NASAの火星ヘリ「SkyFall」、柔軟レーダーアンテナが模擬着陸200回を突破

NASAのジェット推進研究所（JPL）は、火星探査ミッション「SkyFall」のヘリコプターに搭載する地中レーダー用アンテナについて、重要なハードウェア試験を完了した。柔軟な金属布で作られたこのアンテナは、200回の模擬火星着陸に耐え、測定可能なレーダー性能の低下がないことが確認された。将来の有人探査に向けて浅い地下にある氷を探すための重要な技術だが、ミッションの実現には予算確保という課題が残されている。

■導入と背景

NASAのジェット推進研究所（JPL）のエンジニアは、SkyFallミッションの水氷探査レーダーに関する重要なハードウェアのマイルストーンを達成した。柔軟な金属布を縫い合わせて作られたバイオリン形状のアンテナが、200回の模擬火星着陸に耐えたのだ。これは主要ミッションの成功に必要とされる回数の2倍以上であり、レーダー性能の測定可能な低下も見られなかった。

JPLが2026年8月7日に発表したこの結果は、ミッションにおける特に厳しい工学的課題の1つを解決するものだ。その課題とは、岩の多い異星の地表に何十回も着陸するヘリコプターに、破損したり元に戻らないほど変形したりすることなく、地中レーダーアンテナを搭載する方法である。

■宇宙飛行士が掘削する浅い層は軌道上からは見えない

NASAの火星軌道探査機「マーズ・リコネッサンス・オービター」や欧州宇宙機関（ESA）の「マーズ・エクスプレス」は、火星表面から数十ヤード（数十メートル）下に埋まっている氷の堆積物をマッピングしてきた。しかし、これらの観測機器は、将来の宇宙飛行士が実際に掘削することになるレゴリス、すなわち緩い岩石や塵からなる表層のうち、最上部の数フィートについては事実上観測できない。NASAの地下水氷マッピング（Subsurface Water Ice Mapping）プロジェクトは、この浅い領域を着陸地点選定における最も重要な探査対象としている。掘削機器が届く範囲に氷があれば、大規模な産業用掘削設備を必要とせず、飲料水、酸素、ロケット推進剤を確保できる可能性があるためだ。

SkyFallの地中レーダーは、この観測上の空白を埋めるよう設計されている。ミッションを構成する3機のヘリコプターには、それぞれ小型レーダーシステムが搭載され、地下の地質構造を調査するとともに、深さ1.6〜10フィート（0.5〜3.0メートル）にある氷を検出する。土壌条件が良ければ、さらに深い場所も探査できる。この浅い領域こそ、有人ミッションにとって最も重要である。大規模な産業用掘削設備を必要とせず、飲料水、酸素、ロケット推進剤に加工できる水氷が、手の届く深さに存在する必要があるためだ。

「浅い地下にある氷を遠隔で検出するには、地表近くを飛ぶしかない」と、JPLでSkyFallの地中レーダーを担当する主任観測機器科学者のエイドリアン・タンは、同日付のJPLプレスリリースで述べた。「低空をゆっくり飛ぶことで、SkyFallのヘリコプターは、乾燥した土壌から氷へと変わる微細な層構造を識別できるレーダー画像を取得し、氷の存在を検出して、その広がりをマッピングできる」

■標準的なアンテナが任務に耐えられない理由

この深さの火星地下を調査するため、SkyFallのレーダーは500〜2,500メガヘルツという超広帯域の周波数で送受信する必要がある。波長にすると約5〜24インチ（12〜60センチメートル）となる。この広い帯域幅により、地中レーダーは深い構造と表面付近の微細な層の両方を捉えられる。長い波長はより深くまで届き、短い波長は細部を捉えるのに適している。高い周波数だけでは解像度は得られても探査深度が足りず、低い周波数だけでは深くまで届く一方、氷が現れ始める薄い層を捉えられない。

