인제뉴어티

3. 설계

인제뉴어티는 화성의 옅은 대기에서 비행하기 위해 지구보다 훨씬 빠른 회전 속도와 특수한 형태의 로터 블레이드를 사용한다. 화성의 낮은 중력은 얇은 대기를 부분적으로 상쇄하지만, 여전히 양력을 생성하기 어렵다.

3. 1. 개요

3. 2. 주요 구성 요소

• '''카메라:''' 2개의 카메라가 탑재되어 있다. 아래를 향하는 흑백 내비게이션 카메라(NAV)와 지형 이미지를 생성하여 지구로 전송하는 컬러 카메라(RTE)가 있다.^[197]
• '''프로펠러:''' 지름 약 약 1.22m의 반대 회전동축 반전 로터를 사용한다. 각 로터는 집합 피치와 주기 피치 모두에 영향을 미칠 수 있는 개별 경사판에 의해 제어된다.^[198] 프로펠러의 무게는 총 70g에 불과하다.^[131]
• '''전력공급장치:''' 70125mm² 크기의 태양 전지판을 사용하여 배터리를 충전한다. 배터리는 6개의 소니 리튬 이온 셀이며, 35Wh에서 40Wh의 에너지 용량을 갖는다.^[113]
• '''통신 시스템:''' 퍼서비어런스와의 데이터 교환을 위해 모노폴 안테나를 갖춘 두 개의 동일한 무선 장치를 사용한다. 로버와 인제뉴어티 모두에 장착된 914 MHz SiFlex 02 칩셋으로 구현된 저전력 ZigBee 통신 프로토콜을 기반으로 통신하며, 최대 1000m 거리에서 250kbit/s로 데이터를 중계한다. 인제뉴어티의 태양 전지 패널에 있는 안테나는 무게가 4g이며, 모든 방향으로 균등하게 통신할 수 있다.^[174]
• '''센서:''' ''인제뉴어티''는 내비게이션에 나침반을 사용할 수 없기 때문에 두 개의 어셈블리로 그룹화된 다양한 센서에 의존한다.
• '''상부 센서 어셈블리:''' 각속도와 가속도의 영향을 최소화하기 위해 차량의 무게 중심 근처 마스트에 장착된다. 휴대폰 등급의 Bosch BMI-160 관성 측정 장치(IMU)와 Murata SCA100T-D02 경사계로 구성되며, 비행 전 지상에서 IMU 가속도계의 바이어스를 보정하는 데 사용된다.
• '''하부 센서 어셈블리:''' 고도계 (Garmin LIDAR Lite v3), 카메라와 2차 IMU로 구성되며, 마스트가 아닌 전자 장치 코어 모듈에 직접 장착되어 있다. 하향 옴니비전 OV7251 카메라는 시각 측위법을 지원하며, 이미지를 처리하여 헬리콥터의 위치, 속도, 자세 등을 계산한다.^[167]

3. 3. 비행 제어

4. 운영 기록

인제뉴어티는 비행 중 자율 제어를 사용하며, 제트 추진 연구소(JPL)의 운영자가 원격 조작 방식으로 비행 계획을 세우고 스크립트를 작성한다. 각 착륙 전후에는 퍼서비어런스 로버와 직접 통신한다.^[95]

인제뉴어티의 비행 제어 및 내비게이션 소프트웨어는 원격으로 업데이트될 수 있어, 소프트웨어 버그를 수정하거나 비행 간에 새로운 기능을 추가할 수 있다. 비행 34편 전에는 착륙 시 위험 회피 및 고르지 않은 지형에서의 내비게이션 오류 수정을 위한 소프트웨어 업데이트가 이루어졌다. 이 업데이트는 헬리콥터가 원래의 비교적 평평한 착륙 지형에서 벗어나 더 다양하고 위험한 지형으로 이동함에 따라 필요해졌다.

2021년 3월 21일, 퍼서비어런스는 인제뉴어티를 보호하던 파편 방어막을 떨어뜨렸고, 4월 3일에는 헬리콥터가 탐사차 하부에서 화성 표면으로 배치되었다.^[72] 배치 후, 탐사차는 안전한 비행 구역 확보를 위해 드론으로부터 약 100m 떨어진 곳으로 이동했다.^[45][117]

2021년 4월 8일(미션 48일차), 인제뉴어티의 회전 날개가 풀렸고, 50rpm으로 저속 회전 테스트를 수행했다.^{[47][101][74][50][54]} 4월 9일에는 고속 회전 테스트가 시도되었으나, 감시 타이머 만료로 인해 실패했다. 4월 12일, JPL은 문제 해결을 위한 소프트웨어 수정 사항을 확인했다고 밝혔다. 그러나 시간 절약을 위해 85%의 성공 확률을 가진 임시 방편 절차를 사용하기로 결정했다.

