火星探査プロジェクトであるMSLのローバーホイールの早期摩耗
2021年現在、火星や月をローバーと呼ばれる車両が走行する計画が上がっています。
現在も多くの車両が研究開発されています。
今回の教訓は、想定していた最悪ケース以上のケースが発生し、ローバーの寿命が著しく短くなってしまったところにあります。
概要
マーズサイエンスラボラトリー（Mars Science Laboratory、MSL）は、NASAが火星探査ミッションで用いる宇宙船の名称です。
MSLに使用されるローバーホイールの設計は、火星の特定の種類の地形でパンクしやすいことが証明されています。
ホイールのパンクは、動作の負荷のシミュレーションが不十分であり、寿命試験が適切ではなかったことを示しています。
MSLプロジェクトは、他の部分への損傷、二次的被害を最小限にするために運用制限を実施しました。
火星2020プロジェクトでは、過酷な地形での耐久性を高めるため、けん引性能のある材料のホイールに設計を変更します。
発生タイミングと追及
MSLの「Curiosity（キュリオシティ）」のローバーは2012年8月6日に火星に着陸し、現在火星の表面を19 km以上走行しています。
Curiosityの6つのアルミニウム製ホイールは、緩い砂や砂の上にある岩、及び平らな岩盤を移動するために設計されました。
設計は、The MarsYardと呼ばれるNASAのNASA /カリフォルニア工科大学ジェット推進研究所（JPL）にある屋外試験施設でシミュレートされた条件下で試験されました。
過去の3つの火星探査機のホイールと同じく、ホイールは火星の地表を移動中に遭遇するであろう特定の地形に限定して設計されました。
キュリオシティの黒い縁のローバーホイールは中空で、中央のハブに取り付けられた5つのアルミニウム製のスポークが露出されています。
「グラウザー（爪）」として知られるホイールのトレッドは、3つのシェブロン形状（鋸歯状のパターン）でホイールの幅にまたがっています。
JPLのローバー運用チームは、ローバーが火星の表面を運転するときに、ローバーのロボットアームにThe Mars Hand Lens Imager（MAHLI）カメラを使用して、定期的にホイールの状態をチェックしています。
試運転時にチェックした結果、左前のホイールスキンに穴が開いていることがわかりました。
シェブロン型（鋸歯状のパターン）のトレッドの間のホイールスキンの最も薄い領域で、そのような摩耗が予想されたため、対策していました。
（以前の火星探査車のホイールには、直線的なホイールスキンの凸形状がありました。そのため、横滑りを防ぐためにシェブロンのパターンが付けられました。）
しかしその後、目視によるホイールの検査で、予想以上にホイールの摩耗が確認され、ホイールの損傷の原因を追究することになりました。
キュリオシティのローバーホイールの内面の火星で撮影された写真を確認すると、凸状態やシェイブロンのパターンの無い滑らかなホイールスキン状態は、鋭い岩によってアルミニウム材料のホイールが破れた（パンク）状態を示しています。
パンクの発生から数か月の経過を確認した所、ホイール損傷率の増加に懸念を抱き、問題を分析するチームが結成されました。
さらに後日、左前輪のホイールに大きな裂け目が開き、試験運転で見られた損傷よりはるかに大きかったです。
MSLのホイールへの損傷の進行性の損傷は継続しており、岩盤（ピラミッド型の三稜石）を繰り返し走行したことによる金属疲労に起因するパンクとされています。
この地形は、試験運転中にはシミュレートされていませんでした。
これは、地形に関する限られた知識しかなかったためです。
撮影されたホイールを確認すると ホイールの下半分には、アルミニウムの破れたパンクが3つもありました。
穴の中でも最も大きいサイズは、ホイール幅の約1/3のサイズでした。シェブロンパターンのトレッド間のホイールの中央に発生していました。
2番目と3番目のパンクは、その約半分で、ホイールの高い位置やホイール幅の中央にもあります。
また深い円錐貫通穴は、ホイールの上部近くの外縁にあり、小さな非貫通亀裂も様々な場所で見られていました。
ベンチファクトの影響は、ホイールへの動的な機械的負荷によって悪化します。
ロッカーボギー機構は、中央と後輪が前輪を障害物に押し付けることにより、垂直障害物（岩）の面を乗り越えます。
