3年間で、天問1号は火星で何を発見したのでしょうか?

2023年7月23日は、我が国初の火星探査機「天問1号」の打ち上げ成功から3周年にあたります。この3年間で、天問1号は工学と科学の両面で大きな成功を収め、割り当てられたミッション目標を達成しました。

着陸船と探査車が一緒に写真を撮りました。探査車は着陸プラットフォームの南約10メートルまで走行し、車体の底部に取り付けられた取り外し可能なカメラを放出した。その後、探査車は着陸プラットフォーム付近まで後退した。分離カメラは探査車の動きを捉え、探査車と着陸プラットフォームの写真を撮影した。画像は無線信号を介して探査車に送信され、その後探査車によって探査機を通じて地上に中継されます。画像出典: 中国国家宇宙局

「一石三鳥」は奇跡を起こす

2020年7月23日、我が国の火星探査機「天問1号」が打ち上げられました。 202日間の飛行を経て、2021年2月10日に火星周回軌道に無事投入された。2021年5月15日には着陸機が火星の表面に着陸することに成功した。同年5月22日、珠容火星探査車は着陸プラットフォームから無事に出発し、火星の表面に到達し、巡回と探査を開始した。 6月11日、国家宇宙局は火星探査車「珠栄」が火星に着陸した後に撮影した最初の一連の科学画像を発表し、我が国の初の火星探査ミッションの完全な成功を示した。

これは我が国の惑星探査プロジェクトの最初のミッションでした。一度の打ち上げで火星の周回、着陸、巡回という3つの目標を達成した。これは世界の火星探査史上前例のないことだ。この「3 in 1」の火災検知方法は、開始点が高く、効率が高いという特徴がありますが、大きな課題もあります。この成功により、我が国の深宇宙探査能力とレベルは飛躍的な発展を遂げ、火星に着陸した世界で3番目の国、火星を巡回した世界で2番目の国となりました。

我が国は、火星探査技術の主な特徴と、国内外の宇宙探査から得られた経験と教訓に基づき、我が国の国情に合致し、飛躍的な発展を実現できる「天問1号」の工学的、科学的目標を事前に策定した。現在、天問1号はこれら2つの主要目標を無事達成しました。

プロジェクトの目的:

火星のブレーキ捕捉における画期的進歩。

進入/降下/着陸;

長期的な自己管理。

長距離計測および制御通信。

火星表面パトロールなどの主要技術

火星周回軌道および巡回探査を実現する。

火星探査から科学データを得る

我が国の深宇宙探査における技術的飛躍を実現します。

プロジェクトの目的は達成されました。

科学的目的:

火星の形態と地質構造を研究する。

火星表面の土壌特性と水氷の分布を調査する。

火星表面の物質の組成を分析する。

火星の大気、電離層、表面の気候および環境特性を測定します。

火星の物理的場と内部構造を探査し、火星の磁場の特性を検出します。

この科学的目標も達成されました。

天問1号は、軌道船と着陸船で構成されています。着陸船は、突入カプセルと火星探査車で構成されています。突入カプセルは火星への突入、降下、着陸ミッションを完了するために使用されます。天問1号の総質量は約5トン（燃料を含む）で、そのうち探査機は3.6トン（燃料の重量が総重量の大部分を占める）、珠容火星探査車は240キログラム、残りは突入カプセルの質量である。

天問1号探査機の尾部の模式図

周囲検知は大きな成果をあげた

天問1号の探査機の設計寿命は火星の1年（地球の687日）である。火星に着陸機と探査機を搭載し、地球・火星間の移動、火星でのブレーキングと捕捉、軌道調整などを行う。火星探査機に3か月間のデータ中継支援サービスを提供するほか、搭載した科学搭載物を使って火星の約1火星年にわたる科学探査を実施し、火星の全球調査と局所的な詳細調査を実現する。

サラウンドには 3 つの機能があります。

• 航空機;
• コミュニケーター;
• 検出器。

その使命は 5 つの主要なフェーズから構成されます。

• 土火の移転。
• 火星の捕獲;
• 軌道離脱着陸;
• リレー通信。
• 科学的な探査。

探査機の主な科学的ミッションは次のとおりです。

• 中国が初めて作成した火星の完全な地図を例に挙げましょう。
• 火星の土壌の種類の分布と構造を検出し、火星の表面と地下の水氷を検出します。
• 火星の地形的特徴と変化を検出する。
• 火星表面の物質の組成を調査・分析する。
• 火星の大気と電離層を分析し、惑星間環境を検出します。

