INGENUITY, inaczej pomysłowość, znaczy - budujemy marsjańskie śmigłowce!

Trochę nieziemskich historii

Projekt, znany dziś pod nazwą Ingenuity (imię wymyśliła mu później Vaneeza Ruppani, uczennica 11. klasy High School z Alabamy w USA), został opublikowany po raz pierwszy w 2014 r. Stanowi część misji NASA oznaczonej jako Mars 2020.

Amerykańska Agencja Kosmiczna zainwestowała w budowę pierwszego marsjańskiego śmigłowca około 80 milionów USD i blisko 5 milionów USD w jego obsługę. Zapakowane i podczepione pod podwoziem łazika Perseverange urządzenie wylądowało na Czerwonej Planecie 18 lutego 2021. Od 19 kwietnia do 14 maja nieziemski wirnikowiec wykonał z powodzeniem pięć zaplanowanych lotów testowych (trwających do 90 s na wysokości do 10 m), udowadniając przydatność zastosowanych rozwiązań do lotów w warunkach bardzo rozrzedzonej marsjańskiej atmosfery (sto razy rzadszej od ziemskiej).

Stosunkowo mały model helikoptera zabrał się w marsjańską podróż niejako przy okazji głównej misji - stąd testy lotu wirnikowego trwały tylko trzy dni, podczas których inne działania badawcze musiały być ograniczone - i to też jest powód, dla którego po wykonaniu zaplanowanych testów ten nieziemski śmigłowiec (nadal sprawny i gotowy do lotu) przeszedł w tryb spoczynku, żeby oddać czas i środki przekazu na Ziemię innym naukowcom i ich doświadczeniom (choć jest możliwe, że jeszcze znów poleci - w tzw. wolnej chwili).

Garść danych technicznych dotyczących Ingenuity: średnica wirników: 1,2 m; wysokość: 50 cm; masa startowa: 1,8 kg (na Marsie będzie ważył trzykrotnie mniej); moc: 350 W; obroty wirnika: 2400; prędkość maksymalna w poziomie: 10 m/s, w pionie: 3 m/s; zasilanie: sześcioogniwowy akumulator litowo-jonowy pojemności 2 Ah w napięciu całkowitym 15-25,2 V (doładowywany panelami słonecznymi), który prócz napędu silników i elektroniki ogrzewa również wnętrze, żeby ta ostatnia w ogóle mogła działać w niskich temperaturach, jakie panują na Marsie.

Odlotowe śmigłowce (i to bez napędu)!

Beznapędowe modele śmigłowców budujemy w modelarniach MDK im. Kopernika we Wrocławiu od dekad - kilka z nich prezentowałem również na łamach "Młodego Technika" (vide podpisy pod ilustracjami). W tym jednak przypadku trzeba będzie zastosować nieco bardziej skomplikowane rozwiązania współosiowych wirników. Nadal jednak wytyczne do projektowania modelu to możliwość wykonania latającej półmakiety Ingenuity za pomocą możliwie łatwo dostępnych materiałów i narzędzi. Dodatkowo, dla mniej zaawansowanych modelarzy i do krótkich zajęć jest znacznie bardziej uproszczona - ale też latająca wersja.

Młodotechnikowy Ingenuity - czyli latająca półmakieta

Podobnie jak w oryginale mechaniczna część modelu będzie w zasadzie niezależna od lekkiej komory wyposażenia. Przedstawione na ilustracjach rozwiązania zostały przetestowane i sprawdziły się - co nie znaczy jednak, że nie można zastosować z powodzeniem alternatywnych materiałów i technik z zachowaniem podstawowych założeń.

6. Interesująca sekwencja rozkładania Ingenuity: odrzucenie osłony; zbliżenie na podwieszony śmigłowiec; częściowe odchylenie i rozłożenie prawych goleni; odchylenie do 900; rozłożenie lewych goleni (dron wciąż jeszcze jest podwieszony - za chwilę zaczep zostanie zwolniony).; odjazd łazika Perseverance - pod jego "czujnym okiem" sprawdzone zostanie usunięcie np. blokad wirników - i można będzie lecieć! 

