火星での運転は簡単ではない。車輪は地球のものとは全く異なる

制作：中国科学普及協会

著者: 張俊偉 (中国科学院国家宇宙科学センター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

火星探査機「天問1号」は、2020年7月23日に文昌宇宙発射センターから長征5号堯4号ロケットによって打ち上げられ、所定の軌道に無事投入された。 2022年9月15日現在、火星探査機「天問1号」は軌道上で780日以上を周回しており、「珠容」火星ローバーは合計1,921メートルを移動し、定められた科学探査ミッションを完了し、1,480GBの独自の科学探査データを取得しました。

珠容火星探査車に関して言えば、そのタイヤは独創的なデザインをしており、設計者は珠容火星探査車の後輪に「珠」の文字を2つ残した。探査車が前進するにつれ、火星の地に漢字「中」の字の跡を残すことになる。現在、朱容は「鐘」の字を4,000字近く残している。火星探査車「天問1号」の副主任設計者である賈楊氏は、このデザインは記念すべきものであるだけでなく、技術的な意義もあると語った。科学者は文字間の間隔に基づいて探査車が滑りなどの危険に直面しているかどうかを判断できる。

車輪は Zhurong の可動部分です。地球上では、タイヤは長い間、生活の中で最も一般的な機器の 1 つとなってきました。しかし、火星の環境は地球とは全く異なるため、火星探査車に適したタイヤを設計することが重要な課題です。

タイヤは長い間私たちの生活の一部でしたが、火星の環境に適応したタイヤは再設計する必要があります

（写真提供：veerフォトギャラリー）

火星探査車のタイヤ設計が重要なのはなぜですか?

火星探査車のタイヤ設計は、多くの要因に関係しており、非常に重要です。

一つ目は火星の極端な気候の問題です。火星は太陽から遠く、大気もないため、気候は極めて極端です。火星の平均気温は-63℃、最高気温は30℃です。最低気温は-140℃です。比較すると、おそらく2023年7月の北京の最高気温は火星の最高表面温度を上回るでしょう。

図2 地球と火星の気温比較

(画像提供: NASA)

この大きな温度差はタイヤのゴムに厳しいテストを課します。一般的に、ゴムは低温になると弾力性が低下し、硬くなって脆くなり、損傷しやすくなります。同時に、ゴムタイヤは表面が硬化しているため、低温時には滑りやすくなります。通常の自動車のタイヤは、-20 度までの低温にしか耐えられません。氷点下 100 度を超える極寒では言うまでもなく、低温ではゴムは硬化します。したがって、火星探査車にゴムタイヤを使用することはお勧めできません。火星探査機は、その動作の安定性を確保するために、低温に対する耐性がより高い材料を必要とします。

2番目の問題は、火星の独特な地形です。火星は地球と同様に、山、平原、峡谷など多様な地形を持っています。火星は基本的に砂漠の惑星であり、表面一面に砂丘と砂利が広がっています。無数の鋭利な物体に直面し、砂漠や急斜面でタイヤが滑る可能性に対処するために、火星探査車のタイヤの設計は、強く、滑りにくく、変形しにくいものでなければなりません。

ここでも、ローバーの耐用年数の問題があります。火星探査に関して言えば、珠容ローバーの設計寿命は火星日数90日（地球日数約92.5日）ですが、実際の設計では十分な「設計冗長性」を考慮する必要があり、特に推進装置の最も重要な部品であるローバーの車輪は十分な耐久性を確保する必要があります。

つまり、火星探査車のタイヤは、環境や放射線に耐性があり、強くて滑りにくく、変形しにくいものでなければなりません。これらはタイヤ設計者にとって最大の課題です。同時に、タイヤも火星探査車にとって最も重要な部品の一つです。一度問題が発生すると、体全体に影響が及びます。科学ミッションを確実に完了させるためには、火星探査車のタイヤの設計が重要です。

火星探査車のタイヤの設計にはどのような科学的探究が関わっているのでしょうか?

NASA は、すでに火星に数台の探査車を着陸させており、タイヤ設計に関して豊富な経験を持っていますが、この経験から得られる教訓もあります。 2019年7月7日、耐用年数を5年超えて稼働している火星探査車キュリオシティは、ロボットアームの「ハンドヘルドレンズイメージャー」を使用して車輪の自撮り写真を撮影した。送られてきた画像には、火星の岩石の浸食によって巨大な車輪に傷がついた様子が写っている。岩石によって6つの車輪に多数の穴が開いただけでなく、タイヤ表面のアルミ合金素材もひどく損傷し、タイヤの半分以上に穴や刺し傷ができた。

