avia.wikisort.org - Вертолёт

Ingenuity (с англ. — «Изобретательность»), Индженьюити[11][12] — роботизированный беспилотный вертолёт, осуществивший 19 апреля 2021 года первый полёт на Марсе. Является первым летательным аппаратом с собственным двигателем, предназначенным для многократных полётов в атмосфере другого небесного тела. Первый в истории неуправляемый полёт в атмосфере другой планеты совершил в 1985 году аэростатный зонд советской межпланетной станции «Вега-1» на Венере[13].

Ingenuity
«Изобретательность»
Mars Helicopter Scout
Ingenuity на Марсе
Тип	вертолёт
Планета	Марс
Экспедиция	Марс-2020
Головная организация	NASA / JPL
Разработчики	AeroVironment (конструирование, постройка), SolAero, Lockheed Martin Space
Бюджет	85 млн $[1]
Задачи	исследование Марса
Базовый аппарат, дата посадки	Персеверанс 18.02.2021 20:55 UTC
Дата и место выгрузки	3 апреля 2021; 17 месяцев назад (2021-04-03)
Дата первого полёта	19.04.2021
Дата последнего полёта	20.08.2022
Суммарный налёт
Рейсов	30
Метров	7090[2]
Часов	00:55:55[2]
Технические характеристики
Масса	1,8 кг[3]
Грузоподъёмность	0
Габариты фюзеляжа	136×195×163 мм
Общая высота	490 мм
Движитель	Лопастной винт
Лопасти	2 пары, ∅ 1210 мм[4][5]
Панель солнечных батарей
Габариты панели	425×165 мм (680 см²)
Площадь элементов	544 см²[6]
Дата подключения	03.04.2021
Автономное энергообеспечение
Аккумуляторы	6 элементов Sony VTC4
Ёмкость	35,75 Вт⋅ч[6] (128,7 кДж)
Мощность	350 Вт[7]
Время подзарядки	более суток
Лётные характеристики
Дальность полёта	макс. 704 м (08.04.2022)
Высота полёта	макс. 15 м[8]; факт. 12 м[2]
Скорость полёта	10 м/с; факт. до 5,5 м/с (08.04.2022)
Скороподъёмность	4 м/с (макс. на 08.06.2021[9])
Скорость снижения	1 м/с
Эксплуатационные характеристики
Скорость вращения винта	2400÷2900[3] об./мин.
Уклон места стоянки	до 10°[6]
Предел удаления по связи	1 км[6]; факт. до 1,3 км
Ресурс шасси	100 посадок[10]
Критическая температура	–15 °C[6]
Идентификаторы
Код ИКАО	IGY
mars.nasa.gov/technology…
Медиафайлы на Викискладе

Летательный аппарат, включая двигатели, винты, лопасти, а также фюзеляж и шасси был сконструирован и построен в 2012—2018 году по заказу JPL компанией AeroVironment[14]. На этапе разработки назывался Mars Helicopter Scout (англ. марсианский вертолёт-разведчик), а его полномасштабная инженерная модель для испытаний на Земле — Earth Copter (англ. Земной коптер; неофициально — Terry[15]). Имя Ingenuity получил в апреле 2020 года[16].

На момент утверждения состава научной нагрузки экспедиции «Марс-2020» (июль 2014 года)[17], вертолёт находился за рамками и вне бюджета программы[18], и лишь 11 мая 2018 года[19] был принят на борт в качестве образца для демонстрации технологии полётов (англ. technology demo)[20]. На момент запуска НАСА вложила в создание Ingenuity 85 млн долларов США[1][lower-alpha 1].

Накануне завершения серии демонстрационных полётов, 30 апреля 2021 года были выделены средства для продолжения эксплуатации Ingenuity в порядке «демонстрации оперативных возможностей» (англ. operations demo) использования вертолётов как вспомогательных средств[22], имея в виду «доразведку» средствами цветной аэрофотосъёмки трасс, уже намеченных для марсохода. Дальнейшее финансирование Ingenuity регулярно возобновляется на ежемесячной основе[23]; сообщённая AFP в сентябре 2021 года формулировка «на неопределённый срок»[24] была дезавуирована. В последний раз операции вертолёта были продлены в марте 2022 года ещё на 6 месяцев, до сентября[8].

Описание конструкции аппарата

Габариты элементов конструкции[7]

Элементы	Габариты, мм
Общая высота	490
Фюзеляж (д, ш, в)	195×163×136
в том числе платформа	~190×~160×~30
Клиренс	~130[7]
Длина стойки шасси	384
Панель солнечной батареи	425×165[25]

Несущим элементом конструкции аппарата является мачта, на которой укреплены панель солнечных батарей размером 425×165 мм, колонка соосных винтов (диаметр лопастей 1210 мм) и крестообразная платформа, снизу которой подвешен фюзеляжа в форме параллелепипеда размером 195×163×136 мм. К углам платформы подведены раскосые стойки шасси длиной 38,4 см каждая (без кольца амортизатора)[6].

Передней гранью фюзеляжа считается та, на нижнее ребро которой выведена обзорная камера RTE, и в направлении которой смещена относительно оси симметрии камера NAV. Из общей высоты фюзеляжа 13,6 см около 10,5 см приходится на обтянутый термозащитной плёнкой «тёплый отсек», в котором размещена авионика, и около 3 см на несущую платформу. Каждая стойка шасси сопряжена с платформой через амортизаторы. При наклоне ~45° опоры стойки обеспечивают под днищем фюзеляжа просвет около 13 см[6].

Из-за недостаточной точности измерений, получаемых от средств инерционной навигации в полёте, трассу вертолёта реконструируют на Земле путём вычисления координат съёмки каждой полётной фотографии[26]. Приблизительно определить ориентацию аппарата в пространстве по фотографии можно по размерам и форме тени вертолёта, а также её местоположению на соответствующем снимке. К примеру: известно, что панель солнечной батареи вытянута вдоль самых длинных (195 мм) граней фюзеляжа и продольной оси вертолёта. Если солнечная панель видится на кадре, как самый широкий после лопастей элемент общего контура аппарата, это означает, что вертолёт развёрнут к объективу одним из бортов. По своей ширине солнечная батарея, «передняя» и «задняя» грани фюзеляжа (163 мм) примерно равны, так что в проекции панель полностью перекрывает фюзеляж в виде сверху или снизу[6].

Вертолёт соосной схемы аэродинамически симметричен и может с равным успехом двигаться любой стороной фюзеляжа вперёд. Некоторые отрезки трассы Ingenuity проходил «боком вперёд» уже в 6-м и 10-м рейсах, а трассу 11-го прошёл и вовсе «задним ходом», развернувшись после набора высоты на 180°[27].

«Передняя» и «задняя» стороны фюзеляжа различаются по «башмачкам» стоек: у задней и правой передней они одинаковы и имеют форму копытец, а левый передний имеет кольцеобразное завершение, верхняя часть которого попадает на левый край фотографий камеры RTE. Антенна на панели солнечной батареи смещена по продольной оси вертолёта от центра мачты к «хвосту», то есть в сторону, противоположную «колечку» на левой передней стойке шасси[28].

Особенности воздухоплавания на Марсе

Основные природные факторы

Все небесные тела, окружённые газовой оболочкой, имеют единую физическую предпосылку воздухоплавания — закон Бернулли о подъёмной силе, препятствующей свободному падению движущегося летательного аппарата. Однако возможность её реализации на каждом небесном теле зависит от качественных характеристик воздушной среды и силы тяжести, которую предстоит преодолеть. Для Земли и Марса сопоставляемые параметры складываются следующим образом[29]:

Параметр	Единицы измерения	Земля (N2 + O2)	Марс (N2 + CO2)
Плотность атмосферы, ρ	кг/м³	1,225	0,017
Температура, T	℃	+15	-50
Динамическая вязкость, μ	Ns/м²	0,0000175	0,0000113
Скорость звука, α	м/с	340,3	233,1

По-разному формируются и основные критерии подобия, используемые в таких противопоставлениях: число Маха и число Рейнольдса. Особая геометрия лопастей, максимально использующая потенциал подъёмной силы марсианского вертолёта, была обоснована ещё в 1997 году[30]. Однако их радиус и скорость вращения винта нельзя наращивать беспредельно: кончики лопастей не должны двигаться быстрее скорости звука, иначе нарастание механических вибраций и резонанс разрушат аппарат. По расчётам (на Земле испытания на разрушение аппарата не проводились) лопасти Ingenuity выходят на 0,8 Маха при 2800 об./мин[27]. На этот предел пришлось выйти уже в сентябре 2021 года[31]

Давление, плотность и вязкость атмосферы существенно влияют на подъёмную силу. Для взлёта Ingenuity необходимо 20-30 % превышение тягового усилия над взлётным весом. В первые месяцы при плотности воздуха 0,0145 кг/м³ его винты обеспечивали 30 %. При падении плотности до 0,012 кг/м³ прирост тяги снижается до 8 % и аппарат оказывается в состоянии аэродинамического застоя, когда даже увеличение скорости оборотов не приведёт к взлёту. В сентябре 2021 года сезонное снижение плотности воздуха было компенсировано форсажем до 2800 об./мин[27], на которых Ingenuity работал до апреля 2022 года[32]. Однако когда в первые дни 2022 года плотность упала на 7 % ниже расчётной, и рейс № 19 пришлось отменить с привычной на Земле формулировкой «по неблагоприятным метеоусловиям»[33].

Картина сезонных и суточных колебаний атмосферного давления, фиксируемого в кратерах Гейла и Езеро, в целом схожа. Как и предполагает барометрическая формула, графики текущих значений давления смещены примерно на 100 паскалей: Curiosity находится на 2300 м глубже Perseverance, и давление там выше. «Невыгодные» для вертолёта атмосферные условия его пришлось преодолевать за счёт форсажа оборотов винта. На протяжении лётных испытаний приходилось неоднократно варьировать время старта: атмосферное давление достигает максимума (около 780 Па) в предутренние часы, после чего с восходом Солнца и нагревом воздуха начинает падать до 700 Па и ниже[34] к сумеркам.

Поначалу, исходя из приоритета задачи восполнения истощённого за ночь заряда батарей (а начинается этот процесс медленно, на низких углах Солнца над горизонтом) стартовать предполагали в 11 часов местного времени при плотности 0,016÷0,0175 кг/м³[35]. По прибытии на Марс время старта пришлось сдвинуть на 1÷1,5 часа вперёд, и вплоть до февраля 2022 года Ingenuity обычно взлетал после полудня. С марта старты были перенесены на 10 часов утра[36]. Так или иначе, и «погодная капризность» Ingenuity, и невозможность нести полезную нагрузку не ставят крест на марсианским воздухоплавании как таковом, и даже Ingenuity способен показать лучшие результаты в районах Марса с более высоким атмосферным давлением.

Каждая марсианская осень сопровождается усилением движения пыли и песка в форме локальных, а в отдельные годы (2018, 2007, and 2001) и глобальных планетных бурь. В 2022 году осень наступила 24 февраля, но облако пыли поднялось над Сыртом уже в первые дни января. Инсоляция солнечной панели вертолёта снизилась на 18 %; в эти же дни вырос и слой песка на палубе марсохода. Запылённый воздух прогревается быстрее, что дополнительно снизило атмосферное давление на 7 %. По совокупности этих неблагоприятных метеоусловий 19-й рейс пришлось отложить[33].

Управление аппаратом и навигация на Марсе

Пока проблема высадки человека на другие планеты не решена, всякое движение доставленной туда техники возможно только в режиме программируемого дистанционного управления. Составив и выслав планетоходу (планетолёту) программу его движения, Земля может получить отчётную телеметрию лишь после задержки[7], продолжительность которой зависит от удалённости планеты. Значительный эксцентриситет орбиты Марса (ε=0,094 по сравнению с ε=0,017 у Земли[37]) отражается в сильном разбросе показателей времени прохождения сигнала, которое при максимальном удалении планет (2,63 а. е. или более 400 млн км) может достигать 22 минут[37]. Наконец, если при этом наступает так называемое верхнее соединение планет, когда между ними оказывается Солнце, из-за помех, создаваемых его короной, вести радиообмен вообще невозможно[38][39].