Do zbudowania modelu potrzebne będą następujące materiały:

• wydruk elementów modelu na zwykłej grubości papierze (może być to nawet kopia strony nr …);
• czarny papier do podklejania i na drobne elementy;
• kleje: szybkoschnący POW (np. Magic), klej w sztyfcie, klej cyjano-akrylowy (np. Super Glue). Gdyby trzeba było wybrać tylko jeden rodziaj kleju, polecałbym polimerowy – ale o różnym stopniu rozrzedzenia (rozcieńcza się go bezbarwnym denaturatem);
• lekka tektura (tzw. piwna od ang. beermate) lub lekka sklejka ze skrzynek po cytrusach;
  drut stalowy sprężysty średnicy 1 mm na oś wirnika (np. z resztki bowdena do modeli latających RC, może być też pręt węglowy lub ekwiwalent);
• spinacze biurowe zwykłe na golenie podwozia;

Z narzędzi przydadzą się:

• nożyczki oraz żyletka (w oprawce) lub ostry nożyk modelarski;
• linijka, ołówek, czarny marker permanentny;
• szpilka tablicowa, zaostrzony pręt 2-3 mm (np. rzutka dart);
• oprawka do wierteł z wiertłem 1 mm
• szczypce okrągłe i uniwersalne, ew. także obcęgi;
• alternatywnie suwmiarka do precyzyjnego pomiaru średnic prętów oraz zwijanych papierowych rurek.

Szczegóły budowy opisane są pod ilustracjami z budowy prezentowanego w artykule modelu oraz na rysunkach dołączonych do artykułu.

1. Porównanie pierwszego lotu śmigłowego na Marsie z pierwszym lotem na Ziemi nie jest od rzeczy - zresztą NASA i JPL na pamiątkę pierwszego lotu braci Wright wysłali na Czerwoną Planetę mały kawałek płótna skrzydłowego z 1903 Wright Flyer (jest przymocowany do kabla pod panelem słonecznym Ingenuity), a pierwsze lądowisko helikopterowe na Marsie zostało nazwane Polem Braci Wright. To nie pierwszy taki hołd dla pionierów lotnictwa - w 1969 roku Neil Armstrong z Apollo 11 przeniósł podobny artefakt z Flyer Wrightów na Księżyc w Module Księżycowym Eagle.

2. Marsjański śmigłowiec bez poszycia i wyposażenia. Dobrze widać, że obciążenia przenoszone są bezpośrednio z mocowania wirnika na golenie podwozia. Wykorzystamy tę wiedzę również w naszym drugim modelu. 

3. Wyposażony do startu marsjański wirnikowiec z komorą wyposażenia pokrytą folią mylarową (podobnych używa się powszechnie jako kocy ratunkowych). W odróżnieniu od kilku uproszczonych a złotych modeli z różnymi naklejkami oryginalny Ingenuity jest srebrny i nie ma widocznych logotypów. Jeśli przyjmiemy, że przód wyznacza kamera, wtedy lewa przednia goleń ma otwartą stopę (nie odkryłem jeszcze dlaczego, może właśnie do identyfikacji położenia?...).

4. Zbliżenie na komorę wyposażenia odkrywa, że poszycie jest klejone taśmą samoprzylepną, a mocowanie goleni jest bardziej wyrafinowane, niż mogłoby się z pozoru wydawać - a to po to, żeby nogi mogły nie tylko dobrze schować się w marsjańskim łaziku, rozłożyć - ale też dobrze amortyzować lądowanie.

5. Przed startem jeszcze rzut oka na "oczy" Ingenuity. Przy okazji widać, że to całkiem niemały dron…

7. Jako że nie ma tylu kamer na marsjańskiej Polanie Wrightów - to wizualizacja lotu. W sumie, od 19.04. do 07.05.2021 Ingenuity wykonał 5 lotów do 10 m wysokości, realizując założony plan testów. Teraz po fazie demonstracji technologii rozpocznie się faza demonstracyjna operacji - co 2-3 tygodnie urządzenie będzie nadal startować i przesyłać dane na Ziemię via Perseverange.

