エアロボット

エアロボットは航空ロボットであり、通常は無人宇宙探査機や無人航空機のコンテキストで使用されます。

1960年代から月や太陽系の他の惑星を探索するためのロボット「ローバー」の研究が行われてきましたが、そのような機械には限界があります。それらは高価になる傾向があり、範囲が限られており、惑星間の距離による通信時間の遅れのため、機能を停止することなく移動できるほど賢くなければなりません。

しかし、何らかの物質の大気を持つ惑星には代替手段がある。自律飛行ロボット、つまり「エアロボット」である。^{[1] [2]}ほとんどのエアロボットの概念は、主に気球であるエアロスタット に基づいているが、時には飛行船も含まれる。気球は風の障害物の上を飛行することで、比較的低コストで惑星の広い領域を詳細に探査することができる。惑星探査用の飛行機も提案されている。

気球を別の惑星に送るという考えは、最初は奇妙に聞こえるかもしれないが、気球には惑星探査にとって多くの利点がある。気球は軽量に作ることができ、比較的安価になる可能性がある。広範囲をカバーでき、高所からの視界により、周回衛星から得られるよりもはるかに詳細な地形の広い帯状領域を調査できる。探査ミッションでは、気球の方向制御が比較的に乏しいことは、特定の場所に気球を向ける必要がないため、大きな障害にはならない。

惑星探査ミッションのための気球設計には、いくつかの変わったコンセプトが取り入れられています。その 1 つが、太陽熱または赤外線(IR)モンゴルフィエールです。これは、外皮が太陽光または惑星表面から放射される熱を閉じ込める素材で作られた熱気球です。熱を吸収するには黒が最適ですが、他の要因も関係しており、素材は必ずしも黒である必要はありません。

ソーラーモンゴルフィエールは、軽量ガス気球よりも簡単に展開でき、膨張時に必ずしも軽量ガスのタンクを必要とせず、小さな漏れに対して比較的寛容であるため、惑星探査にとっていくつかの利点があります。ただし、日中しか浮上できないという欠点があります。

もう 1 つは「可逆流体」バルーンです。このタイプのバルーンは、容器に接続されたエンベロープで構成され、容器には簡単に気化できる流体が含まれています。流体を気化させてガスにすることでバルーンを上昇させることができ、ガスを凝縮して流体に戻すことでバルーンを沈めることができます。このスキームを実装する方法はいくつかありますが、物理的な原理はすべてのケースで同じです。

惑星探査用に設計された気球には、機器を搭載した小型ゴンドラが搭載されます。ゴンドラには、電源、制御、通信サブシステムも搭載されます。重量と電源の制約により、通信サブシステムは一般的に小型で低電力となり、惑星間通信はリレーとして機能する軌道上の惑星探査機を介して行われます。

ソーラーモンゴルフィエールは夜間に沈み、ゴンドラの底にガイドロープが取り付けられ、暗い時間帯に地上で巻き上がり、気球を固定します。ガイドロープは、地面に引っかかったり絡まったりしないように、低摩擦素材で作られています。

あるいは、気球はゴンドラとガイドロープの代わりに、より太い計器付きの「スネーク」を搭載し、両者の機能を組み合わせることもできます。これは、直接表面測定を行うのに便利な方法です。

気球は、大気観測を行うために一箇所に留まるように固定されることもあります。このような静止気球は「エアロスタット」と呼ばれます。

惑星気球の運用において最も難しい点の 1 つは、気球を運用に投入することです。通常、気球は「エアロシェル」と呼ばれる平らな円錐形の熱シールドに覆われて惑星の大気圏に入ります。大気圏に突入すると、パラシュートがエアロシェルから気球アセンブリを引き抜き、エアロシェルは落下します。その後、気球アセンブリが展開して膨張します。

運用開始後は、エアロボットはほぼ単独で任務を遂行し、地球との長いリンクを介して一般的なコマンドのみを受け入れて自律的に任務を遂行する必要があります。エアロボットは、3次元で移動し、科学データを取得して保存し、高度を変えて飛行制御を実行し、場合によっては詳細な調査を行うために特定の場所に着陸する必要があります。

最初の、そして今のところ唯一の惑星気球ミッションは、1985年にソビエト科学アカデミーの宇宙研究所がフランスの宇宙機関CNESと協力して実施した。1984年に打ち上げられた2機のソビエト金星探査機ベガには、それぞれ地上の気象観測気球に似た小型気球が搭載された。

最初の気球は1985年6月11日に金星の大気圏に投入され、続いて2番目の気球が1985年6月15日に投入されました。最初の気球はわずか56分で故障しましたが、2番目の気球は電池が切れるまで地球の2日間弱稼働しました。

