火星の表層環境・気候の進化の解明

ポテトチーム〜 火星 de かき氷 〜
大熊成裕
芝池諭人
小澤祐亮
宮田洋佑

目次

1.
2.
3.
4.
5.
6.

ミッション定義
ミッション要求
システム要求システム配分
システム設計結論

1. ミッション定義
1-1. トップ目標
火星の現在と過去の生命居住可能性の解明
1-2. 探査の目的
火星の極冠を調べて、火星の表層環境・気候の進化を理解する
1-3.貢献（アウトカム）
極冠の氷層の性質を理解し、• 関連する火星固有の惑星科学を解明する• 有人探査に向けた火星移住への情報を収集する• 地球の惑星科学や、地球温暖化問題などへ応用する

2. ミッション要求
2.1 ミッション定義からのブレイクダウン
2.1.1 探査場所

North Polar Layered Deposits
•
••
•
•

北極(夏が白夜、冬が極夜)
差し渡し約1000kmのH2O氷縞状の谷
毎年収縮を繰り返す
冬にはCO2雪が1.5-2m積もる(Smith et al. 2016)

SHARAD (Shallow Rader)による観測：北極氷の層状構造• 積層と浸食の繰り返しを記録した、層状の氷• 400万年ほどかけて形成• 37万年前は前回の氷河期の終わり(Smith et al. 2016)

2. ミッション要求
2.1 ミッション定義からのブレイクダウン
2.1.2 具体的な観測対象とそこから得られる情報• 氷床(H2O, CO2)の組成比・同位体比• CO2存在比 → 各年代での表層にあったCO2の大気量や循環への制約• Oの同位体比 →1. 温度の推定
2. 火星隕石と現在の火星の酸素同位体比のズレへの示唆• Cの同位体比 → 生命存在の証拠• N2, Ar の存在量 → 生命を構成する元素などの存在量• 氷に含まれているダストの種類(形状、組成)、年代• 各年代の表層環境への示唆(地表面の岩石種、海の有無、風の強さ、火山)• ダスト含有気体の組成 → 大気量、組成への示唆• 有機物の有無• 現在の大気諸元・CO2雪• 現在の表層環境• 降雪の仕組み2. ミッション要求
2.2 ミッションサクセスクライテリア➢ フルサクセス：
北極氷床中のCO2の存在比、Oの同位体比、観測位置を調べることで、同じ氷期サイクル内の年代と気温が推定可能なデータを複数箇所得る
No項目

条件

根拠

1

探査場所

北極の斜面

様々な年代の観測が可能

2

探査範囲

2km以上

後述

3サンプリング箇
所

80m間隔で25点以上 後述

サンプリング対象

H2O氷5

サンプリング量1g

O同位体比の測定に必要（他の測定値への制約は今後の課題）

6

探査期間

夏（半年）

火星の新雪が無い期間

7

観測データ取り扱い

すべての取得データ すべての取得データを解析・分析すを地球に送信可能るために必要4

地表（H2O氷）面下 H2O氷床の成長速度が1mm/年
100mm→ 十分な厚さ
前述

閉じ込められたCO2 前述2. ミッション要求
2.2 ミッションサクセスクライテリアーーーー目標精度ーーーー• 年代の間隔：1.5万年
火星の気候変動に影響を与える火星の日射量変化の周期：7万年（伊藤2004）→ 周期を分解可能：1.5万年• 年代の期間：37万年
前回の氷河期の終わり：37万年前（モデルに依存する）

ーーーー 計測精度 ーーーーー• 最小移動距離：2km
氷期37万年の層が斜面約2kmに相当• サンプリング間隔：約8０m間隔
約7万年の周期 → 約1.5万年ごとで判別可能
氷期37万年の層が斜面約2kmに相当 → 1.5万年の層が水平80m相当• サンプリング回数：25回

