火星ヘリコプター「インジェニュイティ」の冒険は続く - その最後の任務と未来

2024年5月30日(木)16時41分 マイナビニュース

●史上初めて地球以外の空を飛んだヘリコプター、そこに込められた創意工夫
火星の空を舞い、地球以外の惑星で初めて飛んだ航空機となった小型ヘリコプター「インジェニュイティ(Ingenuity)」。2021年4月から今年1月まで、当初の計画を大きく超える、通算72回の飛行を行い、累計で17kmも移動するなど、歴史的な成果を残した。
この活躍により、火星探査においてヘリコプターが活用できることが実証された。そして、将来的により本格的な火星ヘリコプターを送り込み、これまでにない探査活動を行うことができる可能性も出てきた。
インジェニュイティ
インジェニュイティ(Ingenuity)は、米国航空宇宙局(NASA)ジェット推進研究所(JPL)が開発した小型の無人ヘリコプターで、火星の空を飛ぶ技術の実証を目的としている。
これまで、地球以外の天体の空を動力飛行した例はなかった。金星の空を気球で飛んだり、土星の衛星にパラシュートで降下したりといった例はあるが、動力飛行する航空機はインジェニュイティが史上初だった。
インジェニュイティとは「創意工夫」や「発明の才」といった意味をもつ。その名前のとおり、火星の空を飛ぶために多くの創意工夫が凝らされている。
火星でヘリコプターを飛ばそうとした際、最も大きな障害となるのが大気の薄さである。火星の大気圧は、地上付近ですら地球の約1%で、高度30kmに相当する薄さしかない。そこで、インジェニュイティは質量1.8kgのティッシュ箱ほどの小さな胴体に、直径約1.2mの大きな二重反転ローターを装備し、地球のヘリコプターの何倍も速い毎分約2400回転で回るようになっている。
また、極寒の火星の夜を耐えるために、多くの火星探査機はプルトニウム238(放射性同位体)を使うヒーターを搭載しているが、質量が大きく高価でもあることから、インジェニュイティは普通の電熱ヒーターを装備している。電力はローターのさらに上に装備した太陽電池でまかなっており、約350Wの電力を供給する。少ない電力でローターやヒーターを動かすため、電源系は高い効率で動くよう造られている。
さらに、火星と地球との間は遠く離れており、電波が届くのに片道5〜20分ほどもかかるため、ラジコンヘリのように地上から操縦することはできない。そこで、インジェニュイティ自身が、カメラから得た画像をコンピューターで処理することで、完全に自律して飛行できるようになっている。また、地球との直接通信もできないため、通信は火星探査車「パーサヴィアランス」を介して行う。
コンピューターにはQualcomm Snapdragon 801とArm Cortexを使い、OSもLinuxベースのものが使われており、こうした既製品、民生品が火星でも使えるかどうかという試験も兼ねている。
目的はあくまで技術実証であり、簡単なカメラを積んでいるだけで、科学観測を行うための機器は積んでいない。
インジェニュイティは2020年7月に、パーサヴィアランスに搭載された状態で地球を飛び立った。そして、2021年2月に火星のイェゼロ・クレーター(Jezero Crater)に到着した。その後、パーサヴィアランスによって飛行に適した場所へと運ばれ、4月3日に分離され、火星の地表に降り立った。
そして日本時間4月19日16時34分(米東部夏時間同日3時34分)、インジェニュイティはローターを勢いよく回して離陸した。高度約10ft(約3m)まで上昇したあと、30秒間にわたって安定したホバリング状態を維持した。その後、正常に降下し、地表に無事着陸した。このときの飛行時間は39.1秒だった。
初飛行の成功後、その成果をたたえ、飛行した一帯の領域は、人類初の動力飛行を成し遂げたライト兄弟にちなみ「ライト兄弟フィールド」と名付けられた。
インジェニュイティはその後も飛行を重ね、4月30日の4回目の飛行では、水平方向に約270m飛行し、さらに5月7日の5回目の飛行では、最高高度10mに達し、さらに水平方向130.84m移動し、離陸地点とは別の場所に着陸することに成功した。
もともとの計画では、インジェニュイティの活動期間は30ソル(31地球日)で、最大5回の試験飛行を実施することになっていた。しかし、試験が順調に進み、機体も正常だったことから、ミッションは延長され、その後も飛行を繰り返した。
最終的に、飛行回数は72回、総飛行時間は2時間あまり、総飛行距離は17kmを数えた。1回の飛行における最大到達高度は24m、飛行距離は708.91m、飛行速度は10m/sを記録した。
●動き続けるインジェニュイティと、火星からのサンプル・リターンの夢
○最後の飛行
最後となった72回目の飛行試験は、2024年1月18日に行われた。
1月6日には71回目の飛行を行っていたが、高度約12mに達したところで異常を検知し、緊急着陸した。NASAによると、砂地の上空を飛行中、航法に使うカメラが、安全な航行に必要な岩などの目印を識別できなかったことで、飛行を中止することになったという。
そして、1月18日、ミッション・チームは、インジェニュイティのシステムの状態を確認するため、水平飛行はせず、高度12mまで上昇するだけの、簡単なジャンプ飛行を行うことを決めた。
インジェニュイティは正常に離陸し、予定どおり高度12mに到達したあと、4.5秒間ホバリングを行い、そして秒速約1mで降下を開始した。