Во избежание потери оборудования ценой в миллиарды долларов, на периоды верхнего соединения НАСА устанавливает мораторий на передачу любых команд своим объектам на Марсе и на орбитах вокруг него. В предыдущий раз срок такого моратория был установлен для всех марсоходов с 4 апреля по 1 мая 2013 года, а со спутниками (MRO и «Одиссей») с 9 по 26 апреля 2013 года[40]. В 2021 году соединение планет произошло 8 октября 2021 года в 06:35 московского времени (03:35 UTC). На этот раз НАСА сократило сроки моратория до 12 дней, между 2 и 14 октября 2021 года (азимут Марса по Солнцу не менее 2°)[38]. Позже для JPL срок моратория был определён в период между 28 сентября и 17 октября 2021 года (217—235 солы)[41]. Для Curiosity, этого «старшего брата» Perseverance, начало моратория пришлось на 240-й сол его экспедиции[40]; приблизительное совпадение по солам не случайно, так как «окна» дат запусков ракет на Марс привязаны к тем же факторам взаимного положения планет на своих орбитах.

Период пребывания в автономном режиме оба аппарата экспедиции Марс-2020 прошли без потерь. Ingenuity раз в неделю сбрасывал свою телеметрию на борт Perseverance, который, в свою очередь передал её на Землю в первые дни по завершении моратория. По завершении её изучения Perseverance возобновил движение на 237-й сол. Вертолёт же, завершив в 236—240 солы испытания форсированного режима, осуществил в 241-й сол пробный 14-й полёт[42].

«Земные» способы определения местоположения воздушного судна в пространстве для марсианского воздухоплавания не подходят: слабость и неустойчивость магнитного поля Марса не позволяет использовать компас, а высокоточные гироскопические приборы и средства ориентации по Солнцу[43] выходят за пределы грузоподъёмности марсолёта. Вместе с тем, воздушная навигация необходима здесь в полном наборе инструментов определения навигационных элементов (высота, скорость курс и т. п.) и приёмов коррекции маршрута. Ветры на Марсе малопредсказуемы, и наличие метеостанции (на Perseverance — MEDA) обязательно. Большинство рейсов Ingenuity проходили при ветрах 4-6 м/с; по косвенным данным об осцилляциях в полёте сила ветра возрастает с высотой[44].

В условиях этих ограничений управление полётом осуществляется исключительно по данным, поступающим по ходу движения в программу от средств инерциальной навигации[45] и визуальной одометрии[46]. Перед взлётом оба акселерометра Bosch BMI-160 проходят калибровку: текущие значения наклона днища фюзеляжа к идеальной поверхности, полученные от трёхосевого инклинометра Murata SCA100T-D02, выстраивают истинную вертикаль для всего полёта. Низкая точность, присущая устройствам инерциальной навигации, основанным на микроэлектромеханических схемах (MEMS), требует дополнительных входящих навигационных данных для сдерживания накопления ошибок[47]. Для вертикальной оси их источником служит лидар, а в плоскостной составляющей навигационная камера, отслеживающая смещение ориентиров в предположении ровной поверхности без уклона[26].

Текущие значения крена и тангажа исчисляются путём пересчёта данных по ускорениям от акселерометров; — «это разновидность счисления места при навигации, когда вы измеряете пройденное расстояние, подсчитывая шаги»[44]. Пройденная траектория реконструируется на Земле по кадрам навигационной камеры, для каждого из которых с помощью ориентиров, известных по картам HiRISE и — при наличии таковых — по снимкам марсохода восстанавливается абсолютное местоположение вертолёта и азимут его курса[48].

В отличие от акселерометра и инклинометра, одинаково эксплуатируемых и на Марсе, и на Земле, использование дальномера Lidar Lite v3 в функции бортового высотомера проблематично. На наземных дронах Lidar устанавливается в комплекте с гироскопом, дистанционно подключаемым при необходимости выравнять луч лазера по истинной вертикали, и отключаемым при прохождении участков, на которых отклик лидара может дезориентировать автопилотирование[49]. На Ingenuity лидар жёстко вмонтирован в днище, что исключает его перевод в режим альтиметра «земными средствами». Такая конструкция не приспособлена к полётам над местностью с обилием гряд, валов и других поверхностей, отражающих сканирующий луч в произвольных направлениях — «навигационная система Ingenuity изначально создавалась для короткой программы полётов над плоской или близкой к тому поверхностью»[50][51]. В реакцию полётной программы на отклики лидара пришлось вмешиваться в 9-м рейсе над Сейтахом[52], а при прокладке 24/25 рейсов пришлось отказаться от варианта «24B», предполагавшего фотосъёмку фрагментов «небесного крана»: непредсказуемости отклика лидара на блестящие осколки могла вызвать сбой всей системы визуальной одометрии[36].

Благодаря картографированию Марса, проводимому с начала 2000-х годов, для водителей марсоходов XXI века Марс — не terra incognita, а подготовленное рабочее место. К экспедиции Марс-2020 Геологическая служба США (USGS) на основе снимков HiRISE (угловое разрешение 1 мРад, 30 см / пиксел) и другой уникальной аппаратуры[53] разработала модели рельефа местности (Digital Terrain Models, DTM). Их использование началось управляемой посадкой в кратер Езеро и продолжается в рамках всего проекта Марс-2020, где эти карты являются базовыми в планировании перемещений [54] и марсохода с его системой автонавигации, и вертолёта, полёты которого планируются по моделям местности DTM[55]. Кадры от Ingenuity не могут содействовать их уточнению; наоборот: координатная привязка кадров NAV производится post factum, по завершении каждого полёта[26], через триангуляцию по объектам, попавшим в кадр. При планировании последующих маршрутов «мы не можем доверять совмещённым снимкам, так как мы не знаем, какое расстояние вертолёт пролетел между ними»[55]. Если каждый кадр от Perseverance заносится в базу фотоснимков НАСА со всем набором данных позиционирования камеры и угла её наклона к истинной вертикали, то в снимках от Ingenuity эти параметры, и даже азимут, не заполнены[56].

Технические решения

Электромеханические устройства

Все электромеханические компоненты Ingenuity, как летательного аппарата (в том числе двигатели, соосный несущий винт и его лопасти, автоматы перекоса, сервоприводы) а также его фюзеляж и шасси были спроектированы и изготовлены на фирме AeroVironment (инженеры Ben Pipenberg, Matt Keennon и др.) по заказу JPL. Впервые НАСА обратилась к этой фирме в конце 1990-х как раз в контексте ранних проектов марсианских вертолётов. В 2012—2013 гг. идея возродилась: главный инженер JPL пришёл на AeroVironment с новым предложением[58], которое и было воплощено в 2013—2018 гг. в конструкциях марсианского вертолёта и его инженерных макетов. На первых испытаниях в башне-барокамере JPL высотой 25 м и диаметром 7,5 м уменьшенные макеты с винтом диаметром 14 дюймов показали малоуправляемость. Первый в истории полёт в атмосфере, приближенной к марсианской, отвечающий определению управляемого (англ. controlled), состоялся в мае 2016 года на полноразмерном макете (Terry) при скорости винтов 2600 об./мин.[14], а окончательное решение было найдено к зиме 2018 года[59][60][58].

Каждый из двух одинаковых винтов приводится в движение бесщёточным 46-полюсным двигателем. Ручная обмотка статора специальной медной проволокой прямоугольного сечения позволила достичь 62 % упаковки и вывести к.п.д. до 80 % на 105 Ваттах при 2390 об./мин.[61] Несущий винт изготовлен из композитного алюминиево-бериллиевого сплава (сокр. AlBeMet). Пыльник (англ. dust boot), присутствующий в спецификации 2019 года[57], в конечном варианте отсутствует. Нагрев неохлаждаемого винта со скоростью 1°/сек служит главным ограничением дальности полётов[62] и требует усиленной теплоизоляции между мачтой и фюзеляжем. Сокращению потерь тепла способствует минимальное сечение медных проводов (общим числом 81), соединяющих «тёплый отсек» с винтами и панелью солнечных батарей.[63][61].

Блок бортовой электроники

Блок бортовой электроники (шифр ECM, англ. Electronic Core Module) находится внутри «тёплого отсека» фюзеляжа (HWEB, англ. Helicopter Warm Electronic Box)[61] и представляет собой пять примерно одинаковых по размеру печатных плат, заказанных у компании SparkFun Electronics[65], соединённых в куб с открытой верхней гранью. Назначение плат[66]:

• плата интерфейса батарей BIB (англ. Battery interface board) формирует нижнюю грань куба ECM. Помимо микросхем, на неё установлена связка 6 аккумуляторов с термостатом и нагревателем. Остальные четыре платы расположены по боковым граням:
• плата энергоснабжения вертолёта HPB англ. Helicopter power board — два преобразователя DC/DC, регулирующие напряжение батарей между 3,3 В и 5 В.
• плата управления полётом FCB (англ. FPGA / Flight control board) — два двухъядерных (ARM Cortex-R5F) процессора Hercules от Texas Instruments.
• плата навигации и сервоприводов NSB (англ. NAV/Servo carrier board) — два четырёхъядерных 2,45 ГГц процессора Snapdragon 801 (один резервный[67]), операционная система Linux. «Snapdragon» также используется, как графический процессор при обработке потока изображений от камер. На этой же плате расположены микросхемы, управляющие шестью сервоприводами.
• плата телекоммуникаций TCB (англ. Telecom board) — модуль SiFlex2 от LS Research, а также 16-разрядный 8-потоковый аналого-цифровой преобразователь, чипы термодатчика, обогревателя и ряд других микросхем.

По суммарной вычислительной мощности Ingenuity значительно превосходит Perseverance[65]. При подсчёте процессоров следует иметь в виду, что на Ingenuity, как и на марсоходах НАСА[68], имеется «резервный компьютер», задействуемый при выходе электроники из строя[67]. Программная платформа F Prime (аббр. F´), использующая открытый исходный код, была разработана в JPL и используется на микроспутниках формата кубсат и пр[69][70]. «Потеря маркера файла» в рейсе № 6 повлекла за собой аномалии в полётном компьютере, после чего в 7 и 8 рейсах подсистему получения и обработки цветных изображений отключили, как предположительно вызвавшую сбой[71]. Таким образом, программные недоработки могут свести на нет любое формальное превосходство по суммам показателей вычислительной техники.

Как и первый в мире искусственный спутник Земли, первый в мире внеземной летательный аппарат создавался, как образец, демонстрирующий саму возможность полёта, но не как прототип последующей серии. На таких образцах технические решения обычно проверяются на практике при простейшей комплектации вспомогательных элементов и узлов, укладываясь в жёсткие ограничения по весу и габаритам изделия. Как и на первом советском спутнике, приборы для выполнения научных задач на борту Ingenuity не предусматривались.

В отличие от первых ИСЗ, вертолёт для Марса создавался в эпоху высокоразвитой электронной индустрии и робототехники, с широким рынком продукции как военного, так и гражданского назначения. Нормативный акт 48 CFR законодательства о регулировании федеральных закупок позволяет НАСА приобретать продукцию также и на рынке товаров широкого потребления, обозначаемом аббревиатурой COTS (англ. Commercially available off-the-shelf, коммерчески доступные в розничной сети)[lower-alpha 2]. Закупки продукции COTS (а не по специальным «оборонным» заказам) иногда оправдывают тем, что многолетний массовый выпуск устойчивых серийных моделей для гражданского рынка даёт известные гарантии надёжности и качества[65]. На рынке COTS закуплены все датчики, устройства питания и радиосвязи вертолёта[72].

Приборное оборудование вертолёта размещено между двумя блоками датчиков[lower-alpha 3], верхним и нижним. Верхний блок датчиков (англ. Upper Sensor Assembly) находится вблизи центра масс аппарата, где на мачте между колонкой винтов и блоком ECM размещены: миниатюрный (2,5×3×0,8 мм) инерциальный датчик Bosch Sensortech BMI160[73], применяемый в смартфонах и игровых контроллерах[74] и используемый в функциях акселерометра и гироскопа, а также инклинометр SCA100T-D02 японской фирмы Murata весом 1,1 г, размерами 15,6×11,3×5,1 мм и точностью измерений ±0,86°[75], используемый для замера наклона перед взлётом[74]. Оба устройства виброизолированы от работающих винтов.

Нижний блок датчиков (англ. Lower Sensor Assembly) находится под кубом ECM, прилегая к днищу фюзеляжа. Помимо второго инерциального датчика Bosch и обеих видеокамер здесь размещается альтиметр (в документации LRF, англ. laser rangefinder, лазерный дальномер) — 50 Гц лидар Lite v3 фирмы Garmin[76][74] с габаритами 20×48×40 мм и массой 22 г. По паспортным данным устройство работоспособно в диапазоне температур от −20° до +60 °C на расстоянии не более 40 метров[77], соответственно ограничивая предельную высоту полёта Ingenuity.

