インテュイティブ・マシーンズ社、3Dプリントエンジンで月面に軟着陸へ

2024年2月15日、アンタークティックベアは、大手宇宙探査、インフラ、サービス企業であるインテュイティブ・マシーンズ（NASDAQ: LUNR、LUNRW）とスペースXがIM-1ミッションの月着陸船燃料補給テストのデータを分析し、テスト活動が完了したと判断したことを知りました。 IM-1ミッションは2月15日、フロリダ州にあるNASAケネディ宇宙センターの発射施設39Aから打ち上げられた。最終目的地は月であり、そこで「ターディスサイズ」のNova-C機は3Dプリントエンジンを使用して軟着陸を試みる予定だ。
IM-1 ミッションは、NASA のアルテミス月探査計画の主要部分である NASA の Commercial Lunar Payload Services (CLPS) プログラムの一環として、Intuitive Machines が初めて月面着陸を試みるものです。 CLPS の一環として月面に送られる科学技術ペイロードは、有人ミッションと月面での持続可能な人類の存在の基盤を築くことを目的としています。このミッションは、Intuitive Machines がヒューストンに付加製造機能を備えた月面生産・運用施設を開設した昨年 9 月に定義されました。
フロリダ州の発射施設39AからSpaceXのファルコン9ロケットで打ち上げられたインテュイティブ・マシーンズのIM-1ミッションは、メタンペイロードの突入前にメタン温度が基準値を下回ったため延期された。 SpaceXとIntuitive Machinesは現在、2月15日木曜日の東部標準時午前1時5分を目標としている。さらなるアップデートについては、Intuitive Machines および SpaceX プラットフォームをご覧ください。 NASA のライブ放送は 2 月 15 日午後 12 時 20 分 (東部標準時) に始まります。 NASA+、NASA TV、NASAのウェブサイトで視聴できます。

10年かけて作り上げた
Intuitive Machines は、3D プリントが世界中のエンジニアにとってより身近なものになり始めた 2013 年に設立された、宇宙探査およびインフラのリーディングカンパニーです。
共同創設者のスティーブ・アルテマス、カム・ガファリアン博士、ティム・クレイン博士は、世界を変えるためにNASAジョンソン宇宙センターの扉を出ていきました。 2018年、米国は月を戦略的関心の対象と宣言し、NASAのアルテミス計画に基づき、月への持続可能な再訪にNASAの焦点を再び定めた。翌年、NASA は Intuitive Machines に、月面にペイロードを着陸させるという最初のミッションを発注しました。
その後 4 年間にわたり、Intuitive Machines 社は Nova-C 月面着陸船、ミッションコントロール、月までの距離にある宇宙船のデータを伝送できるグローバルな月面遠隔測定追跡ネットワーク (LTN) など、宇宙計画全体を構築しました。これらの資産が完成したことで、Intuitive Machines は初の月面ミッションである IM-1 の打ち上げ準備が整いました。インテュイティブ・マシーンズは、小さな会社から始まり、多角的な宇宙探査とインフラ整備を行う企業に成長し、月を北極星として宇宙の商業的ニッチ市場を開拓しようとしています。

IM-1 ミッション準備完了
IM-1ミッションは、1972年のアポロ17号以来、月面に軟着陸する初の米国宇宙船となることを目指している。インテュイティブ・マシーンズは、同社のノヴァC級月着陸船「オデュッセウス」をスペースXのファルコン9ロケットで打ち上げるためにスペースXを選んだ。 NASA ケネディ宇宙センターの 39A。打ち上げ後、オデュッセウスはファルコン9ロケットから分離し、月へ直接向かう軌道をたどる予定だ。
テキサス州ヒューストンのノヴァ・コントロールにあるインテュイティブ・マシーンズの飛行管制官たちは、オデュッセウスが打ち上げから約9日後に月面に着陸すると予想している。着陸後、インテュイティブ・マシーンズとその顧客は、月夜に月の南極に着陸し、オデュッセウスが動作不能になるまで、約 7 日間月面でペイロードを運用する予定である。