2019年7月7日に撮影されたこの写真では、キュリオシティ探査車の車輪に損傷が見られます。

(画像提供: NASA/JPL-Caltech/MSSS)

そのため、世界中の科学者たちは、キュリオシティと同様の問題が再び発生しないように知恵を絞っています。関係する科学研究チームは、極寒の気候下における深宇宙探査機のタイヤ設計と移動設計についてさらなる研究を進めた。

まず、NASAはキュリオシティの兄弟機である火星2020探査車の車輪を新しいものに交換した。新しく設計されたホイールは引き続きアルミニウム合金製で、48 種類のトラック パターンが追加されました。直径も大きく、タイヤも厚くなっています。同時にタイヤ幅も適度に狭められ、接地面積も減少しました。

第二に、NASAのグレン研究所は、将来の火星探査車の耐久性と高い信頼性を確保するため、「ニッケルチタン」と呼ばれる新しい形状記憶合金で作られた新しい金属メッシュタイヤを開発した。 NASAが発表したタイヤは、いくつかの鋼線を巻いて作られており、柔軟なメッシュのように見えます。この構造の最大の利点は、地形に合わせて変化できるため、さまざまな起伏のある道路を移動するのに便利であることです。同時に、道路上の岩の上を転がった後、すぐに元の形状に戻るほどの弾力性があり、比較的平坦な道路でも歩行できます。

図4: 製造中のテストメッシュタイヤ。

(画像提供: NASA)

同時に、いくつかの特殊で革新的なタイヤ移動方法が徐々に提案されてきました。火星の表面は砂利で覆われており、一部の地域では土壌が緩んでいるため、火星探査車には障害物を克服する能力と強力な牽引力が求められます。

上記のニーズを満たすために、中国の火星探査車「珠容」には、匍匐、車輪上昇、車体上昇などの複数の移動モードを備えた高度なアクティブサスペンションが搭載されています。簡単に言えば、「Zhurong」は前輪、中輪、後輪の合計6つの車輪を備えており、サスペンションシステムは前輪上昇、中輪格納、後輪上昇の3つのモードに対応しています。車輪が土の中に引っかかったり沈んだりした場合は、サスペンション システムを作動させて対応する車輪を積極的に持ち上げ、障害物を回避したり脱出したりするだけで済みます。デザインチームによると、このデザインは昆虫の「尺取虫」からヒントを得たもので、尺取虫は移動時に這うのではなく、前足を物体の表面に固定し、体の中央を持ち上げて後ろ足を前に引きずるという。アクティブサスペンションを搭載した火星探査車は、車輪が沈む心配がなくなり、車輪が1つ故障しても機動性を失うことはありません。

NASAが設計中のもう一つの月面探査車、揮発性物質調査極地探査車（VIPER）は、バルカンと同様に、車輪を特殊なキャタピラのような協調動作で動かし、探査車がトラブルから脱出するのを助ける。現在、この車両のプロトタイプはクリーブランドにあるNASAのグレン研究センターで地上試験を完了している。

科学者たちは惑星科学のためにタイヤを使わないことも検討している。英国のデイリー・メール紙によると、NASAの将来の火星探査車はゼラチン状の物質が詰まった袋のような形になる予定だという。虫のように這い、火星上を自由に移動することができます。この特許は米国特許商標庁によって承認されており、既存の検出器に比べて設計上の大きな進歩です。同時に、NASAは膜細胞の膨張と収縮を利用して探査機を惑星の表面上で推進する「ポリマー電池ロボット」も開発している。

今後の深宇宙探査では、ますます多くの惑星表面探査やサンプル採取ミッションが予定されており、タイヤの設計や研究を含む探査機の移動計画は常に避けられないテーマとなるでしょう。今後、科学技術がさらに発展すれば、より適切で耐久性のある材料や設計ソリューションが登場し、深宇宙の惑星探査ミッションの完了をサポートできると信じています。

参考文献:

【1】CNETより。 NASAの火星探査車キュリオシティは、いまだに赤い惑星の岩石による打撃を受けている[EB/OL]。 [2023-07-11]. 。

【2】NASAの中国語。火星に関する基本的な事実[EB/OL]。 [2023-07-11]. NASAの中国語。

【3】李秀全ゴム技術研究室。ゴム製品の耐寒原理と一般的な解決策の概要[EB/OL]。 [2023-07-11].捜狐。

【4】盛陽。 NASA の将来の火星探査車は、ゼラチン状の状態でミミズのように這う可能性がある [EB/OL]。 [2023.07.18].中国.cn.

[5] 新然研究所火星探査車キュリオシティの車輪が、わずか20キロ走行しただけで廃棄されようとしていることについて、どう思いますか? [EB/OL]。 [2023.07.18].知湖。