Většina našich čtenářů bude patrně vědět, že letová fáze mise vrtulníčku Ingenuity skončila po téměř 3 letech aktivní činnosti letošního 18. ledna, kdy byl do zápisníku letů pořízen poslední záznam s pořadovým číslem 72. Od solu 1035 se z dříve létajícího technologického demonstrátoru stala statická sonda, lander, který se do atmosféry Marsu už nikdy nevznese. O této události a mnoha souhrnných statistických údajích jsme vás informovali v tomto článku.

V tomto díle seriálu rozšíříme mozaiku informací o pár novinek, které s veřejností během rozhovorů nasdíleli jedni z nejpovolanějších pracovníků JPL na této misi, dva šéf piloti Ingenuity Håvard Grip a Martin Cacan a vedoucí inženýr Travis Brown.

Je docela možné, že některé informace na následujících řádcích už byly v předchozích dílech seriálu zmíněny, ale snad to laskavý čtenář omluví a nebude se na nás za trochu toho opakování zlobit.

Šéf piloti Håvard Grip (vlevo) a Martin Cacan (vpravo),   Zdroj: YouTube

Nejoblíbenější lety Ingenuity z pohledu pilotů

Dr. Håvard F. Grip je aerodynamikem a hlavním řídícím leteckých operací v JPL. Roli vedoucího  pilota Ingenuity plnil od počátku mise při letech 1 – 37. Jeho výběr oblíbených letů Ingenuity, obsahujících rozličné výzvy, překvapení a úspěchy, vypadá následovně:

• 

  Jeden z prvotních modelů Ingenuity ve vakuové komoře, Zdroj: YouTube

  Od roku 2014 probíhal vývoj nové marsovské helikoptéry, jehož součástí byl i úkol vytvořit testovací prostředí, co nejvíce podobné podmínkám v místě plánovaného přistání na Marsu. Modely vrtulníku proto byly testovány ve vakuové komoře, s uměle vytvořenou velmi řídkou atmosférou, ale také vystaveny horizontálnímu proudění, chcete li „větru“ a to nejprve pomocí vodorovně se pohybujícího ramene s upoutaným modelem vzhůru nohama a později pomocí „větrné stěny“, tvořené 800 PC větráčky. Dalším testovacím krokem bylo přidání „snížené gravitace“, čehož se dosáhlo zavěšením modelu přes rybářský vlasec na balancér, který odlehčoval cca 62% pozemské gravitace.

  

  Leotový model Ingenuity zavěšený na balancéru, Zdroj: YouTube

  Jelikož se tyto testy prováděly už se skutečným letovým hardware, který neměl zálohu, trvalo například několik dní, než se tým shodnul na výběru co nejbezpečnějších uzlů na silonových vlascích, které zajistí, aby se testovaný HW za žádných okolností nepoškodil.

  V těchto dnech celá nízkonákladová mise doslova visela „na vlásku“, respektive na správně uvázaných uzlících na silonovém vlasci.

• Plánování, kde přesně bude Ingenunuity vyložena na povrch, začalo přímo v den přistání roveru Perseverance na Marsu. Lokalita, později nazvaná „Wright Brothers field“ byla vybírána zejména s ohledem na množství a velikost kamenů a sklon povrchu.
  

  Analýza překážek pro výběr místa vyložení Ingenuity z roveru, Zdroj: YouTube

  Na obrázku vyznačuje zelený čtverec uprostřed oblast s nejmenším množstvím malých překážek, která byla vybrána pro vysazení helikopréry.

• Premierový let Ingenuity do 3 metrové výšky byl pro celý tým doprovázen obrovským napětím. Ve chvíli přijetí všech dat z úspěšného krátkého letu zavládla v místnosti obrovská radost a úleva. Tento let byl pro Hawarda Gripa také doposud největším překvapením, naštěstím pozitivním, protože všechna letová data z Marsu téměř přesně odpovídala počítačovým simulacím a výsledkům pozemních testů.
  

  Nadšení letového týmu z úspěšného prvního letu Ingenuity, Zdroj: YouTube

  Bylo to pozitivním potvrzením, že pozemní tým je schopen docela přesně předpovídat chování Ingenuity, letové modely jsou správné a nepotřebují v  úvodu mise žádné korekce.

