Dave Lavery er leder av den lille gruppen hos NASA som i 2020 sender et helikopter til Mars. I et møte med Ingeniøren forteller han hvordan eksperimentet kan bane veien for helt ny planet-utforskning.
Når NASA – etter planen – sender en splitter ny Mars-rover av sted på et geologi-oppdrag med en Atlas V 541 i juli 2020, vil det være en ekstra passasjer med om bord.
Under Mars 2020-roveren vil det nemlig ha blitt gjort plass til et sammenfoldet helikopter, som skal testes for aller første gang på den røde planeten – og hvis alt går etter planen, kan det være starten på en helt ny æra for planetutforskning.
Det forteller Dave Lavery, som er programleder for Solar System Exploration ved NASAs hovedkvarter i Washington D.C.
- Aurora station: Verdens første luksushotell i rommet er klart til reservering
Mobilitet er viktig
Han besøkte i forrige uke København for å delta i Dansk Erhvervs jubileumsdag, og i den forbindelsen fikk Ingeniøren mulighet til å snakk med ham om det spesielle fartøyet han har ansvaret for.
– Helikoptre har et enormt potensial. Sojourner var den første roveren på Mars i 1997, og den endret fundamentalt måten som vi kunne gjennomføre planetforskning på. Vi så at mobilitet var ekstremt viktig, og nå ville vi ikke lengere slå oss til tåls med en sonde som stod på ett sted og så seg rundt, sier han.
– På nesten alle oppdrag etter det har vi hatt med en rover, og vi tror at dette helikopteret har potensial til å endre utforskningen på samme måte som Sojourner gjorde det. Vi tilføyer en ekstra dimensjon i kraft av flygningen, noe som innebærer at vi kan få adgang til steder som vi ikke har kunnet nå før, forteller Dave Lavery, som har vært med i robotgruppene helt siden Pathfinder og Sojourner.
Bare 20 mann har utviklet helikopteret
Mens rover-gruppen i Mars 2020-oppdraget var på ca. 6000 ingeniører og vitenskapsmenn beskjeftiget i større eller mindre grad, består helikoptergruppen av bare 20 mann – hovedsakelig ingeniører – som har puslet med ulike konstruksjoner de siste fem årene som en samkjørt enhet.
– Vi kaller det «skunkworks-prosjeket vårt», og nivået av byråkrati er holdt godt ned. Alle er svært begeistrede for å være med, for dette er noe ingen har gjort før, og det er alltid spennende å være involvert i noe som er «først». Det blir som om prosjektet er ditt egen barn, sier Dave Lavery med et stort smil.
For selv om tanken om et helikopter – eller drone, om man vil – på Mars ikke er ny, er det først i løpet av de siste par årene at materialer og elektronikk har blitt så utviklet at det rent faktisk har kunnet la seg gjøre, forteller han videre.
Selv om den svake tyngdekraften på Mars gjør det enklere å lette fra overflaten, motarbeider den tynne atmosfæren stabiliteten i flygningen.
Atmosfæren på Mars er bare ca. 1 prosent av den på Jorden, og derfor må helikopteret helst ikke veie for mye – høyst to kg. Samtidig må det være lite nok til å kunne stues vekk under roveren uten å forstyrre noe, noe som ga mulighet for 1,21 meter i diameter i utfoldet tilstand.
Utfordring å gjøre elektronikken liten nok
I denne lille enheten skal det som et minimum være plass til batteri, kommunikasjonssystem, kontrollsystem, solceller til oppladning, kameraer til å orientere seg med samt et varmeapparat, slik at elektronikken kan ligge lunt i de kalde Mars-nettene, hvor temperaturen gjerne kan ligge på 100 minusgrader.
– Vi har snakket om et helikopter i mange år, men først i de siste fem årene har vi kunnet gå i gang og bygge prototyper, forteller Dave Lavery.
Som ved nesten all annen mobil elektronikk var pakken med litiumionbatteriene den største utfordringen. Selv om helikopteret ikke skulle tilbakelegge lange distanser over lengre tid, måtte det likevel kunne klare å bli presset en del.
For å holde seg oppe, må rotorbladene nemlig piske rundt med 3000 omdreininger i minuttet, i stedet for de 400 omdreiningene som ville ha vært nok på Jorden, forteller Dave Lavery.
Dessuten trengtes det mange sett rotorblader i løpet av utviklingen, fordi den gjengse konstruksjonen av helikoptre og droner ikke ville fungert på Mars.
Rotorbladene måtte få helt nytt design
I løpet av de fem årene som Dave Laverys helikopter-team har jobbet med teknologien, har det blitt tegnet mange skisser og bygget flere prototyper, men nå er den endelige utgaven i ferd med å bli klar.
– Det virker som en uendelig rekke av designer som vi har vært gjennom, men vi visste fra starten at vi måtte endre formen på rotorbladene betraktelig. De måtte være tykkere og lengre. Til slutt fant vi en sweet spot der det hele hang sammen, forteller han.
