;
- назад - торможение;
- полностью назад - стояночный тормоз.
На ручке имелся переключатель направления хода (вперед/задний ход). Приборное оборудование было смонтировано на отдельном щитке и включало в себя следующие приборы: спидометр , указатель пройденного расстояния, азимут движения (курс), наклон, индикаторы запаса мощности батарей и температуры.
Скорость передвижения составляла около 8-10 км/ч, хотя на отдельных участках луномобиль мог разгоняться до 16 км/ч и даже, поставив рекорд, в 18 км/ч, что впрочем, создавало лишь проблемы, так как сила тяжести на Луне в 6 раз меньше таковой на Земле, и, несмотря на полную нагруженность лунного вездехода, его ощутимо подбрасывало на неровностях грунта.
Навигация обеспечивалась гирокомпасом и одометром . Кроме того, на приборной панели было смонтировано простое устройство для определения азимута движения по тени штыря-гномона . Учитывая крайне малую скорость движения Солнца по лунному небу, точность прибора получалась вполне удовлетворительная.
Лунный автомобиль был оборудован собственной системой радио- и телевизионной связи. Имелась остронаправленная сетчатая параболическая антенна для прямой связи с Землёй, также ненаправленная антенна. На борту были установлены цветная телекамера и 16-мм кинокамера, а также 70-мм фотокамера. Для них имелся и запас плёнок в кассетах.
Использование
Каждый луномобиль использовался для трёх поездок - по одной в каждый из трёх дней экспедиции.
Максимальное удаление луномобиля от лунного модуля ограничивалось ресурсами индивидуальных систем обеспечения астронавтов, которых должно было хватить для пешего возвращения к модулю в случае поломки луномобиля. После того как лунные автомобили и скафандры астронавтов продемонстрировали свою надежность, это ограничение было смягчено во время последней экспедиции (Аполлон-17), что позволило удалиться от лунного модуля на максимальное расстояние в 7,6 км.
В ходе эксплуатации LRV на Луне астронавты испытали ряд трудностей. Так, во время экспедиции Аполлон-16 при втором выходе на грунт (место - точка № 8) астронавт Янг случайно задел пылевой щиток луномобиля и оторвал его. Пыль, поднятая колёсами луномобиля, осыпала астронавтов, консоль управления и оборудование радиосвязи. Батареи стали нагреваться, и расход энергии превысил штатную норму. Ремонт, однако, не производился. Та же деталь была оторвана в ходе экспедиции Аполлон-17 (Юджин Сернан задел её ручкой геологического молотка). Астронавты закрепили её клейкой лентой, однако из-за пыли лента держалась плохо, и через час щиток был потерян окончательно. Луномобиль снова осыпал себя пылью. Было принято решение исправить поломку собственными силами. Астронавты сделали пылевой щиток из подручных материалов, используя карты местности, клейкую ленту и зажимы - фиксаторы осветителей, снятые с лунного модуля. Карты со следами эрозии от лунной пыли были возвращены на Землю и экспонируются в музее National Air and Space Museum.
Установленная на луномобиле цветная телевизионная камера с 6-кратным объективом-трансфокатором была оснащена электроприводом для поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях и изменения фокусного расстояния, благодаря чему ей могли управлять не только астронавты, но и оператор с Земли. Это значительно расширило возможности видеосъёмок и, в частности, позволило заснять старт лунного модуля с Луны. Для такой съёмки луномобиль заранее оставлялся в позиции на таком расстоянии от модуля, чтобы в поле зрения его телекамеры попадал он весь. Оператор на Земле, ориентируясь на телевизионную картинку с камеры, управлял её приводом, сопровождая взлёт модуля. Хотя время старта было известно с точностью до секунд, в силу заметно долгого прохождения сигнала по цепочке Луна-Земля-Луна оператору приходилось работать с упреждением по времени. Так, вертикальное панорамирование приходилось начинать, когда на телекартинке оператора модуль ещё стоял на грунте. Это затрудняло съёмку, вследствие чего в экспедициях Аполлон-15 и Аполлон-16 старты лунных модулей были засняты плохо. Однако в экспедиции Аполлон-17 старт лунного модуля был заснят удачно
Curiosity на Марсе. В жизни все, конечно, не так динамично
Месяц назад NASA с гордостью объявила, что за 11 лет и 2 месяца с момента посадки ровер Opportunity преодолел на Марсе марафонскую дистанцию – 42 км 195 м, развивая среднюю скорость 10,5 метров в сутки. Неделю назад поступило сообщение о новом рекорде. На этот раз отличился Curiosity, пройдя 10 км за неполных 3 года, то есть двигаясь с примерно той же скоростью. Впечатляющие достижения или не очень? Давайте посмотрим, с чего начинались и чего достигли внеземные транспортные средства за 45 лет развития.
ПРОШЛОЕ
«Луноход-1» (Луна, 1970–1971)
Один из макетов «Лунохода» в музее
Потерпев сокрушительное поражение в лунной гонке, руководство СССР сделало вид, что вообще не планировало посылать космонавтов на Луну (еще как планировало!) и декларировало упор на изучение Солнечной системы автоматическими аппаратами.