Энергообеспечение и температурный режим

Источником энергии служат оптимизированные для солнечного спектра Марса фотоэлементы. Их суммарная площадь 544 см² рассчитана так, чтобы набирать ~40 Вт⋅ч для полной подзарядки за 1 световой день (сол[81]). Габариты солнечной панели, на которой они смонтированы, примерно такие же, как у клавиатуры настольного компьютера — 425×165 мм (площадь 680 см²). На верхнюю сторону панели выведена антенна, а также разъёмы для подзарядки батарей от энергосистемы марсохода, окончательно отсоединённые перед выгрузкой вертолёта на поверхность Марса[6].

Аккумуляторная батарея вертолёта состоит из 6 литий-ионных высокотоковых аккумуляторов Sony SE US18650 VTC4 (стандарт 65,2 мм в длину, диаметр 18,35 мм) общим весом 273 г. Ёмкость, по документации JPL, составляет 2 А·ч; максимальный ток разрядки более 25 А[6]; по паспорту производителя 30 А[82]); номинальное напряжение 3,7 В, а для всей батареи 15÷25,2 В. По паспортным данным полная подзарядка при температуре +23° током 4,2 В / 2 А лежит в пределах 1,5÷2 часов. Необходимость в подзарядке может возникать с периодичностью от одного до нескольких солов[83]. В расчётах суммарная ёмкость 6 аккумуляторов принималась равной 35,75 Вт⋅ч[6], а суточный дебит солнечных батарей 42 Вт⋅ч[84]. Распределение выработанной энергии полагалось следующим:

• 21 Вт⋅ч — на обогрев аппаратуры в погодных условиях марсианской весны,
• 10,73 Вт⋅ч (30 % от 35,75 Вт⋅ч) — резерв, и
• 10 Вт⋅ч, из которых 8 Вт⋅ч (80 % располагаемой мощности) будут израсходованы при постоянной рабочей нагрузке 360 Вт, а 8 Вт⋅ч — на пиковой нагрузке 510 Вт — на один полёт в сутки.

Сумма 41,73 Вт⋅ч по всем трём «статьям» расхода превышает ёмкость аккумуляторов на 6 Вт⋅ч, которые не накапливаются, а сразу по получении расходуются на обогрев. Согласно предполётной документации, элементы бортовой электроники, а также аккумуляторы не должны на протяжении суток охлаждаться ниже −15 °C, а весь вертолёт должен переносить ночные похолодания до −100 °C[85] и даже ниже[86].

Относительно краткосрочная пылевая буря начала 2022 года не повлияла на полноту подзарядки аккумуляторов, несмотря на 18%-е снижение инсоляции[33]. 3 мая, в ночь на 427 сол система термоконтроля Ingenuity дала фатальный сбой: при переводе аппарата в режим пониженного энергопотребления таймер бортового компьютера оказался сброшен, из-за чего плановый сеанс связи с базовой станцией на Perseverance был пропущен. Руководству экспедиции пришлось прервать всю плановую работу в дельте Неретвы, переведя марсоход в режим круглосуточного мониторинга эфира для поиска «пропавшего» вертолёта. Устойчивая связь была возобновлена 5 мая (сол 429), и в 11:45 LMST телеметрия показала, что аккумуляторы работоспособны и заряжены на 41 %[87]. В этот же день была перепрошита программа термоконтроля. В прежнем наборе критические точки для различных элементов бортовой электроники варьировались от +5 °C до −25 °C[88], теперь же порог включения подогрева электроники снижался с −15 °C до −40 °C[87]. До старта аккумуляторы должны быть прогреты до +5 °C, иначе их энергоотдача неприемлемо снижается[63]. Прогрев машины начинается в сол, предшествующий полёту[89].

Ingenuity был первым космическим аппаратом, в расчёты температурного режима которого было включено излучение тепла механическим двигателем. Средствами ПО Veritrek по 18-факторной модели были рассчитаны режимы для 36 точек (англ. output responses). Расчёты позволили отказаться от использования аэрогеля: прирост массы за счёт этого теплоизолятора оказался неприемлем на фоне достигаемого им эффекта теплосбережения[84].

Для термоизоляции и обогрева использован каптон[90], выдерживающий температуры от −273 до +400 °C и применённый JPL ещё на лунном модуле программы «Аполлон»[91]. Для внешней термоизоляции фюзеляжа использована плёнка от давнего поставщика по заказам НАСА, фирмы Sheldahl из Миннесоты[92].

Оптические приборы

Наименование	Шифр	Тип затвора	Оптический модуль	Матрица	Разрешение, мрад на пиксель	Ориентация к горизонту	Область пересечения кадров	Размещение (вид со стороны днища)
Обзорная камера	RTE	центральный (global shutter)	O-film Bayer 47°×47°	Sony IMX 214 цветная 13 Мп 4208×3120	0,26	-22°
Навигационная камера	NAV	сканирующий (rolling shutter)	Sunny 133°×100°	Omnivision OV7251 ч/б 0,5 Мп VGA 640×480	3,6	-180° (надир)

Оптические приборы Ingenuity также представляют собой стандартную продукцию широкого потребления[7][76].

Для навигационной камеры (шифр NAV) выбран оптический модуль производства Sunny с полем зрения 133°(h)×100°(v) и матрицу Omnivision OV7251 VGA 640×480. Снимки, сделанные с минимального расстояния (клиренс ~13 см), показывают неодинаковость искажений по краям линзы.

Скорость съёмки синхронизируется с вращением винтов и составляет 1 кадр на 21 оборот; так что при рабочих 2537 об./мин (~42,3 об./с) эксплуатационная частота кадров составляет примерно 2 кадра в секунду[93]. Для 14-го полёта, в котором испытывался режим, форсированный до 2700 об./мин., частота съёмки кадров была увеличена до 7 кадров в секунду[94].

Аббревиатура обзорной камеры (шифр RTE; англ. Return-to-Earth, буквально «вернуть на Землю») подразумевает, что сделанные ею снимки вертолётом не востребуются и подлежат передаче в ЦУП в составе послеполётной телеметрии. Оптический модуль O-film с полем зрения 47°×47° проецирует изображение на цветную 4208×3120 матрицу Sony IMX 214 с фильтром Байера. Оптическая ось NAV перпендикулярна плоскости днища фюзеляжа и направлена вниз (на надир), а у RTE она направлена под горизонт под углом 22° (примерно 1/16 окружности). Этим создаётся область пересечения размером около 30°×47°, которую можно использовать для взаимоувязки снимков обеих камер при послеполётной обработке. Оптика защищена от пыли прозрачными стёклами. Перед трансляцией на Землю изображения сжимают по алгоритму JPG. [76].

Камера RTE уступает камерам Perseverance уже по размеру матрицы: 20-мегапиксельные Navcam и HazCam располагают по 5120x3840 px при углах обзора 96°x73° и 136°x102° соответственно. Деградация заднего плана в отсутствие зума для укрупнённой съёмки удалённых объектов не позволяет назвать цветные кадры от Ingenuity в полной мере высококачественными. Несопоставимы и объёмы фоторазведки целей: Perseverance и панорамирует местность, и проводит укрупнённую съёмку выбранных объектов ежедневно, высылая на Землю несколько сотен кадров[95], тогда как Ingenuity доставляет из рейса не более 10 фотографий с частотой 1 раз в 2-3 недели[31].

Телекоммуникации

Прямого выхода на спутники связи Ingenuity не имеет, используя марсоход как ретранслятор. Проектировщикам поставили жёсткие ограничения[96]: мощность передатчика не более 0,75 Вт (28,8 дБм); общий вес телекоммуникационного оборудования включая кабели и антенну не более 14 г, в том числе 4 г на антенну и коннекторы. Дополнительные ограничения по штыревым антеннам:

• на вертолёте — высота не более 7,5 см; диаметр не более 1 мм «во избежание излишнего затенения фотоэлементов на панели солнечных батарей»;
• на марсоходе — высота не более 15 см; площадь места крепления не более 5,6×5,6 см[96].

Станции связи с вертолётом досталось «не идеальное» место установки на ровере[97]: массивная навеска РИТЭГ перекрывает сигналы со стороны кормы аппарата. Это проявилось 5 декабря 2021 года, когда за 3 метра до посадки сигнал пропал: с расстояния 325 метров волны не смогли обогнуть незначительную (менее 5 метров) горушку[98].

На борту обоих аппаратов установлены одинаковые модули SiFlex2 производства LS Research, приобретённые в розничной сети по COTS. Cпециальные обогреватели не позволяют этим микросхемам охлаждаться ниже −15 °C, в то время как для необогреваемых проводов и антенн допускается охлаждение до −140 °C. Связь осуществляется на частоте 914 МГц по протоколу Zigbee (IEEE 802.15.4) на расстоянии до 1000 метров со скоростью 250 кбит/с в режиме одностороннего или 20 кбит/с в режиме двустороннего радиообмена. Затраты энергии составляют 3 Вт при передаче и 0,15 Вт при приёме[6].

Работа Ingenuity на Марсе

Принятое в мае 2018 года решение добавить сверх уже отобранного 4 года назад «научного груза» марсохода ещё и вертолёт[19] повлекло за собой конструктивные изменения (устройство выгрузки вертолёта, станция радиосвязи с ним) и сдвижку всего плана-график экспедиции. Разработчики заверяли, что демонстрация технологий (англ. technology demo) проводится лишь ради доказательства концепции (англ. proof of concept); что последующих полётов не планируется, и по завершении 30-дневного окна испытаний марсоход уедет для исполнения своей главной миссии[99]. Условия и требования к испытаниям состояли в следующем[7]:

• для обслуживания полётов в рабочем графике марсохода выделялось «окно» в 30 солов, между 60-м и 90-м (в земном времяисчислении интервал между 19 апреля и 19 мая);
• в пределах этого срока требовалось выполнить от 1 до 5 полётов;
• высота полётов ограничивалась 3-5 метрами, дальность 50 метрами, а продолжительность 90 секундами.

Цифры эти были не «паспортными данными» (англ. nameplate capacity), а лишь осторожной оценкой потенциала вертолёта по расчётам, опубликованным в январе 2018 года. В феврале-марте 2018 года цифры «от 90 секунд до 2 минут» полёта при протяжённости до 300 метров вошли и в другие источники[100][101]. После первых полётов главный инженер проекта Баларам подтвердил, что предпочтительны двухминутные перелёты, причём их дальность ограничивает не запас энергии, а нагрев двигателя со скоростью 1 °C в секунду[102]. В июле-августе полётное время в трёх рейсах было доведено до 165—169,5 секунд[2].

Выгрузка и предполётная подготовка

Требования к площадке для лётных испытаний сформулировали сами конструкторы: размер 10×10 метров, уклон не более 5°, отсутствие камней более 4 см[90]. Найдя подходящий гелидром и выгрузив вертолёт, марсоход должен был занять точку наблюдения примерно в 90 метрах поодаль (фактически расстояние составило 64,3 м)[103]. На карте кратера Езеро появился новый астротопоним: точку эту на планах развёртывания обозначили «англ. Twitcher’s Point», буквально «скрадок» (место скрытого наблюдения) орнитолога, путешествующего на огромные расстояния ради наблюдений за редкими птицами[104]

17 марта JPL назначила первый полёт «не ранее первой недели апреля» (впоследствии оборот «не ранее, чем» вошёл в шаблон уведомлений JPL), и созвала на 23 марта брифинг[105].

Способ крепления вертолёта к марсоходу и механические приспособления для его выгрузки на Марсе были спроектированы, изготовлены и прошли проверку в Lockheed Martin Space[106][107] — одном из четырёх специализированных подразделений крупнейшей военно-промышленной корпорации США. На развёртывание вертолёта отводилось 6 солов[108]. Операция началась 21 марта сбросом кожуха, прикрывавшего вертолёт в пути на Марс. Путь к месту выгрузки вертолёта занял 7 солов. 28 марта начали поэтапно приводить вертолёт из походного положения в рабочее; 29 марта были распрямлены стойки по его левому борту, 30 — по правому. После этого была проведена последняя подзарядка аккумуляторов Ingenuity от марсохода. К 3 апреля питающий кабель был отсоединён, и была дана команда на сброс груза.

Как только вертолёт преодолел в свободном падении 13 сантиметров, отделявших его шасси от поверхности Марса, марсоход переместился на ближнюю точку наблюдения за следующим этапом испытаний. На следующий день телеметрия показала, что термоизоляция фюзеляжа не нарушена, заряд батарей за ночь не утерян, и таким образом вертолёт преодолел первое испытание холодом[109].

