航空交通を混乱させたり、上空から地球の輝かしい景色を取り戻したり、単に隣人をスパイしたり（それがあなたの好みであれば）、ドローンは私たちの空で見慣れた光景になりました.現在、米国の宇宙機関 NASA は初めて、別の惑星の大気圏でドローンのようなヘリコプターを飛ばす準備を整えています。
Ingenuity と名付けられたこの宇宙船は、NASA の最新の車輪付きロボット ローバー ミッションである 1 トンの Perseverance 着陸船に乗って火星に乗り込みます。 Perseverance はこの夏に地球から打ち上げられ、2021 年春に火星に着陸する予定です。
別の世界の異星人の大気圏を飛行することは、一連のユニークな工学的課題をもたらす偉業ですが、この小さな技術テストミッションが成功すれば、科学者は私たちの惑星や月を探索するための新しく非常に効果的な方法を得ることができます.太陽系。これは、地上を移動するよりも飛行の方がはるかに高速に移動できるためです。
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航空機は、宇宙船が返す画像よりもはるかに鮮明な航空画像を収集できます。また、地上のローバー車両の潜在的なターゲットを特定するためのスカウトとしても機能し、サンプルを収集して中央着陸ステーションに持ち帰って分析することもできます。
そしてもちろん、他の探査機では不可能な場所にも行くことができます。
NASA のジェット推進研究所 (JPL )、カリフォルニア州パサデナ。
「2030 年代初頭に到着するフライングランダーで土星の衛星タイタンを探査するという NASA のミッションもあります。」
インジェニュイティ クラフトは高さ 50 センチメートルで、4 枚のブレードが 1 組ずつ上下に配置されており、それぞれが 1.2 メートルの二重逆回転ローターに取り付けられています。
ローターのサイズ (ヘリコプターが火星の薄い大気圏を飛行するにはこれほど大きくなければならない) が、より一般的なドローンのようなクアッドコプターの設計が却下された主な理由です。ローバー。
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創意工夫は、パーセヴェランスの本体の下に収納され、そこから火星の表面に落とされます。おそらく、ミッションの数か月後です。その後、ローバーは衝突のリスクを最小限に抑えるために 100 メートル離れて走行し、無線信号を交換して「ペアリング」します。これは、無線イヤホンを携帯電話にペアリングするのと少し似ています。ローバーが Ingenuity に初飛行のコマンドを送信する前に。 .
これは、バララムが「相互自撮り」と呼んでいるものである可能性があります。ヘリコプターが低いホバリングに上昇し、再び着陸するときに、2 台の車両がお互いの写真を撮ります。
Ingenuity が火星を探索する方法
Ingenuity には、白黒のナビゲーション カメラと、携帯電話に見られるものに匹敵する 4,208 x 3,120 ピクセルのカラー カメラが搭載されています。画像は短距離無線リンクによって Perseverance に送信され、Perseverance は火星軌道上の多くの NASA 宇宙船の 1 つに中継し、そこから地球に送信されます。
「地上ソフトウェア ツールを使用して、ある時点で複数の画像をパノラマにつなぎ合わせることができます」と Balaram 氏は言います。
ただし、ヘリコプターは実際の科学的観測を行うつもりはありません。代わりに、技術を検証するか、少なくとも将来の設計を改良するための貴重なフィードバックを提供することが期待されるテスト飛行からエンジニアリング データを返すことに焦点を当てています。
主なミッション計画は、30 日間で最大 5 回のフライトですが、これは延長される可能性があります。飛行の最大水平範囲は約 300 メートルで、天井高度 10 メートル、最大飛行時間は 90 秒です。その後、ヘリコプターの 6 つのリチウム イオン バッテリーを充電する必要があります。
これは、ローターブレードの真上に取り付けられたソーラーパネルによって処理されます。フル充電には火星で 1 日かかります。火星の夜は気温が -100°C まで下がることがあるため、蓄えられた電力の 3 分の 2 は航空機の電子機器を暖かく保つために必要です。
仕様
- 質量 :1.8kg
- 高さ :50cm
- ロータースパン :1.2m
- ローター速度 :2,300-2,900rpm
- 最大高度 :10分
- バッテリー :6x Sony Li-ion、220W の電力を供給
- 最大飛行時間 :90年代
- 飛行距離 :300m
- 1 日あたりの最大フライト数 :1
- ミッション期間 :30日
低温は、火星飛行士志望者が直面する問題の始まりにすぎません。航空機は、湾曲した翼の上を空気が通過するときに発生する上向きの力である「揚力」を使用して離陸します。飛行機では、翼は翼です。ヘリコプターでは、ローター ブレードです。
しかし、火星の大気の表面密度は地球のわずか 1% です。地球の海抜 1 立方メートルの空気の重さは 1.2 kg ですが、火星ではその数値はわずか数グラムにまで減少します。これは、高度 30,000 メートルにある地球の希薄な大気とほぼ同じです。そして、そのような薄い空気から飛行するのに十分な揚力を生成するには、エンジンが長時間稼働しなければならないことを意味します.
