HỌC VIỆN ĐÀO TẠO TRỰC TUYẾN-TẬN TÂM-CHẤT LƯỢNG: Ingenuity: Chiếc drone đầu tiên khám phá Sao Hỏa, trang bị chip Qualcomm Snapdragon

Nếu mọi thứ đáp ứng điều kiện lý tưởng, ngày 30/7 tới, NASA sẽ đưa chiếc xe tự hành Perseverance lên Sao Hỏa. Sáu tháng tới, khi nhiệm vụ trị giá 2,1 tỷ USD bắt đầu vào tháng 2 năm sau, Perseverance hạ cánh xuống thung lũng Jezero, nó sẽ bắt đầu thu thập những mẫu đất trên Sao Hỏa để con người xác định xem trên hành tinh này có dấu hiệu của sự sống hàng tỷ năm về trước hay không. Những mẫu đất này sẽ được con người đưa về trái đất trong một nhiệm vụ khác diễn ra vào cuối thập kỷ. Nhưng không chỉ dừng lại ở đó, Perseverance cũng sẽ đem theo một món đồ chưa từng có trong lịch sử khám phá không gian, một chiếc drone có tên Ingenuity. Dự kiến khoảng tháng 4/2021, Ingenuity sẽ cất cánh, trở thành chiếc máy bay đầu tiên của con người trên Sao Hỏa.

Nặng chưa đầy 2kg, và dùng không ít linh kiện "dân sự"

Hiện giờ để khám phá vũ trụ, con người có hai giải pháp: Vệ tinh và xe tự hành. Vệ tinh có thể đem lại góc nhìn toàn cảnh về một hành tinh, còn những chiếc xe tự hành có thể khám phá được một phạm vi nhỏ nhưng cực kỳ chi tiết. Những nhu cầu bao quát một khu vực rộng nhưng vẫn cần tới mức độ chi tiết cao mà vệ tinh không đáp ứng được, sẽ là những gì một chiếc trực thăng nho nhỏ có thể đáp ứng. Một chiếc xe tự hành có khả năng di chuyển vài chục km trong khoảng thời gian nhiều năm trời, nhưng công nghệ drone hiện giờ và trong tương lai sẽ đủ sức làm điều tương tự chỉ trong vài ngày. Chúng có thể chụp những bức ảnh địa hình từ trên cao để giúp vẽ ra đường đi lý tưởng nhất cho xe tự hành thu thập mẫu vật.

Chiếc drone nặng 1,8 kg này nhét động cơ, camera và hệ thống liên lạc trong một chiếc hộp nhỏ kích thước 14cm, với 4 chân thăng bằng. Hai cánh quạt đồng trục dài 120cm sẽ sử dụng nguồn năng lượng 350W từ pin của thiết bị, và sẽ có cả pin mặt trời để nạp lại năng lượng sau quãng vận hành. Sau khi Perseverance đáp xuống Sao Hỏa, nó sẽ bỏ ra vài tuần kiểm tra khả năng vận hành của tất cả những hệ thống trên chiếc xe tự hành, sau đó sẽ tìm đường thoát ra khỏi Jezero để thả "hành khách" là chiếc drone Ingenuity.

Đối với Bob Balaram, kỹ sư trưởng dự án trực thăng khám phá Sao Hỏa tại NASA, đây là thời khắc ông đã trông chờ từ rất lâu rồi. Ông đã lên kế hoạch cho một chiếc máy bay trực thăng có thể khám phá các hành tinh khác từ cuối những năm 90. Ý tưởng này không mới, vì Balaram lấy cảm hứng sau khi xem một bài thuyết trình của kỹ sư Ilan Kroo tại đại học Stanford, cố gắng phát triển một chiếc drone có kích thước bằng một đồng xu để khám phá vũ trụ. Nhưng quy mô càng nhỏ, hiệu ứng không khí tác động lên thiết bị bay càng khó dự đoán, nên việc điều khiển sẽ vô cùng khó khăn. Mãi đến bây giờ, ý tưởng mới được trở thành hiện thực.

Ingenuity phải có trọng lượng thấp nhất có thể, để giảm thiểu tối đa gánh nặng đè lên hệ thống tên lửa đưa cả Perseverance lẫn Ingenuity lên bề mặt hành tinh Đỏ. Nhưng cùng lúc nó cũng phải đủ bền bỉ để chịu được tất cả những áp lực mà bầu khí quyển Sao Hỏa tác động lên trong quá trình vận hành. Cánh quạt được làm từ xốp bọc sợi carbon, quay với tốc độ cao hơn 5 lần so với cánh quạt máy bay trực thăng thông thường để đủ sức nâng cả chiếc drone lên, còn thân drone được làm từ hợp kim beryllium.

