氷巨大惑星探査の哲学: シンプルで手頃な価格

予算が多すぎると選ばれないので、低予算で必要最低限の観測機器だけを搭載した軽い探査機を安いロケットで打ち上げる。国際宇宙ステーションでも増設された太陽電池パネルを使えば天王星軌道でも200～400Wを供給できるらしい。以下、www.DeepL.com/Translator（無料版）で翻訳しました。
氷巨大惑星探査の哲学: シンプルで手頃な価格
氷の巨人」にとって、最先端技術から手を引くときが来たのだ。複雑さは、遅延と財政的な障害を生みます。メッセンジャーやドーン、イオ観測隊がとったようなアプローチをとるべき時なのです。氷惑星のフラッグシップ・ミッションの科学的目標は、一度に達成するのではなく、何年かかけてよりシンプルでそれほど難しくない一連の探査機によって達成することができるのです。
これは、これらの星への新しいミッションに対して、根本的に異なるアプローチをと
ることを求めているのである。宇宙船技術の進歩は、希望と前途を与えてくれる。重要なのは、小さく始めることと、手頃な価格に抑えることです。

はじめに
十年調査は、氷惑星系に対する一連の高速、簡易、安価な（FSA）宇宙船を承認するよ
う要請されている。コストを抑えたオービターとプローブの別系統が、軌道と資金に
よって決められた周期で打ち上げられることになる。請負業者は競争的な機会公募で
選ばれる。
2020年のパンデミックと火星サンプルリターンの経済的な影が、フラッグシップミッ
ションを問題にしている。さらに、RTGの生産が不安定なため、可能な限り太陽光発
電と低電力アビオニクスを使用する必要があります。
幸いなことに、進歩の過程で、フラッグシップミッションの科学的目標を達成できる
小型の宇宙船が生み出されました。動力、推進力、通信、機器の設計は革命的に進歩
している。この論文は、特定のミッション設計を提案するものではなく、むしろ、10
年サーベイチームに、氷の巨人への小型で手頃なミッションの哲学を支持するよう要
請するものである。
NASAは、民間企業が解決策を提案することを許可すべきです。ジュノー、ドラゴンフライ、ニュー・ホライズンズのようなミッションは、彼らがその任務に適していること
を証明している。AOは、科学的目標、スケジュール、コストの上限を概説するものである。

オービター
まず、オービターはできる限り小さくします。これは、ペイロードが非常にシンプルであることを意味します。これによって、探査機の複雑さが抑制されます。目標は、半世紀ぶりにこの氷の巨人に戻ってくることです。遠足に行くようなものですから、荷物は軽いほどいいのです。
成功に不可欠なのは、民間企業の活用です。NASAのNew Frontiers、Discovery、Simplex
ミッションは、このモデルを活用し、低いミッションコスト、少ない技術リスク、タイムリーな実行を実現しています。
シンプルなオービターが最初に飛行することになります。氷の巨大なシステムの探査を手頃な価格に抑えることは、ミッションの範囲とミッションのコストのトレードオフを成功させることにつながる。科学的な目標のいくつかは、後のミッションに延期
されます。最初の船はマッピングとモニタリングに集中し、シリーズの次の軌道に乗
るための舞台を作ることになります。フラッグシップミッションでは、すべての科学
データを取得することになりますが、一度にすべてを取得することはありません。半世紀にわたる沈黙の後、前進するための唯一の方法なのです。

新たなアプローチ氷の巨人のシステムを調査するためには、抜本的な対策が必要です。歴史上、過大な計画から実際に成功した例はいくつもあります。
ボイジャーと名付けられた最初の宇宙船は、火星に着陸するための壮大な宇宙船であった。
1960年代後半にNASAの予算が縮小し始めると、ボイジャー計画は打ち切られた。
その代わりに、それほど大規模ではないものの成功したのが、火星着陸船「バイキング」計画である。
1970年代初頭、外惑星探査を目的としたグランドツアー計画が進行中であった。しかし、TOPS宇宙船のコストと複雑さのため、この計画は中止されました。NASAは、ボイジャーの名前を受け継いだマリナー・木星・土星計画の規模を縮小し、惑星直列を利用するために奔走した。マリナー12号（ボイジャー2号）のミッション延長により、天王星と海王星の観測が初めて可能になった。
もうひとつは、「ニュー・ホライズンズ」計画です。これは、「冥王星探査機」の打ち上げが暗礁に乗り上げた結果、実現したものです。NASAの研究により、20億ドルも
かかる設計がなされました。その結果、「エクスプレス」計画は中止となり、冥王星探査は宙ぶらりんな状態になってしまいました。2000年、冥王星探査のAOが出されましたが、その費用は10億ドルでした。そして、「ニュー・ホライズンズ」案が採用され、現在に至っています。
ソーラー・プローブ計画も同じように行き詰まった。木星飛来型はコストが20億ドル
に上り、無期限延期となった。NASAゴダード研究所は、ミッションの見直しを迫られ、7億5千万ドルの設計案を作成した。その結果、パーカー・プローブは現在、飛行しながらデータを返している。
これらの例は、生産性の高いミッションが固定費の範囲内で飛行可能であることを実証している。科学は多少犠牲になっている。しかし、これは本当の姿ではありません。多くの複雑なミッションは、建設と飛行があまりに野心的すぎたため、科学データを返すことはありませんでした。限られた範囲のミッションが成功したのは、フィクションの世界からハードウェアの世界へ移行したからです。

