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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 

Испытания быстро выявили ключевые технические барьеры, которые невозможно было решить простым переносом земных технологий:

1. 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.

2. 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.

3. Стабилизация. Ковш и шасси требовали калибровки на рыхлом грунте и при сниженной гравитации. 

4. 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.

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).

К началу 2020-х технологическая асимметрия исчезла. Теперь AHS-платформы горняков не просто догнали, а частично обогнали космические роверы по уровню автономии.

Технологии потекли в обратном направлении: теперь уже в NASA стали присматриваться к архитектуре карьерных систем, изучать fleet autonomy — роевую координацию автономных самосвалов. К этому времени у Rio Tinto были сотни автономных машин, координируемых алгоритмами dynamic fleet control, а у NASA — все та же пара роверов да сырые прототипы лунных экскаваторов. Для обмена опытом надо было организовываться.

Альянс AROSE

К 2020-м годам Австралия уже стала крупнейшим полигоном автономной горнодобычи с тысячами машин. В Пилбаре самосвалы, бульдозеры и даже железнодорожные составы работали без водителей — операторы управляли ими из центра в Перте, за полторы тысячи километров от рудников. Эта инфраструктура — по сути, готовая модель будущих внеземных баз: техника действует в сложной среде, при задержках сигнала, с ограниченным энергопитанием и без присутствия человека.

А потому именно в Австралии в 2019 году появилась организация AROSE (Australian Remote Operations for Space and on Earth). В нее вошли Rio Tinto, Woodside, Fugro, Curtin University и Австралийское космическое агентство (ASA). Идея проста — перенять архитектуры, необходимые ISRU на Луне, у земных карьерных машин.

У исследователей уже были в распоряжении ключевые компоненты автономной экосистемы:

Системы управления и координации

• AHS (Autonomous Haulage System) — программно-аппаратный комплекс, управляющий движением карьерных самосвалов: маршрутизация, предотвращение коллизий, взаимодействие с экскаваторами и контроль разгрузки.

• AutoHaul (Rio Tinto) — первый в мире полностью автономный железнодорожный комплекс: поезда длиной до 2,5 км перевозят до 25 000 тонн руды без машиниста, под контролем из центра в Перте.

Аппаратная база и транспорт

• BEV-самосвалы (BHP × Rio Tinto) — электрические карьерные машины CAT 793 BEV и Komatsu 930E BEV с интеллектуальным энергоменеджментом и автоматической подзарядкой.

Принцип лунной добычи — тот же, что и в карьере: копай → вези → разгрузи → вернись. И этот принцип требует не столько больших вычислительных мощностей, сколько грамотной архитектуры процессов. Поэтому опыт AHS и AutoHaul идеально лег на концепцию ISRU. Разница лишь в декорациях: вместо диспетчера в Перте — орбитальная станция, а вместо рудника — кратер Шеклтон.

Сейчас AROSE разрабатывает прототипы удаленных операционных центров нового поколения — систем, способных управлять лунными или марсианскими роботами по тем же принципам, что сегодня руководят флотами самосвалов Rio Tinto. То есть:

• автономность при задержках связи;

• приоритет безопасности и самоконтроль машины;

• возможность перехода управления между Землей и орбитой.

Канадская подземка

Тем временем Канада, еще одна активная в сфере горнодобычи страна, стала испытательным центром для другого типа миссий — подповерхностных. В подземных галереях NORCAT Underground Centre (Садбери, Онтарио) совместно работают горные компании и Канадское космическое агентство (CSA). Здесь, в глубине бывших шахт, имитируются условия, в которых бесполезны спутники, не работает GPS, а освещение ограничено отраженным светом прожекторов. То есть аналогичные тем, что ожидают будущие миссии в лавовых трубах Луны (Lunar Lava Tubes Exploration) и пещерах Марса (Mars Subsurface Access), где предполагается добыча ресурсов и строительство защищенных баз. 

Главный объект испытаний — платформа Juno, потомок подземных машин класса LHD (load–haul–dump). Эти малогабаритные погрузчики выполняют три цикла — захват (load), транспортировка (haul) и отвал (dump) — полностью автономно, ориентируясь в тоннелях шириной всего 3–4 м.

Чтобы работать там, где теряется сигнал, Juno использует свой стек навигации:

• Inertial Navigation + LiDAR SLAM — вместо GPS позиция определяется по слиянию данных лидара, инерциальных датчиков (IMU) и 3D-карт, построенных в реальном времени (Simultaneous Localization and Mapping).

• Active lighting system — система адаптивной подсветки с модулированным ИК-светом помогает не «слепнуть» от пыли и бликов металла.

• Structured-light Vision — камеры с узорным лазерным проекционным рисунком, чтобы видеть глубину даже в полной темноте.

• V2X-связь через ретрансляторы — коротковолновая mesh-сеть, которая поддерживает связь между машинами и «поверхностью» через ретрансляционные узлы в шахте.

В отличие от карьерных AHS-платформ Rio Tinto, где машины движутся по известным маршрутам с постоянной связью, подземные Juno работают почти вслепую. Это особенно сближает их с роверами: на первый план выходят SLAM-картирование, избегание препятствий, принятие решений по локальному рельефу и приоритет безопасности над скоростью.

Компания Ontario Drive & Gear Ltd. (ODG) получила от CSA контракт на разработку семейства прототипов Juno, Artemis Sr и Artemis Jr, предназначенных для тестирования подповерхностных миссий. А в 2013 году на основе этих решений появился коммерческий вездеход ARGO J5, способный работать в шахтах после взрывов, при нулевой видимости и в зонах, опасных для человека.

А что в России?

Системного альянса вроде австралийского консорциума AROSE, где в одном контуре работают горнодобывающие компании, университеты и космическое агентство, в России пока нет, но есть отдельные проекты, временные партнерства: разработки на стыке горного дела и космоса идут. 

В 2023 году доцент СибГИУ (Новокузнецк) Виктор Корнеев запатентовал буровзрывную технологию для Луны и Марса: тротиловые шашки в специальной термостойкой оболочке и буровая установка по мотивам станций «Луна-16» и «Луна-20» для проходки выработок к лавовым трубкам, где можно размещать базы. В Институте геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН на аналоге лунного реголита VI-T из пепла вулкана Толбачик отрабатывают лазерное спекание и 3D-печать небольших деталей. В НИТУ «МИСиС» в рамках проектов по космическому горному делу прорабатывают концепт лунного робота для добычи реголита и извлечения из него воды.

Что касается автономной техники, группа «Цифра» и БЕЛАЗ уже несколько лет тестируют и эксплуатируют на российских разрезах СУЭК в Хакасии роботизированные карьерные самосвалы — по сути тот же класс систем автономной грузоперевозки (AHS), что и у крупных австралийских операторов. 

Компетенции есть, осталось собрать их под одной крышей.

Что дальше

Адаптация горных технологий к суровым условиям других небесных тел набирает силу, и, если все пойдет хорошо, то в ближайшие годы на полигоне Swamp Works появятся прототипы автономных экскаваторов, использующих алгоритмы и сенсоры, испытанные в карьерах Rio Tinto и BHP. А если все пойдет еще лучше — именно такие машины станут основой наших первых баз на Луне, только вместо руды они будут добывать реголит, чтобы далее получить из него кислород, а за ними — воду и топливо для нужд будущих колонистов.

Если бы Жюль Верн писал «Путешествие к центру Луны», первопроходцами, возможно, стали бы не люди с факелами, а автономные роботы-разведчики Juno.