نبوغ، هلکوپتر مریخ‌پیما

در کنار هم به راز شبیه‌سازی پرواز هلیکوپتر در مریخ خواهیم پرداخت.در 11 آوریل، "نبوغ" برای اولین بار در آسمان مریخ پرواز کرد. این کار کاملاً خودکار و بدون دخالت انسان انجام گرفت. دلیل این امر و استفاده از این تکنولوژی تأخیر زمانی بین خلبانان "نبوغ" در ایستگاه و هلیکوپتر در مریخ است. در این شرایط کنترل دستی یا حتی نظارت غیرممکن است. بنابراین بهترین کاری که می توان انجام داد تمرین و تلاش برای شبیه‌سازی شرایط سیاره مریخ پیش از سفر "نبوغ" است؛ پس از این کار تنها می‌توان امیدوار بود که هلیکوپتر بتواند وظایفش را به درستی عمل کند.در اینجا و روی زمین، شبیه‌سازی ابزاری اساسی برای بسیاری از کاربردهای رباتیک است؛ زیرا نیاز به سخت‌افزارهای گران قیمت ندارد، مخرب نیست و می‌توان آن را به صورت موازی و با سرعتی بالاتر از زمان واقعی اجرا کرد تا بتوان روی حل مسئله اصلی تمرکز کرد. هنگامی که فکر می‌کنید همه چیز را درست شبیه‌سازی کرده‌اید، می‌توانید ربات واقعی را امتحان کنید و ببینید نتایج به دست آمده و شبیه‌سازی‌ها تا چه اندازه به هم نزدیک هستند. اگر شبیه‌سازی شما در زندگی واقعی نیز کار کند، عالی است! و در غیر این صورت، می‌توانید برخی از موارد را در شبیه‌سازی تغییر دهید و دوباره امتحان کنید.برای هلیکوپتری که قرار است بر روی مریخ پرواز کند، شبیه‌سازی بسیار مهم‌تر از آنچه بر روی زمین انجام می‌شود خواهد بود. آزمایش هلیکوپتر مریخ در شرایط فیزیکی که آنجا خواهد داشت در زمین امکان پذیر نیست. گروه، مدل‌های مهندسی مختلفی را در شرایط جوی مریخ امتحان کرده‌است. آنها برای شبیه‌سازی هرچه صحیح‌تر از یک اتصال‌دهنده فعال برای تقلید از گرانش مریخ استفاده کرده‌اند، اما تنها راه برای اثبات این شبیه‌سازی‌ها پرواز آن بر روی سطح کره مریخ است. با این حساب، تیم "نبوغ" بسیار به شبیه‌سازی‌ها اعتماد کرده است. ما با خلبان ارشد "نبوغ"، هاوارد گریپ (pirG drawaH) صحبت می‌کنیم تا نحوه کار این هلیکوپتر را از او یاد بگیریم.قرار بود "نبوغ" اولین پرواز خود را در 11 آوریل انجام دهد. قبل از بلند شدن، تیم انواع بررسی‌های قبل از پرواز را انجام می‌دهد؛ از جمله این بررسی‌ها می‌توان به پاسخگویی سیستم کنترل و چرخش تیغه‌ها تا سرعت کامل (2537 دور در دقیقه) اشاره کرد. اگر همه چیز خوب پیش برود، برنامه پرواز اول بدین شکل خواهد بود: صعود با سرعت 1 متر بر ثانیه به ارتفاع 3 متری، 03 ثانیه شناوری بر روی سطح مریخ همراه با کمی چرخش در محل و سپس فرود بر روی مریخ. اگر "نبوغ" از این مرحله عبور کند، باعث تضمین موفقیت او در کل ماموریتش خواهد شد. طی چند هفته پس از این مرحله، پروازهای بیشتری انجام خواهد داد؛ اما تنها چیزی که پیش از آن مطرح است این است که اثبات کنیم "نبوغ" می‌تواند مستقلا در مریخ پرواز کند...حال به سراغ سوالات پرسیده شده از خلبان "نبوغ" می‌رویم و به مهم‌ترین آن‌ها اشاره خواهیم کرد:• آیا می‌توانید در مورد محیط شبیه‌سازی که LPJ برای برنامه‌ریزی پرواز " نبوغ" استفاده می‌کند برای ما بگویید؟ما خودمان در LPJ شبیه‌سازی هلیکوپتر مریخ را بر اساس چارچوب شبیه‌سازی مولتی‌بادی ایجاد کردیم که آن نیز در LPJ توسعه یافته است (STRAD / LLEHSD). این سیستم حدود 03 سال است که در حال توسعه است و در تعدادی از مأموریت‌ها نیز از آن استفاده کرده‌ایم. سپس مدل روتور، مدل‌های آیرودینامیکی و هر چیز دیگری را که برای شبیه‌سازی هلیکوپتر لازم است خودمان طراحی کرده و قراردادیم. ما همچنین از متخصصان روتوکرفت (tfarcrotor) در قسمت‌های مختلف ناسا کمک زیادی گرفتیم.