NASA провело первое комплексное испытание автономного полёта Dragonfly, беспилотного аппарата, который отправится исследовать спутник Сатурна Титан. В компьютерной симуляции система управления самостоятельно нашла безопасное место для посадки и выполнила необходимые манёвры без помощи оператора.
Испытание прошло в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса в американском штате Мэриленд. Инженеры объединили бортовое программное обеспечение, электронику, аналогичную будущему полётному оборудованию, и компьютерную модель поверхности Титана. По оценке NASA, проверка стала самой полной имитацией первого полёта Dragonfly и охватила большинство систем и манёвров, необходимых для работы на спутнике.
В ходе симуляции аппарат отделился от защитного корпуса, пролетел над песчаными дюнами и начал искать подходящую площадку. Обнаружив безопасное место, Dragonfly развернулся, вернулся к выбранному участку и выполнил снижение с посадкой. Все действия проходили в виртуальной среде, но управляющая электроника обрабатывала информацию в реальном времени, как во время настоящего полёта.
Для ориентации Dragonfly использует навигационные камеры, инерциальные датчики и лидар. Последний измеряет расстояния с помощью лазерных импульсов, позволяя определять высоту, наклон поверхности и потенциальные препятствия. Во время испытания инженеры подавали системам искусственно созданные показания датчиков, соответствующие условиям полёта над Титаном.
Особое внимание разработчики уделили работе камер. Специальный эмулятор с графическими процессорами создавал изображения виртуальной поверхности за 20–70 миллисекунд, примерно за такое же время, которое потребуется настоящим камерам для получения кадра. Благодаря такому подходу удалось проверить не только алгоритмы навигации, но и скорость обмена информацией между отдельными компонентами бортового компьютера.
Сложность заключалась в необходимости согласовать работу всех систем с точностью до миллисекунд. Dragonfly должен одновременно оценивать собственное положение, анализировать местность, рассчитывать траекторию и управлять двигателями. Даже правильно работающие по отдельности компоненты могут создавать проблемы при совместной работе, поэтому инженеры проверяли всю последовательность полёта в едином испытательном комплексе.
Разработчики двигались к нынешнему результату постепенно. Сначала моделировали вращение одного винта, затем короткое перемещение аппарата и отдельные участки разведывательного полёта. На каждом этапе добавляли новые датчики и функции. Последним элементом, необходимым для полноценной симуляции, стал лидар, позволивший оценивать рельеф и выбирать безопасные площадки.
Автономность имеет решающее значение для миссии. Титан находится настолько далеко от Земли, что радиосигналу требуется больше часа на преодоление расстояния в одну сторону, причём задержка меняется в зависимости от взаимного положения планет. Оператор не сможет вовремя вмешаться, если аппарат обнаружит препятствие или столкнётся с неожиданными условиями. Dragonfly придётся самостоятельно принимать решения во время каждого полёта и посадки.
Нынешнее испытание ещё не означает, что система полностью готова к отправке. Следующим этапом станет воспроизведение первого полёта уже на настоящем бортовом оборудовании Dragonfly, а не на испытательном стенде. Инженеры также собираются моделировать различные маршруты и намеренно создавать неисправности, чтобы проверить способность аппарата самостоятельно справляться с проблемами.
Параллельно специалисты Lockheed Martin проверяют механизм, который должен подготовить Dragonfly к первому полёту непосредственно во время спуска через атмосферу Титана. Аппарат будет находиться внутри защитного корпуса, подвешенного под парашютом. Перед отделением специальная конструкция опустит беспилотник в рабочее положение, чтобы винты могли начать вращаться ещё до самостоятельного полёта.
Механизм испытывают под нагрузкой, проверяя скорость раскрытия, надёжность фиксации и устойчивость к отклонениям корпуса. Инженеры учитывают даже раскачивание конструкции под парашютом, поэтому повторяют испытания при различных углах наклона. Ошибка на таком этапе может сорвать посадку ещё до начала научной программы.
По плану миссии, запуск Dragonfly состоится не ранее июля 2028 года, а прибытие к Титану ожидается в конце 2034 года. Восьмироторный аппарат размером примерно с автомобиль сможет перемещаться между удалёнными исследовательскими площадками, чего не позволяют обычные неподвижные посадочные станции. Научная программа рассчитана примерно на три года.
Титан особенно интересует учёных благодаря плотной азотной атмосфере, сложной органической химии и наличию жидких углеводородов на поверхности. Атмосфера спутника примерно в четыре раза плотнее земной, а сила тяжести значительно слабее, что создаёт благоприятные условия для полётов. Dragonfly сможет исследовать песчаные дюны и район ударного кратера Селк, изучая вещества и процессы, связанные с химическими предпосылками возникновения жизни.
В отличие от марсианского вертолёта Ingenuity, который прежде всего продемонстрировал возможность управляемого полёта в атмосфере другой планеты, Dragonfly изначально создают как полноценную передвижную научную лабораторию. Аппарат будет перевозить исследовательские приборы между разными участками Титана, анализировать местные материалы и искать признаки сложных химических процессов, которые могли предшествовать появлению жизни на Земле.