将来の火星探査への適用を目指して

米航空宇宙局(NASA)は米国時間2015年6月8日、将来の火星探査機の着陸技術の試験機「LDSD」の、2回目となる飛行試験を実施した。

これまでより大型の探査機を火星に着陸させるには、今までよりも大型のパラシュートや、まったく新しい減速装置が必要となる。LDSDはそうした技術の実証試験を行うために開発された。

LDSDは約1年前の2014年6月28日に初の試験を行ったが、パラシュートの展開に失敗し、完璧とはいえない結果に終わっていた。今回はその雪辱戦となったが、今回もパラシュートの展開に失敗し、残念な結果となってしまった。

今回はLDSDの概要から今回の試験の顛末を、2回に分けて見ていきたい。

低密度超音速減速装置

LDSDはLow Density Supersonic Deceleratorの頭文字から取られている。直訳すると「低密度超音速減速装置」、少し意訳すると「低密度の大気の中で、超音速のスピードから機体を減速させる装置」とでもなろうか。

この低密度の大気というのは、火星の大気のことを指している。火星の大気は地球のそれと比べるととても希薄で約1/100程度、火星地表の気圧は地球の高度30km付近の成層圏の気圧と同じぐらいしかない。

一方、火星の地表に探査機を着陸させるためには、パラシュートを使って減速しなければならない。実際、これまで火星に着陸した数多の探査機はみな、パラシュートを使って減速してきた。たとえばNASAは、1976年に火星着陸に成功した探査機「ヴァイキング」から、「マーズ・パスファインダー」や「マーズ・エクスプロレイション・ローヴァー」、「フィーニクス」、そして最新の「キュリオシティ」に至るまで、パラシュートの設計をほとんど変えずに使用し続けている。

しかし、このヴァイキング由来のパラシュート技術は、能力的にキュリオシティぐらいの規模の探査機までにしか使うことができない。将来的に、今までより大型の探査機を着陸させようとした場合、あるいは有人火星探査を行おうとするならなおさら、これまで以上に大型の新しいパラシュートか、もしくはまったく新しい技術を使わなければ、十分に減速させることができない。

希薄な大気の中を超音速で飛ぶ機体をどうやって減速させるのか。LDSDはその技術を試すために開発された。もちろん火星で試験するわけにはいかないので、試験場所は地球の成層圏が選ばれた。地球の成層圏が火星の地表近くの大気と似ているなら、そこで試験ができるではないか、という理屈だ。

NASAの空飛ぶ円盤

LDSDはハンバーガーのような円盤状の本体を持ち、その見た目から「空飛ぶ円盤」などと呼ばれる。NASA自身も「flying saucer」と呼んでいるほどだ。この円盤部分の直径は4.7mで、内部には2種類の減速装置が搭載されている。また機体の下部には固体ロケット・モーターが装備されている。これらすべて含めた質量は3088kgになる。

2種類の減速装置のうち、ひとつは「SIAD」(Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator)と呼ばれる装置で、まるでライオンのたてがみのように、LDSDの側面からガスで膨らませる風船が飛び出す仕組みになっている。これにより大気にぶつかる面の表面積が大きくなるため、より大きな抵抗を受けることで減速しやすくなるわけだ。SIADにはSIAD-RとSIAD-Eという2種類があり、SIAD-Rの展開時にはLDSDの直径は6mに、SIAD-Eはさらに大きく8mにもなる。2014年の試験で使われたのはSIAD-R、今回の2015年の試験で使われたのはSIAD-Eだ。

そしてもうひとつが、直径30mを超える巨大なパラシュートだ。ヴァイキングやキュリオシティの着陸時に使われたパラシュートの直径は約15mだったので、実に4倍もの面積にもなる。NASAでは「マンモス・パラシュート」などとも呼ばれていいる。

SIADとマンモス・パラシュートは、2012年から2014年にかけて、風洞試験や、ロケット・モーターで加速する列車に搭載しての試験などが行われた。そして良好な結果が得られたことから、いよいよ実際に飛行試験が行われることになった。

LDSDはまず、気球を使って高度36kmの上空まで運ばれる。そして気球から分離された後、小型のロケット・モーターで機体を回転させ、コマのように安定させる。続いて下部に装備している固体ロケットに点火し、一気に高度55km、成層圏のほぼ上端まで駆け上がる。速度は最大でマッハ4にも達する。試験はここからが本番だ。

まずSIADを展開してマッハ2.5ほどにまで速度を落としたのち、巨大なパラシュートが展開される。そしてゆっくりと太平洋上に着水する。

SIADとパラシュートの展開と、それらによる減速が実証できれば、この試験は成功となる。

2014年の試験

LDSDの最初の試験は、今から約1年前の2014年6月28日、ハワイのカウアイ島にある米海軍が保有する太平洋ミサイル試射場を借りて行われた。現地時間8時45分(日本時間29日3時45分)にLDSDを吊るした気球が放出され、2時間20分後に高度37kmに到達した。そしてLDSDは気球から分離され、ロケット・モーターに点火し、目標の高度55kmに到達した。

そしてSIAD-Rの展開に成功、LDSDはマッハ2.5まで速度を落とし、続いてパラシュートの展開が始まった。一瞬無事に開いたかに見えたが、しかし直後、無残にも引き裂かれるように破れてしまった。

LDSDはそのまま太平洋上に落下したが、機体や内部の記録装置などはほぼ無傷で回収でき、次の試験に向けた改良に役立てられることになった。またNASAでは、初の飛行で貴重なデータが多数得られたことで、ミッション全体としては成功だったと発表している。

とはいえ、パラシュートの展開ができなくては、実際の火星探査機に使うことはできない。NASAではパラシュートを中心に改良を加え、2015年の中ごろを目処に2回目の試験を行うこととした。

(続く)

参考

・http://www.nasa.gov/press-release/nasas-ldsd-
project-completes-second-experimental-test-flight
・http://www.nasa.gov/pdf/737628main_Final_LDSD
_Fact_Sheet_3-26-13.pdf
・http://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/ldsd.pdf
・http://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/ldsd2015.pdf
・http://www.nasaspaceflight.com/2014/06/ldsd-rocket-powered
-saucer-landing-technology/