• Dalším nervy drásajícím letem byl ten s pořadovým číslem 9. Letový tým se tehdy rozhodl pro zkratku přes větší dunové pole Séítah, které musel rover zdlouhavě objíždět. Letový SW nebyl pro tento typ terénu a délku letu původně vůbec připraven, ovšem tým se rozhodl poprvé zariskovat a let byl úspěšný.
  

  Let č. 9 přes oblast Séítah, Zdroj: YouTube

  Tímto letem Ingenuity přestala být pouze testovacím zařízením a stala se skutečným průzkumníkem, pohybujícím se před roverem a hledajícím vědecky zajímavé lokality, podporujíce tak hlavní vědecké cíle mise.

Dr. Martin Cacan, v JPL jeden z vedoucích pro GNC – navádění, navigaci a řízení kosmických letů, pilot Ingenuity pro lety 15 – 37, vedoucí pilot pro lety 38 – 72, vybral tyto důležité momenty mise:

• Let č. 26 nabídnul možnost přeletu nad troskami zadního aerodynamického krytu sondy.
  

  Let č. 26 nad troskami zadního aerodynamického krytu, Zdroj: YouTube

  Pořízené snímky z nadhledu poskytly konstruktérům přeletové schránky jedinečné informace, jak jejich design obstál při dopadu na povrch, které části se roztříštily a co zůstalo v celku. Tato data pomohou optimalizovat podobné konstrukce u budoucích meziplanetárních sond.

• Let 40 znamenal další milník v letovém deníku, kdy Ingenuity opustila bezpečné prostředí plochého dna kráteru a začala stoupat do členitého terénu říční delty. Tam se musela potýkat s mnohem větším počtem velkých kamenů na přistávacích plochách. To si vyžádalo upgrade letového SW, který nově obsahoval algoritmus pro aktivní vyhýbání se překážkám.
• Let 51 poskytl velice unikátní pohled na členitý terén s kráterem Belva v pozadí, před ním se vinoucí stopy kol roveru, samotný rover Perseverance vlevo a zároveň stín letící helikoptéry zvýrazněný kontrastem dopadajících paprsků slunce na pahorek v popředí.
  

  Let č. 51 s unikátním výhledem na rover, jeho stopy a stín letícího vrtulníčku, Zdroj: YouTube

  Takové snímky velmi pomáhají ke zvýšení zájmu a přitáhnutí pozornosti veřejnosti do aktivit právě probíhající mise.

• Let 52 odhalil pro vědce velmi zajímavou a neočekávanou část geologického podloží, díky čemuž rover Perseverance podnikl neplánovanou vědeckou exkurzi přes Hidden Valley až k místu Dream Lake.
• Jednou z velkých výzev pohybu v říční deltě byla členitost terénu, ovlivňující vzájemnou radiovou komunikaci mezi roverem a helikoptérou. Terén zároveň diktoval trasu obou robotů, které musely být například mezi lety 43 až 46 téměř identické. Kvůli restrikcím, jak moc se Ingenuity za letu může přiblížit k Perseverance, bylo rozhodnuto, že helikoptéra musí rover předehnat a pohybovat se po trase před ním.
  

  Topologická telekomunikační mapa, Zdroj: YouTube

  Zároveň ale nesměla odletět moc daleko, aby byla schopna skrze rover stále komunikovat s pozemním řídicím střediskem. Na příkladu topologické komunikační mapy je vidět pozice Ingenuity jako modrá hvězda. Zelené plochy vyznačují oblast v terénu, kde je vzájemná komunikace zaručena. Červené a žluté oblasti vyznačují postupně se snižující kvalitu signálu. Mimo červenou oblast už byla vzájemná komunikace zcela nemožná.

• Létání s Ingenuity na Marsu, přes několik ročních období a v různých typech terénu, týmu umožnilo ověřit a naučit se, jak v reálném prostředí jiné planety a v rozdílných okolních podmínkách létat výše a rychleji a přitom stále bezpečně.

