NASA: s Jet Propulsion Laboratory meddelade nyligen att det utvecklar en liten dronehelikopter för att söka vägen för framtida Mars-rover. Varför skulle Mars-rovers behöva en sådan robotguide? Svaret är att det är väldigt svårt att köra på Mars.
Här på jorden kan robotar som utforskar vulkaniska fälgar eller hjälpa räddare drivas med fjärrkontroll med en joystick. Detta beror på att radiosignaler når roboten från dess kontrollcenter nästan direkt. Att köra på månen är inte mycket svårare. Radiosignaler som kör med ljusets hastighet tar ungefär två och en halv sekund för att åka tillbaka till månen och tillbaka. Denna försening är inte tillräckligt lång för att på allvar störa körningen av fjärrkontrollen. På 1970-talet körde de sovjetiska kontrollerna Lunokhod-månrovers på detta sätt och utforskar framgångsrikt mer än 40 km månterräng.
Att köra på Mars är mycket svårare, eftersom det är så mycket längre bort. Beroende på dess position i förhållande till jorden kan signaler ta mellan 8 och 42 minuter för tur och retur. Förprogrammerade instruktioner måste skickas till rover, som den sedan kör på egen hand. Varje Martian-enhet tar timmar av noggrann planering. Stereobilder tagna av roverens navigeringskameror granskas noggrant av ingenjörer. Bilder från rymdskepp som kretsar runt Mars ger ibland ytterligare information.
En rover kan programmeras antingen för att helt enkelt köra en lista med körkommandon som skickas från jorden, eller så kan den använda bilder som tagits av sina navigeringskameror och bearbetas av dess omborddatorer för att mäta hastighet och upptäcka hinder eller faror av sig själv. Det kan till och med plotta sin egen säkra väg till ett specifikt mål. Enheter baserade på instruktioner från marken är de snabbaste.
Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity kunde köra upp till 124 meter på en timme på detta sätt. Detta motsvarar ungefär längden på en amerikansk fotbollsplan. Men detta läge var också det minst säkra.
När rover aktivt guider sig med sina kameror är framstegen säkrare, men mycket långsammare på grund av all bildbehandling som behövs. Det kan fortskrida med så lite som 10 meter i timmen, vilket är ungefär avståndet från mållinjen till 10 yardlinjen på en amerikansk fotbollsplan. Den här metoden måste användas när rover inte har en klar vy över rutten framåt, vilket ofta är fallet på grund av grovt och kuperat terräng.
Från början av 2015 är den längsta nyfikenhet som körts på en enda dag 144 meter. Möjlighetens längsta dagliga körning var 224 meter, ett avstånd från två amerikanska fotbollsplaner.
Om markkontroller kan få en bättre bild av vägen framåt, kan de utforma instruktioner som låter en framtida rover säkert köra mycket längre på en dag.
Det är där idén om en drönhelikopter kommer in. Helikoptern kan flyga ut före rover varje dag. Bilder gjorda från dess flygplats utifrån skulle vara ovärderliga för markkontrollanter för att identifiera punkter av vetenskapligt intresse och planera körvägar för att komma dit.
Att flyga en helikopter på Mars innebär speciella utmaningar. En fördel är att marsktyngdkraften är bara 38% lika stor som jordens, så att helikoptern inte behöver behöva generera lika mycket lyft som en av samma massa på jorden. En helikopts propellerblad genererar hiss genom att trycka luft nedåt. Detta är svårare att göra på Mars än på jorden, eftersom den Martiska atmosfären är hundra gånger tunnare. För att förskjuta tillräckligt med luft skulle propellerbladen behöva snurra mycket snabbt eller vara mycket stora.
Koptern måste kunna flyga på egen hand, med hjälp av tidigare instruktioner och upprätthålla stabil flygning längs en förutbestämd rutt. Den måste landa och ta upp upprepade gånger i stenig marsjordisk terräng. Slutligen måste den kunna överleva de hårda förhållandena i Mars, där temperaturen sjunker till 100 grader Fahrenheit eller lägre varje natt.
JPL-ingenjörerna konstruerade en koplare med en massa på 1 kg; en liten fraktion av 900 kg-massan av Curiosity rover. Dess propellerblad sträcker sig 1,1 meter från knivspetsen till knivspetsen och kan snurra med 3400 rotationer per minut. Kroppen är ungefär så stor som en vävnadslåda.
Koptern är solenergi, med en skiva med solceller som samlar tillräckligt med kraft varje dag för att driva en flygning på två till tre minuter och för att värma fordonet på natten. Den kan flyga ungefär en halv kilometer under den tiden och samla bilder för överföring till markkontroll när det går. Ingenjörer förväntar sig att rekognoseringen som drone-koptern samlar in kommer att vara ovärderlig när man planerar en rover-enhet och tripplar avståndet som kan köras på en dag.
Referenser och vidare läsning:
Tack till Mark Maimone från NASA Jet Propulsion Laboratory för information om de dagliga körsträckorna för nyfikenhet och möjlighet.
J.J. Biesiadecki, P. C. Leger, och M. W. Maimone (2007), "avvägningar mellan riktad och autonom körning på Mars exploration rovers", The International Journal of Robotics Research, 26 (1), 91-104
E. Howell, möjlighet Mars rover vandrar förbi 41 kilometer mot 'Marathon Valley', Space Magazine, december 2014.
T. Reyes, en otrolig resa, Mars Curiosity rover når basen av Mount Sharp. Space Magazine, september 2014.
Helikopter kan vara 'scout' för Mars-rovers. NASA Jet Propulsion Laboratory Pressmeddelande. 22 januari 2015.
Crazy Engineering: Mars-helikoptern. NASA Jet Propulsion Laboratory video.
Curiosity - Mars Science Laboratory, NASA.
Mars- Framtida roverplaner. NASA
