Инопланетные технологии
Когда мы полетим на Марс.
Несмотря на то, что проекты по высадке на Марс разрабатываются с 1950-х, человечеству это пока не удалось. Рассказываем, как менялись космические программы и при чем здесь машинное обучение.
Красная планета
Марс — самая близкая к Земле планета. Поэтому о полете туда говорили еще до запуска космических спутников в 1957-м. В США в 1953 году вышла книга немецкого инженера Вернера фон Брауна, в которой он рассказал об идее полета с помощью технологий того времени.
В другой его книге, «Исследования Марса», описывалась экспедиция двух космических лайнеров, построенных на орбите Земли и весящих по 1800 тонн.
Для сравнения: только чтобы поднять на орбиту материалы для постройки таких кораблей, понадобилось бы 180 ракет Falcon 9. А с момента создания Falcon 9 в 2010 году их запустили всего 90 штук. За год человечество в среднем запускает 100 космических ракет разной тяжести.
С начала 60-х было сделано 40 попыток добраться до Красной планеты. Большинство из них — пролетные станции или спутники. К 2020 только американские миссии смогли успешно посадить на орбиту планетоходы (роверы). В июле 2020 года Китай запустил ракету с ровером «Тяньвэнь-1» на борту. Зонд прошел уже 400 млн км, провел три коррекции траектории и испытание оборудования. Исследовать Марс «Тяньвэнь-1» начнет в мае 2021 года.
Летающий топливный бак
Вывод корабля за пределы атмосферы и разгон до орбитальных скоростей требует огромных энергозатрат. Дельта (прирост) скорости зависит от массы топлива и удельного импульса. Например, для выхода на траекторию отлета к Марсу нужно 20 тонн ракетного топлива из жидкого водорода и кислорода. Чтобы «оторваться» от орбиты Марса и двигаться обратно к Земле, необходимо 70 тонн горючего. Это минимум для старта.
При проектировке шаттла также учитывают удельный импульс — измерение эффективности ракетного двигателя. Это то, сколько времени двигатель может придавать постоянное ускорение космическому аппарату. У двигателей на топливе «кислород-водород» удельный импульс — 400 секунд, у плазменных — 30 000 секунд, но они потребляют много электроэнергии (40 кВт на один ньютон тяги). Если космический корабль будет весить 800 тонн и полетит на кислороде-водороде, то 750 из них займет топливо, а 50 — полезная нагрузка. Для сравнения: экипаж «Мира» — 3 человека, а вес МКС — 120 тонн (без продовольствия и защиты от радиации).
Использовать плазменные двигатели на основе ядерных реакторов тоже непросто — из-за большой массы они забирают полезный вес ракеты, а чтобы ими управлять, нужна команда ученых-атомщиков.
До запуска ракеты необходимо тщательно проверить. Самая непредсказуемая часть — испытания двигателя. Например, анализ двигателя Merlin, который использует SpaceX, требует от нескольких недель до месяцев. Этим занимаются ученые из Техасского университета. Они разрабатывают метод научного машинного обучения для объединения физических показателей и создают симуляции работы ракетных систем. Ученые уже получили визуализацию физических процессов, которые происходят в одной форсунке ракетного двигателя. Это поля давления, скорости сгорания, температуры, а также химический состав. Создание таких данных в программе-предшественнике занимало 200 часов. Модели ученых создают подобные снимки за секунды. Также они могут прогнозировать будущие показатели, которые не были частью учебных данных на основе физических реакций.
Разработки SpaceX
Современные проекты рассматривают идею не брать с собой то, что можно добыть на планете (чтобы уменьшить массу).
На Марсе есть вода, и ее используют как ракетное топливо — пропустив через нее электричество, добывают кислород и водород.
Илон Маск собирается действовать по похожему сценарию. По мнению команды SpaceX, флот из кораблей Starship-Superheavy с дозаправкой на земной орбите позволит доставлять сотни тонн с каждым рейсом.
Проект Маска BFR (Big Falcon Rocket) анонсировали в 2005 году. С тех пор он трансформировался. Среди технических новшеств — постройка ракеты из стали (вместо сплавов легких металлов). Сталь прочнее и лучше выдерживает высокие температуры при вхождении в атмосферу.
А главное — такие ракеты можно использовать много раз.
К 2022 году Маск планирует отправить на Марс материалы и оборудование для топливного завода.
