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https://www.bbc.com/future/article/20220207-the-drones-that-will-fly-in-alien-skies
地球上を飛ぶことのない航空機
マーク・ピエシン
2022年2月8日
― 火星の空でドローンを飛ばすことができれば、ローバーよりもはるかに速くはるかに多くの地域をカバーすることができる。しかし、1つを設計することは大きな課題であるー
2021年4月19日、インジェニュイティという名前の小さな実験用ヘリコプターが火星の地面から歴史書にのこる離陸を行った。自律型機械のローターは、薄い大気中で猛烈に回転して十分な揚力を生み出し、航空機を1階建ての建物の高さまで上昇させた。インジェニュイティがホバリングしてから安全に着陸し、人類の最初の制御された飛行を別の惑星にもたらした。それが上陸した場所は、航空のパイオニアにちなんでライト兄弟フィールドと名付けられた。
2030年代半ばには、トンボと呼ばれる小型車サイズの回転翼航空機が次のステップに進む予定である。土星の最大の衛星であるタイタンに着陸し、人類の最初の探査ミッションを開始する。1時間で、トンボは、これまでに別の惑星を移動したどの地上のローバーよりも遠くまで飛ぶだろう。マルチロータードローンのような乗り物は、タイタンの表面を横切って飛行し、次の目的地に飛行する前に、実験を実行するために1タイタン日（16地球日）着陸する。
しかし、地球外の航空にとっての最大の課題、そしておそらく最大の機会は、極度の熱、圧力、酸性の大気を伴う、地獄のように暑い惑星金星である。ひびの入ったスレートのような表面で127分以上生き残った着陸船はいない。
代わりに、科学者たちは金星に2機の航空機を送ることを提案している。1つは太陽電池式のグライダーのような航空機で、惑星のより穏やかな上層大気を無期限に飛行できる。もう1つは、地表近くの厳しい環境を飛行する全翼機の設計である。
「金星に着陸できるようにする技術を開発することは困難だ」と、金星のミッションの概念を開発しているカリフォルニアの惑星科学研究所の上級科学者であるエルダー・ノエ・ドブレアは言う。「唯一の選択肢は、大気圏を飛行することだ。」
空中移動計画 Groupのロボット工学技術者であり、インジェニュイティ・マーズ・ヘリコプターのチームリーダーであるテディー・ツァネトスは、次世代の火星ヘリコプターの設計にすでに取り組んでいる。「私たちは、ライト兄弟の最初の飛行がここ地球で人類のために何をしたかを知っている、そして私たちは他の惑星で同じモデルに従うと思う」と彼は言う。
「私はそのようなアナログ比較を考えていなかったが、トンボはインジェニュイティの初飛行後の次のステップである」と、ジョンズホプキンス応用物理研究所の主任研究員であるエリザベス "ジビ"タートルは言う。「これは、科学的ペイロード全体を場所から場所へ運ぶ最初の[空中]車両になる。」
初期の極地航空のパイオニアのように、NASAのエンジニアは、航空機が新しい世界の探査にどのように革命を起こすことができるかを理解した。火星の着陸船バイキングやキュリオシティのような象徴的な機械や、タイタンのカッシーニのような探査機は、適切な大気がある場所での探査で引き続き重要な役割を果たするが、他の選択肢があるかもしれない。ロボットおよび制御された飛行船、ヘリコプター、ドローン、さらに膨張式プロペラ機（NASAの科学者によるすべての提案）は、惑星の表面の広い領域に関する高品質のデータをすばやく収集し、危険な地形を回避し、ローバーや軌道からは不可能な近接画像を収集できる、さまざまな視点からミッションターゲットを確認する。このような航空機は、山、山頂、さらには金星の住みにくい表面など、ローバーが行けない場所にも移動できる。
NASAのエンジニアにとっての問題は、各惑星の環境が航空機の種類、その積載量、および能力に異なる一連の制約を課していることである。エンジニアが利用できるテクノロジーには、同様の制約がある。
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火星では、大気は地球の1％未満の厚さであるため、航空機が揚力を生成するのは非常に困難である。
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サターンVロケットの設計者であるヴェルナー・フォンブラウンは、極超音速グライダーで火星に着陸することを想定していた。サイエンスフィクション作家のフィリップKディックは、火星にいる人間の入植者をヘリコプターで想像した。NASAのエンジニアは、1970年代にバイキング着陸船が着陸した後、火星航空機の概念を検討し始めた。その特徴は、米軍が使用する今日のプレデタードローンになった。
火星では、大気は地球の1％未満の厚さであるため、航空機が揚力を生成するのは非常に困難である。つまり、火星のヘリコプターは非常に軽量である必要があるが、それでもリチウムイオン電池、センサー、カメラ、および暖房と断熱材を持ち上げて、火星の寒い夜に生き続けることができる。「これらすべての課題を解決し、重量が1.8kg（4lb）未満の航空機を製造できれば、あなたは創意工夫を凝らしている」とツァネトスは言う。