通常、地球上のヘリコプターは毎分 500 回転 (rpm) でブレードを回転させますが、火星ではこれを約 2,500 rpm まで上げる必要があります。
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同じ理由で、機体の重量は最小限に抑えられています。たとえば、ローター ブレードの各ペアの重量は、長さが 1 メートルを超えるにもかかわらず、わずか 56 グラムです。
「フォームコアマトリックス内のカーボンコンポジットレイアップを使用して、軽量で剛性の高いブレードを実現しました」とバララムは言います。合計で、Ingenuity の重さはわずか 1.8 kg で、砂糖 2 袋よりも少ないです。
Balaram は、火星でヘリコプターを飛ばすのに最適な時間帯を計算しました。この時までに、機体は火星の夜の寒さの後、太陽によって暖められていますが、空気は冷たく、密度を可能な限り高く保ち、風速を低く保ち、バッテリーはまだ十分に充電されています.
「最初の数回のフライトを成功させた後は、午後に飛行して、より探索的なことを行うことを確信していますが、私たちができる最も保守的なことは、午前中のフライトを選択することです。」
試行中の創意工夫
チームは、高さ 25 メートル、幅 8 メートルの円筒形の試験容器である JPL のスペース シミュレーション チャンバー内で設計をテストしました。火星の空力条件を再現するために大気を正確に調整することができました。
しかし、低気圧は、モデル化する必要があった火星での飛行の特徴の 1 つにすぎませんでした。彼らは、地球の重力のわずか 0.38 (3 分の 1 強) しかない惑星の重力を考慮する必要がありました。彼らは斬新な解決策を思いついた.
「重力オフロード装置がチャンバーに設置され、地球と火星の重力の違いを説明するために車両に補償力を提供するために使用されました」とバララムは言います.
これは文字通り、機体の上部に軽量の糸を取り付けることを意味します。これは、地球上でヘリコプターの重量の 0.62 を持ち上げるのに十分なだけきつく締め、残りの 0.38 (火星での重量) をローターによって空気力学的に持ち上げることを意味します。
これらの地上試験は、火星での飛行の基本的な実現可能性を実証するだけでなく、別の理由でも重要でした。チームが実際に火星でヘリコプターを操縦する必要がある誘導、ナビゲーション、および制御 (GNC) ソフトウェアを微調整できるようにするためです。 /P>
最初の実際の火星飛行が開始されるとき、地球から火星までの光の移動時間は何分にも及ぶため、管制官が宇宙船を遠隔操作することは不可能になります。
代わりに、地球上の地上管制からのコマンドは、一連のウェイポイント (コントローラーによって選択された座標) で構成されます。GNC ソフトウェアは、ヘリコプターのセンサーから流れ込むリアルタイム データのストリームを考慮しながら、これらの座標に従います。これらには、ジャイロスコープ、加速度計、ナビゲーション カメラ、高度計、航空機の傾きを測定する傾斜計が含まれます。
宇宙探査の詳細:
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「ウェイポイントは、x-y 位置、地面からの高さ、車両の進行方向、各ポイントに到着するまでの希望時間で構成されます」と Balaram 氏は言います。ソフトウェアをテストするために、彼のチームはシミュレーター内に複数の高エネルギー ランプを設置して、火星の表面で太陽光の照明を再現し、風が強い状態での飛行をシミュレートするファンも設置しました。
これらすべてに加えて、Ingenuity は、打ち上げのストレス、放射線と惑星間空間の過酷な真空にさらされる火星への 7 か月の旅、そして最後に高い重力加速度と、火星の大気圏への侵入、降下、着陸の 2,200°C の灼熱の熱。
しかし、それが機能し、火星でのヘリコプターの試験が成功した場合、それは真に歴史的な成果となるでしょう。つまり、史上初の地球外への動力飛行です。そして、得られた専門知識は、遠く離れた世界の空を探索するための科学機器の完全なペイロードを運ぶことができる、より大きくより優れた航空機を飛ばすための基礎を築きます。
バララムが言うように、「別の惑星でのライト兄弟の瞬間のようなものです。」
- この記事は、BBC Science Focus の第 350 号に最初に掲載されました