このミッションは、数十年ぶりの月面への再訪を意味するだけでなく、商業的な月面科学と探査の新時代への大胆な飛躍でもある。 IM-1 ミッションの中心となるのは、Intuitive Machines 社が設計・製造した Nova-C 月面着陸船です。着陸船には、液体酸素と液体メタンの環境に優しい混合物で動く推進システムなど、最先端の技術が搭載されています。
Nova Control は、スタートレックの USS エンタープライズのブリッジを模倣して設計されています。 Nova-C は 2 種類の無線を使用します。車両の健全性と宇宙船の状態は、1976 年のモデムの速度で実行されています。一方、科学データ無線の速度は16,000倍に増加しました。 Nova-C はもともと円筒形のシェルとして設計されました。同社は、質量と積載量の統合制約に対応するために六角形の構造を採用しました。 Nova-C のフッターには Intuitive Machines の従業員の名前が刻まれており、月面に永久に刻まれています。
月面輸送
IM-1ミッションの主な目的は、月の未踏の地である南極地域にさまざまなペイロードを届けることです。これらのペイロードには、将来の人間とロボットによる月探査への道を開くために設計された科学機器と技術デモンストレーションが含まれています。 IM-1 ミッションの目的は、単に月面に着陸することだけではありませんでした。これは、民間企業がますます重要な役割を果たしている進行中の宇宙探査における極めて重要な瞬間を表しています。
IM-1ミッションは、NASAの商業月面ペイロードサービス（CLPS）プログラムを通じて科学的発見、資源利用、月面インフラ開発を推進し、月面での持続可能な存在を促進するためのより広範な戦略の一環です。このミッションから得られた知識と経験は、月やそれ以降の将来のミッションを形作る上で非常に貴重なものとなるでしょう。さらに、IM-1 ミッションの成功は、繁栄する月面経済の基盤を築き、研究、商業、探査の新たな可能性を切り開くことになります。
このミッションは、月面での活動能力を向上させることで、月面基地の設立や潜在的資源の探査など、より野心的な取り組みの基盤を築きます。 IM-1 ミッションによって収集されたデータと知見は、月面での生活と活動の課題に対処し、複数の惑星に住む種族になるという人類の夢をさらに推進する可能性を秘めています。

Nova Control は、テキサス州ヒューストンにある Intuitive Machines 社の月面ミッション運用の中枢です。オペレーションセンターは、VoIP 音声システムなどのミッションクリティカルなサポートソフトウェアにアクセスできる共同ループ環境でミッションコントローラーをホストします。 Nova Control はすでに商用化されており、ミッションクリティカルな指揮統制ソフトウェア Nova Core は社内で開発および保守され、西オーストラリアの Fugro SpAARC との提携により緊急時対応を可能にしました。
Intuitive Machines は、S バンド、X バンド、Ka バンドのアップリンクとダウンリンクをサポートする月追跡、テレメトリ、コマンドネットワーク (LTN) を含む世界中の地上局と長期契約を結んでいます。インテュイティブ・マシーンズは、2022年12月にNASAのアルテミスI宇宙船が地球から最も遠い距離に到達した際に追跡に成功し、LDNを検証しました。
アルテミス以前<br /> マラパート A は、月の南極地域にある長さ 69 km のクレーターであるマラパートの衛星クレーターです。 17世紀のベルギーの天文学者シャルル・マラパートにちなんで名付けられた着陸地点の周囲の地域は、アポロ16号の着陸地点と同様に、月の高地の物質でできていると考えられています。 IM-1の着陸地点は月の南極から約300キロ離れている。近くのマラパート山塊は、NASA がアルテミス III ミッションのために検討している 13 の候補地域の 1 つです。