この周波数帯をカバーする従来型のアンテナには、約19インチ（48.3センチメートル）の長さが必要となる。しかも、地面との間に遮蔽物がない状態を必要とする剛性構造である。ところが、SkyFallの各ヘリコプターの最低地上高は、火星表面からわずか約6インチ（15.2センチメートル）しかない。着陸脚より下に伸びる硬いアンテナは、最初に地面へ接触した時点で破壊されてしまう。JPLチームは同日発表のプレスリリースで、こうした地上高とアンテナ寸法の制約を明らかにしている。

JPLチームが採用した解決策は「ビバルディ・アンテナ」だった。これは、1979年にエンジニアのピーター・ギブソンが考案した、曲線を描く指数関数的なテーパー形状のスロットアンテナである。ギブソンの説明によると、その流れるような形状がバイオリンの曲線を思わせることから名付けられた。ビバルディ・アンテナがこの用途に特に適している理由は、その形状にある。本質的に平らな2次元構造であるため、柔軟な金属化布から直接切り出すことができる。レーダーに必要な連続的な広帯域性能と、この平面形状を兼ね備えた広帯域アンテナはほかにない。

しかし、標準的なビバルディ・アンテナの寸法でも、SkyFallの地上高に対しては大きすぎた。そこでチームは、火星環境の重要な物理特性を利用した。乾燥した火星のレゴリスは、地球の土壌に比べて電気をはるかに通しにくい。地中レーダーにとって土壌の高い電気伝導率は障害となる。電波が急速に減衰し、探査できる深さが制限されるからだ。火星のレゴリスは電気伝導率が低いため、レーダー波がはるかに通りやすい。この特性により、浅い領域の探査に必要な深度感度を損なわずにアンテナを小型化できる。JPLのエンジニアは、この特性を利用した小型化技術を開発し、対象とする深度範囲での性能を維持しながらアンテナを縮小した。

■曲がるように作られ、元に戻るように設計される

小型化されたアンテナでも、ヘリコプターの着陸脚の約1.5倍の長さがある。このため、平坦な地面でも、岩の多い地形でも、大きな岩の上でも、着陸するたびにアンテナは邪魔にならないように曲がらなければならない。そしてヘリコプターが次のデータ収集飛行に向けて離陸するときには、アンテナが作動時の形状に戻る必要がある。

「アンテナをかなり小さくすることには成功したが、それでもヘリコプターの脚の約1.5倍の長さがある」と、JPLでSkyFall地中レーダーの機械設計を統括するクリスティーン・ゲバラは、同日付のJPLプレスリリースで述べた。「つまり、着陸時にはビバルディ・アンテナが邪魔にならないように曲がる必要があり、岩の上に着陸すれば、さらに大きく曲がる。しかし、ヘリコプターが再び離陸するときには、データ収集のためにアンテナが元の位置へ戻らなければならない。SkyFallは火星を探査するために何十回も飛行すると見込まれているため、飛行中の形状を失うことなく、こうした負荷に繰り返し耐えられるアンテナが必要だった」

完成したハードウェアは、複数の素材を重ねたサンドイッチ構造となっている。アンテナ本体はポリエステルで覆われ、その上からベクトラン（Vectran）が何層にも巻かれている。ベクトランは高性能な液晶ポリマー繊維であり、探査車「スピリット」と「オポチュニティ」が2004年に火星へ着陸した際、機体を弾ませながら着地させたNASAの火星探査車用エアバッグにも使われた。ベクトランが選ばれた理由は、繰り返し曲げられることによる疲労への耐性と、低温になるほど強度が増すという一見直感に反する特性にある。この特性は、1997年のマーズ・パスファインダー・ミッションの設計作業でも確認されていた。飛行中のアンテナ形状は、柔軟なグラスファイバー製テープスプリングと、軽量なマグネシウム製取り付け構造によって保たれる。マグネシウムは構造用金属の中で最も密度が低い。アセンブリ全体の重量は約5オンス（150グラム）で、バイオリンの弓2本分とほぼ同じである。

