Лучший способ исследовать лунные кратеры — гигантский робот-шар

Зачем нужен RoboBall

Риши Джангале, механик и аспирант Texas A&M University в Колледж-Стейшене, наблюдал за испытанием RoboBall в феврале прошлого года. Каменоломня в центральном Техасе находится примерно в 370 000 километров — или 230 000 миль — от Луны, но во время теста он представлял её лунной поверхностью.

Джангале и его коллеги около пяти лет создают большой бежевый шар. Их цель — разработать аппарат для исследования труднодоступных мест Солнечной системы, например 21-километрового кратера Шеклтона на южном полюсе Луны.

Кратер достигает 4 километров в глубину и содержит множество более мелких и глубоких впадин. Некоторые его участки никогда не освещаются Солнцем. В этих постоянно тёмных и холодных областях могут находиться слои древней лунной геологии и запасы замёрзшей воды, потенциально пригодные для будущей лунной базы.

Сара Рассел, космический минералог из Музея естественной истории в Лондоне, не участвующая в проекте, сравнивает Луну с архивом истории Земли. По её словам, роботизированный сбор образцов особенно полезен, потому что позволяет сохранить сведения о том, где именно был найден материал.

Астронавтов к таким кратерам отправлять рискованно: если человек упадёт внутрь, вытащить его будет невозможно. Поэтому команда решила использовать форму, которая может катиться вниз по склону.

В недавней работе команда Джангале описала конструкцию RoboBall, гипотетическую лунную миссию и результаты первых испытаний в техасской каменоломне.

Что такое RoboBall

Идея RoboBall принадлежит научному руководителю Джангале — бывшему инженеру NASA по робототехнике Роберту Амброузу. Он предложил такую конструкцию ещё в 2003 году.

Амброуз рассчитывал, что шар решит одну из проблем роботов на лунной поверхности — опрокидывание, особенно в условиях слабой гравитации. Надувная сфера не может перевернуться, а её оболочка защищает внутренние компоненты от острых камней, пыли и резких перепадов температуры: от более чем 93 °C на освещённых участках до −240 °C в тени лунных кратеров.

Сценарий миссии выглядит так: колёсный ровер доставляет RoboBall к краю кратера и выпускает его внутрь. Шар не сможет самостоятельно подняться обратно по склону, зато получит большую свободу перемещения и сможет собирать геологические образцы. Затем небольшие ракеты запустят образцы обратно к роверу, оставшемуся за пределами кратера.

NASA не доставляла лунные образцы на Землю более 50 лет. Часть лунного вещества попадает к нам в виде метеоритов, но, по словам Рассел, у таких находок нет важного контекста — точной информации о месте происхождения. Даже после возобновления пилотируемых лунных миссий многие участки поверхности останутся недоступными.

Как шар управляется

В 2022 году лаборатория Амброуза завершила подтверждение концепции на прототипе RoboBall II шириной 0,5 метра. Полноразмерный RoboBall III команда создала примерно за 11 месяцев.

Разработка проходила через ошибки: в первых испытаниях обнаружились проблемы в программном обеспечении, а привод оказался слишком слабым, чтобы преодолевать небольшие мягкие подъёмы. Джангале отмечает, что Амброуз поощряет студентов быстро собирать роботов и ломать их во время испытаний.

RoboBall движется за счёт маятника внутри оболочки. Маятник смещает общий центр масс аппарата. На ровной поверхности, если его рычаг направлен вперёд, оболочка катится вперёд, компенсируя это смещение. Пока центр масс находится перед центром шара, RoboBall продолжает движение.

Если маятник отклоняется на несколько градусов влево или вправо, шар поворачивает в соответствующую сторону. Направление движения задаётся положением маятника. Шар массой 340 фунтов достаточно мягкий, чтобы слегка подпрыгивать на неровностях, но небольшое избыточное давление сохраняет оболочке относительную жёсткость. На крутых склонах тот же механизм позволяет регулировать скорость спуска: для этого маятник наклоняется вверх по склону.

По словам аэрокосмического инженера Хиро Оно, 13 лет работавшего над мобильностью роботов в Лаборатории реактивного движения NASA, конструкция отличается простотой. У RoboBall всего два исполнительных механизма, и оба полностью находятся внутри оболочки, защищённые от пыли и других факторов окружающей среды.

После первых испытаний в каменоломне команде понадобилось около семи месяцев, чтобы разработать и собрать обновлённый RoboBall III. Его крутящий момент вырос в 2,5 раза: теперь шар может перебрасывать себя через небольшие препятствия и подниматься по склонам с углом до 20 градусов.

Результаты испытаний

В новой работе дистанционно управляемый RoboBall III спускался по склонам каменоломни, перемещался по мягкому грунту и запускал имитацию полезной нагрузки обратно из кратера с помощью небольших ракет.

Во время лунной миссии робот должен был бы надуть себя и зарядиться от ровера на краю кратера. Для питания использовалась бы большая батарея, после чего RoboBall отправлялся бы исследовать глубину самостоятельно.

Крупный план иглообразной ракеты, выступающей из грузового отсека большого роботизированного шара

Источник: spectrum.ieee.org

RoboBall подходит не для всех задач. Из-за некоторой неуклюжести он, например, не предназначен для забора образца с конкретного камня. Сейчас команда хочет работать с учёными, которые разрабатывают лунные научные приборы. Оборудование должно помещаться внутри шара — во внутреннем пространстве размером примерно с ручную кладь — и соответствовать способу его движения.

Джангале подчёркивает, что робот сам по себе не является целью миссии, а служит способом её выполнить.

Что ещё предстоит сделать

Создание нынешней версии RoboBall обошлось примерно в 250 000 долларов. К полёту на Луну аппарат пока не готов. Его детали из алюминия с золотым покрытием подходят для космических миссий, но остальные материалы — нет.

Космическая электроника будет стоить дороже. Кроме того, оболочка должна выдерживать движение по стальным осколкам и температуру до −184 °C, однако её поведение в лунных экстремальных условиях ещё не проверяли.

Команда также планирует научить шар самостоятельно подстраивать движение под разные склоны. Для дальнейшей доработки конструкции разработчики рассчитывают сотрудничать с государственными ведомствами или подрядчиками космической отрасли.

Позже в этом году Texas A&M откроет в Хьюстоне новый комплекс с крупнейшими в мире крытыми имитациями лунного и марсианского ландшафтов. Он находится всего в 190 километрах от каменоломни Джангале. До Луны по-прежнему около 370 000 километров, но новый объект позволит приблизить испытания RoboBall к реальным условиям.