火星着陸3周年を記念して、天問1号の火星着陸のスリリングな9分間を振り返ってみよう

2021年5月15日午前7時18分、中国の火星探査機「天問1号」が火星の北半球にあるユートピア平原に着実に着陸した。現時点で、我が国の初の火星探査ミッションは、火星の大気圏突入から火星地表着陸までの「スリル満点の9分間」という最も危険な段階を無事に乗り越えました。 「天問1号」の着陸成功により、我が国は世界で2番目に火星への宇宙船着陸に成功した国となった。

天問1号が炎上する模式図

天問1号は着陸に向けてどのような準備をしたのでしょうか？

2021年5月15日午前4時頃、火星上空で、天問1号探査機システムの「2人の兄弟」が最後の別れを告げた。295日間の交際の後、周回機と火星探査車「珠容」を搭載した着陸機は正式に分離した。

天問1号着陸機と周回機の分離のシミュレーション図

その後、探査機は軌道を上げて、火星と地球の間に通信橋を建設するという新たなミッションに着手した。

このとき、着陸船は単独で出発した。探査機は熱シールドを前方に向けて姿勢を調整し、火星の大気圏に突入する軌道に沿って滑空し、火星の大気圏に突入するための狭い「通路」を目指した。 3時間後、探査機は火星の大気圏に突入し、火星探査ミッション全体の興奮の瞬間が到来した。生死をかけた試練を経て、中国を代表して初めて火星着陸の偉業を成し遂げることになる。

火星の大気圏に入る前に姿勢を調整する

「天問1号」は故郷から3億2000万キロ離れており、中国で最も遠くまで旅した宇宙船となった。 2020年7月23日に海南省文昌市を出発し、295日間の航海を続けている。この数日間、自撮り棒を上げて遠空の写真を撮り、祖国に安全を報告してきました。また、遠くから故郷への郷愁を表現するために、故郷を振り返り、地球や月の写真を撮影したこともある。最も重要なのは、軌道を何度も修正し、より正確に火星に向かっていることだ。

2021年2月24日、史上「最も困難」な宇宙ブレーキを成功させ、火星付近での3回のブレーキを経て、無事に火星の軌道に入り、スムーズに火星まで飛行した。火星の上空でブレーキをかけるときに適切なバランスを取るのはどれほど難しいのでしょうか?科学者たちは、それはパリからゴルフボールを打って東京の穴に落とすようなものだと言っている。

天問1号は火星上空に到着した後、すぐに着陸せず、数か月間火星の周りを飛行した。中国初の火星探査にとって最も重要なことは成功を達成することであり、そのため天問1号は「まず軌道を周回してから着陸する」という最も安全なモードを選択した。

天問1号探査機副主任設計者の杜楊氏は、天問1号探査ミッション以前、我が国は火星環境に関する直接的なデータを持っておらず、火星の地形、気象環境などについてよく知らなかったと紹介した。このミッションでは、世界的に公開されているデータに基づいて、ミッション計画においてまず優先着陸エリアと代替着陸エリアが事前に選択され、事前に選択された着陸地点は火星を周回することで探査されました。

天問1号はほぼ3か月間、火星の駐機軌道を周回しながら飛行し、着陸地点であるユートピア平原を常に鳥瞰していた。搭載されているカメラと分光計の助けにより、火星の地形を観察し、火星の砂嵐の季節的な傾向を監視し、着陸エリアの傾斜や窪みを確認することができます。

研究者たちは最新の観測結果に基づいて火星着陸計画を継続的に改善し、火星の厳しい天候を避け、火星着陸計画を実行するために「晴れた」日を選んだ。

着陸の過程で、天問1号はどのようにして危険な障害物を自力で克服したのでしょうか?

北京航空航天飛行管制センターでは、「天問1号」の2人の兄弟が分離するとともに、科学研究者らも最後の忙しい時期に入った。まもなく、着陸船は火星着陸という課題に直面することになる。この期間中、信号はプラズマシースによって遮断され、天問1号は短時間通信不能になります。すべての困難は、着陸船と探査車が独立してのみ克服できます。

現時点では、航空宇宙科学技術分野の労働者は、妻が分娩室に入ろうとしているのをドアの外で待っている夫のような存在です。彼にできることはほとんどないが、興奮と緊張を抑えることはできない。

火星着陸は、米国の火星探査ミッションに由来し、「黒い7分間」として知られています。着陸のプロセスは危険に満ちていることが明らかになっていますが、かかる具体的な時間はさまざまです。国家宇宙局月探査・宇宙工学センター深宇宙探査部の耿彦部長は、中国の天問1号ミッションでは、探査機が大気圏に突入してから火星に着陸するまでの全過程に9分かかると予想されると紹介した。

