독창성을 만나보세요: 화성 비행을 위해 설계된 하이테크 헬리콥터

NASA가 이번 주에 화성 여행을 위해 Perseverance 로버를 발사할 때, 화성 탐사선 옆에 동료가 앉게 될 것입니다. Atlas V 로켓의 노즈콘: 다른 헬리콥터로 비행하는 최초의 회전익기가 될 예정인 Ingenuity라는 헬리콥터 행성. 이 실험용 소형 헬리콥터는 공중에서 화성을 조사함으로써 완전히 새로운 화성 탐사 분야를 열 수 있습니다.

하지만 수억 마일 떨어진 행성 주위를 이동할 수 있는 지상 차량을 설계하는 것이 어렵다고 생각한다면 대기권이 너무 얇아 영하의 기온에도 거의 존재하지 않는 환경에서도 비행할 수 있는 헬리콥터를 설계하는 것입니다. 자율적으로.

우리는 NASA 제트 추진 연구소의 Ingenuity 프로젝트 수석 엔지니어 및 선임 과학자와 대화를 통해 그들이 어떻게 이 프로젝트를 수행했는지, 그리고 화성 탐사의 미래는 어떤 모습일지 알아보았습니다.

전례 없는 도전

다른 행성에서 비행할 수 있는 헬리콥터를 제작하려면 수많은 과제가 따르며, 그 중 가장 시급한 과제는 대기가 너무 희박할 때 무언가를 공중에 머물게 하는 방법입니다. 화성의 대기 밀도는 지구 대기 밀도의 약 1%에 불과하며 이는 고도 100,000피트에 해당합니다. 비행이 얼마나 어려운지 보여주기 위해 지구상의 헬리콥터 비행 고도 기록은 40,000피트가 조금 넘습니다.

헬리콥터는 회전하는 블레이드를 사용하여 공기를 매우 빠르게 이동시켜 작동하며, 이는 공기를 아래쪽으로 밀어내고 양력을 생성합니다. 그러나 화성에서는 공기가 희박하여 칼날로 움직일 때에도 양력이 거의 없습니다. 설계자들은 화성의 중력이 더 낮다는 사실로부터 어느 정도 도움을 받았지만 화성의 중력은 3분의 1이 조금 넘습니다. 지구에는 얇은 대기만으로 스스로를 지탱할 수 있는 우주선을 만드는 것이 여전히 중요한 문제였습니다. 와 함께.

Ingenuity의 기계 엔지니어링 책임자인 Josh Ravich는 "이 문제에 대한 해결책은 낮은 질량입니다."라고 Digital Trends에 말했습니다. 질량을 낮게 유지하는 것이 전체 임무 중 가장 어려운 과제입니다.” 전체 헬리콥터의 무게는 4파운드(1.8파운드) 미만이어야 했습니다. 킬로그램) 엄선된 재료를 사용해야 하며 메인 섀시는 14cm(5.5인치)의 큐브로 매우 작습니다. 크기가.

그리고 무게 문제로 인해 항공기의 다른 측면에도 제한이 생겼습니다. 차량을 운행하기 위해 배터리 형태로 운반할 수 있는 전력의 양과 블레이드의 크기가 얼마나 큰지, 라비치(Ravich) 말했다. 차량 상단에 있는 태양광 패널을 사용해 전력을 수집해 자율적으로 충전할 수 있기 때문에 배터리가 필요하다.

헬리콥터의 블레이드는 차량이 비행하기에 충분한 양력을 제공하기 위해 커야 합니다. 블레이드의 폭은 1.2m(4피트) 미만이어야 합니다. 충분히 크고 가벼운 블레이드를 만들기 위해 팀은 탄소 섬유와 유사한 복합재를 포함한 새로운 재료를 사용했습니다. 총 4개의 블레이드가 2개의 로터로 배열되어 있으며, 각각은 최대 2,400rpm으로 회전합니다. 이는 지구상의 일반적인 헬리콥터 블레이드의 약 500rpm 속도보다 훨씬 빠른 속도입니다.

감기의 문제

소재 혁신이 필요한 또 다른 문제는 밤에 화씨 영하 100도까지 떨어질 수 있는 표면 온도 문제였습니다. 그렇게 추운 날씨에는 전자 시스템이 안정적으로 작동하지 않으며 차량은 따뜻하게 유지하기 위해 귀중한 전력을 사용해야 합니다. 그래서 Ingenuity 팀은 차량의 섬세한 전자 부품 주변에 얇은 단열층을 사용하는 솔루션을 생각해 냈습니다.

