火星探査の未来はヘリコプターに託された

masapoco
投稿日 2022年11月18日 11:57
mars sample return mission 1

マーズ・サンプル・リターン・ミッションの明確な日程が決まっていないにもかかわらず、探査機「パーサヴィアランス」は岩石サンプルの収集と回収のためのキャッシングに忙しくしている。マーズ・サンプル・リターン・ミッションは以前から知られていたが、時間が経つにつれて、より詳細が明らかになってきている。

最新の開発は、ヘリコプターに関するものだ。インジェニュイティの成功により、NASAはサンプルリターンミッションに2機のヘリコプターを使用することを決定した。

NASAの探査機「パーサヴィアランス」が火星のジェゼロ・クレーターに着陸したとき、その腹には「インジェニュイティ」と名付けられた小型回転翼機が固定されていた。これは、航空機による初の動力制御された地球外飛行であった。(無動力での飛行は、1985年にソビエトがベガ1ミッションの一環として金星で行った気球飛行が最初である)。

インジェニュイティは、その目標をすべてクリアし、それ以上の成果をあげた。当初は30日間でそれぞれ最大90秒のフライトを5回行うことを想定していた。それをはるかに超える性能を発揮し、火星着陸から1年半以上経った2022年9月24日に33回目の飛行を行った。

火星サンプルリターンミッションは、NASAとESAの共同プロジェクトとなる予定だ。このミッションはまだ開発中で、現在、両機関は1機だけでなく2機のヘリコプターを派遣するという。

私たちは、この開発についてしばらく前から知っていた。しかし、「インジェニュイティ」プロジェクトのチーフエンジニアであるBob Balaram(ボブ・バララム)氏は、新しいブログ記事の更新で、ヘリコプターが火星探査にもたらす利点をより詳しく説明している。Balaram氏は「インジェニュイティ」ヘリコプターを開発し、火星での最初の1年間の運用を指導した。

Balaram氏は、”創意工夫 “の初飛行を、1903年にライト兄弟がノースカロライナで行った有名な飛行と比較している。「1903年12月、ここ地球でのある日の出来事とよく似ています。空に向かって数メートル上昇し、薄い空気の中で一瞬ホバリングし、旋回し、下降して着陸するという短いフライトです。単純な飛行ですが、火星探査のための空中移動の先駆けとなったのです」。インジェニュイティはライトフライヤー機のほんの一部を火星に持ち込んだのだから、この比較は適切だ。

当初は30日程度で終わるはずのミッションが、500ソル以上も火星に滞在しているのだ。このような成功は、どんなエンジニアにも勇気を与える。そして今、NASAはこの成功をさらに発展させたいと考えている。NASAのヘリコプターは、「インジェニュイティ」と似ているが、いくつかの重要な違いがある。それは、「インジェニュイティ」は技術検証のためのヘリコプターではないということだ。

「このサンプル回収ヘリコプターは、足の代わりに車輪を備え、2本指のグリッパーを持つ小さなマニピュレーターアームで、必要に応じてサンプルキャッシュ貯蔵庫から貴重なサンプルチューブを火星上昇機まで運び、地球に打ち上げられます」と、Balaram氏は書いている。

火星探査機は、スピリット、オポチュニティ、キュリオシティ、パーサヴィアランスなど、非常に印象的な機械である。火星での彼らのパフォーマンスと耐久性は、人間の能力を証明するものだ。しかし、ヘリコプターは探査を次のレベルへと導く。

Balaram氏は、探査の4Rについて説明する。リーチ、レンジ、レゾリューション、そしてロボティクスだ。「火星探査用ヘリコプターは、他の移動手段では到達できないような場所に到達できるユニークな存在です。ジェゼロクレーターのセイタ地域の危険な砂丘地帯を飛行したインジェニュイティのように、車輪のついたローバーが通れないような地形でも飛行することができるのです。」

ローバーが到達できる範囲は限られているが、ヘリコプターはローバーによる探査の範囲を大きく広げることができ、将来の惑星探査においてヘリコプターを使わないミッションは考えにくいかもしれない。ヘリコプターは、ローバーに走行指示を出す前にルートファインダーの役割を果たすことができる。サンプリングに適した場所を調べることもできる。クレーターの壁のような地形のそばでホバリングしたり、溶岩洞窟を探検することもできる。