この目的のために、探査機には 7 つの科学機器が搭載されています。

• 火星の全球リモートセンシング画像を取得するための中解像度カメラ。
• 着陸地点および科学的に重要な領域を撮影するための高解像度カメラ。
• 火星表面の地下構造や極地の氷層を探知するための地下レーダー。
• 火星表面の鉱物の種類、含有量、空間分布を検出するための鉱物分光計。
• 火星空間の磁場環境を検出するための磁力計。
• 太陽風および火星の空間におけるイオンおよび中性粒子のエネルギー、フラックス、組成を測定するためのイオンおよび中性粒子分析装置。
• 火星の宇宙環境におけるエネルギー粒子のエネルギースペクトルフラックスと元素組成データを取得するために使用されるエネルギー粒子分析装置。

天問1号探査機が撮影したフォボスの高解像度画像。画像出典: 中国国家宇宙局

探査機は現在、さらなる科学的成果が得られる可能性があるため、火星軌道上で「耐用年数を超えて」稼働している。

火星への優れた旅

探査機の主な探査ミッションは火星の地球規模かつ包括的な調査を行うことであり、一方、珠容火星探査車の主な探査ミッションは科学的研究価値のある地域の詳細かつ高精度、高解像度の調査を行うことである。朱容の身長は1.85メートル、体重は約240キログラム。着陸エリアの巡回探査に使用され、設計上の稼働寿命は火星の3か月（地球の92日に相当）です。

その主な科学的任務は次のとおりです。

• 火星の巡回エリアの表面の元素、鉱物、岩石の種類を検出します。
• 火星パトロールエリアの土壌構造を探索し、水氷を探索します。
• 火星パトロールエリアの大気の物理的特性と表面環境を検出し、火星パトロールエリアの地形と地質構造を検出します。

この目的のために、Zhurong 火星探査車には 6 つの科学機器が搭載されています。

• ナビゲーション/地形カメラは、火星探査車のナビゲーションと位置決めの基礎を提供し、着陸エリアと巡回エリアの高解像度の 3 次元画像を取得するために使用されます。
• マルチスペクトルカメラは火星表面の物質の種類の分布を検出するために使用されます。
• 地下レーダーは巡回区域の地下の地質構造を検出するために使用されます。
• 表面組成検出器は、紫外線から近赤外線スペクトルまでの高解像度のスペクトル特性情報を取得するために使用されます。
• 表面磁場検出器は巡回エリア内の局所磁場を検出するために使用されます。
• 気象測定機器は、巡回エリア内の周囲温度などの気象条件を検出するために使用されます。

Zhurongは、複雑な地形に遭遇したときに車両シャーシ全体を持ち上げることができるアクティブサスペンション技術を採用した世界初の火星探査車です。珠容火星探査車の6つの車輪はそれぞれ独立して操縦・移動できるため、カニのように横歩きもできる。

エネルギーを得るための新しい方法

火星は太陽から遠く離れているため、火星表面の太陽光の強度は地球のわずか 40% であり、火星探査車にはより大きく効率的な太陽電池パネルが必要です。この目的のために、我が国の火星探査車は斬新な4つの展示計画を採用しました。火星探査車の4枚の太陽電池パネルは、広げると青い蝶のように見える。

Zhurongは主に太陽光パネルで発電した電力で運営しています。しかし、夜間には、探査車は蓄えられた電気を使ってのみ作業を続けることができる。光エネルギーを電気エネルギーに変換する効率はわずか30％であるため、太陽光パネルだけでは需要を満たすことができません。この目的のために、Zhurong車両の上部には双眼鏡のような太陽光収集窓が設置されており、n-ウンデカンと呼ばれる物質を使用して太陽エネルギーを直接吸収し、エネルギーを蓄えることができます。日中に火星の気温が上昇すると、この物質は熱を吸収して溶けます。夜間に気温が下がると、この物質は凝固の過程で熱エネルギーを放出します。このエネルギー変換方法の効率は 80% 以上に達します。