前輪が回転すると、車両が障害物を越えて持ち上げられます。後輪が中輪を障害物に押し付け、前輪が中輪を持ち上げて何度も持ち上げるまで障害物に押し付けます。
最後に、後輪は前の2つの車輪によって障害物を越えて引っ張られます。
ロッカーボギー機構は、すべて同じ速度で回転するホイールと、中輪と前輪をサポートする下向きのアームが含まれています。
前輪または中輪が岩にぶら下がっていて、ローバーの残りの部分が運転を続けると、アームが車輪に下向きの力を加えます。
これにより車両の静的重量をはるかに超えてホイールの負荷が増加し、グラウザーの凸とホイールスキンに損傷に引き起こされることが分かりました。
損傷が最も小さい後輪は、トレーラーのようにアームの後ろに引きずられるだけなので、この下向きにかかる負荷の増大が発生しません。
その後の試験により、下向きの押し付け力が緩く、先のとがった岩であった場合、パンクの主な原因はパンクは、動かない岩の中で先のとがった岩（ピラミッド型の三稜石）によるものであると結論付けられました。
ローバーの試験プログラムは、運転関連の負荷がホイールの損傷の潜在的な原因であるとは考えてられていませんでした。
MSLプロジェクトの車輪の試験の最悪ケースは、地形の影響を受ける運転負荷よりも、着陸タッチダウン負荷の方に評価のポイントを置いていました。（タッチダウン後の画像を確認すると、小さな亀裂はありますが、大きな損傷は見られませんでした）
MSLプロジェクトは、将来の被害の程度を軽減するための是正措置を実施しました。
（1）車輪の摩耗の進行を評価
（2）運転中の車輪の摩耗を最小限に抑えるための、目視による運行とThe MarsYardでの検証に基づくガイドラインの確立
（2）の対策は、鋭い三稜石が集中している硬い表面を運転することを避け、可能であれば、前輪への負荷を減らすために「車輪が損傷する可能性の高い」地形を後輪で運転することが含まれます。
これらの対策は、損傷率の管理に効果的であることが証明されています。
ローバーは延長されたミッションを完了することができ、さらに延長できる可能性があります。
発生原因
MSLのローバーホイールの設計は、特に特定のタイプの地形との相互作用に続いて、パンクやひび割れの影響を受けやすくなっています。
MSLホイールの早期摩耗の根本原因分析は、いくつかの有益な教訓を与えてくれました。
- ホイールは疲労に特別強い設計ではありません。。車両重量は、駆動トルクと組み合わさることにより、ホイールスキンへの応力が材料の耐久限度を超え、亀裂が発生します。
- ドライブアクチュエータの位置制御は、各車輪の移動距離の違いにより、障害物を横切るためにホイールに負荷を与えます。この力は、車両の静的重量をはるかに超えてホイールの負荷を増加させ、グラウザーの凸とホイールスキンに損傷に引き起こされることが分かりました。
- 地形には注意が必要です。ホイールの設計は、自然に発生するベンチファクトによるパンクを完全に防げません。ホイールスキンの金属は、地球上、おそらく火星上で見られる自然に発生している障害物の三稜石の鋭さによってパンクしやすくなっています。
- グラウザーの周りの皮膚の喪失（疲労亀裂またはパンクによるかどうかにかかわらず）は、ホイールの荷重経路に変化を引き起こし、材料の降伏限界を超えてグロウザーに荷重をかけます。この材料の過負荷状態により、最終的にはすべてのホイールグローサーが故障します。通常、グローサーがホイールの内部補強リングと接触する場所です。
- 円状に移動する（旋回）ことは、一部のホイールに対して、通常の駆動負荷よりも反力負荷が増加します。負荷を増やし、一部のホイールは旋回操作中に、小さくアッカーマンステアリングの動きをします。小さいアッカーマンステアリングの回転半径は、ホイールの損傷の原因になります。
- ホイールの端にある障害物の上に座って操舵すると、テスト中に観察された最大の負荷が発生しました。ただし、このプロセスは主要な損傷モードではないようです。おそらく、ホイールの端にある鋭い障害物の上に止まり、ステアリング操作を指示する可能性が低いためです。
後続の火星2020ローバープロジェクトは、ホイールの質量の増加を最小限に抑えながら、MSLプロジェクトと同等の過酷な地形と砂のトラバース性能でより高い耐久性を備えた改造ホイールを設計し、試験しています。
Lessons Learned
