火星へのミッションに関しては、NASA はここ数十年連勝を続けています。そのスピリット、オポチュニティ、フェニックス、キュリオシティ、インサイト、そしてパーサヴィアランスのミッションはすべて火星表面への着陸に成功しており、私たちは火星に安全に着陸して探索する方法についてこれまで以上に学んでいます。しかし、同局の火星に関する次の計画は、全く新しいレベルの野心的なものである。パーサヴィアランス探査車は、周回しながら火星の塵や岩石の サンプルを収集し ており、火星サンプルリターンミッションの目的は、それらのサンプルを地球に持ち帰ることです。
ミッションの正確な設計は 最初に発表されて以来変更されて いますが、現在の計画ではサンプル リターン ランダー (SRL) と呼ばれる着陸船を地表に送り、パーサヴィアランスがこの着陸船でサンプルを降ろすことが含まれています。これらのサンプルは、マーズ・アセント・ビークルと呼ばれる着陸船内のロケットに積み込まれ、火星周回軌道に打ち上げられ、そこでサンプルを地球に持ち帰るアース・リターン・オービターと呼ばれる宇宙船とランデブーします。
それが複雑に聞こえるかもしれませんが、それは実際にそうであるからです。これまでに他の惑星の表面からロケットを発射した人はいませんが、それには十分な理由があります。火星に着陸するのが難しいなら、そこから離陸するのはさらに難しい。その理由と、NASAがそれを回避する計画をどのように計画しているかを知るために、私たちは2人の専門家に話を聞きました。
火星には発射台はない
最も簡単に言うと、他の惑星からロケットを打ち上げようとする際の難しい点は、火星には発射台がないということです。発射台は、ロケットが発射できる平らで安定した表面を提供し、重要なことに、強力なロケット エンジンからの噴射が衝突しても物質が飛び散ることがありません。
ロケットが地面から離陸するのに十分な勢いでエンジンを噴射すると、「後部を吹き飛ばすのに必要なエネルギーの量は膨大です」と、NASAで働いていた発射台の専門家であるセントラルフロリダ大学のフィル・メッツガー氏は説明しました。長年。そのエネルギーがレゴリスと呼ばれる塵っぽい物質で覆われた火星の表面に衝突すると、巻き上げられた物質が重大な問題を引き起こし、ロケット自体に損傷を与える可能性もあります。
たとえば、探査車「キュリオシティ」の着陸時にも同様の問題が発生した。探査機を載せた降下ステージには、その端に強力なエンジンが取り付けられていました。これらは着陸の最終段階で降下を遅らせるために下向きに吹きました。
これは探査車を地上に着陸させるのにはうまくいきましたが、ジェットプルームの力で塵や小さな石が大きな力で吹き上げられ、そのうちの 1 つが探査機の着陸時に風センサーの 1 つに衝突し、機能を停止させてしまいました。幸いなことに、探査機には 2 番目の風センサーがあったため、引き続き測定を行うことができましたが、今回の事故は、埃っぽい地面に着陸するのが簡単ではないことを示しました。
表面の下で
もう 1 つの課題は、着陸時の車両の下の地面の安定性です。表面の物質が巻き上げられ磨耗すると、ロケットの噴煙が惑星の表面にクレーターを掘る可能性があります。
それが実際にどの程度の問題であるかは、根底にあるものによって異なります。たとえば、NASAのフェニックス着陸船は地球の極北に着陸し、表面の物質を吹き飛ばして実質的に着陸パッドのような役割を果たした氷のシートの上に着陸した。それはうまくいきました。しかし、中国の探査機「Zhurong」が火星に着陸したとき、そのエンジンは着陸車両の下の地表に 深く狭い穴を掘りました 。
「非常に緩い土壌にいる場合、ロケットの爆発中に深くて狭い円筒形のクレーターができ、そこからガスがシリンダー内に噴射されて車両に向かって逆流する可能性があります。しかし、ロケットエンジンが停止するとすぐに、そのクレーターは円錐形に崩壊します」とメッツガー氏は説明した。これの問題は、クレーターの幅が十分に広い場合、着陸船の脚の下の土が崩れて着陸船が傾く可能性があり、着陸船が傾くと探査車や他の機器の配備が不可能になる可能性があることです。
このプロセスは土壌中の水と氷の量に関係していると考えられているため、予測するのが困難です。さまざまな地域の火星の地下の正確な組成がわかっていないだけでなく、氷は季節の経過とともに溶ける可能性があり、着陸から数週間または数か月後に崩壊を引き起こす可能性があります。
下り車両を利用する
では、NASAはどうやって火星に穴を開けたり、破片で破壊したりせずにロケットを打ち上げる計画を立てているのでしょうか?
