Tuto jednoduchou otázku před nedávnem položil jeden pozorný fanoušek robotické mise MSL na diskusním fóru našeho portálu. Tento článek se na ni pokusí přinést poměrně netriviální, ale doufejme že zajímavou odpověď pro více čtenářů tohoto blogu. Poslední velký problém s vrtačkou na roveru Curiosity nastal 1.12. 2016 (sol 1536), kdy došlo k anomálií na drill feed mechanismu. Od té doby tato složitá vrtačka nepracuje, přičemž odborníci analyzují problém a snaží se najít vhodné řešení, které by mechanismus opět zprovoznilo.
Jak vrtačka na Curiosity vlastně funguje?
Vrtačka má v sobě 3 motorizované mechanismy, které jsou potřeba k úspěšnému vrtání do tvrdého kamenného podloží nebo balvanů na povrchu rudé planety:
- drill spindle – otáčení vrtáku
- drill percussion – příklep vrtáku
- drill feed – posuv vrtáku
Každý z nich má také elektromechanickou brzdu, která brání tomu, aby daný mechanismus rozpohybovala činnost jiného motorizovaného mechanismu.
K tomu má vrtačka také mechanismus upínání výměnného vrtacího bitu (drill chuck) a mechanismus dvou opěrných stabilizátorů s kontaktními senzory (drill contact sensors and stabilizers), viz obrázek.
Vrtání probíhá tak, že robotická paže přiblíží otočnou hlavu s nástroji k cílové pevné ploše / kameni, o který se vrtačka následně opře dvěma tyčovými stabilizátory trčícími po obou stranách vrtačky rovnoběžně se směrem vrtání. Toto opření je poměrně silné a také důležité, protože zajišťuje dostatečnou stabilitu nástroje vůči „obráběnému materiálu“. Celý rover, jeho paže i hlava s nástroji se pak během vrtání nehýbe, pohybuje se jen vrtací vřeteno s vrtákem.
Nic nefunguje věčně
Problémy s vrtačkou nastaly už dříve (sol 911) a týkaly se hlavně příklepového mechanismu, ve kterém byly zaznamenány krátké elektrické zkraty. Proto se technici během solu 1536 poprvé pokoušeli vrtat bez příklepu, jen za pomocí rotace a posuvu vrtáku. Bohužel se při tom ukázalo, že nefunguje ani posuv – vrták se točí, ale nehne se z místa.
Následná analýza určila, že na vině je pravděpodobně brzda mechanismu posuvu, která odmítá rozevřít své čelisti a drží vřeteno vrtačky v uzamčené poloze na jednom místě. Pohyblivá čelist brzdy se nehýbe. Buďto z toho důvodu, že jí něco blokuje (něco se uvnitř ulomilo, nebo vniklo z venku dovnitř) a nebo oba ovládací solenoidy brzdy nejsou schopny překonat sílu pružin, které drží pohyblivou čelist přitlačenou proti pevné čelisti brzdy.
Vyšetřování příčin takového typu technického problému a hlavně hledání cesty, jak problém odstranit, nebo obejít, trvá pozemnímu týmu většinou velmi dlouho. Je to z toho důvodu, že kompaktní vrtačka s velmi hustou zástavbou všech mechanismů neumožnila zabudování více senzorů, které by hlídaly kdejaký parametr a pomohly by tak při podrobné analýze problému. Takže vyšetřování příčin selhání je převážně o teoretické analýze konstrukce v kombinaci s předchozím chováním zařízení a ověřování různých variant stylem pokus, omyl.
Navíc, hledání vhodného řešení musí být velmi opatrné a postupné, aby nebyla žádná část vrtačky, otočné hlavy s ostatními přístroji, ani robotická paže novým postupem silově nebo teplotně přetížena nad konstrukční limity, aby se nespálilo vinutí žádného motoru, nebo solenoidu, aby zkrátka nový opravný postup nezpůsobil ještě víc škody než užitku.
Takový vhodný postup byl nakonec navržen a na pozemním dvojčeti VSTB Maggie otestován. Řidiči roveru pak začali přímo na Curiosity na Marsu testovat pomalé pohyby posuvného mechanismu tam a zpět, ovšem bez vrtání. Už to začínalo vypadat slibně, ale…
Přišel 29. březen (Sol 1651), kdy byl lopatkou odebírán sypký vzorek písku z duny v lokalitě Ogunquit Beach a během jeho prosévání v Chimra se objevil ještě další a větší problém s posuvem vrtáku – nešel vysunout do koncové polohy. Příprava sypkého vzorku z lopatky byla zastavena a materiál nebyl dopraven do analyzátorů. Nastalo další vyšetřování a hledání řešení.
