В ясный день от каменного карьера в центральном Техасе до Луны — примерно 370 000 километров. Но в феврале, наблюдая за тем, как надувной робот-шар шириной 1,8 метра и массой 150 килограммов без видимых усилий перекатывается через валуны, гравий и мокрую глину, инженер Риши Джангейл мысленно превращал этот карьер в лунную поверхность.
RoboBall III с полезной нагрузкой в центре готов катиться по Луне ради науки. Texas A&M
Джангейл — инженер-механик, завершающий работу над диссертацией в Техасском университете A&M в Колледж-Стейшене. Вместе с коллегами по лаборатории он около пяти лет доводил до ума этот большой аппарат песочного цвета. Задача шара — добираться до тех участков Солнечной системы, куда не проедет ни один колёсный ровер: например, до 21-километрового кратера Шеклтона у южного полюса Луны.
Кратер Шеклтона уходит вглубь на 4 километра, а внутри него скрываются кратеры поменьше и поглубже. Часть его дна не видит солнца никогда, и в этих вечно затенённых карманах законсервированы древние слои лунной геологии и запасы замёрзшей воды — того самого ресурса, на который рассчитывают проекты будущей обитаемой базы. Именно поэтому южный полюс Луны сейчас интересует сразу несколько космических программ, но подобраться к самому интересному там почти нечем.
«Луна — это своего рода архив того, что происходило с Землёй», — говорит Сара Расселл, специалист по космической минералогии из лондонского Музея естествознания, которая в работе техасской лаборатории не участвует. По её словам, роботизированный сбор образцов показывает себя превосходно, и хорошо, что такой подход прорабатывают всё активнее.
«NASA не подпустит астронавтов близко к таким кратерам: если человек туда сорвётся, достать его будет нечем, — объясняет Джангейл. — Поэтому мы подумали: какая форма лучше подходит для того, чтобы катиться вниз по склону, чем шар?» Конструкцию аппарата, сценарий гипотетической лунной миссии и результаты первых испытаний в карьере команда описала в статье для журнала IEEE Transactions on Field Robotics.
Как появилась идея катящегося робота
Автор концепции — научный руководитель Джангейла, бывший инженер-робототехник NASA Роберт Эмброуз. Первые наброски катящегося шара он сделал ещё в 2003 году, задолго до нынешней волны интереса к лунному южному полюсу.
Эмброуз исходил из того, что у любой машины на лунном грунте есть неприятный риск: при слабой гравитации она легко опрокидывается, а поднять её обратно некому. Надувная сфера перевернуться не может в принципе, а заодно изолирует начинку от острых камней, абразивной пыли и колоссальных перепадов температур — от +93 °C на освещённых участках до −240 °C в тени внутри кратеров.
Ровер довозит RoboBall по лунной поверхности до кромки кратера. R. Jangale, D. Pravecek и др.
Сценарий миссии выглядит так: колёсный ровер подъезжает к кромке кратера и выпускает шар внутрь. Обратно наверх тот уже не выберется, но, в отличие от маленького ровера на тросе, он не ограничен длиной привязи — а значит, способен собрать образцы на несопоставимо большей площади и отправить их наверх, к ожидающей машине, небольшими ракетами.
Ставки здесь высоки: больше 50 лет NASA не доставляло на Землю новых лунных образцов. Кое-что прилетает само в виде метеоритов, но, как отмечает Расселл, таким находкам не хватает «золотого стандарта» полевой работы — точного понимания, из какой именно точки взят материал. И даже с перезапуском пилотируемых лунных программ многие площадки остаются недосягаемыми.
В 2022 году лаборатория довела до рабочего состояния демонстратор RoboBall II диаметром 0,5 метра, а на полноразмерный RoboBall III ушло около 11 месяцев. «Мы собирали этих роботов очень быстро, — вспоминает Джангейл. — Эмброуз всячески поощряет нас пользоваться ими и ломать их». Ломались они исправно: были и ошибки в софте, и слишком слабая трансмиссия, которая на первых тестах не могла перевалить шар через мягкие бугры.
