Минувшая неделя озарилась одним из самых впечатляющих достижений человечества — успешной посадкой сложнейшего робота весом более тонны на поверхность другой планеты. Более того, этот процесс впервые снимали на видео сразу несколько камер в высоком разрешении. Опубликованный NASA ролик оказался не только занимательным зрелищем, но и самой настоящей научно-детективной короткометражкой.
Почему парашют имеет такую необычную раскраску — это занимательный узор или специально рассчитанный рисунок? Почему не видно пламени ракетных двигателей, которые останавливают в нескольких метрах над поверхностью аппарат массой порядка полутора тонн? На Марсе голубое небо? Как инженерам вообще удалось обеспечить передачу сразу трех потоков видео высокой четкости одновременно на бортовой компьютер ровера, если вычислительные блоки космических аппаратов обычно не мощные, а надежные?
Это едва ли половина всех вопросов, которые возникают у мало-мальски подкованного с технической точки зрения человека после просмотра ролика с записью посадки Perseverance. Попробуем их все разобрать по порядку, а также коснуться даже менее заметных деталей, которые, безусловно, могут быть весьма интересны не только гикам, но и просто любителям робототехники с космонавтикой. Правда, для начала, если вы еще не видели, обязательно ознакомьтесь с видозаписью.
©NASA, JPL-Caltech
Вне зависимости от степени погружения в тему, этот ролик Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) заслуживает внимания каждого землянина.
Информативный парашют
Первое, что мы видим после кадров из Центра управления полетами, — раскрытие парашюта. Картинку записывали сразу три камеры (Parachute Support Structure Up-Look Camera, PUC) с частотой сначала 75 кадров в секунду (первые 30 секунд после активации), а затем 30 кадров в секунду (до отключения). В видео использованы данные только двух: картинка слева показана в реальной скорости записи (30% от скорости происходящего), а справа — подогнанная под привычный глазу современного человека фреймрейт (30 кадров в секунду).
Perseverance не успел начать работать, а уже теряет детали! Стрелкой помечен отлетающий купол, который зацепила излишне усердно сработавшая система раскрытия парашюта. Но ведь лучше потерять антенну, которая все равно через минуту будет отстрелена вместе со «скорлупой», чем не затормозиться вовсе, верно? На правом изображении купола не видно, поскольку это картинка с камеры на противоположной стороне строп
Источник изображения: NASA, YouTube
Интересный момент: аккурат во время отделения крышки парашютного отсека спускаемый аппарат непредвиденно лишился одной детали. Это купол, который видно на кадре выше. Официального объяснения, что это такое, пока не публиковалось. Очевидно, на успех миссии его потеря не повлияла, но известный эксперт по космонавтике Скотт Мэнли (Scott Manley) утверждает, что изначально отстреливания купола не предусматривали. Просто механизм раскрытия парашюта оказался избыточно мощным и зацепил защиту одной из антенн.
Возвращаемся к рисунку на куполе парашюта. Те, кто подумал, что этот узор на нем размещен не просто так, правы. Контрастные полосы помогают инженерам анализировать поведение парашюта в марсианской атмосфере при сверхзвуковом движении. Однако в них скрыта еще одна загадка, намек на которую сделали ведущие официальной трансляции NASA — во время нее впервые и показали эти кадры. Расшифровка кода заняла у любознательных зрителей считаные часы.
Расшифровка послания на парашюте
Источник изображения: Adam Steltzner, Twitter
Первым ключ к шифру опубликовал пользователь Twitter из Франции Максенс Абела (Maxence Abela). По его словам, он разгадал послание вместе с отцом и оно закодировано в двоичном формате. Весь купол разделен на четыре кольца, в каждом из которых содержится четыре 10-битных числа. Красная ячейка — единица, белая — ноль. Переводим двоичные числа в десятичные — и получаем номер буквы английского алфавита. Если игнорировать числа, состоящие из сплошных единиц, получится фраза DARE MIGHTY THINGS и координаты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL), которая создала Perseverance.
