Mars Hopper: что украинские ученые предлагают НАСА

20 мая заканчивается голосование в конкурсе проектов НАСА, в финал которого вышла команда украинских изобретателей с проектом самолета - "прыгуна" для исследования полярных шапок Марса.

Победа украинцев не станет гарантией того, что Аэрокосмическое агентство воплотит в жизнь их проект.

Несмотря на это, соавторы разработки рассказали ВВС Украина, что настроены довести свой замысел до конца независимо от результатов конкурса.

Что такое Mars Hopper?

"Он использует ресурс другой планеты для собственных нужд и определенным образом приближается к живому существу", - рассказывает инженер Александр Буткалюк, соавтор разработки.

Mars Hopper - это прототип беспилотного автоматизированного самолета. Аппарат использует в качестве топлива сухой лед. Так называют замороженный углекислый газ, которым обильно покрыты полюса Марса в зимний период.

Предполагается, что аппарат будет передвигаться по поверхности Красной планеты затяжными прыжками, каждый из которых будет длиться несколько минут. Приземлившись на покрытую льдом поверхность, самолет будет черпать сухой лед, из которого получит энергию для следующего прыжка.

Отсюда и название аппарата, созвучное английскому слову grasshopper - кузнечик.

Сам самолет пока существует только в головах и компьютерах разработчиков.

Как он будет выглядеть?

Условия для полета над поверхностью Марса очень отличаются от тех, что на Земле. С одной стороны, гравитация на этой планете почти втрое слабее земной, что облегчает полет. С другой - плотность атмосферы в сто раз ниже плотности воздуха на Земле, что, наоборот, требует дополнительной энергии для полета.

Приняв к сведению условия на Марсе, украинские изобретатели посчитали, что при весе самолета в 200 кг размах его крыльев должен быть 8,5 метра - это больше, чем длина маршрутки "Богдан". Скорость полета будет около 360 км/ч.

На каждом крыле самолета будут большие сложные винты.

Научные приборы разместят в носовой части.

Снизу фюзеляжа будет одна большая лыжа и две малые шасси-пластины на крыльях - для приземления на лед.

Аппарат должен быть создан из сверхлегких композитных материалов.

Почти все технологии, которые будут использованы в этой разработке, есть в Украине, говорят авторы идеи. Исключением является только система РИТЭГ, которая позволит получать энергию из сухого льда.

Пока для проведения экспериментов и демонстрации ученые используют подручные материалы, такие как пластиковые бутылки, сухой лед, который продается по 30 грн за килограмм, пенопласт и двигатель шлифовальной машинки.

"У нас даже своего гаража нет", - шутит инженер Буткалюк.

Как будет происходить скачок?

Аппарат будет взлетать как реактивный самолет, после этого на его крыльях развернуться большие винты, которые будут вести машину дальше, до верхней точки полета.

Затем винты сложаться и "прыгун" пойдет на посадку, как планер.

Все это время на борту будет работать научное оборудование.

При приземлении снизу фюзеляжа открывается приемник для льда, который черпает ледяное "топливо", одновременно притормаживая движение аппарата. Стоянка продлится несколько часов - столько времени потребуется для того, чтобы извлечь из замерзшего углекислого газа тепло и электричество.

В это время самолет будет стоять неподвижно, зацепившись за лед фиксаторами - чтобы не сдуло ветром.

Ровные площадки для посадки будет выбирать навигационная система на борту Mars Hopper. Она будет планировать полеты по меньшей мере на два цикла вперед.

Для нескольких минут полета потребуется около 50 кг твердого углекислого газа. Из них 30 кг пойдет на реактивный старт, а остальное - на оборот винтов и техническую поддержку электроники и научных аппаратов.

Как добывать энергию из сухого льда?

"Если бы гипотетически на Марсе существовала цивилизация, его обитатели были бы первыми, кто освоил бы использование энергии углекислого газа, так же как мы освоили использование энергии воды", - рассказывает инженер Буткалюк.

Поскольку доставка топлива на Марс с Земли является очень дорогостоящей и неэкономной, аппараты, которые работают на этой планете, такие как Curiosity, подпитываются за счет солнечных панелей и технологии РИТЭГ - радиоизотопного термоэлектрического генератора.

РИТЭГ, который установят на Mars Hopper, позволяет получать тепло и электричество из замерзшего углекислого газа за счет естественного распада радиоактивных изотопов.

