Научно-популярное От буров, вгрызающихся в Марс, до искусственного интеллекта для работы в кратере — технологии, родившиеся в недрах земных шахт, становятся основой для освоения планет. У руля — Австралия, лидер мировой горнодобычи: в 2019 году здесь был создан альянс AROSE (Australian Remote Operations for Space and on Earth), куда вошли Rio Tinto, Woodside, Fugro, Curtin University и Австралийское космическое агентство. Цель — применить опыт эксплуатации карьерной техники в будущих миссиях на Луну и Марс. Да, если раньше горняки вдохновлялись автономией марсианских роботов, то теперь все наоборот: интеллектуальные разработки, использующиеся в горнодобыче, охотно заимствует космическая индустрия. В этом тексте — немного истории отношений двух отраслей и современной реальности. На первый взгляд, между шахтой и космосом — пропасть. Но инженеры и геофизики космической отрасли знают: у обеих сфер схожие вызовы. И там, и там техника работает вдали от человека, в агрессивной среде, в пыли, с ограниченным энергопитанием и высокими требованиями к автономности. Разница лишь в том, что в одном случае вокруг жар карьера, а в другом — холод инопланетного кратера. Привет, от потомков, у нас тут в будущем все немного проще, но вы не расстраивайтесь… Все началось с обуви Первые мосты между космосом и тяжелой техникой тестировались не буром и не автономным экскаватором, а колесом. В 1960-х NASA и Goodyear, крупнейший производитель шин для карьерных самосвалов и строительной техники, совместно создавали колеса для лунного ровера Apollo LRV. Goodyear выпускала OTR- (off-the-road) шины для карьеров: массивные, с усиленными каркасами и стойкостью к абразивам, а также разрабатывала безвоздушные образцы. Когда NASA обратилось к компании, инженеры просто перенесли свои наработки в космос: отказались от воздуха, а полимеры заменили на гибкие металлы, перераспределив нагрузки по сетчатой структуре. Реплика легенды Почему обычные шины на Луне не годились? Во-первых, на Луне нет атмосферы и нет давления — значит, пневматика бесполезна. Воздух вырвало бы из покрышки при первом микропроколе. Во-вторых, температурные перепады от −170 °C до +120 °C разрушали бы любые полимеры, а колючая остроугольная пыль реголита работала как наждак. Исходя из этого, инженеры NASA и Goodyear создали стандарт для большинства будущих роверов: алюминиевый обод, плетеная стальная сетка сверху и ребра-протекторы из титана. Spring tire В начале 2000-х NASA и Goodyear развили свою идею, разработав spring tire — металлическое колесо из сотен витых пружин. Оно гнется, не теряя формы, выдерживает удары и температурные циклы, не нуждается в воздухе и не боится пробоев. Toyota Lunar Cruiser Позднее в игру вступила японская Bridgestone, выпускающая шины для тяжелых карьерных самосвалов Komatsu и Hitachi. Для Toyota Lunar Cruiser от JAXA (Японское космическое агентство) создаются спицевые безвоздушные шины — гибкая структура с тонкими спицами и сегментированным протектором сохраняет форму при температурах от −170 °C до +120 °C. Используются алюминиево-стальные эластичные сплавы, устойчивые к перепадам температуры и вакууму. Запуск ровера ожидается в 2029–2031 годах. Ну, а что с марсоходами? Когда Curiosity в 2012 году отправился на Марс, инженеры NASA искали баланс между легкостью и прочностью. Колеса были выточены из единого блока алюминия, диаметром 50 см и шириной 40 см. Наружная оболочка (skin) имела толщину всего 0,75 мм — достаточно, чтобы снизить массу, но недостаточно для каменистой поверхности. Шевронные ребра («гроузеры») служили жесткими грунтозацепами, а лазерная сварка соединяла с ними обод, обеспечивая жесткость и прочность. Уже после первых километров пути на снимках появились разрывы и вмятины: острые марсианские камни быстро «пережевывали» тонкий алюминий. Повреждения Curiosity Для Perseverance (на Марсе c 2021-го) инженеры переработали конструкцию. Колеса сохранили алюминиевую основу, но толщина оболочки увеличилась почти на 1 мм, диаметр вырос до 52,5 см, а вместо 24 прямых шевронов появилось 48 изогнутых гроузеров — так давление распределялось равномернее, уменьшая риск пробоя. Кроме того, в новой версии добавились титановые спицы (flexures) — эластичные элементы, которые гасят ударную нагрузку и усталостные деформации, сохраняя форму при колебаниях температуры. Проткнуть Марс После того как NASA и Goodyear решили проблему передвижения, можно было заняться грунтом. Еще в 1990-е в лабораториях Jet Propulsion Laboratory (JPL) начались первые эксперименты с миниатюрными