火星探査計画

火星探査プログラム（MEP ）は、 NASAが資金提供し主導する、火星の長期探査プログラムです。1993年に結成されたMEPは、軌道宇宙船、着陸船、火星探査車を使用して、火星での生命の可能性、火星の気候と天然資源を探査してきました。[ 1 ]このプログラムは、NASAの科学ミッション局によって管理されています。2013会計年度のNASA予算が40％削減された結果、火星プログラム計画グループ（MPPG）が結成され、MEPの再編成を支援し、NASAの技術、科学、有人運用、科学ミッションのリーダーを集めました。[ 2 ] [ 3 ]

ガバナンス

1999年10月に初開催された火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）は、科学コミュニティが火星探査プログラムの計画と優先順位付けに意見を述べる場となっています。火星探査ミッションは、NASAのほとんどのミッションと同様に、かなりの費用がかかります。例えば、NASAの探査車「キュリオシティ」（2012年8月に火星に着陸）の予算は25億ドルを超えています。[ 4 ] NASAはまた、欧州宇宙機関（ESA）と協力して、火星の土壌サンプルを地球に持ち帰るミッションを実施することを目指しています。このミッションは、少なくとも50億ドルの費用と10年かかると見込まれています。[ 5 ]

目的

宇宙生物学、気候学、地質学は、火星探査ローバー（左）や火星科学実験室（右）などの火星探査プログラムのミッションの共通のテーマとなっている。

NASAによると、MEPには4つの大きな目標があり、いずれも火星における生命の存在の可能性を理解することに関係している。[ 6 ]

  • 火星に生命が誕生したかどうかの究明– 火星の居住可能性を理解するには、火星に生命が存在したかどうかを究明する必要があります。これは、火星が生命にとって適しているかどうかを評価することから始まり、火星の生命活動への適合性を評価することから始まります。「Follow the Water（水を追跡せよ）」というニックネームを持つMEPの主な戦略は、水が存在する場所には生命が存在する（少なくとも地球上の事例においては）という一般的な考え方に基づいています。火星に生命が誕生したとすれば、相当長い期間にわたって水が供給されていた必要があると考えられます。したがって、MEPの主要な目標は、干上がった川床、惑星の地表下、火星の極地の氷床など、水が存在する、存在した、あるいは存在する可能性がある場所を探すことです。生命は水に加えて、生存のためにエネルギー源も必要とします。スーパーオキシドの豊富さから、火星の表面に生命が存在する可能性は非常に低く、太陽光が生命のエネルギー源となる可能性は実質的に排除されます。したがって、地熱や化学エネルギーといった代替エネルギー源を探す必要があります。地球上の生命体が利用するこれらの資源は、火星の地表下に生息する微小生命体も利用できる可能性があります。火星の生命は、過去および現在の生命の痕跡、すなわちバイオシグネチャーを見つけることによっても探究できます。炭素の相対的な存在量、そしてそれが見つかる場所や形態は、生命がどこでどのように進化したかを示す手がかりとなります。また、炭酸塩鉱物の存在と、火星の大気が主に二酸化炭素で構成されているという事実は、生命の進化を促すのに十分な期間、火星に水が存在していた可能性があることを科学者に示唆しています。[ 7 ]
  • 火星の気候の特徴づけ– MEPのもう一つの目標は、火星の現在および過去の気候、そして火星の気候変動に影響を与える要因を特徴づけることです。現在分かっていることは、火星の気候は、火星の氷床の季節変化、大気による塵の移動、そして地表と大気間の水蒸気の交換によって制御されているということです。これらの気候現象を理解することは、科学者が火星の過去の気候をより効果的にモデル化することを支援し、火星のダイナミクスに対するより深い理解をもたらすことを意味します。[ 8 ]
  • 火星の地質を特徴づける–火星の地質は、地球の地質とは、とりわけ巨大な火山と地殻変動の欠如によって区別されます。MEPの目標は、地球とのこれらの違いに加え、風、水、火山、地殻変動、クレーター形成などのプロセスが火星の地表をどのように形成してきたかを理解することです。岩石は、科学者が火星の歴史における一連の出来事を記述し、水中でのみ形成される鉱物を特定することで火星に豊富な水が存在したかどうかを判断したり、火星にかつて磁場があったかどうかを判断したりするのに役立ちます（これは、火星がかつて地球のようなダイナミックな惑星であったことを示唆しています）。[ 9 ]
  • 火星有人探査への準備–火星への有人ミッションは、工学的に非常に大きな課題を突きつけます。火星の表面には超酸化物が存在し、太陽からの放射線から保護する磁気圏とオゾン層がないため、科学者は火星に人類を送るという目標に向けて何らかの行動を起こす前に、火星のダイナミクスを可能な限り徹底的に理解する必要があります。[ 10 ]