Еще одна пасхалка на Perseverance — семейный портрет всех марсоходов JPL и вертолета
Источник изображения: NASA, JPL-Caltech
Фразу «Dare mighty things» можно перевести как «Дерзайте совершать великие дела». Она служит одним из девизов JPL и приписывается 26-му президенту США Теодору Рузвельту. Полностью цитата переводится так: «Гораздо лучше осмеливаться на великие дела и добиваться славных триумфов, пусть и перемежающихся с неудачами, чем стоять в одном ряду со слабыми духом, которые не могут ни наслаждаться от души, ни сильно страдать, потому что живут в серых сумерках, не знающих ни побед, ни поражений».
Пружины отделения теплозащитного щита
Первая смена планов в ролике — демонстрация картинки с навигационной камеры, смотрящей вниз. Прежде чем электронный «мозг» ровера и земные зрители увидели поверхность Марса, около секунды все поле зрения было закрыто блестящим черным внутренним покрытием теплозащитного щита. Что же на нем интересного можно разглядеть?
Теплозащитный экран выполнил свою работу и сбрасывается. Салатовыми стрелками показаны механизмы отделения, фиолетовой стрелкой — тот из них, что потерял пружину, а кругом того же цвета выделена сама пружина
Источник изображения: NASA, YouTube
Помимо небольшой паутины проводов медного цвета, очевидно, идущих к датчикам температуры под абляционным покрытием, заметны девять механизмов отделения. Они пружинные, и это хорошо видно, поскольку одна из пружин выскочила из своего посадочного места и прокатилась по щиту. Больше он ни нам, ни марсоходу не нужен, поэтому двигаемся дальше. Отметим только, что в этот момент Perseverance вместе с «Небесным краном» (Sky Сrane), «скорлупой» (защитным кожухом перелетного модуля) и парашютной системой двигаются на скорости около 485 метров в секунду (1746 километров в час) и находятся на высоте примерно 9,5 километра над поверхностью.
Первое фото места посадки
Через несколько секунд после отделения теплозащитного экрана в объектив навигационной камеры впервые попадает место будущей посадки. До него еще около нескольких километров вертикального полета, но специальный радар уже усердно изучает поверхность. Прибор ищет все возможные препятствия и выбирает такую площадку в пределах заданной области, которая будет максимально безопасной. На отметке одна минута 20 секунд видео посадки скорость снижения уже замедлилась примерно до 100 метров в секунду (360 километров в час), высота составляет 6,6 километра над поверхностью.
Примерное место посадки Perseverance (оранжевая звездочка) на спутниковом снимке кратера Езеро (Jezero Crater) и то, как его видела навигационная камера марсохода при снижении в атмосфере (a — кадр трансляции, b — его увеличение и поворот на 90 градусов). Именно это место выбрано, несмотря на сложный рельеф, поскольку здесь находится дельта древней реки (левая верхняя четверть изображения). Основная площадь гигантского кратера в кадр, конечно же, не уместилась (равнина в правой части снимка — лишь около 5% площади Езеро) / ESA, DLR, FU-Berlin, YouTube, Naked Science
Только спустя почти полминуты бортовой компьютер ровера, наконец, принимает решение: место посадки выбрано. И теперь автоматика ждет достижения заданных значений сразу нескольких параметров — расстояния до цели, скорости снижения и отклонения от необходимой траектории. Как только данные попадают в заранее определенные диапазоны (или выходят за их пределы), парашют отстегивается и в дело вступает «Небесный кран» — система мягкой посадки с использованием реактивных двигателей.
Управляемый полет
Это происходит на отметке две минуты и пять секунд. Сброс парашюта и скорлупы нам не показали, зато можно заметить, как по верху кадра менее чем на секунду возникает яркая вспышка. Это выхлоп одного из ракетных двигателей «Небесного крана» в момент запуска. Он еще не вышел на рабочую температуру, поэтому из сопла вылетело немного не до конца прореагировавшего топлива. Так что, если быть совсем дотошным, это не вспышка, а облачко пара.
В правом верхнем углу видно облачко белесого пара. На статичном изображении очевидно, что это газ, но во время просмотра видео оно кажется вспышкой
Источник изображения: NASA, YouTube
И дальше начинается настоящая инженерная магия. На высоте около 2,6 километра над поверхностью все еще двигающийся с вертикальной скоростью около 300 километров в час (82 метра в секунду) ровер закладывает крутой вираж влево. Весь аппарат наклоняется на 45-60 градусов, чтобы скорректировать свое смещение по горизонтали относительно выбранного места посадки. В эти несколько секунд нам удается краем глаза взглянуть на живописные окрестности места работы марсохода с высоты птичьего полета (это метафора — понятное дело, птиц там нет и, похоже, никогда не было).