2021년 4월 16일, 인제뉴어티는 표면에 머무른 채 최대 속도인 2400rpm으로 회전 날개 회전 테스트를 통과했다.^[71] 4월 19일, JPL은 헬리콥터를 처음으로 비행시켰다. 네 번째 비행 시도 때 감시 타이머 문제가 다시 발생했다. 4월 30일로 재조정된 네 번째 비행에서는 다수의 컬러 사진을 촬영하고 흑백 내비게이션 카메라로 표면을 탐사했다. 6월 25일, JPL은 감시 타이머 문제를 영구적으로 해결하는 소프트웨어 업데이트를 업로드했으며, 회전 날개 회전 테스트와 여덟 번째 비행을 통해 업데이트가 작동함을 확인했다고 밝혔다.

각 비행은 지상으로부터 3m에서 5m의 고도로 계획되었지만, 인제뉴어티는 곧 계획된 높이를 초과했다.^[55] 첫 비행은 약 40초 동안 지속되었고, 3m 고도에서 호버링하며 탐사차의 사진을 촬영했다. 첫 비행 성공 이후, 헬리콥터 작동에 할당된 시간이 줄어들면서 후속 비행은 더욱 도전적으로 진행되었다. JPL은 헬리콥터 추락 가능성이 높은 경우 30일 기간이 끝나기 전에 임무가 중단될 수도 있다고 언급했지만,^[95] 이러한 상황은 발생하지 않았다. 비행당 최대 90초 동안 인제뉴어티는 최대 50m 다운레인지로 이동 후 출발 지점으로 복귀할 수 있었으나, 이 목표 역시 네 번째 비행에서 초과 달성되었다.^[55]

처음 세 번의 성공적인 비행 이후, 목표는 기술 시연에서 운영 시연으로 변경되었다. 인제뉴어티는 4번째와 5번째 비행이라는 두 번의 과도기를 거쳐 운영 시연 단계를 시작했다.^[76] 2023년 11월 현재, 주요 임무 우선순위는 다음과 같다.^[7]

• 탐사차 작동에 심각한 간섭이나 지연을 피한다.
• 차량의 건강과 안전을 유지한다.
• 전술적 계획 및 과학적 평가를 위한 정찰을 수행한다.
• 미래 화성 회전익기에 대한 임무 및 차량 설계를 알리거나 재량적 과학을 위한 데이터를 수집하기 위한 실험을 수행한다.

4. 1. 초기 임무 (기술 시연 단계)

4. 2. 운영 시연 단계

• 탐사차 작동에 심각한 간섭이나 지연을 피한다.
• 차량의 건강과 안전을 유지한다.
• 전술적 계획 및 과학적 평가를 위한 정찰을 수행한다.
• 미래 화성 회전익기에 대한 미션 및 차량 설계를 알리거나 재량적 과학을 위한 데이터를 수집하기 위한 실험을 수행한다.

4. 3. 임무 종료

• 탐사차 작동에 심각한 간섭이나 지연을 피한다.
• 차량의 건강과 안전을 유지한다.
• 전술적 계획 및 과학적 평가를 위한 정찰을 수행한다.
• 미래 화성 회전익기에 대한 미션 및 차량 설계를 알리거나 재량적 과학을 위한 데이터를 수집하기 위한 실험을 수행한다.

5. 반대 의견

NASA의 JPL과 에어로바이런먼트(AeroVironment)는 2014년에 화성 탐사 로버와 함께 사용할 정찰 헬리콥터의 개념 설계를 발표했다.^{[118][32][91]} 2016년 중반까지 헬리콥터 개발을 계속하기 위해 1,500만 달러가 요청되었다.^[29]

2017년 12월까지 차량의 엔지니어링 모델은 시뮬레이션된 화성 대기에서 테스트를 거쳤으며,^[33][30] 북극에서도 테스트를 받았다.^[28] 그러나 당시에는 임무 포함 여부가 아직 승인되거나 자금 지원을 받지 못한 상태였다.^[28]

