NASA испытала новую радарную антенну для марсианских вертолётов миссии SkyFall

NASA завершила первую серию испытаний новой радарной антенны, разработанной для миссии SkyFall, в рамках которой три небольших вертолёта будут исследовать поверхность Марса. Антенна предназначена для поиска залежей водяного льда в первых метрах под поверхностью планеты — области, которую существующие орбитальные радары изучают с гораздо меньшей эффективностью.

Испытания проводились в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) и были направлены прежде всего на проверку способности антенны выдерживать условия, с которыми она столкнётся на Марсе. Компонент весит около 150 граммов и изготовлен из гибких материалов. Такая конструкция необходима потому, что во время посадки антенна будет соприкасаться с поверхностью Марса, сгибаться под воздействием грунта, а после взлёта должна самостоятельно возвращаться в рабочее положение.

Миссия SkyFall создаётся с учётом опыта марсианского вертолёта Ingenuity, который с 2021 по 2024 год выполнил на Марсе 72 полёта. В отличие от Ingenuity, который первоначально создавался прежде всего для демонстрации возможности управляемого полёта в разреженной атмосфере Марса, а затем использовался в качестве дополнительного инструмента для миссии марсохода Perseverance, три вертолёта SkyFall с самого начала будут предназначены для проведения научных исследований.

Каждый из них получит четыре научных прибора, одним из которых станет радар.

Одной из главных задач SkyFall будет изучение водяного льда, находящегося непосредственно под поверхностью Марса. Радарные инструменты на орбитальных аппаратах способны обнаруживать крупные залежи льда на глубине в десятки метров, однако им значительно сложнее получать подробную информацию о самых верхних слоях грунта.

Именно эта область представляет особый интерес для будущих пилотируемых экспедиций. Водяной лёд, расположенный близко к поверхности, потенциально значительно проще добывать. Полученную из него воду можно использовать для обеспечения людей, производства кислорода, а после дополнительной переработки — для получения компонентов ракетного топлива.

Для поиска таких залежей марсианские вертолёты SkyFall будут использовать георадар во время медленного полёта на небольшой высоте над поверхностью. Инструмент будет работать в диапазоне от 500 до 2500 МГц. Более низкие частоты смогут проникать на несколько метров в грунт, тогда как более высокие позволят получать более подробную информацию о слоях, расположенных ближе к поверхности. По данным JPL, радар рассчитан на исследование глубин менее примерно пяти метров.

Полёт непосредственно над поверхностью позволит получать данные, которые было бы значительно сложнее собрать с орбиты. Радар сможет обнаруживать границу между сухим грунтом и потенциальными слоями, содержащими лёд, а также отслеживать их распределение вдоль маршрута вертолёта.

Создание подходящей антенны стало отдельной инженерной задачей. При используемых радаром частотах традиционная антенна должна была бы иметь длину около 48 сантиметров. При этом расстояние между нижней частью вертолёта и поверхностью Марса во время полёта составит всего около 15 сантиметров.

Поэтому инженеры разработали уменьшенную версию антенны типа Vivaldi. Она изготовлена из металлизированной ткани и других гибких материалов. Антенна будет длиннее посадочных опор вертолёта, поэтому при каждой посадке она неизбежно будет касаться поверхности.

Конструкция должна выдерживать многократные сгибания и не разрушаться даже в случае, если во время посадки антенна окажется непосредственно на камне. После взлёта она должна снова принять первоначальную форму и продолжить работу.

Для защиты антенны инженеры использовали полиэстер и несколько слоёв материала Vectran. Этот материал уже применялся в воздушных подушках, которые использовались при посадке марсоходов Spirit и Opportunity на Марс. Небольшие пружины из стекловолокна помогают антенне сохранять необходимую форму, когда она находится в подвешенном состоянии под вертолётом.

В JPL прототип антенны многократно сгибали и подвергали значительным перепадам температуры, имитируя циклы нагрева и охлаждения, происходящие на Марсе между днём и ночью. Во время испытаний инженеры также неоднократно проверяли способность антенны передавать и принимать радиолокационные сигналы.

После испытаний, эквивалентных 200 посадкам, снижения рабочих характеристик антенны обнаружено не было. Это означает, что конструкция выдержала значительное количество повторяющихся механических нагрузок, которым она должна подвергаться во время эксплуатации на Марсе.

При этом новая антенна пока не получила окончательной квалификации для полёта. Сейчас команда создаёт следующий испытательный образец, который подвергнется дополнительным проверкам. В программу испытаний войдут вибрационные тесты и моделирование различных условий марсианской среды.

Если разработка будет успешно завершена, радар SkyFall позволит исследовать самые верхние слои марсианского грунта непосредственно с воздуха и получить более подробную информацию о распределении подповерхностного льда. Такие данные могут оказаться особенно важными при выборе районов для будущих миссий человека на Марс.