新しい着陸船や探査車なしでは、NASAの火星計画はヘリコプターか失敗かのどちらかだ
Without new landers or rovers, it's helicopters or bust for NASA's Mars program (arstechnica.com)
要約
NASAは、今後30年以上ぶりに、新しい着陸船や探査車を火星に送る計画を持っていません。代わりに、近年の火星探査の焦点は、数年前までは現実的ではなかった先駆的な航空ドローンに移っています。3機のヘリコプターからなるSkyFallミッションは、2028年後半に打ち上げ予定で、火星でのドローンによる科学探査の最初の実用化となります。このミッションは、過去のIngenuityの成功を基盤としており、より大型で科学ペイロードを搭載できるよう改良されています。
全文翻訳
新しい着陸船やローバーなしでは、NASAの火星計画はヘリコプターにかかっている
より大きく、より高性能に
NASAのSR-1 Freedomミッションの費用見積もりは21億ドルですが、これにはヘリコプターの費用は含まれていません。
AeroVironment社のプロトタイプ火星ヘリコプターの1機。出典: AeroVironment
AeroVironment社のプロトタイプ火星ヘリコプターの1機。出典: AeroVironment
NASAは30年以上ぶりに、新しい着陸船やローバーを火星に送る確実な計画を持っていません。代わりに、この赤い惑星における同機関の短期的な焦点は、数年前までは現実的ではなかった先駆的な探査モードである空中ドローンに置かれています。
火星での科学目的でのドローンの最初の本格的な使用は、2028年末に打ち上げが予定されている3機のヘリコプターからなるSkyFallミッションで実現します。SkyFallのヘリコプターは、深宇宙での原子力電気推進の実証を主目的とするNASAのSpace Reactor-1 “Freedom”ミッションと共に赤い惑星へ向かいます。
SR-1 FreedomとSkyFallは、わずか6ヶ月前にはNASAのポートフォリオに存在しなかったプロジェクトであり、その打ち上げスケジュールは野心的です。SR-1 Freedomミッションの計画（推定費用21億ドル）では、キャンセルされた月宇宙ステーション「Gateway」のコアモジュールを原子力電気推進のテストベッドとして再利用することが求められています。SkyFallは、2021年に他の世界で初めて飛行した回転翼機となった実験機、IngenuityヘリコプターのNASAの成功を基盤としています。
NASAのジェット推進研究所（JPL）は、高高度ドローンの開発企業であるAeroVironmentと提携し、3機のSkyFallヘリコプターと1機の予備機を設計・製造しています。このチームは、5年前にNASAのPerseveranceローバーと共に火星に着陸したIngenuityヘリコプターも手がけました。
開発が進行中
AeroVironmentは先週、JPLから3機のSkyFallヘリコプターの「共同設計・共同製造」契約を受注したと発表しました。Ingenuityは当初の5回のテスト飛行計画を大幅に上回り、2024年初頭の不時着まで72回飛行しました。エンジニアは、SkyFallヘリコプターのためにIngenuityの設計を基盤としています。新しい機体はIngenuityよりもやや大きく（1.8kgから約2.5kg）、より重いペイロードを扱うためにローターが改良されています。
AeroVironment社のMacCready Works部門（同社の先進研究開発組織）の責任者であるジェフ・ロドリアン氏は、「SkyFallは、火星ヘリコプターを単発の納品ではなく、繰り返し製造可能な製品ラインとして構築できることを示すだろう」と述べています。
同社によると、AeroVironmentはヘリコプターのローターシステム、機体、構造、アビオニクス統合、そして科学ペイロードの搭載を担当します。JPLは、電源システム、電子機器、アルゴリズム、ソフトウェア、そして火星の地表下の浅い氷を探すための地中レーダーを開発します。各ヘリコプターには、火星の大気に関するデータを収集するためのカメラとセンサーのスイートも搭載されます。
これは、2基のカメラを搭載していましたが洗練された科学機器を欠いていたIngenuityからのアップグレードです。Ingenuityの航続距離は、Perseveranceローバー上の基地局を介して通信する必要があるという制約がありましたが、SkyFallは上空を飛行する通信中継オービターを介して送受信できるようになります。
NASAのIngenuity火星ヘリコプターのこの画像は、2023年8月2日にNASAのPerseverance火星ローバー搭載のMastcam-Z計器によって収集されたデータを使用して生成されました。
