複雑な道路状況に直面して、有人月面探査車はどのようにしてすべてのスキルを習得するのでしょうか?

最近、我が国の有人月面探査車の設計は新たな段階に入りました。同時に、国内外で斬新かつユニークな有人月面探査車の計画が次々と発表されている。では、有人月面探査車は月面環境でどのような課題に対処する必要があるのでしょうか?複雑で多様なタスクを達成するために、将来的には新しいテクノロジーを活用してどのように設計されるでしょうか?

月の環境は多くの課題を提起する

月面探査車は、月面を移動し、サンプルの検出、調査、収集、分析などの複雑なタスクを完了できる特殊な車両です。その科学的な名前は「月面車」です。特に、有人月面探査車は、宇宙飛行士の月面での活動範囲を大幅に拡大し、肉体的な負担を軽減し、宇宙飛行士が採取した月のサンプルの保管を容易にすることができます。簡単そうに見えますが、まだ多くの課題を克服する必要があります。

米国のアポロ16号の乗組員は有人月面車の運転訓練を受けた

まず、独特の重力環境に適応する必要があります。ご存知のとおり、月面の重力は地球の 1/6 しかありません。より大型で重い有人月面探査車はより大きな「重量減少」を経験し、グリップが弱まるリスクに直面することになる。車両に一般的なゴムタイヤを使用すると、タイヤの圧力低下、異常な形状などが発生し、正常に機能しなくなり、運転効率と安全性に重大な影響を及ぼします。

第二に、複雑な道路状況も無視できません。月の表面は厚い月土で覆われており、これは主に天体による長期にわたる粉砕と混合によって生成された破片で構成されています。月には大気も水循環もないので、月の表面を侵食して滑らかにする風や雨もなく、その結果、月の表面は凸凹しています。地形の変化は地球の表面よりも不規則です。さらに、月の土は非常に細かく、鋭く、粘着性があり、車輪やその他の駆動機構に穴を開けたり、傷をつけたり、詰まらせたりする可能性が非常に高くなります。有人月面探査車は、前進、後退、旋回、丘の登りを確実に行うために、数多くの障害を克服しなければなりません。選択された材料、構造、およびテストプロセスは、激しい「ねじれ」に耐えることができなければならず、また、運転は人間工学の原則に準拠している必要があります。

第三に、強い放射線環境を避けることは困難です。月近傍空間および月表面の放射線の種類、エネルギー、強度は、地球付近のものと大きく異なります。たとえば、月には太陽放射を遮る保護層がありません。嫦娥4号探査機はかつて、月の裏側の着陸地点の粒子放射線量が表面の300倍であることを発見した。そのため、有人月面探査車の機械部品や放射線に極めて敏感な高集積マイクロ電子部品には、厳格な耐放射線、耐腐食、耐老化対策を採用する必要があります。無人月面探査車と比較すると、宇宙飛行士は有人月面探査車の放射線防護における「弱点」であり、注意の焦点となっている。

4番目に、急激な温度差を克服する必要があります。空気と水の不足と、月の土壌の熱伝導率が極めて低いことが相まって、月面の温度は劇的に変化します。同じ場所でも昼と夜の温度差が300度を超えることも珍しくありません。ゴムなどの素材は、劣化したり、硬化したり、ひび割れたり、剥がれ落ちたりしやすいため、有人月面探査車には基本的に使用されません。アポロ計画では、有人月面探査車は「シンプルなオープントップフレーム」でした。極端な温度や放射線によるダメージを避けるため、宇宙飛行士たちは実際には「月面着陸時間」のほとんどを船室に隠れて過ごした。新世代の有人月面探査車に使用される材料は、優れた耐熱性と耐寒性を備え、温度変化によって弾力性と強度を失わないものでなければなりません。また、宇宙飛行士の月面での時間をもっと「リアル」にするために、いつでも継続的に温度を調節できる独自の「エアコン」も備えていなければならない。

さらに、有人月面探査車は、宇宙打ち上げの特殊な機械的環境や宇宙環境のテストに適応する必要があります。たとえば、ロケットの打ち上げと月面着陸の際には、有人月面探査車は衝撃、振動、過負荷、騒音などのテストを克服する必要があります。

食料、衣服、住居、交通に対する厳しい要求

当面の間、有人月面探査車は宇宙飛行士が科学研究を実施し、月に滞在するための唯一の交通手段となるだろう。有人月面探査車は、人間のニーズに基づいて、月面での宇宙飛行士の「衣服」「食料」「住居」「移動」のニーズを満たす必要があります。

日本の大型密閉型有人月面探査車の想像図

「衣服」-月面探査車には「装甲」が必要です。宇宙飛行士が月面に着陸すると、彼らと有人月面探査車は強力な宇宙線に完全にさらされることになります。宇宙服だけに健康を守ることはできず、電子遠隔制御システムは絶対確実性を保証するのが難しく、通信システムの複数の指標にも極めて高い要求が課せられます。さらに、月面の比較的平坦な部分では、月の土壌の厚さは5〜6メートルに達することもあります。有人月面探査車が走行する際、大量の微粒子を拾い、機器や設備を覆い、作業効率やデータ分析の精度に影響を与え、さらには人員の安全を脅かす可能性が高くなります。したがって、「鎧」は優れた防御力と「細心の注意」の両方を備えている必要があります。

「食料」-月面探査車は安定した豊富なエネルギーがなければ機能しません。現在、ほとんどの無人月面探査車は、エネルギー供給ソリューションとして太陽電池と同位体熱源の組み合わせを使用しています。有人月面探査車はより多くのエネルギーを消費し、エネルギー供給の持続可能性と安定性に対する要求が高くなります。