"보통은 두꺼운 단열재를 많이 넣어서 이 문제를 해결하지만, 단열재는 꽤 무겁습니다."라고 Ravich는 말했습니다. “그래서 우리는 결국 대기 자체의 일부를 사용하게 되었습니다. 마치 오리나 거위가 깃털 아래에 단열층을 갖고 있는 것처럼 화성 대기의 가스를 사용하는 것입니다. 얇은 보온 담요를 충분히 사용하면 약간의 단열 효과를 얻을 수 있습니다.”

추위로 인해 발생하는 마지막 복잡한 문제 중 하나는 완충재가 저온에 어떻게 반응하는지에 대한 문제입니다. "지구상의 대부분의 헬리콥터에는 헬리콥터의 중앙 허브로 들어오는 무게를 들어 올리는 물리적 탄성 댐퍼가 있습니다."라고 그는 말했습니다. 이 댐퍼는 매우 빠른 속도로 회전하는 블레이드로 인해 발생하는 상당한 진동을 흡수합니다. "하지만 화성 온도에서는 잘 작동하지 않기 때문에 더 견고한 시스템으로 작동하도록 많은 설계를 해야 했습니다."

자율적인 탐험가

이곳과 화성 사이의 몇 분 간의 통신 지연으로 인해 지구에서 헬리콥터를 직접 비행하는 것은 불가능합니다. 대신 Ingenuity는 센서를 사용하여 주변 환경을 감지하고 그에 따라 움직이는 대부분 자율적입니다.

이 작업을 위해 내비게이션 카메라, 레이저 고도계, 관성 측정 장치(IMU)라고 불리는 가속도계 자이로스코프 패키지를 포함한 온보드 장비를 사용합니다. 이러한 도구를 사용하여 우주선은 어디로 향하고 있는지, 지상에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알아낼 수 있습니다. 경로에 있는 잠재적인 장애물을 피하기 위해 일부 위험 감지도 수행할 수 있습니다.

즉, 지상의 기술자가 항공기에 비행 계획을 제시하면 Ingenuity가 이를 실행할 수 있다는 의미입니다. Ravich는 다음과 같이 설명했습니다. 기본적으로 비행 경로인 비행 계획을 입력하고 '이렇게 오랫동안 블레이드를 회전시키고, 여기로 날아가고, 돌아서, 여기로 날아가세요'라고 말하면... 그런 다음 Ingenuity는 다음과 같이 해당 순서를 수행합니다. 그 자체."

헬리콥터는 로버와의 통신 범위(약 1km) 내에 있어야 하며 이상적으로는 직선 시야를 확보해야 합니다. 그러나 그 이상으로 Ingenuity는 독립적으로 작동할 수 있으며 로버의 지원 없이 충전, 이륙 및 착륙이 가능합니다. 계획은 헬리콥터가 한 번에 하나의 과제를 해결하고 지구 주위를 얼마나 조종할 수 있는지 확인하는 것입니다.

"우리는 점점 더 복잡해지는 일련의 임무를 수행할 것입니다."라고 Ravich는 말했습니다. “명목적으로 임무는 1~3개의 비행이지만 상황에 따라 최대 5개의 비행이 될 수도 있습니다… 각 비행은 좀 더 복잡해질 것입니다. 첫 번째는 일어나서 주위를 맴돌고 착륙하는 것입니다. 두 번째는 일어나서 돌아서서 조금 움직인 다음 돌아와서 착륙하는 것입니다. 결국 일이 순조롭게 진행되면 그들은 일어나 그쪽으로 날아가서 새로운 착륙 지점을 찾아 다음 작전 기지로 유지하기로 결정할 수도 있습니다.”

컨셉을 증명하다

독창성은 과학 임무로 의도된 것이 아니기 때문에 과학 데이터를 수집하지 않을 것입니다. 그러나 전문가들은 그것이 수집하는 데이터 중 일부를 활용할 수 있기를 희망합니다. 임무의 목적은 다른 행성에서 회전익기를 비행하는 것이 기술적으로 가능하다는 것을 입증하고 미래의 화성 헬리콥터 설계에 도움이 되는 엔지니어링 데이터를 수집하는 것입니다.