буровыми установками. Исследователи пытались адаптировать геотехнические и горные технологии, чтобы получить неповрежденные образцы марсианской породы. Проблема оказалась сложнее, чем ожидалось. Марсианский грунт представляет собой цементированный базальтовый реголит — твердый, но хрупкий, как «космический бетон». Зерна пыли и песка связаны окислами железа, серы и магния. Такая порода не пластична, как глина, и не сыпуча, как песок, — при бурении она крошится, а не режется. Классические вращательные буры, использовавшиеся в земной геологии, здесь не справлялись: коронка быстро тупилась, возникало сильное трение, а керн — тонкий цилиндр выбуренной породы — разрушался еще до извлечения. Чтобы решить эту задачу, NASA потребовался новый тип инструмента. В конце десятилетия к проекту подключилась Honeybee Robotics — инженерная компания из Нью-Йорка, выросшая из бюро, занимавшихся геотехническим и горным бурением. Именно она предложила применить в космосе принцип ударно-вращательного бурения, уже хорошо известный в горнодобывающей промышленности. Суть технологии — сочетание вращения и частых слабых ударов вдоль оси бура. При этом порода дробится на микроуровне, и коронка врезается в нее без избыточного давления. Такой подход позволяет проходить твердые и капризные материалы вроде базальта или конгломератов. Honeybee Robotics адаптировала промышленные решения под космос: редукторы снижали скорость вращения и увеличивали крутящий момент, чтобы бур не заклинивало; перкуссионный узел создавал серию микровибраций, раскалывавших породу и уменьшавших нагрузку на режущие элементы; виброгасители защищали механизм от отдачи и усталости металла в условиях низкой гравитации. NASA сертифицировало эту механику для космического применения: смазки заменили на сухие, сплавы — на термостойкие и антифрикционные, а всю систему адаптировали к вакууму. Так принципы глубокого шахтного бурения впервые были выведены на межпланетный уровень. Совместно с NASA компания создала rotary-percussive corer — миниатюрный ударно-вращательный бур — для марсохода Perseverance. Закрепленная на его манипуляторе установка отбирает керны породы для будущей программы Mars Sample Return (планируется на 2030-е годы). В условиях слабой гравитации и задержки связи она работает автономно: эвристики оценивают сопротивление породы, дозируют усилие, гасят вибрации и герметизируют образцы. Rotary-percussive corer для Perseverance Позже технологии Honeybee вернулись обратно на Землю, и теперь применяются здесь. Компания выпустила серию Planetary Deep Drill/Auto-Gopher — автономных буров, созданных на базе марсианских прототипов и применяемых для исследований льда и горных пород в Антарктике и пустынях. Если на Марсе бурили, то на Луне будут копать Пока Perseverance ввинчивался в каменистый грунт Красной планеты с исследовательскими целями, инженеры NASA и Cat прощупывали амбициозную задачу — создание автономных лунных баз. Луна требовала не буров, а экскаваторов: для строительства, добычи кислорода из реголита и создания укрытий от радиации. Так родилась идея ISRU — In-Situ Resource Utilization, то есть использования ресурсов на месте. Концепция ISRU должна позволить извлекать кислород и воду прямо из лунного реголита, плавить его в строительный материал и формировать защитные купола без участия людей. Но чтобы добывать ресурсы, нужно особое оборудование. В 2007 году NASA заключило соглашение о сотрудничестве с компанией Caterpillar. На полигонах Peoria Proving Ground (Иллинойс) и Johnson Space Center (Хьюстон) инженеры тестировали дистанционно управляемый Cat 287C Multi-Terrain Loader — гусеничный погрузчик, адаптированный для автономной работы. Испытания проходили на симуляторах лунного реголита — смеси кварцевого песка и пемзы, имитирующей пыльную и сыпучую структуру поверхности Луны. Cat 287C Multi-Terrain Loader Испытания быстро выявили ключевые технические барьеры, которые невозможно было решить простым переносом земных технологий: Приводы и гидравлика. В вакууме гидравлические жидкости закипают и теряют вязкость, а резиновые уплотнения дубеют. NASA и Caterpillar начали искать сухие или полностью электрические приводы, устойчивые к перепадам температур. Система восприятия. Камеры и лидары, рассчитанные на земное освещение, «слепли» от бликов лунного реголита и глубоких теней. Пришлось разрабатывать новые оптические фильтры и алгоритмы коррекции изображения. Стабилизация. Ковш и шасси требовали калибровки на рыхлом грунте и при сниженной гравитации. Управление с задержкой сигнала. Между