بلندپروازی با نبوغ: هلیکوپتر Ingenuity ناسا با موفقیت در سیاره سرخ به پرواز درآمد

۶ سال تلاش، آزمایش و تحقیقات دانشمندان «جی پی ال» ناسا بالاخره به ثمر رسید. هلی‌کوپتر ۱.۸ کیلوگرمی «نبوغ» (Ingenuity) پس از گذشت ۱۱ روز روی سطح مریخ به پرواز در آمد. این هلی‌کوپتر به همراه مریخ‌نورد «استقامت» (Perseverance) به مریخ رفت؛ اما در پروژه‌ای کاملا مستقل‌ تعریف شد و اهدافی متفاوت از ماموریت «استقامت» را دنبال کرد.

بلندپروازی «نبوغ» تا به امروز برای بشر دست نیافتنی بود و حالا پس از اولین پروازش توانست اطلاعات و تجربیاتی را در اختیار ما قرار دهد که بتوانیم فراتر از مرزهای زمین پرواز کنیم.

طراحی «نبوغ» به دلیل شرایط خاص مریخی با تمام هلی‌کوپتر‌هایی که تا کنون ساخته شده است کاملا متفاوت است. مهندسان جی پی ال ناسا برای به پرواز درآوردن «نبوغ» باید وزن بسیار کمی برای آن در نظر می‌گرفتند و ابعاد آن باید به اندازه‌ای کوچک طراحی می‌کردند تا بتواند به همراه «استقامت» به مریخ برود. در شب‌های مریخ دمای هوا گاهی به منفی ۹۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد پس «نبوغ» باید سیستم گرمایش داخلی قابل توجهی داشته باشد تا بتواند در این شرایط آب و هوایی دوام بیاورد.

چرا «نبوغ»؟

ناسا در سال ۱۳۹۸ مسابقه‌ای دانش‌آموزی برای نام‌گذاری مریخ‌نورد جدید خود برگزار کرد تا این بار تمام دانش‌آموزان از پیش دبستان تا دوازدهم بتوانند نام مریخ‌نورد ماموریت «مریخ ۲۰۲۰» را انتخاب کنند که در بین تمام نام‌های ارسالی به ناسا، «استقامت» انتخاب شد.

قبل از «استقامت»، «نبوغ» به دل مدیران ناسا نشست و در واقع این نام برای مریخ‌نورد جدید ناسا انتخاب شده بود. اما کمی بعد، ناسا این نام را کاملا مناسب هلی‌کوپتر مریخی‌اش دانست؛ ماموریتی که ابتکار و خلاقیت تیم بزرگی از مهندسان جی پی ال را در بر داشت.

آخرین تکنولوژی ناسا

«نبوغ» در واقع ماموریتی برای آزمایش تکنولوژی جدید ناسا است و هیچ ابزار علمی با خود به مریخ نبرده است. کاری که این هلی‌کوپتر انجام می‌دهد کاملا مشابه کاری است که برادران رایت برای اولین بار انجام دادند و هواپیمایی را در اتمسفر زمین به پرواز در آوردند.

«نبوغ» اولین تلاش بشر برای پرواز در سیاره‌ای دیگر است. چگالی اتمسفر مریخ تنها یک درصد اتمسفر زمین و جاذبه آن حدود سی درصد زمین است و همین باعث می‌شود تا پرواز در جو مریخ کاری سخت و غیر قابل پیش‌بینی باشد. ما تا به حال چنین شرایطی را تجربه نکرده‌ایم، اما دانشمندان و مهندسان جی پی ال در آزمایشگاه‌های پیشرفته خود شرایط احتمالی موجود را شبیه‌سازی و بارها و بارها در این شرایط آزمایش کرده‌اند.

دانشمندان و مهندسان جی پی ال از سال ۱۳۹۳ تا ۱۳۹۹ در تلاش برای ساخت هلی‌کوپتری بودند تا بتواند در این شرایط سخت با موفقیت پرواز کند. «نبوغ» برای پرواز در چنین شرایطی باید وزن سبک‌تر، بال‌های بزرگتر و چرخش سریع‌تری نسبت به هلی‌کوپتر‌های زمینی داشته باشد

به همین دلیل «نبوغ» از چهار بال کربنی ساخته شده که به دو موتور جداگانه متصل شده‌اند و در جهت مخالف هم می‌چرخند. سرعت چرخش موتور این هلی‌کوپتر به ۲۵۳۷ دور بر دقیقه می‌رسد در صورتی که میانگین سرعت موتور یک هلی‌کوپتر معمولی روی زمین ۴۵۰ دور بر دقیقه است.

تاخیر زمانی بزرگترین مانعی است که در ماموریت‌های فضایی وجود دارد. سرعت نور، یا بهتر است بگوییم سرعت انتقال اطلاعات با امواج الکترومغناطیسی، تنها ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه است. این عدد ممکن است در نگاه اول سرعتی باورنکردنی به نظر برسد اما واقعیت این است که در مقیاس‌های کیهانی این عدد بسیار ناچیز است!