金星ベガ気球は、CNESの主任科学者であり惑星気球探査の父であるジャック・ブラモン氏の発案によるものです。彼はこの構想を精力的に推進し、この小規模プロジェクトに国際的な支援を募りました。

金星探査機VEGAの科学的成果は控えめなものでした。さらに重要なのは、この巧妙でシンプルな実験によって、惑星探査に気球を使用することの有効性が実証されたことです。

金星VEGA気球の成功後、ブラモントはソ連の宇宙探査機に搭載して火星へ向かう、より野心的な気球ミッションに焦点を合わせました。

火星の大気圧は地球の約 150 分の 1 です。このような薄い大気では、容積 5,000 ～ 10,000 立方メートル (180,000 ～ 350,000 立方フィート) の気球は 20 キログラム (44 ポンド) の積載物を運ぶことができ、容積 100,000 立方メートル (3,500,000 立方フィート) の気球は 200 キログラム (440 ポンド) の積載物を運ぶことができます。

フランスはすでに太陽モンゴルフィエールの大規模な実験を行っており、1970年代後半から1990年代前半にかけて30回以上の飛行を行っている。モンゴルフィエールは高度35キロで飛行し、大気は火星と同じくらい薄くて寒く、1機は69日間空中に留まり、地球を2周した。

火星気球の初期の構想では、水素またはヘリウムを充填した密閉気球をソーラーモンゴルフィエールにつないだ「デュアル バルーン」システムが採用されていました。この軽ガス気球は、夜間にモンゴルフィエールを地上から遠ざけるために設計されました。日中は、太陽がモンゴルフィエールを熱し、気球アセンブリを上昇させます。

最終的に、研究グループは、アルミニウムコーティングされたPETフィルムで作られた、容積5,500立方メートル（190,000立方フィート）の円筒形の密閉ヘリウム気球を設計することに決めた。この気球は、日中に熱せられると浮上し、夜間に冷えると沈む。

気球アセンブリの総重量は 65 キログラム (143 ポンド) で、ゴンドラは 15 キログラム (33 ポンド)、計器付きガイドロープは 13.5 キログラム (30 ポンド) でした。気球は 10 日間運用される予定でした。残念ながら、気球とそのサブシステムの開発作業はかなり行われたものの、ロシアの財政難により火星探査は1992 年から 1994 年、さらに 1996 年と延期されました。火星気球はコストの問題でプロジェクトから外されました。

この時までに、アメリカ航空宇宙局(NASA) のジェット推進研究所(JPL) は惑星エアロボットのアイデアに興味を持ち始めており、実際、JPL のジム・カッツ率いるチームは数年にわたって惑星エアロボットのコンセプトに取り組み、エアロボット技術を検証するための実験を行っていました。

最初の実験は、ALICE (高度制御実験) というプロジェクト名の下、一連の可逆流体気球に焦点を合わせたものでした。最初の気球である ALICE 1 は 1993 年に飛行し、その後 1997 年に ALICE 8 まで飛行が続きました。

関連する作業には、金星気球エンベロープの材料の特性評価や、1996 年に「BARBE (Balloon Assisted Radiation Budget Equipment)」という名前で機器ペイロードをテストするための 2 回の気球飛行が含まれていました。

1996 年までに、JPL は「惑星エアロボット テストベッド」の略称である PAT と名付けられた本格的なエアロボット実験に取り組んでいました。これは、地球の大気圏への飛行を通じて完全な惑星エアロボットを実証することを目的としていました。PAT のコンセプトでは、ナビゲーション システムとカメラ システムを含む 10 キログラムのペイロードを搭載した可逆流体気球を想定しており、最終的には自律制御で動作します。このプロジェクトはあまりにも野心的であることが判明し、1997 年に中止されました。JPL は、火星エアロボットにつながるより焦点を絞った低コストの実験に取り組み続け、MABVAP (「火星エアロボット検証プログラム」) という名前で開発されました。MABVAP の実験には、惑星エアロボット ミッションの難しい展開段階を検証するための熱気球とヘリコプターからの気球システムの投下、および長期間の火星ミッションに適した材料と構造を持つ超圧気球のエンベロープの開発が含まれていました。

JPL はまた、ソロ スピリットの世界一周有人気球飛行に、気球ミッションのサポートと惑星エアロロボットの技術の検証の両方を目的として、一連の大気センサーとナビゲーション センサーを提供しました。

これらのテストと実験が行われている間に、JPL は火星、金星、土星の衛星タイタン、および外惑星への惑星エアロボット ミッションに関する多くの推測研究を実施しました。

