За время своего пятилетнего пребывания на Красной планете марсоход «Кьюриосити» проделал колоссальную научную работу и совершил немало интересных научных открытий. И за все это время автономной марсианской научной лаборатории, разумеется, пришлось немало поездить по поверхности нашего планетарного соседа. Тем не менее в 2013 году, во время рутинной проверки команда управления «Кьюриосити» оказалась весьма удивлена тому факту, что все шесть колес марсохода имеют различные повреждения, в том числе и такие, как на изображении ниже.
Понимая, что будущий марсоход, который собираются отправить на Красную планету к середине 2020-х годов, могут ожидать аналогичные проблемы, команда инженеров из исследовательского центра Гленна (NASA) решила разработать новый вид колес.
Начать, пожалуй, стоит с того, что конструкция новых колес основана на более раннем прототипе Spring Tire – безвоздушных шинах, разработанных компанией Goodyear в сотрудничестве с NASA в середине 2000-х годов. Что интересно, изначальный вариант таких безвоздушных шин впервые появился еще раньше – в бородатых 70-х и опять же в результате сотрудничества Goodyear и NASA. Однако в новых шинах вместо использования пружинно-проволочной конструкции, применявшейся в оригинальных моделях, команда из NASA решила применить более прочную и гибкую конструкцию.
Луна, Марс и другие планеты Солнечной системы обладают весьма недружелюбным, суровым ландшафтом. В случае Луны основную проблему создает реголит, покрывающий практически всю поверхность спутника. Эта мелкая пыль представляет собой остаточный грунт, являющийся продуктом космического выветривания породы и способен с легкостью повредить механические части транспортного средства. На Марсе ситуацию вряд ли можно назвать проще: там большая часть поверхности покрыта не только реголитом, но еще и маленькими острыми камнями, которые с легкостью могут разрезать даже железо.
В 2013 году, спустя всего один год активности на поверхности Марса, колеса «Кьюриосити» стали показывать признаки серьезного износа. Такое положение дел заставило поволноваться ученых, которые начали сомневаться в том, что марсоход сможет завершить свою запланированную миссию. В результате это также привело и к тому, что исследовательский центр Гленна решил пересмотреть дизайн шин, разработка которых к тому моменту велась уже почти десять лет. Шины разрабатывались с перспективой возвращения к лунной программе.
Разработка новых космических шин для исследовательского центра Гленна вообще была одним из приоритетных направлений последние десять лет. В этом плане инженеры и ученые NASA несколько раз возвращались к наработкам, которые остались еще со времен эры космических миссий «Аполлон». На тот момент в рамках развития американской и советской космической программы было разработано несколько вариантов шин, предназначавшихся для использования на лунной поверхности. Центр Гленна выбрал в качестве основы три варианта.
Первый использовался в советском «Луноходе». В его восьмиколесной базе применялись металлические шины, объединяемые с осью посредством множества спиц. На внешней стороне шин имелся металлический протектор, предназначенный для обеспечения более плотного сцепления с лунным грунтом.
На рассмотрение также попали шины, применявшиеся в специальной тачке Modularized Equipment Transporter (MET), которая использовалась астронавтами для транспортировки образцов лунного грунта в одной из миссий «Аполлон». Разработка шин для нее тоже велась совместно с компанией Goodyear. Сама тачка была немоторизованной, и астронавтам приходилось прикладывать немалые физические усилия для ее перевозки. Тем не менее ее шины имели гладкую прорезиненную поверхность, что несколько упрощало ее перемещение по грунту и камням.
Третий дизайн шин, к которым решено было обратиться, применялся в так называемом Лунном автомобиле, который использовался астронавтами в рамках миссий «Аполлон-15», «Аполлон-16» и «Аполлон-17». Это пилотируемое транспортное средство использовало четыре огромных колеса с прочной внутренней рамой и протектором в виде гибкой сеточной проволочной конструкции. В середине 2000-х годов, когда NASA начало вести подготовку к возможным новым лунным миссиям (с перспективой будущих миссий на Марс), инженеры решили пересмотреть дизайн шин Лунного автомобиля, включив в них новые технологии и используя новые и более прочные материалы. В результате на свет появились те самые шины Spring Tire. Протектор безвоздушных шин состоял из множества соединенных между собой металлических колец (как в кольчуге), что делало его одновременно прочным и гибким. Такой дизайн не только позволял снизить вес, но при этом показывал высокую грузоподъемность даже в условиях передвижения по суровой поверхности.
Для проверки поведения шин Spring Tire на поверхности Марса инженеры из Исследовательского центра Гленна начали проведение испытаний на специальном полигоне, предназначенном для моделирования поверхностных условий. Несмотря на то, что в целом шины показали себя достойно во время движения по смоделированному марсианскому грунту, они столкнулись с серьезной проблемой – острые камни, по которым двигался тестовый образец, начали не только деформировать шины, но и в буквальном смысле их разрывать.
В итоге инженеры опять принялись за работу. Решением стало использование сверхупругих шин, ставших продолжением «пружинных» покрышек Spring Tire. В новых шинах используется особый сплав никелида титана, также известного как нитинол. Данный материал является лидером среди сплавов с эффектом памяти формы. Он способен полностью восстанавливаться после 10 процентной деформации. В тех же покрышках Spring Tire этот показатель составляет всего 0,3-0,5 процента.
Кроме того, преимуществом покрышек из нитинола является малый вес (у того же экспериментального прототипа он составляет всего девять килограммов), возможность регулировки уровня сцепления с любой поверхностью и высокие демпфирующие свойства. У шин с эффектом памяти также повышен и показатель гибкости, что в целом должно положительно сказаться на их долговечности.
«Во-первых, такие шины позволят проводить исследование на более разнообразных типах поверхностей. Во-вторых, так как они легче и в целом способны адаптироваться под тот или иной тип поверхности, они позволяют не зарываться в грунт, как более жесткие и тяжелые колеса, и способны справляться с более тяжелыми нагрузками. Кроме того, так как шины с эффектом памяти формы способны поглощать энергию от воздействия грунта на разных скоростях, их можно использовать на управляемых транспортных средствах, чья ожидаемая скорость будет существенно выше, чем у нынешних марсоходов», — отмечается на сайте Исследовательского центра Гленна.
Применение сверхупругих шин необязательно должно ограничиваться только космической программой. Уже сейчас среди потенциальных областей рассматриваются покрышки для легковых автомобилей и внедорожников, военной, сельскохозяйственной и авиационной техники. Разработчики уже установили экспериментальную шину на внедорожник Jeep Wrangler и испытали ее работу в реальных условиях.
Что же касается первого реального использования подобных шин, то такая возможность выдастся уже в течение ближайших лет, когда NASA отправит к поверхности Красной планеты новый марсоход. Если все пойдет по плану, то состоится это где-то в 2020 году. Новый марсоход будет призван заменить «Кьюриосити» в его миссии по поиску признаков жизни на Марсе. Помимо этого, перед ровером будет ставиться задача по сбору образцов марсианского грунта, которые планируют вернуть на Землю в рамках пилотируемой миссии, которая должна будет состояться где-то в 2030-х годах.