No to lecimy!

Kiedy wszystkie elementy modeli (szczególnie panel ogniw fotowoltaicznych) są już naprawdę dobrze sklejone, można przystąpić do prób w locie.

Do lotów testowych wystarczą i dwa metry, ale zdecydowanie więcej radości taki helikopter sprawi, latając np. na klatce schodowej (jeśli lądowisko wypada na kolejnym biegu schodów, warto zainwestować w duży kartonowy helipad, dzięki czemu model będzie mniej narażony na upadki z krawędzi stopni). Idealnym miejscem do pokazów i zawodów tego typu modeli byłaby galeria handlowa z kilkudziesięcioma metrami do lotu z najwyższego poziomu - to już raczej kwestia domówienia się modelarni z menedżerami - pewnie da się to połączyć na przykład z akcją "Spadające ceny" - myślę, że po powrocie do normalności pewnie tego we Wrocławiu spróbujemy.

8-10. Modele śmigłowców latających w autorotacji to nie nowość w "Młodym Techniku" - "latające jajo", czyli Hughes 500, budowaliśmy w grudniu 2017 r. Dwuwirnikowy Seakhight konstrukcji Franciszka Piaseckiego latał po stronach naszego miesięcznika w lutym 2016. "Na warsztacie" mieliśmy też MPV, czyli Marsjański Pojazd Hermetyczny projektu Mars Society Polska.

11. Budowę modelu najlepiej zacząć od przygotowania odpowiednich wydruków na papierze gramatury 100-12o g/m2 - można skopiować te z artykułu, choć wygodniej skorzystać z (doskonalszego niż na tym zdjęciu) pliku PDF - np. ze na strony www.MODELmaniak.PL lub nabyć w sklepie AVT.

12. Łopatki wirników oraz panele fotowoltaiczne powinny być pogrubione - z tej wycinanki skleja się je białymi stronami do siebie i pozostawia do wyschnięcia. Korzystając z przedruku z artykułu, od spodu warto przykleić czarny papier. Komora ładunkowa aż się prosi, żeby od niej zacząć - OK. - ale najpierw trzeba przygotować krawędzie do zginania - najlepiej zbigować je grubą krawiecką igłą.

13. Klejenie tego prostopadłościanu jest proste, jeśli na koniec klejenia zostawi się dolne poszycie. Górna część komory ładunkowej będzie nieco zmodyfikowana - docelowo znikną sklejki, bo całość wypełni wypełnienie z tektury piwnej 3 mm (lub jej kilka warstw o łącznej grubości jw.).

14. Pora zająć się trudniejszą częścią: golenie podwozia postanowiłem wykonać z najbardziej dostępnego drutu, czyli ze zwykłych spinaczy biurowych. Ponieważ typowy spinacz jest nieco krótszy, niż założyłem, będzie to wymagało lekkiej modyfikacji wstępnego rysunku szablonu (w rysunkach już jest poprawiony) - ale też wyjdzie na korzyść modelowi, bo chyba jednak pierwsza opcja była nieco przydługa. Podwozie można również wykonać z większych spinaczy lub podobnego, prostego drutu (może być mniej prostowania) - ale nie jest to konieczne.

15. Spinacze najpierw trzeba starannie wyprostować - nie jest to sztuka wymagająca ogromnych umiejętności, ale cierpliwość i trochę treningu jak najbardziej. Zaczynając 3 cm od jednego z końców, owija się krótszą końcówkę na samym szpicu okrągłych szczypiec, potem mały ząbek kombinerkami i na koniec (znów okrągłymi) kształtuje się stopę. Przy większej liczbie warto zainwestować w szablon, ale dla czterech egzemplarzy wystarczy takie oprzyrządowanie. Golenie podwozia montowane będzie w widocznej na zdjęciu trzymilimetrowej płytce z tektury (ew. z lekkiej sklejki "cytrusowej"), w której nacina się bruzdy i wierci otwory na końcówkę goleni. 

