NASA:s Jet Propulsion Laboratory tillkännagav nyligen att de utvecklar en liten drönarhelikopter för att spana efter framtida Mars-rovers. Varför skulle Mars-rovers behöva en sådan robotguide? Svaret är att det är riktigt svårt att köra på Mars.
Här på jorden kan robotar som utforskar vulkaniska fälgar, eller hjälper räddare, köras av fjärrkontroll, med en joystick. Detta beror på att radiosignaler når roboten från dess kontrollcenter nästan omedelbart. Att köra på månen är inte mycket svårare. Radiosignaler som färdas med ljusets hastighet tar cirka två och en halv sekunder att göra en tur och retur till månen och tillbaka. Denna fördröjning är inte tillräckligt lång för att allvarligt störa fjärrkontrollens körning. På 1970-talet körde sovjetiska flygledare Lunokhod moon rovers på detta sätt och framgångsrikt utforskade 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 signalerna ta mellan 8 och 42 minuter för en tur och retur. Förprogrammerade instruktioner måste skickas till rovern, som den sedan utför på egen hand. Varje Mars-tur tar timmar av noggrann planering. Stereobilder tagna av roverns navigationskameror granskas noggrant av ingenjörer. Bilder från rymdfarkoster som kretsar kring Mars ger ibland ytterligare information.
En rover kan programmeras antingen för att helt enkelt utföra en lista med körkommandon som skickas från jorden, eller så kan den använda bilder tagna av dess navigeringskameror och bearbetade av dess omborddatorer för att mäta hastighet och upptäcka hinder eller faror på egen hand. Den kan till och med rita ut sin egen säkra väg till ett specifikt mål. Körningar baserade på instruktioner från marken är snabbast.
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 rovern aktivt guidar sig själv med sina kameror är framstegen säkrare, men mycket långsammare på grund av all bildbehandling som behövs. Det kan gå så lite som 10 meter i timmen, vilket är ungefär avståndet från mållinjen till 10-yardlinjen på en amerikansk fotbollsplan. Denna metod måste användas när roveraren inte har fri sikt över rutten framför, vilket ofta är fallet på grund av ojämn och kuperad terräng.
Från och med början av 2015 är det längsta som Curiosity har kört på en enda dag 144 meter. Opportunitys längsta dagliga körning var 224 meter, en sträcka lika lång som två amerikanska fotbollsplaner.
Om markkontrollanter kunde få en bättre överblick över vägen framför sig, skulle de kunna utforma instruktioner som gör det möjligt för en framtida rover att säkert köra mycket längre på en dag.
Det är där idén med en drönarhelikopter kommer in. Helikoptern kan flyga ut före rovern varje dag. Bilder gjorda från dess utsiktsplats från luften 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 gravitationen från Mars bara är 38 % så stark som jordens, så att helikoptern inte skulle behöva generera lika mycket lyft som en av samma massa på jorden. En helikopters propellerblad genererar lyft genom att trycka luft nedåt. Detta är svårare att göra på Mars än på jorden, eftersom Mars atmosfär är hundra gånger tunnare. För att förskjuta tillräckligt med luft, skulle propellerbladen behöva snurra mycket snabbt, eller vara mycket stora.
Coptern måste kunna flyga på egen hand, med hjälp av tidigare instruktioner, upprätthålla en stabil flygning längs en förutbestämd rutt. Den måste landa och lyfta upprepade gånger i stenig Mars-terräng. Slutligen måste den kunna överleva de svåra förhållandena på Mars, där temperaturen sjunker till 100 grader Fahrenheit eller lägre varje natt.
JPL-ingenjörerna designade en copter med en massa på 1 kilogram; en liten bråkdel av den 900 kg stora massan av Curiosity-rovern. Dess propellerblad spänner över 1,1 meter från bladspets till bladspets och kan snurra med 3400 varv per minut. Kroppen är ungefär lika stor som en vävnadslåda.
Coptern drivs av solenergi, med en skiva av solceller som samlar tillräckligt med ström varje dag för att driva en flygning på två till tre minuter och för att värma upp fordonet på natten. Den kan flyga ungefär en halv kilometer under den tiden och samla bilder för överföring till markkontroll allt eftersom. Ingenjörer förväntar sig att spaningen som drönarkoptern samlar in kommer att vara ovärderlig för att planera en rovers körningar, och tredubbla den sträcka som kan tillryggaläggas på en dag.
Referenser och vidare läsning:
Tack till Mark Maimone från NASA Jet Propulsion Laboratory för information om de dagliga körsträckorna för Curiosity och Opportunity.
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, Opportunity Mars rover vandrar förbi 41 kilometer mot 'Marathon Valley' , Universe Today, dec. 2014.
T. Reyes, En otrolig resa, Mars Curiosity rover når basen av Mount Sharp . Universum idag, september 2014.
Helikopter kan vara 'scout' för Mars rovers . NASA Jet Propulsion Laboratory Pressmeddelande. 22 januari 2015.
Crazy Engineering: Mars-helikoptern . Video från NASA Jet Propulsion Laboratory.
Curiosity- Mars Science Laboratory , NASA.
Mars- Framtida roverplaner . NASA
