V minulosti jsme každé jaro slýchávali hesla jako „Březen – měsíc knihy“ a „Duben – měsíc bezpečnosti“. Letos, obzvlášť pokud jde o robotický průzkum Marsu, můžeme jednoznačně prohlásit: Duben byl měsícem Ingenuity. A rovnou hrdě dodejme druhé heslo: Mission Accomplished! – Mise splněna! Co všechno se s roverem Perseverance (Vytrvalost) a helikoptérou Ingenuity (Vynalézavost) událo za posledních více jak 5 týdnů, si popíšeme v druhém dílu tohoto seriálu.

Vysazení a předletová příprava

V předchozím díle jsme rover „Percy“ s helikoptérou „Ingy“ opustili 23. března (sol 32), kdy už byl ze spodní strany roveru odhozen ochranný kryt vrtulníku a rover mířil na vybranou lokalitu Airfield (letiště), cca 15 m od místa přistání. Tam mělo dojít k vysazení helikoptéry na povrch rudé planety a prvnímu testovacímu letu, naplánovanému na 8. dubna. Na místo určení Percy dorazila po dvou kratších jízdách během solu 34. Vysazování Ingy bylo naplánováno velmi opatrně, krok za krokem, kdy každý pohyb nebo odemknutí zámků mělo zabrat vždy 1 sol. Pokaždé provést jednu naplánovanou činnost, nafotit výsledek, poslat snímky na Zemi a čekat na další sadu instrukcí. Plán den po dni vypadal takto (čísla solů platí jen pro uvolňování helikoptéry) :

Sol 1: pozemní tým aktivuje zařízení na zlomení pojistky, držící upínací mechanismus v zamčené poloze
Sol 2: pyrotechnické přeseknutí kabelu, držícího Ingenuity ve vodorovné poloze. Nastane částečné sklopení vrtulníku vlastní vahou a vyklopení 2 nohou do finální polohy
Sol 3: pomocí elektrického pohonu bude dokončeno sklápění Ingenuity do svislé polohy
Sol 4: budou uvolněny upínky, držící zbývající 2 nohy, které se následně vyklopí do pracovní polohy
Během každého z těchto 4 solů má kamera Watson pořizovat fotodokumentaci, která bude na Zemi vyhodnocena před schválením každého dalšího kroku. Na konci solu 4 má Ingenuity viset svisle dolů, cca 13 cm nad povrchem kráteru Jezero.
Sol 5: Perseverence naposledy nabije 6 článků Li-ion baterií a dojde k finálnímu odpojení Ingenuity od roveru, vrtulník dopadne 4 nohami na povrch.
Rover co nejrychleji odjede alespoň 5 metrů od Ingenuity, aby nestínil a umožnil dobíjení baterií helikoptéry přes fotovoltaický panel.
Sol 6: bude nutné potvrdit že: 1) všechny 4 nohy Ingenuity stojí pevně na povrchu, 2) rover odjel aspoň 5 metrů daleko, 3) rover i helikoptéra navzájem obousměrně rádiově komunikují.
Dokončení těchto kroků odstartovalo období 30 solů, během kterých musí proběhnout dobíjení baterií, předletové kontroly a všechny letové testy Ingenuity.

Jeden z kontrolních záběrů na 2. krok procesu spouštění Ingenuity na povrch vypadal takto.

Během této doby nezahálely ani další části roveru a paralelně probíhaly první kroky vědeckého průzkumu. Konkrétně během solu 37 laserové dělo přístroje SuperCam ostřelovalo nedaleký balvan, který se jevil jako Fe-Ni meteorit.

Během solu 39 (30.3.) už Ingy visela způsobně dolů, se všema 4 nohama vyklopenýma a zbývalo rozpojit poslední kotvicí mechanismus, který držel oba roboty u sebe. Před tím se ovšem inženýrský tým musel ujistit, že je helikoptéra dokonale připravena. Baterie v pořádku a dobity na 100%, tepelný komfort elektroniky zajištěn a veškerý autonomní sw vrtulníku připraven na samostatný provoz. Po uvolnění od roveru už nebude cesty zpět. Po přestřižení pomyslné pupeční šňůry bude Ingenuity na vše sama. Doposud si užívala vyhřívání interiéru na +7,2°C ze zdrojů roveru. Po odpojení to bude z vlastních baterií zvládat pouze na -15°C. Okolní teploty totiž přes noc klesají až k -90°C.