이는 우주선이 표면의 정확한 위치로 이동할 필요가 없기 때문에 우주선이 움직이는 방법에 어느 정도 유연성이 있음을 의미합니다. 우주선은 Perseverance 탐사선의 수백 야드 내에 머물 가능성이 높으므로 그에 맞춰 위치를 잡을 수 있습니다. "어느 정도는 우리가 비행할 때 우리가 얼마나 정확한지는 그다지 중요하지 않다고 생각합니다. 헬리콥터는 자신이 생각하는 위치를 정확히 알 것입니다."라고 Ravich는 말했습니다. "더 높은 수준에서 착륙할 때 이쪽으로 10피트인지 저쪽으로 10피트인지는 그다지 중요하지 않습니다. 안전하게 착륙하는 한 말이죠."

공중에서의 지원

Ingenuity 개념이 실제로 예상대로 작동한다면 헬리콥터는 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다. 미래의 로버 임무에 대한 지원, 표면 이미지 촬영 및 탐사를 더 빠르고 더 많이 수행 정확한.

화성 착륙 지점 선택을 전문으로 하며 수석 조사관이었던 화성 과학 임무의 베테랑 Matt Golombek 화성 헬리콥터에 대한 첫 번째 제안에서 헬리콥터가 미래 탐사에 어떻게 도움이 될 수 있는지 Digital Trends에 설명했습니다. 운영.

해상도 격차 메우기

미래의 헬리콥터 임무가 수행할 수 있는 가장 귀중한 작업 중 하나는 화성 표면 이미지의 "해상도 격차"를 채우기 위해 고해상도 사진을 찍는 것입니다. 이는 "우리가 궤도에서 얻은 최고 해상도 이미지 간의 차이를 말하며, 이는 픽셀당 약 25센티미터(약 10인치)이며 HiRISE 이미지, 이전 로버 임무에서 지상에서 볼 수 있는 것과 비교하면 우리의 해상도는 픽셀당 3cm에 더 가깝습니다.”라고 Golombek은 말했습니다. "그건 대략 10배 정도입니다."

HiRISE 장비를 사용하여 촬영한 행성 표면의 고화질 이미지는 궤도에서 촬영한 것을 고려하면 믿을 수 없을 정도로 세밀하지만, 노두와 같은 토지의 구조적 특징을 보여주거나 탐사선이 탐색할 특정 암석과 같은 과학적 관심 영역을 식별할 만큼 충분히 상세하지 않습니다. 방문하다. 따라서 탐사선은 과학적으로 흥미로운 조사 대상인 암석이나 기타 특징을 찾기 위해 착륙한 지역 주변을 탐색해야 합니다.

헬리콥터는 로버 임무를 위한 정찰기로 사용될 수 있으며, 궤도에서 가능한 것보다 더 자세한 이미지를 촬영할 수 있습니다. 이러한 이미지는 특정 과학적 관심 분야를 식별하는 데 사용될 수 있으므로 팀은 로버를 가장 가치 있는 연구 대상으로 바로 보낼 수 있습니다.

로버의 적용 범위 확장

화성 탐사선 임무에 대해 여러분이 깨닫지 못할 수도 있는 한 가지는 각 탐사선의 작동 전력이 제한되어 있고 이동하는 모든 움직임을 신중하게 계획해야 하기 때문에 각 탐사선이 담당하는 영역이 얼마나 작은지입니다. 예를 들어, Perseverance는 주요 임무에서 5~20km(3~12마일)를 커버합니다. 그리고 지구에서 가장 먼 거리를 탐사하는 탐사선인 Opportunity는 14년의 수명 동안 무려 45km(28마일)를 이동했습니다. 먼 행성을 탐사하는 탐사선에게는 이것이 인상적이지만, 이 거리는 화성의 전체 표면적의 일부에 불과합니다.

예를 들어, 탐사선은 1km를 이동하는 데 몇 주가 걸릴 수 있습니다. Ingenuity는 단 90초 만에 최대 1km를 이동할 수 있지만 팀은 첫 번째 임무에서 헬리콥터를 그렇게 빠른 속도로 실행할 계획은 없습니다. 그러나 미래의 헬리콥터는 지구의 훨씬 더 넓은 지역을 탐험할 수 있으며, 그들이 포착한 이미지는 로버의 발견을 더 넓은 맥락에 제시하는 데 매우 중요할 것입니다. 이러한 이미지는 과학자들이 지구의 지질학적 구조를 이해하고 탐사선이 연구한 지역이 더 큰 화성 환경을 대표하는지 여부를 알려주는 데 도움이 될 것입니다.