Предполагалось обогнать американцев хотя бы в отправке на Луну первого радиоуправляемого робота, но авария во время старта, случившаяся 19 февраля 1969 года, перечеркнула эти планы и уничтожила «Луноход-1А». А уже через полгода, 20 июня 1969 года Нил Армстронг стал первым человеком, ступившим на поверхность спутника Земли.
Пульт управления «Луноходом». Никаких штурвалов, повороты осуществлялись кнопками на консоли справа
К счастью, программу не забросили и «Луноход-1», официально аппарат 8ЕЛ № 203, коснулся поверхности спутника 17 ноября 1969 г. Задержка сигнала связи в системе Земля–Луна составляет всего 2 секунды, так что никаких особых проблем с телеуправлением не было, к небольшому лагу можно привыкнуть. Передвигаясь со скоростью до 2 км/ч «Луноход-1» проехал за 301 сутки 10 540 м. Стоит учесть, что передвигался ровер только в светлое время суток, делая время от времени остановки для подзарядки батарей, а на 14-дневную лунную ночь впадал в спячку. Температура внутри герметичного корпуса поддерживалась с помощью изотопного источника тепла, и когда он исчерпал свой ресурс, «Луноход-1» перестал выходить на связь.
Одна из панорам, снятых «Луноходом»
«Луноход» весил 756 кг (125 кг на Луне) и был размером с легковой автомобиль, 4,42×2,15× 1,92 м с раскрытой солнечной батареей. Среди прочего, робот искал на Луне место для посадки пилотируемого корабля, хотя надежды на возрождение данной программы были призрачные.
Согласно одной из легенд, 8 марта 1971 года операторы «Лунохода-1» в честь праздника дважды «нарисовали» на Луне цифру 8.
ПрОП-М (Марс, 1971)
Самоходный ящик на лыжах – Прибор оценки проходимости - Марс
Через год после «Лунохода» два самоходных аппарата отправились к Марсу в составе однотипных автоматических межпланетных станций «Марс-2» и «Марс-3». Спускаемые аппараты станций кроме научной аппаратуры несли и «роверы» ПрОП-М (Прибор оценки проходимости - Марс).
По сути это был управляемый по кабелю ящик с двумя подвижными лыжами. Манипулятор станции должен был поставить его на грунт в зоне видимости камер, а управление, в связи с задержкой сигнала, осуществлялось в полуавтоматическом режиме. Для обнаружения препятствий использовались два физических «щупа».
Единственное изображение, точней его часть, переданное «Марс-3». Ученые до сих пор спорят, где у него низ, где верх, и что, собственно, на нем изображено
К сожалению, ПрОП-М не удалось прогуляться по поверхности Марса. Спускаемый аппарат «Марс-2» вошел в атмосферу слишком круто, не успел затормозить и разбился о поверхность планеты. «Марс-3» повезло больше. Аппарат смог совершить мягкую посадку во время пылевой бури, полторы минуты готовился к сеансу связи и даже начал передачу первого изображения. Сигнал прервался через 14,5 секунд. Возобновить связь со спускаемым модулем не удалось. Понятное дело, до испытания ПрОП-М дело даже не дошло.
До недавних пор не было известно даже о существовании ПрОП-М в составе станций «Марс», в СССР не любили признаваться в своих неудачах.
Lunar Roving Vehicle (Луна, 1971–1972)
Один из самых дорогих автомобилей в истории человечества – LRV Apollo 17
Американцы не заморачивались с роботизированными роверами, зато послали на Луну первый внеземной автомобиль – Lunar Roving Vehicle (LRV), который СМИ быстро прозвали «лунным багги». LRV входил в состав миссий Apollo 15 (июль 1971), Apollo 16 (апрель 1972) и Apollo 17 (декабрь 1972).
Лунный багги возле спускаемого модуля Apollo 16
Астронавты накатали по Луне 27,8 км, 27,1 км и 35,74 км во время высадок Apollo 15, 16 и 17 соответственно. Причем если в первых двух миссиях им было запрещено сильно удалятся от посадочного модуля, то во время последней высадки астронавты уговорили ЦУП разрешить им более продолжительные поездки.
Экипаж Apollo 16 во время наземных тренировок, колеса лунного баги еще резиновые
Лунное багги могло перевозить двух астронавтов в скафандрах. LRV имело 4 ведущих колеса, каждое с собственным электродвигателем мощностью в 0,25 лошадиной силы, питаемых двумя серебряно-цинковыми аккумуляторами (очень дорогие батареи с высокой удельной энергоемкостью) по 121 Ач. Теоретически этого должно было хватить на 92 км пробега, но так много ни один из LRV не наездил. Поворот осуществлялся с помощью двух дополнительных моторов, причем задние и передние колеса поворачивались в разные стороны, что позволило добиться радиуса разворота всего 3 м. Вес лунного багги на Земле составлял 210 кг, а на Луне всего-то 35 кг.
LRV Apollo 15. Обратите внимание на пачку карт, закрепленных перед водителем. Навигаторов и планшетных ПК в 1971 году еще не было
Разработкой ровера занимались Boeing и General Motors. GM создала уникальные упругие колеса c алюминиевыми дисками и плетенной из оцинкованной стальной проволоки покрышками c титановыми полосами в качестве протекторов. Закрывали колеса пылевые щитки. Во время миссии Apollo 17 один из астронавтов случайно повредил крыло лунного багги, что создало серьезные проблемы во время движения, пассажиров буквально засыпало чрезвычайно прилипчивой лунной пылью. В итоге щиток-пыльник удалось заменить конструкцией из лунных карт, прикрепленной с помощью скотча!