課題

火星の薄い大気は、火星表面に到着した宇宙船の突入、降下、着陸操作をより困難にする。

火星探査ミッションは、歴史的にNASAのミッションの中でも失敗率が最も高い部類に入るが、[ 11 ]これは、ミッションの膨大な技術的課題と、アメリカの火星極地着陸機のような不運に起因していると考えられる。[ 12 ] MEPの目標の多くは、火星表面への宇宙船の突入、降下、着陸（EDL）を伴うため、惑星の大気、不均一な地表地形、試験のために火星のような環境を再現するための高コストなどの要因が関係してくる。[ 13 ]

地球に比べて、火星の大気は100倍ほど薄い。そのため、着陸船が火星の大気圏に降下すると、はるかに低い高度で減速することになり、物体の質量によっては終端速度に達する時間が十分にない可能性がある。超音速または亜音速の減速装置を展開するには、速度が閾値以下でなければ効果がない。したがって、着陸前に他の必要な着陸プロセスを実行するのに十分な時間を確保できるように、着陸船を十分に減速できる技術を開発する必要がある。[ 13 ]火星の大気は火星の1年の間に大きく変化するため、技術者はすべてのミッションに共通するEDLシステムを開発することができない。頻繁に発生する砂嵐は下層の大気の温度を上昇させ、大気の密度を低下させる。このことが、火星表面の高度の極端に変化しやすいことと相まって、着陸船を十分に減速させるために、着陸地点を慎重に選択することを余儀なくされる。[ 13 ]火星のEDLシーケンスはわずか5～8分程度しか持続しないため、関連システムは疑いようもなく信頼性が高くなければなりません。理想的には、地球上でEDLシステムの様々なコンポーネントの大規模試験を実施し、得られたデータによってこれを検証する必要があります。しかし、このデータが火星の環境と関連している環境を再現するにはかなりのコストがかかるため、試験は純粋に地上で行われるか、過去のミッションから派生した技術を用いた試験結果をシミュレーションすることになります。[ 13 ]

火星の地形は起伏が激しく岩だらけなので、火星の表面に着陸したり、移動したりするのは大きな課題となる。

火星の表面は非常に凹凸が多く、岩石や山岳地帯、クレーターが点在しています。着陸船にとって理想的な着陸地点は、平坦でデブリのない場所です。このような地形は火星ではほとんど見られないことが多いため、着陸装置は極めて安定しており、着陸時に転倒したり不安定になったりするのを防ぐのに十分な地上高が必要です。さらに、これらの着陸船の減速システムには、地面に向けられたスラスタが必要です。これらのスラスタは、極めて短時間のみ作動するように設計する必要があります。数ミリ秒以上作動して岩石の多い地面に向けられると、溝を掘り始め、小さな岩を着陸装置に打ち上げ、着陸船に不安定な背圧をかけてしまいます。[ 13 ]

適切な着陸地点を見つけるには、軌道上から岩石の大きさを推定できる必要があります。直径0.5メートル未満の岩石の大きさを軌道上から正確に測定する技術はまだ開発されていないため、代わりに、現在火星を周回している衛星によって測定された着陸地点の熱応答に基づき、熱慣性との関係から岩石の大きさの分布を推定します。マーズ・リコネッサンス・オービター（MRO）も、カメラで直径0.5メートルを超える岩石を捉えることができるため、この目的に貢献しています。[ 13 ]着陸機が傾斜面で転倒する可能性があるだけでなく、丘、メサ、クレーター、溝などの大きな地形は地上センサーとの干渉の問題を引き起こします。レーダーやドップラーレーダーは降下中に高度を誤って測定する可能性があり、着陸機の着陸地点を目標とするアルゴリズムは、着陸機が降下中にメサや溝を通過すると、着陸機の放出時期を早すぎたり遅すぎたりするように「騙される」可能性があります。[ 13 ]