しかし、高度約1m上空で、インジェニュイティとパーサヴィアランスとの通信が失われ、飛行状況はわからなくなった。翌日、通信が復旧し、インジェニュイティからのデータが地上にもたらされ、さらに数日後には、ローターが破損していることを示す画像も届いた。運用チームは、なんらかの理由で機体が傾いた状態で地面に衝突し、破損したものとみている。
そして、ふたたび空を飛ぶことは不可能と判断され、1月25日、飛行実証ミッションの終了が宣言された。
インジェニュイティは、「ヴァリノール・ヒルズ(Valinor Hills)」と名付けられた場所にとどまることになった。ヴァリノールとは、J・R・R・トールキンの小説『指輪物語』などに登場する架空の国に由来する。
動き続けるインジェニュイティと、火星からのサンプル・リターンの夢
しかし、インジェニュイティの冒険はまだ終わっていない。じつは、飛行はできなくなったものの、その後もインジェニュイティとの通信は維持されていた。さらに、飛行が終了するよりも前に、新しいソフトウェアが送信されていた。
このソフトには、インジェニュイティは飛行を終えたあとも毎日起動し、フライト・コンピューターを起動させて、太陽電池やバッテリー、電子機器の性能を確認することが指示されている。さらに、カメラで地表の写真を撮影したり、機体の各所に取り付けられているセンサーから温度データを収集したりもする。
運用チームによると、「火星でこうしたデータを長期間収集することで、将来、火星を探査する探査車や航空機の設計に役立つだけでなく、火星の気象パターンや塵の動きに関する長期的な見通しも提供できるようになると考えています」と語る。
なお、前述のようにインジェニュイティは、パーサヴィアランスを介してのみ地球との通信ができる。そして、インジェニュイティが飛行実証ミッションを終えたことで、パーサヴィアランスは今後、通信ができる範囲から離れて探査を行うことになる。そのため、これらのデータは、インジェニュイティのメモリーの中に保管され続けることになる。
運用チームによると、毎日データを集めても、約20年分も保存できるという。また今後、電気部品が故障してデータ収集が停止したり、太陽電池に塵がたまって電源が切れたりしても、データはインジェニュイティ内に保存され続けるとしている。
運用チームは、「いつか人類が、探査車や別の火星航空機で、あるいは宇宙飛行士が直接、ヴァリノール・ヒルズを訪れたとき、そこには、最後の贈り物として貴重なデータを抱えたインジェニュイティが待っているのです」と語っている。
さらに、インジェニュイティの次を見据えた計画も動き出している。
NASAは現在、欧州宇宙機関(ESA)と共同で、火星から石や砂などのサンプル(試料)を地球に持ち帰る「マーズ・サンプル・リターン(MSR)」ミッションを計画しているが、そこに、2機の火星ヘリコプターを含めることが検討されている。
計画では、まずパーサヴィアランスがサンプルを採取し、専用のチューブに詰め込み、自身の車体内や火星の地表に残す。それを、MSRを使って収集し、小型のロケットで火星から打ち上げ、地球に送り届ける。実施は2030年ごろに予定されている。
カプセルをMSRまで運ぶ役割は、パーサヴィアランスが担うことが第一候補となっている。ただ、2030年ごろというと、すでにパーサヴィアランスが運用できない状態になっている可能性もあるため、バックアップとして「サンプル回収ヘリコプター(Sample Recovery Helicopter)」が搭載されることが計画されている。
サンプル回収ヘリコプターはインジェニュイティより少し大きくなり、質量はインジェニュイティの1.8kgから2.3kgへ、またローターの直径は0.2m大きくなり1.4mになる。また、地表を移動するための車輪も装備している。胴体の下部にはマニピュレーター(ロボット・アーム)を装備し、チューブを捕獲できるようになっている。
もっとも、MSR計画は現在、技術的、また予算的な壁に直面しており、今後どうなるかはまだ予断を許さない。
それでも、これまでは荒唐無稽な夢物語に過ぎなかった、ヘリコプターを使った惑星探査が、現実的なものとして可能性が拓かれた意義は大きい。人類がふたたび火星にヘリコプターを送り込み、インジェニュイティに出会う日は、そして火星以外の天体を航空機が飛ぶ日も、そう遠くないのかもしれない。
○参考文献
・After Three Years on Mars, NASA’s Ingenuity Helicopter Mission Ends
・NASA’s Ingenuity Mars Helicopter Team Says Goodbye…… for Now - NASA
・Flight 72 Status Update - NASA Science
・Sample Recovery Helicopters - NASA Science
・Mars Sample Recovery Helicopter: Rotorcraft to Retrieve the First Samples from the Martian Surface
鳥嶋真也 とりしましんや
著者プロフィール 宇宙開発評論家、宇宙開発史家。宇宙作家クラブ会員。 宇宙開発や天文学における最新ニュースから歴史まで、宇宙にまつわる様々な物事を対象に、取材や研究、記事や論考の執筆などを行っている。新聞やテレビ、ラジオでの解説も多数。 この著者の記事一覧はこちら

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