То самое поврежденное крыло. С помощью скотча можно отремонтировать почти все
С помощью скотча можно починить все что угодно, даже лунный багги.
«Луноход-2» (Луна, 1973)
«Луноход-2», аппарат 8ЕЛ №204, имел такую же механическую конструкцию, как и его предшественник, улучшению подверглась телесистема и блок связи. Автоматическая межпланетная станция «Луна-21» с аппаратом на борту прилунилась 15 января 1973 г., всего в 172 км от места, где месяцем ранее сел Apollo 17. «Луноход-2» съехал с рампы и начал свою 4-х месячную миссию. Причиной окончания работ раньше графика стало попадание лунной пыли на поверхность солнечной батареи из-за ошибки в управлении и постепенное обесточивание ровера.
Аппарат поставил рекорд по дальности перемещения на внеземных телах, который продержался более 40 лет. Кстати, ехал «Луноход-2» по американским картам, полученным по неофициальным каналам. Споры о точной дальности пробега идут до сих пор. На основании данных о вращение колес луноход прошел 37 км, но в 2013 г., на основе изучения снимков аппарата LRO, российские ученые опротестовали эту цифру, заявив, что ровер проехал 42,1 км. В итоге, после обсуждения с американскими коллегами, сошлись на цифре 39 км. Рекорд «Лунохода-2» в прошлом году побил марсианский ровер Opportunity.
«Луноход-2» и станция «Луна-21» принадлежат известному разработчику игр и космическому туристу Ричарду «лорду Бритишу» Гэрриоту. Он приобрел внеземную собственность с аукциона в 1993 г. Оба аппарата так и остаются на Луне. Кстати, Ричард – астронавт во втором поколении. Его отец, Оуэн Гэрриотт, в 1973 году, сразу после завершения миссии «Лунохода-2», провел 58 дней на орбитальной станции «Скайлэб», установив рекорд пребывания в космосе. Второй раз Гэрриотт-старший побывал в космосе уже на шаттле «Колумбия» в 1983 г.
«Луноход-2» и станция «Луна-21» принадлежат известному разработчику игр и космическому туристу Ричарду «лорду Бритишу» Гэрриоту.
Интересно, что существовал и полностью завершенный «Луноход-3» (8ЕЛ №205), причем более совершенный, чем первые модели. Его запуск был намечен на 1977-78 гг. К сожалению, лунная гонка к тому моменту потеряла смысл, свободных носителей не оставалось (в СССР активно запускали спутники-шпионы) и программа была закрыта.
Sojourner (Марс, 1997)
Марсоход Sojourner впервые «ступает» на поверхность Марса
Более чем 20-летний мертвый период в истории внеземных роверов закончился в 1997 году. Началась марсианская гонка, правда кроме NASA к ней пока никто не присоединился.
Миниатюрный марсоход Sojourner стал частью автоматической космической станции Mars Pathfinder, запущенной к Красной планете в декабре 1996 г. Аппарат размером с крупную радиоуправляемую машинку весил всего 11,5 кг (около 4 кг на Марсе) и не должен был удаляться от базовой станции Pathfinder далее 500 м. За время миссии, длившейся 83 марсианских дня вместо 30 запланированных, малыш прошел всего 100 м.
Sojourner еще на Земле, обратите внимание на «шипованную резину»
Всю верхнюю панель марсохода занимала солнечная батарея, вырабатывающая около 15 Вт энергии. Компьютер Sojourner был построен на базе процессора Intel 80C85 с тактовой частотой 2 МГц. Эта усовершенствованная версия чипа Intel 8080, представленного еще в 1976 году, за 20 лет до запуска Pathfinder! Компьютер содержал четыре типа памяти: 64 КБ оперативки, 16 КБ устойчивой к радиации постоянной памяти, 176 КБ перезаписываемой памяти и SSD на 512 КБ. Две фронтальные камеры марсохода имели разрешение 768×484 пикселя, что позволило создавать вполне приличные панорамы на основе серии снимков.
На этом снимке Sojourner хорошо виден спускаемый аппарат Pathfinder
Несмотря на наличие компьютера, управление ровером осуществлялось с Земли. Специальный софт Rover Control Software запускался на рабочих станциях Silicon Graphics Onyx2, а команды можно было отдавать с помощью графического интерфейса. Окружающую местность операторы изучали в 3D-очках, изображение на которых формировалось с камер посадочного модуля.
Sojourner засветился в нескольких фантастических произведениях. В фильме «Красная планета» (2000) застрявший на Марсе герой Вэла Килмера находит марсоход и спускаемый аппарат и собирает из их компонентов простейшей радиопередатчик для связи с орбитальным модулем. Герой романа Энди Уира «Марсианин» (2014) также использует запчасти первого марсохода для связи с Землей.
