火星の驚異: 火星ヘリコプターのテストと開発 Ingenuity

ポール・ウィリスの言葉

今年4月、マーズ2020ミッションの一環として火星に派遣されたNASAのヘリコプター「インジェニュイティ」が、火星で50回目の飛行を行った。 この飛行は、2021年4月に火星で初めて飛行したこの小型探査機の驚くべき2年間の記録を締めくくるもので、39秒間の飛行で、他の惑星で回転翼航空機が動力を供給され、制御された飛行を初めて記録した。

それ以来、インジェニュイティは、火星表面でのわずか 5 回の飛行を目的とした技術デモンストレーションであることを意図していた開発者の期待をはるかに上回りました。 これらのエンジニアの中心人物は、Ingenuity コンセプトの発案者であり、その開発、試験、火星での運用における主任エンジニアである Bob Balaram です。

バララム氏が、インジェニュイティのミッションが達成したことを当然のことながら誇りに思っています。 「夜空を見上げて火星の小さな赤い点が見え、そのどこかに私たちのチームが組み立てた小さなヘリコプターがあると考えるのは本当に素晴らしいことです。」と彼は言います。

バララムのアイデアを現実に変えることが、エンジニアリングの驚異的な偉業であったことを誇張することはできず、宇宙探査の歴史において、創意工夫は重大な転機となる可能性があります。 バララム氏が言うように、インジェニュイティは他の惑星での将来の無人飛行への「扉を開いた」のです。

火星の場合、NASAは暫定的に2026年に予定されているサンプルリターンミッションの一環として、さらに2機のヘリコプターを火星に送る計画を立てている。翌年2027年に打ち上げられる予定の別のNASAミッションは、重量450kg（990ポンド）のドラゴンフライである。土星の衛星タイタンを探査して生命の痕跡を探すために使用される回転翼船。

重量わずか 1.8kg の Ingenuity よりもはるかに大きい Dragonfly の開発者は大きな野心を抱いています。 このヘリコプターは移動科学実験室となり、タイタンのさまざまな場所に着陸して、この遠い月の表面に存在するプレバイオティクスの化学を研究します。

ラルフ・ローレンツは、NASA 向けに Dragonfly の開発を主導しているジョンズ・ホプキンス応用物理研究所 (APL) の Dragonfly ミッションアーキテクトであり、惑星科学者およびエンジニアでもあります。 同氏は、Ingenuity と Dragonfly のミッション目標と運用環境の大きな違いは、「ハードウェアにはほとんど、またはまったく継承されていない」ことを意味していると述べています。 それにもかかわらず、彼と彼のチームはインジェニュイティの運営から得た教訓を活用しています。 Ingenuity チームのメンバー数名が、Dragonfly の相談役としての役割を果たしてきました。

バララム氏が最初に火星でのヘリコプター飛行のアイデアを思いついたのは1990年代に遡るが、彼はそれが唯一のアイデアではなかったことを認めている。 「アメリカ ヘリコプター協会は、大学生が火星用のヘリコプターを設計できるコンペを開催しました」とバララム氏は言います。 「これは、NASA のパスファインダー計画が小さな探査車ソジャーナー [1997 年] で火星に着陸した頃でした。 そのため、当時は火星について非常に興奮していました。」

それでも、そのコンセプトはその後 15 年間棚上げされたままだったが、当時初期のドローン技術への関心が高まり、バララム氏は火星ミッションでのこの技術の実現可能性を詳述する概要を作成するよう依頼された。 「彼らは私たちにシードマネーを与えてくれたので、私たちは Ingenuity を設計して構築しました」とバララム氏は言います。

2019年4月7日にインジェニュイティがローターブレードのロックを解除した瞬間、初飛行前の重要なマイルストーン（写真：NASA/JPL-Caltech）

バララム氏と彼のチームはいくつかの複雑な課題を克服する必要がありましたが、その中で最も重要なものは火星の大気が非常に薄いことでした。 火星の空気密度は、地球の海面の空気密度の約 1% です。

これにより、離陸時の揚力を生み出すことが非常に困難になります。 地球の約 3 分の 1 である下部火星の引力が多少は役に立ちますが、「依然として非常に低い密度で戦っているのです」とバララム氏は言います。

したがって、インジェニュイティを空中に搭載するには、可能な限り軽量にすることが優先されました。 しかし、この設計基準は、火星の非常に過酷な環境で生き残るために宇宙船を十分に頑丈にするという別の基準と衝突しました。