Землей и Луной сигнал идет более секунды в каждую сторону — слишком медленно для ручного управления ковшом. Требовались алгоритмы ограниченной автономии, когда машина сама оценивает сопротивление грунта и дозирует усилие. Момент, когда земные карьерные разработки в области автономии начнут определять космические (а не наоборот), становился все ближе. А пока из экспериментов выросло новое направление NASA. В 2012 году агентство создало лабораторию Swamp Works (Космический центр Кеннеди) — подразделение, специализирующееся на роботизированных системах для ISRU. Команда объединила опыт инженеров центра и Caterpillar, чтобы спроектировать ISRU Pilot Excavator (IPEx) — электрическую автономную машину, способную копать реголит и работать в вакууме. Эти наработки легли в основу программы исследования Луны «Артемида» (подготовка «площадки» для людей запланирована на 2030-е), где автономная переработка реголита станет обязательным элементом инфраструктуры. Барабанная дробь — СПОЙЛЕР Помимо Caterpillar, в большой лунной симуляции участвовала и компания Lockheed Martin — со своим подходом к добыче реголита. Компания адаптировала принцип барабанного экскаватора, известного по крупным карьерным машинам, к условиям слабой гравитации. В 2008 году на склонах вулкана Маунa-Кеа (Гавайи) инженеры Lockheed Martin и NASA испытали прототип с двумя контрвращающимися барабанами, которые снимали грунт слой за слоем и компенсировали инерцию друг друга. Так родилась концепция zero-reaction-force — экскаватора, который не подпрыгивает при копании. Позже это решение легло в основу проекта NASA RASSOR — компактного автономного «лунохода-экскаватора» для нужд будущих лунных баз: Марсоходы на земле К середине 2000-х инженеры горнодобывающих компаний начали внимательно следить за миссиями NASA. Роверы Spirit и Opportunity (2004) первыми доказали, что автономная техника может работать в условиях, которые почти полностью совпадают с карьерными: задержка сигнала между оператором и машиной; отсутствие постоянной связи; непредсказуемый рельеф; ограниченная энергия и жесткие требования к безопасности. Автономная навигация Autonav, основанная на визуальном анализе и эвристическом планировании, позволяла роверам самостоятельно оценивать местность, строить карту препятствий и принимать решения без постоянного контроля с Земли. В отчетах лаборатории Jet Propulsion Laboratory тех лет прямо указывалось: «Drive, sense, think — the rover’s minimal autonomy stack». Именно эта формула — «ехать, воспринимать, думать» — и легла в основу логики автономных карьерных машин. Краткий трек автономизации марсоходов Sojourner (1997 год) стал первым аппаратом, в котором была применена система Hazard Avoidance — простейшая форма «компьютерного зрения» с обработкой стереопары. Spirit и Opportunity (2004 год) научились строить трехмерные карты рельефа в реальном времени и прокладывать безопасный маршрут до 10 м вперед без участия человека. Curiosity (2012 год) получил Visual Odometry — сравнение последовательных изображений для определения собственного смещения — и обновленную версию Autonav. Perseverance (2021 год) добавил Vision Compute Element (VCE) — отдельный процессор, выполняющий визуальную навигацию и принятие решений в полностью автономном режиме. В 2008 году на другом конце планеты, в Западной Австралии, Rio Tinto запустила программу Mine of the Future. В ней карьерные самосвалы Cat 793F и Komatsu 930E впервые получили AHS-модуль (Autonomous Haulage System): лидары и стереокамеры для сканирования рельефа; навигацию GPS RTK с точностью до сантиметров; внутренний модуль Path Planner, напоминающий структуру NASA Autonav. Самосвалы обменивались данными через промышленную mesh-сеть (предшественницу современных LTE-кластеров) и выполняли маршрутизацию локально. Ничего необычного, просто беспилотник Rio Tinto Позже к проекту подключились BHP, Fortescue Metals и Caterpillar — на их полигонах появились десятки полностью автономных машин. В техническом плане эти системы уже повторяли архитектуру марсоходов: Perception Layer (лидар, камера, радар); Localization (RTK + IMU + Visual Odometry); Decision & Planning (нейросети или эвристический планировщик); Actuation (электронное рулевое, тормозное и трансмиссионное управление). Автономный тяжеловесный поезд Rio Tinto К началу 2020-х технологическая асимметрия исчезла. Теперь AHS-платформы горняков не просто догнали, а частично обогнали космические роверы по уровню автономии. Компонент Source: https://habr.com/ru/amp/publications/971360/