Planetary Undersurface Tool (Марс, 2003)
PLUTO (металлическая «ручка» на веревочке) рядом с Beagle 2
Необычный «планетоход» входил в состав британского космического аппарата Beagle 2. Planetary Undersurface Tool, или PLUTO, должен был стать первым подземным, точней подмарсным «ровером». Небольшой механизм с пружинным приводом мог перемещаться со скоростью 20 мм/с и зарываться в грунт для сбора образцов. К сожалению, 25 декабря 2003 г. после посадки на Марс, солнечные батареи Beagle 2 не раскрылись полностью и на связь зонд не вышел.
Spirit (Марс, 2004–2010)
Spirit на Марсе. Изображение ровера добавлено на фото искусственно
Программа NASA Mars Exploration Rover Mission (MER) включала отправку на Марс двух более крупных и совершенных чем Sojourner роверов. MER-A Spirit и MER-B Opportunity стартовали к Красной планете 10 июня и 7 июля 2003 года соответственно. Их ждала совершенно разная судьба.
С самого начала роверы отличались характерами и вели себя по-разному. Spirit конструировался и собирался первым, и все возникающие в процессе разработки проблемы по умолчанию доставались ему. В Opportunity же применялись уже найденные и обкатанные на первенце решения.
Упаковка Spirit перед запуском. Солнечные панели собраны, колеса поджаты
Шестиколесные MER были крупней предшественника. Высота роверов с выносной мачтой для камер составляла 1,5 м, ширина 2,3 м и длина 1,6 м, при этом вес марсоходов на Земле был равен 185 кг – 64 кг на Марсе.
Солнечные панели, в разложенном состоянии напоминающие надкрылья большого жука, в начале миссии выдавали 140 Вт энергии и заряжали две литий-ионные батареи ровера. Запыление панелей существенно снизило их мощность, кроме того, аккумуляторы, время работы которых более чем в 20 раз превысило расчетное, успели деградировать.
Spirit покинул посадочную платформу 18 января 2004 г.
В отличие от Sojourner компьютер MER может принимать навигационные решения самостоятельно, ориентируясь на базовые указания с Земли. Система работает под управлением ОС VxWorks от Wind River, дочерной компанией Intel. VxWorks, разрабатываемая с 1987 г., используется во встраиваемых системах в космической и авиационной технике, автомобилях, сетевом оборудовании, индустриальных роботах, медицинских приборах и т.д. Несмотря на тесную связь Wind River и Intel, компьютеры марсианских роверов второго поколения построены на базе специальных чипов IBM RAD6000 (на текущий момент производятся BAE Systems) с защитой от космической радиации. Стоимость одного такого чипа составляет $200-300 тыс. при максимальной тактовой частоте 33 МГц.
Стоимость одного чипа IBM RAD6000 для бортового компьютера марсохода составляет $200-300 тыс.
Компьютеры Spirit и Opportunity еще скромней. В них используется процессор BAE RAD6000 с частотой 20 МГц. Система оснащена 128 МБ RAM, 256 МБ флеш-памяти и 3 МБ энергонезависимой памяти EEPROM. В связи с задержкой сигнала в системе Земля–Марс (от 8 до 42 минут) и из-за того, что прямые сеансы связи с ровером возможны лишь несколько раз в день, команды на перемещение передаются раз в сутки. Автономное ПО осуществляет выбор направления движения на базе 15-40 тыс. точек, считываемых с 3D-снимков, полученных стереокамерами марсохода.
Заход Солнца на Марсе, 2005 г.
Spirit стал первым межпланетным аппаратом, которому дистанционно обновляли программное обеспечение. Первый сбой работы компьютера произошел буквально на 18 день работы – марсоход ушел в циклическую перезагрузку и не отвечал на команды с Земли. Виновато оказалось ПО управления флеш-памятью. Проблемные файлы удалили дистанционно, файловую систему переформатировали.
Следующее несчастье настигло Spirit в 2006 году. У ровера начались проблемы с правым передним колесом, которое в конечном итоге перестало вращаться. В итоге ПО марсохода было модифицировано так, что теперь Spirit ехал задом наперед, волоча за собой нерабочее колесо.
Запыление солнечных панелей Spirit привело к недостатку энергии. 2007 г
В 2007 году марсоход получил обновление ПО «по космосу». Роверу предоставили больше самостоятельности в принятии решений, в том числе в фотографировании местности и управлении манипулятором, это значительно ускорило исследовательскую работу. Кстати, поломанное колесо тоже помогло ученным. Волочась за Spirit, оно соскребало верхний слой почвы, обнажая интересные отложения.
Пылевой вихрь на Марсе. Во-первых, это красиво. Во-вторых, он очистил солнечные панели ровера от пыли
Планировалось, что Spirit и Opportunity проработают на Марсе 90 дней, но оба аппарата более чем в 20 раз превысили расчетный срок службы. Spirit функционировал 2269 суток (2208 марсианских дней), последние 325 суток в качестве неподвижной научной станции. Ровер застрял в песке, и, хотя это было уже не первое подобное происшествие в ходе миссии, в этот раз высвободить его не удалось. Причем застрял Spirit под неправильным углом к солнцу и батареи стали вырабатывать энергии меньше, чем требовалось. В итоге аппарат был обесточен и замерз. Одометр Spirit намотал с начала миссии 7730 м.