С переходом вертолёта в автономный от марсохода режим операция по выгрузке завершилась. Начался отсчёт времени нового этапа экспедиции — лётных испытаний, на которые отводилось 30 солов[108].

6 апреля JPL объявила, что полёт состоится «не ранее, чем в воскресенье, 11 апреля» и пригласила публику на веб-трансляцию его видеоматериалов[110].

График операции по выгрузке вертолёта на поверхность Марса[108]

сол операции			миссия Марс-2020		операция
план	факт	Δ	сол	дата
1	1	0	30	21.03.2021[111]	Сброс защитного кожуха
2	8	6	37	28.03.2021[112]	Разблокировка поворотного кронштейна, удерживавшего сложенный вертолёт в положении для перевозки. При переводе груза из положения «на боку» в направлении горизонтального пара стоек по левому борту вертолёта принимает штатное положение.
3	9	6	38	29.03.2021[113]	Специальный электромотор завершает поворот кронштейна, удерживающего Ingenuity, после чего корпус аппарата принимает нормальное вертикальное положение
4	10	6	39	30.03.2021[111][114]	Высвобождаются защёлки стоек по правому борту, после чего вертолёт оказывается висящим на кронштейне на расстоянии 13 см от поверхности Марса.
5	13	8	42	03.04.2021[115]	По завершении последней подзарядки аккумуляторов вертолёта технический шлейф, соединявший Ingenuity с энергосистемой марсохода, также разрывается. Последний пироболт инициирует сброс вертолёта на поверхность, после чего марсоход отъезжает на 5 метров.
6	14	8	43	04.04.2021[116]	С получением телеметрии и кадров, подтверждающих, что: 1) все четыре опоры шасси стоят на грунте; 2) марсоход отъехал от вертолёта на 5 метров, и 3) установлена радиосвязь между обоими устройствами, начинается отсчёт солов испытательного окна.
Примечание: первая иллюстрация, расположенная в строке заголовка таблицы, отражает предварительный этап, не связанный напрямую с вертолётом: сброс панели, защищавшей радар RIMFAX на стадии управляемого приземления

Фотография от 5 апреля показала, что за время транспортировки середину правого ряда элементов солнечных батарей частично присыпало песком[117]. 7 апреля лопасти были расфиксированы[109]. 8 апреля прошла пробная поочерёдная их прокрутка на пониженных оборотах. В конце её рискнули дать полные обороты на несколько мгновений, так, чтобы не создать подъёмную силу для взлёта[60]. 9 апреля назначили первый старт на воскресенье, 11 апреля[118], но уже на следующий день его отсрочили до «не ранее 14 апреля».

Как выяснилось, 9 апреля (49-й сол)[119] при тестовом переходе из предполётного режима в полётный сработала защитная процедура вывода из цикла исполнения всей программы[120]. Похожая ситуация в истории космонавтики уже была: 10-11 июня 1957 года при попытках запуска первого искусственного спутника Земли «автоматика управления запуском в последние секунды „сбрасывала схему“», и ракета со старта так и не ушла[121].

12 апреля JPL нашла «здравый путь к решению проблемы»[122] — добавить «заплатку» в программу полётного контроля. К 16 апреля в неё дописали две процедуры для обхода «неудобного» запроса, что гарантировало успешное завершение этапа раскрутки винтов. Скомпилировали и перекачали на бортовой компьютер марсохода новую версию, но решение по её инсталляции отложили до утра субботы, 17 апреля. Сославшись на то, что это была бы уже не та сборка, которая успешно отработала на Земле два года, а комплексное тестирование новой сборки отсрочило бы запуск[120], завершающую перепрошивку на вертолёте отложили в ожидании исхода первого старта, переназначенного на 19 апреля[123].

Этап демонстрации технологий: полёты 1-5

Хронология испытаний и полётов на этапе демонстрации технологий[2]

Основная статья: Список полётов Ingenuity

№ полёта	Дата	Отсчёт суток миссии		Полётное время	Горизон- тальная скорость	Высота		Маршрут				Суммарный перелёт
	время UTC/GMT	Марс 2020	Ingenuity			полёта	висения	от	до	азимут	длина
		солы		секунд	м/с	м	м				м	м
…	09.04.2021	49	5	Самозавершение цикла раскрутки лопастей[119]
…	11.04.2021 14:54	50	6	Полёт отменён из-за обнуления бортового таймера[124]
1[123]	19.04.2021 07:34	58	14	39,1	0	—	3	JZRO*)		—	0	0[125]
2[126]	22.04.2021 09:33	61	18[127]	51,9	0,5	5	5			W↕E	0	2+2=4
3[128]	25.04.2021 11:31	64	21	80,3	2	5	5			N↕S	0	50+50=100
…	29.04.2021 14:12	68	25	Полёт отменён[129][130]
4[131]	30.04.2021 14:49	69	26	116,9	3,5	5	5	JZRO		S↕N	0	133+133=266
5[132]	07.05.2021 19:26	76	32	108,2	2	5	10	JZRO	B	S↑	129	129
Примечания: *) JZRO — код, присвоенный ИКАО гелидрому им. братьев Райт на Марсе.

Первый полёт

Взлёт состоялся 19 апреля 2021 года в 07:34 UTC. Все этапы предполётной подготовки аппарата прошли без сбоев. Когда лопасти набрали 2537 оборотов в минуту, вертолёт поднялся на высоту 3 метра со скоростью 1 м/с и, провисев предусмотренные 30 секунд[90], приземлился[103].

Весь полёт, включая набор высоты и спуск, длился 39,1 секунды[123]. По точным данным геопозиционирования точек взлёта и посадки путь вертолёта в горизонтальной плоскости не был нулевым и составил 5 сантиметров. В зависании вертолёт развернул фюзеляж на 96°: этот запланированный[133] манёвр позволил проверить работу программы обработки кадров навигационной камеры.

Рейс № 2 (сол 61, 22.04.2021) ● 4,3 м ● 51,9 с ● 0,5 м/с ● высота 5 м

Набрав высоту 5 м, вертолёт

• исполнил три последовательных поворота примерно на 1/4 окружности каждый (в сумме на 276°),
• на скорости 0,5 м/с переместился на 2 метра вбок с возвратом назад (общий путь составил 4,3 метра),
• сделал первые три высотных фотоснимка на камеру RTE

и через 51,9 секунды приземлился в точке старта[134].

Небольшие горизонтальные перемещения Ingenuity совершал и в первом полёте, но их пределы были такими же, как и в камере испытаний на Земле — «на две длины карандаша»[135]. Во втором полёте был отработан переход между режимами горизонтального полёта и висения[136].

Рейс № 3 (сол 64, 25.04.2021) 100 м ● 80,3 с ● 2 м/с ● высота 5 м

Возвратный вылет (англ. roundup trip) на 50 метров к северу был исполнен в полном соответствии с полётным заданием[128][134]. Это был вторая и последняя демонстрация возможности вылетов с 3-суточным межрейсовым интервалом. Поскольку основные задачи показательных полётов были выполнены[130], в приглашении на брифинг 30 апреля[137] было объявлено, что предстоящие 4-й и 5-й рейсы будут переходными к новому этапу — от «демонстрации технологий» к «демонстрации возможностей»[138]. Этот терминологический приём позволил, не изменяя ранее утверждённые формулировки задач, найти обоснование продолжения полётов: их по-прежнему считали «демонстрацией», которая лишь перешла из одной фазы в другую:

• демонстрация технологий (technology demo), проведённая в течение 31 сола 1-5 полётов;
• демонстрация практического применения (операций, operations demo), проводимая, начиная с 6-го полёта.

Рейс № 4 (сол 69, 30.04.2021) 266 м ● 116,9 с ● 3,5 м/с ● высота 5 м

Накануне первого полёта Ingenuity, 17 апреля, руководитель проекта МиМи Аунг говорила корреспонденту CNN:

Интервалы[lower-alpha 4] между рейсами будут прогрессивно сокращаться. Ingenuity может полететь на 4-й день после первого рейса, затем на 3-й после второго и так далее. В следующих рейсах вертолёт сможет подняться на 5 метров и перемещаться до 15 метров вперёд и назад.

«Но как только мы дойдём до 4-го и 5-го полётов, вот тут-то мы повеселимся», — сказала Аунг. «Мы действительно хотим раздвинуть границы. Ведь не каждый день приходится испытывать вертолёты на Марсе! Поэтому хочется быть очень смелыми».

Оригинальный текст

The cadence between flights will get progressively shorter. Ingenuity could fly four days after the first flight, then three days after the second flight and so on. The latter flights could see the helicopter rising as high as 16 feet (5 meters) and performing lateral movements up to 50 feet (15 meters) out and back.

„Once we get to the fourth and fifth flights, we’ll have fun,” Aung said. „We really want to push the limits. It’s not every day that you get to test a rotorcraft on Mars. So we want to be very adventurous.” [139].

Для 2-го и 3-го старта интервал в 3 сола был выдержан (58 — 61 — 64), но в 67-й сол было лишь оглашено задание 4-го рейса, который должен был состояться на следующий день, 29 апреля. Очередной возвратный рейс с посадкой в точке взлёта был запланирован на большую дальность и длительность, увеличив при этом и скорость полёта[130]. Но в назначенный срок вылет не состоялся: исполнение программы прервалось перед точкой перехода из предполётного режима в полётный. Как объяснили программисты JPL, «заплатка», поставленная на программу перед 19 апреля, в 15 % случаев не помогает обойти критическое место, а 29 апреля пришлось как раз на те самые несчастливые 15 %[129][140].

На следующий день, 30 апреля вертолёт преодолел 266 метров в оба конца за 116,9 секунд на скорости до 3,5 м/с при высоте полёта 5 метров. По пути в обе стороны в объектив навигационной камеры NAV попадали одни и те же точки маршрута, и МиМи Аунг пообещала создать из них стереопары. Однако анаглифы по итогам этого полёта так и не появились: все 62 чёрно-белых кадра, отобранные JPL для архива видеоматериалов НАСА, относились только к отрезку после разворота. Перед этим сама же МиМи Аунг пояснила, что NAV снимает прежде всего для полётного контроллера, после чего большая часть этих снимков в архив не отсылается, а уничтожается[131]. Все 5 фотографий маршрута на цветную камеру RTE благополучно дошли.

В тот же день, 30 апреля, в релизе НАСА было сообщено (без подписи, но с упоминанием Дейва Лавери, как куратора программы Ingenuity в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, а также МиМи Аунг), что на новом этапе демонстраций полёты будут осуществляться всё реже, а интервалы между ними увеличатся до 2-3 недель, и не позднее конца августа полёты прекратятся[22].

Рейс № 5 (сол 76, 07.05.2021) 129 м ● 108,2 с ● 2 м/с ● высота 5 м

Счётчик времени испытательного окна был запущен в 41-й сол экспедиции «Марс-2020». Накануне второго рейса, 22 апреля (58-й сол) руководитель проекта МиМи Аунг напомнила, что для команды Ingenuity это уже 18-й сол из отведённых 30[141]. Из-за двух переносов (1-го и 4-го полёта) уложиться в это окно не удалось: пятый полёт, назначенный на 7 мая (69-й сол экспедиции), проходил уже в дополнительный, 31-й сол испытаний.

Полётное задание на 5-й рейс было объявлено за день до вылета. Вертолёт впервые направлялся в точку, обследованную только по орбитальным съёмкам и цифровой модели местности. Перед посадкой предстояло подняться из 5-метрового полётного коридора на вдвое большую высоту и сделать оттуда обзорные снимки[129].

Взлетев 7 мая, Ingenuity прошёл на заданной 5-метровой высоте курсом на юг. Пройдя 129 метров, вертолёт завис, поднялся до 10 метров и сделал с этой высоты 6 цветных фотографий[142]. Точка приземления получила название «Поле B» («Field B»); в дальнейшем новые гелидромы именуются по буквам латинского алфавита.