K vysazení Ingenuity na povrch nakonec došlo až během solu 43 (4.4.).  Bylo to téměř po roce od okamžiku, kdy byla k roveru připojena ještě na floridském kosmodromu. Percy zároveň úspěšně odjela několik metrů vpřed, aby nestínila při dobíjení baterií. V této době se první let plánoval na 11. dubna, až budou úspěšně splněny všechny kontroly a přípravné kroky k letu. Prvním očekávaným milníkem, na který projektový tým čekal se zatajeným dechem, bylo samostatné přečkání první mrazivé noci. Vydrží  elektronika? Nezmrznou baterie? Probudí se Ingenuity následující sol?  Tady je vhodné připomenout fakt, že Ingenuity jako technologický demonstrátor, byla z velké části sestavena ze standardních součástek, volně dostupných na trhu s elektronikou, takže jejich spolehlivost v náročném prostředí kosmického letu a poté na povrchu Marsu nebyla zaručena. Například její baterie se skládá ze 6 standardních Li-ion akumulátorů SONY SE US18650 VTC4, použité procesory jsou 2.26 GHz Quad-core Snapdragon 801 a Texas Instruments  TMS570LC43X a podobně. Baterie umístěné v kruhu uprostřed trupu jsou vyhřívané odporovými topidly. Téměř 2/3 elektrické energie je využíváno jen na vytápění baterií přes mrazivou noc. Box elektroniky je od vnějšího prostředí tepelně izolován 3 cm širokou mezerou, vyplněnou CO2 a na povrchu vnějšího pláště ještě postříbřenou izolační fólií Sheldahl. Další detaily konstrukce vrtulníku popisuje jeden z dokumentů ve zdrojích pod článkem.

Před prvním letem musely být provedeny následující ověřovací kroky:

– Elektrické systémy a baterie musí přečkat velmi nízké noční teploty – elektrická topidla musí správně fungovat
– Panel fotovoltaických článků musí dobít akumulátory vrtulníku
– Musí být potvrzena bezchybná obousměrná radiová komunikace s roverem
– Musí se zdařit test rotace vrtulí za nižších a vysokých otáček
– A další drobnější testy elektronického vybavení

K odemknutí a prvnímu protočení obou rotorů při 50 ot/min došlo v sol 46. Také test naklápění listů vrtulí dopadl dobře. Rover se pak vydal východním směrem na 65 metrů vzdálené pozorovací stanoviště, pojmenované Van Zyl Overlook. Do prvního letu zbývalo provést poslední test: roztočení rotorů na ~2500 ot/min, které jsou nutné pro let v místní řídké atmosféře. A tady nastal první vážný problém. Tento test byl automaticky předčasně ukončen, jelikož v časovém limitu nedošlo k přepnutí palubního počítače do letového módu.

Zkušený čtenář našeho blogu tuší, co taková závada může znamenat – odklad letu. A přesně k takovému rozhodnutí došlo. Bylo nutné analyzovat přijatá data, zjistit příčinu závady a vymyslet nápravná opatření, otestovat je na Zemi a následně je implementovat na Marsu. Řešením se stala úprava SW, která si musela projít tímto zdlouhavým  procesem, takže k dalšímu pokusu o protočení rotorů na vysoké otáčky došlo až za týden, 16. dubna. Nutno říct, že tentokrát už to byl test úspěšný. I tak se musely opět analyzovat veškerá přijatá data z testu a nový datum 1. letu byl stanoven až na pondělí 19. dubna.

Možná si řeknete: vždyť už jim do konce testovacího okna zbývají pouhé 2 týdny … co za tu dobu chtějí stihnout, když jim jen vysazení a oživování takto jednoduché helikoptéry zabralo 3 týdny! V jiném případě byste mohli mít tuto obavu oprávněně, jenže u Ingenuity, pokud už jednou začne létat, tak může na další let skoro každý 3. sol. Ale nepředbíhejme.