エンジニアは、すでに存在するもの、つまり降下車両を利用する予定です。月へのアポロ計画が月着陸船を使用して打ち上げられたのと同じように、火星サンプルリターンミッションでは、マーズアセントビークルと呼ばれる小型ロケットを打ち上げる基地としてサンプル回収着陸船が使用されます。
これは、着陸船が火星表面に安全にミッションを運んだ後、別の仕事をする必要があるため、特別な設計が必要であることを意味します。「この着陸船は、これまでの着陸船とは異なり、その後も別の仕事をします」とサンプル回収着陸船のレイ・ベイカー氏NASAのジェット推進研究所の飛行システムマネージャーは、「火星探査機にサンプルを積み込んだ後に打ち上げる予定だ」と説明した。
これにはいくつかの課題があります。まず、ロケットは真上を向いていません。その方法では着陸カプセル内に収まらないからです。垂直に傾けるためのクレーンラインガントリーシステムを組み込むと重すぎるため、代わりに横向きに置きます。 2 番目の問題は、ロケット エンジンからのプルームが依然として着陸船の周囲の表面と相互作用し、ロケットにとって危険な方法で物質を吐き出す可能性があることです。
両方の問題に対する解決策は、奇妙に見えるかもしれないが、独創的である。着陸船が ロケットを空中に投げ上げ 、空中でロケットのエンジンが点火してロケットを軌道に運ぶ。
火星の重力が低く、サンプルの質量が非常に小さいため、このロケットは地球からの打ち上げに使用する種類のロケットに比べて比較的小さくて軽いです。ロケットの総質量は1,000ポンドをわずかに超えるため、着陸船の機構がエンジンが点火する前にロケットを空中に押し出すことが可能です。
VECTORと呼ばれるこのシステムは「遊園地のようなもの」だとベイカー氏は語った。 「遊園地ではあらゆる油圧音を目にすることができます。ジェットコースターなどに乗っているとき、乗り上げたりリフトを与えたりするときに、その音を聞くことができます。それが私たちがやっていることです。基本的に、いくつかのピストンを駆動してこの1,000ポンドのものを空中に投げ上げるガス発生器があり、その後ロケットが点火して離陸します。」
着陸システムのスケールアップ
ただし、このシステムの複雑さにより新たな問題が生じます。それは着陸船の総質量です。
これまでの火星探査では、オポチュニティ探査機やスピリット探査機のようにエアバッグなどのシステムが使用されたり、探査機キュリオシティやパーサヴィアランス探査機のようにケーブルで探査機を地表まで降ろすスカイクレーンと呼ばれるジェット駆動の降下ステージが使用されたりしてきた。しかし、これらのシステムがサポートできる質量には限界があり、最近の探査車の着陸ではすでにこの限界が押し上げられていました。
MSRの着陸船はパーサヴィアランス探査機とそのスカイクレーンシステムを合わせたものより約50％重いため、システムを大型化する必要がある。サンプル回収着陸船で使用されるエンジンは、スカイクレーンで使用されるエンジンとほぼ同じですが、8 基ではなく 12 基が着陸船の四方に配置されます。
しかし、12 基の大型で強力なエンジンがプルームを吹き出すと、打ち上げロケットと同じクレーターの問題が発生する可能性があります。そのため、これらのエンジンは外側に傾けられており、その噴煙が着陸船の脚や、探査車パーサヴィアランスがサンプル管を積み込むために接近する必要がある車両の前部から吹き飛ばされるようになっている。
この問題を軽減するには「カンティングが一番大事だ」とベイカー氏は言うが、彼らには他の計画もあるという。溝や穴を掘るのには時間がかかるので、比較的早く、時速 5 ～ 6 マイルで下山します。速いように聞こえませんが、地面に激突するときは速いのです。」
これはパーサヴィアランスの接地速度よりも 3 ～ 4 倍速く、そのような速い着陸の力に対処するために、着陸船の 4 本の着陸脚はロード リミッターと呼ばれる装置を使用して 曲がり、着陸のエネルギーを吸収する ように設計されています。この高速着陸は、SRL ではスカイ クレーンよりもエンジンが地面にずっと近くなるという事実を考慮したものです。この考えは、これらのエンジンが地表に向けて噴射する時間を短くすることで、地表への影響を少なくし、着陸船が着地した後に問題が発生する可能性を低くするというものです。
