このグライダーは風力だけで何ヶ月も火星を航行できる

飛行機が誕生してから約 120 年が経ち、人類は音速の壁を破り、地球の空を逆さまに飛ぶ飛行機を設計できるようになりました。しかし、別の惑星を高く飛ぶとなると、話はまったく別です。

アリゾナ大学とNASAエイムズ研究センターの航空宇宙エンジニアのチームは、火星の空中探査のための新しいコンセプトである火星セイルプレーンを設計することに着想を得た。最近ジャーナルに詳細が掲載された彼らのコンセプトは、 航空宇宙とは、モーターやエンジンを使わず、風の力で雲の上を飛ぶ飛行機のことです。

火星で長期飛行可能な乗り物の開発は、これまで実現が困難な課題でした。火星には、広大な砂嵐、表面重力の低さ、地球の100倍薄い大気など、飛行機の飛行条件が地球とは大きく異なる条件が数多くあります。しかし、2021年に火星ヘリコプター「インジェニュイティ」が、火星でも動力飛行が可能であることを証明しました。初飛行では、小型回転翼ヘリコプターが火星の表面から約10フィートまで上昇し、約30秒間ホバリングすることができました。

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それ以来、インジェニュイティは地表での飛行を 29 回成功させています。しかし、この機体の最大の課題の 1 つは、作動するために常に太陽光発電を必要とすることです。「固定翼飛行機は推進力によって制限されます」と、セイルプレーン研究の主執筆者であり、アリゾナ大学の機械工学研究者であるアドリアン・ブスケラ氏は言います。「では、飛行経路や機内燃料を延長するにはどうしたらよいでしょうか?」

結局、この問題の解決策は、自然界にすでに普及しているものだった。飛行機の飛行経路を拡大するために、チームは「ダイナミックソアリング」と呼ばれる技術を使用するモデルを作成した。ダイナミックソアリングでは、鳥が風のエネルギーを利用して複雑な空中操縦を行う。この技術はもともと、グンカンドリやアホウドリなどの鳥類で観察された。実際、アホウドリの翼は滑空に非常に特化しており、着陸して休むことなく、海上数千マイルにわたって気流に乗ることができる。ダイナミックソアリングと航空宇宙技術を組み合わせることで、グライダーは燃料やエンジンなしで数日または数か月も飛行できるようになり、これまでのNASAのミッションでは探検できなかった場所に進出できるようになる。

火星セイルプレーンチームはまた、大気の変化を監視し、漂流し続けるために素早く調整する必要があることから、この航空機を完全に自律的に設計する計画も立てている。ブスケラ氏と彼の協力者は、地球上でこれを行うためのコンピューターアルゴリズムをすでに設計しているが、セイルプレーンが火星で生き残るためには、それを火星向けに修正する必要がある。

「そこには、風を監視し、風を記録し、風を地図に描き、その中から最適な軌道を見つけるコードが組み込まれている必要がある」とブスケラ氏は言う。

セールプレーンはエネルギーを節約できるだけでなく、コストも節約できる。セールプレーンは一般的に製造コストが安く、軽量で、膨張式なので靴箱に収まるほど小さい。アリゾナ大学の航空宇宙および機械工学准教授ジェカン・タンガ氏は、セールプレーンが将来、火星の主力ミッションの補助的なペイロードとして配備される可能性、あるいはキューブサットの艦隊に搭載される可能性もあると語る。開発プロセスがこれほど簡単なので、大量生産は確かに魅力的なアイデアだ。

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しかし、このプロジェクトには、宇宙機関がゴーサインを出す前に克服しなければならない設計と製造の障害がいくつかある。チームの最大の課題の 1 つは、この乗り物が火星の大気圏に突入して降下する方法を決定することだ。さらに、タンガ氏によると、このような乗り物の配備時期はまだ決まっていないという。ここで役立つのが、ある種の運搬車両だ。「配備にはもう少し時間がかかるので、熱気球や飛行船などの補助的な乗り物も検討しているのです」とタンガ氏は説明する。

機体が最終的に赤い惑星の表面に着陸すると、残念ながらグライダーの飛行時間は終了する。しかし、地上に留まっている間も、グライダーは引き続き使用できる。

現時点では、チームはこのグライダーが気象観測所として「第二の人生」を送ることを想定している。この機体にはカメラや温度、圧力、ガスセンサーが装備されており、遠隔地から大気のデータを観測し記録し続ける。最終的には、十分な数のグライダーが着陸すれば、そこから送られてくる情報を使って、火星の謎めいた気象システムのより優れた数値モデルを作成できるようになるだろう。

「火星の大気に関するデータはいくつかあるが、十分ではない」とNASAの研究科学者でこの研究の共著者であるアレクサンドル・クリング氏は言う。「そのため、このミッションの目的は環境についてさらに学ぶことだ」

タンガ氏は、この技術がさらに発展すれば、「空飛ぶ乗り物のエコシステム全体」が火星のグランドキャニオンや火星の火山地帯、高地などの場所をより詳しく探査できるようになると指摘する。それまでは、このグライダープロジェクトはまだ初期の試作段階だが、適切な資金があれば2、3年で宇宙ミッションの準備が整う可能性がある。その間、チームは地球上でこの飛行機をすぐにテストする予定だ。今年の夏後半には、エンジニアたちがこの模型を飛行場に持ち込み、風の状態が火星と似た高度15,000フィートまで飛ばす予定だ。

これらのグライダーの試作機が火星の空を飛ぶ準備ができるまでには、まだ学ぶべきことがたくさんあるが、クリング氏が強調するように、高いリスクには高い報酬が伴う。

「火星を飛ぶことは可能です」とクリング氏は言う。「簡単だと言っているわけではありませんが、非常に有望です。」