NASA испытала гибкую антенну георадара для марсианских вертолётов миссии SkyFall — они будут искать водяной лёд у поверхности

Новая миссия для поиска ресурсов на Марсе

В Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) успешно завершили первую серию испытаний принципиально новой радарной антенны, созданной для миссии SkyFall. Три вертолёта массой по 5 килограммов каждый должны в конце 2028 года отправиться на Марс на борту первого в истории космического корабля с ядерным двигателем. Их главная задача — обнаружить залежи водяного льда в верхних слоях грунта, которые орбитальные аппараты изучают недостаточно эффективно.

Почему орбитальных радаров недостаточно

Существующие орбитальные радары способны находить крупные залежи льда на глубине десятков метров, однако они «слепы» к самому верхнему слою реголита — первым 3–5 метрам. Именно этот приповерхностный лёд критически важен для будущих пилотируемых экспедиций: из него планируют получать воду, кислород и компоненты ракетного топлива. Миссия SkyFall должна закрыть этот пробел, выполняя полёты на малой высоте и получая детальные радиолокационные снимки марсианской почвы.

В отличие от вертолёта Ingenuity, который с 2021 по 2024 год совершил 72 полёта и изначально создавался как технологический демонстратор, три аппарата SkyFall с самого начала проектируются как научные платформы. Каждый из них получит четыре прибора, одним из которых станет георадар.

Инженерный вызов: антенна длиннее расстояния до земли

Георадар SkyFall будет работать в чрезвычайно широком диапазоне от 500 до 2500 МГц (длины волн примерно от 60 до 12 см). Низкочастотная часть позволит зондировать грунт на глубину до нескольких метров, а более высокие частоты дадут лучшее разрешение верхних слоёв. По данным JPL, радар рассчитан на исследование глубин менее пяти метров.

Главная проблема заключалась в антенне: традиционная конструкция для таких частот имела бы длину около 48 сантиметров, тогда как расстояние от нижней части корпуса вертолёта до поверхности при посадке составляет всего около 15 см. Решением стала гибкая антенна типа Vivaldi, сделанная из металлизированной ткани и других эластичных материалов.

Конструкция «Вивальди»: ткань, Vectran и стеклопластик

Антенну прозвали «Вивальди» (Vivaldi) — её масса составляет около 150 граммов, что сравнимо с двумя смычками для скрипки. Она примерно в полтора раза длиннее посадочных опор вертолёта, поэтому при каждом приземлении неизбежно касается поверхности. Конструкция должна выдерживать многократные сгибания, не разрушаться при ударе о камень и после взлёта самостоятельно возвращаться в рабочую форму.

• Основу составляет металлизированная ткань.
• Защитная оболочка — полиэстер и несколько слоёв высокопрочного материала Vectran, аналогичный использовался в посадочных подушках марсоходов Spirit и Opportunity.
• Форму в полёте поддерживают гибкие стеклопластиковые ленточные пружины.
• Крепление выполнено из магниевого сплава.

Ведущий специалист по георадару SkyFall Адриан Танг отмечает, что такой подход позволит получить детальные радиолокационные изображения верхних слоёв грунта и точно определить границу между сухой почвой и льдом.

Испытания: 200 посадок без потерь характеристик

Прототип антенны многократно изгибали, подвергали температурным циклам с перепадами до 94 °C (имитируя марсианские сутки) и периодически проверяли в радиочастотной камере. Для создания нагрузки, превышающей марсианскую гравитацию, конструкцию даже переворачивали. Результат: эквивалент 200 посадок — более чем в два раза выше требуемого для основной программы миссии (ожидается не более 100) — прошёл без заметного ухудшения радиолокационных параметров.

Что дальше: вибрационные тесты и квалификация

Несмотря на успешные результаты, антенна пока не получила полной летной квалификации. Инженеры JPL сейчас изготавливают следующий испытательный образец для вибрационных испытаний, проверки развёртывания в условиях, имитирующих марсианскую среду, и полевых тестов. Если разработка будет успешно завершена, три вертолёта SkyFall станут первыми специализированными воздушными геологами Марса, способными «заглянуть» под ноги будущих исследователей.