Спутник Сатурна Титан с его плотной атмосферой и низкой гравитацией является отличным местом, куда имеет смысл полететь.
Но задолго до того, как посадочный модуль NASA Dragonfly взлетит в небо Титана, исследователи на Земле во главе с Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса (APL) проверяют, смогут ли их конструкции и модели беспилотника размером с автомобиль с ядерным двигателем работать в поистине уникальной среде.
Dragonfly («Стрекоза»), единственная миссия НАСА на поверхность другого океанического мира, которая призвана исследовать сложную химию, возможно предшествующую жизни. Транспортное средство, которое APL будет строить и эксплуатировать, будет оснащено камерами, датчиками и пробоотборниками для исследования участков Титана, которые, как известно, содержат органические материалы, которые могут в какой-то момент сложной истории Титана вступить в контакт с жидкой водой под богатой органикой ледяной поверхностью.
Чтобы перевезти эти научные инструменты через луну Сатурна, четырем парам соосных роторов Dragonfly (то есть один ротор расположен над другим) придется прорезать плотную, богатую азотом атмосферу Титана. Четыре раза за последние три года команда миссии тестировала свои летные системы на уникальных объектах в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли в Хэмптоне, штат Вирджиния.
Инженеры миссии провели две испытательные кампании в дозвуковом туннеле НАСА в Лэнгли размером 4 на 7 метров и две в 6-метровом туннеле трансзвуковой динамики (TDT). Они используют дозвуковой туннель для проверки моделей вычислительной гидродинамики и данных, собранных с интегрированных испытательных платформ — наземных дронов, оснащенных летной электроникой, разработанной для Dragonfly. Инженеры используют возможности TDT для работы с тяжелым газом переменной плотности для проверки своих моделей в смоделированных атмосферных условиях Титана — одно испытание на аэродинамическую устойчивость аэродинамической оболочки, которая используется для доставки посадочного модуля к точке выброса над поверхностью Титана, и одно для моделирования аэродинамики роторов посадочного модуля.
Во время своей последней поездки в НАСА в Лэнгли в июне команда установила полумасштабную модель посадочного модуля Dragonfly с восемью несущими винтами в дозвуковом туннеле размером 4 на 7 метров. Кампания была сосредоточена на двух конфигурациях полета: спуск Dragonfly и переход к полету с двигателем по прибытии на Титан, а также полет вперед над поверхностью Титана.
«Мы протестировали условия в ожидаемом диапазоне полета при различных скоростях ветра, скоростях ротора и углах полета, чтобы оценить аэродинамические характеристики аппарата», — сказала она. «Мы выполнили более 700 прогонов, охватывающих более 4000 отдельных точек данных. Все цели испытаний были успешно выполнены, и полученные данные помогут повысить уверенность в наших имитационных моделях на Земле, прежде чем экстраполировать их на условия Титана».
Инженеры APL анализируют данные испытаний вместе с партнерами летной группы из Университета Центральной Флориды, Университета штата Пенсильвания, Lockheed Martin Sikorsky, НАСА в Лэнгли и Исследовательского центра НАСА Эймса в Силиконовой долине, штат Калифорния. Рик Хейслер, руководитель испытаний в аэродинамической трубе Dragonfly от APL, который возглавляет испытательные кампании TDT, сказал, что каждая поездка в НАСА в Лэнгли дала команде возможность отточить свои технические модели и конструкции и, особенно в TDT, получить лучшее представление о том, как Роторы Dragonfly будут работать в экзотической атмосфере Титана.
«Среда тяжелого газа в TDT имеет плотность в три с половиной раза выше, чем воздух, при работе при атмосферном давлении и температуре на уровне моря», — сказал Хейслер, — «Это позволяет роторам работать в условиях, близких к Титану, и в лучших условиях» имитировать подъемную силу и динамическую нагрузку, которую испытает реальный посадочный модуль. Полученные нами данные используются для проверки прогнозов аэродинамики спускаемого аппарата, аэроструктурных характеристик и усталостного срока службы ротора в суровых криогенных условиях Титана».
«С помощью Dragonfly мы превращаем научную фантастику в исследовательский факт», — сказал Хиббард. «Миссия собирается по частям, и мы с нетерпением ждем каждого следующего шага на пути к отправке этого революционного винтокрылого аппарата по небу и поверхности Титана».
Миссию Dragonfly, являющуюся частью программы НАСА «Новые рубежи» (New Frontiers), планируют запустить не ранее 2027 года. Ее прибытие на Титан ожидается в середине 2030-х годов.