ヘリコプターは、火星の他の地域も探査することができる。ローバーは重いので、エンジニアたちはいわゆる「火星の呪い」を意識して、ローバーを着陸させる場所に非常に慎重になっている。しかし、もっと軽いヘリコプターなら、他の場所に着陸させることができるのだ。「ヘリコプターを搭載したカプセルは重量が軽いので、火星の高地にでも着陸させることができ、ヘリコプターは火星への突入、降下、着陸の最後の行程を飛行することができます。初めて、火星への真のグローバルアクセスが可能になるのです」と、Balaram氏は書いている。

インジェニュイティは航続距離が非常に限られていた。テスト機であるため、航続距離を伸ばすことは優先事項ではなかった。しかし、将来の火星探査用ヘリコプターは、もっと航続距離が伸びる可能性があるのだ。Balaram氏は、「技術実証としての『インジェニュイティ』は、1ソルあたり約1kmの飛行が限界でしたが、将来の大型ヘリコプターは、1ソルあたり10数kmのトラバースを可能にする耐久性を持つでしょう。そのような能力があれば、火星の広い範囲を大規模にクローズアップして探査することが可能になります。バララムは、ヘリコプターがヴァレス・マリネリスを探査するために開放することができると言っています。そして、火星の氷冠にさえも手が届く日が来るかもしれないのです。」と書いている。

ヘリコプターは、画像の解像度も向上させる。MROは強力なカメラシステムで火星のほぼ全面を撮影してきた。火星でのさまざまな発見につながり、火星探査の着陸地点の選定にも役立っている。しかし、ヘリコプターに搭載された安価で高性能ではないカメラは、MROや他のどのオービターよりも高い解像度で火星表面の特定のエリアを撮影することができる。しかも、はるかに安いコストで。

Balaram氏の4つ目のRは、ロボット技術です。ロボット技術は日々進歩しており、火星探査ヘリに搭載されるロボットの数が増えれば、自律性と機動性が高まることになる。NASAが溶岩洞窟を探索するヘリコプターを開発する場合、ロボット工学はその任務を遂行する必要がある。地球と火星の間には通信の遅れがあるため、そのような探査に必要な細かい制御ができないのだ。

「自律性を可能にする高性能プロセッサ、飛行と運転の両方による前例のない機動性、ロボットハンドによる真の操作能力によって、サンプルチューブの回収以上のことが可能になります。」とBalaram氏は書いている。

これでもまだ十分でないかのように、エンジニアはすでに将来の探査のために、より高度な機体を開発している。「5kg近い科学ペイロードを搭載できる、より高性能なマーズ・サイエンス・ヘリコプター」も、初期のコンセプトと設計の段階にある。

「マーズ・サイエンス・ヘリコプター」と題されたNASAのホワイトペーパーには、次のように書かれている。Balaram氏と他の20人の著者は、”Compelling Science Enabled by an Aerial Platform”と題したNASAのホワイトペーパーで、将来のMSHがどのように機能するかを詳しく説明している。

このホワイトペーパーでは、MSHのデザインとして、同軸型とヘキサコプターの2つの候補が挙げられています。同軸型は「インジェニュイティ」をベースにしたもので、「MHTD(Mars Helicopter Technology Design)」として知られている。航続距離は横方向10km、縦方向2kmとほぼ同じですが、積載重量は約1.3kgに対し、ヘキサコプターは約5kgとはるかに大きくなっている。

このホワイトペーパーでは、火星で回転翼機によって独自に取り組むことができる主要な科学的目標を特定している。

また、このホワイトペーパーでは、MSHが科学的な目的を達成できる科学実験装置と具体的な場所を特定している。これらは3つのミッションコンセプトに分かれており、それぞれ異なる機器を搭載している。それらは、「粘土と宇宙生物学」、「氷に覆われた崖」、「地殻磁気学」だ。

観測機器は、サンプリングアームとマイクロドリル、赤外線イメージャー、中性子スペクトロメーター、気象学パッケージ、磁力計、そして磁力計だ。

ホワイトペーパーは、最終的なミッションの設計に至るまで、すべての考え方を知ることができるため、とても興味深いものだ。著者が懸念しているように、ヘリコプターは火星ミッションの主役になる可能性が高い。この論文は、結論として「同軸ビークルは十分に質量が小さく、体積も小さいので、将来、火星表面への打ち上げの機会があれば、考慮されるべきである。我々はすべての可能性を検討することを推奨する。」と述べている。

これは火星探査においてエキサイティングな時である。ロータークラフトが将来のミッションにどのような影響を与えるか、予測するのは難しい。いつの日か、火星探査のミッションには、固定されたホームベースと複数のロータークラフトが含まれるようになるかもしれない。

将来的には、火星にローバーを送り込むこともなくなるかもしれない。



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