Маятник вместо колёс и тормозов
Едет RoboBall за счёт маятника внутри оболочки: перемещая груз, аппарат смещает собственный центр масс. На ровной площадке достаточно направить штангу маятника вперёд — оболочка начинает катиться, компенсируя смещение, и продолжает движение до тех пор, пока центр масс остаётся впереди геометрического центра шара.
Наклон маятника на несколько градусов влево или вправо заставляет аппарат поворачивать в ту же сторону. «Робот едет туда, куда вы указываете маятником», — говорит Джангейл. Оболочка накачана так, чтобы слегка пружинить на неровностях, но небольшое избыточное давление удерживает её достаточно жёсткой и не даёт «жевать» грунт.
На крутых спусках тот же механизм заменяет тормоза: достаточно отклонить маятник в сторону вершины, и шар сам ограничивает скорость скатывания. Отдельного тормозного узла, который на Луне пришлось бы защищать от пыли и холода, конструкции просто не нужно.
«Красота решения — в его простоте», — считает Хиро Оно, инженер-аэрокосмик, тринадцать лет занимавшийся мобильностью роботов в Лаборатории реактивного движения NASA, а затем перешедший в Технологический институт Джорджии. Простоту космического аппарата он измеряет числом приводов: у RoboBall их всего два, и оба спрятаны внутри оболочки, вне досягаемости пыли и ударов, — сочетание, которое Оно называет уникальным.
После первой серии испытаний в карьере команде потребовалось около семи месяцев, чтобы перебрать конструкцию и поднять крутящий момент в 2,5 раза. Этого хватило, чтобы аппарат перебрасывал себя через небольшие препятствия и заезжал на склоны крутизной до 20 градусов.
Небольшая ракета стартует из центра RoboBall и возвращает образец роверу за пределами кратера. R. Jangale, D. Pravecek и др.
Что мешает отправить шар на Луну
В новой статье описано, как дистанционно управляемый RoboBall III спускался по склонам карьера, проходил рыхлый грунт и отстреливал условную полезную нагрузку обратно наверх маленькими ракетами. Питается аппарат от крупной батареи; в лунном сценарии он должен сам надуться на месте и подзарядиться от ровера у кромки кратера, прежде чем отправиться вниз в одиночку.
Универсальным инструментом шар не станет. Его слегка «неуклюжая» манера движения плохо подходит, например, для отбора пробы с конкретного, заранее выбранного камня. Пока команда рассчитывает договориться с разработчиками научных приборов, чтобы те физически помещались во внутренний отсек размером с ручную кладь и вписывались в логику работы аппарата. «Робот — это не миссия, — формулирует Джангейл. — Робот — это способ выполнить миссию».
Нынешний экземпляр обошёлся примерно в 250 тысяч долларов, но к полёту он не готов. Алюминиевые детали с золотым покрытием для космоса годятся, а вот остальные материалы — нет. Электроника космического класса обойдётся дороже, а оболочку, рассчитанную на качение по стальной стружке и температуру до −184 °C, в лунных экстремумах ещё никто не проверял.
Помимо материалов, инженеры собираются научить шар самостоятельно подстраивать манеру езды под крутизну склона — сейчас это делает оператор. Параллельно команда ищет партнёров среди государственных агентств и подрядчиков космической отрасли, чтобы довести конструкцию до реальной миссии, а не остановиться на стадии эффектной демонстрации.
Ближе к концу года Texas A&M откроет в Хьюстоне новый комплекс с крупнейшими в мире крытыми имитациями лунного и марсианского ландшафтов. От техасского карьера до него всего 190 километров, а до Луны по-прежнему 370 тысяч — но испытывать шар в условиях, близких к настоящим, станет заметно проще.