打ち上げ後すぐに、弾性力によってオデュッセウスはロケットの第2段からゆっくりと押し出され、月着陸船が展開して月に向かって漂うことが可能になります。オデュッセウスは分離前の待機姿勢にあります。打ち上げロケットからワイヤーを外すと、Nova-C宇宙船は展開したことを認識し、着陸船のタイマーが主要システムの起動を開始します。分離タイミング間隔を完了した後、オデュッセウスは誘導航法および制御 (GNC)、自動飛行管理 (AFM) ソフトウェア、無線、熱制御を含む電源が投入されました。
オデュッセウスの上部デッキが太陽に向けられている状態（最大出力姿勢）では、他のシステムを上部デッキとサイドデッキの太陽電池パネルの影に保つことで、テキサス州ヒューストンの飛行管制官が着陸船の熱状態を管理するのにも役立ちます。ヒューストンの飛行管制官はまだオデュッセウスと通信していないため、試運転プロセスの各ステップは自動化される予定です。自律的な試運転が完了し、最大出力姿勢が確立されると、オデュッセウスは通信無線をオンにし、ノヴァコントロールのフライトコントローラーとの最初の通信を行いました。
Intuitive Machines は、LVSEP から数分以内に Odysseus を自動的に稼働させる予定です。自律試運転中、着陸船の GNC はコールドガスヘリウム反応制御システム (RCS) を起動して、着陸船の姿勢を制御します。この時点では、オデュッセウスはそれがどこを指しているのか分かりませんが、回転運動を止めることはできます。それは、目を閉じて椅子に座ったまま回転する人が、どこで止まるか分からなくても回転を制御できるのと同じです。回転速度を制御した後、スタートラッカーと呼ばれる特殊なカメラが遠くの星野の画像を自動的に照合し、オデュッセウスに方向を提供します。
搭載ソフトウェアは、スタートラッカーの測定値を取得し、それをカルマンフィルターと呼ばれるアルゴリズムで処理して、搭載方向 (姿勢と呼ばれる) を修正し、誤った測定値を推定して排除します。 GNC システムは、星のフィールドに対する姿勢を自律的に決定すると、公称発射ベクトルの基準位置を使用して太陽のおおよその位置を決定します。次に、GNC は RCS ジェットに、着陸機の上部パネルを太陽に向けてわずかな角度で操作し、上部パネルと側面の太陽電池アレイを照らして最大の電力を生成するように指示します。

ホストバーンを実行するには複数の手順があります。 1 つ目は、極低温のメタンと酸素を着陸船の供給ラインに沿ってエンジンに送り、推進システムの温度を調節することです。これを「エンジンの冷却」と呼びます。 PROP は、このプロセス中に複数の自動バルブと温度測定値を監視し、すべてが予想されるパラメータ内であることを確認します。オンボード AFM は CM 始動の点火時間 (TIG) を監視しています。 TIG のほんの数秒前に、RCS システムはエジェクターを作動させてタンク内の液体メタンと酸素を沈殿させます。次に、メインエンジンの点火装置がガスオーブンのパイロットランプのように点灯し、メインスロットルを慎重に開くことで燃焼室内で混合されたメタンと酸素に点火します。
Intuitive Machines は、安全性と信頼性を検証するために、3D プリントされたエンジン始動シーケンスに対して何千ものテストを実施しました。 CM プロセス中、車両は Intuitive Machines チームが設計した 2 軸ユニバーサルリング内でホストマシンの角度を調整することにより、一定の姿勢を維持します。自動 CM シーケンスはメインエンジンのスロットルも制御し、エンジンの出力範囲内で必要な調整を行うためのデータを PROP チームに提供します。一方、オデュッセウスは月に向かって航海を続けます。自律試運転に続いて、Nova Control のフライトコントローラーは、Odysseus の最先端の極低温推進システムを使用してエンジン試運転操作の準備を整えました。
エンジン調整操作により、飛行管制官はエンジンの性能を確認し、着陸機の最初の軌道を調整することができます。 LVSEPの後、オデュッセウスはエンジンの試運転前に月に向かう月周回軌道（TLO）で運用される予定です。軌道チームの飛行管制官（TRAJ）は、着陸機の通信システムからの信号を使用して軌道決定（OD）を実行し、その信号データに基づいて弧を送信して移動速度を更新します。車の運転手が直線道路に沿ってハンドルを微調整するのと同じように、軌道を維持するには微妙な修正が必要になります。