Rád bych zde zmínil jednu kuriozitu, kterou si Ingy přivezla s sebou na Mars. Jedná se o pěkný symbol průkopnických kroků aviatiky a to kousek mušelínové látky o velikosti poštovní známky z potahu křídel prvního letounu Flyer 1 bratří Wrightů. Na něm oba aviatici 17.12.1903 prováděli první krátké lety s motorovým letounem těžším vzduchu, čímž se zapsali do historie letectví. NASA kousíčky této relikvie posílá na významné kosmické mise, jako upomínku na průkopnické začátky americké aviatiky. Zatím letěli ústřižky potahu Flyer 1 na těchto misích:

1969: Apollo 11, vezl Neil Armstrong
1986: STS-51-L Challenger
1998: STS-95 Discovery, vezl John Glenn
2000: STS-92 Discovery, 100. let raketoplánu
2021: Perseverance/Ingenuity, první helikoptéra Marsu

Opatrná premiéra

Po několika odkladech se dobrá věc skutečně podařila a Ingenuity poprvé vzlétla v atmosféře jiné planety než Země. Stala se tak 19.4.2021 prvním motorizovaným vrtulovým strojem v historii, který se řízeně vznesl a bezpečně přistál na cizím kosmickém tělese. Je třeba smeknout před umem, vynalézavostí a vytrvalostí týmu inženýrů z JPL a dalších 3 středisek NASA, kteří během 4 let dokázali zkonstruovat, otestovat a dopravit tento létající aparát na Mars a tam ho úspěšně dostat do vzduchu.

Jak tento let vlastně vypadal? Nebylo to nic komplikovaného, ale takové už první pokusy většinou bývají. Hlavní pilot helikoptéry Håvard Grip spolu s týmem naplánoval velmi konzervativní letový plán: vzlet svisle vzhůru do výšky 3 m rychlostí 1 m/s, visení 5 s na místě, otočení o 96° kamerou k roveru,  dalších 20 s visení, svislé klesání 1 m/s a přistání na místo vzletu. Celý let trval 39,1 sekundy, proběhl přesně podle zadané sekvence příkazů, včetně vylučování snosu větru a byla přijata všechna letová data.

V řídicí místnosti mise okamžitě zavládlo velké nadšení, potlesk a úleva, celý provozní tým Ingenuity mohl oprávněně slavit. Technologicko-demonstrační mise Mars Helicopter právě splnila všechny hlavní úkoly, které na ni byly kladeny: demonstrovat let v simulovaných marsovských podmínkách na Zemi, demonstrovat let na Marsu a získat důležitá technická data z letu.

Ingenuity byla po přistání zcela v pořádku, dokonce v lepším stavu než před letem. Vibracemi za letu se totiž odstranila jemná vrstva prachu na fotovoltaickém panelu nad rotorem a výroba elektrické energie mírně vzrostla. Příjemným překvapením pro tým bylo, že při přistání nedošlo téměř vůbec ke zvíření prachu na povrchu a objektiv navigační kamerky na spodní straně trupu tak zůstal čistý. Ke krátkému rozvíření prachu došlo jen při vzletu, kdy to pro helikoptéru není tak kritické.

Všechna přijatá data odpovídala simulačním letům v testovací komoře na Zemi, čímž se zcela potvrdily výpočtové modely a pozemní testy z oblasti aerodynamiky, mechaniky letu, řízení a navigace, termodynamiky a další.

Po prvním úspěšném letu byla mezinárodní organizací civilního letectví ICAO Ingenuity přidělena volací značka letounu IGY-1 a letové ploše, odkud vzlétla, označení JZRO, podle kráteru Jezero, kde se tato plocha nachází.

NASA na Twitteru mimo jiné napsala jeden symbolický komentář, odkazující i na předchozí mise roverů MER:

„It happened. Today our #MarsHelicopter proved that powered, controlled flight from the surface of another planet is possible.
It takes a little ingenuity, perseverance, and spirit to make that opportunity a reality.“

… chce to trochu vynalézavosti, houževnatosti a duchaplnosti na to, udělat z příležitosti skutečnost.