火星の薄い大気の障壁により、数人の有人探査機が死亡した。未知の大気環境への突入が、世界の火星探査機の半数以上が着陸に失敗する主な原因である。天問1号は栄誉を獲得する前に、世界でもまれに見る過酷なテストを受けなければならなかった。

実際、私の国は火星に着陸したことはないものの、同様の技術的基盤を持っています。我が国の神舟シリーズの宇宙船は何度も宇宙から地球への帰還に成功しており、嫦娥シリーズの探査機も数回にわたり月への軟着陸を達成しています。これらは、我が国がパラシュート減速や動力逆推力減速などの技術を習得していることを意味します。

しかし、これらの技術は火星着陸に応用できるのでしょうか?答えはノーです。

これは主に火星の大気環境の特殊性によるものです。火星の大気は薄いため、月面着陸と比べると火星着陸は逆推力だけに頼ることはできません。また、空力減速とパラシュート減速も必要となり、着陸制御がより複雑になります。地球にも大気はありますが、火星の大気とは異なります。現在入手可能な情報によると、火星の表面では砂嵐や砂塵嵐が頻繁に発生し、火星への着陸に致命的な障害を引き起こす可能性があるが、その具体的な動作ルールについてはほとんどわかっていない。

もう一つの難しさは、火星探査が最も危険な着陸段階に達すると、探査機が地球との連絡を完全に失ってしまうことだ。火星探査車の主任設計者、王創氏は、まず探査車が高速で再突入した際に、薄い大気による圧力で衝撃波が発生し、プラズマシースが形成され、通信が途絶えたと紹介した。第二に、火星と地球の距離は3億2000万キロメートルなので、無線信号の往復には35分かかりますが、着陸プロセスには数分しかかからず、人間が介入する時間はありません。

天問1号はどのようにして10分以内に時速2万キロメートルからゼロまで減速したのでしょうか?

午後7時頃、天問1号着陸機と探査車が火星の大気圏に突入し、「スリリングな9分間」が始まった。これまで人類が火星に着陸しようとした試みの中で、成功を収めたのは米国のみで9回だった。ソ連の火星3号は着陸後20秒で連絡が取れなくなり、他のすべての試みは失敗した。さて、中国チームがコースに登場します。

着陸船は最高時速２万キロで火星に向かって突進した。これは高速鉄道「ハーモニー」の約７０倍の速度だ。火星の上空から火星の表面に到達するまでには10分もかかりません。どうすれば、こんなに短時間で速度を 20,000 キロメートルからゼロまで下げることができるのでしょうか?火星に着陸するための究極の手段は速度を落とすことです。

天問1号ミッションの火星着陸は、空力減速段階、パラシュート減速段階、動力減速段階、ホバリング障害物回避および低速降下段階の4段階に分かれています。 「火星着陸のプロセスは複雑で、多くの行動が関係しており、各ステップは密接に関連し、スリリングだ。ひとつの動きがうまくいかなければ、プロセス全体が無駄になる」と耿燕氏は語った。

第一段階は空力減速段階で、火星に存在する薄い大気が突入カプセルとの摩擦を生み出して減速を実現します。着陸機は、背面カバーと大きな底部に分かれた突入カプセル内に設置されます。大きな底部は盾状の構造になっています。大気圏に突入する際、大きな底部は衝撃や摩耗に耐えるために下向きに傾けられます。中国航天科技集団の研究開発チームは、基礎データの蓄積から始まり、多数の風洞試験を実施し、最終的にエントリーキャビンの空力形状と熱保護の研究と設計を完了しました。

火星の大気圏に入り、大気を利用して減速する

耿燕氏は、空気力学的減速段階のステップの1つはトリム翼を展開することであり、その目的は探査機の揺れを減らし、その後のパラシュートの展開のためのより良い条件を作り出すことだ、と紹介した。

空気力学的減速プロセスにより、高温と姿勢偏差を克服しました。約5分間の減速後、着陸ローバーの降下速度は約90％低下し、秒速約460メートルとなった。この時点で着陸機は火星の表面から約11キロメートル離れており、着陸は第2段階であるパラシュート減速段階に入った。

パラシュートシステム減速部

「パラシュートがうまく開くことができれば、火星着陸は90％成功するだろう」と耿燕氏は語った。

パラシュートの展開プロセスは非常に巧妙です。パラシュートは、入口ハッチの真下に取り付けられた、片開き冷蔵庫ほどの大きさの容器に収納されています。制御システムから点火指令を受けると、パラシュートチューブ内の火薬が点火し、発生した高圧ガスがパラシュートパックを押してチューブカバーを突き破り、客室内に飛び出します。その後、パラシュートは逆の方向に展開します。このパラシュートは、展開面積が200平方メートルで、我が国で初めてデビューしたジグザグ型のパラシュートです。すぐにパラシュートは完全に膨らみ、48本の黄色いパラシュートロープがまっすぐに引っ張られました。

