Published: 2022-07-05 11:50

NASAの月探査計画「アルテミス」が本格始動。“先導役”となる小型探査機が打ち上げへ

NASAの月探査計画「アルテミス」で中継基地として使われる宇宙ステーションの設置に向け、その先導役となる小さな探査機がまもなく打ち上げられる。その役割とは、ゲートウェイ建設に向けたデータ収集や、月のための通信網の構築だ。

【画像】打ち上げに向けて準備着々、有人宇宙探査プロジェクト「アルテミス計画」

米航空宇宙局（NASA）が月探査のために打ち上げを計画している宇宙ステーション「月軌道プラットフォームゲートウェイ（Lunar Orbital Platform-Gateway）」。その周回経路として計画している月の特別な軌道を、まもなくトースターほどのサイズの探査機が調査することになる。

2020年代後半に運用が始まる予定のゲートウェイは、NASAの月探査計画「アルテミス」の一環として送り込まれる宇宙飛行士や機材の中継基地となる計画だ。その先導役となる小型で強力な探査機の打ち上げによってアルテミス計画が本格的にスタートし、NASAの野心的なプロジェクトがついに動き出すことになる。

この小型探査機は「CAPSTONE（キャップストーン）」と呼ばれる。正式な名称は、「Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment（地球と月の間に位置する自律測位システム技術運用・航法実験）」だ。

探査機はRocket Labの小型ロケット「Electron（エレクトロン）」の頂上に搭載され、ニュージーランドのマヒア半島から6月27日（現地時間）に打ち上げられる予定だ。この日に打ち上げられなくても、7月27日までに機会が訪れるだろう。当初は6月上旬の打ち上げが予定されていたが、飛行ソフトウェアのアップデートのために延期が決まっていた。

「本当にわくわくしています。基本的にこれが月に打ち上げられて配備される最初のキューブサット（CubeSat＝小型人工衛星）になるわけですから」と、CAPSTONEのプログラムマネージャーでエイムズ研究センターのNASA小型衛星技術プログラムで副プログラムマネージャーも務めるエルウッド・アガシドは言う。「CAPSTONEは、ゲートウェイが飛行する軌道や、月周回軌道を維持するために必要な燃料や制御条件をよりよく理解するための先導役を果たすのです」

キューブサットには小さなスペースに多くのものが詰め込まれており、通常は大型の人工衛星より低コストだ。この「キューブ」とは、一辺が10cmの標準単位（ユニット）のことを指している。多くのキューブサットは3ユニットで構成されており、3個が連結されてパン1個ほどの大きさの形状になっている。

CAPSTONEは、それを4つ組み合わせて12ユニットにした探査機である。コンパクトな箱の中にリチウムイオン電池やアビオニクス（航空電子機器）システム、推進や航行、データ処理を担う電子機器やマイクロコントローラーなど、すべてのものが収まるように設計されている。箱の両側からは、ソーラーパネルが翼のように水平に伸びる。

これまでにも多くの探査機が月の軌道に乗ったが、CAPSTONEはその技術実証の面でほかとは異なっている。特に搭載される位置測位システムは、NASAとその商業パートナーが月軌道上の探査機の正確な位置確認を可能にするものだ。

「地球上の人々は、GPSが位置情報を提供してくれることを当たり前のように考えています」と、Advanced SpaceのCEOでCAPSTONEの主任研究員を務めるブラッドリー・チーサムは5月のオンライン会見で説明している。だが実際のところ、GPSの電波は月はおろか地球軌道上にも届かない。

地球軌道の外側では、依然として地上ベースのシステムが研究者たちの頼みの綱だ。研究者たちはNASAのジェット推進研究所（JPL）が管理する国際的な巨大アンテナシステム「ディープ・スペース・ネットワーク（Deep Space Network）」を通じて、宇宙探査機を追跡している。

CAPSTONEはこの地上システムの代わりに、すでに月軌道上にある無人月探査機「ルナー・リコネサンス・オービター（LRO）」を利用することで、宇宙探査機間のナビゲーションを実現する予定だ。チーサムによると、2つの探査機が地上システムから独立して互いに通信し、双方の距離やそれぞれの位置を測定するという。

CAPSTONEは「弾道型月転移」と呼ばれる遠回りのルートで月に向かう。この方式は消費エネルギーが少なくて済むが、到着までに3カ月かかる（将来的に月に向かう宇宙飛行士は、より直接的な軌道を利用する）。

その後、CAPSTONEは月から最大43,500マイル（約70,000km）離れる楕円形の近直線ハロー軌道（NRHO）に乗り、1週間かけて月を周回する。この周回経路は、地球、月、太陽の引力バランスがいいので、燃料の消費を抑えられるという重要な利点がある。