Intuitive Machines の飛行力学担当役員 (FDO) は、このアップデートを使用して、エンジン調整操作 (CM) を実行するための方向を計算し、月への接近に向けてオデュッセウスの軌道を最適に改善しました。 FDO によって設定された CM 方向に基づいて、IntuitiveMachines のフライトマネージャー (FM) と通信担当者 (COMM) は、機体に最大出力姿勢から燃焼姿勢への回転を指示しました。 CM は、メインエンジンの燃焼を開始するために、Intuitive Machines の推進オペレーション (PROP) リーダーに制御を引き渡しました。
Nova-C クラスの月面着陸船の 3 回の TCM 燃焼は、エンジンが最も効率的になる最大スロットルで実行されます。各 TCM の後、Intuitive Machines のフライトコントローラーは、Nova Control と通信するために着陸船の HGA を地球に向けました。 TCM 3 の後、TRAJ チームは FDO と協力して、更新された月周回軌道投入 (LOI) 操作に不可欠な OD ソリューションを最終決定しました。一方、オデュッセウスの上部デッキは、TCM 3 の後ろで太陽光の捕捉を最大化し、最大出力姿勢を採用しています。 LOI が近づくと、オデュッセウスは RCS を使用して逆行方向を設定し、エンジンを月に向けることで、操作前に最適な位置を確保しました。

CM 後、TRAJ は別の OD 更新からデータを収集します。 FDO はこの更新を評価し、オデュッセウスが月周回軌道の目標からどれだけ離れているかを計算します。 FDO は、バスケットボールのバックボード上の正方形に相当するように設計された B 平面と呼ばれる特殊な座標系を使用します。バスケットボール選手のシュートがバックボードの真正面に当たれば、ボールがバスケットに入る可能性が高くなります。同様に、オデュッセウスが B 平面で目標に命中した場合、月周回軌道に捕捉される正しい位置にいることになります。
△ LRA は、着陸船に搭載された約 0.5 インチの再帰反射鏡 8 個の集合体であり、距離を測定するために使用されるユニークな鏡の集合体です。ミラーシステムはレーザー光を軌道上の宇宙船に直接反射し、宇宙船はレーザーを発射して月面上の着陸船の位置を正確に測定します。 LRA は、月の昼夜を問わず、誘導とナビゲーションのための正確な目印として機能し続けるため、貴重です。アルテミス着陸地点またはベースキャンプの周囲にいくつかの LRA を設置すると、自律的かつ安全な着陸を支援して、到着する着陸船を誘導する精密なランドマークとして機能する可能性があります。
予想されるミッションのシナリオでは、フライトコントローラーが着陸機の B プレーンターゲットを設定すると、各軌道修正操作 (TCM) が前回のものよりも小さくなります。 TCM 3は、オデュッセウスが月周回軌道に入る前にヒューストンの飛行管制官が軌道を修正する最後のチャンスであったため、最も重要な操作であった。各 TCM について、FDO は B プレーンのターゲットを着陸機の進路内に維持するために必要な操作の規模を推定します。 TCM が Odysseus ホストが実行できるサイズよりも小さい場合、フライトコントロールは TCM を実行せず、次の機会に修正を行うことを選択できます。
フライトコントローラーが最終的な LOI 操縦ソリューションをオデュッセウスにロードすると、観測システムが操縦の準備を整えるのに約 4 時間かかると Intuitive Machines は見積もっています。 IM-1では、月の裏側の死角領域でLOIが実施されました。地球との見通し通信がないため、フライトコントローラーはリアルタイムの更新を受信できません。 Nova Control チームは LOI TIG をカウントダウンし、着陸機が最大毎秒 800 ～ 900 メートルの操作を実行して 100 キロメートルの円形の低月軌道 (LLO) に入るのを待ちます。
