人類は半世紀以上も月面探査を続けてきましたが、なぜ宇宙船が月に軟着陸することが未だに難しいのでしょうか？

ロシア国営宇宙公社は10月3日、ルナ25号探査機の月面衝突事故に関する予備調査結果を発表し、外部の注目を集めた。ロシア側が発表した情報から、外の世界はどのような重要な点を解釈できるでしょうか？人類の月探査の歴史は半世紀以上続いています。宇宙船が月面に軟着陸する際に、まだどのような困難に直面しているのでしょうか?ミッションの成功に役立つと期待される新しいテクノロジーとソリューションは何ですか?

失敗の背後にある詳細を探る

ロシア国営宇宙公社は、8月19日、ルナ25号探査機が月周回軌道から月周回軌道へ移行していた際、エンジンが点火し、予定の84秒ではなく127秒間稼働したため、探査機は目標以外の低い軌道に入り、最終的に月面に衝突したと発表した。

「ルナ25号」ミッションの失敗は、ロシアが月探査の分野でソ連の技術基盤を継承し、この月探査計画が1990年代に早くも開始されていたため、外界にとって残念なことであった。すべてが順調に進めば、「ルナ25号」は月の南半球の高緯度に軟着陸し、8つの機器と「ロシアでこれまでに作られた中で最も複雑な宇宙ロボットアーム」を使用して月のサンプルを収集し、分析することになる。

ロシアのルナ25号探査機の軌道変更の概略図

「ルナ25号」の電力システムは、多くのソ連の月探査機の電力システムと似ている。深可変推力エンジンや複数の可変推力エンジンは使用せず、代わりに高推力メインエンジン 1 基とワンダリングエンジン 2 基の組み合わせを選択します。探査機の動力降下段階では、エンジン グループは 2 回点火します。 1 回目は、水平速度を「排除」し、プローブが安全に垂直降下に移行することを確認します。その後、2度目の点火が行われ、垂直速度が「排除」され、探査機が月面に軟着陸することが保証される。

実際、この月面着陸計画のリスクは無視できず、機器の故障に対する許容度も低いが、必要な技術は比較的単純である。ロシア宇宙機関は、2度の火星探査ミッションの失敗を経験した後、自らの技術的弱点を認識し、可能な限りソ連の経験を参考にしようとしたと考える人もいる。

しかし、近地点高度を100キロから18キロに下げる過程で、「ルナ25号」のエンジン群に故障が発生し、近年では珍しい月周回段階での月面着陸失敗となった。ロシア側は、事故の原因として最も可能性が高いのは、大量の指令が同時に送信されたことで一部の機器が誤作動し、それが統合制御システムの異常作動を引き起こし、探査機が所定の速度に達したときに推進システムを時間内に停止することができなかったことだと指摘した。

具体的には、「ルナ25号」の慣性航法装置の加速度計が正常に機能せず、ブレーキング中に加速度計のデータに基づいて探査機自身の軌道変化を測定できず、エンジンを時間内に停止できなかった。代わりに、エンジンを最大許容時間作動させざるを得なくなり、降下軌道が低くなりすぎた。同様の状況は以前にも短期間発生したが、ロシア側は十分な注意を払わず、探査機の軌道を下げ続けたため、最終的に墜落に至った。

さらに詳細を分析すると、ルナ25号探査機の問題は加速度計だけにあるのではなく、加速度計の起動コマンドを遅らせた制御システムバスの優先順位の問題や、コマンドが「失われる」原因となったバストランシーバースケジューリングソフトウェアのエラーも含まれていることが判明しました。さらに、「ルナ25」の通信プロトコルが応答しなかったため、飛行制御ソフトウェアは加速度計がオンになっていないことを検出できなかった。

「ルナ25」のゼネコンであるラヴォチキン科学研究生産協会は、ロシアの宇宙船飛行制御ソフトウェアの専門機関と協力しなかったため、飛行制御プログラムの作成者の経験が不十分となり、潜在的な危険が生じていたと報じられている。

「高リスク」問題の解決

「ルナ25号」は過去5年間で着陸に失敗した5機目の月探査機となる。 50年以上前、人類は何度も月面に着陸し、多くの技術分野ですでに大きな進歩を遂げています。しかし、新世紀における宇宙船の月面着陸の成功率は依然として50％未満です。これは、宇宙船を安全に月に着陸させることが簡単な作業ではないことを示しています。

実際、月面着陸を達成することだけが目標であれば、十分な冗長設計と十分なテストを備えた宇宙船が直面する困難はそれほど大きくありません。例えば、昨年末に月面着陸に失敗した日本の小型月探査機は、基本的に12U立方体の衛星で、重さは10キログラム強で、半硬着陸方式を選択した。しかし、このタイプのプローブの科学的価値はごくわずかです。新世代の月面着陸宇宙船は、十分な科学機器と月面探査車を搭載し、二重コンポーネント推進システムを備え、完全な 3 軸安定制御プラットフォームを形成する必要があることがよくあります。リスクと課題は当然増加します。

