Самое большое время, которое космический корабль пережил на поверхности Венеры, составило 127 минут. 1 марта 1982 исследовательский зонд СССР Венера13 спустился на парашюте и совершил мягкую посадку на поверхность Венеры, чтобы продолжать работать в течение чуть более чем двух часов. Вся его электроника находилась в герметичной камере высокого давления из титана, которая была предварительно охлаждена на орбите. Средняя поверхностная температура на поверхности Венеры 464 °C. Поверхность Венеры горячей, чем поверхность Меркурия (самая близкая планета к солнцу). Обычная электроника не будет работать при такой высокой температуре. Не только высокая температура делает Венеру особенно жутким местом для компьютеров. Давление на поверхности Венеры приблизительно 90 атмосфер, что эквивалентно давлению на глубине 3,000 футов. И дождь из серной кислоты, который, правда, не достигает поверхности Венеры. Кроме того, на поверхности Венеры достаточно темно (как в пасмурный день на Земле), что делает использование солнечной энергии неэффективной.
Плотная атмосфера Венеры не позволяет исследовать её поверхность, например, с орбиты при помощи телескопа. Поэтому было бы действительно замечательно иметь робота, который исследовал бы поверхность Венеры. Большинство идей для исследования поверхности Венеры по существу былина те , которые СССР воплотили в зонде Венера 13. Поместить всю электронику в изолированный контейнер, подключить её к невероятно сильной системе кондиционирования воздуха, которую, вероятно, приводят в действие радиоактивные плутониевые источники электроэнергии. Разработка такой системы, вероятно, стоила бы миллиардов долларов (только научные исследования).
Обычный подход к «венероходу» (роверу) для исследования Венеры — трудный, дорогой, и потенциально опасный. И команда инженеров из Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА придумала инновационную идею для исследования поверхности Венеры. Если проблема — электроника, почему от неё не избавиться и создать чисто механический венероход? В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) команда JPL хочет определить, возможно ли построить ровер для исследования Венеры без обычных датчиков, компьютеров и энергосистем. Автомат Ровер для Чрезвычайной Окружающей среды (AREE) использовал бы механизм, похожий на часовой механизм, пружины и другие механизмы, чтобы предоставить большинство функциональности ровера: производство и хранение электроэнергии, сенсорные способности, передвижение, и даже связь. Без всякой электроники!
В нашем в подавляющем большинстве «электронном» мире у большинства из нас нет надлежащей оценки для вещей, которые могут быть сделаны механическими компьютерами. Две тысячи лет назад (плюс-минус век или два), древние греки построили механизм «Antikythera», который мог вычислить положение солнца и луны, показать фазу луны, предсказать затмения, отслеживать календарные циклы, и, возможно, даже показывать местоположения пяти планет, используя тщательно разработанный набор по крайней мере из 30 бронзовых шестерней, приводимых в действие заводной рукояткой. Между 17-ми и 19-ми веками, Блезом Паскалем, Готтфридом Лейбницем и Чарльзом Беббиджем все разработанные механические компьютеры, которые могли выполнить множество арифметических функций. А в 1940-х годах механические компьютеры использовались как системы управления артиллерийским огнём
Русские использовали механический компьютер под названием Globus для позиционных вычислений на своих космических кораблях вплоть до 2002 года. Это прекрасно и хорошо, особенно на Венере, где большая часть электроники непрактична.
Механическая система навигации «Глобус»
Концепция JPL для AREE -создать робот с минимальным количеством электроники, вместо этого положившись как можно больше на чисто механические системы, которые могут без проблем выдерживать высокие температуры в течение многих недель, месяцев, или даже лет. Джонатан Содер — технолог и инженер по механотронике в Technology Infusion Group JPL ведёт проект AREE. Журналисты из IEEE Spectrum говорили с ним для получения дополнительной информации о том, как проект начался, и как всё будет работать.
IEEE Spectrum: Как возникла идея AREE?
Jonathan Sauder: Я сидел без дела с группой инженеров. Во время одного из перерывов на кофе мы говорили о классных механизмах и компонентах, и как будет здорово сделать чисто механического робота-исследователя. На что он будет похож, и где его можно использовать ег. Мы поняли, что есть два места, которые имеют большой смысл для чего-то вроде этого, где электроника не выживает. Например, Венера, где электроника в состоянии работать на поверхности Венеры порядка 2-х часов. Или на спутниках Юпитера из-за высоко радиационной окружающей среды, которая разрушает электронику.
IEEE Spectrum: Действительно ли возможно построить автоматизированный исследовательский ровер без электроники?