■200回の着陸は実際に何を証明したのか

アンテナが通過した試験は、意図的に過酷な条件で実施された。JPLの環境試験研究所で、エンジニアはアンテナを着陸後の状態を再現する向きに曲げ、火星の昼夜の温度変化を模擬した熱サイクルに繰り返しさらした。火星では、1火星日のうちに温度差が華氏170度（摂氏94度）を超えることがある。その後、火星表面に何十回も着陸した場合を想定してアンテナを繰り返し曲げた。試験中には計6回作業を中断し、アンテナを電磁干渉試験室へ運んで、レーダー性能が低下していないかを確認した。

無線周波数試験では、アンテナを裏返して底面を上向きにした。この配置では、実際の運用時に地球の約3分の1である火星の重力が構造に及ぼすよりも、大きな負荷がかかる。

試験期間の終了までに、アンテナは200回の模擬火星着陸に耐えた。これはSkyFallの主要ミッションに必要とされる回数の2倍以上であり、レーダー信号性能に測定可能な低下は見られなかった。

「この試験では、確認すべき項目をすべて確認でき、最大の技術的疑問にも答えが得られた」とタンは述べた。「アンテナが完全に飛行認定を受けるまでには、まだ作業が残っているが、これは大きなマイルストーンだ。ハードウェアは期待通りに機能した」

最初の主要な試験が完了したことで、地中レーダーチームは現在、エンジニアリングモデルの製作を進めている。このモデルは今後、振動試験、模擬火星環境での展開試験、追加の信号検証、さらにJPLの「マーズ・ヤード」での屋外試験を受ける予定だ。マーズ・ヤードは、ヘリコプターが火星で遭遇する岩や砂の地形を再現した屋外試験場である。完全な飛行認定に至るまでには、なお試験が残されている。

■SkyFallミッションとは何か、そしてなぜこのアンテナが重要なのか

SkyFallの3機のヘリコプターは、NASAの火星ヘリコプター「インジェニュイティ（Ingenuity）」の技術を直接受け継いでいる。インジェニュイティは、2024年1月にミッションを終えるまでの約3年間で72回の飛行を完了した。これにより、地表での気圧が地球のわずか1％しかない火星の希薄な大気でも、動力を使った制御飛行が可能であることを証明した。SkyFallは、この空力技術を基盤としながら、より大きなローターブレードと、1機当たり4種類の観測機器を含む大幅に重い科学ペイロードを搭載する。

通信中継を探査車「パーサヴィアランス（Perseverance）」に依存していたインジェニュイティとは異なり、SkyFallのヘリコプターは火星を周回する軌道探査機へ直接データを送信する。これにより、探査車では到達できない地域でも運用できる。各ヘリコプターは、1回2.5分の飛行で火星表面の約0.6〜1.2マイル（1〜2キロメートル）を移動し、地中レーダー、可視光カメラ、近赤外線撮像装置、気象センサー、放射線モニターを使用する。

レーダー機器の価値は、それ自体が収集するデータだけにとどまらない。有人ミッションが到着する前に、着陸候補地点の地下の層構造をマッピングすることで、SkyFallのヘリコプターは地下空洞、中空の溶岩洞、強度の低いレゴリス層など、重量のある有人車両にとって着陸地点を危険なものにしかねない隠れた要因を明らかにできる可能性がある。

3機のSkyFallヘリコプターは、NASAの「Space Reactor-1（SR-1）Freedom」に搭載されて火星へ向かう。これはNASA初の原子力電気推進による惑星間宇宙船であり、核分裂炉でイオンスラスターを駆動し、従来の化学ロケットよりもはるかに効率的な推進を実現する。ミッションは2028年12月に打ち上げられる予定である。その後、巡航期間と2029年の最初の火星フライバイ、さらに2回目の火星接近を経て、2030年秋にヘリコプターを展開する見通しとなっている。

■予算の不確実性がミッションの最大の変数として残る

今回のアンテナ試験は、重大な財政上の不確実性を抱え続けるミッションにおいて、具体的な技術的進展を示すものだ。NASAが2026年7月にSR-1 Freedomの総費用21億ドル（約3318億円、1ドル＝158円換算）を公表した時点で、議会が承認した金額と、プログラムが2027会計年度に必要とする金額との差は約8億8000万ドル（約1390億円、同レート換算）に達していた。TechTimesは2026年7月、この資金不足について詳しく報じている。