珠栄火星探査機のソーラーウイング

保温にはブラックテクノロジーを採用

火星の夜間の気温は氷点下になるため、緯度や季節によって夜間の気温は異なり、最も寒いところでは-100℃に達します。したがって、夜間はローバーを暖かく保つ必要があります。 Zhurongは、火星の「極暑」と「極寒」という2つの過酷な環境に対処するため、新型断熱材である高性能ナノエアロゲルを採用している。超軽量の特性によりローバーにかかる負担が大幅に軽減され、より速く、より遠くまで走行することが可能になります。ナノエアロゲルは世界で最も軽い密度の固体です。熱伝導率は静止空気の半分に過ぎず、熱伝導率が最も低い固体です。超低密度ナノエアロゲル断熱パネルは、火星表面の-120℃という極寒の環境を遮断するために使用でき、着陸エンジンによって発生する最大1200℃の高温熱流も遮断できます。その密度は従来のエアロゲル材料のわずか1/10です。

この Zhurong の画像は、レンズをローバーの後方に向けた状態でナビゲーション カメラによって撮影されました。写真は火星探査車の円形の太陽光集光窓で、太陽電池パネルとアンテナが正常に展開されている様子です。火星の表面の質感は鮮明で、地形情報も豊富です。画像出典: 中国国家宇宙局

あらゆる困難を乗り越えて火星に着陸

我が国の「天問1号」火星探査ミッションの実施には、打ち上げ、地球・火星間の移動、火星の捕獲、火星駐留、軌道離脱と着陸、科学探査の6つの段階が含まれます。これらの中で最も難しいのは、火星の軌道から着陸船を離脱させて着陸させることです。

天問1号は火星から約220万キロ離れたところで革新的な自撮り写真を撮影した。 「個別監視ソリューション」を採用しており、適切な照明条件下で光カメラを「投げて」天問1号の写真を撮影し、その画像をリアルタイムで探査機に送信し、その後地球に送信する。

2021年5月15日午前2時頃、天問1号は火星の駐機軌道の着陸帯に入り、軌道降下操作と探査機と着陸機の分離を実施した。着陸機は火星表面から高度125キロメートルで火星大気圏に突入し、トリム翼の展開（我が国の新技術）、超音速パラシュートの展開（我が国の新技術）、アウトソールの分離、バックカバーの分離、動力減速、ホバリング、障害物回避と低速降下、着陸緩衝、という一連の動作を完了し、最終的に火星表面に軟着陸しました。

着陸後、Zhurongはロックを解除し、着陸プラットフォームから分離しました。 2021年5月22日午前10時40分、朱容は着陸プラットフォームを離れ、火星の表面に到着し、巡回と探査を開始した。

簡単に言えば、着陸船の具体的な着陸プロセスは次の 4 つの段階に分けられます。最初の段階は空力減速段階で、火星の大気の抵抗を利用して速度を秒速 4.8 キロメートルから秒速 460 メートルまで減速します。 2 つ目はパラシュート減速段階で、パラシュートを使用して速度を毎秒 460 メートルから毎秒 95 メートルまで減速します。 3番目は動力減速段階で、高推力エンジンを使用して速度を3.6m/sまで減速します。 4つ目は着陸クッション部で、着陸機の4本の着陸脚のクッション効果により火星の表面に軟着陸することを目指します。

火星着陸の全過程において、地球と火星の間の距離が非常に長かったため、地球と火星間の通信遅延は片道20分以上ありました。 「火災」への着陸の過程で、着陸ローバーと地上の「司令センター」は「連絡が取れない」状態になった。火星の大気圏に入った後、9分以内に10以上の行動を自律的に完了する必要があった。それぞれのアクションは一度に実行され、相互にリンクされていたため、エラーの余地はありませんでした。しかし、私の国の着陸探査車は成功しました。

「中国の刻印」地図。珠容火星探査車は着陸プラットフォームから東南東60度の方向へ約6メートルの距離まで移動し、着陸プラットフォームのこの画像を撮影しました。画像では、着陸プラットフォームが光り輝き、国旗が真っ赤に四角く描かれ、表面の地形が細部まで豊かに表現されていることが分かる。画像出典: 中国国家宇宙局

着陸地点を慎重に選択する

火星探査車に適した着陸地点を選ぶのは簡単なことではありません。 2 つの基本条件を満たす必要があります。1 つは、エンジニアリングで実現可能であることです。もう一つは、それが科学的研究において価値があるものでなければならないということです。さまざまな要素を総合的に考慮した結果、我が国の火星着陸地域は火星の北緯5度から30度のユートピア平原に位置することになりました。ユートピア平原は比較的平坦で、日光条件も良好です。さらに、ユートピア平原は火星の古代の海があった場所である可能性が高い。そこに着陸すれば、現在の火星探査のホットな話題である火星に生命が存在するかどうかの探査・研究に役立つため、科学的価値は高い。