• بدون توانایی آزمایش در مریخ، تا چه اندازه می‌توانید اعتبار آنچه را که در شبیه‌سازی می‌بینید صحت سنجی کنید؟ما می‌توانیم تا حد خوبی به واقعیت نزدیک شویم، اما این امر نیاز به برنامه‌ریزی زیادی دارد. برای ساخت اولین نمونه اولیه واقعی (با یک روتور که در اندازه‌ای شبیه به چیزی بود که می‌خواستیم در مریخ استفاده کنیم) ابتدا زمان زیادی را صرف طراحی و استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی برای هدایت هلیکوپتر کردیم و وقتی درک کافی از هلیکوپتر داشتیم آن را ساختیم و یک مجموعه کامل از آزمایش‌ها را در یک محفظه خلا برایش طراحی کردیم. در آن آزمایشگاه می‌توانستیم شرایط جوی مریخ را شبیه‌سازی کنیم. تمام این آزمایش‌ها قبل از این بود که بخواهیم با هلی کوپتر پرواز کنیم و فقط برای طراحی شرایط محیطی انجام گرفت. همواره باید بررسی کنیم که مدل‌های ما تا چه اندازه خوب عمل می‌کند.نبوغ در سطح مریخما آزمایش‌های بسیاری را در چندین مرحله انجام دادیم. اما مسلما مواردی وجود دارد که نمی‌توانید به طور کامل آنها را شبیه‌سازی کنید. به عنوان مثال، ما واقعاً نمی‌توانیم گرانش مریخ را روی زمین ایجاد کنیم! می‌توانیم اتمسفر را در آزمایشگاه پیاده سازی کنیم، اما نیروی جاذبه را خیر؛ بنابراین هنگام پرواز مجبوریم کارهای مختلفی انجام دهیم؛ به عنوان مثال یا هلیکوپتر را بسیار سبک کنیم و یا از روش‌های دیگری استفاده کنیم که هیچ کدام برای ما مسجل نمی‌کند شرایط مریخ چگونه خواهد بود. همچنین نمی‌توانیم به طور همزمان محیط آیرودینامیکی مریخ و محیط فیزیکی و بصری را که هلیکوپتر در آن پرواز خواهد کرد ایجاد کنیم. این مسائل و محدودیت‌ها نقاطی هستند که ابزارهای شبیه‌سازی به کار شما می‌آیند. توانایی انجام آزمایش‌ها یعنی هلیکوپتر پرواز کامل از نقطه A به نقطه B را انجام دهد به این ترتیب که از زمین بلند شود، نرم‌افزار پروازی آن اجرا شود، تصاویری را که دوربین ناوبری هنگام پرواز از زمین می گیرد کنترل کند، شبیه سازی‌ها را انجام دهد و همه این فرایند تماما تحت فرمان و کنترل او باشد.چیزی که به ما امکان می‌دهد اسرار ساخت هلیکوپتری را که می‌تواند در مریخ پرواز کند به دست آوریم، همان پرواز اول آن پس از شبیه سازی است.• شبیه‌سازی تا چه اندازه می‌تواند انواع آزمایش‌های فیزیکی را که نمی‌توانیم روی زمین انجام دهیم جبران کند؟این کار به شما چند امکان مختلف می دهد. می‌توانید آزمایش‌های خاصی را روی زمین انجام دهید که در آن‌ها عناصر اصلی محیط را ایجاد کرده‌اید؛ مانند جو یا محیط بصری و سپس شبیه‌سازی خود را بر روی پارامترهایی که می توانید روی زمین آزمایش کنید تأیید کنید. پس از آن می‌توانید این پارامترها را در شبیه‌سازی ترکیب و سناریوهای دلخواه خود را تنظیم کنید و آزمایش‌های زیادی انجام دهید. ما می‌توانیم همچون مونت کارلو عمل کنیم و هزار بار متوالی یک پرواز را با اغتشاشات و اختلالات کوچک و با پارامترهای مختلف انجام دهیم و حساسیتمان را نسبت به این موارد افزایش دهیم و هلیکوپتر خود را شبیه‌سازی کنیم. این‌ها مواردی است که شما نمی‌توانید با آزمایش‌های فیزیکی به آن‌ها دست پیدا کنید؛ ابتدا به این دلیل که نمی‌توانید محیط را به طور کامل بازسازی کنید و دوم آن که لازم دارید یک آزمایش را هزار بار تکرار کنید و این ممکن نیست. • چگونه اطمینان حاصل کنیم که بیش از حد به شبیه سازی اعتماد نکرده‌ایم؟ به خصوص که از بعضی جهات تنها گزینه ماست!