Testene har foregått på NASAs Jet Propulsion Laboratory i California, hvor de kunne simulere Mars-miljøet som helikopteret vil bli utsatt for – både når det gjelder tyngdekraft, sammensetningen av atmosfæren ved overflaten samt værfenomener.
Første test ved Mars-trykk ble utført for et års tid siden, da gruppen bare skulle sjekke om de overhodet kunne få helikopteret til å løfte seg. Senere ble testene mer utfordrende, for eksempel ved også å simulere de kryssvindene som kunne risikere å kaste seg inn mot helikopteret.
Men det er bare lagt opp til flygninger i penere vær, framgår det av en artikkel som er utgitt av helikoptergruppen i 2017.
– Vi visste ved de siste testene i desember 2017 at vi kunne holde den endelige konfigurasjonen oppe ved Mars-trykk og Mars-gass. Det var svært spennende, understreker Dave Lavery.
Har fem forprogrammerte flygninger
Når Mars 2020-roveren kommer til Mars i februar 2021, vil helikopteret være foldet sammen og plassert under roveren. Den vil ikke få noen dedikerte oppgaver – den slags er fremdeles forbeholdt garvede fartøy som rovere – men den skal tjene som proof-of-concept på at helikoptre har en rolle å spille når det kommer til planetutforskning.
Tidlig i oppdraget, når og hvis roveren står på et egnet sted, vil helikopteret bli satt av, og så triller roveren 50-100 meter vekk fra den. På den måten har den fremdeles utsyn til å ta bilder av helikopteret, men er så langt vekk at det er rikelig med plass til at helikopteret kan folde seg ut – og til at roveren ikke kan komme til skade.
Deretter vil solcellene lade opp batteriene, en rekke testprogrammer vil bli kjørt, og når gruppen på Jorden trykker «go», blir den første av fem forprogrammerte manøvrer satt i gang for å etterprøve de gode resultatene fra testkammeret over en 30 dages periode.
Første tur blir en ganske rask 15-20 sekunders tur ti meter opp i lufta for å sjekke om den kan bli hengende, men på grunn av avstanden til Jorden vil ingeniørene først flere minutter senere vite om den fremdeles er i ett stykke etter landingen.
Helikopteret skal presses
Overlever den første flygning, blir den satt i gang med en litt vanskeligere annen oppgave: å bli hengende i over et halvt minutt og prøve å fly litt til siden. Og dermed blir den sendt lengre og lengre vekk på turer på opptil tre minutters varighet. Er den fremdeles like hel, vil helikoptergruppen se på om den skal få flere oppgaver.
– Ideen er at helikoptre skal brukes til kortere turer. Hver tur skal kanskje dekke et område tilsvarende hva en rover kan tilbakelegge på én dag, så det passer at den kan fly i forveien og speide etter gode ruter for roveren, forteller Dave Lavery.
Blir helikopteret en så stor en suksess at det kan bli snakk om flere helikoptre på kommende Mars-oppdrag, ser han mange muligheter for dem.
Utover å finne gode ruter for roverne, kunne de fly til områder med et terreng som er for utfordrende for rovere, og eventuelt ta med seg sensorer eller annet vitenskapelig utstyr som de kan dumpe i området. For med det rette konstruksjonen trenger helikopteret slett ikke lande der ute, men kan bare kaste utstyret ned.
Vil overgå brødrene Wright
Og i siste rekke kan det bli slik at helikoptrene får sine helt egne oppdrag – uten rovere.
– På lengre sikt kan de kanskje samle inn prøver selv og levere dem til en lander som har et laboratorium ombord. Vi tenker at det er teknisk mulig å sende opp helikoptre som veier 10-20 kg, slik at det er plass til vitenskapelige instrumenter, men vi må få data hjem fra første flygning først, sier han videre om framtidsdrømmene, som også inkluderer en spinoff til droneteknologiene på Jorden.
– Vi tror at noen av de kontroll-regler som vi har skrevet til helikopteret også kan gjøre autonome droner på Jorden mer effektive. De kan kanskje også bli lettere og få annerledes bøyde blader, slik at batteriene holder lengre, sier han.
Ender helikopteret med å treffe Mars-overflaten med et brak på første flygning, kan det være at de store drømmene blir nedjustert en del, men Dave Lavery understreker at det også i et slikt tilfelle vil være noe å lære.
– Går den i stykker underveis, er det også verdifull kunnskap, for dermed kjenner vi grensene. Men altså – Wright-brødrene fløy bare i åtte sekunder første gang, så hvis vi kan slå det, har vi nådd målet vårt, sier han med et smil.
Les mye mer om arbeidet til gruppens med Mars-helikopteret i deres artikkel fra 2017.
Artikkelen ble opprinnelig publisert på Ing.dk.
