創意工夫との出会い: 火星を飛ぶように設計されたハイテク ヘリコプター

NASAが今週火星への探査機パーサヴィアランスを打ち上げるとき、探査車の隣にはコンパニオンが乗せられることになる。 アトラス V ロケットのノーズコーン: インジェニュイティと呼ばれるヘリコプター。このヘリコプターは、他のロケットで飛行する初の回転翼航空機となる予定です。 惑星。 この実験用小型ヘリコプターは、上空から火星を調査するため、火星探査のまったく新しい分野を切り開く可能性があります。

しかし、何億マイルも離れた惑星の周りを操縦する地上車両を設計するのが難しいと思うなら、試してみることを想像してみてください。 氷点下の気温の中で、ほとんど存在しないほど薄い大気中を航行しながら飛行できるヘリコプターを設計すること 自主的に。

私たちは、NASA のジェット推進研究所の Ingenuity プロジェクトの主任エンジニアと上級科学者に話を聞き、どのようにプロジェクトを行ったのか、そして火星探査の将来はどのようなものになるのかを聞きました。

前例のない挑戦

別の惑星で飛行できるヘリコプターの構築には多くの課題が伴いますが、最も差し迫った問題は、大気が非常に薄いときに物体を空中に留めておく方法です。 火星の大気の密度は地球の大気の約 1% にすぎません。これは高度 100,000 フィートに相当します。 それが飛行をいかに困難にするかを示すために、地球上でのヘリコプター飛行の高度記録は 40,000 フィート強です。

ヘリコプターは、回転ブレードを使用して空気を高速で移動させ、空気を下方に押し下げて揚力を生み出します。 しかし火星では、空気が薄いため、ブレードで動かしたとしても揚力はほとんどありません。 設計者たちは火星の重力が低く、火星の重力の 3 分の 1 強であるという事実からある程度の助けを得ましたが、 地球には、薄い大気だけで自立できる宇宙船を作るという重大な問題がまだ残っていました。 と。

「その問題の解決策は低質量です」と、インジェニュイティ社の機械エンジニアリング責任者のジョシュ・ラヴィッチ氏はデジタル・トレンドに語った。 質量を低く抑えるというミッション全体の中で最も困難な課題です。」 ヘリコプター全体の重量は 4 ポンド (1.8 ポンド) 以下である必要がありました。 厳選された素材を使用する必要があり、メインシャーシは 14cm (5.5 インチ) の立方体と非常に小さいです。 サイズ的には。

そして、重量の問題は、航空機の他の側面にも制限を課します。 車両を動かすためにバッテリーの形で運ぶことができる電力と、ブレードをどれだけ大きくできるかです」とラヴィッチ氏は述べた。 言った。 車両上部のソーラーパネルを使用して電力を収集し、自律的に充電できるようにするため、バッテリーが必要です。

ヘリコプターのブレードは、車両が飛行するのに十分な揚力を提供するために、大きくする必要があります。翼幅は 4 フィート (1.2 メートル) 弱です。 十分な大きさと軽さを兼ね備えたブレードを作るために、チームはカーボンファイバーに似た複合材料を含む新しい素材を使用しました。 合計 4 つのブレードが 2 つのローターに配置されており、各ローターは最大 2,400 rpm で回転します。これは、地球上のヘリコプターのブレードの一般的な速度である約 500 rpm よりもはるかに高速です。

寒さの問題

材料の革新が必要なもう 1 つの問題は、夜間には華氏マイナス 100 度まで低下する可能性がある表面温度の問題でした。 それほど寒いと、電子システムが確実に動作せず、車両は暖かさを保つために貴重な電力を使用する必要があります。 そこで、Ingenuity チームは、車両の繊細な電子コンポーネントの周囲に薄い絶縁層を使用する解決策を考え出しました。

「通常は、厚い断熱材をたくさん入れることでこの問題を解決しますが、断熱材は非常に重いです」とラヴィッチ氏は言います。 「そこで、私たちは最終的に大気そのものの一部を使用することになりました。アヒルやガチョウが羽毛の下に断熱材の層を持っているのと同じように、火星の大気からのガスを使用します。 薄い保温ブランケットを十分に使用すれば、多少の断熱効果は得られます。」