2. ミッション要求
2.2 ミッションサクセスクライテリア➢ エクストラサクセス：

1. 北極氷床中のCO2の存在比、Oの同位体比、観測位置を調べることで、別氷期サイクル内の年代と気温が推定可能なデータを得る
1. フルサクセスに必要な機器で可能な他の測定• 質量分析計を使った、N2など（リン、硫黄）など生命を構成する元素の存在量• 質量分析計（orレーザースペクトロメター）を用いたCの同位体比（H2O氷サンプラーによるCO2氷のサンプリング）• ランダーのカメラによる初雪観測 (最高解像度1.5mm、探査機が秋〜冬まで保った場合）• （質量分析系を使った、宇宙塵を構成する元素の存在量）• オプション：新たに計測機器を追加搭載して可能になる他の測定• ガスクロマトグラフィーを用いた有機物量の測定• X線回折によるダストの測定

3. システム要求
ミッション要求を受け，システム要求を以下表に整理した。
No項目

条件

No

システム要求

1

探査場所

北極の斜面

A

北極目標地点に10km×10km精度で軟着陸可能な機能を持つ

2

探査範囲

2km以上

B

探査機が2km以上の探査が可能である

3

サンプリング箇所

80m間隔で25点以上

C

左記を観測可能なミッション機器を搭載

地表（H2O氷）面下100mm

D

探査箇所が同定可能であること

E

多点観測が可能である

F

探査機が氷を掘ることが可能なサンプラを有する

サンプリング対象

H2O氷

5

サンプリング量1g

G

探査機の寿命が北極において火星年半年である

6

探査期間

夏（半年）

H

夏に着陸する7

観測データ取り扱い

すべての取得データを地球に送信可能

I

ミッションデータを探査機が地上システムへ送信可能である

4

閉じ込められたCO2

3. システム要求
3.1 観測のために必要なミッション機器
No

項目

質量用途

1

QMS（レーザー込み）

7kg

O同位体比の測定

2

LIBS（QMSのレーザー使用）

3kg

CO2の存在量の測定

3

サンプラー（ドリル・マ 5kg
ニュピレーター・サンプ
ル容器）

••

4

サンプル
ハンドリング機構

5kg

サンプル、サンプル容器、ドリルを取り替える

合計

20kg

サンプル（氷）を掘り出し取得する掘り出したサンプルをローバー本体に移動する

4. システム配分（前提） 打ち上げロケット：H２-A 20２型
 打ち上げ能力：４０００kg以内(GTO投入前提)（探査機の主な機能配分）
 着陸機
 ローバ
1. 地球〜火星への航行
1. 氷層を広く（2km以上）探査
2. 月面への軟着陸
2. サンプルを採取する
3. ローバと地上システムの通信中継
3. サンプルの観測データを着陸機/地上へ送信
4. ローバの相対位置航法（着陸機の位置を基準に火星上の進んだ距離）（質量配分）
 探査機（WET）：2200 kg

5. システム設計

評価基準◎（2点）：他と比べて一番良い◯（1 点）：他に良い候補があるが十分実現可能である。
△（0点）：劣っている部分が多いが実現不可能ではない
×（-1点）：一番劣っている、もしくは、実現が難しい

5.1 コンフィグレーション検討
5.1.1 探査機構成(1/2)

ローバと着陸機の組み合わせ、及び、周回機の有無についてトレードオフを実施し，「着陸機+ローバ型の周回機無し」のコンフィグレーションとした。
着陸機とローバの組み合わせトレードオフ
項目

着陸機 + ローバ

着陸機 多数

ローバのみ

概要

着陸機能と表面走行機能を分離

多數の着陸機を用意する

ローバに着陸機構を設ける
着陸時

走行時

重量

◯ 「ローバのみ」より劣るが，現実可能である× 探査箇所が多いため，重量が莫大になる◎ ローバ1機で良いため，一番軽い開発費◯ 2機分の費用が必要であるが，設計次第で実現可能

