Name: スペースXはどのように火星に着陸するか (How SpaceX Will Land On Mars)
Uploaded: 2024-12-28T20:25:20.000Z
Duration: 16 min 45 s
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様態の副詞

The SpaceX Starship is currently humanity's best hope for setting foot on the planet Mars in your lifetime.

スペースXの宇宙船は現在、人類が生きている間に火星に降り立つための最良の希望である。

The feature that makes the Starship so well-suited for this job is, of course, its incredible power.

スターシップがこの仕事に適しているのは、もちろんその驚異的なパワーにある。

There's no doubt that a future Starship will have more than enough muscle to send both crews and massive amounts of supplies on their path towards Mars.

未来の宇宙船が、火星に向かうクルーと大量の物資を送り込むのに十分すぎるほどの力を備えていることは間違いない。

Going up is one thing, but what about coming back down on the Martian surface?

火星の地表に降りてくるのはどうだろう？

We are talking about the most complicated maneuver of the entire journey, the make or break moment, and there's a lot more involved in figuring it out than you might think.

私たちが話しているのは、全旅程の中で最も複雑な操作、つまり、勝つか負けるかの瞬間についてであり、それを見極めるには、あなたが思っている以上に多くのことが関係している。

This is how the SpaceX Starship will land on Mars.

スペースXの宇宙船はこうして火星に着陸する。

Let's establish right now that we are not all rocket scientists or physicists.

私たちは皆、ロケット科学者でも物理学者でもない。

I'm definitely neither of those things, but luckily, we do not need to be geniuses to understand the basic principles behind interplanetary travel.

私はそのどちらでもないが、幸いなことに、惑星間旅行の基本原理を理解するのに天才である必要はない。

So we're going to keep this all at a very accessible level.

だから、私たちはこのすべてを非常に理解しやすいレベルに保つつもりだ。

Before we can talk about landing on Mars, we need to know how the Starship got there in the first place.

火星着陸の話をする前に、そもそも宇宙船がどうやって火星に着いたのかを知る必要がある。

The thing that we always have to remember about space travel is that everything is always in motion, and within the context of a solar system, everything is moving in an orbit around the sun.

宇宙旅行について常に覚えておかなければならないことは、すべてのものは常に動いているということであり、太陽系という文脈の中では、すべてのものは太陽の周りの軌道を動いているということだ。

We are currently held in the gravity well of the sun, and the only thing that prevents us from falling down any deeper is the orbital velocity of the Earth, which is approximately 30 km per second.

私たちは現在、太陽の重力の井戸に捕らわれており、これ以上深く落ちないようにする唯一のものは、地球の公転速度（秒速約30km）である。

That's how fast we are traveling right now in a big circle around a star that takes 365 days to complete.

私たちは今、恒星の周りを365日かけて大回りしているのだ。

Mars is further away from the sun than the Earth, meaning that it isn't as far down into the gravity well as we are, and therefore Mars can travel at a slower orbital velocity without falling in, so Mars orbits the sun at around 24 km per second.

火星は地球よりも太陽から離れているため、私たちほど重力の井戸に落ちておらず、そのため火星は落ち込むことなくゆっくりとした軌道速度で移動できる。

Now if we want to leave the Earth in a spaceship and explore the planets, we will become yet another object spinning around in the gravity well of the sun, and just like the planet

宇宙船に乗って地球を離れ、惑星を探検しようとすれば、我々は太陽の重力の井戸の中で回転する別の物体となり、惑星と同じようになる。

Earth, if we were to slow down our orbital velocity, we would start to fall into that gravity well.

地球は、もし軌道速度を遅くすれば、重力の井戸に落ち始めるだろう。

This will change our orbit in the direction of an inner planet like Venus, and by the same mechanics, if our spaceship starts moving faster than the planet Earth, we will rise up the gravity well, bringing our orbit towards an outer planet like Mars.

同じ仕組みで、宇宙船が地球よりも速く動き始めれば、重力の井戸を上昇し、火星のような外側の惑星へと軌道を変えることになる。

So traveling through the solar system is all about changing your velocity relative to your starting point.

つまり、太陽系を旅するということは、出発点からの相対速度を変えるということなのだ。

The technical term that we use to describe this is delta-v, where delta means change and v means velocity.

デルタは変化、vは速度を意味する。

We typically measure delta-v in km per second, so if the Earth is moving at 30 km per second and you accelerate your spaceship to 31 km per second, you have a delta-v of 1.