헬리콥터는 또한 탐사선이 표면을 탐색하는 데 걸리는 시간을 크게 줄여 조사 영역을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 현재 로버 주행 경로는 가능한 최고 해상도의 이미지를 이용해 결정되지만, 이러한 이미지에는 항상 장애물이나 위험이 표시되지 않으므로 운전자는 천천히 탐색해야 합니다. 주의하여.

"일반적으로 하루 최대 로버 주행 거리는 60~100미터입니다."라고 Golombek은 말했습니다. “하지만 만약 당신이 고해상도 정보를 가지고 있다면, 안전 운전이 가능한 곳이 어디인지 구체적으로 알 수 있을 것입니다. 경로를 통해 쉽게 두 배 또는 세 배로 이동할 수 있어 목적지에 훨씬 더 빨리 도달할 수 있었습니다.”

착륙 지점 찾기

하지만 로버가 탐험을 하려면 먼저 착륙해야 합니다. 그리고 착륙 지점을 선택하는 과정에도 공중 지원이 도움이 될 수 있습니다.

“착륙 장소 선택은 귀하가 설계하고 제작한 우주선을 사용하여 표면이 착륙하는 것이 얼마나 안전한지를 특성화하는 조합입니다. 착륙선은 자신을 찔러넣거나 넘어뜨릴 수 있는 큰 바위를 아래에 두는 것을 좋아하지 않습니다. 가파른 경사면은 일반적으로 좋지 않습니다. 매우 푹신해서 빠져들 수 있는 영역은 나쁜 선택입니다. 따라서 우리가 엔지니어링 제약이라고 부르는 전체 제품군이 있습니다." 골롬벡이 말했다.

이러한 엔지니어링 제약은 화성의 얇은 대기로 인해 복잡해집니다. 이로 인해 차량이 착륙할 때 낙하산을 사용하여 속도를 늦추는 것이 더 어려워지기 때문입니다. 따라서 팀은 차량이 안전하게 착륙할 수 있도록 착륙 지점의 고도도 고려해야 합니다.

“그리고 나서 당신은 운반하고 있는 탑재량과 임무의 과학적 목표 — 화성에 대해 배우고 알고 싶은 것”이라고 그는 말했습니다. 에. "그리고 특정 임무를 수행하기 위해 안전하고 과학적으로 흥미로운 [착륙] 장소를 찾기 위해서는 이 모든 것을 함께 고려해야 합니다."

Golombek과 같은 착륙 지점을 선택하는 사람들은 궤도에서 촬영한 이미지에 크게 의존하여 어떤 지점이 이러한 기준을 충족하는지 알아냅니다. 그리고 예상했던 것에서 아주 조금만 벗어나도 2018년 화성에 착륙한 InSight 착륙선에서 경험한 것과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. InSight 팀은 적절하게 평평하고 암석이 없는 위치를 찾았으며 표면을 구성하는 재료에 대한 예측은 완전히 정확했습니다. 그러나 착륙선이 앉은 표면 아래의 토양은 듀라크러스트라는 더 단단한 물질로 압축되어 예상과 ​​약간 다른 것으로 나타났습니다. 그리고 이로 인해 노력하는 데 많은 문제가 발생했습니다. 착륙선의 열탐침을 묻어라 표면 아래.

Golombek은 "표면에 실제로 무엇이 있는지 추론하는 데 사용하는 궤도 데이터에는 항상 모호함이 있습니다"라고 말했습니다. “일반적으로 착륙 지점 선택을 위해 우리는 엔지니어링 제약 조건을 측정하고 특성화하는 데 매우 능숙했습니다. 풍부함과 경사면 등 - 주로 HiRISE 이미지의 해상도가 큰 바위를 보고 측정할 수 있을 만큼 충분히 높기 때문입니다. 슬로프. 그러나 우리는 내가 지질학적 환경이라고 부르는 것을 이해하는 데 약간 덜 정확했습니다. 즉, 그 지역이 어떻게 형성되었는지, 그 지역을 형성한 주요 지질학적 힘은 무엇이었는가입니다. 그게 더 힘들어졌어요.”

