孤高の翼、火星の空へ。

　夏日星と呼ばれ、古くより日本人から慕われてきた火星（図１）。妖しく赤く光るこの星は、日本人だけではなく世界中の多くの人々を魅了してきました。私たち地球人は畏怖とともに様々な想いを抱きつつ、漆黒の夜空に浮かぶ赤い星を見つめ続けてきました。

火星の平均気温は表１に示すとおりであり、地球に比べるとかなり寒冷です。このような環境では当然水は氷として存在するのであり、たとえ水があったとしても生命の発生に繋がる可能性はかなり低くなります。しかしＮＡＳＡのローバー型探査機「オポチュニティ」は赤鉄鉱を発見しました（図３）。これは、その生成過程から考えると液体の水の存在を強く示唆するもので、過去のある期間、火星にも水が液体として存在したものと考えられています。つまり少なくとも生命が誕生しうる環境があったかもしれない、ということになります。

　地球外生命の存在は非常に興味深い問題ですが、これ以外にも火星にはわからないことがたくさんあります。例えば火星の地形。図４が示すように火星は北半球に比較的なだらかな平原が広がる一方、南半球は起伏に富んだ複雑な地形をもちます。その標高差も大きく、オリンポス山と呼ばれる火山の標高が２７ｋｍであるのに対し、マリネリス峡谷（図５）は深さ７ｋｍです。火星の直径が地球と比べて約半分しかないことから考えても、その標高差の大きいことがわかるかと思います。また火星には地球のように南北を指し示す地磁気がほとんど観測されません。その代わり、磁気の反転を繰り返しながら約１０００ｋｍにわたって広がるバンド状の局所領域が発見されています。これら火星の生い立ちを語る貴重なデータは火星の周回軌道を回る衛星によって得られました。このように近年の科学観測は、これまでよくわからなかった火星の素顔を少しずつ明らかにしています。

　火星の調査・観測の方法は大きく三つに分類されます。一つは従来より行われてきた地球からの観測です。この手法でも様々な情報を得ることは可能ですが、やはり解像度に劣るという大きな欠点があります。二つめは火星の周回軌道に乗せた探査衛星による観測です。これは火星の全体像の取得や磁場、地形の計測等に優れますが、特定の領域を詳細に観察することは苦手です。そして三つめは地表を自由に動き回るローバーによる観測です。ローバーは風況などの局所的な観測に適しているだけでなく、岩石や砂の直接的な分析も行うことができます。ただローバーは移動距離が小さいとともに、大小の岩が散在する荒れた大地の観測にはむきません。
　このように探査機にはそれぞれの特徴があり、各々の長所を組み合わせることによって必要な探査を効率的に実施してきました。ただそれでも満足のいく情報が得られない場合があります。例えばグランドキャニオンを想像してください。幾重にも連なる地層は美しいだけでなく、当時の情報をそのままの形で残している貴重なデータです。しかしそのデータは真上から観測する周回衛星では観測することが難しく、ローバーではアクセスすること自体が危険で困難を極めます。また磁化バンドのような数百ｋｍにおよぶ構造に対しては、やはり周回衛星やローバーは十分なツールとは言えません。
　このような状況下において期待されるのが飛行機型の探査機です。両者を補間するだけでなく、その特徴を最大限活かした手法によりこれまでに得ることのできなかった様々な情報を入手することが可能になります。火星の空を飛ぶ探査機ができれば、多くの謎が明らかになるかもしれません。しかしこれまで飛行機型の探査機は実現していません。実は火星大気中を飛行することはそれほど簡単なことではないのです。