１．「test as you fly, fly as you test（飛ぶように試験する、試験するように飛ぶ）」というJPLの設計上の格言には注意が払われていませんでした。
MSLホイールは単体での寿命試験をしていたため、システム全体のホイールの寿命に関わる負荷を与えていませんでした。
また、火星で遭遇した三稜石（風が鋭くなった）の岩盤を過小評価し、滑らかな人工地形でのホイールの寿命試験が行われ、動かすことができない岩盤上で影響を考慮していませんでした。
２．モビリティシステムの解析モデルと試験は、負荷を受けるケース増やし、運用環境が最悪ケースを網羅的に対応する必要があります。
Lessons Learnedを受けての推奨事項としては次の通りです。
１．多くを想定し試験してください。
MSLプロジェクトは、ローバーの移動速度は比較的遅く、火星全域に対しても一部であるため、半静的負荷のホイール設計に焦点を合わせました。
この設計方針は、ホイール単体での試験検証と一致しています。
２．コンセンサスの達成
プロジェクトチームが、最悪ケースを火星全域の一部を構成する地形に焦点を当てて試験することに、同意してください。
３．適切なマージンの設定
環境を十分に把握されていに場合は、最悪ケースをいくつも考え、十分なマージンを考慮した機能を設計に取り込んでください。
（1）既知の環境を分析しリスク要因を厳密に分析し評価する
（2）ミッション全体のリスクを大幅に下げるため、発生可能性、被害の影響、環境のリスクを考慮する。
４．避けるべき地形
ホイールにやさしい地形での運転を推奨します。
ホイールの損傷と過酷な地形との相関は高いと考えられています。
地形の砂の中に、約8cm以上のする鋭くとがった三稜石が大量にあります。
岩のない経路がない地域は、運転するのに最悪のタイプの地形の1つで、より小さな三稜石に懸念されます。
５．優先地形
ホイールの寿命を長持ちさせるための好ましい地形は、砂または凝集性のレゴリス地形が含まれた地形で、回避可能な大きな岩/三稜石（8cm以上）はほとんどない地域です。
レゴリスとは新鮮な基盤岩の上に分布する未固結または二次的に結合された岩石であり、古い物質の風化、削剥、移動、体積によって形成されたものであり、その中には破砕、風化を受けた岩石、サピロライト、土壌、有機物集合体、氷河堆積物、崩積層、蒸発性堆積物、風成堆積物が含まれる。いわば新鮮な岩石と空気の間に分布する物質はすべてレゴリスと呼ばれる。
６．運転モード
ステアリングによって生じる距離が長くなる場合、ホイールの摩耗を減らすために、複雑な地形では逆方向に雲梯することを検討してください。
７．モニターホイール
500メートル以下の間隔で、6つのホイールすべてに損傷がないか検査してください。
適宜、損傷を確認し、重大な被害になるまでに特定し、地形と相関させ、より多くのデータを取得してください。
８．ホイールの寿命改善
ホイールの寿命を延ばす方法は、トルク制御された運転モードを開発することです。
障害物を通過するとき、ホイールのトルクを減らし、蓄積ダメージを減らします。
トルクを制御しても、ホイールへのダメージをなくすことはできません。
９．岩石のモニター
自動ナビゲーションドライブ用のより正確な岩石をモニタリングするシステムを開発します。
特定の地形において、8 cmを超える鋭くとがった三稜石を検出し、回避できれば、ホイールへの損傷を減らすことができます。
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最後に
ローバーの構造的な設計において、もっとも負荷が掛かる状況は、ローバーが火星地表面に着地するタイミングであると予想されて設計し、試験を行っていました。
しかし、実際のところ、ミッションを長期間行う上では走行時に蓄積するダメージの方が 大きいという結果となりました。
宇宙開発の構造系では、ロケットの打上げ振動や分離時の衝撃、宇宙船間のドッキングなど、瞬間的あるいは数十時間のダメージがほとんどです。
宇宙空間はほぼ無重力であるため、宇宙機に加わる継続的なダメージというのはあまりありませんでした。
あるとすれば、太陽風であったり観測器の冷却装置、アンテナや太陽光パネルのパドル機構部分など比較的微振動なものでした。
今回の事例は考慮していたとしても、知見がなかったため過小評価されてしまったのかもしれません。
現在、JAXAとトヨタの協力で月面ローバーの開発が行われているのですがこのあたりも汲んでいるのでしょうかね。