課題
タイミングは？木星の重力アシストを利用した2つの打ち上げウィンドウが、10年後半
に利用可能になる。最初の木星探査機を利用するためには、2022年に海王星探査機の
フェーズAを開始することが不可欠である。この短いタイムラインでは、大気プローブ
のないシンプルな機体を使用することになる。
現状では、木星の重力アシストを利用して天王星に向かうオービターが到着するのは2043年と、20年以上先のことになります。しかし、軽量な船であれば、7年後の2029年には到着することができます。ボイジャー2号が飛んでから半世紀後とはいえ、現在想定されているよりも17年も早く到着することになる。惑星探査の関係者の多くは、この加速されたスケジュールの利点を評価している。
小型で高性能なオービターが作れるということは、両方の氷の巨人を調査することができるということです。片方の惑星を無視して、もう片方の惑星に行く必要はないのです。天王星系と海王星系はほとんど分かっていないのですから、どちらかを優先するのは無意味なことです。どちらがフラッグシップミッションにふさわしいか？という質問には答えられません。したがって、限られた範囲でのミッションは、両方のターゲットに送るべきです。

予算NASAの予算計画を見ると、2020年代には厳しい資金獲得競争が繰り広げられることが明らかである。新しい月探査プログラムが開始され、今後10年間で50億ドルを吸収する予定である。さらに、火星探査の予算は大幅に増加する一方で、外惑星探査の予算は75％減少する予定である。火星サンプルリターンは今後8〜10年間は資金が枯渇する可能性があり、国の経済見通しも悪いので、さらに悪化する可能性があります。
では、どうやって天王星や海王星に帰ればいいのか？今後20〜40年の間に新しいデータを取得するためには、根本的に新しいアプローチが必要です。

電源を供給する。2020年初頭、惑星コミュニティはenhanced-MMRTGの開発が中止されたことを知らされた。次世代RTGの計画はあるが、それが実現する保証はない。
eMMRTGがなければ、NASAのフラッグシップ設計はすべて時代遅れになってしまいま
す。現在では、標準のMMRTGと太陽光発電の2つの選択肢しかありません。この制限により、氷の巨人船は電力需要に対して非常に質素である必要があります。
RPS の製造スケジュール（および他の NASA プログラムとの競合）を考慮すると、今後10 年間に MMRTG が利用できるのは 1 機のみとなる可能性が高い。もし、そのうちの1つが太陽電池で動くものであれば、2つの高速、簡単、安価な（FSA）オービターが打ち上げられることになります。物理的に、海王星探査機には1台のMMRTGを使用することになります。1つのMMRTGで「やりくり」するために、省電力の電子機器を使用することになります。天王星探査機も、同じように省電力の電子機器を使い、太陽電池で飛行することができます。
アレイ技術の進歩は、天王星周回衛星が太陽光発電で運用できることを意味します。
ROSAとMega-ROSAパネルは20A.U.で200～400Wを供給でき、2017年に最初のROSAアレイ
がISSに打ち上げられ、その能力を実証しています。


推進力天王星探査機は直行便で送られ、木星GAを使用しないため、最短で7年のトランジットタイムを実現することができます。海王星探査機は、木星GAを搭載し、10年の通過時間を持つ。重送ロケット（バルカン、ファルコン）により、低質量のオービターを高速軌道で送ることができる。
質量が小さくても、氷の巨人との遭遇速度が速いので、軌道に乗るまでに減速する必要があります。理想的なのはエアロキャプチャーですが、これはまだ存在しない技術です。もう1つの方法は、使い捨ての推進モジュールを使用することです。これは、
ESAのMSRオービターに使用される軌道投入モジュールに倣うことができます。氷惑星の探査機では、このモジュールをUOIとNOIに使用し、その後、射出します。その後、主衛星は、より軽量で複雑でない統合推進システムを使用することになります。