16. Sklejone obustronnie, wyschnięte i wycięte wirniki i panel solarny z akcesoriami czekają na kolejny etap montażu. Czarne nakładki wzmacniające trzony łopatek zaraz będą naklejone - muszą wyschnąć przed wykonaniem otworów w osiach wirników.

17. Po wyschnięciu kleju czas na otwory - na zdjęciu widać wszystkie niezbędne narzędzia, a metoda (propagowana przez ś.p. redaktora Alwara Hansena) jest następująca: najpierw wykonuje się otwór ostrą szpilką tablicową, powiększa się go grubą igłą z rzutki (dart), do wymaganej średnicy 3 mm dociągają szczypce z okrągłymi końcówkami. Ponieważ od spodu zostaje sporo wypchanego kartonu (wprawdzie w tym przypadku zwiększa powierzchnię klejenia, ale nie wygląda makietowo), odcina się go dookoła ostrą żyletką jeszcze na stali. Żyletka przyda się też do równego wycinania pasków wzmocnień i odcinania rurek obsad wirników (również zwijanych z papieru). 

18. To zdjęcie pokazuje kolejne etapy przygotowania obsady wirników i mocowania panelu fotoogniw. Po oklejeniu końcówek papierowych rurek dodatkowymi paskami uzyskujemy zwiększenie powierzchni klejenia. Obydwa końce obsady każdego wirnika zakleja się podwójnie sklejonym papierem (nieco większej średnicy - wygodniej później go dociąć i doszlifować). Później (kiedy wyschnie klej cyjano-akrylowy) w tych zaślepieniach trzeba będzie wykonać otwory ok. 1,1 mm. Osią rotoru będzie pręt stalowy średnicy 1 mm, może to być też większa igła do szycia lub długa szpilka krawiecka (bywają takie) - dobrze, żeby nie był to miękki drut. Na jego końcu, na owijce z papieru przykleja się krótszą rurkę mocowania panelu.

W porównaniu ze swoimi poprzednikami ten model jest zdecydowanie bardziej rozwinięty technicznie - szczególnie obsady rotorów. Dzięki temu wirniki kręcą się pewniej i nie mają skłonności do zmiany płaszczyzny rotacji, przez co lądowania bardzo rzadko kończą się wywrotką. Choć czas, potrzebny na wykonanie takich obsad, jest dłuższy, wartość użytkowa rekompensuje to z nawiązką - przygotowując dowolny model podobnego typu (np. do pokazów czy zawodów), zdecydowanie warto zainwestować w tego typu rozwiązanie.

Przy poprzednich warto pozostać, kiedy zależy nam ma czasie (np. podczas zajęć z dużą grupą młodych konstruktorów). Kiedy czasu lub umiejętności jest jeszcze mniej, warto wybrać projekt, który nad wierność oryginałowi przedkłada łatwość i krótki czas montażu:

3, 2, 1, start - czyli latamy jeszcze prościej!

Prowadzę zajęcia z młodzieżą od ćwierć wieku - wiem, że czasem za dobrze, to bardzo niedobrze… Czasem głód sukcesu trzeba zaspokoić dużo szybciej - nie inaczej jest z modelarskim lataniem po Marsie. W tym celu od razu obok modelu dla ciut bardziej cierpliwych konstruktorów powstał projekt dla tych ciut mniej cierpliwych. Do jego wykonania wystarczy formatka A6 z bloku technicznego (160 g/m2), nożyczki, linijka, coś do bigowania (np. grubsza igła krawiecka) i biały klej do papieru typu wikolowego. Tu również można skopiować rysunek ze stron 91–93 tego wydania "Młodego Technika". I tu także odsyłam po szczegóły montażu do ilustracji obok.

