Колёса, гусеницы и лыжи. Как инженеры разрабатывают планетоходы

И какие аппараты в будущем будут двигаться по поверхности планет и их спутников.

Зачем нужны планетоходы

Планетоход — это транспортное средство, предназначенное для передвижения по поверхности других планет, спутников или астероидов. Такие аппараты должны выдерживать перегрузки, существенные перепады температур и воздействие космической радиации, сохраняя работоспособность на протяжении всего срока эксплуатации. Кроме того, ограниченный объем пространства под обтекателем ракеты-носителя накладывает дополнительные ограничения на аппараты — они должны быть максимально компактными.

Планетоходы позволяют исследователям получать важнейшие научные сведения. Так, аппараты Spirit и Opportunity подтвердили существование в прошлом на Марсе жидкой воды. Один из приборов новой американской миссии Perseverance попробует производить кислород из марсианской атмосферы — это поможет понять, пригодна ли Красная планета к колонизации.

Основателем научной школы космического транспортного машиностроения стал советский конструктор Александр Леонович Кемурджиан. С 1963 года он руководил работами по проектированию самоходного шасси нескольких планетоходов. Знаменитые «Луноходы», собравшие ценные сведения о спутнике Земли, появились благодаря разработкам Кемурджиана и его коллег.

Свой опыт конструктор подробно описал в книге «Планетоходы», которую можно посоветовать всем любителям космонавтики. Кстати, в 1986 году Александр Кемурджиан участвовал в ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС, в сжатые сроки создав робота СТР-1. Так космические технологии пригодились на Земле.

Робот СТР-1 использовался для уборки радиоактивных обломков с крыши Чернобыльской АЭС. Фото: Science & Technology Rover Co. (ВНИИТМ).

Марсианские лыжи

Первый в мире марсоход был оборудован лыжами. В 1971 году составе советской миссии «Марс-3» в космический полет отправился «Прибор оценки проходимости-Марс» (ПрОП-М), представлявший собой марсоход размером с книгу. Аппарат должен был перемещаться по марсианскому грунту с помощью двух лыж, расположенных по бокам.

Инженеры под руководством Кемурджиана выбрали такой нетривиальный способ передвижения, поскольку точных сведений о поверхности Марса ещё не было, а лыжи позволяли увеличить площади опоры. К сожалению, сигнал со станции пропал через 14,5 секунд после мягкой посадки, поэтому лыжня на Красной планете так и не появилась.

Марс вообще мог бы стать прекрасным полем для экспериментов. Когда-то инженеры рассматривали возможность отправлять туда аппараты на гусеничном шасси — от этой идеи отказались, потому что существовал высокий риск повреждений гусениц, которые привели бы к прекращению миссии.

Посмотреть на марсоход ПрОП-М и спускаемый аппарат Марс-3 теперь можно в компьютерной игре «Take On Mars». Илл.: Orb / https://steamcommunity.com.

«Изобретение» колеса

Постепенно учёные поняли, что почти все объекты Солнечной системы, доступные сейчас для исследования, обладают твёрдой поверхностью с обширными равнинными участками. Ни растительности, ни болот — только твёрдый грунт.

Поэтому большинство планетоходов стали проектировать с колёсными движителями. Если поставить на аппарат восемь колёс с электромотором в каждом, то поломка даже половины из них позволит продолжить миссию. При этом сохраняется возможность «танкового» разворота на месте.

Космическим инженерам пришлось буквально изобретать колесо. Первые варианты движителей луноходов были сконструированы так, что дополнительная упругость создавалась с помощью металлических лент. В результате для советских «Луноходов» выбрали колеса, ставшие классикой — до сих пор в шасси современных планетоходов можно найти их черты. Каждое колесо представляет собой три титановых обода, на которых закреплена стальная сетка с грунтозацепами. При движении по твёрдой поверхности опора приходилась на центральный обод, а на мягком грунте, в котором обод утопал, в работу включалась сетка.

Грунтозацепы и сетка на колёсах модели советского лунохода. Фото: liftarn/Wikimedia Commons.

Колёса «лунного автомобиля» NASA напоминали ранние советские разработки, но сильно отличались от решения, установленного в итоге на «Луноходы». Они представляли собой алюминиевый обод с покрышкой из тонкой оцинкованной проволоки. Около половины площади покрышки занимал титановый протектор для более надёжного контакта с лунным грунтом. Получается, что в течение нескольких лет на Луне проходили испытания двух разных подходов к колёсам планетоходам. Обе конструкции достойно себя проявили, но победителем всё же можно считать советский вариант: рекорд «Лунохода-2» по пройденному расстоянию продержался до 2015 года.

Сегодня чаще всего планетоходы оборудуют мотор-колёсами — специальными агрегатами, которые содержат все необходимые датчики, электромотор, редуктор и тормоз. Обычно таких сложных колёс шесть — это позволяет снизить нагрузку на грунт и продолжить миссию после поломок одного из движителей.

Со временем стало понятно, что сетка плохо подходит для планет с относительно большой гравитацией (например, Марса), так как она быстро разрушается. В итоге просторы Красной планеты бороздят машины на колесах со сплошной поверхностью и грунтозацепами.

Колёса марсохода Curiosity, снятые собственной камерой MAHLI в 2016 году. На одном из колёс заметны характерные повреждения от марсианских камней. Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Планетоходы будущего

Прямо сейчас к Марсу летят сразу два новых планетохода — американский и китайский. Их шасси практически не отличается от знаменитого марсохода Curiosity — шесть мотор-колёс с независимой подвеской. Эти аппараты будут анализировать химический и минералогический составы марсианского грунта, а также искать органические соединения и пытаться найти следы жизни, если она когда-либо там была.

Интересно, что с американской миссии начнётся изучение нового способа перемещения на других планетах — по воздуху. В её состав включён прототип первого марсианского вертолёта. Сложностей там не меньше, чем при езде по поверхности. Плотность атмосферы на Красной планете составляет лишь около одного процента от земной. Этот недостаток частично компенсируется тем, что гравитация на Марсе в три раза меньше, чем на Земле. Скоро мы узнаем, может ли в принципе функционировать марсианский вертолёт.

«Ingenuity» — небольшой летающий дрон для тестирования технологии полётов на Марсе, вошёл в состав миссии NASA Марс-2020 (изображение дано в представлении художника). Илл.: NASA/JPL-Caltech.

В 2026 году на спутник Сатурна Титан отправится аппарат «Стрекоза» (Dragonfly), который будет исследовать условия для зарождения и развития жизни. «Стрекозе» придется работать в совершенно новых условиях, так как атмосфера Титана преимущественно состоит из азота с небольшим количеством метана и этана — из них состоят океан, облака и жидкие осадки. Давление у поверхности примерно в полтора раза превышает земное, а температура держится на уровне 170-180 градусов ниже нуля.

Аппарат «Dragonfly» на Титане в представлении художника. Илл.: NASA.

Есть в Солнечной системе объекты, для изучения которых придется нырять в жидкую среду. В NASA уже испытали прототип аппарата для изучения подлёдного океана спутника Юпитера Европы — устройство получило название Buoyant Rover. А аппарат EurEx (Europa Explorer), который разрабатывают в Германии, будет способен погружаться на глубину около 100 километров.

В стремлении расширить границы познания человечество забралось далеко и не планирует останавливаться Люди продолжат изобретать новые «вездеходы», «вертолёты» и «подлодки» для изучения планет и их спутников. Цель таких исследований предельно амбициозна — рано или поздно освоить всю Солнечную систему.