「私たちの機関長とチームのメンバーは、1990年代に火星のヘリコプターのアイデアを最初に検討し始めたが、技術はそこになかった」と彼は言う。 「2010年代に早送りした。テクノロジーのデモンストレーターにとってはそうであった。」
チームは固定翼航空機も検討したが、火星では飛行場なしで動作するため、回転翼航空機の方が理にかなっている。
NASAには、「基本原則が観察および報告された」場合のTRL1から、ミッション運用によるTRL9または「飛行証明」までの9つの異なる技術準備レベル（TRL）がある。
1990年代には、インジェニュイティに電力を供給するために必要なタイプのバッテリーが開発されたのはごく最近であり、炭素繊維などの材料の可能性を認識している人はほとんどいなかった。同様に、センサー、軽量のコンピューティングマッスル、およびマシンを飛ばすためのアルゴリズムは、十分に成熟していなかった。また、それらを構築して飛行する人間のスキルもなかった。
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主な目標は、火星で飛行できることを証明することであった。それは30回以上の飛行であった– テディー・ツァネトス
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20年以上経った今、それは別の問題である。今日、地球上では、ドローンは小包とワクチンを配達し、作物や遺跡の調査に使用されている。「これは、インジェニュイティを実現するために、これらすべてのテクノロジーが適切なタイミングで統合されたものであった」とツァネトスは言う。
インジェニュイティはテスト飛行を完了し、まだ飛行中である。「主な目標は、火星で飛行できることを証明することであった。それは30回以上の飛行であった」とツァネトスは言う。「私たちが将来に与えることができる最大の影響は、インジェニュイティを飛ばし続けることである。
「私たちが成功裏に完了したすべての飛行は、将来の世代が使用するために重要となるエンジニアリングデータの宝庫を提供する。」
ツァネトスによると、チームははるかに長い距離ではるかに重いペイロードを運ぶことができる回転翼航空機の設計にも取り組んでいる。「NASAが質問したときの答えが欲しい。」
タイタンは火星とは正反対である。土星の惑星サイズの月には氷で覆われた地殻があり、その下には惑星全体を覆う海がある。ひどく寒くてメタンが降っている。ボートは月の表面を探索し、潜水艦は地下の海を探索し、大気を飛行船で運ぶことができると示唆されている。
「タイタンの環境は、空気より重い航空機で探索するのに非常に適している」と、トンボミッションの副主任研究員であるメリッサGトレーナーは言う。重力が低く、大気が密集しているため、飛行機やヘリコプターは、火星のような惑星よりもサイズが大きく、ペイロードが重く、能力が高い可能性がある。
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トンボは、ここで起こったすべての素晴らしい開発の合流点である–メリッサGトレーナー
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タイタンの環境は、トンボなどの回転翼航空機が、ミッションの科学的目標だけでなく、実験自体、コンピューティングハードウェア、および粗い表面に対処するために必要なタフな着陸スキーに必要なNASAの強力な原子力電池を搭載できることを意味する。
既存の地図は十分に詳細ではないが、回転翼航空機は潜在的な着陸地点の上空を飛行し、着陸が安全でない場合は飛行する。「トンボは飛ぶときにタイタンの独自のマップを作成する」とトレーナーは言う。「この蛙跳びアプローチは、最もリスクの低い機能である。」
ただし、火星には、ある面でタイタンよりも優れている。「何十年もそこにいた火星を周回した探査機の軌跡全体が、インジェニュイティのための偵察を行い、リレーとして機能することができる」とタートルは言う。「トンボは、直接の地球通信と現地探査自体を行わなければならない。」
データが火星から地球に到達し、分析され、インジェニュイティの指令が返送されるまで、1日もかからない。タイタンでは、はるかに時間がかかる。
太陽系のより住みにくい惑星のいくつかを探索するには、シンプルで頑丈な戦車のようなローバーが必要になる場合がある（クレジット：NASA / Johnsons Hopkins APL）
その後の次の空中遠征は、地球の姉妹惑星である金星への遠征かもしれない。惑星の大気は地球の90倍の密度である。その温度は約475℃（900℉）で、圧力は93 bar（1,350 psi）で、地球の海面下1マイルに相当する。
「金星の大気はひどいが、素晴らしい」とドブレアは言う。「20km（12マイル）の厚さの巨大で厚い雲のデッキがある。これは、地表から50 km（30マイル）から始まり、70 km（45マイル）まで続きる。これは、地球の大気よりも密度が高く、飛ぶのが簡単である。この高度で太陽電池式の飛行機をほぼ無期限に飛ばすことが可能であるはずであり、既存の技術でそれを行うことは可能である。」
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しかし、別のオプションがあるかもしれない ― 風船である