出典: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
NASAのIngenuity火星ヘリコプターのこの画像は、2023年8月2日にNASAのPerseverance火星ローバー搭載のMastcam-Z計器によって収集されたデータを使用して生成されました。出典: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS
AeroVironment社の宇宙ベンチャー責任者であるウィル・ポメランツ氏は、「NASAの打ち上げ計画を見て、ローバーや着陸船、あるいは火星の地表に向かう他の何かに同乗する機会がいつ得られるかを探していた。特に火星サンプルリターン計画が変更されるにつれて、すぐに火星の地表に向かうものは他にないだろうことが明らかになり、必ずしも待つ必要はないと考えた」と述べています。
そこでエンジニアたちは、SkyFallヘリコプターを火星に届ける新しい方法を考案しました。Ingenuityのように火星ローバーに便乗するのではなく、SkyFallは赤い惑星への接近時にSR-1 Freedom宇宙船から分離されます。ヘリコプターは、保護されたヒートシールドに包まれて火星の大気圏に突入し、その後、自力で自律的に着陸するために放出されます。
ポメランツ氏は、「それが、現在SkyFallマヌーバとして知られているものの会話の始まりだった。これは達成可能だと考えている。ヘリコプターが投げ出され、それが初期に火星の大気圏に突入する際にエントリーカプセルから出てきて、着陸船プラットフォームやローバープラットフォームを必要とせずに自力で地表に到達できるミッションを持つことができると考えている。」と述べています。
「私たちはそのアイデアに非常に興奮した」と彼は続けた。「それは、率直に言って、火星の地表探査を新しい価格帯で行うための新しい運用モードと新しい打ち上げウィンドウを開くものであり、私にとって非常にエキサイティングであり、おそらく他のどの探査モードでも実現不可能な場所に行くことができるかもしれない。」
コストキャップと質量制限
NASAはSkyFallミッションの予測コストを明らかにしていませんが、同機関の広報担当者はArsにJPLとAeroVironmentとの契約額を提示することを断りました。
利点にもかかわらず、SkyFallのようなドローンには限界があります。
小型化の進歩により、レーダーのようなペイロードをSkyFallのようなプラットフォームに搭載することが可能になりました。しかし、火星ヘリコプターにローバークラスの完全な機器スイートを詰め込む余地はありません。これは、少なくとも現時点では、ロボットアーム、ドリル、または過去または現在の生命の証拠を探すためのペイロードがないことを意味します。SkyFallの地中レーダーのミッションは、NASAの長年の火星探査戦略である「水を追え」を彷彿とさせます。
NASA長官のジャレッド・アイザックマンは、3月にSR-1 Freedomと共にSkyFallミッションへのNASAの支持を発表しました。トランプ政権下でのNASAの明確な優先事項は、月面に月面基地を建設することです。アイザックマンは原子力推進も提唱しており、今後数年間で手頃な価格で達成可能な「勝利」の機会を求めています。SkyFallはその条件を満たしています。
ポメランツ氏は、「私たちは数ヶ月間懸命に作業してきた。私たちは再び、期限内かつ予算内で進んでおり、これは私の航空宇宙キャリアでこれまであまり言えなかった魔法の言葉だが、ここで私たちが手がけたすべての火星ヘリコプタープロジェクトについて言うことができた。」と述べています。
最近の地上試験での大きな進歩は、SkyFallヘリコプターに搭載されるより大きなローターブレードに関連しています。火星の大気は薄く、地球の海面レベルの空気の1パーセントにすぎないため、火星で飛行するヘリコプターは揚力を発生させるために地球よりも速くローターを回転させる必要があります。重い機体は軽い機体よりも多くの揚力を必要とするため、SkyFallのローターはIngenuityのものよりも大きくなります。これは、SkyFallのローターの先端が超音速で火星の大気を切り裂くことを意味します。Ingenuityの設計者は、ブレードが破損するのではないかと懸念していたため、意図的にローターがマッハ1を超えないようにしていました。
エンジニアは今年初めにSkyFallサイズのローターブレードを試験チャンバーに入れ、マッハ1.08の最高速度で回転させましたが、破損しませんでした。
ポメランツ氏は、「ローターの先端を音速以上に引き上げることができた。これは、最も効率的な方法で機体を運用する能力に大きな自信を与えてくれる。また、SkyFallマヌーバ自体を実行する能力、そしてエントリーカプセルから降りて地面に着陸する最初の飛行のレジームを通過する能力にも大きな自信を与えてくれる。」と述べています。