科学実験装置。観測装置の質量と消費電力を抑えるには、いくつかのアプローチがあ
ります。ひとつは、装置の数を制限する方法です。限られたペイロードの中で、まず
優先されるのは撮像です。天王星や海王星の衛星は、完全で詳細な写真撮影が切実に
求められています。探査の第一歩は海図の作成である。これは何千年も前からある伝統です。高解像度とコンテクストカメラで、そのベースマップを作成します。また、
近赤外線の能力を加えた撮像装置で、氷の巨人やそのリングシステムの大気もモニターします。
Vis-IRカメラは、天王星が "変身 "することを意味します。このような地球接近型の
近赤外線画像は、大気の詳細な情報を提供するものです。オービターは、天王星のベルト、ゾーン、極低気圧の画像を作成し、ジュノが見た木星の画像に似ています。




オービターとプローブ
プローブミッションとオービターミッションを分離することが、価格を抑える鍵になります。これにより、オービターはよりシンプルで安価なものになります。オービターは打ち上げ待ち行列の中で最優先されます
。プローブプログラムは、オービターから切り離される。
そのため、巨大惑星大気の研究に特有の要因によって、ミッションの周期が決定されます。

オービター
アイス・ジャイアント・オービターズ」は、これまでのミッションの経験をもとに開発されます。現在では、産業界はこのような船の作り方を "解明 "しています。このアプローチは、最初の惑星周回船「マリナー9号」の頃を思い起こさせます。マリナー9号は、より速く、より安く、よりシンプルなプロジェクトの初期の例でした。主な観測機器はカメラで、火星の最初の全球マップを作成しました。シンプルであるがゆえに、予算と時間を節約することができたのです。

大気圧プローブ
産業界は、低コストで機敏なオービター機について多くの選択肢を生み出してきた。
しかし、氷の巨人の大気圏への探査機については、同じことは言えません。天王星と海王星に探査機を送るべきですが、土星大気探査機が道を切り開いていれば、技術の準備は今よりずっと進んでいたことでしょう。このミッションは何年も前から計画されていたのですが、「ニューフロンティア計画」によるいくつかの提案が却下されました。そのため、プローブの開発は停滞しています。
十年調査は、氷惑星探査の別系統を提唱するよう要請されている。最初のミッションは土星探査機となるだろう。これは長年の目標を達成し、天王星と海王星のほぼ同様の探査に必要な技術を開発することになる。さらに、10 年計画サーベイでは、KBOIce Giant Probe の複合ミッションを提唱する必要がある。
また、プローブキャリアには、ドップラー・イメージャーが搭載されます。これは惑星内部のデータを収集するだけでなく、プローブの突入地点の画像も提供します。
KBOミッションの場合は、矮小惑星との遭遇の際に、このようなカメラが主な観測機器となります。
オービターはプローブ運搬船としての役目を終え、天王星や海王星の軌道上での偵察に専念できるようになったのです。


NASAの惑星科学予算への要求
氷惑星系の探査は、単独で行われることはないでしょう。太陽系には他にも
目的地があり、科学者たちは自分たちの興味のある対象にミッションを送る
ことを望むでしょう。
火星探査機Mars 2020の打ち上げにより、NASAは今後10年間惑星科学予算に財政的な影を落とすことになる火星サンプルリターンプログラムに取り組むことになった。MSRの着陸機は、これまで打ち上げられた中で最も複雑な惑星探査機のひとつとなる。フェッチローバーとマーズアセントビークルを搭載しなければならない。
(MAV)を地表に打ち上げる。MAVにサンプルを移し、ロケットの発射台として機能させる必要があります。この開発、建設、テストは、新しいエンジニアリングの領域に踏み込むことになります。このメガ・フラッグシップ・ミッションは、70億ドル以上の費用をかけ、2029年以前に地球を離れることはないだろう。

フラッグシップのリスクと複雑性の罠
フラッグシップミッションは素晴らしいものですが、あまりに複雑なため資金が集まらず、飛行することもなければ意味がありません。野心的でないミッションは、科学的成果は少なくなりますが、憧れのニュースタートを達成する可能性は高くなります。

結論
生命の9割は "顔出し "だシンプルで手頃な価格の一連の宇宙船によって、私たちは半世紀ぶりに氷の巨人に「顔を出す」ことができるようになるでしょう。重要なのは、ニューフロンティア、ディスカバリー、シンプレックスプログラムの哲学に似た競争です。

ミッションを明確にし、コストを設定し、商業部門にその実現に挑戦するので
す。前回のデカダル・サーベイ以来、小型衛星とキューブ衛星の能力が出現し、成熟してきたことで、革新的で安価な技術で科学的目標を達成することができるようになりました。
この論文は、特定のデザインを提唱するものではなく、むしろ氷の巨人系の探査のための競争的なアプローチを支持するよう、デカダルチームに要請するものである。迅速な実施の鍵は、オービターとプローブという2つの独立した宇宙船シリーズを使用することである。この2つの宇宙船は互いに独立しているため、資金調達と飛行に機動的なアプローチが可能になる。