火星への着陸はどのように機能するのでしょうか?

人類が最後に月に足を踏み入れたのはほぼ40年前であり、ある種の再会ツアーの計画が進行中である。この焦点の大部分は、月に工場を設立し、その努力を火星へのロボットおよび有人遠征の準備に活用することです。月面への帰還（遅くとも 2020 年までに実施予定）だけでも大事業です。しかし、人類を別の惑星に送るために必要な計画と創意工夫は、簡単に言えば天文学的なものです。

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このような偉業を達成するには、科学者やエンジニアは何百もの疑問や問題を解決する必要があります。研究者らは、周回衛星や移動ロボットによる観測に基づいて、火星の表面に関する答えを導き出している。

赤い惑星について簡単におさらいしてみましょう。火星は太陽から 4 番目の惑星で、年齢は地球とほぼ同じで、およそ 46 億歳です。火星の半径は約 2,107 マイル (3,390 キロメートル) で、これは地球の約半分の大きさです。全体的にははるかに寒いです（夏は暖かくなることがありますが）。ただし、まだ宇宙服を着ずに火星の表面を走り回るなどということは考えないでください。大気の低気圧では死亡しないとしても、その 95% を占める二酸化炭素が死亡することになります。火星の大気には酸素が 0.13 パーセントしか含まれていないのに対し、地球の酸素は 21 パーセントです。火星には強い磁場がありませんが、科学者たちはかつてはより強い磁場（熱く燃える核の副産物）が存在していたのではないかと考えています。火星では大規模な砂嵐が頻繁に発生し、フォボスとダイモスという名前の 2 つの小さな衛星が火星を周回しています 。

それでは、体操選手と火星行きの宇宙飛行士の共通点は何でしょうか?成功するには、風変わりなユニフォームを着ているだけでなく、両方とも着地をしっかりしなければなりません。この記事では、火星への有人ミッションの 1 つの側面、つまり着陸に特に焦点を当てます。研究者が火星に安全に到着するために克服しなければならない課題のいくつかについて読んでみましょう。

火星着陸の課題

火星着陸には多くの課題がありますが、研究者たちは計画を立て、正確にどのように成功させるかを解明するために懸命に取り組んでいます。人々が火星の近くに到着できると仮定すると、着陸に関して考慮すべき要素がいくつかあります。科学者やエンジニアはすでにさまざまなプロセスや設計アイデアを検討しています。車両の形状、使用する燃料の種類、エンジンの位置、積載量のサイズなどが考慮されます。もう一つの問題は、短いスラスター燃焼の形で実行される推進操作が、着陸時にパラシュートを伴うかどうかです。惑星間ミッション中に宇宙飛行士をどのように収容するのが最善かという問題もあります…リストは続きます。

火星に人類を着陸させる際の主な問題の 1 つは、着陸した車両が地面に激突しないように速度を落とす方法を見つけることです。問題は火星の大気の薄さだ。火星探査機は軽量であるため、この問題は火星探査機の着陸には影響しません。人類が火星に着陸する場合、かなりの量の荷物を運ぶ必要があり、摩擦をもたらす高密度の大気がなければ、この重い積載量を減速させるのは非常に困難になります。

摩擦が物体を遅く動かすのに役立つ様子は、日常生活でも見ることができます。たとえば、ドライバーが急いで停止しようとブレーキを踏んだのを見たときのことを考えてみましょう。また、飛行機は宇宙船と同じように、空気の摩擦を利用して速度を下げ、安全に着陸します。

着陸状況は、火星の大気の密度に影響を与える他の要因によってさらに複雑になります。季節、天気、緯度、さらには時刻によっても、大気の密度は変化する可能性があります。たとえば、ほぼ 800 万トンの二酸化炭素が季節ごとに火星の大気圏を出たり、再び入ったりします。これは、9 インチ (23 センチメートル) のドライアイス (固体二酸化炭素) に相当します 。研究者らは、宇宙飛行士が十分な視界を確保できる十分な密度の部分内に着陸できるよう、火星の大気変化のモデル化に取り組んでいる。計画立案者らは、到着した宇宙船が直ちに地表に向かうべきか（おそらく運用上の観点から容易である）、それとも着陸前に軌道上に駐機すべきかを検討している。軌道上に駐機することで、悪天候時に航空機が空港を旋回する場合と同様に、砂嵐が発生した場合に宇宙飛行士がより柔軟に対応できるようになります。

ミッションプランナーが直面する課題のいくつかを見てきたので、次のページで検討されている解決策のいくつかを見てみましょう。

火星への将来のミッション計画

火星への着陸は公園を散歩するようなものではありませんが、最初に考えられているほど難しくないかもしれません。アイデアはまだ練り上げ中ですが、火星への将来のミッション計画にどのようなことが含まれるかについて、いくつかの詳細をここに示します。

計画者は、着陸を段階的に行うか、ペイロードを別々に送信するか、一度に行うかを決定する必要があります。おそらく大量の物資を着陸させることは可能かもしれないが、宇宙飛行士の着陸は地球の標高の低い部分に限定される可能性があり、限られた範囲の短期間の訪問では少量の物資しか運べないかもしれない。

航空宇宙の専門家ロバート・ズブリンが著書「火星の場合」で提唱したアイデアの1つは、人間の乗組員を乗せた居住宇宙船よりも先に、貨物を運ぶ宇宙船を送り込むというものだ。この貨物輸送機は、宇宙飛行士の滞在期間を延長するのに十分な物資を提供することができ、すでに燃料も補給されており、帰還の準備が整っています（後述）。宇宙飛行士は、火星のインフラ開発を開始するために、最初に到着した生息地の宇宙船を後にすることができます。