寒さによって引き起こされる最後の複雑な問題は、減衰材料が低温にどのように反応するかという問題です。 「地球上のほとんどのヘリコプタには、ヘリコプタの中心ハブにかかる重量を持ち上げる物理的な弾性ダンパーが装備されています」と彼は言いました。 これらのダンパーは、非常に高速で回転するブレードによって引き起こされるかなりの振動を吸収します。 「しかし、それらは火星の温度ではうまく機能しないため、より剛性の高いシステムとして機能するように多くの設計を行う必要がありました。」

自律型探検家

ここと火星の間には数分の通信遅れがあるため、地球からヘリコプターを直接飛行させることはできません。 代わりに、Ingenuity はほぼ自律型となり、センサーを使用して周囲の環境を検出し、それに応じて移動します。

このタスクでは、ナビゲーション カメラ、レーザー高度計、慣性計測ユニット (IMU) と呼ばれる加速度計ジャイロスコープ パッケージなどの搭載機器を使用します。 これらのツールを使用して、宇宙船はどこに向かっているのか、地面からどのくらい離れているのかを把握できます。 進路上にある潜在的な障害物を回避するために、危険を検出することもできます。

これは、ラヴィッチ氏が説明したように、地上の技術者が航空機に飛行計画を与え、インジェニュイティがそれを実行できることを意味します。次のように説明しました。 飛行計画、基本的には飛行経路を入力し、「これだけブレードを回転させて、ここまで飛んで、向きを変えて、ここまで飛んで」…そして、Ingenuity がそのシーケンスを実行します。 自体。"

ヘリコプターは探査機との通信範囲内 (約 1 km) 内に留まる必要があり、直接見通し線があることが理想的です。 しかし、それを超えて、インジェニュイティは独立して動作し、探査機からのサポートなしで充電、離陸、着陸することができます。 計画では、ヘリコプターが一度に 1 つの課題に取り組み、地球上でどれだけ操縦できるかを確認する予定です。

「私たちはますます複雑になる一連のミッションを飛行することになります」とラビッチ氏は語った。 「名目上、ミッションは 1 ～ 3 回のフライトですが、状況によっては最大 5 回のフライトになる可能性があります。各フライトはもう少し複雑になります。 1つ目は、立ち上がり、ホバリングし、着陸します。 2 つ目は、起き上がり、向きを変え、少し移動してから戻って着地するかもしれません。 終わりに向かって、物事がうまくいっていれば、彼らは立ち上がり、そこへ飛び立ち、新しい着陸地点を見つけて、そこを次の作戦基地として維持することを決定するかもしれません。」

コンセプトを証明する

インジェニュイティは科学ミッションを目的としていないため、科学データを収集することはないが、専門家は収集したデータの一部を活用できることを期待している。 このミッションの目的は、別の惑星で回転翼航空機を飛行させることが技術的に実現可能であることを実証し、将来の火星ヘリコプターの設計に役立つエンジニアリングデータを収集することです。

これは、地表上の正確な位置に操縦する必要がないため、船の移動方法にある程度の柔軟性があることを意味します。 この探査機はパーサヴィアランス探査車から数百ヤード以内に留まる可能性が高く、それを基準に位置を決めることができる。 「ある程度、私たちが飛行中にどれだけ正確であるかはそれほど重要ではないと思います。ヘリコプターは自分がどこにいると考えているかを正確に知っています」とラビッチ氏は語った。 「より高いレベルから見ると、安全に着陸する限り、着陸時にこちらに 10 フィートであろうが、あちらに 10 フィートであろうが、それほど問題ではありません。」

空からの支援

Ingenuity のコンセプトが実際に期待どおりに機能すれば、ヘリコプターは計り知れない価値を提供する可能性があります。 将来の探査機ミッションを支援し、地表の画像を撮影し、探査をより迅速かつ迅速に行う 正確な。

マット・ゴロンベック氏は火星科学ミッションの退役軍人で、火星への着陸地点の選択を専門とし、主任研究員を務めた。 火星ヘリコプタの最初の提案について、ヘリコプタが将来の探査にどのように役立つかをデジタルトレンドに説明しました オペレーション。

解像度のギャップを埋める

将来のヘリコプターミッションで実行できる最も価値のあるタスクの 1 つは、火星表面画像のいわゆる「解像度ギャップ」を埋めるために高解像度の写真を撮影することです。 これは、「軌道上から得られる最高解像度の画像間の差を指します。これらの画像は、ピクセルあたり約 25 センチメートル (約 10 インチ) であり、 ハイライズ画像これに対して、これまでの探査機ミッションでは地上で見ることができましたが、解像度は 1 ピクセルあたり 3 センチメートルに近かったのです」とゴロンベク氏は語った。 「それはおよそ一桁の大きさです。」