Průběh mise očima inženýrů

Travis Brown, PhD v JPL pracuje jako inženýr pro robotické systémy, je členem týmu pro robotickou mobilitu. Pracoval na více robotických projektech planetárních sond a aktuálně zastává funkci hlavního inženýra pro Mars helicopter Ingenuity. Následující řádky budou soupisem zajímavých informací z rozhovoru s Johnem Gallowayem z portálu NASASpaceFligh.com a Elysia Segal z Intrepid muzea.

Šéf inženýr Travis Brown, Zdroj: YouTube

• Koncept malé helikoptéry pro Mars byl zvažován už od 90. let, kdy se jím zabýval Bob Balaram, který byl následně séf inženýrem pro fázi vývoje a testování Ingenuity. Dá se říct, že byl jejím duchovním i faktickým otcem až do startu v roce 2020.
• Úvodní koncept letuschopného modelu byl ve vakuové komoře se simulovanou atmosférou Marsu poprvé otestován za letu v roce 2016.
• Jako technologický demonstrátor měl projekt helikoptéry velmi malý rozpočet a bylo jasné, že se na Mars nedokáže dostat jako samostatná sonda. Proto bylo rozhodnuto, že bude přidán jako doplněk k velké misi z kategorie „vlajkových lodí“ roveru Perseverance, i když hlavní tým z počátku nebyl z přidání „létacího parazita“ na břiše roveru vůbec nadšen.
• Několikrát dokonce nastala situace, kdy byl projekt marsovské helikoptéry vážně ohrožen, jelikož s ním spojené navýšení rizik, hmotnosti a prostoru u primární mise roveru bylo v jistých momentech považováno za nepřijatelné. Schvalovací proces vedlejší mise rozhodně nebyl přímočarý, rychlý ani snadný.
• Při konstrukci a stavbě Ingenuity projektový tým pracoval s mnoha omezeními. Konstrukce musela být extrémně lehká, malá a zároveň velmi levná. Výsledkem bylo použití mnoha standardních elektronických součástek, které jsou běžně dostupné na trhu, bez speciální radiační ochrany, nebo redundance.
• Ingenuity přistála na Marsu v jarním období, byla připravena na přívětivé jarní a letní podmínky s předpokládanou délkou primární mise 30 solů a 5 letů. Když byla tato doba překonána a přešlo léto, nastalo s příchodem místního podzimu období prachových bouří a zároveň se zkrátila délka slunečního svitu. Vypadalo to, že běžně dostupné levné komponenty, kvůli nedostatku vyrobené energie pro jejich vytápění, nepřežijí nízké noční teploty kolem -80°C. Naštěstí se ukázalo, že jediná součástka, která kruté teplotní cykly nepřežila, byl sklonoměr. K tomu došlo přibližně kolem letu č. 25, takže všechny následující lety byly pro tým velkým bonusem – pokud by například zmrzly baterie, znamenalo by to jasný Game Over.
• Jelikož se rover po 30 solech, kdy podporoval primární misi s testovací lety Ingenuity, rozjel za svými vědeckými cíly, helikoptéra se musela „naučit“ létat rychleji a dále, aby se svou „vlajkovou lodí“ udržela krok. Výsledkem bylo několik délkových rekordů, kdy se Ingenuity musela dostat před rover a fungovat vepředu jako jeho užitečný průzumník.
• V období první zimy, kdy Ingenuity neměla dostatek energie na létání, se naštěstí Perseverance nevzdálila zcela mimo rádiový dosah, ale prováděla odběry vědeckých vzorků a pak pečlivě odkládala první skupinu pouzder se vzorky v nedaleké lokalitě Three fork sample depot.
• Poté se rover znovu rozjel za novými lákadly do říční delty. Na severní polokouli už naštěstí přicházelo jaro a Ingenuity tak měla dostatek energie, aby mohla opět vzlétnout. V této době už byla v palubním počítači nová verze letového SW, umožňující agresivnější létání se stoupáním do kopců a bezpečnější přistávání v drsnějším terénu.
• Jak popsal výše Martin Canan, pohyb obou robotů v říční deltě měl několik omezení. Zejména ohledně udržení vzájemné radiokomunikace, výběr vhodných míst pro přistání, ale hlavně se letící Ingenuity, kvůli bezpečnosti primární mise, nikdy nesměla přiblížit k roveru na méně než 45 metrů. V jedné části mise, západně od kráteru Belva, se Ingenuity po letu 52 západním směrem dokonce ocitla na 2 měsíce bez spojení s roverem, který se neplánovaně vydal na sever a musela na něj na svém místě počkat.
  