НАСТОЯЩИЕ
Opportunity (Марс, 2004–)
Opportunity на Марсе, 3D-графика
К полностью идентичному Spirit роверу Opportunity Марс был благосклонней. Аппарат проработал уже более 11 лет, накатал 42 км, установив рекорды и длительности пребывания на другой планете, и дальности перемещения на внеземном небесном теле.
Путешествие Opportunity началось с падения в небольшой кратер, который даже не заметили на орбитальных снимках. Дело в том, что при приземлении (примарсении) MER некоторое время прыгает по поверхности Марса в коконе из специальных амортизирующих подушек, так что он просто запрыгнул в кратер.
За свое долгое путешествие Opportunity несколько раз занимался рытьем траншей на Марсе. Т.к. соответствующего инструмента у него нет, делать это приходилось с помощью колеса, заблокировав остальные. Спускался в глубокие кратеры без надежды выбраться. Исследовал первый метеорит на поверхности иного небесного тела. Застревал в дюнах, 40 дней выбираясь в прямом смысле слова по сантиметру. Попадал в пылевые бури теряя энергию. Но во всех случаях выходил победителем.
Наземное тестирование MER на различных типах грунта
В 2005 г. марсоход получил обновление ПО, фиксирующие прокрутку колес и блокирующие их в случае опасности застрять.
Одной из серьезных поломок Opportunity стал отказ одного из двигателей манипулятора в 2008 г., хотя проблемы с механической рукой начались уже на второй день миссии еще в 2004 г. Чтобы избежать заклинивания его в нерабочем положении, ученые решили перемещать ровер с развернутым манипулятором, что увеличивало риск его поломки. Как и Spirit, с этого момента Opportunity двигается задом наперед.
В 2014 г. ровер постигли проблемы с флеш-памятью, аналогичные тем, что были в свое время у Spirit. Несколько перезагрузок бортового компьютера привели марсоход в порядок. В 2015 году проблема с памятью вернулась, было проведено ее форматирование.
Крупный кратер Индевор, объект изучения Opportunity на протяжении последних лет
На текущий момент Opportunity продолжает свою миссию, хотя часть его научных приборов уже не функционирует, один обогреватель вышел из строя, солнечные панели выдают намного меньше энергии, чем в начале миссии, а аккумуляторы хуже держат заряд.
Spirit и Opportunity имеют один на двоих твиттер-аккаунт . Кроме того, за ходом миссии можно наблюдать на официальной страничке NASA или на специальном сайте , посвященном исследованиям Марса.
Curiosity (Марс, 2013–)
Лучшее в мире селфи. Curiosity делает фотографии самого себя для того, чтобы ученые могли оценить состояние ровера
Curiosity, или Mars Science Laboratory, - самый совершенный на сегодня внеземной ровер. При его конструировании был учтен опыт MER, и именно его платформа станет основой для следующих роботизированных миссий на Марсе.
На Земле Curiosity весит почти 900 кг (342 кг на Марсе) и имеет габариты 2,9×2,7×2,2 м, что даже больше, чем у «Луноходов». Используется все та же шестиколесная схема, с независимыми двигателями всех колес. При этом две пары осей – управляемые, что позволяет роверу разворачиваться на месте. В отличие от MER и Sojourner, питается марсоход не от солнечных батарей, а от радиоизотопного термоэлектрического генератора на плутонии-238. В начале миссии РИТЭГ выдавал 125 Вт, через 14 лет его мощность незначительно упадет, до 100 Вт. Плюс такого решения – возможность передвигаться ночью, не зависеть от угла наклона ровера, запыленности воздуха и солнечных панелей.
Последняя стадия посадки. «Небесный кран» опускает Curiosity на поверхность Марса
Бортовой компьютер Curiosity построен на базе чипа BAE RAD750, наследника того самого RAD6000, который использовался в роверах MER. Защищенный от радиации RAD750 – это предназначенная для работы в экстремальных условиях версия процессора IBM PowerPC 750, того самого, на базе которого создавали все компьютеры Apple после возвращения в компанию Стива Джобса в 1998 г. На PowerPC 750 строились оригинальный iMac, PowerBook G3, iBooks, Power Macintosh. Правда, стоимость RAD750 на два порядка выше, чем у коммерческих процессоров – около $200 тыс. за штуку.
У Curiosity два компьютера, основной и резервный. Оба оснащены процессорами BAE RAD750 с частотой 132 МГц, 256 МБ RAM, 2 ГБ флеш-памяти и 256 КБ EEPROM. Управляет системой все та же ОС VxWorks от Wind River. Во время миссии ученым пришлось переключить работу ровера на резервный ПК, неполадки в основной системе уже ликвидировали.
Панорама в честь пробега 10 км
С учетом результатов, показанных предыдущими роверами, ученые распланировали миссию Curiosity на 687 дней. На текущий момент идут уже 992 сутки пребывания аппарата на Марсе, а его пробег составляет 10 км, но на нескольких титановых колесах марсохода уже появились серьезные повреждения.
Если исходить из того, что братьев по разуму у нас нет, этот транспорт можно считать самым надежным во всей Вселенной. Американцы не в счет: они дважды ремонтировали свой "Лунный ровер" прямо на Луне. Наш "Луноход", сломайся он в "рейсе", ремонтировать было бы некому – экипаж находился от него за 400 тыс. километров…
Шасси для беспилотника
В освоении иных планет мы, как это бывало не раз, тоже пошли своим путем. Вместо человека СССР решил послать на соседнюю планету робота-исследователя.