地球が秒速30kmで動いているとして、宇宙船を秒速31kmまで加速させると、デルタ-vは1になる。

By the same measure, if you decelerate your spaceship relative to the Earth and travel at 29 km per second, you also have a delta-v of 1.

同じ尺度で、宇宙船を地球に対して減速させ、秒速29kmで航行すると、デルタ-vは1になる。

And yet if you blast off from the surface of the Earth at 1 km per second, you are not going to begin rising up through the solar system, you aren't going to rise up above the Earth's surface because gravity and atmospheric drag are holding you down.

地球の表面から秒速1kmで飛び立ったとしても、太陽系を上昇し始めるわけではなく、重力と大気の抵抗に押さえつけられているため、地球の表面から上昇することはない。

These natural forces will affect the amount of delta-v required to maneuver the spaceship.

これらの自然の力は、宇宙船の操縦に必要なデルタVの量に影響する。

This is why it's so hard to get from the surface of the Earth to outer space.

だから、地表から宇宙へ行くのはとても難しいのだ。

The delta-v required to reach a typical low Earth orbit is going to be around 9.4 km per second.

一般的な地球低軌道に到達するのに必要なデルタVは、毎秒約9.4kmになる。

That's a lot of acceleration, and that's why our starship requires the massive power of the super-heavy booster at launch.

そのため、私たちの宇宙船は打ち上げ時に超重量ブースターの大パワーを必要とするのです。

This is also why the starship needs to stop for a refilling session in Earth orbit before it can continue on to Mars, because we're going to need a lot more delta-v to complete this journey in order to change velocity, we need propulsion, and propulsion needs fuel.

宇宙船が火星に向かう前に地球軌道上で燃料補給のために停止する必要があるのもこのためだ。

The advantage of filling up in orbit is that it resets our starting point.

軌道上で満タンにする利点は、出発点がリセットされることだ。

From here, we only need another 9.5 km per second of delta-v to reach the surface of

ここからさらに毎秒9.5kmのデルタ-Vで地表に到達する。

Mars, so basically equal to the change required just to escape the Earth's atmosphere.

火星では、地球の大気から脱出するのに必要な変化と基本的に等しい。

But there is going to be a big difference in the approach we take for the next leg of the journey, because while escaping the Earth was all about speeding up, landing on Mars is going to require a lot of slowing down, and this can be just as difficult to achieve.

というのも、地球からの脱出はスピードを上げることがすべてだったのに対し、火星への着陸はスピードを落とす必要があり、それを達成するのは同じくらい難しいからだ。

A fully-fueled starship in low Earth orbit is imagined to have enough thrust for somewhere between 6 and 7 km per second of delta-v.

地球低軌道を周回するフル燃料の宇宙船は、毎秒6～7kmのデルタ-Vに十分な推力を持つと考えられている。

This obviously is a bit short of our 9.5 km per second necessary to reach Mars, but that's okay, because the same forces that made it so difficult to escape Earth's atmosphere – gravity and aerodynamic drag – are going to work to our advantage when we come in for a landing, effectively increasing the delta-v potential of our starship.

これは火星に到達するのに必要な秒速9.5kmには少し足りないが、地球の大気圏を脱出するのを難しくしたのと同じ力（重力と空気抵抗）が着陸時に有利に働き、宇宙船のデルタVの可能性を効果的に高めてくれるからだ。

Okay, we are in orbit around the Earth, but even a few hundred kilometers above the surface we are still firmly caught in the Earth's gravity well.

私たちは地球の周回軌道上にいるが、地表から数百キロ上空にいても、地球の重力の井戸にしっかりと捕まっている。

The only thing keeping us up right now is velocity.

今、私たちを支えているのは速度だけだ。

If the starship were to slow down at all, it would start falling back towards the Earth.

もし宇宙船が少しでも減速すれば、地球に向かって落下し始めるだろう。

By that same reasoning, if we do the opposite and speed up, then we will continue to rise up into space.

それと同じ理屈で、逆にスピードを上げれば、私たちは宇宙に向かって上昇し続けることになる。

Because we are still so close to the Earth, we need a lot of delta-v to fight against gravity.

私たちはまだ地球にとても近いので、重力と戦うためには多くのデルタ-Vが必要なのです。

The ship will have to accelerate by 2.44 km per second just to reach a height of geostationary orbit.