× 探査機が多く必要なため，費用も莫大になる。

◎ バス機器が共通に出来て、コストが一番低い

設計制約◎ 着陸機とローバ個々で設計可能なため制約条件は少ない◯

クリティカルなものは無い△ 軌道上と惑星上で各サブシステムを共通設計にする必要があり、制約条件が多い。

実績◎ 多くの実績あり、SLIMの着陸・ローバ展開システム技術を使用可能

◎

左と同様

△ 新規開発要素（新機構や共通設計思想）が多く、実績が無い

総合点数

6点

1点

4点

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.1 探査機構成(2/2)

評価基準◎（2点）：他と比べて一番良い◯（1 点）：他に良い候補があるが十分実現可能である。
△（0点）：劣っている部分が多いが実現不可能ではない
×（-1点）：一番劣っている、もしくは、実現が難しい

周回機の有無 トレードオフ
項目周回機無し

周回機有り

概要

火星上の探査機のみで探査

火星上の探査機と協調探査可能

質量◎ 周回機1機分の質量が削減可能であり、ミッション系や冗長系に配分可能△ 周回機1機分重い

可視◯ 右よりも可視は少ないが，地上システムの個数と運用で大きな問題無し◎ 周回機を中継することで可視時間・回数が多い

航法◎ 着陸時の絶対航法と移動中の相対航法を組み合わせることで，十分システム要求の位置同定可能◎ 周回機との電波航法で地上システムの位置同定が可能

開発費◎△ 周回機1機分の開発費必要

総合点数

７点

周回機分の開発費が削減可能

４点

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.2 着陸機(1/3)
着陸機システムへの要求整理
N システム要求項目o

適用

着陸機システムでの設計（サブシステムへの影響）

A 北極目標地点に10km×10km精度で軟着陸可能な機能を持つ
こと◯（姿勢制御系）： ・火星まで：スピン安定制御 ・火星エントリ直前：3軸姿勢制御（着陸航法誘導制御系） ：・SLIMと同程度の航法誘導センサ及び制御システムを搭載（構造系） ：・SLIMと同様の着陸脚型
・エントリカプセル（主構造）を搭載 ・パラシュートを搭載

B

探査機が2km以上の探査が可能である
ことー

ー

C

ミッション観測対象を観測可能なミッション機器を搭載のことーー

D 探査箇所が同定可能であること◯（ローバ航法誘導系）
・着陸機の絶対航法とローバの相対航法を組み合わせた同定方法を採用

E

多点観測が可能であること

ー

ー

F

探査機が氷を掘るサンプラを有する
ことーー

G 探査機の寿命が北極において火星年半年であること◯（太陽電池パドル系）
・パドルを鉛直横向きに倒し，太陽方向を追従するパドル機構システムを採用（熱制御系）
・着陸脚と本体をFRP素材で伝導断熱し，本体の下面はMLIで輻射断熱する方式を採用

H 夏に着陸可能のこと◯（軌道制御系）
・のぞみ同等の化学推進系を使用し，夏に着陸可能な打ち上げウィンドウを設定

I

ミッションデータを探査機が地上システムへ送信可能であること◯（通信系）
・多数実績のあるミッションデータをXバンド，HKデータをSバンド通信方式とし，着陸姿勢に依存しないように回転機構を採用。

J

氷のままサンプル採取可能であるーー5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.2 着陸機 (2/3)
着陸シナリオを下図に示す。
スピン安定

エントリカプセル（バス部共通）を分離し、火星に突入させる。

３軸安定

スラスタ+大気で減速

軌道上

パラシュートでエアロブレーキ

エントリ前
着陸機分離

撮像した写真と地図を見比べるとここだ！

SLIM誘導センサより高精度航法誘導：着陸精度100級

火星のMAPと航法カメラのマッチングより，火星上の着陸緯度・経度を同定：位置決定精度 5m(MAP解像度50cmより，それよりも10倍マージンの精度を仮定した。)
着陸5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.2 着陸機 (3/3)
着陸機の外観を下図に示す。