JPL の MABVAP 技術実験は、実際の火星エアロボット ミッションにつながることを目的としており、MABTEX (「Mars Aerobot Technology Experiment」の略) と名付けられました。その名前が示すように、MABTEX は主に、より野心的な取り組みの前段階として運用技術実験を目的としていました。MABTEX は、重量が 40 キログラム (88 ポンド) 以下の「マイクロプローブ」で火星に運ばれる小型の超圧気球として構想されました。投入されると、運用気球の総重量は 10 キログラム (22 ポンド) 以下になり、1 週間運用可能になります。小型ゴンドラには、ナビゲーションおよび制御用電子機器、ステレオ画像システム、分光計、磁力計が搭載されます。

計画では、MABTEX の後継機として、火星地質科学用エアロロボットの略称である MGA という、より高度なエアロロボットが想定されていた。MGA の設計コンセプトでは、MABTEX と非常によく似た超圧気球システムが想定されていたが、その規模ははるかに大きかった。MGA は MABTEX の 10 倍のペイロードを搭載し、最大 3 か月間空中にとどまり、火星を 25 回以上周回し、500,000 キロメートル (310,000 マイル) 以上を飛行する。ペイロードには、超高解像度ステレオ画像装置や斜め撮影機能、地表下の水を探すレーダーサウンダー、重要な鉱物を探す赤外線分光システム、磁力計、気象および大気の計器など、高度な機器が含まれる。MABTEX の後継機は、火星太陽電力推進エアロロボットの略称である MASEPA という、小型の太陽光発電式飛行船になる可能性がある。

JPL は、金星のエアロボットについても同様の調査を進めてきました。金星エアロボット技術実験 (VEBTEX) は技術検証実験として検討されてきましたが、焦点は完全な運用ミッションにあったようです。ミッションのコンセプトの 1 つである金星エアロボット マルチゾンデ (VAMS) では、高度 50 キロメートル (31 マイル) 以上の高度で動作するエアロボットが、特定の表面ターゲットに表面プローブ、つまり「ゾンデ」を投下することを想定しています。気球はゾンデからの情報を地球に直接中継し、惑星の磁場データやその他の情報も収集します。VAMS には根本的に新しい技術は必要なく、NASA の低コストのディスカバリー惑星科学ミッションに適している可能性があります。

より野心的なコンセプトである金星地質科学エアロボット (VGA) については、重要な作業が行われてきました。VGA の設計では、ヘリウムと水で満たされた比較的大型の可逆流体気球を想定しており、金星の表面に降下して表面の場所をサンプル採取し、その後再び高高度まで上昇して冷却することができます。

金星表面の高圧と高温（最高 480 度、華氏 900 度近く）に耐え、硫酸の雲を通過できるエアロロボットの開発には、新しい技術が必要です。2002 年時点では、VGA は 10 年後半まで準備が整わないと予想されていました。プロトタイプの気球エンベロープは、強度、耐熱性、軽ガスの漏れが少ないポリマーであるポリベンゾオキサゾールから製造されています。ポリマーフィルムが酸性雲による腐食に耐えられるように、金コーティングが施されています。

重さ約 30 キログラム (66 ポンド) の VGA ゴンドラの作業も行われています。この設計では、ほとんどの機器が、チタンの外殻とステンレス鋼の内殻を持つ球形の圧力容器に収められています。容器には、ソリッド ステート カメラやその他の機器、通信システム、飛行制御システムが含まれています。容器は、金星の表面であっても 100 気圧までの圧力に耐え、内部温度を 30 °C (86 °F) 未満に維持するように設計されます。容器は、上部の気球システムとのテザー接続を提供する太陽電池パネルの六角形の「バスケット」の底に設置され、熱交換器として機能するパイプのリングに囲まれています。バスケットの縁にはS バンド通信アンテナが取り付けられ、表面調査用のレーダー アンテナが容器のマストから伸びています。

金星大気圏機動プラットフォーム（VAMP）は、航空宇宙企業ノースロップ・グラマンとLGardeによるミッションコンセプトであり、動力付き、長時間滞空可能な、半浮力のインフレータブル航空機で、金星の上層大気の生物痕跡を探査し^{[3] [4]}、大気測定も行う予定である。^[5]

2021年4月、NASAは将来の金星探査のためにロボット気球の設計とテストに作業を割り当てたと報じられた。^[6]

土星最大の衛星タイタンは、地球の5倍の密度の窒素大気を持ち、有機光化学物質のスモッグを含むため、視覚センサーで月面を観察できないため、エアロロボット探査にとって魅力的なターゲットです。エアロロボットはこのもやを突き抜けて月の神秘的な表面を調査し、複雑な有機分子を探すことができます。NASAは、タイタン生物探査機という一般名で、タイタン向けのさまざまなエアロロボットミッションのコンセプトを概説しています。