Мультипликации, составленные из кадров навигационной камеры

Этап демонстрации возможностей применения: рейсы с 6-го и далее

Хронология

рекордные цифры

отмечены

только по первой дате их достижения

№ рейса	Дата LMST поясная дата на Земле может отличаться на сутки		Полётное время	Горизон- тальная скорость	Высота полёта	Маршрут							Фотографии
						от	Место посадки			азимут	длина	перелёт	ч/б[144] NAV	цв.[145] RTE
	время	сол	секунд	м/с	м		до	уровень	координаты		м
6[146]	23.05.2021 12:33	91	139,9	4	10	B	C	–2569	18°26′30″ с. ш. 77°27′00″ в. д.18,44166° с. ш. 77,449943° в. д. / 18.44166; 77.449943	SW, S, NE	~101	150+15+50=215	106	8
…	04.06.2021[71]	105	Вылет не состоялся
7[147]	08.06.2021 12:33	107	62,8	4	10	C	D	–2568,9	18°26′24″ с. ш. 77°27′01″ в. д.18,439878° с. ш. 77,45015° в. д. / 18.439878; 77.45015	S	106	106	72	камера откл.
8[71]	22.06.2021 12:33	120	77,4	4	10	D	E	–2569,4	18°26′14″ с. ш. 77°27′03″ в. д.18,43724° с. ш. 77,450795° в. д. / 18.43724; 77.450795	StE	160	160	186
9[148]	05.07.2021 12:33	133	166,4	5	10	E	F	–2579,9	18°25′41″ с. ш. 77°26′44″ в. д.18,428085° с. ш. 77,44545° в. д. / 18.428085; 77.44545	SW	625	625	193	10
10[149]	24.07.2021 12:04	152	165,4	5	12	F	G	–2578,2	18°25′41″ с. ш. 77°26′37″ в. д.18,428082° с. ш. 77,443715° в. д. / 18.428082; 77.443715	SW, W, NW, NE	~95	233	190	10
11[2]	05.08.2021 12:33	163	130,9	5	12	G	H	–2569,9	18°25′58″ с. ш. 77°26′21″ в. д.18,43278° с. ш. 77,43919° в. д. / 18.43278; 77.43919	NW	383	383	194	10
12[2]	16.08.2021 13:23	174	169,5	4,3	10	H	H	–2570,3	18°25′58″ с. ш. 77°26′21″ в. д.18,43268° с. ш. 77,43924° в. д. / 18.43268; 77.43924	NE,SW	~25	450	197	10
13[2]	05.09.2021 12:03	193	160,5	3,3	8	H	H	–2569,8	18°25′58″ с. ш. 77°26′21″ в. д.18,43285° с. ш. 77,43915° в. д. / 18.43285; 77.43915	NE,SW	>0	210	191	10
…	16.09.2021 11:11	204	Наземная двухминутная прокрутка винтов в форсированном до 2800 об./мин. режиме[27][31][150]										2	—
	18.09.2021	206	Подскок на 5 метров при 2700 об./мин. не состоялся из-за дефектов в двух сервоприводах[31]
	21.09.2021 14:54 23.09.2021 11:01	209 211	Пробное раскачивание сервоприводов (wiggle tests) прошло успешно[31]										3	1
	На период верхнего соединения Земли и Марса (28 сентября — 17 октября; солы 217–235) введён мораторий на радиообмен с аппаратами[31][41][39]
	19.10.2021 11:07	236	Пробные раскрутки винтов (указано время фотоснимков)										1	—
	23.10.2021	240											1	—
14[94]	24.10.2021 12:33	241	23	2	5	H	H	–2569,9	18°25′58″ с. ш. 77°26′21″ в. д.18,43284° с. ш. 77,43920° в. д. / 18.43284; 77.43920	↕	2	2	182	—
15[151]	06.11.2021 12:03	254	128,8	5	12	H	F	–2578,9	18°25′43″ с. ш. 77°26′42″ в. д.18,428705° с. ш. 77,445013° в. д. / 18.428705; 77.445013	SE	407	407	191	10
16[152]	21.11.2021 12:33	268	107,9	1,5	10	F	J	–2582,2	18°25′48″ с. ш. 77°26′47″ в. д.18,43013° с. ш. 77,44645° в. д. / 18.43013; 77.44645	NE	116	116	185	9
17	05.12.2021 12:33	282	116,8	2,5	10	J	K	–2579,6	18°25′59″ с. ш. 77°26′52″ в. д.18,43305° с. ш. 77,44772° в. д. / 18.43305; 77.44772	NE	187	187	192	10
18[153]	15.12.2021 12:02	292	124,3	2,5	10	K	L	–2573,0	18°26′10″ с. ш. 77°27′00″ в. д.18,43624° с. ш. 77,45010° в. д. / 18.43624; 77.45010	NE	230	230	184	10
…	07.01.2022	314	Полёт, назначенный на 7 января[154] (по отчёту #358 на 5 января, сол 313) отменён по метеоусловиям[33]
…	23.01.2022	330	Полёт отменён
19	08.02.2022 12:03	345	99,98	1	10	L	E	–2569,4	18°26′13″ с. ш. 77°27′03″ в. д.18,43707° с. ш. 77,45076° в. д. / 18.43707; 77.45076	NE	63	63	174	9
20	25.02.2022 10:02	364	130,3	4,4	10	E	M	–2570,4	18°26′36″ с. ш. 77°26′55″ в. д.18,44336° с. ш. 77,44859° в. д. / 18.44336; 77.44859	N	391	391	192	10
21[155]	10.03.2022 10:02	375	129,2	3,85	10	M	N	–2558,6	18°26′43″ с. ш. 77°26′32″ в. д.18,44514° с. ш. 77,44220° в. д. / 18.44514; 77.44220	NW	370	370	191	10
22[156]	20.03.2022 10:02	384	101,4	1	10	N	N	–2561,6	18°26′46″ с. ш. 77°26′35″ в. д.18,44611° с. ш. 77,44293° в. д. / 18.44611; 77.44293	NE	68	68	176	9
23[157]	24.03.2022 10:03	388	129,1	4	10	N	P	–2565,8	18°27′02″ с. ш. 77°26′36″ в. д.18,45058° с. ш. 77,44329° в. д. / 18.45058; 77.44329	NW	358	358	191	10
24	03.04.2022 09:32	398	69,8	1,45	10	P	P	–2563,2	18°27′03″ с. ш. 77°26′33″ в. д.18,45077° с. ш. 77,44247° в. д. / 18.45077; 77.44247	NW	47,5	47,5	164	6
25	08.04.2022 10:02	403	161,3	5,5	10	P	Q	–2557,7	18°27′17″ с. ш. 77°25′50″ в. д.18,45477° с. ш. 77,43059° в. д. / 18.45477; 77.43059	NW	704	704	190	10
26	20.04.2022 11:37	414	159,3	3,8	8	Q	R	–2559,6	18°27′06″ с. ш. 77°25′50″ в. д.18,45163° с. ш. 77,43047° в. д. / 18.45163; 77.43047	SE,W,NE	187	360	190	10
27	24.04.2022 11:37	418	153,25	3	10	R	S	–2556,6	18°27′09″ с. ш. 77°25′35″ в. д.18,45252° с. ш. 77,42636° в. д. / 18.45252; 77.42636	SE,SW,NW	237	305	181	12
28	29.04.2022 11:52	423	152,86	3,6	10	S	T	–2549,56	18°27′26″ с. ш. 77°25′14″ в. д.18,45714° с. ш. 77,42068° в. д. / 18.45714; 77.42068	NW	421	421	180	10
29	11.06.2022 15:27	465	66,6	5,5	10	T	U	–2550,29	18°27′22″ с. ш. 77°25′04″ в. д.18,45598° с. ш. 77,41768° в. д. / 18.45598; 77.41768	W	182	182	169	5
…	06.08.2022 14:54 14.08.2022 14:11	518 527	Наземная прокрутка винтов на малых оборотах (50 об./мин.) Наземная прокрутка винтов на штатных оборотах (2573 об./мин.)										— 2	—
30	20.08.2022 16:08	533	33,3	0,5	5	U	U	–2550,3	18°27′21″ с. ш. 77°25′04″ в. д.18,45597° с. ш. 77,41764° в. д. / 18.45597; 77.41764	↕	2	2	92	—
Запланированные или ожидающие подтверждения
31	не ранее 06.09.2022		56	4,75	10	U	V			W	97	97

Séítah-N (рейсы 6 — 9)

Рейс № 6 (сол 91, 23.05.2021) 205 м ● 139,9 с ● 4 м/с ● высота 10 м ► «C», −2 569 м

Исходя из указания «на следующей неделе», прозвучавшего в среду, 19 мая в анонсе рейса № 6[158], и с поправкой на американский счёт недель с воскресенья новый, шестой старт можно было ожидать в интервале между 23 и 29 мая. Однако, ещё пребывая в ожидании старта, 27 мая подписчики уведомлений НАСА узнали, что старт состоялся практически досрочно (в субботу, 22 мая по зонам времени США, или 23 мая в 05:20 UTC), и что уже несколько дней JPL изучает возникшие в полёте аномалии. На формальных отчётных цифрах эти аномалии практически не отразились, если не считать незначительного недолёта до расчётной точки «C», который, однако не вышел за границы 5-метрового посадочного эллипса. Все остальные записи в журнал полностью соответствовали полётному заданию: вертолёт

• перемещался на высоте 10 метров против 5 метров в предыдущих рейсах (в рейсе № 5 Ingenuity эту высоту набрал, но на ней не перемещался);
• достиг скорости 4 м/с против 3,5 м/с в рейсе № 4 и 2 м/с в рейсах № 3 и 5;
• увеличил время пребывания в воздухе до 140 секунд против 117 секунд в рейсе № 4[2].

На протяжении полёта вертолёт дважды изменял курс. Маршрут суммарной протяжённостью 215—220 метров складывался из трёх отрезков: 1) 150 метров курсом на юго-запад; 2) 15-20 метров курсом на юг; 3) 50 метров курсом на северо-восток (возвращение на треть пути назад параллельно уже пройденной трассе).

Из текста задания по фотографированию местности обзорной камерой RTE вырисовывается следующая последовательность манёвров. Пройдя 150 метров на юго-запад, вертолёт должен был переложить курс на 45°, после чего на протяжении 15-20 метров полёта в новом, южном направлении, снимать местность, расположенную на западе[159]. Чтобы двигаться на юг, сохраняя при этом ориентацию камеры RTE на запад, вертолёту предстояло пройти эти 15-20 метров «боком», левым бортом вперёд. Крюкообразная трасса подразумевала предварительный пролёт над полем «C» с возвратом к нему для посадки. «Кружение» над неизвестным районом будущей посадки исключено: хоть по окончании показных полётов места посадок выбираются в основном без участия марсохода, но с активной проработкой орбитальных снимков[158] и цифровой модели местности (DTM)[78].

Фотофиксация с камеры марсохода подтвердила, что аппарат стоит всеми опорами на ровной поверхности[160]. Тем не менее, с первых сообщений СМИ рейс № 6 стал называться «аномальным»[161][159][146].

Так называемая «аномалия в 6-м рейсе» возникла на 54-й секунде и имела признаки «болтанки» воздушного судна с колебаниями крена и тангажа до 20°[159]. Как результат, резко возрос трафик между навигационной подсистемой и механизмами: реагируя на изменения картинки с камеры NAV, программа управления полётом посылала корректирующие сигналы на винт. Отчётная телеметрия подтвердила сопутствовавшие этому пиковые скачки энергопотребления.

Сбой был объяснён «потерей» одного из кадров, поступавших от навигационной камеры[159][71]. Такого рода аномалии, нештатные ситуации ожидаемы при обкатках любых механизмов, тем более, что на Земле собственно полёты с манёврами над реальной поверхностью не осуществлялись, ограничиваясь пространством барокамеры. 24 июня Тедди Дзанетос оптимистично заявил, что продолжительность следующих полётов возрастёт до 3 минут, а протяжённость до километра[71][162]).

Высота полёта в 7-9 рейсах осталась на уровне шестого (10 м); скорость в 6-8 рейсах составляла 4 м/с и лишь в девятом увеличилась до 5 м/с. Сообщения о предстоящих рейсах с шаблонной формулировкой «не ранее такого-то числа» приобрели рутинный характер: предварительно анонсировались только «рекордные» задания, остальная же статистика с запозданием добавлялась в журнал полётов на сайте НАСА[2].

Рейс № 7 (сол 107, 08.06.2021) 106 м ● 62,8 с ● 4 м/с ● высота 10 м ► «D», −2 569 м

Рейс № 8 (сол 120, 22.06.2021) 160 м ● 77,4 с ● 4 м/с ● высота 10 м ► «E», −2 569 м

Попытка взлёта, предпринятая 4 июня, оказалась неудачной, о чём было сообщено post factum только 29 числа[71]. Не взлетел вертолёт и во вновь назначенную дату «не ранее воскресенья, 6 июня»[9]. Лишь 9 июня твиттер nasajpl сообщил, что 7-й рейс состоялся во вторник, 8 июня (107-й сол). Проведя в воздухе 62,8 секунды, вертолёт приземлился в 106 метрах к югу от точки старта[163]. После перепрошивки программы управления полётом, «сбрасывавшей таймер» по завершении медленной (50 об./мин.) прокрутки винтов, 18 июня был объявлен 8-й рейс с датировкой «не ранее 21 июня». Взлетев 22 июня, за 77,4 секунды Ingenuity переместился к югу ещё на 160 метров, совершив посадку в 133,5 метрах от текущего местоположения марсохода[71][2]. Цветная камера RTE в этих рейсах была отключена, как предположительно вызвавшая сбой[71]. 26 июня JPL сообщила об устранении сбоев, ранее освещённых в докладах от 9[119], 16[120], 17[164] и 29 апреля[129], а также о неудачной попытке старта 4 июня.