화성 2020 임무에 헬리콥터를 포함하자는 아이디어에는 여러 반대 의견이 있었다. 2010년대 말 NASA 지도자, 과학자 및 JPL 직원들은 헬리콥터를 임무에 통합하는 것에 반대했다. ''인제뉴어티''는 화성 2020 프로젝트와 예산에서 벗어나 3년 동안 개발되었다.^[105][111] NASA 경영진은 2018년 봄에 헬리콥터 추가가 탐사의 목표를 해치지 않을 것이라는 확신을 받았지만, 화성 2020 수석 과학자인 케네스 파리는 "저는 개인적으로 그것에 반대해 왔습니다. 왜냐하면 우리는 효율성을 위해 매우 열심히 노력하고 있으며 30일을 기술 시연에 할애하는 것은 과학적 관점에서 이러한 목표를 직접적으로 발전시키지 않기 때문입니다"라고 말했다.^[109] 파리는 헬리콥터가 짧은 시간 동안이라도 우선적인 과학적 과제에서 벗어나는 것이라고 확신했다.^[109]

NASA 지도부의 회의론은 근거가 없지 않았다. 과학자, 엔지니어 및 관리자는 추가적인 공중 정찰의 이점과 로버가 할당된 모든 작업을 완료하기 위한 일정에 불가피하게 드는 비용을 실용적으로 비교하여 진행했다. NASA의 라이브 스트림에서 인제뉴어티 프로젝트 매니저인 미미 아웅과 제니퍼 트로스퍼는 인제뉴어티의 가치에 대해 논의했다. 트로스퍼는 로버가 자동 항법 기능을 갖추고 있어 헬리콥터가 임무에 기여하는 핵심적인 논쟁을 무효화하기 때문에 헬리콥터를 능가할 것이라고 주장했다.

6. 후속 임무 및 미래 전망

인제뉴어티 개발은 2012년 찰스 엘라치 JPL 국장이 관련 개념 연구를 수행했던 연구소의 자율 시스템 부서를 방문하면서 시작되었다. 2014년 NASA의 JPL과 에어로바이런먼트는 로버와 함께 활동할 정찰 헬리콥터의 개념 설계를 발표했다.^{[118][32][91]} 2018년 미국의 미국 연방 예산은 헬리콥터 개발에 1년간 2,300만 달러를 지원했다.^[106][103]

2019년, 인제뉴어티의 예비 설계는 지구에서 모의 화성 대기 및 중력 조건에서 테스트되었다. 비행 시험을 위해, 매우 낮은 화성 대기 압력을 시뮬레이션하기 위해 대형 진공 챔버가 사용되었다. 화성의 훨씬 감소된 중력장(지구의 38%)을 시뮬레이션하기 위해, 비행 테스트 중 지구 중력의 62%가 위로 당기는 줄에 의해 상쇄되었다.^[113]

인제뉴어티는 당초 30일 동안 5번의 비행을 목표로 한 기술 시연 임무로 시작했지만, 예상을 뛰어넘는 성과를 거두며 운영 시연 단계로 전환되었다.^[76] 2021년 4월 19일 첫 비행에 성공한 이후, 2024년 1월 18일까지 총 72번의 비행을 기록했다.

처음 세 번의 성공적인 비행 후, 기술 시연에서 운영 시연으로 목표가 변경되었다. 인제뉴어티는 4번째와 5번째 비행이라는 두 번의 과도기를 거쳐 운영 시연 단계를 시작했다.^[76] 2023년 11월 현재, 주요 임무 우선순위는 다음과 같다.^[7]

• 탐사차 작동에 심각한 간섭이나 지연을 피한다.
• 차량의 건강과 안전을 유지한다.
• 전술적 계획 및 과학적 평가를 위한 정찰을 수행한다.
• 미래 화성 회전익기에 대한 임무 및 차량 설계를 알리거나 재량적 과학을 위한 데이터를 수집하기 위한 실험을 수행한다.

6. 1. 샘플 회수 헬리콥터

6. 2. 화성 과학 헬리콥터 (MSH)

7. 라이트 형제에 대한 경의

NASA와 JPL 관계자들은 화성 헬리콥터 ''인제뉴어티''의 첫 비행을 지구에서 최초로 동력 비행을 한 라이트 형제에 비유하며 "라이트 형제의 순간"이라고 묘사했다.^[97][37] 1903년 라이트 형제가 제작한 ''라이트 플라이어''의 날개 천 조각이 ''인제뉴어티''의 태양 전지판 아래 케이블에 부착되어 있다.^[70] 1969년 아폴로 11호의 닐 암스트롱은 이와 비슷한 ''라이트 플라이어'' 유물을 달 착륙선 ''이글''에 싣고 달로 가져갔다.