静止軌道の高さに到達するためには、毎秒2.44km加速しなければならない。

Another 0.68 gets us to the height of the Moon.

さらに0.68で月の高さまで到達する。

Up here we are finally on the edge of the Earth's gravity well.

ここまで来て、ようやく地球の重力の井戸の端に立った。

The force of gravity is infinite, but the power of attraction dissipates relatively quickly as you move further away.

重力の力は無限大だが、引き合う力は遠ざかるにつれて比較的早く消滅する。

Now all we need is another 0.9 km per second of velocity to escape the Earth's influence completely.

あとは、地球の影響を完全に逃れるために、毎秒0.9kmの速度が必要なのだ。

From this point, floating in the vacuum of space far beyond the Moon, we only require 0.39 m per second of delta-v to achieve our Earth-to-Mars transfer velocity.

この地点から、月のはるか彼方の真空の宇宙空間に浮かんで、地球から火星への移動速度を達成するために必要なデルタ-Vは、毎秒0.39mだけである。

This second leg of the journey has used up 3.6 km per second of delta-v, which is at least half of the potential energy in our starship, if not more, and that means that we do not have enough fuel left to successfully land on Mars with engines alone.

この第2レグで毎秒3.6kmのデルタ-Vを使い果たし、これは我々の宇宙船の潜在エネルギーの少なくとも半分に相当する。

And here comes the problem that we need to solve.

そして、ここで解決しなければならない問題が出てきた。

All of the velocity that we acquired to escape Earth's atmosphere and gravity well has got us traveling around the Sun at a significantly higher speed than the planet Earth, which was already traveling at 30 km per second to begin with.

地球の大気と重力の井戸から脱出するために得たすべての速度は、もともと秒速30kmで移動していた地球よりもかなり速い速度で太陽の周りを移動している。

The planet Mars, on the other hand, is orbiting at a speed of just 24 km per second.

一方、火星は秒速24kmで公転している。

So we are moving significantly faster than our target planet, which means that we are going to overshoot the planet Mars and end up stuck somewhere in the asteroid belt unless we start slowing down.

つまり、我々は目標とする惑星よりもかなり速いスピードで移動しているのだ。

After several months of coasting through the vacuum of space, we need to execute our first deceleration burn.

真空の宇宙空間を数ヶ月惰性で飛行した後、最初の減速燃焼を行う必要がある。

After flipping the starship around and getting the Raptor engines back up to speed, we have to shave off 0.67 km per second of velocity in order to become captured in the gravity well of Mars.

宇宙船を反転させ、ラプター・エンジンをスピードに戻した後、火星の重力井戸に捕捉されるためには、毎秒0.67kmの速度を削らなければならない。

This is the first step in what's about to become a very rough ride.

これは、これから始まる大荒れの第一歩だ。

If we burn off another 0.34 km per second of velocity, then we reach the height of the outer moon Deimos.

さらに毎秒0.34kmの速度を燃焼させると、外側の衛星ダイモスの高さに達する。

0.4 km per second of further delta-v gets us down to the inner moon Phobos.

毎秒0.4kmのデルタ-Vで内月フォボスまで到達する。

ここからが本当に厄介なところだ。

By slowing down this much, we've already expended over 5 km per second of the potential delta-v in our fuel tanks, and that leaves us with somewhere between 1 and 2 remaining, so we need at least another 4.5 km per second of delta-v to safely reach the surface.

これだけ減速すると、燃料タンクの潜在的なデルタ-Vをすでに毎秒5km以上消費しており、残りは1～2kmとなる。安全に地表に到達するには、少なくとも毎秒4.5kmのデルタ-Vが必要だ。

In theory, this is still possible as long as we are very strategic about how we use our last bit of fuel, and it's important to remember that everything from here on out is purely speculative.

理論的には、最後の燃料をどのように使うかを戦略的に考える限り、これはまだ可能である。

This is our interpretation of the most logistically feasible Mars landing.

これは、最も論理的に実現可能な火星着陸についての我々の解釈である。

If we want to conserve as much fuel as possible for our landing burn, then we need to take advantage of some external forces to slow our ship down to a reasonable velocity.

着陸燃焼のために燃料をできるだけ節約したいのであれば、外力を利用して船を適度な速度まで減速させる必要がある。

Getting down into a circular low Mars orbit would use up most of our remaining fuel, so we probably shouldn't do that.