  Zaprášená Ingenuity po vysazeni na povrch, Zdroj: YouTube

• Problém s ukládáním prachu na fotovoltaickém panelu helikoptéry nastal prakticky od okamžiku, kdy byla Ingenuity vysazena na povrch. První dávka prachu a písku totiž na FV panel spadla přímo z upínacího mechanismu na břiše roveru, kam se dostal během přistání pod raketovým jeřábem „Sky-crane“. Následující obrázek je toho důkazem. Trvalo minimálně první 2 lety, než se tohoto nánosu zbavili vibracemi za letu.
• Velejemný prach, který se v sezóně prachových bouří vznáší v atmosféře po dobu několika týdnů, je ovšem něco jiného. Je velmi pravděpodobně nabit statickou elekřinou a po ulpění na povrchu se na něm poměrně dobře drží díky svému elektrickému náboji. Jak snímek vedle ukazuje, tento prach je tak „lepivý“, že se drží nejen na FV panelu, ale také na velmi rychle rotujících listech nosného rotoru. Dokonce ani let maximální rychlostí nedokázal takový prach odstranit.
  

  Ingenuity s nánosem jemného prachu po prachových bouřích, Zdroj: YouTube

  Přesto byl zaprášený FV panel stále schopen pracovat na cca 60% svého nominálního výkonu. Jelikož tato ani jí podobné mise neměly dostatečný rozpočet na implementaci jakýchkoli protiprachových opatření, tak nebyly použity. Jsou nicméně k dispozici, jsou otestovaná a funkční. Jednou z metod, kterou použily například rovery MER, bylo zaparkovat na závětrné straně písečné duny a nechat z duny unášený písek zafungovat jako abrasivní materiál, který „nalepený“ prach z panelů doslova otryskal. Potřebujete k tomu ale vhodnou dunu poblíž a dostatečně silný vítr. Další metodou je elektrostatické odstraňování prachu, nebo spíše ochrana před jeho ulpíváním. Toho se dosahuje tenkými vodiči na chráněném povrchu, nebo v jeho okolí (např. kolem objektivů kamer), které pomocí cyklického vytváření správně orientovaného elektromagnetického pole dokáží jemný nabitý prach dostat mimo chráněnou oblast.

• Na rozdíl od roveru, který měl délku primární mise 1 marsovský rok, byla aktivita Ingenuity plánována pouze na 30 solů a proto v její konstrukci nebyl kladen důraz na ochranu proti prachu. Během konstrukčních prací byl například zvažován ochranný silikonový návlek / prachovka přes výkyvné talíře v rotorové hlavě, ale pro nedostatek času a financí byl nakonec vynechán s tím, že během 5 letů k velkému opotřebení kvůli prachu stejně nedojde. Jak se ukázalo později, rotorová hlava i bez protiprachové ochrany dokázala spolehlivě fungovat více než 128 minut při 72 letech.
• Téma redundance.
  

  Rotorová hlava se zdvojenými pohony a ovládacími prvky dvou koaxiálních rotorů, Zdroj: YouTube

  Ingenuity ze své podstaty levného technologického demonstrátoru (mise kategorie D) nemohla mít mnoho komponent zdvojených, nebo zálohovaných. Byla konstruována jako mise s jednoduchým řetězcem klíčových komponent, kdy selhání jednoho z nich znamenalo konec mise. Jedinou výjimkou byl dvojitý koaxiální nosný rotor se samostatnými pohony, výkyvnými talíři a servomotory pro každý rotor.