Video z 1. letu

Nezahálel ani rover Perseverance. Mimo obvyklého snímkování okolí, sbírání meteo-dat a dalších měření na místě, hned 20. dubna (sol 60) proběhl první a úspěšný test výroby kyslíku z atmosféry Marsu experimentální aparaturou MOXIE. V podstatě šlo, podobně jako u Ingenuity, o první technologicko-demonstrační pokus, mající za úkol ověřit, zda tato ISRU technologie spolehlivě funguje v místních podmínkách.

Po 2 hodinách zahřívání na provozní teplotu ~800°C začala MOXIE vyrábět kyslík z místní atmosféry rychlostí 6 g/hod. Po první hodině bylo vyrobeno 5,4 g kyslíku, což by astronautovi při běžné činnosti stačilo na 10 min dýchání. Během prvního marsovského roku je v plánu provést ještě minimálně 9 dalších výrobních testů MOXIE. Bude se testovat výroba v různých částech dne za rozdílných teplot a vlhkosti vzduchu, a také v různých ročních obdobích, kdy se mění teplota, tlak a další okolní podmínky.

Druhý a třetí testovací let

Druhý let na sebe nenechal dlouho čekat. Po vyhodnocení dat z premiérového letu a dobití baterie byl 22. dubna proveden o málo odvážnější let v délce 51,9 sekundy. Ingy se tentokrát vznesla do 5 metrů, několikrát se pootočila kolem svislé osy a provedla 2 metry dlouhý horizontální let rychlostí 0,5 m/s. Následně se otočila, po stejné trase se vrátila zpět a přistála na místo vzletu. Pořízený videozáznam pro laické oko není moc atraktivní, protože horizontální let proběhl na ose helikoptéra – rover, takže tento pohyb nebyl moc vidět. Co nás naopak velmi potěšilo, byl první barevný letecký snímek z Marsu a to z  kamerky RTE s velkým rozlišením (Sony IMX 214, 4208 x 3120 px).

Ke třetímu letu došlo 25. dubna (sol 64). Parametry letu byly tentokrát o něco odvážnější: opět stoupání do výšky 5 m, horizontální přelet do vzdálenosti 50 m, tentokrát rychlostí 2 m/s a návrat zpět. Celková doba letu byla 80 sekund. I tentokrát vrtulníček pracoval jako hodinky a předvedl perfektní let podle plánu. Díky větší vzdálenosti a vyšší rychlosti letu byl řádně otestován systém orientace a navigace, který musel stíhat vyhodnocovat pozemní útvary na č-b snímcích navigační kamery a „neztratit nit“. To se také projevilo docela přesným přistáním jen ~30 cm od místa vzletu. Na autonomní robotickou helikoptéru o váze 1,8 kg na cizí planetě je to skvělý výkon.

Video z 3. letu

Na videu sice Ingy vyletí ze záběru, ale po 23 s se do něj znovu vrátí. Percy nemůže během jejího letu otáčet svou hlavici s kamerami, jelikož byla zjištěna elektromagnetická interference mezi letícím vrtulníčkem a kontrolerem servomotorů na roveru.

Po třech dnech jsme se dočkali dalšího příjemného překvapení v podobě letového snímku z barevné kamery na Ingenuity, kde se podařilo v levém horním rohu zachytit mateřský rover. Zároveň je v horní partii vidět i místo přistání roveru při manévru Sky-crane a heliport, kde byla Ingenuity vysazena.

Čtvrtý let a budoucnost

Jelikož Ingy během prvních 3 letů splnila všechny úkoly a v podstatě předčila i ta nejoptimističtější očekávání, byl 4. let naplánován na 29. dubna vskutku velkoryse, až za limity některých letových parametrů. Na rozdíl od předchozích letů se Ingy měla tentokrát vydat na jih, zcela mimo dříve prozkoumanou letovou zónu, jež je severně od místa vysazení. Let do 5 m výšky, pak horizontální přelet 133 m daleko, navíc rychlostí 3,5 m/s.

Od vzdálenosti 84 m od heliportu až k otočnému bodu měla č-b navigační kamera NAV (Omnivision OV7251) každých 1,2 m pořizovat  snímky terénu pod sebou. Následováno otočkou o 180° včetně snímkování okolí barevnou kamerou a let zpět, celkem 266 metrů a rekordní délka letu 117 sekund.