19. Żeby wirniki lekko się obracały, potrzebne jest zmniejszenie powierzchni tarcia. Można zastosować teflonowe lub metalowe podkładki albo małe koraliki (odpowiednio skracając rurki obsad). Mnie udało się znaleźć te pierwsze w dawno martwym i nierokującym zmartwychwstania zdekompletowanym silniczku. 

20. Montaż rotorów na stalowej osi - przy okazji sprawdzone sposoby: przy tak małych średnicach i wzmocnieniu klejem cyjano-akrylowym najlepiej wywiercić otwory wiertłem - idealne byłoby 1,1-1,2 mm - ale na szczęście odpowiednią średnicę ma szpilka tablicowa. Najważniejsze, żeby wirniki obracały się na osi z jak najmniejszymi oporami.

21. Jeszcze rzut oka na spodnią część płyty głównej z wklejoną osią i jej dodatkową obsadą (też z paska papieru - przy okazji wyjaśnia się, po co był ten otwór w komorze wyposażenia). Podwozie solidnie zaklejone jest klejem C-A - można więc kleić resztę (klejem do papieru). 

22. Na koniec pozostaje przyklejenie panelu fotoogniw (Uwaga, na tym zdjęciu jest przyklejony tył naprzód - miejsce mocowania anteny (pomarańczowe kółko) jest od strony "ogonowej" - jeśli za "dziobową" przyjmiemy tę, gdzie widać obiektyw kamery. W kolejnych zdjęciach  jest już prawidłowo).

23. Panel, dzięki któremu oryginalny śmigłowiec zbiera energię do lotu, raczej utrudnia niż ułatwia loty - dlatego nie należy go nadwyrężać. Delikatna (jak w oryginale) jest też obudowa komory wyposażania - i też nie należy za nią chwytać modelu. Ilustracja pokazuje zalecanych sposób trzymania i wypuszczania tego wirnikowca. 

24. Na wykonanie latającej półmakiety Ingenuity potrzeba kilku godzin (jednego popołudnia) - jeśli to za dużo (np. podczas zajęć w szkole), mamy też prostszy latający modelik. Wydrukowany na papierze 160 g/m² najpierw należy zbigować starannie wzdłuż linii zagięć. W zależności od kierunku wygięcia łopatek, druk będzie na wierzchu wirników i w środku komory, lub odwrotnie - ja wybrałem pierwszą z opcji. 

25. Po wycięciu formuje się elementy składowe - wyginanie goleni podwozia też nie jest specjalnie skomplikowane, ale warto poćwiczyć wcześniej na ścinkach. Podwozie wkleja się do wnętrza komory ładunkowej przed jej sklejeniem w pierścień. Łopatki wygina się wzdłuż linii przerywanej (pod kątem). Dodatkowo można zakleić górę komory ładunkowej. 

26. Uproszczony model śmigłowca z "górnej kamery marsjańskiego łazika"

27. Modelik pięknie wiruje w całości i pewnie ląduje na cztery łapy - dodatkowo można mu też zrobić piękne lądowisko, wykorzystując dostępne fotografie NASA z Czerwonej Planety.

28. Jeśli to za mało - proszę bardzo - można wykorzystać mechanikę popularnych śmigłowców dwuwirnikowych (w układzie Kamov) i zbudować model zdalnie sterowany - ale tu już po szczegóły odsyłam do https://www.youtube.com/watch?v=UoTwTEP0r7M

Loty tego modelu są więcej niż dobre, równie pewne są lądowania - mimo że tym razem nie ma w nim żadnych obrotowych elementów - po prostu wiruje cały model.

Kończąc, zachęcam do dzielenia się fotografiami swoich marsjańskich śmigłowców z Redakcją i autorem poprzez facebookowe profile "Młodego Technika" oraz MODELmaniak.PL (tam też można dopytać o rysunki).

Namawiam także do poszerzania swojej wiedzy w tym temacie (vide ramka) i odwagi w projektowaniu własnych, jeszcze doskonalszych konstrukcji - kto wie, może to właśnie one w przyszłości znajdą się w kosmosie?...

Paweł Dejnak