• Od letu 55 dále se řídící tým Ingenuity o něco méně věnoval průzkumu pro primární misi roveru a vrátil se znova k technologickým testům vrtulníčku. V tomto období po několik následujících letů byla postupně navyšována výška a rychlost letu, bylo testováno vyrovnávání snosu proti silnějšímu větru, což také posloužilo k měření síly větru ve vyšších přízemních výškách a podobně. Stručně řečeno, byla rozšiřována letová obálka a testováno, co ještě Ingenuity dokáže zvládnout, aby byla zredukována rizika při konstruování budoucích létajících planetárních sond.
• Během konjunkce, kdy je spojení se Zemí přerušeno, Ingenuity 3 týdny nelétala, ale prováděla pravidelné focení blízkých písečných dun, čímž přispěla k vědeckému programu mise zdokumentováním změny tvaru a velikosti sypkého terénu v čase. Rover by toto pozorování nikdy neprováděl, jelikož se písečným dunám vyhýbá a zároveň by nezůstal tak dlouho nečinně stát na jednom místě.
• Ke konci mise se Ingenuity pohybovala ve vyschlém korytě řeky, nad rozlehlými písečnými dunami na jejím dně a mířila západním směrem, kde se měla opět setkat s roverem ve vědecky zajímavé lokalitě, nazvané Bright Angel.
• Během letů 68 a 69 podnikla další technologický test Sys-ID (System Identification), kdy byly za rychlého vodorovného letu do řízení záměrně vnášeny ostré výchylky až vibrace pro plné ověření letové dynamiky v daném prostředí. Něco jako když se svým autem za jízdy zkoušíte jeho chování na suchém nebo mokrém povrchu, když rychle cukáte volantem vlevo a vpravo. Sys-ID test na Marsu byl pro konstruktéry a aerodynamiky extrémně cenný, jelikož v pozemských podmínkach nejde fyzicky nasimulovat a posloužil jako mnoho podobných testů k ověření počítačových modelů a simulací.
• Píšečné duny jsou pro přistání helikoptéry relativně bezpečný terén, ale ukázalo se, že mají také jednu klíčovou nevýhodu a tou je nedostatek kontrastních objektů, jako jsou kameny, oblázky, skalnaté podloží, atd., které jsou potřebné pro navigační SW. Proto došlo během 71. letu k neplánovanému nouzovému přistání, kdy řídicí algoritmus z navigačních snímků povrchu pod helikoptérou nedokázal vyčíst dostatek orientačních bodů a ztratil za letu přehled o tom, kde se právě nachází. Funkční inerciální měřicí jednotka IMU nepostačovala pro pokračování v letu a proto se počítač rozhodl urychleně přistát, tam kde zrovna je.
• Přistání z letu č.71 bylo relativně tvrdé. Ingenuity dosedla na nakloněnou stranu jedné z dun, pravděpodobně s vodorovnou složkou rychlostí kolem 1 m/s. Následovaly 3 týdny analýz a vyšetřování, co se přesně stalo a jak se dostat rychle pryč.
• Aby tým zjistil, kde přesně helikoptéra přistála, a hlavně kterým směrem je orientovaná, naplánovali krátký svislý let č. 72, který měl tyto otázky zodpovědět. Bohužel, během krátkého stoupání do pár metrů nad terén se opakovala ztráta orientace kvůli nedostatku orientačních bodů pod Ingenuity a možná také došlo k chybné interpretaci vlastního stínu na povrchu, který byl v danou chvíli jediným kontrastním objektem na navigačních snímcích a zároveň se vůči helikoptéře pohyboval po svazích dun.
  

  Let č. 72 – první barevný snímek po přistání. Zakroužkovaná oblast vyznačuje narušený terén v místě prvního kontaktu podvozkové nohy s písečnou dunou. Vpravo je vidět stín poškozeného rotorového listu s chybějící koncovou částí.