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彼の2番目のコンセプトの航空機は水面近くで飛行する。それは「途方もない挑戦」である、と彼は付け加える、極端な熱、太陽光発電のための日光の不足、そして圧力のために。
この航空機は、スターリングエンジンのようなエンジンを使用して、表面近くの極度の熱をエネルギーに変換し、より低温でより高い高度で航空機に電力を供給する。これは、このようなエンジンを搭載した数少ない飛行機の1つである。
しかし、別のオプションがあるかもしれない–それは風船。
人類の初飛行で異星人の世界を飛んだ気球であった。1985年6月、ソビエト-ヨーロッパのベガ計画は、2つの巨大な球形の気球を金星の大気に落とした。彼らの機器は下のゴンドラにぶら下がっていた。
「2つの気球が解放されたことは知っていたが、それらがまだ生きているかどうかはわからなかった」と、気球を追跡する米国のプロジェクトのリーダーであるロバート・プレストンは言う。「オシロスコープの画面に表示されたのはノイズだけで、本当にノイズだけであった。それからかすかな信号があった。」
「制御室を出て、早朝の空で金星が明るく見えるのを見て、「私はそこにいる」と思ったのを覚えている。」
ベガ気球は高度約54km（33マイル）で浮き上がり、46時間の大気データを収集した。「ベガ気球の成功を考えると、正しい答えは、それらが「非常に」成功したということである」と、宇宙史家であり、地球からの大使の著者であるジェイ・ガレンティンは言う。
「将来、火星に航空機が再び登場することはわかっている。そして、インジェニュイティを使用して、ツールボックスに新しいツールを追加する。私たちが学んだことはすべて、他の世代が火星だけでなく他の太陽系惑星を探索するのに役立つ。」
しかし、それはさらに難しいかもしれないと、JPL技術育成グループのNASAの科学者ジョナサン・サウダーは警告している。「私たちの太陽系の外の惑星を見始めると、それは本当に夢中になる。氷で作られた惑星や大気中に金属を持っている惑星がある。今日私たちが知っていることを何も送ることができなかった惑星もある。完全に破壊されることなく、しかし地球のような他の惑星がある。」
異なる環境が何であれ、物理学は人類が探求している太陽系に関係なく同じである。「私たちが太陽系の他の惑星で航空機を自律的に運用することから学んだ教訓は、人類が将来どのように飛行するかについての基本的な構成要素である」とツァネトスは言う。
サウダーは金星で生き残ることができる着陸船を設計している。彼が最初に極限環境のためのオートマトンローバー（アリー）と呼んだもののために作成されたメカニズムは、いつの日か水星を探索する着陸船とガス巨大惑星の奥深くに浮かぶ探査機、そして地球の内部を探索する機械に見られるかもしれない。
「金星の着陸船を建造することになると、極端な環境は、私たちが宇宙船に搭載する従来の部品の多くが機能しないことを意味する」と彼は言う。
圧力によって大気中の酸が部品に押し込まれる。つまり、部品はステンレス鋼またはチタンで作成する必要がある。高温は電子機器を溶かす。
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いつか金星の表面にローバーがあると確信している– ジョナサン・サウダー
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サウダーの解決策？ 「完全に機械的なロボット、自動ロボット、上記動力車を作ろう。」初期のデザインには、オランダの芸術家テオ・ヤンセンの巨大な風力発電の機械彫刻、またはストランドビーストに触発された、車輪ではなく脚があった。
障害物の検出と回避のために、着陸船はローラーとバンパーのシステムを使用する。これは、子供のおもちゃのように、着陸船が障害物にぶつかったときに後退し、わずかに異なる方向に再び前進する。
「これは最も効率的ではないかもしれないが、堅牢で信頼性が高く、その環境で機能する。」
NASAのコンセプトのいくつかは、オランダの芸術家テオ・ヤンセンによって設計されたストランドビーストの機械彫刻に基づいている（クレジット：NASA / Johnsons Hopkins APL）
しかし、すべての電子機器を廃止することは非常に困難であることがわかった。代わりに、高温で動作できる基本的な電子機器を使用して、温度と化学組成を測定し、データをオービターに送信する。そのため、ローバーの名前をHybrid Automaton Rover-Venus（Har-VまたはHar-vee）に変更する必要があった。
それから動力源である。金星には厚い雲があり、60日間の夜があるため、太陽光は選択できない。代わりに、NASAのエンジニアは、ローバーの機械システムを直接駆動するために風に目を向けた。カメラと化学センサーはまだトリッキーで、まだ開発されていない。
Har-Vの車輪が金星に着陸する可能性は低いかもしれないが、その設計がローバーに影響を与える可能性は十分にある。
「いつの日か金星の表面にローバーがあり、HAR-Vアーキテクチャから学んだ教訓がそれらの設計に影響を与えると確信している」とサウダーは言う。
マーク・ピエシンはフリーランスの航空ジャーナリストであり、書籍「N-4 Down：The Hunt for the Arctic Airship Italia」の著者である。
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仮訳終わり
BBC記事から