HiRISE 機器を使用して撮影された惑星表面の高解像度画像は、軌道上から撮影されたものであることを考えると信じられないほど詳細です。 露頭などの土地の構造的特徴を示したり、探査機が調査できる特定の岩石などの科学的関心のある領域を特定したりできるほど詳細ではありません。 訪問。 そのため、探査機は着陸した地域の周囲を探索して、調査する科学的に興味深い岩やその他の特徴を見つける必要があります。

ヘリコプターは探査機ミッションの偵察機として使用でき、軌道上から撮影できる画像よりも詳細な画像を撮影できます。 これらの画像は、特定の科学的関心のある領域を特定するのに使用できるため、研究チームは探査機を研究の最も価値のあるターゲットに直接送ることができます。

ローバーのカバーエリアの拡大

火星探査機のミッションについてあまり気づいていないかもしれないことの 1 つは、各探査車がカバーするエリアがいかに狭いかということです。探査車が活動できる電力には限りがあり、探査機のあらゆる動作は慎重に計画する必要があるためです。 たとえば、パーサヴィアランスは、主な任務で 3 ～ 12 マイル (5 ～ 20 キロメートル) をカバーします。 そして、地球上で最も長距離を移動できる探査機オポチュニティは、14 年間の寿命で信じられないほどの 28 マイル (45 キロメートル) を走行しました。 遠方の惑星を探査する探査機にとってこれは印象的なことですが、これらの距離は火星の総表面積のほんの一部にすぎません。

たとえば、探査機が 1 キロ移動するのに数週間かかる場合があります。 一方、インジェニュイティはわずか 90 秒で最大 1 キロメートルを移動できますが、チームは最初のミッションでヘリコプターをそれほど高速で走行させる予定はありません。 しかし、将来のヘリコプターは地球のさらに広い範囲を探索できるようになり、ヘリコプターが撮影した画像は、探査機の発見をより広範な文脈に組み込むために非常に貴重になるでしょう。 このような画像は、科学者が地球全体の地質を理解し、探査機によって調査された地域がより大きな火星の環境を代表しているかどうかを知るのに役立ちます。

ヘリコプターはまた、探査機が地表の周りを移動するのにかかる時間を大幅に短縮することで、調査範囲を拡大するのに役立つ可能性がある。 現在、探査機の走行ルートは利用可能な最高解像度の画像を使用して決定されていますが、 これらの画像は必ずしも障害物や危険を示しているわけではないため、ドライバーはゆっくりと運転する必要があります。 気をつけて。

「通常、探査車が 1 日に移動できる距離は 60 ～ 100 メートルです」とゴロンベク氏は述べています。 「しかし、この高解像度の情報があれば、安全なドライブがどこにあるのかが具体的にわかるでしょう」 道を簡単に 2 倍、3 倍にできるので、より早く目的地に到着できます。」

着陸地点を見つける

ただし、探査車が探索するには、まず着陸する必要があります。 また、着陸地点を選択するプロセスでも航空支援の恩恵を受ける可能性がある。

「着陸地点の選択は、設計し製作した宇宙船を着陸させるのに地表がどの程度安全であるかを特徴付けることを組み合わせたものです。 着陸船は、突き刺されたりひっくり返ったりする可能性のある大きな岩が下にあることを好みません。急な斜面は一般に良いことではありません。 落ち込んでしまうような非常にふわふわした領域は悪い選択です。つまり、エンジニアリング上の制約と呼ばれるものがすべて存在します。」 ゴロンベク氏は語った。

これらの工学的制約は、火星の大気の薄さによっても複雑になります。これにより、着陸時に車両がパラシュートを使用して速度を落とすことが難しくなります。 そのため、チームは車両が安全に着陸できるように、着陸場所の高さも考慮する必要があります。

「そして、科学の目標があり、それはあなたが運んでいる積載量と、 ミッションの科学目標、つまり火星について学び、知りたいことです」と彼は言った。 の上。 「そして、安全であり、その特定のミッションにとって科学的にも興味深い（着陸する）場所を見つけるには、それらすべてを総合的に比較検討する必要があります。」