• Přistání z letu 72 bylo ještě tvrdší, než to předchozí a znamenalo konec letových schopností Ingenuity. Z prvních přijatých snímků po přistání bylo z tvaru vlastního stínů zjištěno, že konec jednoho rotorového listu je velmi pravděpodobně poškozen. I kdyby byl protější rotorový list čistou náhodou poškozen naprosto symetricky stejně a nedošlo by ke ztrátě vyváženosti rotoru, na další létání by to i tak nestačilo, protože právě konce rotoru se nejvíce podílejí na tvorbě vztlaku a jejích absence by pro další let nenahraditelně chyběla.
• Další týdny probíhalo focení stínu pomalu se otáčejících rotorů, aby byl odhadnut celkový stav jejich poškození. Až z těchto snímků bylo zjištěno, že poškozeny jsou oba rotory a na jednom z nich dokonce chybí celý jeden list. Tento výsledek potvrdily i následné snímky z dálky, pořízené kamerami roveru Z-Cam a Super-Cam.
  

  Přistání po posledním 72. letu, kdy došlo k fatálnímu poškození nosného rotoru. Vpravo helikoptéra Ingenuity na místě finálního dosednutí. Vlevo od středu je odlomený vrtulový list, Zdroj: síť X

• Z následné analýzy fotek a výpočtů vyplynulo, že k poškození rotorů nedošlo při jejich styku s terénem, ale vlivem gyroskopického momentu rychle rotujících nosných ploch při tvrdém dosednutí na šikmý povrch. Prohlubně v písku, pár centimetrů od nohou Ingenuity, nejsou stopy po kontaktu s rotorem, ale místo prvního tvrdého dopadu na podvozkové nohy. Po odlomení jednoho z listu došlo vlivem silné nevyváženosti stéle rotujícího rotoru k poskočení celého stroje na finální pozici, kde Ingenuity definitivně zastavila.
• Budoucnost Ingenity bude zřejmě taková, že za několik desítek, možná stovek let, bude zcela pohřbena pod pískem pohybujících se dun ve vyschlém korytu pradávné řeky (Neretva Vallis), kde dnes stojí. Než k tomu ale dojde, bude Ingenuity stále sbírat vědecká data, týkající se slunečního svitu, teploty vzduchu, sbírat snímky nejbližšího okolí a pozorovat pomalý posun písečných hmot. Data budou stále ukládána, po dokončeném upgradu SW už nebudou nadále mazána, přičemž úložného prostoru v paměti má na dalších 20 let (!) každodenního sběru těchto dat. Pokud se rover po nějaké době k Ingenuity znovu přiblíží, tato data bude moci stáhnout a odeslat na Zemi.
• Rozpočet několikrát prodloužené mise Ingenuity se tenčí a nebude znovu navyšován. Návrhy, přání a spekulace veřejnosti, že by se pomocí roztočení rotorů ještě helikoptéra mohla pokusit o nějaký pohyb, už bohužel nebudou vyslyšeny.

Závěrem nezbývá než zopakovat, že experimentální mise vrtulníčku Ingenuity v kráteru Jezero na Marsu byla, i přes svůj nízký rozpočet a původně skromný testovací program, pro rozvoj letectví a kosmonautiky skutečně přelomová, podobně jako například lety bratří Wrightů na počátku letectví, nebo pilotované přistání Apollo 11 na Měsici. Tato technologicko-demonstrační mise prokázala, že je lidstvo schopno řízeného aerodynamického letu i v atmosféře jiných kosmických těles a můžeme tak dále rozšiřovat hranice našeho poznání.

Na konstrukci, stavbě, testování, provozu a zpracování dat z Ingenuity se různou měrou podílely týmy z NASA Jet Propulsion Laboratory, NASA Ames Research Center a NASA Langley Research Center, dále pak společnosti AeroVironment, Qualcomm, SolAero a Lockheed Space.

Zdroje informací:

https://kosmonautix.cz/2024/01/neuveritelny-pribeh-vrtulniku-ingenuity-skoncil/

https://www.youtube.com/watch?v=fVtiOhf17tg

https://www.youtube.com/watch?v=t4XpLZqc6ao

https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/#Location-Map

Zdroje obrázků:

https://pbs.twimg.com/media/GHLcvKDXQAAcwqK?format=jpg&name=900×900

https://pbs.twimg.com/media/GHNk_8EWkAAnUuF?format=jpg&name=4096×4096

https://www.youtube.com/watch?v=fVtiOhf17tg

https://www.youtube.com/watch?v=t4XpLZqc6ao