中国航天科技集団傘下の中国宇宙科学技術研究院508研究所の主任エンジニアである黄偉氏は、火星に着陸するには、わが国は初めて超音速、低密度、低動圧の条件下でパラシュートを開く必要があると紹介した。これまでの宇宙船用パラシュートは、超音速でパラシュートを安定して膨張させることができなかったり、低密度および低動圧条件下での安定性要件を満たせなかったりするため、火星での使用には適していませんでした。

火星探査ミッションのために、パラシュート設計者は初めてジグザグ形の縫い目パラシュートを設計・使用し、新開発の特殊繊維材料を採用し、パラシュートロープの接合工程を革新して、パラシュートの強度と信頼性を向上させました。

巨大な赤と白のパラシュートが展開すると、着陸機の降下速度が遅くなり、その後、進入キャビンの底が投げ出され、珠容火星探査車を載せた着陸プラットフォームが最初に火星と対面した。

「どうやってZhurongは火星に安全に着陸したのか？」

パラシュートにより速度は秒速約95メートルに減速され、着陸機は火星の表面から1～2キロ離れた地点に到達した。このとき、突入カプセルの裏蓋を載せたパラシュートが着陸機から分離した。 「珠容」は頭を出して火星の新鮮な空気を吸いました。

しかし、着陸は止まらず、スリル満点の瞬間は終わっていなかった。この時点で推進システムが主導権を握り始め、火星着陸は第3段階である動力減速段階に入ります。

電力削減セクション

天問1号着陸船および探査車推進サブシステムの主任設計者、韓全東氏は、着陸船および探査車には7,500ニュートンの可変推力エンジン1基と姿勢制御エンジン26基が搭載されていると紹介した。このうち、7500N可変推力エンジンは着陸プラットフォームの直下に設置されており、この段階での減速の主な動力を提供します。 8 基の 250N エンジンは主エンジンと同じ方向にあり、主エンジンと連携して減速を実行します。水平方向に設置された 8 基の 250N エンジンを使用して横方向の移動を行うことができます。残りの姿勢制御エンジンは精密な姿勢制御に使用されます。

複数のエンジンの作用により、着陸時の降下速度は毎秒約95メートルから約1.5メートルに低下した。

着陸機は火星の表面から100メートルの地点でホバリングしたが、休む時間ではなかった。火星着陸プロセスは、ホバリングによる障害物の回避とゆっくりとした降下という最終段階に入った。

人類が火星探査中に速度を落とす方法は大体似ているが、最終段階、つまり火星に手の届く範囲に入ると、方法は多様化し始める。過去を振り返ると、最終段階はエアバッグバウンド型、逆推力着陸脚型、空中クレーン型に大別できます。

航空宇宙科学の専門家であるパン・ジーハオ氏によると、エアバッグバウンス型は小型探査機の着陸要件に適しており、逆推力着陸脚型は火星へのより重い探査機の軟着陸要件を満たすことができ、空中クレーン型はさらに重い探査機の軟着陸要件を満たすことができるという。

わが国の「天問1号」着陸機と探査車は、逆推力着陸脚方式を使用して火星の表面に軟着陸しました。これは、わが国の月探査プロジェクト「嫦娥3号」と「嫦娥4号」が月に着陸した方法に似ています。

王創氏は、着陸機が空中でホバリングした後、マイクロ波測距・速度センサーや光学カメラなど、着陸機に搭載された6つの機器が同時に作動し、火星の表面を観察・分析して、火星の表面のどの部分がより平坦で、どこに「着陸」するのがより安全かを判断したと紹介した。

このステップも重要です。着陸地点が適切に選択されない場合、これまでの努力がすべて無駄になる可能性があります。 「高度100メートルでは、着陸地形を正確に判断し、大きな穴や岩があるかどうかを確認できます。もしあれば、それを避ける必要があります。」

このとき、推進システムによって提供される連続的に調整可能な軸方向の推力と強力な横方向の推力の作用により、着陸ローバーは最適な着陸地点を探し、より平坦な地形を選択し、最終的な着陸位置を確認して、ゆっくりと降下を実行します。

7時18分、4本の着陸脚が火星の表面に初めて接近した。地面に接触した後、緩衝装置を備えた4本の着陸脚が着陸の瞬間の衝撃力に効果的に耐えました。推進システムと連携して、重さ1.3トンの着陸ローバーは火星のユートピア平原南部の指定された着陸エリアに着実に着陸しました。

「スリル満点の9分」を経て、中国初の火星探査機が無事に火星の表面に到着した。

「天問」は火星の表面に着実に着陸した