После того как мы насладились сложным рельефом с дюнами, скалами и мелкими кратерами, Perseverance закладывает еще один вираж — в противоположную сторону, для компенсации горизонтального движения. Теперь камера смотрит прямо на поверхность под марсоходом, и на ней можно разглядеть невидимые с орбиты детали. Правда, какая-то ценная информация в этом содержится, наверное, только для геологов. Наконец, происходит финальная операция: зависание на высоте порядка 20 метров и аккуратное опускание ровера на поверхность.
Невидимый выхлоп двигателей
В этот момент нам снова показывают изображение сразу с нескольких камер, на этот раз с трех. Первая, картинка с нее видна справа, смотрит с ровера на поверхность (Rover Down-Look Camera, RDC), вторая, что в кадре трансляции размещена слева вверху, — смотрит с ровера вверх (Rover Up-Look Camera, RUC) на «Небесный кран». А третья, показанная слева внизу, размещена на самом посадочном аппарате (Descent Stage Down-Look Camera, DDC). Для наглядности ниже даны подробные иллюстрации.
- Схема расположения картинок с разных камер в кадре трансляции. Фиолетовыми кругами выделены: a — блики солнечного света, пробивающегося через ферменную конструкцию «Небесного крана» на поверхности ровера; b — горячо любимые всеми инженерами стяжки / ©NASA, YouTube
- Схема расположения камер, которые записывали видео во время посадки, а также их поле зрения / ©Maki, J.N., Gruel, D., McKinney
Тянуть кота за хвост не станем и первым делом рассмотрим картинку с RUC, на которой — о ужас! — не видно пламени, вырывающегося из сопел двигателей посадочной ступени: она будто парит в воздухе под действием неких фантастических сил. Ну или на тросе, который ее держит в воздухе павильона (сарказм). И ярые конспирологи могут отложить уже расчехленные в надежде настрочить мегабайты опровержений клавиатуры: перед нами самое прямое доказательство того, что действие происходит на Марсе.
Мысль о том, что из сопла ракетного двигателя обязательно вырывается пламя, а точнее — раскаленный и отчетливо видимый поток продуктов горения, — вполне очевидна. Масла в огонь подливает схематичное видео NASA JPL, где объясняется механизм посадки с использованием «Небесного крана». Почему там двигателям посадочной ступени подрисовали факелы, понятно: иногда наглядность важнее реалистичности. А вот чтобы разобраться, отчего на деле никакого огня нет, придется вспомнить химию.
©NASA, JPL-Caltech
На аппарате Sky Crane установлены однокомпонентные двигатели, использующие гидразин (N2H4) в качестве топлива. Это соединение подается в камеру сгорания (для простоты назовем ее так, пусть это и не совсем корректно), где находится катализатор из алюминия, покрытого иридием. При попадании на него гидразин бурно реагирует, распадаясь на азот, водород и небольшое количество аммиака в ходе трех химических реакций. Две из них — экзотермические и производят огромное количество тепла, разогревая камеру с катализатором до плюс 800 градусов Цельсия. Горячие и сильно расширившиеся продукты реакций вырываются из сопла, создавая тягу.
Ирония в том, что все компоненты рабочего тела в таких двигателях — азот, водород и аммиак, — оптически прозрачны. То есть, если после сопла им не с чем реагировать, визуально их не обнаружить (только по разлетающейся пыли, конечно). В земной атмосфере присутствует много кислорода, с которым горячий водород мог бы вступить в реакцию (загореться) и обнаружить себя. Но на Марсе есть только углекислый газ, немножко азота и совсем чуть-чуть аргона. Все остальные молекулы представлены лишь в гомеопатических количествах. А глядя на «Небесный кран», понять, какие двигатели работают, можно, если приглядеться к снимкам в высоком разрешении (на видео незаметно): их камеры сгорания слегка светятся красным из-за разогрева.