火星の低軌道を周回することは、残りの燃料のほとんどを使い果たすことになるから、やめたほうがいいだろう。

In this case, we might be better served by inserting the ship into an elliptical orbit, so instead of flying in a circle, we're moving in an oval pattern with a low spot, or perigee, close to the planet and a high spot, or apogee, deeper out into space.

この場合、船を楕円軌道に投入し、円形に飛行するのではなく、惑星に近い低い場所（近地点）と宇宙空間の深い場所にある高い場所（遠地点）を持つ楕円パターンで移動する方がよいかもしれない。

By using this maneuver, we can start to take advantage of both aerodynamic drag and Mars gravity to help us slow down.

このマヌーバを使うことで、空気抵抗と火星の重力の両方を利用して減速することができる。

The Mars atmosphere is still very thin, but we'll take any help that we can get.

火星の大気はまだ非常に薄いが、私たちはどんな協力でも受けるつもりだ。

We can lower the perigee of our orbit down to the point where the ship actually dips into the upper atmosphere of the planet.

軌道の近地点を下げて、船が実際に惑星の大気圏上層部に沈むところまで下げることができる。

By doing this very carefully, we can actually catch some atmospheric drag and lose a small amount of velocity before getting flung back out to our apogee, where, if we've done this properly, the gravity of Mars will pull us back in to repeat the process over again.

これを注意深く行うことで、実際に大気の抵抗を受け、遠地点に投げ出される前にわずかな速度を失うことができる。

Every time that we dip into the atmosphere, we gain a little more of that precious delta

大気圏に突入するたびに、私たちは貴重なデルタを少しずつ増やしている。

V bringing us closer to the velocity we need for a soft touchdown on the planet's surface.

Vで、惑星表面へのソフトタッチダウンに必要な速度に近づいた。

But we can't keep this maneuver up indefinitely, eventually we need to transition from a shallow dip to a full-on dive through the Martian atmosphere.

しかし、この操縦をいつまでも続けることはできない。最終的には、火星の大気を浅く潜ることから完全に潜ることに移行する必要がある。

It's actually pretty difficult to achieve a landing trajectory for Mars because the planet is only around half the size of the Earth.

火星は地球の半分ほどの大きさしかないため、火星への着陸軌道を達成するのはかなり難しい。

That means the angle of attack necessary to get down below the sky is pretty steep.

つまり、空の下に降りるために必要な迎角はかなり急だということだ。

This means you need a lot of energy pushing the vehicle down in order to prevent it from skipping off and shooting back up into space.

つまり、飛び跳ねたり宇宙空間に舞い上がったりするのを防ぐには、車両を押し下げる大きなエネルギーが必要なのだ。

Again, we want to save our engines until the last possible moment, so that force to push the ship down deeper into the atmosphere needs to come from somewhere else.

繰り返しになるが、私たちは可能な限り最後の瞬間までエンジンを温存しておきたいので、船を大気圏の奥深くまで押し下げる力は、どこか別の場所から得る必要がある。

This is why the original SpaceX designed for an interplanetary transport system, in 2016, had an aerodynamic lifting body in the upper stage.

2016年にスペースXが惑星間輸送システムのために設計したオリジナルの機体が、上段に空気力学的なリフティングボディを備えていたのはこのためだ。

Starship is much smaller than ITS, so it doesn't need as much aerodynamic force, but the methodology is still pretty much the same.

スターシップはITSよりはるかに小さいので、空気力学的な力はそれほど必要ないが、それでも方法論はほとんど同じだ。

On its final approach, Starship is actually going to flip over and come into the atmosphere upside down.

最終接近の際、スターシップはひっくり返り、逆さまのまま大気圏に突入する。

So that's with the belly and tail pointed up and the nose pointed down.

腹と尻尾を上に向け、鼻を下に向けた状態だ。

This way the lift generated by the body is going to push the vehicle towards the surface on a steeper angle to achieve entry.

こうすることで、車体から発生する揚力は、進入を達成するためにより急な角度で車体を路面に向かって押し出すことになる。

We're also going to start losing a lot of velocity thanks to aerodynamic drag.

また、空気抵抗のおかげで速度が大幅に低下し始める。

Once the angle of attack is set, the Starship is going to flip around into the more traditional belly flop maneuver that we've seen on Earth.

攻撃角度が設定されると、スターシップは地球で見られるような伝統的な腹ばいに反転する。

This is all about creating the maximum amount of drag that is physically possible and getting the velocity down, but this force can only accomplish so much.