Чтобы он смог делать всё то же, что и живой космонавт, ему было необходимо транспортное средство. Ключевой проблемой было шасси, и решить ее поручили военному НИИ из Ленинграда, проектировавшему ходовую часть. Военные конструкторы остановились на старом добром колесе, отвергнув гусеничный ход, шагающий, прыгающий, перекатывающийся… Определяющих требований к шасси "Лунохода" было несколько.
Прежде всего движитель должен быть настолько универсальным, чтобы свести к минимуму вероятность "засадить" планетоход – подтолкнуть-то его будет некому! Да и с "раскачкой", как покажет жизнь, у космических роботов проблемы. Кроме того, профиль протекторной части должен был препятствовать боковому сползанию транспортного средства при движении по склонам. Во-вторых, важна надежность, а что может быть проще колеса? Тут, кстати, сразу и в-третьих, по причине простоты колесо как таковое – предельно легкий узел. Наконец, оно – один из самых эффективных движителей и требует наименьших энергозатрат. Применение шасси с колесами дает возможность варьировать их количество, а помимо снижения давления на грунт, это еще и возможность повысить живучесть транспортного средства – за счет исключения из игры отказавших колес.
Колесо заново
Правда, колесо пришлось существенно дорабатывать, и прежде всего потому, что в конце 1960-х человек очень приблизительно знал, что представляет собой лунный грунт. Комбинация камней всех калибров с рыхлыми породами непредсказуемой плотности требовала колеса с противоречивыми свойствами. И военные такое сделали. Три тонких титановых обода легко катились по твердой поверхности, натянутая между ними сетка вступала в действие на сыпучем грунте, когда обода начинали проваливаться. Приваренные поверх всего уголки-грунтозацепы помогали выгребать на рыхлой поверхности под нагрузкой. Как потом оказалось, они были востребованы чаще, чем хотелось бы. Легкие спицы вместо дисков обеспечивали необходимую прочность и упругость на случай жесткого контакта колеса с камнями.
Окончательный вариант колес рождался в результате расчетов и многочисленных испытаний. Опытные образцы катали на трех полигонах с разными типами грунтов и даже в отсеке самолета, имитирующего лунную гравитацию, которая составляет 1/6 часть земной. Например, много времени занял подбор величины ячейки сетки, натянутой на обод.
В тонкую ступицу колес встроили электродвигатель постоянного тока с редуктором и пиропатроном. Последний подрывался дистанционно в случае аварийного заклинивания привода, и колесо, разобщенное таким образом с осью редуктора, превращалось из ведущего в ведомое, то есть просто катилось по поверхности. Таким образом можно было без непосредственного участия человека "отремонтировать" привод пяти колес из восьми имеющихся, и аппарат мог продолжать выполнение задачи с тремя оставшимися ведущими!
Нервы длиной 400 тыс. км
Самым сложным пунктом в лунном проекте СССР было управление "Луноходом". Оно было дистанционным, и более дистанционное найти было трудно: расстояние от Моря Дождей на Луне, куда высадился наш космический робот, до Центра дальней космической связи в Крыму, где располагался его экипаж, превышало 400 000 километров.
Командный радиосигнал преодолевал этот путь за 2,5 секунды, то есть с такой задержкой аппарат реагировал на команды водителя. Но это была не главная проблема. Основная трудность была в скорости обновления картинки на мониторе перед оператором. Передача изображения с камер "Лунохода" на Землю только называлось телевизионной, на самом деле водитель видел перед собой, мягко говоря, слайд-шоу: кадр сменялся не 25 раз в секунду, а один раз в 3–20 секунд (в зависимости от рельефа местности)! Ничего не поделаешь – обеспечить более быструю передачу данных каналы связи и счетно-решающие машины того времени не могли. Таким образом, после обнаружения препятствия машина продолжала двигаться еще не менее 8 секунд! Именно поэтому водители никогда не "гнали" быстрее 2 км/ч.
Усугубляли проблему особенности лунного освещения – настолько резкого и контрастного, что дорожная ситуация "за лобовым стеклом" выглядела для оператора как набор черных и белых пятен. В некоторые дни, когда солнце стояло в зените, "ехать" было вообще нельзя. Поэтому в помощь глазам водителя аппарат присылал ему данные с дополнительных датчиков: крена, дифферента, нагрузки и пробуксовки колес. Анализируя их, экипаж быстрее понимал, что происходит с его машиной: накренилась на каменной гряде, спускается в кратер, карабкается из него с 90-процентной пробуксовкой... Работа экипажа была столь напряженной, что больше двух часов "за рулем" он не выдерживал.
1 / 6
2 / 6
3 / 6
4 / 6
5 / 6
6 / 6
Что внутри?