この操作は、オデュッセウスの推進システムの全能力の約 3 分の 1 に相当します。 LOI を無事完了した後、Nova Control チームは着陸に備えて LLO で着陸機とそのシステムの状態を確認する一連の活動を開始しました。これには、オデュッセウスのナビゲーション光学カメラを月の照明条件に合わせて調整することが含まれます。 Intuitive Machines 社は、月を一周するごとに約 75 分の通信時間があり、その後、月が Odysseus 着陸機と Intuitive Machines 地上局間の直接視線無線リンクを遮るときに 45 分の通信時間があると予想しています。
△イーグルカムは、月面から約100フィート（30メートル）上空のNova-Cに配備され、宇宙船が月面に着陸する際に画像を撮影するように設計されています。
フライトコントローラーが通信を失い、通信中断状態になった場合、これを信号損失 (LOS) と呼びます。フライトコントローラーが通信を回復し、見通し内に入ると、これを信号取得 (AOS) と呼びます。オデュッセウスは月面に着陸する前に月を約12周します。 Intuitive Machines にとって、LLO 環境は、オデュッセウスが移動中に経験した深宇宙環境よりも複雑です。
月の厳しい環境が大きな役割を果たしています。着陸機が軌道の太陽側にあるとき、太陽は着陸機の片側を熱しますが、月も反射した赤外線で宇宙船の反対側を熱するため、オデュッセウスは非常に暖かくなります。その後、着陸機は月の影に入り、機体は極寒となり、システムを保温するためにバッテリーからヒーター電力を引き出す必要が生じた。
降下軌道投入（DOI）は、通常、月の裏側で行われる小規模な操作です。メインエンジンが点火して着陸機の速度を落とし、最低高度を100キロメートルから着陸地点付近の約10キロメートルまで下げた。月の周りの軌道の低い点は近地点と呼ばれ、高い点は遠地点と呼ばれます。軌道上では、オデュッセウスは、近心状態ではより速く動き、遠心状態ではより遅く動きます。この効果は位置エネルギーの交換であり、自転車で丘を走るときに低い地点ではより速く滑り、高い地点ではより遅く滑るのとよく似ています。 DOI が発生すると、オデュッセウスは完全に自律的になります。
△ SCALPSS は、オデュッセウスの降下中に着陸船のエンジンの煙が月面と相互作用する際の影響と、宇宙船の着陸後に塵の煙が落ち着く際の画像を撮影します。この情報は、ロケットエンジンの排気ガスが月面上で粒子をどのように移動させるかを予測するモデルを検証するために重要であり、科学者が月面のクローズアップ画像を分析できるようにします。 SCALPSS のデータは、着陸時の着陸機とその他の近くの地上資産の安全を確保するために、将来のアルテミス宇宙船の設計に使用されます。
DOI 後、着陸機は約 1 時間滑空し、その後、GNC システムがメインエンジンを始動して動力降下開始 (PDI) を開始します。降下軌道投入オデュッセウスは、月面への軟着陸を可能にするために、速度を毎秒約 1,800 メートル減速する必要があります。一部の着陸船の設計では、降下中に開閉する複数のジェットを備えた推進システムを採用してこれを実現していますが、Nova-C のエンジンは PDI から着陸まで燃焼とスロットルを継続するように設計されています。
このアプローチは、アポロ降下モジュールで使用されたものと似ています。着陸船のエンジンが PDI で始動すると、最初は急ブレーキ段階になります。着陸機は着陸地点から約2キロの地点まで減速段階を続けた。着陸船の下側での動力降下により、地形相対航法 (TRN) カメラとレーザーが起動し、誘導と制御を提供する航法アルゴリズムに情報が送られます。この部分は複雑に聞こえるかもしれませんが、人間が歩いたり、自転車に乗ったり、車を運転したりするたびに行うことです。センサーは人間の目のように機能し、位置、速度、方向のデータを収集します。