Рейс № 9 (сол 133, 05.07.2021) 625 м ● 166,4 с ● 5 м/с ● высота 10 м ► «F», −2 580 м

До обещанного в мае полёта на километр за три минуты[71] девятый рейс не дотянул. Пересекая Сейтах наискосок курсом на юго-запад, вертолёт «срезал угол» относительно трассы марсохода. На последних 80 метрах пути, уже над грядами Артуби курс отклонился на −30°, и точка посадки оказалась в 47 метрах от центра расчётного 50-метрового эллипса, практически на его краю. Рекордный на тот момент 625-метровый перелёт [148] стал первым, для которого впоследствии были вручную рассчитаны координаты большинства (172) кадров навигационной камеры. В программу был заложена особенность топографии маршрута, на протяжении которого вертолёт «спускался в низину»: по данным орбитальных спутников, разность высот взлёта и посадки составляла 11 метров (более, чем на высоту полёта), что и было учтено при обработке показаний лидара. О рекордах, ожидаемых «не ранее, чем через два дня», JPL известила уже 2 июля[52].

Место посадки было выбрано с перспективой дальнейшего обследования «Рельефных гряд» (Raised Ridges) — участка, названного месяц назад (6 июня) в числе четырёх областей исследований первой кампании[165]. Гряды эти оказались лишь на последней из 10 фотографий камеры RTE в виде парных линий камней, смутно вырисовывавшихся на дальнем плане на расстоянии 50-200 метров[166]. Пресса единодушно зачла это, как предварительную фоторазведку района, куда Perseverance обязательно направится для взятия образцов породы[167].

Начиная с 9-го и вплоть до 15-го рейса JPL выкладывала на сайте НАСА по 10 цветных фотографий из каждого полноценного вылета[145].

Séítah-S (рейсы 10 — 14)

Рейс № 10 (сол 152, 24.07.2021) 233 м ● 165,4 с ● 5 м/с ● высота 12 м ► «G», −2 580 м

Честь анонсировать этот рейс на брифинге 21 июля была предоставлена Дженнифер Троспер, заместителю руководителя всего проекта Марс-2020[149]. Выдача полётного задания группе Ingenuity на столь высоком уровне дополнительно подчёркивала наличие «заказа» со стороны группы Perseverance. Через два дня, 23 июля Тед Цанетос уточнил детали и опубликовал карту маршрута. Ради фотографирования «Рельефных гряд» впервые после 6-го рейса трасса предполагала несколько поворотов и складывалась из нескольких звеньев. Общая траектория 10-го рейса представляла собой четыре хорды разорванного овала. Последовательно проходя эти отрезки по часовой стрелке, в конце каждого вертолёт перекладывал курс от ~30° до ~135°. Отдельные участки Ingenuity проходил, как и в 6-м рейсе, «боком вперёд».

При расстоянии между точками взлёта и посадки около 95 метров общая протяжённость трассы составила 233 метра. Съёмка «Рельефных гряд» производилась не с низкой, как это можно было ожидать, а наоборот, с рекордной на тот момент для вертолёта 12-метровой высоты[168].

Рейс № 11 (сол 163, 05.08.2021) 383 м ● 130,9 с ● 5 м/с ● высота 12 м, ► H", −2 570 м

В этом рейсе точка посадки «H» была определена как база рекогносцировочных вылетов в зоне предстоящей работы марсохода. Объявив 11-й вылет техническим перегоном на эту базу, JPL не выдала вертолёту никаких заданий по цветной аэрофотосъёмке, хотя трасса пролегала вдоль уже «присмотренных» учёными гряд Artuby[169], где впоследствии были взяты пробы. Не обременённый задачами зависать и менять курс по пути, вертолёт повторил рекорды предыдущего рейса по скорости и высоте, заодно испытав инерционную навигацию в движении «задним ходом» на протяжении всего полёта[170]. Своего рода тест на качество кадров прошла и цветная камера RET, постоянно обращённая назад, где южнее точки старта «G », находился Perseverance. Марсоход, геометрически не выпадавший из поля зрения RET, оказалось возможным различить лишь на первом из 10 снимков «цветной фотосессии» этого полётного дня.

Последующие четыре вылета с точки «H» вывели эту базу на второе место после «Поля Братьев Райт» по количеству отправлений, а по суммарной протяжённости (1069 м) и продолжительности этих рейсов (481,8 с), а также стояночного времени вертолёта (3 месяца, с 5 августа по 6 ноября) гелидром «H» даже опередил колыбель марсианского воздухоплавания[2].

Рейс № 12 (сол 174, 16.08.2021) 450 м ● 169,5 с ● 4,3 м/с ● высота 10 м ► «H», −2 570 м

Рейс № 13 (сол 193, 05.09.2021) 210 м ● 160,5 с ● 3,3 м/с ● высота 8 м ► «H», −2 570 м

Решающим для последующей судьбы вертолёта, ожидавшего прекращения рейсов до конца августа[22], стал 12-й вылет, в котором впервые была продемонстрирована реальная, а не умозрительная отдача от цветной аэрофотосъемки для работы марсохода. В интервью Spectrum была представлена одна из фотографий 12-го рейса, по которой марсоход немного скорректировал путь объезда одного холмика в гряде Артуби[55].

До примерно месячной паузы на время ухода Марса за Солнце относительно Земли вертолёт совершил ещё один, 13-й вылет по той же схеме с углублением в Сейтах и возвратом к месту старта с 10 новыми цветными снимками. Технических рекордов не устанавливалось; наоборот, скорость, высота и протяжённость от рейса к рейсу снижались[170][173][174].

13-й рейс состоялся уже за пределами назначенного в апреле срока вывода вертолёта из эксплуатации. Однако бюджетные инстанции Конгресса уже дали добро на выделение NASA/JPL дополнительной сметы под вертолёт, и в начале сентября 2021 года финансирование Ingenuity было вновь продлено[24]. Вспомнив в конце 2021 года об этих перипетиях, старший редактор IEEE Spectrum Эван Аккерман дал своему очередному обзору подзаголовок: «Может быть, „Настойчивостью“ (англ. Perseverance) следовало назвать этот маленький марсианский вертолётик?»[55]

Спустя два с половиной месяца, 18 ноября НАСА обнародовало результаты эксперимента с оборудованием марсохода: синхронная съёмка обеими камерами Mastcam-Z с отдельными установками зума для каждой[143]. Частота не менее 7 цветных кадров в секунду создавала существенную нагрузку на бортовой компьютер марсохода (о котором «Spectrum» заметил, что он слабее, чем у вертолёта)[65], однако Perseverance справился с трафиком без проблем.

Рейс № 14 (сол 241, 24.10.2021) 210 м ● 23 с ● подскок до 5 м ► «H», −2 570 м

В связи с верхним соединением Земли и Марса на период 28 сентября — 17 октября (217—235 солы) НАСА объявила мораторий на радиообмен со всеми марсианскими аппаратами[41]. Тем временем, уже к середине сентября атмосферное давление в Езеро снизилось настолько, что для взлёта пришлось форсировать режим с 2500 до 2700 об./мин. Проверочную раскрутку двигатель прошёл, и 15 сентября на дату «не ранее 17-го» был назначен краткосрочный подскок на высоту 5 метров[170]. Первая попытка, предпринятая 18 сентября, сорвалась самозавершением программы взлёта, обнаружившей дефекты в двух сервоприводах[31]. Испытания были завершены уже после коммуникационной паузы. Пробная прокрутка состоялась 23 октября, и на следующий день вертолёт, наконец, взлетел[94].

Возвращение к месту высадки (рейсы 15 — 20)

По плану экспедиции точкой начала нового «полевого сезона» аппаратов, посвящённого исследованию собственно дельты, определены «Три рукава» (Three forks) — место у подножия склонов, на вершины которых выходят три пересохших русла (рукава) Неретвы. Разработанный ещё в марте вариант выдвижения к этой точке мимо «Рельефных гряд» на запад, а затем на север был отклонён в пользу возвращения практически по своим следам к месту посадки, огибая Сейтах против часовой стрелки[151]. Ещё весной Дженнифер Троспер предупреждала на брифинге, что новейшая система автонавигации позволяет Perseverance за несколько солов оторваться от Ingenuity[175], и поэтому вертолёту предстояло выступить в поход первым и заблаговременно.

Рейс № 15 (сол 254, 06.11.2021) 407 м ● 128,8 с ● 5 м/с ● высота 12 м ► «F», −2 579 м

Местом назначения первого на обратном пути и 15-го по общему счёту рейса было «поле F» — тот же примерно 100-метровый в диаметре кратер, в котором вертолёт уже совершил посадку по завершении перелёта через Сейтах в 9-м рейсе 5 июля. 15-й рейс был заявлен ровно через 4 месяца и состоялся через сутки, то есть 6 ноября. К стандартному набору параметров полётного задания в извещение была добавлена расчётная продолжительность (130 секунд)[151] — параметр, труднопрогнозируемый в силу неизвестности скорости и направления ветра. Исполнение «с точностью до метра и секунды» не состоялось: несмотря на меньшую продолжительность полёта (128,8 против 130 секунд), было пройдено на 1 метр больше заявленного (407 метров против 406). Однако если в 9-м рейсе вертолёт ушёл на 47 метров[51] от центра посадочного эллипса, то на этот раз он оказался примерно в 45 метрах к северо-западу от точки своей посадки, или, как прокомментировала JPL в своём твиттере, «в пределах намеченной зоны»[176]. Оценок научной ценности повторных фотосъёмок местности, уже пройденной марсоходом, не поступало[lower-alpha 8]

Рейс № 16 (сол 268, 21.11.2021) 116 м ● 107,9 с ● 1,5 м/с ● высота 10 м ► «J», −2 582 м

Рейс № 17 (сол 282, 05.12.2021) 187 м ● 117 с ● 2,5 м/с ● высота 10 м ► «K», −2 580 м

Рейс № 18 (сол 292, 15.12.2021) 230 м ● 125 с ● 2,5 м/с ● высота 10 м ► «L», −2 573 м

Рейс № 19 (сол 346, 08.02.2022) 62 м ● 99,98 с ● 1 м/с ● высота 10 м ► «E», −2 569 м

Из-за пониженного атмосферного давления путь назад пришлось разбить на 4-7 «укороченных перебежек»[151]. Обратный 9-му рейсу перелёт от «F» к «E» был совершён в четыре приёма, с промежуточными посадками внутри Сейтаха в точках «J», «K» и «L» (литера «I» из нумерации была исключена). При этом на трёх последних отрезках часть и без того пониженной подъёмной силы приходилось затрачивать на донабор высоты соответственно повышению отметки высоты местности, который в общей сложности составил 13 метров (-2569 м против −2582 м).

16-й рейс планировался на 20 ноября, но состоялся 21-го и проходил на беспрецедентно малой для полноценного рейса скорости 1,5 м/с[151].

В 17-м рейсе в процессе снижения для посадки сигнал от вертолёта пропал. Через 15 минут связь восстановилась и марсоход принял от вертолёта телеметрию, согласно которой бортовая электроника и зарядка батарей были в норме. Причиной ЧП была 5-метровая горушка Bras, за которой вертолёт «спрятался» от марсохода на последних 3 метрах посадки. Тед Цанетос переложил вину на команду марсохода, заявив, что в момент планирования трассы ровер находился в другом месте, но «планы Perseverance меняются день ото дня, чтобы максимизировать результаты научных исследований»[98].

18-й рейс планировался на начало 20-х чисел[98], но отправку ускорили, и 15 декабря в блоге новостей появилась примечательная фраза, что старт состоится «не ранее сегодняшнего дня» (англ. no earlier than today, Dec. 15)[177]. Впервые за всё время фотоматериалы были обнародовали до полного официального отчёта. Блог Perseverance от 18 ноября извещал об очередной перепрошивке полётной программы накануне 18-го рейса[178], однако сообщений о её проведении не поступало.