Lessons Learned
Lessons Learnedとは、組織(に関わらないですが)において業務を遂行した上で得られた教訓(学んだ教訓)のことを指しています。
得られた教訓というと、失敗や不具合だけを想像しがちではありますが、成功したことについても教訓としてあげられます。
Lessons Learnedは同じ失敗を繰り返さないようにすることと、計画が順調に進んだ成功要因を共有することの2つがあります。
案外成功体験というものは、組織の中でノウハウとして蓄積されず、個人の中でされることが多いです。
本人は今までのノウハウから自然と身についていることだとしても、他の人が同じノウハウを共有しているとは限らないため、言語化して残しておくことは重要です。
NASAで公開されているNASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）から、宇宙業界に限らず、工業製品でも適用できそうなLessons Learnedを集めてみました。
参考サイト
NASA Lessons Learned
https://www.nasa.gov/offices/oce/functions/lessons/index.html
NASA Lessons Learned Steering Committee（LLSC）
Premature Wear of the MSL Wheels
https://llis.nasa.gov/lesson/22401
Wheels and Legs
https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/rover/wheels/
Mars 2020 Perseverance Rover - NASA Mars
https://mars.nasa.gov/mars2020/
NASAの失敗を活かす！「メイド・イン・ジャパン」が月面で光る日
https://forbesjapan.com/articles/detail/16173
アッカーマン・ステアリング
https://automotive.ten-navi.com/dictionary/12339/
レゴリス地質学と地化学探査
https://www.jstage.jst.go.jp/article/shigenchishitsu1992/54/1/54_1_91/_pdf/-char/ja
http://curiosityrover.com/tracking/drivelog.html
“Wheel Wear,” JPL Incident Surprise Anomaly (ISA) Report No. 55561, December 18, 2013.
“Mars Science Laboratory Wheel Damage Mechanical Tiger Team – Final Report,” JPL Document No. D-78450/MSL-266-3989, January 6, 2015.
R.E. Arvidson, et al, “Relating Geolocic Units and Mobility System Kinematics Contributing to Curiosity Wheel Damage at Gale Crater, Mars,” Journal of Terramechanics, TER 691, March 20, 2017. Patrick DeGrosse Jr.
“MSL Wheel Damage,” JPL Incident Surprise Anomaly (ISA) Report No. 56534, June 18, 2014.
Patrick DeGrosse Jr., “What is Causing the Damage?,” September 25, 2014.
“M2020 Mobility Wheel & Flexure Initial Design Review,” Mars 2020 Mission Formulation, June 14, 2016.
MARS 2020 Project, Surface Terrain Model Specification Document, JPL Document No. D‐93886, October 1, 2015.