Když je mechanismus posuvu tak problémový, tým se rozhodl vyzkoušet vrtání s plně vysunutým vrtákem, tj. bez pevné opory vrtačky pomocí tyčových stabilizátorů přitlačených proti vrtanému kameni, přičemž o posuv vrtáku do kamene by se postarala celá robotická paže. Kvůli nucené několikatýdenní přestávce během konjunkce se inženýrům podařilo vyjet s vrtákem do krajní polohy 110 mm „do záběru“ až 9. srpna (sol 1780) a to pravděpodobně pouze díky paradoxní poloze vrtačky s vrtákem mířícím vzhůru k obloze.
Nový způsob vrtání dostal název FED (feed-extended drilling) a je poměrně riskantní, jelikož nezaručuje takovou stabilitu cele soustavy paže-otočná hlava-vrtačka-vrták, jako při standardním postupu vrtání popsaném v úvodu článku. Tato metoda může mít za následek křivé vrtání a zlomení vrtáku, větší opotřebení vrtacího bitu, poškození kloubů na robotické paži, atd. Také kvalita otvoru nebude stejná, jako v minulosti, což znesnadní chemickou a optickou analýzu uvnitř vyvrtané díry.
To, co se technici JPL chystají vyzkoušet na Marsu, se dá přirovnat k tomu, jako byste dříve vrtali se strojní stojanovou vrtačkou s příklepem do upnutého výrobku a nově se pokusíte vzít ruční vrtačku bez příklepu a budete volně vrtat bez opory a pevného vedení vaší ruky. Může se stát, že se celá Curiosity během vrtání pohne – kola na písku podklouznou vlivem vibrací při vrtání, což zatíží paži roveru extra bočními silami – vrták v otvoru se tak může zaseknout a nemusí být možné vyndat ho ven, atd, atd … Rizika tu tedy jsou, ale vrtání by mělo fungovat.
Co je ale horší je ten fakt, že vrtací bit prochází skrze sběrnou komoru, kde se shromažďuje vyvrtaný materiál, který se po ukončení vrtání přesype dál do přesívacího mechanismu Chimra pro přípravu vzorku k analýze. A na tento přesun vzorku z vrtačky do Chimra je potřeba mít vrtací vřeteno zasunuté do výchozí polohy vzadu, mimo záběr do materiálu. Což nepůjde. Operátoři už nechtějí riskovat další komplikace a s posuvem vrtáku už nebudou vůbec hýbat.
Takže jak dopravit vzorek prachu do vědeckých analyzátorů? Uvažují o tom, že by vrtačku přemístili přímo nad otvor násypky do přístroje SAM nebo CheMin a pustili opačné otáčky vrtáku. Tím by se měl odvrtaný prášek vysypat ze sběrné komůrky skrze šroubovici vrtáku rovnou do vědeckého přístroje, bez přesívání a dávkování v mechanismu Chimra. Tento způsob dopravy vzorků nazvali FEST (feed-extended sample transfer). Zatím se všechny vzorky kamene při vrtání s příklepem drtily pěkně na jemný prášek, ale v dalších lokalitách tomu tak být nemusí. V odvrtaném vzorku mohou být i větší úlomky, které nebudou odseparované přesíváním a mohou se někde zaseknout a něco ucpat. Máme tu další riziko.
Ještě je tu problém dávkováni – tímto stylem dopravy vzorku se bude jen velmi těžko hlídat, kolik materiálu do citlivého vědeckého přístroje robot vlastně nasype. Je to divočina, všichni to ví, ale dalších možností jim už moc nezbývá.
Teoreticky by šlo vyvrtaný materiál vysypat na tvrdou zem a zkusit nabrat lopatkou. Pohyb malé lopatky na Curiosity je ale velmi pomalý a nabrat malinkou hromádku sypkého materiálu ze země je skoro nemožné. Nasypat vzorek na písečnou dunu a odebrat lopatkou směs písku a kamenné drti by sice provést šlo, z hlediska věrohodnosti výsledků laboratorního rozboru je to ale zcela nevhodné.
