キュリオシティのスカイクレーンがNASAの火星探査方法をどのように変えたか

12年前、NASAはロボットジェットパックを使って探査機を降ろすという大胆な新技術を使って、6輪の科学実験室を着陸させた。

NASA の探査車キュリオシティ ミッションは、火星での 12 年目を迎えます。6 輪の科学者は、火星の山の麓をゆっくりと登りながら、大きな発見を続けています。火星に着陸に成功しただけでも偉業ですが、キュリオシティ ミッションは 2012 年 8 月 5 日にさらに数歩進み、大胆な新技術であるスカイクレーン操作で着陸しました。

急降下するロボットジェットパックがキュリオシティを着陸地点まで運び、ナイロンロープで地表まで降ろした後、ロープを切断して飛び立ち、探査機の射程範囲外で安全に制御された不時着を行った。

もちろん、このすべてはキュリオシティのエンジニアリングチームには見えなかった。彼らは南カリフォルニアにあるNASAジェット推進研究所のミッションコントロールに座って、7分間の苦悶の待機をした後、探査車が無事着陸したという信号を受け取ったとき、歓喜に沸いた。

スカイクレーン操作は必要に迫られて生まれた。キュリオシティは大きすぎて重すぎたため、火星の表面で跳ね回るエアバッグに包まれた先代の探査機のように着陸することはできなかった。この技術によって精度も高まり、着陸楕円も小さくなった。

2021年2月にNASAの最新の火星探査車パーセベランスが着陸した際、スカイクレーンの技術はさらに正確になった。地形相対ナビゲーションと呼ばれる技術が追加されたことで、SUVサイズの探査車は岩やクレーターだらけの古代の湖底に安全に着陸することができた。

JPLは1976年以来NASAの火星着陸に関わっており、当時同研究所はバージニア州ハンプトンにあるNASAのラングレー研究センターと協力し、高価なスロットル式降下エンジンを使って着陸した2機のバイキング静止着陸船の開発に取り組んでいた。

1997 年の火星パスファインダー ミッションの着陸では、JPL は新しい方法を提案しました。着陸機がパラシュートからぶら下がると、巨大なエアバッグが周囲に膨らみます。次に、エアバッグとパラシュートの中間にある 3 つの逆噴射ロケットが宇宙船を地表で停止させます。エアバッグに包まれた宇宙船は、火星まで約 66 フィート (20 メートル) 落下し、何度も跳ねて (時には 50 フィート (15 メートル) の高さまで跳ね上がった後)、停止します。

この手法は非常にうまくいったため、NASAは2004年にスピリットとオポチュニティ探査車を着陸させるのに同じ手法を使った。しかし当時、火星には、エアバッグを破ったり、荷物を制御不能に転がり落ちさせたりするような地形に宇宙船が遭遇しないとエンジニアが確信できる場所がわずかしかなかった。

「火星上で安全に検討できる場所をかろうじて3つ見つけた」と、キュリオシティとパーサヴィアランスの両方の突入、降下、着陸チームで重要な役割を果たしたJPLのアル・チェン氏は語った。

また、エアバッグはキュリオシティほど大きく重い探査機には到底無理であることも明らかになった。NASA がもっと大きな宇宙船を科学的にもっと興味深い場所に着陸させたいなら、もっと優れた技術が必要だった。

2000 年初頭、エンジニアたちは「スマート」着陸システムという概念に取り組み始めました。リアルタイムの速度測定ができる新しい種類のレーダーが利用可能になり、宇宙船の降下制御に役立つ情報が得られるようになりました。新しいタイプのエンジンを使用して、宇宙船を特定の場所へ誘導したり、危険から遠ざけるために揚力を与えたりすることもできます。スカイクレーン操作が形になりつつありました。

JPLフェローのロブ・マニング氏は2000年2月に最初の構想に取り組んだが、ジェットパックをローバーの下ではなく上に配置したことを人々が知って、どんな反応があったかを覚えている。

「人々はそれに困惑した」と彼は言う。「昔のSFでロケットが惑星に着陸するシーンのように、推進力は常に体の下にあると彼らは思っていたのだ。」

マニング氏と同僚は、地面とスラスターの距離をできるだけ離したいと考えていた。着陸船のスラスターは、破片を巻き上げるだけでなく、探査車が抜け出せない穴を掘る恐れがある。また、過去のミッションでは、探査車を収容し、着陸用の傾斜路を延長した着陸船を使用していたが、探査車の上にスラスターを配置することで、車輪が直接地面に接地できるようになり、実質的に着陸装置として機能し、着陸プラットフォームを持ち込む余分な重量を節約できる。

しかし、エンジニアたちは、大型探査機をロープで吊るす際に、制御不能に揺れないようにするにはどうすればよいか確信が持てなかった。地球上の巨大な貨物ヘリコプター（スカイクレーンと呼ばれる）でこの問題がどのように解決されたかを見て、エンジニアたちは、キュリオシティのジェットパックが揺れを感知して制御できる必要があることに気づいた。

「こうした新しい技術のおかげで、地表の正しい場所に到達する可能性が高まりました」とチェン氏は語った。

何よりも素晴らしいのは、このコンセプトが火星だけでなく太陽系の他の場所でも、より大きな宇宙船に転用できることだ。「将来、積荷を運ぶサービスが必要になった場合、この構造を使って、地面に触れることなく月面やその他の場所に簡単に降下できる」とマニング氏は語った。

ミッションの詳細

キュリオシティは、カリフォルニア州パサデナにあるカリフォルニア工科大学が管理するNASAのジェット推進研究所によって建造された。JPLはワシントンにあるNASAの科学ミッション局に代わってミッションを主導している。

Curiosity の詳細については、以下をご覧ください。

science.nasa.gov/mission/msl-curiosity

アンドリュー・グッド
ジェット推進研究所、カリフォルニア州パサデナ
818-393-2433
メールアドレス: [email protected]

カレン・フォックス / アラナ・ジョンソン
NASA本部、ワシントン
202-358-1600
[email protected] / [email protected]

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