Tady je nutné poznamenat, že původní limit pro maximální dobu letu byl 90 sekund. Omezením přitom nebyl energetický rozpočet, tedy množství dostupné energie v palubních bateriích, kterého je před letem relativně dostatek, ale vyšší zahřívání elektromotorů, pohánějících na přímo dva rotory vysokými otáčkami. Musíme si uvědomit, že tyto motory jsou uloženy v uzavřených pouzdrech z uhlíkového kompozitu, nejsou nijak aktivně chlazeny a navíc se pohybují ve velmi řídké atmosféře, jejíž proudění za letu má velmi slabý chladicí účinek.

Zdálo se, že vše je připraveno a operační tým v JPL napjatě očekával přijetí dat z náročného letu, jenže ouha – z Marsu přišla úplně jiná informace. Ingenuity opět potrápil známý problém s překročením časového limitu pro přepnutí palubního počítače do letového režimu a helikoptéra zůstala stát na zemi. Až na tento zádrhel bylo vše v pořádku. Ukázalo se, že sw záplata, nainstalovaná před 1. letem nebyla úplně dokonalá a byla zde stále 15% šance, že se problém zopakuje, což se i stalo. Nebyla to žádná kritická závada, let byl přeplánován na další den, tedy 30.4.

Na poslední dubnový den odpoledne byla také naplánována tisková konference JPL, kde vedení mise hodlalo oznámit další plány s úspěšným technologickým demonstrátorem. Přijetí dat z druhého pokusu o 4. let jsme se ale měli dočkat až po tiskovce, protože přenos dat Mars – Země je omezen jen na několik časových oken za  den a před telekonferencí nebyl žádný přenos možný.

Čekali jsme téměř cokoli, například velmi radikální, nebo riskantní plán na poslední 5. let Ingenuity, ale to co jsme se dozvěděli bylo asi pro mnoho lidí překvapením.

Všechny cíle mise Ingenuity byly po 3 perfektně provedených letech kompletně splněny a mise byla rozhodnutím managementu transformována z technologicko-demonstrační na operačně-demonstrační misi. V podstatě to znamená, že 4. a následující lety už nebudou sloužit pro testování základních schopností a letových charakteristik vrtulníku samotného, ale stává se z něj užitečný letový prostředek, který bude nadále využíván pro testování „asistenčních služeb“ pro primární misi roveru Perseverance. Mise Ingenuity proto bude po uplynutí prvních 30 solů prodloužena o dalších 30 solů, s možností ještě dalšího prodloužení podle stavu ke konci tohoto období. Cílem 4. letu bude průzkum přistávacích oblastí, kam se Ingenuity znovu vydá cca za týden při 5. letu a ve vybraném místě přistane, poprvé mimo původní „letiště“, kde byla vysazena. Další, tedy šestý, sedmý a další lety už nebudou probíhat tak často jako doposud. Jen 1x za 2-3 týdny, aby bylo dostatek času na podrobné plánování průzkumných letů. Během těchto letů, které by mohly trvat až 120 sekund, by se mělo létat jen jednosměrně, rychlostí až 5 m/s, do vzdálenosti až 600 m. Cílem bude průzkum vědecky zajímavých lokalit, které budou pro rover těžko přístupné.

Operační tým získal vysokou jistotu a důvěru v letové schopnosti Ingenuity na základě všech přijatých dat, obrazové a video dokumentace. Tato data například potvrdila, že vrtulník je schopen měřit a udržovat svou výšku s přesností 1 cm, směr letu s přesností 1,5° a to i s vlivem větru, elektromotory se nijak extrémně nepřehřívají a podobně. Percy po celý měsíc, kromě svého vlastního vědeckého programu, spolehlivě plnila také dvě podpůrné role pro misi Ingenuity. Jednak sloužila jako retranslační stanice, aby se všechna data z vrtulníku dostala na Zemi a také v opačném směru všechny letové povely a zároveň neúnavně pořizovala dokumentační fotky a videa, která jsou také velmi cenná jak pro inženýrský tým, tak pro širokou veřejnost.