また、NRHOは常に地球から見える位置にあり、月の裏側に隠れることがない。このためゲートウェイは、ほかの月探査機や地球上の宇宙管制センターと常に通信できるのだと、この宇宙探査機を設計・製造したTerran OrbitalのCEOのマーク・ベルは言う。「わたしたちは月のための通信網を構築しているのです。素晴らしいことになると思いませんか？」

CAPSTONEが月の軌道に到着すると、ナビゲーションシステムのテストが実施される。その間、地球のエンジニアたちは燃料消費を監視し、確実に探査機を独自軌道に維持する。これらの作業により、将来のゲートウェイ宇宙ステーションでどれだけのエネルギーが必要になりそうか、正確に測定できるわけだ。

「本物を打ち上げる前に、物理的な実験機を実際に宇宙へ送り出せるのは、宇宙船の軌道設計の分野では珍しいことです」と、NASAのゲートウェイ計画でミッションデザインのリーダーを務めるダイアン・デイヴィスは言う。「そこでどのような成果を上げるのか、とても楽しみです」

ゲートウェイが完成すると、2つのクルーキャビンが中心となり、そこに科学・貨物モジュール、サービスモジュール、エアロック、その他のエレメントが接続される。ゲートウェイは国際宇宙ステーション（ISS）より小規模な前哨基地となり、地球からやって来る宇宙飛行士や、月へ降りるためのベースキャンプとして使用する宇宙飛行士など、一度に数人を受け入れることになる。

CAPSTONEのミッションにはNASAとコラボレーションしている産業界も参加しており、NASAの中小企業技術革新研究（SBIR）プログラムの恩恵を受けていると、プログラムマネージャーのアガシドは言う。探査機を所有・運用するAdvanced Spaceのほか、キューブサットのプラットフォームにはTerran Orbital傘下のTyvak Nano-Satellite Systemsが、推進システムではのStellar Explorationが提携している。

またRocket Labが打ち上げ機であるエレクトロンと、「ルナー・フォトン」と呼ばれる上段ステージを提供した（ちなみに小型探査機は巨大なロケットで打ち上げる必要がない。小型ロケットであるエレクトロンは、スペースXの「ファルコン9」の約4分の1の高さしかなく、NASAの「スペース・ローンチ・システム（SLS）」にいたってはエレクトロンの頭上にそびえ立つ高さだ）。

これらすべてを合計しても、打ち上げ費用は1,000万ドル（約13億5,000万円）未満、ミッションz全体の費用が2,000万ドル（約27億円）弱となり、月への旅としては“手ごろ”と言える。

NASAは現在、ノースロップ・グラマンやMaxar Technologiesといった商業パートナーの力も借りながら、最初のクルーキャビンやソーラー電気推進システムを開発中だ。欧州や日本の宇宙機関とも協力している。

これらの最初のコンポーネントは、2024年にスペースXの「Falcon Heavy（ファルコン・ヘビー）」で打ち上げられる予定だ。その後、クルーが送り込まれ、組み立て作業を支援することになる。

「完全に建設が終われば、クルーが科学のために使用します。月面ミッションのための中継地としても利用されます」と、NASAのデイヴィスは言う。「目的のひとつは、火星へ出発するよりも先に、これらの深宇宙技術を地球の近くで使ってみせることにあるのです」

この夏にNASAは、再び月へ行くミッションと将来的に可能性のある火星へのミッションに向けて、ほかにもいくつか大きなステップを踏む予定だ。まず、「アルテミス1号」の打ち上げに使用される巨大なロケットであるSLSについて、さらなるテストを実施するか決めなければならない。

このロケットはケープカナベラルの発射場に運び込まれ、NASAのSLSチームによる演習のカウントダウンテストがほぼ完了した。NASAが計画を進めると決めた場合、アルテミス1号は早ければ8月にも打ち上げられる可能性がある。SLSと無人のオリオン探査機は月を周回し、さまざまな2次ミッションのために10個のキューブサットを配備する予定だ。

最初の有人ミッションとなる「アルテミス2号」は、2024年に月への接近飛行を予定している。そして、25年に計画されている「アルテミス3号」のミッションは一部の宇宙飛行士をゲートウェイに送り、ほかの宇宙飛行士はNASAとして半世紀ぶりとなるアポロ計画以来の月面着陸に挑む予定だ。クルーは新しい宇宙服を着て、月の地形探査も実施する。

だが、それらのミッションに先立ってCAPSTONEは現地を“偵察”し、新しいナビゲーション技術がどれだけうまく機能するのかチェックしなければならない。「これらの能力のいくつかを実証し、次のミッションで使うことにワクワクしています」と、プログラムマネージャーのアガシドは言う。「わたしたちは全員、相変わらず待ちきれない思いでいます」