また、火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）は2026年6月のメモで、「Mars Future Missions」の予算項目から支出されるSkyFallの費用が、同項目で利用可能な1億1000万ドル（約174億円、同レート換算）を上回る見通しだと警告した。資金をSkyFallへ振り向けるため、現在運用中の火星ミッションが終了される可能性もあるという。このMEPAGの予算に関する警告メモは、NASA Watchが2026年6月に公開した。

ハードウェアを開発しているJPLのエンジニアにとって、アンテナ試験の成功は、ミッションの実機開発が予定通り進展していることを示している。予算について議論するだけでは得られない、具体的なハードウェア上の成果である。

■よくある質問

●柔軟なビバルディ・アンテナによってSkyFallのレーダーが機能するのはなぜですか？

レーダーの500〜2,500メガヘルツという全周波数帯をカバーする剛性アンテナには、約19インチ（48.3センチメートル）の長さが必要です。これは、ヘリコプターの約6インチ（15.2センチメートル）という地上高を大きく上回ります。このような構造は最初の着陸で破壊されてしまいます。ビバルディ・アンテナは、平らな2次元形状を柔軟な金属化布から切り出せるため、着陸時には邪魔にならないように曲がり、ヘリコプターが離陸すると作動時の形状へ戻ります。同等の連続的な広帯域性能を備えたアンテナで、平面形状と機械的な柔軟性を併せ持つ設計はほかにありません。

●既存の軌道探査機では、SkyFallが対象とする浅い氷をマッピングできないのですか？

現在火星で運用されている軌道レーダーには、マーズ・リコネッサンス・オービターに搭載されたNASAのSHARADや、マーズ・エクスプレスに搭載されたESAのMARSISがあります。これらは、地表から数十メートルから数キロメートル下に埋まった氷の堆積物を検出するために設計されています。その信号周波数や観測方法では、レゴリスの最上部数メートルを事実上観測できません。この浅い領域こそ、宇宙飛行士が大規模な産業設備を使わずに飲料水、呼吸用酸素、ロケット推進剤を作るため、水氷へ到達する必要がある場所です。SkyFallの地中レーダーは、地表近くを低空かつ低速で飛ぶことで、この観測上の空白を埋めます。NASAの地下水氷マッピングプロジェクトも、この浅い領域を有人着陸地点の選定における重要な探査対象としています。

●工学的に「200回の模擬火星着陸」とは何を意味しますか？

試験チームは、アンテナを着陸時の形状に繰り返し曲げ、火星で1日のうちに生じる華氏170度、摂氏94度を超える温度差を模擬した熱サイクルにさらしました。さらに、着陸時の負荷を再現するため、アンテナを繰り返し曲げました。試験中には計6回アンテナを電磁干渉試験室へ運び、レーダー出力が低下していないかを測定しました。SkyFallの主要ミッションで必要とされる回数の2倍を超える200回の試験後も、レーダー信号性能に測定可能な低下はありませんでした。アンテナを裏返した状態で無線周波数試験も行い、実際の運用時に地球の約3分の1である火星の重力から受けるよりも大きな機械的負荷を加えました。

●SkyFallはいつ火星に到達し、地下氷のマッピングを開始するのですか？

SkyFallは、NASAの原子力電気推進宇宙船「SR-1 Freedom」に搭載され、2028年12月に打ち上げられる予定です。巡航期間と2029年の最初の火星フライバイを経た後、ヘリコプターの展開前に2回目の火星接近を行う軌道が計画されており、着陸は現在2030年秋に予定されています。着陸地点はまだ選ばれていません。NASAは、ヘリコプター群が到達できる範囲にあり、有望な地下構造を持つ平坦で標高の低い地域を特定するため、着陸地点の選定を進める計画です。

元記事: Mars Helicopter Radar Antenna Survives 200 Landings in JPL Test Campaign