با وجود محدودیت سرعت نور و تکنولوژی امروز، فرستادن یک سیگنال رادیویی به مریخ بین پنج تا بیست دقیقه طول می‌کشد و این تاخیر زمانی با توجه به موقعیت کنونی مریخ نسبت به زمین به ۱۵ دقیقه و ۲۷ ثانیه می‌رسد. ممکن است در لحظه هر اتفاقی برای «نبوغ» -یا هر ربات دیگری- بیفتد و ما وقتی بفهمیم که دیگر کاری از دستمان برنمی‌آید. به همین علت کنترل در این شرایط بسیار سخت می‌شود و تیم پرواز باید با دقت و حوصله هر کدام از مراحل پرواز را بررسی و تائید کند.

مراحل جداسازی از «استقامت»

برای استقرار «نبوغ» در مکان مناسب، «استقامت» مسیری را طی کرد تا به محل پرواز برسد؛ سطحی صاف و بدون مانع در ابعاد ده در ده متر که مدت‌ها قبل با عکس‌های ماهواره‌ای انتخاب شده بود.

هیچ کدام از اتفاقاتی که در مراحل جداسازی می‌افتد قابل بازگشت نیست و اگر مرکز کنترل از مریخ‌نورد سیگنال خطر دریافت می‌کرد، عملیات جداسازی به مدت یک یا دو روز متوقف می‌شد تا خطر شناسایی و رفع شود. بنابراین، «استقامت» به مدت شش روز مریخی (شش روز و چهار ساعت زمینی) جداسازی «نبوغ» را مرحله به مرحله با احتیاط کامل انجام می‌داد:

• سُل (Sol-روز مریخی) ۱: باز کردن قفل اتصال هلی‌کوپتر به مریخ‌نورد.
• سل ۲: تغییر حالت هلی‌کوپتر از افقی به عمودی با یک بازوی رباتیک و همزمان باز شدن چهار پای رباتیک آن.
• سل ۳: پایان تغییر حالت هلی‌کوپتر.
• سل ۴: باز شدن کامل پاهای هلی‌کوپتر و معلق ماندن در ارتفاع ۱۳ سانتی‌متری از سطح مریخ.

در تمام این چهار روز دوربین «واتسون» برای اطمینان از صحت انجام تمام مراحل از «نبوغ» عکاسی کرد.

• سل ۵: شارژ تمام شش باتری هلی‌کوپتر با مریخ‌نورد و قرار گرفتن کامل روی سطح مریخ.

بعد از قرار گرفتن «نبوغ» روی سطح مریخ، «استقامت» باید به اندازه کافی از آن دور می‌شد تا می‌توانست دوباره باتری‌های خود را با پنل خورشیدی شارژ کند.

• سل ۶: اطمینان از باز بودن کامل چهار پای رباتیک، فاصله پنج متری با «استقامت» و ارتباط «نبوغ» و «استقامت» با یکدیگر.

مرحله آخر قبل از هر بار پرواز انجام ‌می‌شود.

شکست یا موفقیت؟

پروژه «نبوغ»، اولین در نوع خودش است و حتی ساخت هلی‌کوپتری با چنین مشخصاتی یک موفقیت بزرگ به شمار می‌رود. «نبوغ» تا پرواز در مریخ باید مراحلی را طی می‌کرد و در واقع طی کردن هر کدام از این مراحل برای تیم پروژه موفقیت حساب می‌شود:

• پرتاب، سفر تا مریخ و فرود روی سیاره سرخ
• جدا شدن از «استقامت» و قرار گرفتن در موقعیت درست برای پرواز
• گرم کردن اتوماتیک تجهیزات برای جلوگیری از یخ زدن در شب (حداقل دمای منفی ۹۰ درجه سانتی‌گراد)
• شارژ اتوماتیک باتری‌ها با پنل خورشیدی
• برقراری ارتباط با مریخ‌نورد و مرکز کنترل پرواز در زمین
• راه‌اندازی موتور پرواز برای اولین بار (با سرعتی کمتر از سرعت پرواز)
• بلند شدن از روی سطح مریخ برای اولین بار
• پرواز اتوماتیک
• فرود اتوماتیک

بعد از اولین پرواز موفق، با توجه به شرایط موجود تا چهار پرواز آزمایشی دیگر در ۳۰ روز مریخی (۳۱ روز زمینی) انجام می‌شود.

۳، ۲، ۱ پرواز!

مریخ‌نورد «استقامت» امروز (۳۰ فروردین) با ابزار «مدا» (MEDA) کمیت‌های آب و هوایی مانند رطوبت و باد مریخ را اندازه‌گیری کرد تا ساعت دقیق پرواز را به زمین اعلام و آخرین دستورات برای پرواز را به «نبوغ» مخابره کند. «نبوغ» با سرعت موتور ۲۵۳۷ دور بر دقیقه از سطح مریخ بلند شد و با سرعت ۱ متر بر ثانیه ارتفاع سه متری را در سی ثانیه طی کرد و سپس با موفقیت فرود آمد.

این داستان بلندپروازی بشر در کره‌ای دیگر است، جایی ورای زمین. داستان پرواز کوتاه یک هلی‌کوپتر کوچک که سرآغاز ماجراجویی‌های جدید بشر خواهد بود.