タイタン エアロボット マルチサイト ミッションと呼ばれる構想の 1 つは、アルゴンを充填した可逆流体気球で、高高度から月面まで降下して測定を行い、その後再び高高度まで上昇して測定を行い、別の地点へ移動するというものです。もう 1 つの構想であるタイタン エアロボット シングルサイト ミッションでは、超圧気球を使用して 1 つの地点を選択し、その気体の大半を放出してから、その地点を詳細に調査します。

この方式の独創的なバリエーションであるタイタン エアロオーバーは、エアロロボットとローバーを組み合わせたものです。この車両は、直径約 2 メートル (6.6 フィート) の 3 つのバルーンを連結する三角形のフレームを備えています。タイタンの大気圏に突入した後、エアロオーバーは興味深い場所を見つけるまで浮遊し、ヘリウムを排出して地表に降下します。3 つのバルーンは、必要に応じてフロートまたは車輪として機能します。JPL は、チューブ状のフレームに 3 つのビーチボールを載せたようなシンプルなプロトタイプを作成しました。

タイタン生物探査ミッションがどのような形をとるにせよ、そのシステムには電力供給のために原子力放射性同位元素熱電発電モジュールが必要になる可能性が高い。土星から遠く離れ、タイタンのスモッグの下では太陽光発電は不可能であり、バッテリーでは十分なミッション持続時間が得られない。エアロロボットには、複雑な有機化学物質を探索するための小型化学実験室も搭載される。

JPL以外では、タイタンエアロロボットのコンセプトに関するミッション研究として、MIT ^[7]とNASAグレン研究所による飛行船の研究^[8]や、NASAエイムズ研究所が提案したタイタン飛行機の研究などが行われてきました。^[9]

最後に、エアロボットは木星や他のガス惑星の大気を探索するために使用される可能性があります。これらの惑星の大気は主に水素で構成されており、水素よりも軽いガスは存在しないため、そのようなエアロボットはモンゴルフィエールである必要があります。そのような距離では太陽光が弱いため、エアロボットは下にある惑星から放射される赤外線エネルギーからほとんどの熱を得ることになります。^[10]

木星探査機は、気圧が 1 気圧から 10 気圧の範囲の高度で活動し、詳細な調査のため、時折気圧を下げる。大気の測定を行い、木星の大赤斑などの気象現象の画像やリモートセンシングを送信する。木星探査機は、ゾンデを大気圏深くに投下し、ゾンデが温度と圧力によって破壊されるまで、そのデータを軌道衛星に中継する。

^{有翼飛行機のコンセプトは、火星[2] 、 [11]}金星^[12]、[13]タイタン^[9]、さらには木星^[14]の大気圏でのロボット探査のために提案されている。

火星飛行における主な技術的課題は以下の通りである。^[11]

1. 低レイノルズ数、高亜音速マッハ数の空気力学の理解とモデル化
2. 適切で、しばしば型破りな機体設計と航空構造を構築する
3. 降下突入機のエアロシェルからの展開のダイナミクスを習得する
4. 空気を吸わない推進サブシステムをシステムに統合します。

航空機のコンセプトであるARES ^{[15]は、2007年の}火星スカウトプログラムの最終候補4機のうちの1機として詳細な設計研究に選ばれたが、最終的にはフェニックスミッションに採用されなかった。設計研究では、半分のスケールと実物大の航空機の両方が火星の大気条件下でテストされた。^[15] （火星飛行機も参照。）

2002年には、火星探査用の自律型ロボットヘリコプターを提案する論文が発表され、マーズ・スカウト・プログラムでの使用が可能であることが示唆された。^[16]実行可能な回転翼航空機の設計には、困難な火星の地形を通過しながらも複数の場所をその場で訪問できるなど、多くの利点があることが指摘された。^{[16] 1967年にルナ・}サーベイヤー6号が行った短いホップは、別の場所を訪問するためのホップの例として注目された。^[16]

NASAの火星2020ミッションの一部であるインジェニュイティは、火星の大気圏で初の回転翼航空機飛行を実証した、現在は機能していないロボットヘリコプターである。 ^[17]この機体はパーサヴィアランス探査車から展開され、ミッション初期の30日間の試験キャンペーン中に5回飛行した。 ^[18]各飛行は110秒以内で、高度は地上3〜10メートル（10〜33フィート）で、1回の飛行で最大266メートル（873フィート）の距離を飛行した。 ^{[17]インジェニュイティは自律制御を使用し、着陸のたびに}パーサヴィアランスと直接通信した。他の惑星で初の動力飛行を達成した。 ^[19] インジェニュイティは、退役するまでに1042ソル（合計1071、 1年341日）にわたって火星上で運用されていたが、その際に4枚のローターブレードすべてが損傷したとみられ、NASAは同機を退役させた。 ^{[20] [21]}

2027年に計画されているNASAのドラゴンフライミッションでは、回転翼機を使ってタイタンを探査する予定だ。

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