火星に「そっと着陸」がいかに難しいか
NASA（米航空宇宙局）の火星探査ローバー「パーセヴェランス（Perseverance）」の打ち上げが7月30日に成功し、火星へ向かう軌道に投入されました。5億kmという距離を約7カ月かけて航行し、2021年2月18日には火星への着陸が予定されています。
パーセヴェランスは火星への航行中、「エアロシェル」というカプセルに包まれています。それはドラ焼きのような状態であり、あんこがパーセヴェランス、生地がカプセルです。そのカプセルはさらに、スラスター（補助推進装置）とソーラー・パネルを持つ「クルーズ・ステージ」というお皿に乗せられていて、その状態で火星に向けて飛んでいます。
火星の重力は地球の約38％なので、1025kgのパーセヴェランスは火星では390kg程度になりますが、それでも大型バイクくらいの重さがあります。それだけ重い精密機器を火星地表にそっと着陸させるのが、エンジンを8基搭載した「スカイ・クレーン」です。スカイ・クレーンは、エアロシェルの中ではパーセヴェランスを抱きかかえていますが、火星に着陸する直前になるとケーブルでパーセヴェランスを吊り下げ、火星地表にやさしく降ろします。その着陸の行程を示したのが以下の図です。
【パーセヴェランス火星着陸のシークエンス】
【1】大気圏突入10分前にクルーズ・ステージを分離
【2】大気圏に突入
【3】大気圏突入から240秒後、高度9～13kmでパラシュート展開
【4】260秒後、高度7～11kmでエアロシェルの下側を分離
【5】350秒後、高度2.1kmあたりでエアロシェルの上側とパラシュートを分離。スカイ・クレーンが着陸用ロケットを噴射。
【6】秒速0.75mで降下しながら高度21.3mまで降下すると、スカイ・クレーンがホバリングしながら着陸地点を確認。ケーブルを繰り出してパーセヴェランスを7.6m下に吊り下げ、さらに降下して着陸。
※スカイ・クレーンはケーブルを切り離すと、パーセヴェランスから少し離れた場所に移動して落下。
この大気圏突入から着陸までに要する時間はわずか6分50秒。光や電波で30分かかる遠距離でのイベントですから、地球から着陸を制御しようとしても間に合いません。なので、探査機は自分たちの判断で着陸し、地球の管制はその結果を30分後に知ることになります。
こうした複雑な着陸シークエンスをわかりやすく説明しているのが下の動画です。これは2012年に火星に着陸した探査機「キュリオシティ（Curiosity）」のときのものですが、今回の着陸もほぼ同様です（着陸完了まで3分30秒）。
【探査ローバーの火星着陸シーン】
「生命の痕跡」探す 有人探査へ向けた調査も
宇宙探査機が何を調べているのかは理解しづらいものですが、火星探査に関して簡単にご説明すると、過去に火星に送り込まれた4機の探査ローバーは、「火星はかつて生命が存在できる環境だったか？」を解明するために送り込まれました。しかし今回のパーセヴェランスは「生命の痕跡」そのものを探します。着陸予定地は「ジェゼロ・クレーター」であり、かつて湖だったその場所に古代微生物の痕跡がないかを調査するのです。
パーセヴェランスはドリルで岩に穴を開け、サンプルを採取し、搭載するいくつかの検査機器のなかに取り込んで原子レベルの観察を行い、そのデータを地球へ送信します。
また、火星の大気の95％は二酸化炭素ですが、そこから酸素を生成する装置を火星探査機として初めて搭載しており、将来的な有人火星探査のための調査をします。もしこれがうまくいけば帰還用ロケットの酸化剤も現地で調達でき、地球から打ち上げるロケットの重量を大幅に軽量化できるはずです。こうした調査のためにパーセヴェランスは、じつに多くの装置を搭載しています。
【パーセヴェランスが搭載する検査機器】
【Mastcam-Z】 「顔」に搭載されたカメラ。ズーム、フォーカス、3D写真、高速撮影が可能
【MEDA】風速、風向、温度、湿度と、大気中のダスト粒子の量とサイズを測定
【MOXIE】二酸化炭素から酸素を生成するための装置
【PIXL】X線分光器。岩や土壌の超クローズアップの撮影が可能で、微生物の痕跡を探す
【RIMFAX】地中レーダー。地下の地質を調査
【SHERLOC】分光器、レーザー、カメラ「WATSON」の一体装置。サンプルを観察
【Super Cam】「顔」に搭載された分光器、レーザー、カメラの一体装置。原子レベルでサンプルを観察。
大気密度1％ 史上初の火星探査「ヘリ」
またパーセヴェランスは、宇宙探査で初めての小型探査ヘリ「インジェニュイティ（Ingenuity）」を搭載しています。今回のミッションの注目ポイントのひとつです。
翼長1.2m、質量1.8kgのこのヘリは、パーセヴェランスのお腹の下に装着されていて、地面に下ろされると二重反転ローターとソーラー・バッテリーによって飛び立ち、上空から撮影します。火星の大気密度は地球の約1％しかありませんが、成功すれば、時速16km程度でしか走行できないパーセヴェランスの調査すべき場所を、上空からナビゲートすることが可能となるわけです。NASAは「地球以外の天体を飛ぶ最初のヘリになる」と説明しています。
パーセヴェランスの開発と打ち上げの費用は24億ドル、運用費用は3億ドル。さらにインジェニュイティの開発費は8000万ドル、その運用費は500万ドルと公表されています。
史上初 火星からの「サンプルリターン」
NASAとESA（欧州宇宙機関）は協力して、パーセヴェランスが採取した火星のサンプルを地球に持ち帰る史上初の計画を立てています。いま想定されているその段取りは以下の通りです。
【1】パーセヴェランスがサンプルを採取して、容器に入れて地表に置く
【2】ESAの火星探査ローバーが容器を最大36本まで回収
【3】NASAの火星着陸プラットフォームが容器を受け取り、火星軌道上へ打ち上げる
【4】ESAの火星周回軌道上の探査機が容器を受け取り、それを再突入カプセルに入れて地球へ投下
ESAのサンプル回収ローバーもNASAの火星着陸プラットフォームも、予定では2026年7月の打ち上げウィンドウに打ち上げられ、2031年に地球へ帰還するとされています。
【宇宙開発のボラティリティ】は宇宙プロジェクトのニュース、次期スケジュール、歴史のほか、宇宙の基礎知識を解説するコラムです。50年代にはじまる米ソ宇宙開発競争から近年の成果まで、激動の宇宙プロジェクトのポイントをご紹介します。