Кстати, об экипаже. Он состоял из пяти человек. Кроме водителя, сидевшего на рычагах (поворачивал "Луноход" по-танковому, с подтормаживанием колес), были еще штурман, бортинженер, оператор остронаправленной антенны и командир экипажа. Как бы там ни было, даже при прочих благоприятных условиях поместиться в своей машине все эти люди не могли бы, поскольку ее округлый корпус (макс. диаметр 2 150 мм) полностью занят научной аппаратурой и системами, отвечающими за работу шасси. Маршевые электродвигатели планетохода питались от серебряно-кадмиевых аккумуляторных батарей, которые получали зарядку от солнечных панелей, размещенных на верхней откидывающейся крышке. Ночью (1 лунная ночь, как и лунный день, длится почти 14 земных суток) крышка закрывалась, чтобы беречь тепло в корпусе, и аппарат на это время замирал в "анабиозе". Причина не в отсутствии мощных фар, а в отсутствии возможности подзаряжать батареи без солнца.
1 / 2
2 / 2
Одной из ключевых систем "Лунохода" была климатическая установка, которая обеспечивала заданную температуру в герметичном корпусе при забортной температуре –150 °С ночью и +150 °С днем. Источником тепла служила капсула с радиоизотопом Полоний-210, излишнее же тепло отводилось через крышу корпуса, являющуюся радиатором. Газ-теплоноситель циркулировал внутри корпуса по двум контурам, причем второй был выделен для аппаратуры с особо строгим тепловым режимом. Эффективность тогдашнего климат-контроля была столь высока, что позволяла не беспокоиться за сохранность аппаратуры при разнице температур левого и правого бортов аппарата в 100 градусов!
Гарантийные обязательства
Всего было выпущено четыре экземпляра "Лунохода", не считая опытных версий и тренировочных экземпляров. Самый первый "боевой" экземпляр, которому впоследствии присвоили наименование "Луноход-0", из-за аварии ракеты на старте в космос не попал. Второй аппарат под именем "Луноход-1" наездил по Луне 10 540 метров, выполнив множество научных задач. Производитель – оборонное предприятие Машиностроительный завод имени С. А. Лавочкина – гарантировал три месяца бесперебойной работы своего детища, но "Луноход-1" отработал без малого год, с 17 ноября 1970 г. по 15 сентября 1971 г. Эксплуатацию пришлось прекратить после того, как выработал свой ресурс изотопный источник тепла и "начинка" восьмиколесного робота окончательно замерзла холодной лунной 150-градусной ночью…
Россия планирует построить первый отечественный «луномобиль». Проектирование и строительство машины для исследований Луны предусмотрено проектом Федеральной космической программы (ФКП) на период с 2016 по 2025 годы, которая в настоящее время проходит утверждение в правительстве России.
«Луномобиль», аналогичный транспорту, который американские астронавты использовали для перемещения по Луне во время пилотируемых миссий по программе «Аполлон», начнут разрабатывать в 2021 году. Начало наземных испытаний транспорта для Луны должно состояться в 2025 году. «Тестирование» машин планируется проводить на полигоне, где будут созданы условия, приближенные к лунному грунту.
История планетоходов, то есть машин, предназначенных для перемещения по поверхности других небесных тел, началась в 1960-х годах.
«Отцом-основателем» планетоходостроения следует считать советского инженера Александра Кемурджиана . В 1963 году он возглавил работы по созданию самоходного автоматического шасси для луноходов и марсоходов.
Многие разработки Кемурджиана и его помощников обогнали своё время и использовались не только в космосе, но и на Земле. Например, именно под руководством Александра Кемурджиана на основе его «космических» наработок был создан самоходный робот, участвовавший в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
«Луноход» идёт вперёд
17 ноября 1970 года советская межпланетная космическая станция «Луна-17» доставила на поверхность спутника Земли первый в мировой истории планетоход, получивший название «Луноход-1».
В задачу «Лунохода-1» входило изучение особенностей лунной поверхности, радиоактивного и рентгеновского космического излучения на Луне, химического состава и свойств грунта.
Масса «Лунохода-1» составила 756 кг, длина с открытой солнечной батареей — 4,42 м, ширина — 2,15 м, высота — 1,92 м. Диаметр колёс — 510 мм, ширина — 200 мм, колёсная база — 1700 мм, ширина колеи — 1600 мм.
Управление «Луноходом-1» осуществлялось с Земли двумя сменными экипажами операторов, в состав которых входили командир, водитель, бортинженер, штурман и оператор наведения остронаправленной антенны.
«Луноход-1» в три раза перекрыл предполагаемое время своей работы на Луне, успешно функционируя в течение более чем десяти месяцев. За время нахождения на поверхности Луны в районе Моря Дождей «Луноход-1» проехал 10 540 м, обследовав площадь в 80 000 квадратных метров, передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Максимальная скорость движения «Лунохода-1» составила 2 км в час.
Второй советский планетоход — «Луноход-2» — не имел кардинальных конструктивных отличий от своего «старшего брата», хотя масса аппарата была увеличена до 836 килограммов.
«Луноход-2» был доставлен на Луну межпланетной станцией «Луна-21» 15 января 1973 года. Аппарат начал свою работу в Море Ясности, в 170 километрах от места прилунения «Аполлона-17». Управление «Луноходом-2» также осуществлялось экипажами с Земли. На сей раз операторы учли опыт первой миссии и смогли обеспечить прохождение большей дистанции. Правда, сроки работы «Лунохода-2» оказались существенно короче — всего четыре месяца.
За четыре месяца работы прошёл 42 километра, передал на Землю 86 панорам и около 80 000 кадров телесъёмки.