19-й рейс был первым в 2022 году. От площадки «E», откуда 5 июля стартовал рекордный перелёт через Сейтах, вертолёт отделяло 62 метра по горизонтали и 4 метра вверх по вертикали. Поначалу полёт был заявлен на 5 января[33] либо, согласно более ранней информации — на 7 января[154]). Так или иначе, облако пыли, надвинувшееся на Сейтах с юга в первый день нового года, впервые заставило переносить вылет «по неблагоприятным метеоусловиям» (англ. inclement weather) сначала на 23 января[33] и окончательно на 8 февраля. Давление в Езеро упало на 7 % к предштормовому, а сгущение мглы по баллам «тау» привело к снижению отдачи солнечных батарей на 18 %. Литометеоры размером от пыли до крохотных песчинок осели на вертолёте[lower-alpha 9], так что автомат перекоса потребовал очистки накануне взлёта, а чтобы вывести из обработки искажённые из-за запыления сегменты по краям изображения от навигационной камеры, пришлось наложить на них виртуальную маску[179].

18 февраля, в 355-й сол Perseverance проследовал в режиме автонавигации в 25 метрах к западу от площадки «E» на той же отметке высоты −2569 м. Несмотря на отсутствие возвышений и других помех по линии прямой видимости, фотографирование вертолёта в программу движения марсохода заложено не было.

Рейс № 20 (сол 364, 26.02.2022) 391 м ● 130,38 с ● 4,4 м/с ● высота 10 м ► «M», −2 570 м

Покинув низины южного Сейтаха, вертолёт оказался в южной точке меридиональной трассы «C→D→E», пройденной в июне 2021 года в двух коротких перелётах № 7 и 8. Из прежних сообщений JPL следовало, что Ingenuity завершит этот отрезок близ OEB (Octavia E. Butler Landing Site), близ места посадки спускаемого аппарата и старта всей экспедиции, откуда начнёт новую серию перелётов через Сейтах — на северо-запад в направлении склонов наносов дельты. Во изменение этих намерений, в планах от 23 февраля место приземления перенесли примерно на 150 м к юго-западу от OEB, а саму трассу «E→M» сдвинули к восточному берегу относительно «C→D→E». Назначенный «не ранее 25 февраля» вылет на «M» состоялся на сол позже, и 26-го числа вертолёт оказался на дне выемки диаметром около 60 метров и глубиной до 3 метров[180].

Вновь через Сейтах к «Трём рукавам» (рейсы 21 — 25)

Рейс № 21 (сол 375, 10.03.2022) 370 м ● 129,2 с ● 3,85 м/с ● высота 10 м ► «N», −2 559 м

Рейс № 22 (сол 384, 20.03.2022) 68 м ● 101,4 с ● 1 м/с ● высота 10 м ► «N», −2 562 м

Рейс № 23 (сол 388, 24.03.2022) 358 м ● 129,1 с ● 3,85 м/с ● высота 10 м ► «P», −2 566 м

Рейс № 24 (сол 398, 03.04.2022) 47 м ● 69,5 с ● 1,45 м/с ● высота 10 м ► «P», −2 563 м

Рейс № 25 (сол 403, 08.04.2022) 704 м ● 161,5 с ● 5,5 м/с ● высота 10 м ► «Q», −2 557 м

На протяжении марта темпы повышения атмосферного давления были невелики (не быстрее 1 Па за 1 сол), и восстановить нормальный режим эксплуатации двигателя (160—170 секунд полёта при 2500 об./мин.) оказалось невозможно. Чтобы использовать фактор более высокого давления перед восходом Солнца, в 21-23 рейсе старты перенесли с 12 на 10 часов, а в 24-м на 9:30 утра местного времени. Трасса данной серии перелётов вновь потребовала выходить с каждым рейсом на более высокие отметки уровня местности, что дополнительно укорачивало их протяжённость. Новым вызовом для обоих аппаратов стал выход на паспортные пределы их коммуникационного оборудования (1 км — в этой части норма была превзойдена в 1,3 раза). Все эти особенности были учтены в сводном плане на полёты этой серии, опубликованном 15 марта[181].

21-й рейс, ожидавшийся «не ранее 5 марта»[182], состоялся 10/11 марта[183]. По протяжённости он оказался на 21 метр короче предыдущего, зато дополнительный набор высоты по ходу этого полёта вывел на отметку −2559 м (на 11,8 метра выше стартовой), самую высокую за время полётов. Максимальная отметка возвышенностей на профиле следующего отрезка «N→O» составляла 2554 метра. При очередном подъёме на 10 метров участок можно было пройти её напрямую с пятиметровым запасом, но в плане от 15 марта на 22-й рейс этому варианту был предпочтён облёт возвышенности с поворотом по ходу движения на угол более 90°[8]. Однако 22-й рейс завершился на 102-й секунде преждевременной посадкой в 68 м от старта: впервые за всё время испытаний полётный план не был выполнен. Поначалу месту посадки присвоили литеру «O», но через сутки полёт переквалифицировали в подскок, и по аналогии с гелидромом «H» (посадки рейсов с 11 по 14), литера была заменена на «N». Через 4 сола 23-й рейс завершил эту часть программы перелётом «N→P» (от литеры «O» отказались)[181]. 24-й рейс вновь оказался укороченным и был зарегистрирован как очередной подскок «P→P». 25-й рейс завершил эту серию перелётов, обновив рекорды по скорости и протяжённости[36].

У переднего края дельты (рейсы 26 — 30)

Рейс № 26 (сол 414, 20.04.2022) 360 м ● 159,3 с ● 3,8 м/с ● высота 8 м ► «R», −2 560 м

Рейс № 27 (сол 418, 24.04.2022) 307 м ● 153,3 с ● 3 м/с ● высота 10 м ► «S», −2 557 м

Рейс № 28 (сол 423, 29.04.2022) 421 м ● 152,9 с ● 3,6 м/с ● высота 10 м ► «T», −2 550 м

Рейс № 29 (сол 465, 11.06.2022) 182 м ● 66,6 с ● 5,5 м/с ● высота 10 м ► «U», −2 550 м

Рейс № 30 (сол 533, 20.08.2022) 2 м ● 33 с ● NA ● высота 3 м ► «U», −2 550 м

В то время, пока Ingenuity «отдыхал» 11 солов (403—413) на гелидроме «Q», Perseverance прошёл более 1,1 км вдоль переднего края дельты на запад до точки «Три рукава», а от неё в 413 сол стал медленно продвигаться на юго-запад, сохраняя примерно 1,2-км отрыв. На этом удалении и при относительном возвышении базовой станции над вертолётом в пределах 12-15 метров в 414-й сол состоялся 26 рейс. Направленный на юго-восток «крюк» его трассы охватил несколько десятков гряды, на которую 19 апреля 2021 года упали парашют с прикреплённой к нему верхней половиной «скорлупы» посадочного модуля. Их цветные фотографии были первыми после двухмесячной паузы в работе камеры RTE. 27-й рейс начался с небольшого смещения на юг к гряде. Пролетев вдоль неё на запад, вертолёт затем взял курс на СЗ, по которому прошёл вторую половину пути. 28-й рейс продолжил перелёт по этому же СЗ азимуту, завершившись неподалёку от стоянки, на которой марсоход располагался в 405-406-й сол. Этот рейс стал пятым по счёту за апрель — такой интенсивности полётов не было со времени демонстрационной программы, когда за апрель 2021 года было выполнено 4 рейса.

29-й рейс. Снижение отдачи солнечных батарей в зимний, пыльный период было событием ожидаемым. Однако оказалось, что перевод аппарата в режим пониженного энергопотребления сбрасывает таймер всего бортового компьютера, из-за чего с 3 по 5 мая (427—429 сол) связь с вертолётом была потеряна. Ради её восстановления пришлось отложить все работы по плану экспедиции и перевести марсоход в режим круглосуточного мониторинга эфира. Для уменьшения расхода энергии порог включения подогрева электроники был снижен с −15 °C до −40 °C[88]. Тем не менее, к июню дефицит энергии из-за недозарядки аккумуляторов составил 2 % с перспективой роста до 7 % ко дню зимнего солнцестояния (около 500-го сола). На протяжении нескольких недель вся вновь вырабатываемая энергия направлялась на докачку фотографий из предыдущих рейсов, отложенную из-за нехватки ресурсов[88]. 27 мая НАСА сообщило, что подготовка к 29-му рейсу продолжается[184]. 6 июня Ховард Грип сообщил, что функции инклинометра, вышедшего из строя из-за отключения подогрева, пришлось передать другим датчикам инерциальной навигации[185]. О том, что 11 июня рейс состоялся, стало известно 2 дня спустя по факту появления в фотобанке НАСА новых 5 кадров камеры NAV, а 14-го новая запись появилась и в журнале полётов[2].

18 июня (сол 472) был сделан один, и 20 июля (сол 503) ещё три контрольных цветных снимка посадочной площадки «U», позже переданный на Perseverance[186].

30-й рейс. 13 июля JPL уведомила, что следующий старт откладывается до начала августа при подходящих погодных условиях[187]. 6 августа прошла проверка на минимальных (50 об./мин.), а 15 августа на несколько секунд двигатель был выведен на штатные обороты. Краткосрочный (33 сек.) подскок на 5 метров с минимальным смещением на 2 метра по горизонтали состоялся 20 августа. Для повышения точности посадки в сентябре планируется новая перепрошивка бортового компьютера[188].

31-й рейс продолжительностью 56 секунд и протяжённстью 97 м курсом на запад планируется «не ранее 6 сентября» на высоте 10 м при скорости 4,75 м/с[189]. Экстраординарный режим отключения подогрева на ночь, сохранявшийся до 30-го рейса, не позволяет накопить энергию для перелётов на существенные расстояния[188].

От демонстрационного образца к типу аппарата

История группы по созданию марсианского вертолёта

Предыстория группы, воплотившей в жизнь идеи и разработки марсианского вертолёта восходит к 2012 году. Высшее руководство Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) в сопровождении МиМи Аунг, на тот момент возглавлявшей один из отделов лаборатории, обозревало выставку дронов, демонстрировавших навигационные алгоритмы. «Не попытаться ли нам сделать это на Марсе?» — спросил глава JPL Charles Elachi у финансового директора René Fradet. МиМи тут же дала справку о разработках в этом направлении и назвала имя Боба Баларама. Директор предложил представить доклад; Баларам подготовил его за 10 дней — и небольшая сумма на дальнейшее изучение вопроса (study money) была выделена[190].

Дотация позволила за два с небольшим года создать макет, получивший одобрение экспертов НАСА. Как следствие, проект получил финансирование в составе бюджетного плана JPL с января 2015 года — даты, с которой ведёт свою историю группа по разработке проекта марсианского вертолёта. Возглавив этот проект, МиМи Аунг сформировала большой междисциплинарный коллектив учёных и инженеров разных специальностей. Всего в пересчёте на полные ставки его штатная численность не превышала 65 работников, а с учётом сотрудников AeroVironment и центров НАСА имени Лэнгли (Langley Research Center) и Эймса над проектом работало около 150 человек[191][190].

По выступлениям в СМИ и интернете, в качестве авторов информационных бюллетеней и блогов JPL наиболее известны:

• МиМи Аунг ([mḭ mḭ àʊɰ̃], англ. MiMi Aung, бирм. မိမိအောင်) — руководитель проекта[164][127], «the Mars Helicopter Scout proposal lead»[190]
• Боб Баларам (англ. Bob Balaram) — главный инженер[192][111][193][52]
• Теодор Цанетос (Theodore Tzanetos[194]) — руководитель управления операций[71][168][50][151]
• Яакко Каррас (Jaakko Karras) — заместитель руководителя управления операций[31]
• Бен Моррелл (Ben Morrell) — инженер управления операций[36]
• Говард Фьёр Грип (норв. Håvard Fjær Grip) — главный пилот[134][44][159][52][148][50]
• Джошуа Андерсон (Joshua Anderson) — руководитель отдела тактики[51]
• Джош Равич (Josh Ravich) — руководитель отдела механизмов и оборудования (Mechanical Engineering)[78][170]
• Насер Шахат (Nacer Chahat) — старший инженер по радиосвязи (разработчик антенн, установленных на вертолёте и марсоходе)[97]

15 июня 2021 года Космический фонд (Space Foundation) наградила коллектив Ingenuity премией Дж. Свигерта (John L. «Jack» Swigert, Jr.) за 2021 год за исследования космоса[195].