ゴロンベク氏のような着陸地点を選択する人々は、どの地点がこれらの基準を満たすのかを判断するために、主に軌道上から撮影された画像に頼っている。 そして、予想からのほんのわずかな逸脱が、2018 年に火星に着陸した着陸船インサイトで経験したような問題を引き起こす可能性があります。 InSight チームは、適切に平坦で岩がない場所を見つけることができ、表面を構成する物質に関する予測は完全に正確でした。 しかし、着陸船が置かれている場所の表面下の土壌は予想とはわずかに異なり、デュラクラストと呼ばれるより硬い材料に圧縮されていたことが判明した。 そしてこれは、試みる際に多くの問題を引き起こしました 着陸船の熱探査機を埋める 表面の下で。

「地表の実際の様子を推測するために使用する軌道データには、常にあいまいさが存在します」とゴロンベク氏は言う。 「一般に、着陸地点の選択に関して、私たちは工学的制約、つまり岩石の測定と特徴付けに非常に優れています。 豊かさや斜面など。主に、HiRISE 画像の解像度が十分に高いため、大きな岩を見て測定することができます。 斜面。 しかし、地質環境と呼ばれるものを理解することに関しては、私たちは少し正確ではありませんでした。 つまり、その地域がどのようにしてできたのか、その地域を形成した主な地質学的力は何だったのかということです。 それはもっと大変でした。」

軌道上から得られる画像は解像度が限られているため、細部まで確認することが困難です 特定の堆積物など、科学的に関心のある対象を最も正確に特定するために必要なもの 岩。 ヘリコプターで撮影できるようなはるかに高解像度の画像があれば、次のような分野で非常に貴重になります。 車両にとって安全であり、重要な科学的成果を得る可能性を最大限に高める着陸地点を選択すること 発見。

ヘリコプターには、火星の地表の下に何が潜んでいるかを科学者に直接伝えることができる地中レーダーなど、さまざまな種類の機器も搭載できる可能性があります。

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上空からの命の狩猟

ただし、ヘリコプターは他のミッションの支援以上の用途に使用できる可能性があります。 このような機械には、火星の地面の組成や鉱物学を明らかにできるレーダー、赤外線、熱画像機器などのあらゆる種類のカメラが装備される可能性があります。

これらのツールは、水が存在すると形成される粘土などの特定の鉱物を識別できるため、これは重要です。 これらの粘土鉱物が高密度に存在する地域は、粘土鉱物が存在するかどうかを調べる重要な研究対象です。 かつては火星に生命体が存在していた可能性がある.

科学者にとって最も興味深い研究対象のいくつかは、浸食によって形成された断崖、つまり急な崖です。これらの崖は、長い時間をかけて堆積した岩石の層を明らかにするからです。 これらの層を見ることは、火星の歴史を振り返るようなものです。 ただし、急峻で岩が多いため、探査車がこれらのエリアを探索するのは難しく、非常に慎重に進む必要があります。 たとえば、探査機オポチュニティは、そのような断崖の端の周りを注意深く運転するのに1年を費やしました。 ゴロンベク氏は「そのような画像はヘリコプターを使えば数日で取得できただろう」と述べた。 言った。

火星の特定の場所でヘリコプターを使って個人的に探検してみたい場所はあるかと尋ねると、ゴロンベク氏は笑った。 「何百、何千もあるよ！」 彼は言った。 「火星の表面積は、地球の水上の露出した表面積と似ています。 グランドキャニオンとヒマラヤの違い、沿岸地帯と内陸部の違いについて考えてみましょう。 興味深いことを教えてくれるさまざまな場所がたくさんあります。」

Martian ツールボックスのツール

両専門家は、火星探査の将来はヘリコプターか探査車のどちらかの問題ではなく、さまざまな任務に必要に応じて両方を使用することであることに同意した。

「私は根っからのエンジニアなので、私にとってそれらはすべてツールボックスの中のツールです」とラヴィッチ氏は言います。 「火星のような大気天体では、やりたいことは何でも航空機で解決できる可能性が高いでしょう。 峡谷のような大きな穴に下りたい場合、または山に登りたい場合は、それが最良の答えとなるでしょう。 しかし、私たちが運べるものには常に限界があります。鳥はとても軽いのに、ゾウは軽いのはそのためです。ですから、常により多くの科学を行うことができ、（地上の）乗り物でより多くのものを運ぶことができるでしょう。」

将来の火星への有人ミッションを計画する際に、人間が関与すると、複数のタイプの車両の必要性がさらに明確になります。 「おそらく両方とも必要になるだろう」とラビッチ氏は語った。 「今日の人々を見てみると、私たちは地上の乗り物や空の乗り物とやり取りしていますが、それは変わっていないと思います。」

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