К сожалению, остальные советские проекты планетоходов — «Луноход-3», «луномобиль» для передвижения советских космонавтов по Луне, марсоход «ПрОП-М» — не были до конца реализованы. Советский «луномобиль» почил в бозе после отмены советской программы пилотируемых полётов на Луну, «Луноход-3», уже готовый к выполнению программы, был отправлен в музей в связи с прекращением полётов советских межпланетных станций на Луну. Наиболее незавидная участь выпала на долю советских марсоходов «ПрОП-М» — первый разбился при неудачной посадке станции «Марс-2», а второй совершил мягкую посадку вместе со станцией «Марс-3», однако так и не начал работу из-за потери станцией связи с Землёй спустя 14,5 секунды.
«Луноход-3», так и не полетевший в космос. Фото: Commons.wikimedia.org / Dzis-voynarovskiy
«Лунный ровер» разгонялся до 18 километров в час
В отличие от СССР, США начали разработку планетоходов не с автоматических моделей, а с машин, управляемых человеком.
Американские «луномобили» — «лунные роверы» — были построены корпорацией «Боинг» для миссий «Аполлона-15», «Аполлона-16» и «Аполлона-17».
«Лунный ровер» представлял собой 4-колёсный двухместный электромобиль-вездеход с неперезаряжаемыми батареями.
«Луномобиль» обладал массой в 210 кг и грузоподъёмностью в условиях лунной силы тяжести в 490 кг. Рама длиной в 3 м с колёсной базой в 2,3 м была сварена из алюминиевых труб. Рама состояла из трёх частей, скреплённых шарнирами, благодаря чему она складывалась и во время полёта к Луне была закреплена снаружи лунного модуля в сложенном виде. Машина опускалась на грунт двумя астронавтами с помощью блочно-тросовой системы. Максимальная высота автомобиля составляла 1,1 м. Клиренс с полной загрузкой — 35 см. Радиус разворота — около трёх метров.
Несмотря на наличие в «луномобиле» системы связи, теле-, кино- и фотокамер, «луномобиль», в отличие от луноходов, не был научной лабораторией, а предназначался для расширения возможностей по перемещению астронавтов на Луне.
«Луномобили» использовались американскими астронавтами в 1971-1972 годах. Первыми прокатиться по Луне «с ветерком» довелось экипажу «Аполлона-15» — Дэвиду Скотту и Джеймсу Ирвину. Их путешествие на «луномобиле» продолжалось чуть более 3 часов, за которые он проехал 27,76 км, максимально удалившись от космического корабля на 5 километров. Экипаж «Аполлона-16» проехал по Луне чуть меньше — 26,55 км, зато астронавты «Аполлона-17» покатались от души — 35,89 км с наибольшим удалением от космического корабля на 7,6 км.
Зато экипаж «Аполлона-16» оставил за собой лунный рекорд скорости, разогнавшись аж до 18 километров в час при средней скорости в 8-10 километров в час.
От «Соджонера» до «Кьюриосити»
Что касается Марса, то по понятным причинам людям прокатиться там пока не удалось. Зато марсоходы уже вовсю осваивают «автобаны» Красной планеты.
Первопроходцем стал аппарат «Соджонер», доставленный на поверхность Марса спускаемым аппаратом станции «Марс Пасфайндер».
Вес «Соджонера» составлял чуть более 10 килограммов, длина его равнялась 70 см, ширина — 50 см, а высота — 30 см. При расчётном сроке работы в 7 марсианских суток «малыш» отработал 83 и мог бы работать и дальше, однако из строя вышел спускаемый аппарат, через который поддерживалась связь. За время своей работы «Соджонер» прошёл около 100 метров.
В 2004 году на Марс были доставлены сразу два американских марсохода-близнеца — «Спирит» и «Оппортьюнити». Аппараты весом около 185 килограммов, длиной в 1,6 метра, шириной в 2,3 метра и высотой в 1,5 метра работали на Марсе исключительно успешно. «Спирит» работал с 4 января 2004 года по 22 марта 2010 года. Роковым для марсохода стало застревание в песчаной дюне в конце 2009 года, из которой «Спирит» уже не смог выбраться. За время своей работы на Марсе «Спирит» передал огромный объём информации, провёл экспериментальное бурение и проехал около 7,73 км.
Что касается его близнеца «Оппортьюнити», то он, прибыв на Марс на три недели позже, функционирует и по сей день. К концу февраля 2014 года марсоход прошёл по поверхности Марса 38,740 км.
6 августа 2012 года на Марс высадился новый американский марсоход «Кьюриосити». Машина весом почти 900 кг имеет длину в 3,1 м, ширину 2,7 м и высоту 2,1 метра. Самый оснащённый и передовой из всех планетоходов, когда-либо создававшихся человеком, «Кьюриостити» может преодолевать препятствия высотой до 75 сантиметров.
Основная миссия марсохода рассчитана на два года, за которые «Кьюриосити» в обязательном порядке должен пройти 19 километров. Однако запасов энергии, по мнению специалистов, должно хватить ещё на 12 лет, за которые он может побить абсолютно все рекорды предшественников. Если, конечно, не застрянет в дюнах или его не возьмут «напрокат» марсиане.
