NASA、将来の火星ドローンの設計テストを地球と火星で推進する

この世界では最近、南カリフォルニアにあるNASAのジェット推進研究所で、次世代の火星ドローンに使われる可能性のある新しいローターがテストされ、ほぼ超音速(マッハ0.95)で回転した。一方、NASAのIngenuity火星ドローンは、実験飛行テストという名目で、火星での高度と対気速度の新記録を達成した。

Ingenuityのプロジェクトマネージャーで火星サンプル回収ドローンのマネージャーであるテディ・ツァネトス氏は、次のようにコメントしている。

ツァネトス氏:私たちの次世代火星ドローンのテストは、文字通り両方の世界のベストを尽くしてきました。ここ地球では、新しい航空機のコンポーネントをテストしている間、望むことができるすべての計測機器とハンズオンの即時性があります。火星では、地球上では決して再現できないようなオフワールドの条件があります。これには、ささやくように薄い大気と、地球上よりも著しく少ない重力が含まれます。

地球でテストされている次世代カーボンファイバーローターブレードは、Ingenuityのものより4インチ(10センチ)近く長く、強度も高く、デザインも異なる。NASAはこのブレードによって、より大型で高性能な火星ドローンが実現できると考えている。課題は、ブレードの先端が超音速に近づくと、振動を引き起こす乱気流がすぐに手に負えなくなることだという。

地球上に火星の大気を作り出すのに十分な大きさの空間を見つけるため、エンジニアたちはJPLの幅25フィート、高さ85フィート(8メートル×26メートル)の宇宙シミュレーターに注目した。9月の3週間、チームはブレードがこれまで以上に高速で、より大きなピッチ角での走行に耐える間、センサー、メーター、カメラを監視した。

JPLのサンプル回収ドローン副テストコンダクターのタイラー・デル・セスト氏は次のようにコメントしている。

セスト氏:私たちはブレードを毎分3,500回転まで回転させました。これはIngenuityのブレードよりも毎分750回転速いスピードです。より効率的なブレードは、今や仮説の域を超えています。彼らは飛ぶ準備ができています。

同じ頃、約1億マイル(1億6,100万キロメートル)離れた場所で、Ingenuityは火星ドローンチームが想像もしなかったことに挑戦するよう命じられていた。

第4回ロックフライトテスト

Ingenuityは当初、5回以内の飛行を予定していた。2年半以上前の初飛行でミッションログブックに登録され、ドローンは30日間の予定飛行回数を32回上回り、66回飛行した。Ingenuityは飛行するたびに新しい領域を開拓し、これまでの惑星探査ミッションでは成し得なかった視点を提供してきた。しかし最近、チームIngenuityは太陽電池を搭載したロータークラフトを、かつてないほど飛ばしているという。

JPLのIngenuityのチーフエンジニア、トラヴィス・ブラウン氏は次のようにコメントしている。

ブラウン氏:過去9カ月間、最大対気速度と高度を2倍にし、垂直方向と水平方向の加速度を上げ、さらにゆっくり着陸することを学びました。エンベロープの拡大は、将来の火星ドローンのミッション設計者が使用できる貴重なデータを提供します。

利用可能なエネルギーとモーター温度によって制限されるため、Ingenuityの飛行時間は通常2~3分程度だという。NASAによると、ドローンは、より速く飛行することで1回の飛行でより多くの場所をカバーすることができるが、飛行速度が速すぎると搭載されたナビゲーションシステムが混乱する可能性がある。このシステムは、視野内を移動する岩やその他の地表の特徴を認識するカメラを使用しているため、これらの機能の動作が速すぎると、システムは道を見失う可能性があるという。

そこでチームは、より高い最高地上速度を達成するために、Ingenuityがより高い高度で飛行するようコマンドを送り(指示は各フライトの前にドローンに送られる)、より長い時間視界に対象を留めるようにしている。第61便は火星の風パターンを確認するため、78.7フィート(24メートル)の新高度記録を樹立した。62便では、時速22.3マイル(秒速10メートル)の速度記録を樹立し、ペルセバランス探査機の科学チームのための場所を偵察した。

チームはまた、Ingenuityの着陸速度を実験しているという。ドローンは時速2.2マイル(1mps)という比較的速いスピードで地表に接触するように設計されているため、搭載されたセンサーが簡単にタッチダウンを確認し、空中に跳ね返る前にローターを停止させることができる。よりゆっくりと着陸するドローンは、より軽いランディングギアで設計することができる。そのため、第57、58、59便では、Ingenuityがドローンの本来の着陸速度より25%遅い速度で着陸できることを実証した。

12月の太陽結合後には、「Ingenuity」は2回の高速飛行を行う予定で、その際、性能を測定するために設計された特別なピッチ・アンド・ロール角度を実行するとしている。

ブラウン氏:このデータは、ロータークラフトが火星でどのような挙動を示すかについて、我々の航空力学モデルを微調整するのに非常に役立つでしょう。地球では、このようなテストは通常、最初の数回の飛行で行われます。しかし、我々が飛行する場所はそうではありません。最寄りの修理工場から遠く離れた場所での運用は、やり直しがきかないため、少し慎重にならざるを得ません。

Ingenuityについて

Ingenuityは火星で技術のデモンストレーションとして誕生。2021年4月19日に初飛行し、10フィート(3メートル)を30秒間ホバリングした。さらに4回の飛行で499秒を追加し、1,171フィート(357メートル)上空を水平飛行した。火星での飛行が可能であることを証明した後、Ingenuityは2021年5月から運用実証段階に入り、空中偵察が火星や他の世界の将来の探査にどのように役立つかを示した。

Ingenuity火星ドローンは、NASA本部のプロジェクトも管理するJPLによって製造された。NASAの科学ミッション本部が支援している。カリフォルニア州シリコンバレーにあるNASAエイムズ研究センターとバージニア州ハンプトンにあるNASAラングレー研究センターは、Ingenuityの開発中に重要な飛行性能分析と技術支援を提供した。

AeroVironment Inc.、Qualcomm、SolAeroも設計支援と主要な車両部品を提供。Lockheed Spaceは、火星ドローンデリバリーシステムを設計・製造した。

NASA本部では、Dave Lavery氏がIngenuity火星ドローンのプログラムエグゼクティブを務めている。

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