△ ILO-Xは、ハワイにあるILOAの旗艦月南極観測衛星ILO-1の前身です。トロントのカナデンシス・エアロスペース社がILOA向けに製造した重さ約0.6kgのILO-X装置には、小型のデュアルカメラ月面撮影スイート（1台は広視野角、もう1台は狭視野角）が搭載されている。この探査機は、月面から天の川銀河の中心部を初めて撮影するほか、月面での機能性や生存性など、その他の天文学、地球、月面の地域環境の観測や探査技術の実証も行うように設計される。このミッションは、ハワイを拠点とする同組織が月にカメラを設置する初めての機会となる。ハワイは科学、発見、探検を祝う場所です。 ILO-X 狭視野カメラは、ハワイの学生による命名コンテストの結果、「Ka 'Imi (検索)」と名付けられました。ハワイの次世代の科学者からこの名前をいただくことは、非常に名誉なことであり、ILOA が本拠地とするハワイ諸島に存在するユニークな文化を祝うことでもあります。
ナビゲーションとは、脳がこの情報を処理して、どこにどのように移動するかを決定することです。コーチングは、人間の脳が「自分がここにいて、この方向に進んでいるとしたら、自分が行きたい場所にたどり着くには何をする必要があるか」を判断することに似ています。答えは左に曲がるかスピードを上げることかもしれません。制御は、ステアリングホイールを回したり、アクセルを踏んでガイダンスの指示を増やすことと同じです。人間の目はセンサーとして機能し、物事の変化を観察し、そのサイクル全体を繰り返します。
現在、オデュッセウスはほぼ直立しており、着陸機が着陸する予定のエリアでは、危険相対航法 (HRN) センサーが前方を向いています。 Intuitive Machines は、月面の予定着陸地点 (ILS) までのオデュッセウスの軌道を設計しました。 Nova-C クラスの月面着陸船が ILS に近づくと、搭載ソフトウェアが着陸船の範囲に基づいて、傾斜が最小で危険のない安全な指定着陸地点 (DLS) を選択します。
オデュッセウスのシステムは、DLS まで飛行するために月の重力に一致するように設計されています。この間、メインエンジンは絶えずスロットルが絞られ、エンジン出力が低下して、着陸船の軽量化と、推進剤の枯渇に伴う宇宙船からの質量の減少を補った。オデュッセウスのGNCシステムは着陸機をDLSの約30メートル上空の位置まで飛行させ、着陸機は毎秒3メートルの速度で垂直に降下した。その後、着陸機は地上10メートルの高さで毎秒1メートルの降下率でブレーキをかけ、最終降下と着陸の準備をします。
△ RFMG テクノロジーは、Nova-C タンク内の電波とアンテナを使用して、利用可能な推進剤の量を正確に測定します。 RFMG は、液体水素、液体酸素、液体メタンなどの極低温推進剤を燃料とする宇宙船に依存する将来の長期ミッションにおいて重要になる可能性があります。これらの推進剤は非常に効率的ですが、低温でもすぐに蒸発してしまうため、保管が困難です。 NASA がアルテミス計画を通じて人類を再び月に送るという目標に向かって進む中、宇宙船の燃料レベルを正確に測定できれば、科学者は資源を最大限に活用できるようになります。
この時点で、オデュッセウスは慣性測定のみを使用しています。着陸船のエンジンが巻き上げる月の塵を読み取るため、宇宙船を月面まで誘導するためのカメラやレーザーは搭載されていない。 Odysseus の慣性計測装置 (IMU) は、人間の内耳のように回転と加速度を感知します。最後の下り坂は、ドアに向かって歩き、最後の 3 フィートの間目を閉じるようなものです。十分近いことは分かっていますが、内耳があなたをドアの向こうへ導かなければなりません。メインエンジンの危険検知と回避機能を備えたピッチアップ垂直降下。ターミナル降下オデュッセウスは、毎秒 1 メートルの速度で着陸するように設計されました。飛行管制官は、最終的なマイルストーンである月面への軟着陸を確認するまでに約15秒の遅延があると予想している。インテュイティブ・マシーンズとその顧客は、月の南極が落下してオデュッセウスが運用不能になるまでに、約 7 日間の科学研究と技術デモンストレーションを実施する予定です。

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