さらに、我が国の火星探査車は太陽電池で動くため、ナビゲーションや障害物検知のために搭載されている光センサーにも良好な照明条件が必要です。このため、朱容は緯度30度未満のユートピア平原に着陸した。そこは日照量が多く、昼と夜の気温差が小さく、朱容の活動に適しているからだ。

火星は地球から非常に遠いため、送信される信号の強度は距離の2乗に反比例し、アンテナの直径は検出距離に正比例するため、大きなアンテナ直径を持つ地上ベースの深宇宙追跡および制御ネットワークを使用する必要があります。

我が国の深宇宙追跡管制ネットワークには、佳木斯市にある直径66メートルのアンテナ追跡管制局、カシュガル市とアルゼンチンにある直径35メートルのアンテナ追跡管制局が含まれています。また、我が国の主反射鏡直径70メートルの高性能受信アンテナが2021年2月に天津市武清で運用開始されました。これは現在アジア最大の単一開口アンテナであり、S、X、Kuバンドで動作し、主に火星探査車から送られてくる科学データを受信する役割を担っています。

わが国初の火星探査「天問1号」ミッションの着陸地点の高解像度画像。左の写真は着陸前、右の写真は着陸後です。画像出典: 中国国家宇宙局

実りある成果が達成された

2021年8月15日、珠容火星探査車は予定されていた90火星日間の探査ミッションを完了し、拡張ミッションを継続した。これまでに、合計358火星日間の巡回と探査を行い、1,921メートルを移動し、現在は休止期間中である。 2022年6月29日現在、探査機は地球全体のリモートセンシング検出を達成しています。現在、衛星は良好な状態にあり、リモートセンシングミッション軌道上で科学探査と生データの蓄積を続けています。

我が国の初の火星探査ミッションの目的は成功裏に達成されました。 2023年4月24日までに、天問1号ミッションで搭載された13個のペイロードは合計1,800GBの生の科学データを取得し、標準データ製品を形成しました。科学研究チームは、直接的な科学的データの研究を通じて、数々の独自の科学的成果を達成しました。例えば、我が国は、探査機に搭載された高解像度カメラによって得られた着陸地点の1メートル未満の解像度の地形データを活用し、着陸地点に分布する凹錐、バリアクレーター、溝などの典型的な地形について総合的な研究を行い、上記地形の形成と水の活動との重要な関連性を明らかにしました。

天問1号探査機が撮影した火星のフルカラー画像。画像出典: 中国国家宇宙局

我が国は、珠容のカメラで得られた火星探査車の轍の画像データの研究を通じて、着陸地点の土壌の凝集力や支持力などの力学的パラメータを取得し、着陸地点表面の物理的特性を明らかにした。我が国は、火星探査車の二周波全偏波レーダーによって得られた着陸エリアの地下層構造情報を研究することにより、火星表面の数メートルの厚さの砂と塵の下に、約30メートルと80メートル上方に細くなる2組の堆積層があることを発見し、過去30億年間の複数期間にわたる水活動に関連する火星表面の変化イベントと地質学的プロセスを明らかにしました。

我が国は、火星探査車のナビゲーション地形カメラ、火星表面組成検出器、火星気象計器によって得られたデータの総合的な分析を通じて、巡回区域において約7億6000万年前に遡る塩水活動と現代の水蒸気循環の証拠を発見しました。

上記の独自の成果は、Nature、Nature Astronomy、Nature Geoscience、Science Advances、National Science Review など国内外の権威ある学術誌に掲載されています。

2023年4月24日、国家宇宙局と中国科学院は共同で、中国初となる空間解像度76メートルの火星の全球画像地図を発表した。火星探査プロジェクトや火星科学研究のための、より高品質な基本地図を提供します。これは、探査機の中解像度カメラで取得した14,757枚の画像データを地上アプリケーションシステムで処理して得られた火星の全球カラー画像です。科学研究チームはこれを利用して、着陸地点付近の多数の地理的実体を特定した。国際天文学連合は関連規則に従い、西白坡、楊柳青、周荘など中国の有名な歴史文化村や人口10万人未満の町にちなんで22の地理実体に名前を付けた。この火星の世界地図の最大の見どころは、その高解像度と忠実な色彩です。