NASAは現在もSkyFallの着陸地点を選定中ですが、地下水の氷の探査は、ヘリコプターを火星の極にある永久氷冠に近づける可能性があります。ジェット推進研究所とAeroVironmentのエンジニアは、高緯度地域での発電能力を向上させるためのより大きなソーラーパネルに取り組んでいるとポメランツ氏は述べています。科学者がヘリコプターをどのように使用するかを知るにはまだ時期尚早です。火星到着後、それぞれが異なる方向に飛行する可能性もあれば、協調して観測を行う可能性もあります。
ポメランツ氏は、「これは非常にクールなミッションだ。それ自体が技術実証であり、このSkyFallマヌーバを実証している。そして、目標は、地中レーダーを含む専用の科学機器を搭載して飛行し、科学ミッションに貢献することだ。」と述べています。
火星での展開準備中のSkyFallヘリコプターのアーティストのイラスト。
出典: NASA/JPL-Caltech
火星での展開準備中のSkyFallヘリコプターのアーティストのイラスト。出典: NASA/JPL-Caltech
ヘリコプターとそれ以外はほとんどない
SkyFallの興奮にもかかわらず、NASAの火星探査プログラムにとっては厳しい時代です。宇宙機関は、110億ドルという独立した見積もりを含む費用の高騰により、火星の岩石サンプルを地球にロボットで持ち帰る計画を中止しました。NASAの最新の火星ローバーであるPerseveranceミッションは、最終的な地球への帰還のために標本を収集する目的で2021年に火星に着陸しました。Perseveranceミッション単体で、これまでにNASAに約30億ドルの費用がかかっています。
同時に、NASAの惑星科学ミッションの予算は過去数年間で減少しています。トランプ政権は、さらに削減されることを望んでいます。
これは火星プログラムが死んだということではありません。NASAは、2028年に打ち上げ予定で、生命の痕跡を探すために火星の地殻を掘削するローバーである欧州宇宙機関（ESA）のRosalind Franklinミッションでジュニアパートナーを務めています。NASAのESCAPADEミッションの一部である2つの控えめなオービターは、昨年打ち上げられ、火星の大気と太陽風の相互作用を研究するために火星に向かっています。
NASAの将来の火星探査戦略は、月に対する同機関のアプローチと非常によく似ています。「商業的に購入する」ということです。これは長期的には成果を上げる可能性がありますが、NASAの商業月面ミッションの経験と同様に、特に着陸船にとっては学習曲線は急峻になるでしょう。8年経っても、NASAのロボット商業月面着陸船プログラムであるCLPSはまだ軌道に乗っていません。有人月面着陸船に関するSpaceXおよびBlue Originとの同機関のパートナーシップは、別の問題です。
NASAの新しい商業火星戦略は開花し始めています。6月、宇宙機関は、NASAのエイムズ研究センターのためにいくつかの科学機器を火星に運ぶ商業オービターを開発するためのパートナーシップを発表しました。NASAとRelativityは、この契約に関する技術的または財政的な詳細を明らかにしていません。
NASAは今年後半に、火星の表面を探査しているPerseveranceおよびCuriosityローバーと地上の管制官を接続するために、火星の通信リレー能力を増強および置き換えるネットワークを開発するためのコンペティションの勝者を発表する予定です。
これらのミッションのそれぞれが、より多くのヘリコプターを火星に届ける候補になる可能性があるとポメランツ氏は述べています。
ポメランツ氏は、「私の願望、そしてAeroVironmentとしての私たちの見解は、すべての打ち上げウィンドウで火星にヘリコプターが行くべきであり、それらはほぼすべての他のシステム、そして今では火星軌道にさえ行くシステムに同乗すべきだということだ。それらは科学コミュニティや、最終的には有人探査コミュニティのために、本当にクールな能力を解き放つ。そしてそれが起こる唯一の方法は、それらが簡単に挿入できること、つまり常に準備ができており、常に時間通りであり、それほどコストがかからないことだ。」と述べています。
「ヘリコプターの好きなところの一つは、それらが優れた地域探査機であることだ」とポメランツ氏は述べている。「私たちは1回の飛行で1キロメートル以上飛行できる。緯度によっては、1日に複数回飛行できる可能性もある。繰り返すが、これらの特定のヘリコプターでそれが起こるとは言っていないが、火星ヘリコプター技術というカテゴリーはそれを可能にする。」
Stephen ClarkはArs Technicaの宇宙記者で、民間宇宙企業と世界の宇宙機関を取材しています。Stephenは、惑星上および惑星外のテクノロジー、科学、政策、ビジネスの交差点について執筆しています。