　そもそも飛行機はどのようにして飛ぶのでしょうか。たとえば「ジャンボジェット」としてお馴染みのボーイングＢ７４７は重量が約４００トンもあります。これほどの物体が浮くためには、それと同じだけの力が重力に逆らって上向きに働く必要があります。この力は「揚力」と呼ばれ、高速の空気の流れを翼にあてることで発生します。ジャンボジェットは時速数百ｋｍで飛びますが、このとき翼の周りを通り過ぎる空気によって４００トン分の揚力が発生し、浮くことができるのです。
　しかしこの揚力は大気密度に比例するため、大気が薄くなればなるほど発生する力は小さくなるという性質があります。簡単に言えば大気密度が２倍になれば揚力も２倍。半分になれば揚力も半分になるのです。表１に地球と火星の主な特性を比較しました。この表からわかるとおり、火星の大気密度は地球の８０分の１程度しかありません。ジャンボジェットがもし火星で同じように飛んだとしても、揚力は８０分の１、つまり５トン分しか得られないことになります。これでは到底浮かんでいることはできません。もちろん火星では重力が地球の３分の１程度なのでその分は小さくてすみますが、それでも大気密度の減少分を挽回するには遠くおよびません。重力を考慮してもなお２７倍の開きがあります。
　では揚力を大きくするためには他に方法はないのでしょうか。実は次の３つの方法が考えられます。
　（１）２７倍の揚力が生まれるように翼の形を工夫する。
　（２）翼の面積を２７倍にする。
　（３）約５倍（２７の平方根）速く飛ぶ。
　＊揚力は翼の面積に比例し、速度の２乗に比例します。
　現在の飛行機の翼は、機体メーカーがこれまで相当な研究を重ねた結果たどり着いた形であり、ほとんど最適な形になっています。一生懸命努力して翼の形を工夫しても、揚力はおそらく２倍にするのも難しいと考えられます。また翼の面積を２７倍にするというのも、構造的に大きな負担がかかり現実的ではありません。特に火星に飛行機を持っていく場合、あまり大きくすることができないうえ、折りたたんだ状態でロケットに載せるので全体的にコンパクトでなければなりません。そうなると５倍速く飛べばいいように思えます。しかし速く飛ぶと、今度は「音速」の問題がでてきます。
　地球の地表付近の音速は毎秒３４０ｍほどです。これは密度や大気組成、温度などで決まります。物体の速さがこの音速を超えると「衝撃波」と呼ばれる波が発生します。翼の上の流れが音速を超えるとやはり衝撃波が発生します。この衝撃波は前に進もうとするものに対して大きな抵抗になりますが、翼の上にこれが発生すると抵抗が大きくなることに加え、揚力の低下を引き起こす場合があります。通常の飛行機も、抵抗と揚力のことを考え、衝撃波が発生しないようになるべく音速を超えないように飛んでいます。やみくもに速く飛びさえすればよい、ということではないのです。実際火星では音速が地球の約３分の２になってしまいます。つまり火星ではより低速で音速を超えてしまうのです。したがって、揚力を稼ぐために約５倍速く飛ぶ、という方法もかなり難しいことがわかるかと思います。
　結局、火星で飛行機を飛ばすためには先に挙げた３つの改善策を上手に組み合わせ、最適解を見つける他ありません。しかし筆者らのシミュレーションによると、火星大気の組成に起因した、新たな問題が発生しうることがわかりました。火星環境を模擬した数値実験を実施したところ、場合によっては揚力が大きく時間変動することがわかったのです（図６）。この図は揚力の時間変化を示すものですが、飛行速度などの条件によっては揚力の変動が非常に大きくなることが明らかになりました（実線）。もし私たちの乗る旅客機でこんなことが起これば、機体が浮いたり沈んだりを繰り返し、とても乗っていることはできません。これは図７が示すような「剥離」という現象と関係があるようです。図ではある翼の断面を通り過ぎる流れのパターンを可視化したものですが、左から流入する流れが翼の先端で剥がれてしまっていることがわかります。この「失速」と呼ばれる状況になると揚力は著しく低下し、最悪の場合、機体は墜落します。火星大気環境では、わずかな条件の違いでこの剥離が発生する可能性のあることがわかりました。したがって探査機の機体や飛行プロファイルを設計する場合は、十分な注意が必要になりそうです。

　バイキング１号が送信してきた赤褐色の荒れた大地の風景。当時小学生だった筆者も大きな衝撃を受けるとともに、希望で胸がいっぱいになった記憶があります。そしていま、砂塵が吹きあれる荒涼とした空を翼が独り飛翔する姿を想像するとき、未来に向かって真摯に努力を重ね、挑戦し続けることの大切さを強く感じています。

［１］：大山聖ら、「火星探査航空機のミッション・設計検討」、第４９回飛行機シンポジウム、３Ｆ１、２０１１． 

［２］：火星探査航空機ワーキンググループ、http://flab.eng.isas.jaxa.jp/meav/

＊図６、７はＪＡＸＡ研究開発本部池田友明博士によるものです。

（おわり）