国際天文学連合によって命名された 22 の地理的実体の分布図。画像出典: 中国国家宇宙局

最近、中国地質大学（武漢）地球科学学院のシャオ・ロン教授率いる国際研究チームは、珠容探査機のマルチスペクトルカメラで得られた科学的データの総合的な分析を通じて、火星表面に海洋堆積岩の岩石学的証拠を初めて発見し、火星北部にかつて海が存在していたことを証明した。関連する研究結果は、「ユートピア平原における海洋堆積岩の証拠：バルカン火星探査機の観測」というタイトルで、総合的な権威ある学術誌「ナショナル・サイエンス・レビュー」に掲載されました。

2023年7月6日、ジュロン氏の火星に関する新たな発見がネイチャー誌オンライン版に掲載された。中国研究者が率いる国際研究チームは、珠容の観測データを基に、珠容着陸地域で火星の古代風場の変化を示す堆積物の層状証拠を発見し、風と砂の活動が火星の自転軸の変化や氷河期とともに火星の古代環境の変化を記録していることを確認した。

朱容は検査を受ける

火星に着陸した後、Zhurong火星探査車は複数のテストを受けた。 90日間の火星巡回と探査ミッションを完了した後、Zhurong火星探査車は日食の段階を通過しました。探査車と地球間の通信が不安定だったため、探査車は日食の間、科学的な作業を中断した。

日食が終わった後も、「過剰勤務」した朱容は長期の巡回と探査任務を継続し、巡回区域の地形画像、走行経路の磁場情報や地下断面構造情報、岩石や砂丘などの典型的な地形の組成情報、気温、気圧、風向、風速の気象情報などの直接的な科学データを取得し、火星の起源と進化の謎を解く手がかりを探った。

2022年5月、珠容火星探査車の巡回エリアは冬季に入った。測定によると、火星探査車の正午の局所的な最高気温は-20℃まで下がり、夜間の周囲温度は-100℃を下回った。さらに、砂嵐の天候により光の強度がさらに弱まり、火星探査車の太陽電池パネルの発電能力にも影響を与えます。そのために、太陽光パネルを回転させて光の角度を調整したり、日々の作業項目や時間を減らすなどの対策を講じることで、エネルギーバランスを実現しました。

珠容火星探査車が撮影した火星の砂丘。画像出典: 中国国家宇宙局

砂嵐による太陽電池パネルの発電能力の低下や冬季の極端に低い周囲温度に対処するため、珠容火星探査車は設計計画と飛行制御戦略に従い、2022年5月18日に冬眠モードに入った。実際、火星の冬や砂嵐、その他の極端な天候を安全に乗り切るために、Zhurong は自律冬眠などの動作モードを設計しました。エネルギーレベルが一定のレベルまで低下すると自動的に休止モードに入り、環境条件が徐々に改善すると通常の動作モードを再開します。この期間中、探査機はリモートセンシングによる検出を継続しました。休眠中、Zhurong火星探査車は火星日数358日間活動し、合計1,921メートルを移動した。

当初、珠容号は2022年末に目覚める予定だったが、まだ目覚めていない。中国の惑星探査プロジェクトの主任設計者である張栄橋氏は、自律的に起動できなかった最も可能性の高い理由は、火星上の予測不可能な塵の蓄積によって探査車の発電能力が低下し、起動するには不十分になったことだと考えている。 Zhurong の自動起動には、2 つの条件が同時に満たされる必要があります。まず、キャビン内の温度が -15°C より高くなければなりません。 2 つ目は、太陽電池パネルの発電量がその日のローバーの最小電力消費量を満たす必要があることです。したがって、Zhurong が目覚める最良のチャンスは、火星の夏の間です。夏がまだ目覚めていないなら、チャンスはないだろう。実際、Zhurong が目を覚ますかどうかは問題ではありません。予定されていた任務を完了しているからです。しかし、我々は依然として、朱容が夏に目覚め、新たな成果を挙げることを期待している。

Zhurongのルートマップ。画像出典: 北京航空航天管制センター

企画・制作

出典：中国国家天文局

著者: パン・ジーハオ、国家宇宙探査技術主任科学コミュニケーター、宇宙探査雑誌編集委員、中国国家天文学雑誌編集委員

編集者：崔英浩

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