太陽電池パドル

通信アンテナ(Sバンド)

回転機構

パドル
回転機構回転機構

ローバ

ローバ展開機構

通信アンテナ(Xバンド)

航法センサ→（航法システム）
着陸精度100m級
絶対位置決定精度：5m
スラスタ（500Nメインスラスタ×1+20N RCS×4）
着陸脚：
着陸可能斜面 5deg

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.3 ローバー(1/6)
ローバシステムへの要求整理
N システム要求項目o

適用

ローバシステムでの設計（サブシステムへの影響）ーー

B 探査機が2km以上の探査が可能であること◯（移動機構系）
・トレードオフの結果，クローラ型を採用

C ミッション観測対象を観測可能なミッション機器を搭載のこと◯（ミッション系）
・要求ミッション機器を搭載する。

D 探査箇所が同定可能であること◯（ローバ航法誘導系）
・着陸機の絶対航法とローバの相対航法を組み合わせた同定方法とする。

E 多点観測が可能であること◯（移動機構系）・Bと同様

F 探査機が氷を掘るサンプラを有すること◯（サンプラー）・表面から100mm下の氷を溶かさずに採取可能なパイプ型ドリルを搭載

G 探査機の寿命が北極において火星年半年であること◯（太陽電池パドル系）
・パドルを鉛直横向きに倒し，太陽方向を追従するパドル機構システムとする。
（熱制御系）
・車輪と本体をFRP素材で伝導断熱し，本体の下面はMLIで輻射断熱する。

A

北極目標地点に10km×10km精度で軟着陸可能な機能を持つことH

夏に着陸可能のことーーIミッションデータを探査機が地上システムへ送信可能であること◯（通信系）
・多数実績のあるミッションデータをXバンド，HKデータをSバンド通信とする。

J

氷のままサンプル採取可能である◯（サンプラー）・表面から100mm下の氷を溶かさずに採取可能なパイプ型ドリルを搭載

評価基準◎（2点）：他と比べて一番良い◯（1 点）：他に良い候補があるが十分実現可能である。
△（0点）：劣っている部分が多いが実現不可能ではない
×（-1点）：一番劣っている、もしくは、実現が難しい

5. システム設計

5.1 コンフィグレーション検討5.1.3 ローバー(2/6)
移動機構トレードオフ
項目

車輪型

クローラ型

多脚型

走破性

△ スリップが多い
× 斜面が登れないリスク
高◎ 走破性が高い（地球上での氷上実績あり）◎質量◎△ 構成が複雑で重い△ アクチュエータ数が多く重い

速度△ 氷の上では不明◎ 惑星ローバの移動速度は氷上でも実現可能性高△ 作動に時間がかかる

寿命◎◯ 車輪ほどは長くない△ アクチュエータ作動回数が多
く故障リスク高

総合点数

３点

５点

２点

重くなり長い

走破性が良いサンプラートレードオフ
項目

先端鋭角型

ホール型

融解型

電力

◎

◎ 特に問題ではない△ ヒーター熱に非常に電力を使用

実績◯ 案は存在する◎ 地球上の北極であり◯ 案は存在する寿命△ ３０か所以上取るので， ◎ ホール型に歯が付いてお先端が摩耗する恐れありり摩耗しにくい△ 自身も熱くなるので電子機器の温度環境が激しい

サンプル◎◎ 要求通り採取可能

× CO2が採取できない

総合点数

５点

８点

１点

特に問題ではない

要求通り採取可能

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.3 ローバー(3/6)
下表に，ドリルについてトレードオフした。