궤도에서 얻은 이미지는 해상도가 제한되어 있어 세부적인 내용을 보기가 어렵습니다. 특정 퇴적암과 같은 과학적 관심 대상을 가장 정확하게 식별하는 데 필요한 것입니다. 바위. 헬리콥터로 촬영할 수 있는 것과 같이 훨씬 더 높은 해상도의 이미지를 갖는 것은 매우 중요합니다. 차량에 안전하고 중요한 과학적 연구 기회를 극대화할 착륙 지점을 선택했습니다. 결과.

헬리콥터는 과학자들에게 화성 표면 아래에 무엇이 숨어 있는지 직접 알려줄 수 있는 지상 침투 레이더와 같은 다양한 종류의 장비를 탑재할 수도 있습니다.

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위에서 생명을 사냥하다

그러나 헬리콥터는 다른 임무를 지원하는 것 이상의 용도로 사용될 수 있습니다. 이러한 기계에는 화성 땅의 구성과 광물학을 밝힐 수 있는 레이더, 적외선, 열화상 장비 등 모든 유형의 카메라가 장착될 수 있습니다.

이러한 도구는 물이 존재할 때 형성되는 점토와 같은 특정 광물을 식별할 수 있으므로 이는 중요합니다. 이러한 점토 광물의 밀도가 높은 지역은 점토 광물이 있는지 여부에 대한 연구의 주요 대상입니다. 한때 화성에 생명체가 있었을 수도 있습니다.

과학자들이 연구할 가장 흥미로운 대상 중 일부는 급경사면, 즉 침식으로 형성된 가파른 절벽입니다. 왜냐하면 시간이 지남에 따라 쌓인 암석층을 드러내기 때문입니다. 이 층들을 보는 것은 화성의 역사를 되돌아보는 것과 같습니다. 그러나 이 지역은 가파르고 바위가 많기 때문에 탐사선이 탐사하기 어렵고 매우 조심스럽게 진행해야 합니다. 예를 들어, 탐사선 Opportunity는 그러한 절벽의 가장자리를 조심스럽게 운전하면서 1년을 보냈습니다. "이런 종류의 이미지는 헬리콥터로 며칠 안에 얻을 수 있었습니다"라고 Golombek은 말합니다. 말했다.

화성에서 개인적으로 헬리콥터로 탐험하고 싶은 특별한 장소가 있느냐는 질문에 골롬벡은 웃었습니다. “수백, 수천 개가 있어요!” 그는 말했다. “화성의 표면적은 지구의 물 위 노출된 표면적과 비슷합니다. 그랜드 캐니언과 히말라야, 해안 지역과 내부 지역의 차이점을 생각해 보세요. 흥미로운 것을 말해 줄 수 있는 곳이 너무 많아요.”

화성 도구 상자의 도구

두 전문가는 화성 탐사의 미래가 헬리콥터나 탐사선의 문제가 아니라 서로 다른 작업에 필요에 따라 둘 다 사용하는 문제라는 데 동의했습니다.

Ravich는 "나는 본질적으로 엔지니어이기 때문에 나에게 그것들은 모두 도구 상자에 있는 도구입니다"라고 말했습니다. “화성과 같은 대기권의 경우, 원하는 모든 것에 대한 답이 공중 차량이라는 강력한 사례가 있을 것입니다. 협곡 같은 큰 구멍으로 내려가고 싶다면, 산을 오르고 싶다면 그것이 최선의 답이 될 것입니다. 하지만 우리가 운반할 수 있는 것에는 항상 한계가 있습니다. 이것이 새가 그렇게 가볍고 코끼리가 그렇지 않은 이유입니다. 따라서 [지상] 차량을 이용하면 항상 더 많은 과학을 수행하고 더 많은 것을 운반할 수 있습니다.”

미래의 화성 유인 임무를 계획할 때 인간이 등장하면 다양한 유형의 차량에 대한 필요성이 더욱 분명해집니다. Ravich는 “아마도 둘 다 필요할 것입니다.”라고 말했습니다. "오늘날 사람들을 보면 우리는 지상 차량 및 항공기와 상호 작용하지만 그 변화는 보이지 않습니다."

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