ズブリン氏の計画の鍵は、帰還航海の燃料が火星で製造されることだ。火星の大気には（月とは異なり）二酸化炭素が豊富に含まれており、将来の宇宙飛行士にとって役立つ可能性があります。たとえば、化学処理装置は、約 6 トンの水素(この理由で余剰の水素が船に持ち込まれる可能性があります) を二酸化炭素と混合することで、打ち上げおよび地球への帰還中に車両を推進するのに十分なメタンと酸素を生成できます。これらの同じ基本構成要素から、プロセッサーは宇宙飛行士が火星に長期滞在する際や帰国の便で必要となる酸素、水、燃料も生成し、往路の貨物スペースを節約することもできます。

計画立案者らはまた、探査機の一部を軌道上に残すか、それともすべてを地表に降下させるかについても検討している。しかし、宇宙船（地球から飛び立ったオリジナルの残骸）が火星に着陸できるかどうかは、ミッション計画の設計において重要な要素です。その残りの部分は地球帰還ビークル( ERV ) と呼ばれることもあり、宇宙飛行士が最終的に地球に帰還するために使用するものです。着陸機だけではなく、ERV 全体を着陸させることができれば、より長い滞在が可能になり、複雑な軌道操作に関連した複雑さを回避できる可能性がある 。しかし、この種の技術的な決定についてはまだ議論が続いています。

地表に降下する準備ができたようなので、私たちが乗っているものを詳しく見てみましょう。現在、火星に向かう宇宙船は、新しい計画の方針に沿って、古いアポロ計画に似たものになる予定です。人類を月に連れ帰る計画であるコンステレーション計画。

ERV (または着陸する宇宙船の一部) は、おそらくガムドロップのように見えることになるでしょう。大きな皿形のエアロシェル(またはヒート シールド) は、宇宙船が大気圏に突入するときに生じる摩擦の量を増やし、速度を低下させるのに役立ちます 。

考えられるシナリオは、宇宙船が最初に大気圏を通過して速度を落とした後、軌道上の位置に戻るというものです。選択された時間に、エアロシェルは再び使用され、おそらくパラシュートを備えて、火星の表面に向かって大気中を最終通過します。その後、小型スラスターを発射してスムーズな着陸を確保します。着陸操作の詳細については、 「スペースシャトルのしくみ」を参照してください。

火星着陸に関する未知の側面のいくつかを調べたので、ミッションに関するその他の疑問について説明しましょう。

火星着陸の詳細

火星着陸の詳細の多くに対処する必要があるため、有人ミッションはまだ遠い先の話です。米国の計画は、2020年までに月に戻り、最終的にはそこに恒久的な基地を建設することだ。私たちが次の一歩を踏み出し、いつ火星へ旅立つかについての推定は暫定的なものです。英国国立宇宙センターによると、目標は2030年までに宇宙飛行士を火星に打ち上げるという国際協力の取り組みだという。

火星に人類を送るための値段は、最終的な宇宙船とミッション計画の設計によって大きく異なります。すでに開発されているものと同様のテクノロジーを利用することで、コストをより管理しやすくすることができます。たとえば、コンステレーションロケットはサターン V をベースにしており、スペース シャトルプログラムのいくつかの設計要素を利用しています。採用される可能性のあるもう一つの節約方法は、火星の大気を利用して燃料、酸素、水を生成することです (前のページで説明したように)。

実際に火星の表面に降り立つことなく、予備的な航海で人々を火星の軌道に送り込む可能性があるが、火星の表面を間近で見るつもりがなければ探査は無意味だと多くの専門家が主張している。それは、ビーチまでドライブして、車から海を眺めながら午後中過ごすようなものです。しかし、これは長距離宇宙旅行のいくつかのねじれを修正するのに役立ち、探査者が着陸のリスクや費用をかけずに、惑星の表面上のロボットからリアルタイムのレポートを受信できるようにする可能性があります。サンプルを積んで火星から帰還できるロボット車両も開発中だ。

悲しいことに、着陸した宇宙船の周囲に塵が収まり、宇宙飛行士が火星の地表へ信じられないような最初の一歩を踏み出せるようになると、科学者が解決すべき全く新しい虫の缶詰も開かれることになる――主に、宇宙飛行士は過酷で妥協のない状況をどうやって生き延びるのかということだ。火星の気候、そして火星の滞在中どのように過ごすのでしょうか?これらの質問は別の日に取っておきます。

火星と宇宙探査の未来について詳しくは、次のページのリンクをご覧ください。

マーズ・ランディング: 著者のメモ

この記事を書いてからしばらくの間に、シャトルプログラムは終了し、コンステレーションプログラムも中止になってしまい残念です。公的および民間の宇宙探査は、多様な国際的関係者が関与し常に変化する分野ですが、他の人々が私たちを月や火星に連れ戻すというマントを選んでくれることを願っています。

私はこの記事を書くのが大好きで、特にロバート・ズブリンの本を読むのが大好きでした。多くの人が有人惑星間ミッションを実施する方法を提案してきましたが、私にはズブリンの戦略が最もエレガントで実用的であるように思えました。彼の計画には、火星の資源を利用して一連の有人および無人ミッションを推進し、天の隣人を実際に直接探索できるインフラを構築すると同時に、機器や宇宙船が故障した場合に備えて冗長性を確保することが含まれています。 。

マーズ ランディング: チートシート

知っておくべきこと:

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