Takže kdy to bude?
Kdy poprvé zkusí MSL tým nový způsob vrtání FED/FEST v reálu? Ještě se neví. Curiosity teď bude šplhat na velmi zajímavý hřeben Vera Rubin Ridge a inženýři ještě musí ověřovat a testovat další parametry nových metod použití vrtačky na „cvičné louce“ Mars Yard v Pasadeně. Takže zatím nevíme.
Curiosity už více než 2x překročila svou „záruční dobu“ při primární a prodloužené misi. Funguje více než 5 let a provádí věci, které žádný jiný robot nikde jinde a nikdy před ní nedělal. Takže mějme strpení, inženýři a vědci z JPL se nevzdávají bez boje. Dalšího vrtání se téměř určitě dočkáme, ale až tehdy, kdy si budou zcela jistí, že jsou dobře připraveni a další otvor v kameni nebude tím úplně posledním.
Zdroje informací:
http://www.planetary.org/
Zdroje obrázků:
http://planetary.s3.amazonaws.com/…/20170203_8_7_drill-parts-01_f840.png
http://planetary.s3.amazonaws.com/…1780ML0091950000702009E01_DXXX_f840.jpg
http://planetary.s3.amazonaws.com/…sample-chamber-chimra-alignment-sol1637_f840.jpg
Na Marsu stále pracuje OPPy. Blíží se 4.800 SOLům a ujela 45 km. Poslední snímek vrtání jsem našel na 4704 SOLu. Její vrták byl stavěn na pouhých 90 SOLů a musí být řádně opotřeben, stejně jako celý stroj. Je otázkou jak dlouho ještě může fungovat. Tak dlouhé přežití v prachu a chladu Marsu je též technický zázrak a suprová práce řídícího týmu.
CUR je samozřejmě složitější, výkonnější, atd,, ale OPPy je též borec.
Tento článek je o MSL Curiosity, ale pokud už máme srovnávat s roverem MER Opportunity, tak to nebude úplně jednoduché, nebo chcete-li férové srovnání. Oppy nemá na své otočné hlavě s nástroji žádnou vrtačku. Nástroj RAT (Rock Abrasion Tool) je víceméně rotační bruska, která je schopná odstranit pouze zvětralou povrchovou vrstvu kamene do hloubky max 5 mm. Typicky ale brousí jen 2-3 mm hluboko, jelikož je to poměrně náročné na spotřebu energie.
Ano, Oppy už mnohonásobně překročila plánovanou životnost a to díky mnoha faktorům. Jejím konstruktérům, stavitelům i provoznímu týmu určitě patří hluboká poklona.
Díky za velmi dobré shrnutí celé složité situace. Takže pokud se nepletu, mělo by být těch podařených vrtů zatím 15. Poslední Sebina v říjnu 2016 (asi sol 1495).
Ano, vrt Sebina ze sol 1495 je prozatím poslední.
http://www.spaceflightinsider.com/wp-content/uploads/2016/12/MSL-drill-targets-sol1495-PIA21254_rsz-1600px.jpg
Díky moc. Tyto postupně aktualizované rodinné fotografie všech vrtů jsou úžasná záležitost. Teď máme pěkný obdélník 5×3. Doufejme, že brzy uvidíme čtverec 4×4 🙂
Vzhledem k tomu, co musi vydrzet uplne obycejna vrtacka v provozu 24/7 ve fabrice si nejspis NASA dela srandu… at tam priste daji skutecnou vrtacku a ne takovejhle paskvil.
Rekl nekdo vedatorum, ze se to bude i pouzivat?
Ironie není na místě. bavíme se tu o technologii, která musí materiál nejen odvrtat, ale i zajistit jeho transport tam, kam potřebujeme.
Vaše „uplne obycejna vrtacka v provozu 24/7 ve fabrice“ ale nemusí:
– mít velmi nízkou hmotnost a příkon
– vydržet start na kosmické raketě a přistání na jiné planetě (přetížení, vibrace)
– vydržet mnohaměsíční přelet v kosmickém vakuu a extrémně nízkých teplotách
– být na robotickém rameni bezúdržbového robota s dálkovou obsluhou
– spolu s vrtáním otvoru do kamene neznámých vlastností zajistit také odběr vyvrtaného materiálu a jeho dopravu do analytických laboratorních přístrojů
– umožňovat robotizovanou výměnu vrtacího nástroje a sběrné komory
– umožňovat vrtání v širokém rozsahu úhlů od svislého do vodorovného směru
Proto vrtačka na robotické pojizdné biochemické laboratoři na jiné planetě vypadá jinak, než „vrtačka ve fabrice na Zemi“.