Лучше всего свечение камер с катализаторами от разогрева видно при «задирании» уровня яркости или корректировке кривых в графическом редакторе, но и при обычном увеличении красноватый оттенок заметен
Источник изображения: NASA, JPL-Caltech, Naked-Science
Выключение половины двигателей
Плавно переходим к самому крупному кадру в этом моменте трансляции — картинке с камеры RDC. Да, факел от двигателей, как мы уже выяснили, увидеть не получится. Но на предыдущем изображении выше заметно, что часть двигателей — те, что смотрят прямо вниз — будто несколько холоднее остальных четырех (их камеры сгорания светятся тусклее). Чтобы понять, оптический эффект это или они действительно отключены, можно обратиться к логике, а можно посмотреть на разлетающуюся пыль.
В первом случае вывод будет очевиден: реактивная струя от смотрящих вниз сопел попадет на опущенный вниз ровер, так что эти двигатели должны быть отключены как можно скорее. А дополнительным подтверждением будет танец пылевых вихрей над марсианским грунтом. Если внимательно следить за облачками поднимаемой садящимся марсоходом пыли, можно заметить, что поначалу посередине кадра формируется область стабильного фронта, а затем она превращается в хаотичную турбулентность. Это происходит в тот момент, когда половина двигателей отключается. Что интересно, вышеописанный ролик NASA JPL с симуляцией посадки этот момент не учитывает.
Голубое небо
Аккурат после посадки, когда нам показывают улетающий в сторону «Небесный кран», видно еще одно явление, не дающее покоя конспирологам. Конечно, речь о голубом небе, которое на Марсе хоть и редко, но все же можно наблюдать. Только механизм формирования этого оптического эффекта несколько отличается от земного.
Марсианский закат «глазами» Curiosity, 2015 год
Источник изображения: NASA, JPL-Caltech
Марсианская пыль поглощает синюю часть видимого солнечного излучения, но некоторое количество фотонов все же переотражается от мельчайших частичек песка. Это хорошо заметно, если смотреть прямо на Солнце, особенно перед закатом или восходом широкоугольным объективом, захватывающим больше света. На видео посадки облако поднятой пыли подсвечивается светилом справа сверху.
«Лапша» Ethernet-кабеля на Марсе
Напоследок, пожалуй, наиболее интересная часть для гиков: что за «железо» обеспечивало синхронизацию всех этих камер и хранение внушительных объемов данных? Ответ удивит многих. Огромное количество подробностей описано в научной статье за авторством инженеров JPL, опубликованной в прошлом ноябре в рецензируемом журнале Springer. Пробежимся по некоторым любопытным моментам.
В двух предыдущих разделах мы обделили вниманием третью камеру, RUC. Исправляем упущение: посмотрите на спиральный белый кабель — это Ethernet. Да, та самая «лапша», что приносит во многие дома выделенную линию интернет-подключения или связывает компьютеры в локальную сеть. Естественно, ровер с «Небесным краном» соединяет усиленный и экранированный кабель, но технически это обычный гигабитный сетевой провод. По нему на ровер передается картинка с камер «скорлупы» (которые фиксировали раскрытие парашюта) и посадочной ступени Scy Crane.
Схема расположения камер, блока обработки данных и коммуникаций между ними
Источник изображения: Maki, J.N., Gruel, D., McKinney, C. et al. The Mars 2020 Engineering Cameras
А на самом марсоходе за прием видео отвечал блок обработки информации с процессором Intel Atom в основе. В качестве главного накопителя используется твердотельный диск емкостью 480 гигабайт. Важный момент — это не основной бортовой компьютер, который принимает решения о маршруте движения и управляет инструментами, а лишь блок обработки информации с дополнительных камер. Ну и «добивка»: большинство камер подключались с помощью самого обычного интерфейса USB 3, а парочка вовсе имели лишь USB 2.
Создается впечатление, будто инженеры Jet Propulsion Laboratory потратили весь бюджет на мощные научные инструменты, а когда дело дошло до компьютера, просто сбегали в магазин подержанной электроники и набрали всего, что под руку попалось. Конечно, это лишь шутка: на самом деле, такой выбор был обусловлен целым спектром причин. И многие решения существенно дорабатывались. Однако в любом случае Perseverance на данный момент — космический аппарат с самым большим количеством массово производящихся электронных компонентов потребительского уровня.