Rover má zatím na svém odometru něco kolem 290 najetých metrů a v následujících solech se vydá na jih, podél okraje písčitých dun a později zahne na jihozápad, kde v červeně vyznačené oblasti na obrázku výše stráví několik stovek solů vědeckým průzkumem, včetně odběru prvních 3-4 kamenných vzorků.

Než se tak stane, dojde ještě ke dvěma vylepšením: jednak bude aktualizována část kódu pro autonomní jízdní navigaci, která Perseverance umožní ujet každý sol až 3x větší vzdálenost než doposud a druhá úprava se týká rekalibrace kamery Watson na robotické paži, která bude nově schopná pořizovat detailní „makro“ snímky ze vzdálenosti jen 2 cm od snímaného objektu.

Během 4. letu měl být znovu zapnut mikrofon na roveru, který měl zaznamenat zvuk letící helikoptéry. Zda se to podařilo, zatím nevíme. A jak tento let proběhl? Až v pátek 30.4. večer jsme se dozvěděli potěšující zprávu, že i 4. let byl nominální, tedy vše proběhlo podle zadaného „flight plan“, a do JPL proudí záznamy letových dat a hlavně nasnímané obrázky neznámého terénu, kam se bude přesouvat Ingenuity i Perseverance.

Duben, měsíc Ingenuity, chcete-li Vynalézavosti, proběhl nade všechna očekávání dobře. Největším překvapením pro projektový tým bylo právě dokonalé chování experimentálního vrtulníčku za letu i v takto nehostinných podmínkách a také množství a kvalita všech přijatých dat, včetně těch, monitorujících palubní systémy i mimo letové testy.

Když byla projektová manažerka mise Mars Helicopter, MiMi Aung novináři dotázána, jestli se dá u  Ingenuity vysledovat nějaká charakteristická vlastnost, MiMi se doširoka pousmála: „Ano, ona zkrátka miluje Mars!“

V době zveřejnění tohoto článku bude mise Mars Rover 2020 – Perseverance pokračovat solem 72. Popřejme oběma robotickým průzkumníkům a jejich pozemním týmům do dalšího měsíce neutuchající nadšení, vzájemnou výpomoc a spolupráci, i když letového provozu už nebude tolik, dostatek slunečního svitu pro baterie a snad jen samá příjemná překvapení. Jak už z minulosti velmi dobře víme, Mars nás umí vždy překvapit.

Zdroje informací:

https://youtu.be/GhsZUZmJvaM
https://youtu.be/WK5YXZIIEKU
https://youtu.be/9C_IyUdKKXI
https://youtu.be/BAlXe-U0ws4
https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Balaram_AIAA2018_0023.pdf
http://www.collectspace.com//news/news-032821a-ingenuity-mars-helicopter-wright-flyer-fabric.html
https://twitter.com/lukewalkergt/status/1386475978273263619?s=21
https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/status/298/what-were-learning-about-ingenuitys-flight-control-and-aerodynamic-performance/

Zdroje obrázků:
https://res.cloudinary.com/teepublic/image/…
https://mars.nasa.gov/mars2020-raw-images/pub/ods/surface/sol/00038/ids/edr/browse/zcam/ZL0_0038_0670328073_618EBY_N0031392ZCAM08009_1100LUJ01_1200.jpg
https://mars.nasa.gov/mars2020-raw-images/pub/ods/surface/sol/00037/ids/edr/browse/shrlc/SIF_0037_0670232381_234EBY_N0031392SRLC07020_0000LUJ01_1200.jpg
https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/images/jpegPIA24547.width-1600.jpg
https://pbs.twimg.com/media/E0QEdUgXMAA23xv?format=jpg&name=medium
https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA24291.jpg
https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/images/jpegPIA24499.width-1600.jpg
https://mars.nasa.gov/system/resources/detail_files/25818_3-PIA24584-web.jpg
https://www.haystack.mit.edu/wp-content/uploads/2020/07/project_MOXIE_mars2020-2019-03-21-105017-D2019_0320_RL2601-768×513.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/1a-pia24625-ingenuity_spots_perseverance_while_in_the_air_a.jpeg
http://www.unmannedspaceflight.com/index.php?act=attach&type=post&id=47651
http://www.unmannedspaceflight.com/index.php?act=attach&type=post&id=47654
https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA24642.jpg