Nezapomeňte na provoz v suchém „skorovakuu“. Spousta nesmáčeného jemného prachu/abraziva atd.
Ano, rozdílných faktorů oproti pozemským podmínkám použití je určitě více.
Co je ale zcela zásadní, to je nemožnost jakékoli detailnější inspekce a opravy celého zařízení lidským technikem … tento faktor v kombinaci s těmi výše jmenovanými výrazně ovlivňuje to, jak může takové zařízení vypadat.
Na roveru ExoMars 2020 bude vrtačka také, dokonce se schopností vrtat až do 2 m hloubky, ale tam mají konstruktéři relativně ulehčenou práci v tom, že je vrtačka otočně uložena přímo na těle roveru, tj. není na robotickém rameni a může být o něco větší, těžší a nebude potřebovat některé mechanismy jako ta na MSL. Na druhou stranu bude mít 4-dílný hloubkový vrták, dokonce uvnitř vybavený IČ spektrometrem, atd.
Pěkný čtení! V jpl musí být neustále zábava.
Díky za zpětnou vazbu.
V JPL je mnoho špičkových inženýrů, kteří se rozhodně nenudí a pracují na úžasných projektech, jež v historii kosmonautiky nemají obdoby.
Zdravim, z tychto vsetkych problemov mi vychadza, ze porovnanie nakladovosti a efektivity v porovnani s ludskou posadkou pri „vesmirnych – planetarnych misiach“ trochu pokrivkava.
Myslím, že to jsou dvě těžko srovnatelné kategorie vesmírného průzkumu.
Samozřejmě že vyškolený astronaut, nebo přímo geolog, by na místě dokázal mnohem více specifické průzkumné práce a 1000x rychleji, než robotická sonda.
Na druhou stranu, tuto pojízdnou robotickou laboratoř Američané dokázali dopravit a provozovat na cizím kosmickém tělese už v roce 2012 a za cenu 2,8 mld USD.
Lidskou posádky by v tu dobu kvůli 100x vyšším nákladům a 10000x většímu riziku na Mars nikdo poslat nemohl.
Musím povedať že je to vynikajúci článok! Ďakujem.
Díky, jsem potěšen, že se článek líbil.
NASA má k dispozici také ultrazvukovou vrtačku, která je mnohem, mnohem jednodušší. Proč ji nepoužili?
Ultrazvukovou vrtačku? Nemáte na mysli laserový spektrometr ChemCam? S jeho pomocí se analyzují pouze povrchové vrstvy v hloubce sotva pár milimetrů. Vrták odhalí materiál v hloubce několika centimetrů a navíc přetransportuje materiál do mnohem podrobnějších analyzačních přístrojů v těle roveru.
Pravděpodobně máte na mysli USDC (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer), vyvíjený a testovaný v JPL kolem roku 2000. https://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/usdc/usdc.htm
Proč ji na žádném roveru zatím nepoužili jsem nezjišťoval, ale pravděpodobně toto zařízení nevyhovovalo z toho důvodu, že do laboratorních analyzátorů MSL potřebujete dopravit určité množství vyvrtaného materiálu, v přesně daném množství a s takovou hrubostí zrna, kterou nejlépe zajistí klasická příklepová vrtačka s „vidiovým“ vrtákem se šroubovitou drážkou pro odběr materiálu. Ale je to jen můj odhad – možná je US technologie vhodná i pro odběr materiálu a nebyla zvolena z jiného důvodu, který neznám.
Poptám se u autorky zdrojového článku, která má v JPL poměrně dost zdrojů, takže možná by dokázala zjistit přesnou odpověď.
Ultrazvuková vrtačka je už dlouho komerčně dostupná, používají ji např. zubaři v USA.
Může vrtat i nekruhové díry.
http://www.hplapidary.com/en/ultrasonic-drills
https://www.alibaba.com/showroom/ultrasonic-drilling-machine.html
https://ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/usdc/usdc.htm
https://www.youtube.com/watch?v=Tj8yoDU6ZMs