宇宙船を打ち上げ、月周回軌道に入ることは、月探査ミッションの「基本技術」です。しかし、今世紀に失敗した5回の月面着陸ミッションのうち、動力降下段階はほとんどの探査機にとって「高リスク」の瞬間であり、月面着陸ミッションの核心的な難しさであると考えられる。この問題を解決する鍵は、システムリスクを増大させる先進的で広範囲に調整可能な可変推力エンジンを盲目的に追求することではなく、十分に高い精度を備えた慣性航法要素と、信頼性が高く適用可能な飛行制御ソフトウェアを備えることです。現実には、電力システムにおける小さな問題が後者の 2 つの欠陥によって「無限に拡大」され、ミッションの失敗につながることがよくあります。

月面着陸の問題を解決する鍵は、国の技術基盤を理解し、適切な計画を選択し、各サブシステムと探査機全体の徹底的なテストを実施することであると思われます。しかし、当初、一部の月探査チームには、より大きな重力を持つ天体に着陸するための工学的経験が欠けていました。十分な冗長設計を追加する必要があったが、資金やロケットの性能などの要因により、より小型の宇宙船が選択されたため、宇宙船の品質が制限され、冗長性が不十分になった。

また、宇宙船の設計や製造を厳密に管理しておらず、単一点障害が発生しやすい場所の障害分析や隔離研究が不十分な月探査チームもいくつかある。精神面の問題はソフトウェアテストの緩みにもつながり、宇宙船の地上テストで障害が完全に明らかにならないという結果につながります。したがって、地球-月空間のより過酷な環境では、宇宙船にとって潜在的な危険が潜んでいることは避けられません。

探査機の動力降下の初期段階では、地上チームが制御に介入することができますが、この段階の後半では、探査機が主に自律的な測定と決定を担当します。月には基本的に大気がないため、動力による降下段階全体が探査機の電力システムに大きく依存しており、飛行制御に対する要求が高く、フォールトトレランス率が低くなります。

特に探査機が月面に着陸する直前には、エンジンから噴出される高温高速の気流が月の塵を巻き上げ、地上の計測機器を遮り、データに大きな異常変動を引き起こす可能性が非常に高い。このため、月面着陸ミッションの失敗を防ぐために、計測機器は隔離やフィルタリング対策を講じたり、月の塵を透過して測定できる特殊な計測機器を選択したりする必要があります。さらに、月面の地形は複雑で変化しやすいです。機器が特殊な地理的特徴を監視する場合、大規模なデータ変動が発生する可能性があります。データの分析と処理を適切に行う必要があります。

新たな課題には新たなアプローチが必要

新たな国際月探査では月の南極地域が重要なターゲットとなっており、月の神秘的な裏側も科学者の注目を集めている。探査機が月の裏側や南極地域に着陸する場合、信号遮断の問題により、中継衛星からの信号を追跡し続けなければなりません。さらに、月の南極地域の地形は複雑で、着陸に適した地域は比較的狭いため、探査機は地形データをより適切に処理し、高精度の着陸を実現し、未知の地域への緊急着陸計画を立てる能力が求められます。

多くの国が地球-月間空間をカバーする航行衛星群の構築を推進している。

現在、月面着陸の精度をさらに向上させるために、研究者たちは主に2つの方法を試みています。

1つ目は、画像マッチング技術を応用することです。今年9月、日本の月面着陸機「SLIM」が打ち上げられた。来年初めには、米国、日本、韓国など各国の月周回衛星のデータを活用し、画像マッチング誘導を実施し、月面着陸精度100メートルの達成を目指すほか、月面溶岩洞など月面基地の代替候補地を調査する予定だ。

しかし、月面南極ミッションにおける画像マッチング技術の使用には、まだいくつかの欠点があります。月の南極地域の地形は極度に断片化しており、永久夜帯が多数存在するため、従来の月探査機では検出効率が限られており、永久夜帯のクレーター内部の画像を生成することができません。このため、米国や韓国などの月探査機は赤外線放射計や特殊カメラなどを搭載し、月の常夜クレーターの撮影効果の向上に取り組んでおり、探査機の月南極着陸を支援する上でより大きな役割を果たすことが期待されている。

2番目の方法は、できるだけ早く月面航行衛星群を構築することです。 2013年に打ち上げられた月大気・ダスト環境探査機は、GPS航法衛星信号のビームサイドローブの利用を試み、月周回軌道の測位と航法に初期段階で成功したが、地球と月の平均距離は38万キロメートルであり、低軌道航法衛星信号に頼って月面に着陸することは非常に困難である。現在、多くの国が月面航法衛星群の構築を準備しており、複数の衛星を配備して10～50メートルの月面測位精度を達成する計画を立てています。

将来的には、月航法コンステレーションにより、宇宙船の月面着陸ミッションにおける計測機器の需要が大幅に減少し、信頼性が向上し、ペイロードが増加すると期待されています。その中で、月の南極地域を信号でカバーするナビゲーションコンステレーションは「必須」であり、異なる軌道上の複数の衛星が通信、ナビゲーション、リモートセンシングなどのサービスを提供する。

現在、この2つの方法は各国の月探査ミッションで予備検証されており、今後数年で徐々に実用化されるものと期待されています。各国の月探査計画が進むにつれ、ますます多くの無人・有人宇宙船が月に着陸し、人類の月に対する理解と開発が深まることになるだろう。より多くの月面着陸地点が選ばれるにつれて、より高度で信頼性が高く適応性の高い技術が人類に大きな利益をもたらすと信じています。 （著者：張晨、画像提供：ロシア国家宇宙公社、レビュー専門家：中国航天科学技術公社科学技術委員会副委員長、蒋凡）