評価基準◯（1点）：優×（0 点）：劣ドリルトレードオフ
項目

マニュピュレータ型

直下型

逆トルクへの反動

×アームの耐久力に依存するので、頑丈なアームが必要〇車体の重心に近いので、安定破片の散乱〇車体からある程度距離があるので安定 ×車体下部に直撃する可能性がある

移動中の機器保管
採集の自由度重量機構の開発/操作の簡易性
点数〇車体上部は障害物の影響を受けないの
×斜面の凹凸に依存する
で安全〇車体の移動可能範囲よりも広範囲で自×車体の侵入可能な領域に限られる
由度が高い
×アームの分重量がある〇パイプドリル分だけに限られる〇多くのローバで実績がある
×完全に新規〇必要なのはサンプルと観測機のサンプラートレードオフ
×関節が多く複雑インタフェース部分に限られる
4点
3点

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.3 ローバー(4/6)
下表に，ローバーの外観図を示す。

Sbandアンテナ

カメラ×2，LRF→地形を見て着陸地点から相対的にどれだけ進んだか
1m精度で位置決定

氷クローラ：
・移動速度 30m/h
・表面をギザギザにして、氷との摩擦係数を上げる

KAKIGORI

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.3 ローバー(5/6)
下表に，サンプラー及びドリルの外観図を示す。

サンプル採集済5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.3 ローバー(6/6)
マニピュレータはサンプラとは分離可能で、有事の際は下図のように分離して探査を継続する。

5. システム設計
5.1 コンフィグレーション検討
5.1.4 ミッションシナリオ

5. システム設計
5.2 リスク分析
4:2度以上

開発課題

フェーズ

電源

熱制
御

惑星間遷移時

姿勢推進

○MOI時
○○

航法・誘 通導 信○

○

○

○

○

○

機
構

Mis
sio 外n 的○

周回軌道上待機時

○

着陸機投入

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○
○

○
○
○
○

着陸機着陸

○

○

○

○

○

ローバ発進
ローバ移動

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

サンプリング中

○
○
○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

リスク内容

3:1度実績

3:ミッション続行不可

2:実績なしだが，推進・可動部

2:フルサクセス実行不可

1:実績なしで上記以外

1:フル実行可能，バックアップ必要発生可能性：P

新規開発要素 リスクスコア：
penalty
P*I+S

影響度：I

ロスト
ロケットの航法誘導不良によりノミナルの軌道に乗れない
軌道決定精度不良によるMOI失敗

4

3

122

14

1

2
4

MOI用個体モータ精度不良によるMOI失敗
MOI用固体モータの故障によるMOI失敗

413349

不可視領域侵入中の通信不可によるロスト

133

待機時間が長くなることによる，機器の故障
投入角度が悪くて，目的地の誤差楕円内に落ちれない
投入角度が悪くて，必要以上の空力加熱を受け，崩壊
パラシュートが開かない
カプセルが開かない
振動によって，機器が壊れる
着陸場所の光学環境が悪く，航法カメラでの撮像ができない
傾斜がきついところに，着陸してしまう
着陸機のRCSの動作不良
着陸位置の地面が良くない
着陸機のローバ展開機構が開かない
表面が柔らかく，沈み込み
表面が柔らかく，スタック表面の摩擦係数が小さく，スリップ

313125733533131214932

1151

151

151112513513511566617886

氷の表面が硬く，削れない
太陽光の入射量が予想より小さく，電源が足りない
CO2の雪が降りだし，アンテナSAPの効率が悪くなる
マニピュレータの関節が凍り付く
ローバのキャタピラが地面に凍り付く

125711561151151156666. 結論
6-1. トップ目標
火星の現在と過去の生命居住可能性の解明
6-2. 科学的な目的
火星の極冠を調べて、火星の表層環境・気候の進化を理解する

6-3. 工学的実現可能性
システム設計の結果、本探査ミッションの実現が可能であることを概ね確認できた
6-4.貢献（アウトカム）
本探査ミッションにより以下が期待される• 関連する火星固有の惑星科学の解明• 有人探査に向けた火星移住への情報の収集• 地球の惑星科学や、地球温暖化問題などへの応用

終わり