Это надежная технология и может функционировать в течение многих лет, не требуя вмешательства человека. Минусом является то, что она дает слабую мощность и имеет низкую эффективность. Именно поэтому для каждого прыжка самолета потребуется большое количество сухого льда. Преимущество такого подхода заключается в том, что замерзшего СО2 на полюсах планеты - как звезд на марсианском небе.

Чтобы получить от РИТЭГ максимум отдачи, разработчики решили сделать ставку не на электрическую энергию, а на тепловую, которой генератор может дать гораздо больше, чем электричества.

Когда жидкий СО2 попадает в разреженную атмосферу Марса, он мгновенно превращается в газ и создает мощную тягу, которая и позволит аппарату резко стартовать, отпрыгнув от поверхности.

Но на этом сходство с реактивным самолетом заканчивается. Использовать реактивную тягу в течение всего полета неэффективно, поскольку это ведет к быстрому расходу топлива.

Поэтому, поднявшись на высоту в несколько метров, самолет расправит винты, которые будут вращаться благодаря двигателям, принцип работы которых будет напоминать старые паровые машины.

"То есть все это работает на энергии сжатого СО2, некий олд-скул", - объясняет Буткалюк.

Все рулевые механизмы также будут работать не за счет электричества, а за счет пневматики.

Небольшое количество электрической энергии, которое аккумулятор способен удерживать, будет питать авиационное и научное оборудование.

Как доставить его на Марс?

По задумке создателей, "прыгун" сможет попасть на Марс в той же капсуле и на той же самой ракете "Атлас-5", которая доставляла туда зонд Curiosity.

Чтобы поместиться в такой капсуле, самолет должен иметь складную конструкцию.

"Наш "прыгун" стартует, долетает до Марса, входит в атмосферу, где открывается капсула, он выходит из нее, раскладывает стабилизатор и расправляет крылья", - описывает развитие событий Александр Буткалюк.

На борту у аппарата будет запас сжиженного углекислого газа, чтобы протестировать все его системы.

Выбрав площадку для посадки, самолет приземлится, чтобы начать свое путешествие по ледяной шапке планеты.

Что можно изучать на полюсах Марса?

Mars Hopper сможет работать на Красной планете только зимой, когда полярные шапки покрыты замерзшим углекислым газом. Этот период длится около шести земных месяцев. Остальное время, в период марсианского лета, сухой лед сходит с полюсов планеты, обнажая лед обычный - то есть замерзшую воду, непригодную для питания самолета.

Изобретатели предполагают, что это время "прыгун" сможет просто переждать, закрепившись на льду.

Полюса Марса изучены относительно плохо. В 1999 НАСА отправила на южный полюс зонд Mars Polar Lander, который почему-то так и не вышел на связь.

Ближе всего к полюсу подобралась миссия Phoenix 2008 года. Тогда аппарат приземлился в приполярной северной зоне.

Поэтому пока шапки планеты изучали только из космоса.

В этих зонах, объясняют ученые, проходит интенсивная геологическая жизнь Марса. Полярные шапки называют "большим пылесосом", который втягивает пыль со всей планеты.

"Со всей планеты идет доставка в "лабораторию" различных материалов. И мы можем взять на этом месте достаточно много проб", - объясняет инженер Буткалюк.

Украинские разработчики, называют свой самолет "передвижной лабораторией", надеются, что аппарат позволит анализировать атмосферу и изучать пыль разных районов планеты.

Что будет, если проект выиграет конкурс?

Единственным гарантированным результатом победы в конкурсе станет то, что авторов проекта пригласят в Космический центр им. Кеннеди в США, где они смогут увидеть очередной космический запуск.

НАСА не гарантирует, что проект-победитель обязательно будет воплощен в жизнь.

"Сами НАСА очень осторожны. Они не дают обещаний, что запустят проект. Но нам самим это действительно интересно", - говорит химик Николай Денисенко.

Украинские изобретатели говорят, что несмотря на результат конкурса, они доведут свою разработку до конца.

Для этого ученые планируют провести серию экспериментов на Земле. Один из них предполагает, что прототип Mars Hopper поднимут с помощью аэростата на высоту 31 000 метров над землей, чтобы протестировать, как он будет летать в условиях разреженного воздуха. На этой высоте плотность воздуха примерно такая же, как плотность атмосферы на Марсе.

О своей заинтересованности проектом уже заявило Государственное космическое агентство Украины.