Năng lượng cấp cho chiếc drone được lưu trong 6 viên pin lithium-ion Sony, công suất 2 Ah với kết cấu giống hệt như trong smartphone của anh em, và hệ thống điều khiển bay dùng SoC Qualcomm Snapdragon. SoC này kết nối với hệ thống điều khiển bay. Bản chất thiết kế của Ingenuity khó gặp trục trặc hỏng hóc hơn nhưng lại rẻ hơn nhiều so với Perseverance. Vì chiếc drone này không đóng vai trò quá quan trọng đối với nhiệm vụ Mars 2020, nên các kỹ sư có thể thử nghiệm những linh kiện dân sự anh em đã rất quen thuộc hàng ngày trong một thiết bị chưa từng có tiền lệ.

Thử nghiệm

Sau khi thiết kế xong chiếc drone, bài toán kế tiếp là làm thế nào thử nghiệm Ingenuity một cách hiệu quả nhất. Hai chiếc drone sẽ được tạo ra, một để bay thử, chiếc còn lại để thử nghiệm môi trường, xem liệu có làm cách nào để tác động môi trường, quan trọng nhất là thời tiết vô cùng khắc nghiệt với nhiệt độ trung bình dao động từ âm 60 đến âm 19 độ C trên Sao Hỏa có khiến chiếc drone trở thành vô dụng hay không. Thêm nữa, những bài thử nghiệm mô phỏng tác động từ quá trình hạ cánh của xe Perseverance, và dùng sóng âm mô phỏng tác động rung để xem ốc vít của drone có bung ra hay không cũng đã được tiến hành.

Còn về thử nghiệm bay, NASA sử dụng một buồng chân không đường kính 7,6 mét, mô phỏng khí hậu và độ dày không khí trên Sao Hỏa. Lực hấp dẫn trên Sao Hỏa chỉ bằng 1/3 so với Trái Đất, nên khi thử nghiệm các kỹ sư phải dùng dây kéo để hỗ trợ thêm một phần lực nâng cho chiếc drone. Thật ra thì theo quy tắc vật lý, bay trực thăng trên Sao Hỏa cũng chẳng khác mấy so với trên Trái đất. Cánh quạt quay để hút khí từ phía trên, thổi xuống phía dưới, tạo ra lực nâng giúp drone cất cánh. Nhưng chi tiết tác động từ môi trường trong quá trình bay, đặc biệt là ở nơi con người chưa từng thử nghiệm ra sao mới là vấn đề.

Trong điều kiện trái đất, nghĩa là buồng chân không mở, kỹ sư của NASA nhận thấy bay rất dễ, nhưng đến khi bắt đầu khóa kín phòng bay thử và bơm khí vào để mô phỏng điều kiện môi trường Sao Hỏa, chiếc drone bắt đầu bay loạn xạ, rất khó điều khiển. Balaram cho biết: "Đó là lúc chúng tôi nhận ra có lẽ cách điều khiển nó không đơn giản như chúng tôi nghĩ."

Ngay bản thân trên trái đất, cánh quạt trực thăng luôn có khả năng lật theo chiều dọc khi quay vì chiều dài cánh quạt và nhiễu động khí xung quanh động cơ khi trực thăng hoạt động. Trên trái đất, nếu bầu không khí không đủ đặc để kìm nén tác động rung của cánh quạt, thì trực thăng bay cũng chẳng khác gì như khi thử nghiệm trong phòng chân không mô phỏng Sao Hỏa. Trên hành tinh Đỏ, không khí quá loãng, không đủ để triệt tiêu phần nào rung lắc cánh quạt. Hệ quả là cánh quạt được thiết kế lại để cứng cáp hơn, khó lật hơn lúc quay.

Đấy là đối với hai chiếc drone Ingenuity thử nghiệm, còn chiếc sẽ đưa lên Sao Hỏa chỉ được bay thử vài phút ở Trái đất vì các kỹ sư không muốn linh kiện bị bào mòn.

Đến năm 2025, NASA muốn đem một chiếc drone 4 cánh quạt tên là Dragonfly, trang bị động cơ hạt nhân để đi tìm sự sống trên Titan, mặt trăng lớn nhất quay quanh Sao Thổ. NASA muốn Dragonfly sẽ hoạt động được ít nhất 2 năm, với trần bay 3,2 km.

Theo Wired