しかし念のため、チームはキュリオシティの風センサーの破壊から、最善の計画を立てたとしても、依然として破片が飛び散る可能性があることも学んだ。ベーカー氏は、機密性の高いコンポーネントはすべて、安全を保つためにシールドされると述べ、「露出したものは、使い終わったために不要なものであるか、保護されているかのどちらかであることを確認します」と述べた。
火星が票を獲得
しかし、この新しいシステムがあっても、火星の環境を征服するのは簡単ではありません。ロケット打ち上げの大きな問題は、着陸船が着陸する地面の安定性だ。
「マースには投票権がある」とベイカー氏は語った。 「我々は柔らかい土壌にいる可能性がある。私たちは岩盤の上にいるかもしれません。あるいは、両方を採用することもできますが、実際にはそれが最も難しい問題であることがわかります。」着陸船の脚の下の土壌が均一であれば、ロケットを空中に投げる力が均等に分散されるからです。しかし、着陸船の片側が硬い地面の上にあり、もう一方の側が柔らかい地面の上にある場合、ロケットを押し上げるときに着陸船が傾き、ロケットが間違った方向に発射される可能性があります。
この可能性を考慮して、着陸船内には不安定な地形の影響を軽減するために量を変えて与えるシステムがあります。
「私たちには、私たちを導く科学があります。」
また、天候の変化や大気中の塵の量など、火星着陸と同じ課題があります。 Curiosity、InSight、Perseverance などのミッションは火星の大気や天気に関するデータを収集するため、季節を通じた火星の変化に関するより優れたモデルが増えていますが、状況を完全に予測することはまだできません。
そして、地上に破片や障害物があり、到着する航空機に危険を及ぼす可能性があります。 SRLは、パーサヴィアランスの と同様のシステムを使用する予定で、降下車両のカメラを使用して、降下車両が陸地に進入する際に地表の画像を撮影し、潜在的な安全な着陸エリアを強調表示し、それらのグリーンゾーンに向けて機体を操縦します。
しかし、SRL には別の問題があります。SRL は、特定の 1 つの場所に着陸し、地表を横切って特定の目的地まで移動する必要があります。ベイカー氏は、これを「X マークがその場所にマークされている」と表現しました。サンプルを降ろすためにパーサヴィアランスがアクセスできる場所である必要があるため、着陸船が別の着陸場所を選択する余地ははるかに少ないです。そのため着陸は難しくなりますが、SRL には 1 つの利点があります。それは、地面に目を向けることです。パーサヴィアランスは、打ち上げ前から偵察員として機能し、着陸地点の調査を行い、SRL の着陸に役立つ画像を収集します。
「つまり、私たちはパーサヴィアランスから正しい真実を入手しました。私たちには、私たちを導く科学があります」とベイカー氏は語った。 「そして、未知の部分を考慮して大幅なマージンを追加します。」
政治的意志の問題
打ち上げと着陸は、野心的な火星サンプルリターン計画の一部にすぎません。ロケットを軌道上の宇宙船とランデブーさせてサンプルを送り届けるという課題や、地球と火星間の通信遅延により宇宙船が自律的に行動できないことを意味するため、すべてが自律的に動作する必要性については、まだ触れられていません。直接制御されます。
この計画の野心は膨大であり、ミッションにかかる推定コストは すでに高騰して おり、計画が現実的かどうかについての 議論 につながっています。
「これは非常に挑戦的で、非常に制約が多いですが、やる価値もあります。」
メッツガーにとって、このミッションの技術的な課題はかなりのものだが、克服できる可能性はある。いつものように、問題の核心はお金です。 「期限内に問題を解決するためにプロジェクトにリソースを投入する政治的意志はあるでしょうか?」彼はその問題を要約した。 「アポロ計画中、私たちはその政治的意志を持っていました。」そしてNASAがおそらく技術的により困難なミッションを10年以内にやり遂げることができたのは、国民と政治の支援があったからですが、同じ姿勢が現在も普及しているかどうかは彼にはわかりません。
MSRを支持して政治的意志が結集するかどうかはまだ分からないが、ベイカー氏のチームはこの挑戦に備える準備ができている。 「これは非常に挑戦的で制約も多いが、やる価値はある」と同氏は語った。 「私は『パーサヴィアランス』に取り組みました。それをとても誇りに思っています。そして、それはすでにマーズ サンプル リターンの方向に向けた大きな一歩だったと感じています。そして、それをやり遂げるチームの一員にならないなんて想像もできません。」