Jonathan Sauder: Мы начали с наших предложениях по Фазе I NIAC, думая, что мы собирались построить полностью механическую архитектуру ровера, которая не будет использовать электрических подсистем или электроники вообще, заменяя все стандартные электрические подсистемы механическим вычислением. Когда мы начали вникать в это глубже, мы поняли, что невозможно создать традиционный венероход в стиле Curiosity с централизованным основным процессором… Вместо этого, что мы должны были сделать — сосредоточиться на чем-то, что дает больше распределенной архитектуры, где у нас есть много простых механизмов вокруг устройства, которое управляет ими. Сначала мы собирались попытаться сделать большинство наших научных измерений тоже механическими. Когда мы начали изучать это, мы поняли, что в измерениях без электроники не обойтись. Однако, уже есть некоторая различная высокотемпературная электроника на основе карбида кремния, которые работают при высоких температурах. Проблема состоит в том, что карбид кремниевые интегральные схемы ещё на очень низком уровне интеграции. Таким образом, наша идея — построить платформу, которая может двигаться, «видеть» новые места и работая намного дольше всех систем, которые в настоящее время существуют.
IEEE Spectrum: Как вы начали конструировать AREE?
Jonathan Sauder: Основная цель — сначала спроектировать нашу архитектуру передвижения, которая была бы максимально надёжной. И вторая цель — использовать максимально простые механизмы. Можно отметить, что в некоторых наших более ранних разработках, ровет был похож на Strandbeest. Strandbeest использовал пару простых датчиков, которые управляют движением ног робота. И была встроенная логика, чтобы избежать зыбучего песка или воды. При переходе от Фазы I до Фазы II, концепция изменилась. Был выбран более прочный вариант конструкции ровера. Ровер похож на танк Первой мировой войны.
IEEE Spectrum: Вы можете описать, как AREE будет двигаться по поверхности Венеры?
Jonathan Sauder: В основном, мы разрабатываем некоторые очень специализированные системы. Которые позволяют объезжать препятствия и определяет, есть ли достаточного запаса мощности, чтобы двигаться дальше или нет.
Система для объезда препятствий — простая механическая система, которая использует бампер, обратную шестерню и кулачок. Когда ровер сталкивается с чем-то, приводится в действие обратная шестерня. И ровер отъезжает назад.
IEEE Spectrum: Какие возможности AREE действительно уникальны?
Jonathan Sauder: Есть несколько концепций исследования поверхности Венеры. Каждый вариант конструкции стоил бы столько же, сколько марсоход Curiosity. Большинство предложений очень сложны и рассчитаны на 2 — 24 часа работы на поверхности Венеры. Мы рассчитываем на время работы не менее месяца. Мы пытаемся сделать механизмы максимально простыми, которые бы выполняли специальные задачи. Но делали это хорошо. Возможно, когда робот врежется в препятствие, он щелкнет рычагом, который заставит ровер отъехать немного назад, повернуться на 90 градусов и ехать вперед. Мы можем только сделать один вариант объезда препятствия. Но его можно многократно повторить. И в конечном счете проложить путь вокруг препятствия. Идеальный робот должен передвигаться по самому сложному ландшафту. Наша цель в том, чтобы отслеживать ровер во время его миссии на этом ландшафте, брать геологические образцы, чтобы лучше понять, как Венера развивалась. В конечном счете, цель в том, чтобы ровер смог выдержать суровые условия на поверхности Венеры, двигаясь медленно вперёд и постоянно собирая образцы породы и данные о погоде. На данном этапе возникает вопрос: как он сможет передать собранные данные без электроники? Есть, конечно, способы хранить данные механически. Например, можно записать 1 мегабит данных на металлическую грампластинку. Но дальше что?
Есть одна идея (которая не является столь сумасшедшей, как это кажется), состоит в том, чтобы использовать воздушные шары, наполненные водородом. Чтобы поднять эти металлические грампластинки в верхние слои атмосферы Венеры. Где они будут забраны беспилотным летательным аппаратом, работающем на солнечной энергии. Беспилотник бы прочитал информацию и передал бы её на спутник, находящийся на орбите Венеры. Исследователи также рассматривали вариант передатчика на электронных лампах, которые могут работать при высоких температурах.
Одно из самых слабых мест чисто механической системы – низкая способность делать научные измерения. Поэтому НАСА открыло научную программа для разработки опытного образца технологий для автоматизированного исследования высокотемпературной окружающей среды с температурами приближающиеся 500 градусов Цельсия или выше. Мы надеемся, что эта программа приведет к некоторым научным инструментам, которые будут в состоянии выжить на нашем ровере.
У данной технологии развиваемой для AREE, есть применение ив другихместах в Солнечной системе. И не только на Венере ил в высокой радиационной окружающей среде, такой как спутник Юпитера Европа. Прямо здес,ь на Земле, AREE мог быть полезен для взятия образцов очень близко к действующему вулкану, или из очень радиоактивной окружающей среды.
AREE получил финансирование Фазы 2 NIAC для дальнейшего развития. Команда работает над более детальным изучением системы передвижения, которая, вероятно, будет использовать гусеницы вместо колёс. Они также разрабатывают «механические часы» для использования при высокой температуре. Это – одна из фундаментальных частей любого автономного механического компьютера. Мы, конечно, взволнованы. Это — один из самых инновационных роботов, которые мы когда-либо видели. И мы не будем ждать его, чтобы отправить его на Венеру.
