NASAのヘリコプター、火星での6回目の飛行中に完全に横転

NASAのヘリコプター、火星での6回目の飛行中に完全に横転

インジェニュイティは火星での6回目の飛行中に「飛行異常」に見舞われ、飛行が不安定になった。ヘリコプターは無事に着陸したが、このインシデントはシステムにとって予期せぬストレステストとなった。

2021年5月22日に行われたインジェニュイティの6回目のテストは、ヘリコプターの性能を限界まで試すはずだったが、ミッションプランナーの予想をはるかに超える結果となった。このテストでは、インジェニュイティは高度10メートル(33フィート)上昇した後、南西方向に150メートル(492フィート)飛行し、その後さらに2回飛行し、1回は15メートル(50フィート)近く、もう1回は50メートル(164フィート)上昇した後、指定された地点に着陸する予定だった。

6 回目の飛行中に 33 フィート (10 メートル) の高さで撮影されたインジェニュイティ カメラの画像。
6回目の飛行中に高度33フィート(10メートル)で撮影されたインジェニュイティのカメラ画像。画像提供:NASA/JPL-Caltech

試験飛行は順調に始まったものの、インジェニュイティの最初の飛行区間の終盤で、事態は深刻な不調に陥り始めた。インジェニュイティ火星ヘリコプターのチーフパイロット、ハバード・グリップ氏がNASA向けに作成した論文で説明しているように、ヘリコプターは突然不安定な動きを見せ、速度を調整しながら「振動するように前後に傾いた」という。この奇妙な挙動は飛行中ずっと続いた。着陸前には、「搭載センサーが、回転翼機が20度以上のロールとピッチの変動、大きな操縦入力、そして電力消費の急増に遭遇したことを示していた」とグリップ氏は付け加えた。

6 回目の飛行の最後の 29 秒間を描いた一連の画像。
6回目の飛行の最後の29秒間を捉えた一連の画像。GIF画像:NASA/JPL-Caltech

この飛行中に何が起こったのかを理解するには、この自律飛行体がどのようにして正確な飛行を維持できているのかを考える必要があります。搭載された慣性計測装置(IMU)により、インジェニュイティは飛行中の位置、速度、そして方位を追跡することができます。そして、搭載された制御システムがこれらの測定値に反応しますが、これらの測定値は実際には推定値に過ぎません。実際、IMUだけではこのタスクを遂行するには不十分です。時間の経過とともに誤差が蓄積されていくからです。このシステムを補完するために、ヘリコプターは搭載されたナビゲーションカメラを使用しています。このカメラは飛行中に火星の表面を30枚撮影し、それらの画像を即座にナビゲーションシステムに送信します。

しかし、Grip が説明しているように、この 2 本柱のシステムは、正確なタイムスタンプが入力されるアルゴリズムに依存しています。

画像が届くたびに、ナビゲーションシステムのアルゴリズムは一連の処理を実行します。まず、画像と共に受信されるタイムスタンプを調べて、画像がいつ撮影されたかを判断します。次に、アルゴリズムは、直前に撮影された画像から認識できる地表の特徴(通常は色の変化や岩や砂の波紋のような突起物)に基づいて、その特定の時点でカメラが捉えていたはずのものを予測します。最後に、アルゴリズムは、これらの特徴が画像内で実際にどこに現れるかを確認します。ナビゲーションアルゴリズムは、これらの特徴の予測位置と実際の位置の差を利用して、位置、速度、姿勢の推定値を修正します。

インジェニュイティの6回目の飛行の54秒後、飛行中の異常によりこの繊細なバランスが崩れました。カメラ情報の安定した流れが、1枚のフレームの欠落という不具合によって途絶え、その後のすべてのナビゲーション画像に誤ったタイムスタンプが付与されました。こうしてナビゲーションアルゴリズムは、画像の撮影時刻に関する誤った情報に基づいて動作していました。劣化したデータを処理する中で、インジェニュイティは絶えず修正を加えなければならないモードに入り、その結果、機体が前後に揺れ動きました。驚くべきことに、インジェニュイティはそれでも飛行を続け、目標地点から目と鼻の先で着陸することができました。

NASAは、インジェニュイティが不安定になることなく、タイミングエラーを含む重大なエラーを許容するように設計したとグリップ氏は記している。「この組み込みマージンは、インジェニュイティの以前の飛行では機体の挙動が私たちの予想と概ね一致していたため、完全には必要とされなかったが、6回目の飛行ではこのマージンが役に立った」。さらにグリップ氏は、同機がローターシステム、アクチュエーター、そして動力システムを用いて「状況を力強く切り抜けた」と述べ、これらはすべて、過酷な飛行による増大する要求に応えたと付け加えた。

6 回目の飛行の翌日、インジェニュイティは損傷を受けていない。
6回目の飛行の翌日、インジェニュイティはすっかり傷んでいない。写真:NASA/JPL-Caltech

この異常な飛行は意図されたものではなかったが、インジェニュイティを限界まで追い込むことで、この不具合から何らかの意味のあるデータが得られる可能性は高い。「このデータは今後慎重に分析され、火星におけるヘリコプターの飛行に関する知識の蓄積が拡大されるでしょう」とグリップ氏は述べた。

さらに:議会監視団体は、2024年までに宇宙飛行士を再び月に送るというNASAの計画に懐疑的。

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