Шагающий аэростат однажды сможет исследовать Титан или морское дно Земли

15.07.2024, Энди Toмасвик, universetoday.com

Новые способы перемещения по другим небесным телам всегда привлекают внимание сообщества исследователей космоса. Мы сообщали о многих разработках Техасского университета: от роботов, которые подвешиваются к стенам марсианских пещер, до роботов, которые прыгают, используя струи добываемого на месте газа. Но мы еще не сообщали об идее аэростата, который «ходит». Но именно эта идея лежит в основе BALloon Locomotion for Extreme Terrain, или BALLET, проекта главного робототехника в Лаборатории реактивного движения NASA Хари Наяра и его коллег.

Как именно «ходит» аэростат? Поднимая и перемещая одну из своих шести ног. Архитектура BALLET включает в себя положительно плавучий аэростат, поддерживающий шесть «ног», прикрепленных к регулируемым тросам. «Ноги» — это небольшие научные пакеты, способные брать небольшие образцы поверхности или анализировать химический состав части поверхности, которой он касается.

Каждая ступня прикреплена к трем тросам, индивидуально управляемым шкивами. Когда ступня заканчивает свою научную работу в заданном месте, BALLET втягивает тросы для ступни, поднимая ее над поверхностью. Затем он вытягивает тросы, используя различную длину тросов, чтобы поместить ступню в новое место.

Предварительное исследование концепции было проведено в рамках гранта NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) в 2018 году. Это исследование показало, что лучше одновременно оторвать от земли две противоположные ноги, чтобы обеспечить устойчивость аэростата. Оно также продемонстрировало, где использование этой концепции будет наиболее полезно — на Титане.

Обычно перемещение аэростата рассматривается где-нибудь на Венере, где он мог бы парить в атмосфере в условиях, схожих с земными. Однако на такой высоте управление полезной нагрузкой, размещенной на поверхности, будет крайне затруднительным. Кроме того, суровые условия на поверхности, сделали бы требования к материалу системы неприемлемыми.

Аналогично, аэростат мог бы работать и на Марсе, но высокие скорости ветра в разреженной атмосфере затруднили бы его управление. Титан предлагает лучшие условия — относительно стабильную, плотную атмосферу, где плавучий аэростат был бы осуществим, и стабильные условия окружающей среды, при которых BALLET не сдувался бы ветрами в атмосфере.

Текущий план исследования Титана — вертолет под названием «Стрекоза»

На Титане также есть много интересных мест для исследования, включая криовулканы и метановые озера. BALLET позволит пересекать даже некоторые из самых сложных участков без учета соображений, которые могут существенно повлиять на возможности ровера или вертолета, например, запланированной миссии Dragonfly.

Однако есть еще много проектных соображений, таких как сложность одновременного управления всеми различными переменными, такими как ориентация аэростата, длина каждого из 18 кабелей и поиск пути. После завершения проекта Фазы I концепция, по-видимому, приостановлена ​​до получения дальнейшего финансирования от NASA на данном этапе.

Однако, с точки зрения применения, BALLET также имеет некоторые очевидные варианты использования на Земле. Первое, что сразу пришло на ум, это сбор «конкреций» как часть подводных горнодобывающих операций. Учитывая возросшую потребность в кобальте и других материалах, содержащихся в этих конкрециях, и плохой имидж, который возникает из-за разрушения морского дна при использовании традиционных методов добычи, эта идея может быть одной из тех редких идей освоения космоса, которая скорее найдет применение на Земле, чем за ее пределами.

Дополнительная информация:
научная статья – Balloon Locomotion for Extreme Terrain, Nayar et al.
UT – A Robot With Expandable Appendages Could Explore Martian Caves And Cliffs
UT – A Hopping Robot Could Explore Europa Using Locally Harvested Water
UT – Drones Could Help Map the Lunar Surface with Extreme Precision

Описание концепции роботизированного транспортного средства (из научной статьи Balloon Locomotion for Extreme Terrain)

BALLET достигает своих преимуществ за счет нескольких инноваций:
(1) использование аэростата для плавучести и в качестве структурной платформы для передвижения,
(2) конечности, состоящие из натянутых тросов со значительно меньшей массой, чем ноги, состоящие из плотных модулей,
(3) разделение полезной нагрузки на шесть модульных элементов и подъем только одного или двух за раз, что значительно снижает необходимую плавучесть и размер аэростата,
(4) размещение полезной нагрузки в ступнях, что позволяет поддерживать центр тяжести очень низким, а платформу — очень устойчивой.

Каждая полезная нагрузка будет заключена в корпус объемом 2000 см3 — 2U, как показано на рисунке, с предполагаемой массой 2,5 кг. Три лебедки (расположенные симметрично со смещением 120 градусов), вычислительные, управляющие и силовые компоненты займут около половины этой массы и объема (10 см х 10 см х 10 см). Трос будет иметь диаметр 0,5 мм из плетеной нержавеющей стали с номинальной прочностью 10 кг. При диаметре катушки 2 см и ширине 0,5 см длина провода 1 м займет не более двух слоев намотки на катушке. Каждая ступня будет иметь три компонента кабельной лебедки. Каждый компонент кабельной лебедки будет включать катушку, пружинный датчик натяжения кабеля, датчик вращения катушки, бесщеточный двигатель постоянного тока и контроллер двигателя. Для управления длиной кабеля начальный процесс калибровки позволит использовать положение вращения катушки для определения длины кабеля. Питание будет осуществляться от двух литий-полимерных аккумуляторных батарей общей массой 0,5 кг и энергоемкостью 75 Вт·ч с охлаждающими вентиляторами, которые умещаются в объеме 10 см х 10 см х 3 см.

Каждая полезная нагрузка ноги будет содержать автономную вычислительную систему с программным обеспечением и питанием, необходимыми для использования назначенных ей инструментов и лебедок. Одноплатный компьютер будет запускать программное обеспечение управления и датчиков. Питание будет обеспечиваться двумя аккумуляторными батареями, размещенными в каждой полезной нагрузке, как показано на рисунке. Компьютер в каждой ноге также будет использоваться для взаимодействия с инструментом или инструментами внутри ноги. В конечном итоге, в ходе выполнения миссии координация работы приборов и служб для управления и обработки данных, мобильности, мониторинга ресурсов, устранения неисправностей и связи будет распределена между компьютерами, расположенными в ногах.

Для обеспечения мобильности один из шести компьютеров будет выступать в качестве координатора, синхронизируя движение между полезными грузами для различных походок. Этот блок будет получать команды от беспроводного контроллера и передавать их по беспроводной связи на остальные пять компьютеров. Для реализации этой модели каждый модуль полезной нагрузки должен иметь связь по Wi-Fi или Bluetooth.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)
Оригинал: A Walking Balloon Could One Day Explore Titan — Or Earth’s Sea Floor