Автор: Хавард Грип, главный пилот вертолета Ingenuity Mars в Лаборатории реактивного движения НАСА
В 91-й марсианский день, или сол, миссии марсохода НАСА Perseverance, вертолет Ingenuity совершил свой шестой полет. Полет был разработан для расширения диапазона эксплуатационных режимов полёта и демонстрации возможностей аэрофотосъемки путем получения стереоизображений интересующего региона к западу. Вертолёту была дана команда подняться на высоту 33 фута (10 метров), прежде чем пролететь 492 фута (150 метров) на юго-запад со скоростью 9 миль в час (4 метра в секунду). В этот момент он должен был пролететь 49 футов (15 метров) на юг, делая снимки местности в западном направлении, затем пролететь еще 164 фута (50 метров) на северо-восток и приземлиться.
Телеметрия с шестого рейса показывает, что первый 150-метровый отрезок полета прошел штатно. Но ближе к концу этого отрезка что-то произошло: вертолёт начал изменять свою скорость и колебаться, отклоняясь от вертикали вперёд и назад. Такое поведение сохранялось на протяжении всего полета. Перед благополучной посадкой бортовые датчики показали, что винтокрыл испытал отклонения по крену и тангажу более чем на 20 градусов, большими отклонениями органов управления и скачками энергопотребления.
Как Ingenuity оценивает движение
Находясь в воздухе, Ingenuity отслеживает движение с помощью бортового инерциального измерительного блока (inertial measurement unit, IMU). IMU измеряет ускорение и скорость вращения винта. Интегрируя эту информацию с течением времени, можно оценить положение, скорость и положение вертолета (где он находится, как быстро он движется и как он ориентируется в пространстве). Бортовая система управления реагирует на расчетные движения, быстро регулируя управляющие команды (со скоростью 500 раз в секунду).
Если бы навигационная система полагалась только на IMU, в долгосрочной перспективе она была бы не очень точной: ошибки быстро накапливались бы, и вертолет в конечном итоге сбился бы с пути. Чтобы поддерживать лучшую точность с течением времени, оценки, основанные на IMU, номинально корректируются на регулярной основе, и именно здесь появляется навигационная камера Ingenuity. Большую часть времени в воздухе навигационные камеры, направленные вниз, делают 30 снимков поверхности Марса в секунду и немедленно передают их в навигационную систему вертолета. Каждый раз, когда поступает изображение, алгоритм навигационной системы выполняет ряд действий: сначала он проверяет метку времени, которую он получает вместе с изображением, чтобы определить, когда было сделано изображение. Затем алгоритм делает прогноз о том, что камера должна была видеть в этот конкретный момент времени, с точки зрения особенностей поверхности, которые она может распознать по предыдущим изображениям, сделанным за несколько мгновений до этого (как правило, из-за цветовых вариаций и выступов, таких как камни и песчаная рябь). Наконец, алгоритм смотрит на то, где эти функции на самом деле появляются на изображении. Навигационный алгоритм использует разницу между прогнозируемым и фактическим местоположением этих объектов для корректировки своих оценок положения, скорости и ориентации.
Отказ в шестом полёте
Примерно через 54 секунды полета произошел сбой в потоке изображений, передаваемых навигационной камерой. Этот сбой привел к потере одного изображения, но, что более важно, он привел к тому, что все последующие навигационные изображения были доставлены с неточными метками времени. С этого момента каждый раз, когда навигационный алгоритм выполнял коррекцию на основе навигационного изображения, он работал на основе неверной информации о том, когда было сделано изображение. В результате возникшие несоответствия значительно ухудшили информацию, используемую для управления вертолетом, что привело к тому, что оценки постоянно “корректировались” для учета фантомных ошибок. Последовали большие колебания.
Пережить отказ
Несмотря на этот отказ, Ingenuity смогла продолжать полет и совершить безопасную посадку на поверхность примерно в 16 футах (5 метрах) от предполагаемого места посадки. Одна из причин, по которой это удалось сделать, заключается в значительных усилиях, которые были приложены для обеспечения того, чтобы система управления полетом вертолета имела достаточный запас устойчивости: мы разработали Ingenuity так, чтобы вертолёт, несмотря на значительные ошибки мог оставаться в стабильном состоянии, включая ошибки во времени. Этот встроенный запас не был полностью необходим в предыдущих полетах Ingenuity, потому что поведение вертолёта соответствовало нашим ожиданиям, но этот запас пришел на помощь в шестом полете.
Еще одно конструкторское решение также сыграло свою роль в том, чтобы вертолёт смог безопасно приземлиться. Как я уже писал ранее, мы прекращаем использовать изображения навигационных камер на заключительном этапе спуска при посадке, чтобы обеспечить плавную и непрерывную оценку движения вертолета во время этой критической фазы. Это конструкторское решение также оправдалось во время шестого полета: Ingenuity проигнорировала изображения камеры в последние моменты полета, перестала колебаться, выровняла свое положение и приземлилась.
Если посмотреть на общую картину, то шестой полет закончился благополучно на поверхности, потому что ряд подсистем – роторная система, приводы и система питания – отреагировали на возросшие требования, чтобы вертолет продолжал летать. Вертолёт справился с ситуацией, и хотя полет выявил временную уязвимость, которую теперь придется устранить, он также подтвердил надежность системы несколькими способами.
Хотя мы намеренно не планировали такой напряженный полет, у НАСА теперь есть полетные данные, исследующие внешние пределы диапазона эксплуатационных режимов полёта. Эти данные будут тщательно проанализированы в будущем, расширяя наш запас знаний о полетах вертолетов на Марсе.