月の1夜は地球の14日間に相当し、これは一部の外国の有人月面探査車や月面居住モジュールの設計におけるエネルギー供給期間の指標となっている。そのため、有人月面探査車は半月近くにわたって太陽エネルギーによる電力供給に頼ることができず、「収入を増やして支出を減らす」という技術設計モデルを革新しなければならない。

「生活」 - 宇宙飛行士が放射線や極端な温度を避けるために宇宙カプセルに頻繁に入室すると、必然的に作業効率に影響を及ぼし、有人月面探査車のエネルギー消費が加速します。したがって、有人月面探査車を「月面RV」へと発展させることが、一般的な傾向となる可能性が高い。

これにより、有人月面探査車の「装甲」とエネルギーに対する要求が高まるだけでなく、温度制御システムにも課題が生じます。温度変化を敏感に測定し、熱を素早く伝達し、内部の温度バランスを維持する必要があります。当然のことながら、有人月面探査車のさまざまな部品に使用する材料の選択は、慎重に計画する必要があります。

「移動」 - 有人月面探査車が月面を移動するには、厳しい地形を乗り越えるために特殊な車輪に頼るだけでは不十分です。一方では、地球チームからのコマンドの伝達に時間遅延が生じ、有人月面探査車は道路状況情報をタイムリーに処理する必要があり、自律性をより重視するため、運転手は道路状況に注意を払う必要があり、人工知能のサポートも必要になります。一方、月面での道順を知るには、有人月面探査車の探知装置が欠かせません。航空リモートセンシングがサポートされれば、さらに効率的になります。

新しいテクノロジーがあなたの走りを速めます

有人月面探査車が月面で安全に活動するためには、最も基本的な準備は「適切な服を着る」ことです。放射線の脅威に対応するため、従来の電磁波防護材料の使用に加え、一連の磁石を適切なタイミングで巧みに配置して有人月面探査車の周囲に安定した磁場を発生させるという新しいアイデアを一部の研究者が提案している。これは月面探査車に「目に見えない電磁波防護装甲を着せる」のと同じことだ。これは、電磁放射線の悪影響を遮断し相殺するだけでなく、月の塵粒子を吸収し、有人月面探査車の「言葉にできない問題」を解決することにも役立つだろう。

我が国の清華大学が率いるチームが設計した有人月面探査車「王舒戦車」のコンセプトイメージ

寒い月夜に太陽電池が一時的に使用できなくなった場合はどうすればいいですか?多くの有人月面探査車の計画では同位体熱源が使用されています。明らかに、同位体熱源はエネルギー供給装置をより小型かつ軽量にし、有人月面探査車が十分な「食料」を貯蔵するのに役立ちます。

もちろん、容積や重量の要件がそれほど厳しくなく、月面資源の現地利用の問題がさらに解決されれば、燃料電池は有人月面探査車にも使用される機会があるかもしれません。

さらに、高効率ヒートパイプ、相変化エネルギー貯蔵、可変放射率熱制御装置などの高度な熱制御技術も、有人月面探査車を暖かく保つのに役立つと期待されています。日中は、十分な熱が収集され、相変化材料に蓄えられます。夜間には、熱は相変化によって放出され、効率的な流体ヒートパイプループを通過して快適な環境を作り出します。

弾力性を保つために「ピアノ線」を使用したメッシュタイヤは、徐々に地球外探査車の選択肢になりつつあり、有人月面探査車も例外ではありません。月の複雑な地形を考えると、独立駆動の多輪ロッカーアーム歩行システムには大きな利点があります。各車輪は人体の関節のように自ら高さを調整し、互いに助け合い協力し合うことで、必要に応じて月面車を「登山の専門家」にすることができる。月の重力と土壌の特殊性を考慮すると、有人月面探査車は、月の地形情報を完全に把握していれば、ロケット推進によるジャンプやそりのような滑りを試すことができるかもしれない。

月面の地形を理解するために、有人月面探査車は自律航行システムとインテリジェント運転システムを搭載し、自律的な障害物回避と経路計画を実施したり、運転手に専門家の支援モードを提供したりする必要があります。例えば、360度回転するナビゲーションカメラで地形を事前に観測し、システムが自動的に地図を編集してルートを計画します。 30度を超える傾斜、25センチメートルを超える高さの石、または直径2メートルを超える月の衝突クレーターに遭遇した場合、有人月面探査車はタイムリーな警告を受信して​​緊急迂回することができ、人間の介入を減らし、宇宙飛行士がより科学的かつ効率的にミッションに集中して完了するのに役立ちます。

最近、中国有人宇宙工程弁公室は有人月面探査車開発計画の予備的結果を発表したが、斬新でクールな要素がかなり多く見られる。例えば、ヒューマンマシンインテリジェントハイブリッド強化運転技術、調整可能な車体傾斜設計、クリープ運転機能などは、宇宙飛行士がより容易かつ安全に運転するのに役立ちます。座席位置の設計は、宇宙飛行士がエネルギーを節約し、視野を広げるのに役立ちます。独創的な折りたたみ・展開構造により、電源、温度管理、スペースなどの難しさも軽減されます。

つまり、有人月面探査車プロジェクトは科学研究者の力と創造性を十分に示しており、宇宙飛行士が月の謎をさらに解明するのに確実に役立つでしょう。 （著者：張凱、画像提供：NASA、宇宙航空研究開発機構、清華大学、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、姜凡）