Стартовое окно
По расчетам Маска, астронавты полетят на Марс не ранее 2024 года. Все из-за стартового окна — периода, который подходит для запуска ракеты. Расстояние от Земли до Марса — 57 млн км, но из-за орбит может отличаться. Период «состыковки» планет происходит каждые два года и два месяца. Последний раз стартовое окно было в июле 2020, тогда свои миссии с планетоходами отправили Китай, США и ОАЭ. Следующие стартовые окна — в 2024 и 2026.
Космические корабли не летят напрямую, поскольку это слишком энергозатратно. Самый простой путь — траектория Гомана. Ракета отрывается от земной орбиты, потом снижает потребление топлива, продолжая полет вокруг Солнца, а затем тратит еще раз для захода на орбиту Марса. Такой путь занимает 8-9 месяцев. Поэтому для отправки астронавтов нужно решить вопросы с питанием и обеспечением людей. Международные космические станции сейчас зависят от внешних поставок.
Точная посадка
Чтобы сэкономить топливо, для BFR придумали рискованную схему приземления. Big Falkon Rocket снижает скорость трением о воздух. Это будет происходить с пикированием на боку. BFR укомплектуют набором рулевых поверхностей, которые в конце спуска развернут ракету обратно, и она приземлится на хвост.
В 1997 году NASA отправило марсоход Mars Pathfinder. Тогда место приземления робота определялось радиусом в 150 км — его сбрасывали с парашютом. В 2012 году радиус посадки для марсохода Curiosity составлял уже 20 км.
Ракеты SpaceX приземляются обратно на космодромы или морские баржи. Точность приземления — от 20 до 60 метров на Земле. Но пока сделать посадку ракеты на Марс не удавалось.
В SpaceX используют алгоритмы машинного обучения для решения задач выпуклой автоматизации. Это значит, что алгоритм ищет лучшие способы добраться до посадочной площадки, не тратя топливо. Команда SpaceX обновила и оптимизировала для этого CVXGEN — разработанный учеными Стэнфорда генератор кода для задач выпуклой автоматизации. Алгоритм генерирует индивидуальный код полета, а также постоянно пересчитывает результаты, основываясь на новых данных (отклонение от траектории, помехи в движении).
С помощью машинного обучения также можно определить место посадки. Нужно, чтобы оно соответствовало параметрам: ровный рельеф, освещенность, научный интерес территории. Кроме того, эти параметры должны подтверждаться на обширном пространстве на случай неточной посадки. Ученые разработали алгоритм, который основан на нечеткой логике. В ней оперируют понятиями верности утверждений с различной вероятностью, например, считают, что вывод скорее правдивый, чем ложный.
Система использовала данные о рельефе, воздухе, составе почвы и других факторах Марса и разметила данные в диапазоне от 0 до 1 (0 — не подходит для посадки по этому фактору, 1 — полностью подходит). Поверхность Марса делилась на небольшие участки, каждому присваивалось число от 0 до 1. Затем поверхность разделяли на участки, пригодные для исследования и посадки роверов.
Пока нет людей
Единственные обитатели Марса — планетоходы, которых сейчас четыре. Задержка радиосигнала с Красной планеты составляет от 4 до 20 минут. Если задавать команды движения с Земли, то марсоход сделает 300-400 операций за сутки. Системы автопилота, основанные на ML и компьютерном зрении, разрабатывались в NASA раньше, чем появились беспилотные автомобили от Tesla. Эти технологии внедряют в марсоходы, чтобы аппарат самостоятельно изучал планету. Система автономного управления AutoNav использовалась в аппаратах Spirit и Opportunity, которые отправили на Марс еще в 2004 году. Также эту технологию применяет ровер Curiosity. Она определяет путь и анализирует возможные опасности. Без нее марсоход может застрять навсегда.
Еще один алгоритм, который применяют в марсоходах AEGIS, — программное обеспечение, позволяющее Curiosity выбирать интересные для изучения объекты. Информации, которую присылает марсоход, бывает слишком много. Поэтому ученые регулируют критерии отбора. Если нужен анализ горной породы определенного размера/цвета, то Curiosity стреляет в нее лазером и анализирует состав на основе выделенных газов. AEGIS помогает ему выбирать нужные цели.
В NASA заявили, что технология будет применяться и в следующих марсоходах.