NASA는 ''인제뉴어티''의 첫 이륙 및 착륙 활주로를 라이트 형제 필드(Wright Brothers Field)라고 명명했으며, UN 기관인 ICAO는 예제로 크레이터에 공항 코드 JZRO를 부여했고,^[75] 드론 자체에는 IGY의 유형 지정자를, 호출 부호는 INGENUITY를 부여했다.^[34][39][75]

8. 지원, 개발, 투자

찰스 엘라치 JPL 국장이 관련 개념 연구를 수행했던 연구소의 자율 시스템 부서를 방문하면서 2012년에 ''인제뉴어티''가 된 프로젝트의 개발이 시작되었다. 2015년 1월까지 NASA는 "위험 감소" 차량으로 알려진 실물 크기 모델 개발 자금을 지원하기로 합의했다.^[56]

NASA의 JPL과 에어로바이런먼트(AeroVironment)는 로버를 동반할 정찰 헬리콥터에 대한 개념 설계를 2014년에 발표했다.^{[118][32][91]} 2016년 중반까지 헬리콥터 개발을 계속하기 위해 1500만달러가 요청되었다.^[29]

2017년 12월까지 차량의 엔지니어링 모델은 시뮬레이션된 화성 대기에서 테스트를 거쳤다.^[33][30] 모델은 북극에서 테스트를 받고 있었지만, 임무 포함 여부는 아직 승인되거나 자금 지원을 받지 못했다.^[28] 2014년 7월에 ''화성 2020'' 프로그램이 승인되었을 때,^[61] 헬리콥터 비행 시연은 포함되지 않았고 예산도 배정되지 않았다.^[112]

2018년 3월에 발표된 미국 연방 예산은 헬리콥터에 1년간 2300만달러를 지원했으며,^[106][103] 2018년 5월 11일, 헬리콥터를 개발하고 테스트하여 화성 2020 임무에 포함할 수 있다는 발표가 있었다.^[62] 헬리콥터는 광범위한 비행 역학 및 환경 테스트를 거쳤으며,^[33][63] 2019년 8월에 ''퍼서비어런스'' 로버의 하부에 장착되었다.^[2] NASA는 ''인저뉴어티'' 제작에 약 8000만달러, 헬리콥터 운영에 약 500만달러를 지출했다.^[94]

2019년, ''인저뉴어티''의 예비 설계는 지구에서 모의 화성 대기 및 중력 조건에서 테스트되었다. 비행 시험을 위해, 매우 낮은 화성 대기 압력을 시뮬레이션하기 위해 대형 진공 챔버가 사용되었다. 이 챔버는 지구 해수면의 표준 대기압의 약 0.60%에 해당하는 이산화 탄소로 채워졌으며, 이는 지구 대기에서 34000m 고도에서 헬리콥터가 비행하는 것과 거의 동일하다. 화성의 훨씬 감소된 중력장(지구의 38%)을 시뮬레이션하기 위해, 비행 테스트 중 지구 중력의 62%가 위로 당기는 줄에 의해 상쇄되었다.^[113] 약 900개의 컴퓨터 팬으로 구성된 "바람 벽"이 챔버에 바람을 제공하는 데 사용되었다.^[95]

2020년 4월, 이 차량은 노스포트, 앨라배마주의 터스컬루사 카운티 고등학교 11학년생 바니자 루파니가 NASA의 "로버 이름 짓기" 콘테스트에 에세이를 제출하여 ''인저뉴어티''로 명명했다.^[66][67] 계획 단계에서 화성 헬리콥터 스카우트, 또는 간단히 화성 헬리콥터로 알려졌던 이 헬리콥터는, 이후 부모 로버인 ''퍼서비어런스''가 애칭으로 ''퍼시''로 불린 것과 병행하여 '''''지니'''''라는 별칭이 사용되기 시작했다.^[69] 지구에서 테스트하기 위한 실물 크기 엔지니어링 모델은 '''어스 콥터'''로, 비공식적으로는 '''테리'''로 명명되었다.^[38]

''인저뉴어티''는 JPL이 그러한 차량이 안전하게 비행할 수 있는지 평가하기 위한 기술 시연기로 설계되었다. 제작, 발사, 착륙 전에 과학자들과 관리자들은 헬리콥터가 더 나은 매핑과 안내를 제공하여 미래 임무 통제자에게 이동 경로, 계획 및 위험 회피에 도움이 되는 더 많은 정보를 제공할 수 있기를 희망했다.^{[62][90][114]} ''큐리오시티''를 통해 이전 로버의 성능을 바탕으로, 이러한 공중 정찰이 미래 로버가 화성 시간 기준 하루(솔)에 최대 세 배 더 멀리 안전하게 주행할 수 있게 할 것으로 추정되었다.^[42][68] 그러나, ''퍼서비어런스''의 새로운 AutoNav 기능은 이 이점을 크게 줄여 로버가 하루에 100미터 이상을 이동할 수 있게 했다.^[44]

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