これは、物理的に可能な最大限の抗力を生み出し、速度を下げることに他ならない。

The maximum speed of a freefall is something that we call terminal velocity.

自由落下の最大速度は終末速度と呼ばれるものだ。

底なしの穴に飛び込んだとしよう。

Your body will accelerate as you fall up until a certain point when the drag and buoyancy of your body equalizes with the force of gravity and your speed becomes constant.

体の抵抗と浮力が重力の力と等しくなり、スピードが一定になるまで、体は落下するにつれて加速する。

One way that we cheat terminal velocity is by using a parachute.

終端速度をごまかす一つの方法は、パラシュートを使うことだ。

This greatly increases drag and slows down our terminal velocity.

このため空気抵抗が大きくなり、終端速度が遅くなる。

Starship isn't going to use parachutes, so there's going to come a point where the aerodynamic drag of the vehicle has done all that it's going to do and we reach terminal velocity.

宇宙船はパラシュートを使わないので、空気抵抗が限界に達して終端速度に達する時が来る。

Due to the thinner atmosphere, terminal velocity on Mars is around 5 times faster than on Earth.

大気が薄いため、火星の終末速度は地球の約5倍速い。

In other words, that means you only get 1 fifth the delta-v accomplished by belly flopping through the air on Mars compared to what we've already seen Starship do on Earth, which means that it's going to require more engine power to land on Mars than it does on Earth.

言い換えれば、スターシップが火星の空中で腹ばいになって達成できるデルタVは、地球でスターシップが達成するデルタVの5分の1に過ぎず、火星着陸には地球よりも多くのエンジンパワーが必要になるということだ。

This is why fuel is such a major concern here.

だからこそ、ここでは燃料が大きな関心事なのだ。

Assuming that everything up until this point has gone correctly, the Starship's engines will fire up one last time and flip the tail towards the surface, at which point the fuel in the rocket's header tanks will provide just enough delta-v to bring our ship perfectly in sync with the surface of Mars and we touch down...softly.

この時点で、ロケットのヘッダタンク内の燃料が火星表面と完全に同期するのに十分なデルタVを提供し、私たちの船は火星表面に...そっとタッチダウンする。

Now that's a lot of stuff that has to go right, and there is zero margin for error.

うまくいかなければならないことがたくさんあり、ミスは許されない。

You either score 100% on the exam or you die.

試験で100％を取るか、死ぬかだ。

So by knowing all of that, we can appreciate that landing on Mars is going to be incredibly difficult in a massive vehicle like the Starship.

つまり、スターシップのような巨大な乗り物では、火星に着陸するのはとてつもなく難しいということだ。

It's much easier for NASA to land smaller and lighter vehicles on Mars because the potential delta-v of your fuel is determined by the mass of the vehicle and the efficiency of the engine.

NASAにとって、火星に小型・軽量の乗り物を着陸させるのはずっと簡単だ。燃料の潜在的なデルタVは、乗り物の質量とエンジンの効率によって決まるからだ。

So one pound of fuel accomplishes more change in velocity for a lighter ship than it does for a heavier ship, and there is a limit on the amount of fuel that we can bring to Mars.

つまり、1ポンドの燃料は、重い船よりも軽い船の方が、より多くの速度変化を達成できるわけで、火星に持ち込める燃料の量には限界がある。

Starship would be much easier to land on Mars if it were lighter, but SpaceX needs it to be so gigantic to accomplish the goal that Elon Musk has set out, which is building a self-sustaining city of 1 million people on Mars.

スターシップはもっと軽ければ火星に着陸させやすいが、イーロン・マスクが掲げた「火星に100万人規模の自立都市を建設する」という目標を達成するためには、スペースXは巨大である必要がある。

SpaceX is working hard on increasing the delta-v of the Starship.

スペースX社は、スターシップのデルタVを高めることに懸命に取り組んでいる。

They want to make Starship V2 longer with bigger fuel tanks while also making it lighter at the same time and adding three more Raptor vacuum engines.

彼らはスターシップV2をより長く、より大きな燃料タンクを搭載し、同時に軽量化し、ラプター真空エンジンを3基追加したいと考えている。

The third version of the Raptor is currently in design and will probably offer higher efficiency and therefore more delta-v potential.

ラプターの第3バージョンは現在設計中であり、おそらくより高い効率と、それによるデルタVの可能性を提供するだろう。