5 апреля 2022 года Национальная авиационная ассоциация объявила, что Трофей Колье^[en] за 2021 год присуждён Ingenuity и его группе в JPL[196]. Приём в честь награждённых состоялся в Вашингтоне 9 июня[197].

Поиски технических решений

Различные варианты аэропланов для Марса НАСА изучала ещё в 1970-е годы. В конце 1990-х годов Исследовательский центр Эймса дал технические решения лопастей, способных создать подъёмную силу, достаточную для полётов в приповерхностном слое атмосферы Марса. Ларри Янг занимался этой проблемой в центре Эймса с 1997 года. По его проекту компания Micro Craft Inc. построила двигатель из сверхлёгких материалов с диаметром лопастей 2,4 метра, который успешно прошёл испытания на скорости 7200 об/мин.[191] В 2000—2002 гг. Янг и соавторы опубликовали серию трудов по этим вопросам[198], а в 2002 Янг предложил использовать беспилотные вертолёты в программе «Марсианский разведчик» (англ. Mars Scout Program)[199]. Но деньги на продолжение разработок не были выделены, и идеи легли на полку ещё на 10 лет[191]. В 2012 году директор JPL Charles Elachi выделил средства Бобу Балараму на возобновление работы над проектом; Баларам вышел на AeroVironment[58].

После утверждения результатов проделанной работы, с января 2015 года группа Баларама стала работать на постоянной основе в составе JPL за счёт бюджетных средств НАСА[191]. Тем не менее, вплоть до конца 2010-х годов немало руководителей НАСА, учёных и сотрудников JPL активно выдвигали контраргументы против интеграции вертолёта в ближайшую экспедицию в качестве её научного груза, и на протяжении трёх лет будущий Ingenuity дорабатывался в JPL вне проекта Марс 2020 и его бюджета, за его рамками[200]. Когда весной 2018 года руководство НАСА приняло заверения, что добавление вертолёта не навредит целям экспедиции «Марс-2020», главный учёный этого проекта[201] Кеннет Фарлей заявил, что из факта принятия Ingenuity на борт отнюдь не следует, что коллектив поддерживает это решение даже при гарантиях отсутствия риска:

…я сам не сторонник вертолёта и не верю, что среди участников всего проекта «Марс-2020» найдутся сторонники вертолёта.

Оригинальный текст

That doesn’t mean, though, that the project supports adding the helicopter even if it doesn’t increase the mission’s risk. “I am not an advocate for the helicopter, and I don’t believe the Mars 2020 project has been an advocate for the helicopter,” he said. That opposition is based on the belief that the helicopter will be a distraction, taking away from the rover’s primary science work, at least for a short time.[200].

Убеждённый, что вертолёт — отвлечение группы учёных от приоритетной научной задачи, недопустимое даже на короткое время, Фарлей резюмировал:

…лично я противник вертолёта, потому что мы тут все напряжённо трудимся ради эффективности, и 30 дней, потраченные на демонстрацию технологий, не продвинут нас к намеченным целям с научной точки зрения

Оригинальный текст

This comes right out of science time… I have personally been opposed to it because we are working very hard for efficiencies and spending 30 days working on a technology demonstration does not further those goals directly from the science point of view. [200].

Скептицизм части руководства НАСА не был безосновательным. Учёные, инженеры и менеджеры исходили из прагматического сопоставления пользы дополнительной аэроразведки с издержками, которые неизбежно ложатся на график выполнения марсоходом всех возложенных на него задач. Ещё 30 апреля, полемизируя с МиМи Аунг в эфире совместной конференции, Дженнифер Троспер предупредила, что благодаря автонавигации марсоход в конечном счёте опережает вертолёт[202]. Эти расчёты впервые подтвердились весной 2022 года, когда к началу 400-х солов вертолёт так и не занял опережающую позицию на трассе вдоль склонов дельты, хотя покрыл расстояние в несколько раз меньше, чем ровер. Из-за возросших потерь времени на подзарядку и передачу телеметрии сорвалась и попытка вывести вертолёт на позиции прокладчика трассы, запланированная при подъёме в дельту[187].

По завершении «испытательного окна» НАСА продлило поддержку Ingenuity ещё на 30 солов, ограничив частоту вылетов 1 рейсом в несколько недель. В дальнейшем некоторые высшие руководители НАСА не упускали возможности охладить восторг в отношении марсианского вертолёта. Так, обращаясь напрямую ко всем сотрудникам проекта Марс-2020, директор программы исследования Марса Э. Янсон и главный исследователь Марса М. Мейер призвали персонал «быть в высшей степени дисциплинированными и сконцентрироваться на сборе образцов»[203]. При этом вертолёт в их докладе Комитету по исследованию планет (Planetary Advisory Committee, PAC) 14 июня 2021 года упоминался только в прошедшем времени: «разместили Ingenuity и завершили фазу демонстрации технологий»[204].

Демонстрация способностей улучшать за пределы достигнутого

Название operations demo, данное этапу «сверхплановых» полётов Ingenuity, несёт на себе отпечаток бюрократического обоснования целей дополнительного бюджетного финансирования и не раскрывает всего содержания «операций», которые предстояло продемонстрировать, доказывая продуктивность концепции научно-исследовательского комплекса, где планетоход играет роль многофункционального самодвижущегося «научного комбината», а летательный аппарат является его вспомогательным оперативным подразделением. С первых сверхплановых полётов работа вышла за пределы демонстрации взаимодействия аппаратов, сосредоточившись на продолжении выявления «слабых мест», не все из которых могли быть идентифицированы в стендовых испытаниях на Земле. В фундаментальном контексте мирового научного прогресса эта работа велась «на будущее», без прицела на конкретный тип нового летательного аппарата. Впрочем многие найденные решения и попутные открытия по своей сути универсальны. К концу 2021 года выяснилось, что и без того отдалённые сроки возможного воплощения улучшений отодвигаются ещё не менее, чем на 10 лет. В очередной 10-летней концепции изучения космоса на период до 2032 года отправка на Марс научных лабораторий класса Curiosity/Perseverance не предусматривается, а финансирование марсианских проектов замораживается до уровня, необходимого для завершения программы доставки образцов грунта[205]. Упор делается на удешевлённые (англ. low-cost) проекты, наподобие «Dragonfly»[206].

Однако даже грядущие штормы мирового экономического спада не смогли потопить идею марсианских вертолётов. Наоборот, именно их предложили взамен малого марсохода для переброски гильз с образцами, собранными Perseverance. Иллюстрация, на которой вертолёт типаIngenuity поставлен на шасси с самодвижущимися колёсиками, опубликована с оговоркой «в представлении художника»[207]. Окончательные технические решения могут быть иными. Достоверно только то, что это будет вертолёт, а значит, некоторые наработки «группы Ingenuity» найдут практическое применение раньше, чем это можно было бы ожидать.

В ряду недостатков, преодолением которых инженеры и программисты Ingenuity занимались в экстремальных условиях до самого конца, на первом месте стоит инерциальная навигация в связке с полётной программой. Ingenuity необходимо показать способность точно пройти по трассе, уже «картографированной» им на прежде собранных наборах кадров NAV, и приземлиться в точке взлёта. В кампании по сбору образцов каждая гильза требует пары рейсов с завершением в точке вылета, и точность приземления поставлена в задание 31-го рейса[188]. Здесь инженеры и программисты ведут бой с силами природы: атмосфера с плотностью 1/100 земной физически не позволяет повторять манёвры и приёмы посадки земных вертолётов. Один из конструкторов уподобил это езде со скоростью пешехода на 5-й передаче[58][61].

Специальный подбор «плоской ровной поверхности», о котором говорилось с первых полётов[148] был обусловлен не только желанием упростить демонстрацию. Это предопределено самой технологией ориентации по двумерным изображениям навигационной камеры, где точность и сама возможность получения третьего измерения упирается в технические ограничения лидара. На Земле удерживать горизонталь помогает механический гироскоп. На Марсе роль гироскопа выполняют инерциальные датчики, а физическое удержание высоты осуществляется через изменение параметров лопастей по обработке результатов очередных замеров от этих датчиков. Паспортный предел высоты, замеряемой лидаром Garmin(до 40 м)[77] оказался избыточным: на практике выше 15 метров вертолёт не поднимали. Зато непреодолимыми оказались ограничения по типу поверхности: из-за обилия ярких пятен пришлось отказаться от варианта пролёта над обломками «небесного крана»[36].

Говоря об уточнении рельефа Марса с вертолёта, надо иметь в виду, что с камерой RTE конкурируют стереопары Mastcam, снимаемые с 2-метровой высоты. Кроме того, в момент съёмки координаты кадров NAV/RTE неизвестны. Вопрос, насколько подробная аэрофотосъёмка 9-го рейса «E» → «F» с её последующей привязкой к координатам помогла назначить точки промежуточных посадок «J», «K» и «L» при перелёте по этому же маршруту в обратном направлении, в отчётах о рейсах 16-19 не затрагивался. Между тем, именно на этом отрезке произошло ЧП, когда точка посадки после 17-го рейса оказалась временно недоступной для связи с марсоходом из-за перекрытия линии прямой видимости[98]. Здесь сыграло роль и неудачное место расположения антенны базовой радиостанции марсохода, выбранное с учётом приоритетности других средств связи Perseverance[97].

Приятным сюрпризом стало перекрытие в 1,3 раза дальности связи, установленной опытным путём на Земле. Ограничения же объёма трафика по протоколу Zigbee непреодолимы, и их приходилось обходить разбиением послеполётной телеметрии объёмом 700 Мб на несколько сеансов связи. Марсоход как посредник между вертолётом и Землёй тратил около 6 часов на первичную загрузку данных и фотоматериалов[208]. «Грузовые» вертолёты с этой проблемой не столкнутся, так как цветная фотосъёмка в их полётных заданиях стоять не будет.

Выбор Ingenuity как прототипа предполагаемой пары вертолётов-сборщиков основывался прежде всего на безупречности летательного аппарата (ЛА), созданного AeroVironment, и внушительности заложенного в него запаса прочности. В принципе, даже лимит 100 посадок для наиболее быстро изнашивающихся амортизаторов шасси достаточен, чтобы перенести к точке отправки все 43 гильзы.

Основные ограничения накладывают датчики и условия их эксплуатации — «сенсорную начинку» ЛА выбирает JPL. Группа «вертолётчиков» с самого начала держала в уме возможность продления полётов[65]. Предел их смелым ожиданиям предопределялся энергетическим балансом, по которому даже в наилучшем соотношении обычной инсоляции (без пылевых бурь) и внешних температур обогрев «тёплого отсека» потреблял более половины полученного от солнечных батарей[85]. Пылевое замутнение воздуха («бури») подвели Ingenuity к этому пределу прежде, чем зимние холода, после чего был начат вынужденный эксперимент с отключением обогрева[88]. Между тем, манипулятор и ротор-колёса шасси потребуют дополнительной энергии, что ставит перед JPL задачу усиления всей «энергетики» грузовой версии вертолёта.

Каталог цветных изображений, полученных от «Ingenuity»

Примечания

Комментарии

Литература

Ссылки

• Perseverance Route Map (англ.). The Planetary Society (24.06.2021). — трассы движения Perseverance и полётов Ingenuity, а также их текущее местоположение
• Journal de bord du robot Perseverance (фр.). Centre national d'études spatiales (11.06.2021).

Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.

На других языках

---

[en] Ingenuity (helicopter)

Ingenuity, nicknamed Ginny, is a small robotic coaxial rotor helicopter operating on Mars as part of NASA's Mars 2020 mission along with the Perseverance rover, which landed on February 18, 2021. Two months later, on April 19, Ingenuity successfully completed the first powered controlled extraterrestrial flight by an aircraft—taking off vertically, hovering, and landing, for a flight duration of 39.1 seconds.[4][5][6] As of June 11, 2022, it has made 29 successful flights.[7][8] Ingenuity's 25th successful flight, which occurred on April 8, 2022, saw the helicopter set new records for highest speed and distance traveled during a single flight.[9]

---

[fr] Ingenuity (hélicoptère)

Ingenuity ou Mars Helicopter Scout (MHS) est un petit hélicoptère d'un peu moins de deux kilogrammes développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, qui est mis en œuvre à titre expérimental sur le sol de la planète Mars au cours de la mission Mars 2020, lancée le 30 juillet 2020 à bord d'une fusée Atlas V et dont l'atterrissage a eu lieu le 18 février 2021. L'hélicoptère est embarqué à bord du rover Perseverance avant d'être déposé sur le sol martien.

---

- [ru] Ingenuity

---

---