NASAの新しいサンプル回収ヘリコプターは火星での飛行を「退屈」なものにしないだろう

NASA の探査車「パーサヴィアランス」は現在、火星のジェゼロクレーターで岩石と土壌のサンプルを採取しており、将来的には地球に持ち帰る予定だ。現在の計画では、2030 年に探査車自身がサンプルチューブを火星着陸船に運び、地球に持ち帰る予定だ。しかし、何か問題が起こった場合、NASA の火星サンプルリターンチームが 7 月下旬に発表したように、2 機の小型ヘリコプターが急襲することになる。

もしそれが実現すれば、サンプル回収ヘリコプターは他の惑星で飛行する2機目と3機目の回転翼機となる。そして、NASAと欧州宇宙機関の共同プロジェクトである火星サンプルリターンミッションにサンプル回収ヘリコプターが参加することは、火星探査の新たな章の始まりとなるかもしれない。つまり、小型軽量ヘリコプターが赤い惑星の周りを定期的に飛び回ることになるのだ。

火星サンプルリターンミッションにヘリコプターを追加するというニュースは、NASAのインジェニュイティヘリコプターが2021年4月に火星上空に昇り、史上初の航空機が別の惑星で動力飛行を行ってからわずか1年余り後に発表された。それ以来、この実験用回転翼航空機はさらに28回の飛行を行っており、予想をはるかに上回っている。

「インジェニュイティの最大の目的は、将来的に火星のさらなる空中探査につながるライト兄弟の瞬間を実現することでした」とNASAジェット推進研究所のインジェニュイティ火星ヘリコプターチームリーダー、テディ・ツァネトス氏は語る。「インジェニュイティの目標は飛行を退屈なものにすることでした…今や私たちは退屈な飛行を続け、退屈な飛行でエキサイティングなことをすることができます。」

当初、火星サンプルリターンミッションのコンセプトには、いわゆるフェッチローバーが含まれていました。これは、パーサヴィアランスローバーによってチューブにすでに保存されているサンプルを収集できるロボットです。フェッチローバーは、サンプルを火星表面から数百ヤード離れたジェゼロクレーター近くの着陸船まで運び、そこでサンプルチューブを火星上昇車両に転送します。次に、ロケット推進の上昇車両は、サンプルチューブの入ったコンテナを、地球への帰還を狙った宇宙船が待機している軌道に打ち上げます。

しかし、火星サンプルリターン副プログラムマネージャーのアン・デベロー氏は、「サンプルを収集するのに十分な大きさと能力を備えた探査車を入手するのは困難でした」と語る。そのような探査車を設計し、火星上昇機と一緒に輸送するにはコストがかかるだろう。

インジェニュイティが最初のテスト飛行を行った直後から、チームは他の構想を模索していた。回転翼機が成功した後、エンジニアたちは、パーセベランスが貯蔵したサンプルを回収するのにヘリコプターが最善の選択肢であるかどうかを検討し始めた。

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ヘリコプターは多くの状況で探査車よりも小型で軽量、機敏に動くとデベロー氏は言う。ヘリコプターは安全な着陸場所を必要とするが、重いタイヤで砂丘を横断する心配はない。

サンプル回収ヘリコプターの設計は、インジェニュイティとあまり変わらない。「宇宙ロボットについて語るとき、伝統は極めて重要です」とツァネトス氏は言う。「インジェニュイティの設計にできるだけ近づけたいのです。信頼性が高く、頑丈だとわかっているからです。」

火星の空気は密度が地球の約1パーセントと非常に薄いため、火星上の航空機は極めて軽量で、十分な揚力を得るために大型で高速回転するローターブレードを備えていなければならない、と同氏は説明する。インジェニュイティの度重なる飛行により、NASAの空気力学シミュレーションが正確であることが確認された。その精度の高さは、このモデルがエンジニアらによる新型飛行ロボット2機の製作の指針となるほどだ。

ただし、サンプル回収ヘリコプターはインジェニュイティの完全なレプリカではない。ツァネトス氏によると、チームはいくつかの調整を行う必要があるという。なぜなら、この2機の回転翼機はただ飛ぶだけでは済まないからだ。着陸機からキャッシュ保管場所まで約2,300フィート移動し、チューブを拾い、着陸機まで戻って指定のドロップオフ場所にチューブを降ろす。そして、このサイクルを15回繰り返す必要があるという。

つまり、ヘリコプターは 4 ポンドのインジェニュイティよりも重い重量を支える必要がある。サンプル回収ヘリコプターの現在のコンセプト設計では、サンプルを拾うためのアームや、キャッシュ デポやドロップ サイトで操作するための車輪などの追加ツールが必要であり、これによりロボットの重量がさらに 1 ポンド増える可能性があると Tzanetos 氏は言う。

「計算をした結果、ローター システムに何らかの変更を加えれば、より多くの質量を持ち上げられることがわかりました」とツァネトス氏は言う。現在、火星サンプル リターン ミッションのリーダーたちは、回収ヘリコプターのコンセプトを進めることを決定しており、ツァネトス氏と彼のチームは、それらの微調整に注力している。

最初のステップの 1 つは、インジェニュイティのオリジナルのローター システムをどこまで拡張できるかを判断することです。火星の環境がチームのモデルで予測したよりも厳しい場合に備えて、エンジニアはテスト ヘリコプターを、必要と思われるよりも高い揚力を持つように設計しました。

「私たちは、これらすべての異なる質量の用途をトレードオフする最適なポイントがどこなのかを見つけ出す作業を始めています」と彼は言う。「たとえば、ブレードをわずかに速く回転させたり、ローター システムにさらに要求したり、ミッションを達成できるより重い航空機を搭載したりできます。」

しかし、ヘリコプターは結局まったく必要なくなるかもしれない。火星探査機「パーサヴィアランス」がサンプルを運べない場合や、回収が完了する前にロボットが故障した場合に備えて、ヘリコプターが火星に飛ばされることになる。

しかし、火星におけるヘリコプターの将来は、インジェニュイティの成功によってすでに予言されているのかもしれない。

「このヘリコプターは驚異的でした」とデベロー氏は述べ、インジェニュイティがパーセベランス探査機の前を飛行し、地上での探査機の先を偵察できることを実証した様子を説明した。また、ヘリコプターは近隣の惑星に対する新たな視点を提供してくれると付け加えた。おそらくいつの日か、ドローンのような回転翼機がマリネリス峡谷のような峡谷を急降下し、探査機が行けない赤い惑星の地層を間近で明らかにする日が来るだろう。

「火星探査では、ローバーは今や当たり前のものとなった」とツァネトス氏は言う。「我々はローバーの作り方を理解し、ローバーの運用方法も理解している。今後数十年で、ヘリコプターについても同じことが言えるようになることを期待している」。飛行機のような翼やヘリコプターのような羽根を持つ航空機の群れが、いつか火星の空を埋め尽くす日が来るかもしれない、とツァネトス氏は言う。