NASA разработало гибкую тканевую антенну георадара для миссии SkyFall, в которой три вертолёта должны исследовать приповерхностные слои Марса. В июле 2026 года прототип прошёл серию испытаний в Лаборатории приборов для исследований на месте (In-Situ Instrument Laboratory) Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Южной Калифорнии.
Одна из задач SkyFall — поиск замёрзшей воды, которая может понадобиться будущим экспедициям для получения воды, кислорода и топлива. Орбитальные аппараты способны картировать мощные залежи льда на глубине в десятки ярдов, но почти не видят верхние несколько ярдов реголита — слоя раздробленной породы и пыли. Именно эта близкая к поверхности зона наиболее доступна для астронавтов.
«Единственный способ дистанционно обнаружить лёд на небольшой глубине — лететь близко к поверхности. Двигаясь низко и медленно, вертолёт SkyFall мог бы получать радиолокационные изображения, на которых различимы тонкие слои в месте перехода сухого грунта в лёд, определять наличие льда и картировать его распространение».
Ведущий научный сотрудник JPL по георадару SkyFall Адриан Танг (Adrian Tang)
Антенна, рассчитанная на посадки
Георадар SkyFall будет работать в сверхшироком диапазоне от 500 до 2500 МГц. Ему соответствуют длины волн примерно от 60 до 12 см (от 24 до 5 дюймов). Более длинные волны способны проникать на несколько ярдов под поверхность, а более короткие дают более подробные данные о верхних слоях и текстуре поверхности.
Обычной антенне для этого участка спектра потребовалась бы длина 48,3 см (19 дюймов) и свободный обзор грунта. Между поверхностью Марса и нижней частью фюзеляжа вертолёта остаётся всего около 15,2 см (6 дюймов), поэтому жёсткая конструкция мешала бы посадке или повреждалась при ударе.
Команда остановилась на антенне Вивальди: она передаёт и принимает сигналы в широком непрерывном диапазоне частот, а её плоскую лёгкую структуру можно вырезать из гибкой металлизированной ткани. Изобретатель антенны Питер Гибсон назвал её в честь Антонио Вивальди, поскольку изгибы проводящей структуры напомнили ему очертания скрипки.
Стандартная антенна Вивальди всё ещё была слишком велика для дорожного просвета SkyFall. Её удалось дополнительно уменьшить, поскольку георадар рассчитан на зондирование глубин менее 5 м (16 футов) в сухом марсианском реголите, который ослабляет радиоволны заметно меньше земного грунта. По данным команды, миниатюризация не привела к потере чувствительности.
«Хотя нам удалось заметно уменьшить антенну, она примерно в полтора раза длиннее опор вертолёта. Поэтому при посадке антенна Вивальди должна отогнуться в сторону, а при попадании на камень — согнуться ещё сильнее. После взлёта она должна вернуться в исходное положение для сбора данных. Поскольку SkyFall, как ожидается, совершит десятки полётов над Марсом, нам требовалась антенна, способная многократно выдерживать такие нагрузки и не терять форму в полёте».
Ведущий инженер-механик георадара SkyFall в JPL Кристин Гебара (Christine Gebara)
Уменьшенную антенну покрыли полиэстером, а затем несколькими слоями Vectran — гибкого высокопрочного материала, который применялся в посадочных надувных подушках марсоходов NASA Spirit и Opportunity. Для сохранения формы в полёте инженеры добавили гибкие стеклопластиковые ленточные пружины и лёгкое магниевое крепление. Вся конструкция весит около 150 г (5 унций), немного больше двух скрипичных смычков.
Проверка ресурса антенны Вивальди
Прототип должен был выдержать температурные перепады и воздействие космической радиации в течение всей миссии. В Лаборатории экологических испытаний JPL инженеры согнули антенну, имитируя одно из возможных положений после посадки на Марсе, а затем подвергли её температурным циклам, соответствующим марсианской смене дня и ночи. Перепад температуры при этом может достигать 94 °C (170 °F).
После температурных испытаний антенну многократно сгибали, воспроизводя десятки посадок. Шесть раз программу прерывали, чтобы перенести конструкцию в электромагнитную испытательную камеру и проверить, не ухудшились ли передача и приём радиолокационных сигналов.
Во время радиочастотных измерений антенну перевернули нижней частью вверх. Такая ориентация нагружает конструкцию сильнее, чем марсианская гравитация, составляющая примерно треть земной. К концу программы прототип выдержал имитацию 200 посадок — более чем вдвое больше числа, необходимого для успешной основной миссии, — без ухудшения характеристик.
«Испытание выполнило все поставленные задачи и дало ответы на главные технические вопросы. До полной лётной квалификации антенны ещё предстоит работа, но это был важный этап, и оборудование сработало именно так, как ожидалось».
Адриан Танг
Теперь команда георадара собирает инженерный образец. Ему предстоят вибрационные испытания, развёртывание в имитируемых марсианских условиях, проверка сигналов и полевые испытания на площадке Mars Yard в JPL.
Каждый из трёх аппаратов SkyFall должен получить по четыре научных прибора. Проект развивает опыт вертолёта NASA Ingenuity, который совершил 72 полёта почти за три года, подтвердил возможность управляемого полёта с двигателем в разреженной атмосфере Марса и помогал команде марсохода Perseverance выбирать маршруты и места для научных исследований.