بالگرد نبوغ در ماموریت اکتشافی در مریخاین در مورد استفاده کردن از داده‌های واقعی است و ما بسیاری از آن‌ها را با آزمایش فیزیکی خود بررسی کرده‌ایم. فکر می‌کنم آنچه شما به آن اشاره می‌کنید و نگران آن هستید، شبیه‌سازی شما را از شکل واقعی دور و به حالت ایده‌آل نزدیک می‌کند ولی ما مراقب هستیم که موارد و پارامترهای مهم را مدل کنیم. به عنوان مثال سنسورهایی که استفاده می‌کنیم دارای سطوح واقع‌گرایانه نویز شبیه‌سازی‌شده هستند، تصاویر دوربین ناوبری دارای سطح تخریب واقع گرایانه‌ای می باشد و وزش‌های واقعی باد را در نظر می‌گیریم. اگر این موارد را به درستی حساب نکنیم جزئیات مهم را از دست می‌دهیم. بنابراین، سعی می‌کنیم تا آنجا که ممکن است دقیق باشیم و با دقت بالا در پارامترهایی که عدم قطعیت بیشتری نسبت به آنها داریم، مسائل را حل می‌کنیم.• آیا نمونه‌هایی از مواردی که به عنوان بخشی از فرآیند شبیه سازی آموخته‌اید و منجر به تغییر در سخت افزار یا مأموریت شده است، وجود دارد؟ همه می‌دانیم که این یک سفر بوده است. یکی از موارد اولیه‌ای که به عنوان بخشی از مدل‌سازی هلیکوپتر کشف کردیم این بود که دینامیک روتور برای یک هلیکوپتر در مریخ کاملاً متفاوت است؛ خصوصاً در مورد نحوه پاسخ‌دهی روتور به خم شدن بالا و پایین پره‌ها؛ زیرا آنها کاملاً سفت و سخت نیستند. این حرکت تأثیر بسیار مهمی در پویایی پرواز هلیکوپتر دارد و با شروع مدل سازی کشف کردیم که این حرکت در مریخ کاهش می‌یابد؛ به نوعی ممکن است یک مسئله کنترلی جدید برای ما ایجاد کند! اگر بدون در نظر گرفتن این مسئله، ساده لوحانه آن را مانند یک هلیکوپتر روی زمین طراحی کنیم، یک سیستم خواهیم داشت که در آن پاسخ به ورودی‌ها با خطای بسیار زیادی رو‌به‌رو است. به خاطر این موضوع و برخی دیگر از مفاهیم اولیه، طراحی هلیکوپتر به تغییراتی نیاز داشت و ما را به ساخت روتور فوق العاده سبک و محکم سوق داد.چرخه طراحی برای "نبوغ" اینطور نیست که ما فقط وسیله‌ای بسازیم و آن را به حیاط پشتی منتقل کنیم و امتحان کنیم و اگر کار نکرد، دوباره برگردیم و آن را کمی تغییر دهیم و دوباره امتحان کنیم! بلکه تلاشی بزرگ‌تر برای ساخت و توسعه یک برنامه آزمایشی است که در آن مجبورید از اتاق خلا برای آزمایش استفاده کنید. بنابراین شما واقعاً می‌خواهید در اولین تلاش خود، تا حد امکان به مدل واقعی نزدیک شوید و مجبور نباشید برای موارد اساسی نیز آزمون و خطا کنید.• فکر می‌کنید چقدر امکان پیشرفت در شبیه‌سازی‌هایتان وجود دارد؟ و چگونه می‌تواند در آینده به شما کمک کند؟ابزارهایی که ما در اختیار داریم برای ساخت هلیکوپتری که بتواند در مریخ پرواز کند کافی بود. اما شبیه‌سازی یک کار محاسباتی است و اگر قدرت محاسبه بیشتری داشته باشید مطمئناً جایی برای شبیه‌سازی بهتر وجود دارد. برای یک هلیکوپتر مریخی در آینده، می‌توانید با اتصال دقیق‌تر مدل‌های آیرودینامیکی و با کیفیت‎‌بالاتر، سازه‌ای بهتر در اختیار داشته باشید. همچنین می‌توانید این کار را سریع‌تر انجام دهید. مطمئناً پتانسیل زیادی برای بهینه‌سازی کارها وجود دارد.و در پایان، سوال اساسی این است که "نبوغ" در ادامه کار خود چه می‌کند؟ هلیکوپتر اکنون پس از گذراندن موفق سه مرحله ابتدایی، برنامه‌ پرواز بر اساس داده‌های حاصل از سه آزمایش اول را در دستور کار خود دارد. اگر جدول زمانی پروژه اجازه انجام آزمایش‌های پرواز شماره 4 و 5 را بدهد، این پروازها می‌توانند قابلیت‌های هوایی "نبوغ" را بیشتر مورد بررسی قرار دهند. در این آزمایش‌ها پرواز در ساعتی از روز که انتظار می‌رود وزش باد شدیدتر باشد و حرکت دورتر از مرزهای مشخص شده بررسی خواهد شد. همچنین این پروازها با تغییرات بیشتری در ارتفاع خواهد بود.