「7 分間の恐怖」: パーサヴィアランスが火星着陸を生き延びるために必要なテクノロジーを考察

Nov 19, 2023

クイーンズランド大学機械鉱山工学部極超音波センター ARC DECRA フェロー

Chris James は、この記事から利益を得られるであろういかなる会社や組織にも勤務したり、コンサルティングをしたり、株を所有したり、資金を受け取ったりすることはなく、学術上の任命以外の関連する所属も明らかにしていません。

クイーンズランド大学は、The Conversation AU のメンバーとして資金を提供しています。

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今月は火星探査で忙しい月でした。 いくつかの国は昨年6月、打ち上げ期間を利用して火星にミッションを派遣した。 ほとんどが8か月の航海を経て到着した。

今後数日以内に、NASAは火星のジェゼロ・クレーターに探査機パーサヴィアランスを着陸させるため、火星の大気への直接突入を実行する予定だ。

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車ほどの大きさのパーサヴィアランスは、火星史上最大のペイロードであり、文字通り（地球上で）1トンの重さがある。 着陸後、探査車は古代生命の痕跡を探し、サンプルを収集し、最終的に地球に持ち帰る予定です。

このミッションでは、探査機「キュリオシティ」を着陸させた2012年の火星科学研究所（MSL）ミッションと同様のハードウェアが使用されるが、探査車の着陸精度の向上など、特定のアップグレードが施される予定である。

キュリオシティの航海は、マーズ 2020 がどのような環境に直面するか、生き残るためにどのような技術が必要かについて豊富な情報を提供しました。

火星は地球よりも約 100 倍も薄い大気を持つ敵対的な遠隔環境であるため、飛来する宇宙船が空気力学的に速度を落とすために使用できる大気はほとんどありません。

むしろ、火星に生き残るためには、空気力学、パラシュート、逆推進（着陸の際に減速するためにエンジンの推力を使用する）、そして多くの場合、大型のエアバッグを創造的に組み合わせる必要があります。

また、火星の気象モデルはリアルタイムでは更新されないため、探査機が突入中にどのような環境に直面するか正確にはわかりません。 これまでのミッションで着陸精度が低下した理由の 1 つは、予測不可能な気象現象、特に砂嵐です。

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NASA の技術者は、火星突入ミッションの突入、降下、着陸フェーズ (EDL) を「7 分間の恐怖」と呼んでいます。 わずか 7 分の間に、エントリーが失敗する可能性は無数にあります。

2012 年の MSL 宇宙船には、火星の大気中を降下する際に機体を保護する直径 4.5 メートルの熱シールドが取り付けられていました。

秒速約5,900メートルで火星の大気圏に突入した。 これは極超音速、つまり音速の 5 倍以上です。

2020 年の火星も同様となるでしょう。 内部に収納されている探査車が熱流によって損傷するのを防ぐために、前面熱シールドと後部シェル熱シールドを含む熱保護システムに大きく依存します。

極超音速では、火星の大気は探査機の邪魔にならない速度で抜け出すことができません。 その結果、前方に強い衝撃波が発生します。

この場合、車両の前方のガスが急速に圧縮され、衝撃波と熱シールドの間で圧力と温度が大幅に上昇します。

衝撃後の高温の流れは、突入時に熱シールドの表面を加熱しますが、熱シールドは内部構造をこの熱から保護します。

MSL 2012 と Mars 2020 のミッションでは比較的大きなペイロードが使用されるため、これらの宇宙船は突入段階で過熱するリスクが高くなります。

しかし、MSL は、NASA のフェノール含浸カーボンアブレーター (PICA) 材料を初めて使用した特別に設計された熱シールドのおかげで、この問題を効果的に回避しました。

この材料はマーズ 2020 探査機でも使用されており、合成樹脂に埋め込まれた細断された炭素繊維で作られています。 非常に軽く、莫大な熱を吸収し、効果的な断熱材です。

2012 年の MSL ミッション以前のすべてのエントリーは無誘導でした。つまり、フライト コンピューターによってリアルタイムで制御されていませんでした。

その代わりに、探査機は火星の「突入境界面」（地上125キロメートル）に特定の方法で衝突し、その後火星の風に乗ってどこにでも着陸するように設計されていた。 これに伴い、着陸の不確実性が大幅に高まりました。

着陸の不確実性の領域は着陸楕円と呼ばれます。 NASA の 1970 年代のバイキング火星探査計画では、着陸楕円は 280x100km と推定されていました。 しかし、MSL と Mars 2020 は両方とも、以前の取り組みを上回るパフォーマンスを発揮するように構築されました。

MSL ミッションは、最初のガイド付き火星突入でした。 アップグレードされたバージョンのアポロ誘導コンピューターがリアルタイムで車両を制御し、正確な着陸を保証しました。

これにより、MSL は推定着陸楕円を 20x6.5 km に縮小し、最終的に目標からわずか 2 km の位置に着陸することができました。 運が良ければ、2020 年の火星でも同様の結果が得られるでしょう。

パラシュートは、最終的な着陸操作が実行できる程度にマーズ 2020 探査機の速度を落とすために使用されます。

直径21.5メートルのこのパラシュートは火星で使用された史上最大のものとなり、音速よりも速く展開する必要がある。

正確な着陸を達成するには、適切なタイミングでパラシュートを展開することが重要です。

「レンジトリガー」と呼ばれる真新しい技術は、希望する着陸地点に対する宇宙船の相対位置に基づいて展開時間を制御します。

パラシュートが開いてから約 20 秒後に熱シールドが宇宙船から分離し、パーサヴィアランスは火星の環境にさらされます。 地上に近づくとカメラとセンサーが情報を収集し始める可能性があります。

探査機の特殊な地形相対ナビゲーション システムは、探査機を安定した着陸面に方向転換することで、安全に着陸するのに役立ちます。

パーサヴィアランスは、事前に読み込まれた着陸地点の地図と、急速降下中に収集された画像を比較します。 その後、下のランドマークを識別し、地面に対する相対位置を約 40 メートルの精度で推定できるようになります。

地形相対ナビゲーションは、過去の火星探査に使用された方法よりもはるかに優れています。 古い宇宙船は突入時の位置についての独自の内部推定に依存する必要があり、この情報を効果的に再調整する方法がありませんでした。

彼らは、地面に近づいたときに、自分たちがどこにいるかを約2〜3kmの精度で推測することしかできませんでした。

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マーズ2020探査機を運ぶパラシュートは、時速約320キロまでしか速度を落とすことができない。

安全に着陸するために、宇宙船はパラシュートとバックシェルを取り外し、ロケットを地面に向けて使用し、最後の 2,100 メートルまでゆっくりと降下します。 これを「逆推進」といいます。

そして、（MSL以前のミッションで行われていたように）探査車を着陸させるためにエアバッグを使用することを避けるために、マーズ2020では「スカイクレーン」操縦が使用されます。 一連のケーブルがパーサヴィアランスをゆっくりと地面に下ろし、自律動作の準備を整えます。

パーサヴィアランスは、車輪が安全に地面に着いていることを感知すると、降下車両に接続されているケーブルを切断します（車両は飛び去り、遠くのどこかに衝突します）。

これで、7分間の恐怖は終わります。