歴史

背景

1993年の火星探査機「マーズ・オブザーバー」の喪失は、統一された火星探査計画の形成を促した。

火星は古代バビロニア人、エジプト人、ギリシャ人などによって観測されていましたが、17世紀に望遠鏡が発明されるまで、火星は深く研究されることはありませんでした。 [ 14 ]火星表面に探査機を送る最初の試みは、 1960年にソ連によって行われ、 「マルスニク1号」と呼ばれていました。探査機は地球周回軌道に到達できず、ミッションは最終的に失敗に終わりました。火星探査ミッションにおいて、ミッション目標の達成に失敗することはよくあることで、火星に向かう予定だった宇宙船の約3分の2は、観測を開始する前に失敗しています。[ 11 ]火星探査計画自体は、1992年9月のマーズ・オブザーバーの失敗をきっかけに正式に発足した。[ 1 ]これは、1975年のバイキング1号とバイキング2号計画以来、NASAにとって初の火星探査ミッションであった。この宇宙船は、地球周回商用通信衛星（SESのアストラ1A衛星）を改造したもので、火星の地質、地球物理学、気候を軌道上から調査するための機器を搭載していた。このミッションは、宇宙船が軌道に入る予定の3日前に通信が途絶えたことで、1993年8月に終了した。[ 15 ]

2000年代

2000年代にNASAは火星探査計画の一環としてマーズ・スカウト計画を立ち上げ、科学界による革新的な提案を競争的に選定し、予算上限を4億8500万ドルとして一連の小型低コストのロボットミッションを火星に送り込むキャンペーンとした。この計画における最初のロボット宇宙船はフェニックスで、中止されたマーズ・サーベイヤー2001ミッション用に製造された着陸機を利用したものだった。フェニックスは25の提案の中から最終候補に残った4機のうちの1機だった。[ 16 ]最終候補に残った4機は、フェニックス、MARVEL、SCIM（火星調査のためのサンプル収集）、ARES（地域規模空中環境調査）火星飛行機だった。[ 16 ] SCIMは、自由帰還軌道とエアロゲルを使用して火星の塵を捕獲し地球に持ち帰るサンプルリターン・ミッションだった[ 16 ] （スターダスト計画も参照）。 MARVELは火星の大気のさまざまな成分を分析するだけでなく、火山活動を探す探査機だった。[ 16 ]その名前はMars Volcanic Emission and Life Scoutの頭文字をとったもので、生命が存在するならばそのガスを検出することを目的としていた。[ 16 ] ARESは火星の下層大気と地表を調査するための航空機のコンセプトだった。[ 16 ] 2008年9月15日、NASAは2番目のミッションにMAVENを選んだと発表した。 [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]このミッションの予算は4億7500万ドル以下だった。[ 20 ]わずか2回の選定の後、NASA科学局は2010年にMars ScoutをDiscoveryプログラムに組み込むと発表した。これにより、火星ミッションを提案できるように計画が見直された。[ 21 ]火星の地震学と地質学のミッションであるインサイトは、最終的にディスカバリー計画の12番目のミッションとして選ばれました。

2010年代

2013年度にはNASAの惑星科学部門への3億ドルの大幅な予算削減が行われ、ESAのエクソマーズ計画へのNASAの参加が取り消され、火星探査計画全体の再評価が行われました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] 2012年2月、ワシントンD.C.で火星計画グループ（MPPG）が招集され、 [ 34 ] [ 33 ] Mars Next Generationと呼ばれるイニシアチブの一環として、2018年または2020年の打ち上げ時期に向けた候補ミッションのコンセプトについて議論されました。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] MPPGの目的は、オバマ政権の2030年代に人類を火星軌道に送るという課題と一致する火星ロボット探査のプログラムレベルのアーキテクチャの基盤を開発することであったが、[ 33 ] 2011年のNRC惑星科学十年計画の主要な科学的目標にも対応し続けることであった。[ 37 ] MPPGは、NASAの公務員と請負業者の従業員の両方からの非合意の個々の意見を使用し、結果として生じた決定はNASAの唯一の責任であった。

MPPGの当面の焦点は、2018年と2020年の火星打ち上げ期間に向けた複数のミッション概念の選択肢を収集することだった。[ 33 ]打ち上げ機を含めて7億ドルの予算枠で、ミッションは軌道船に限定されると推定された。[ 35 ] [ 38 ]短期的なアイデアは2018～2024年の時間枠における初期ミッション計画に考慮され、中期から長期的なアイデアは2026年以降のプログラムレベルのアーキテクチャ計画に反映された。[ 39 ]このようなミッションのために検討された戦略には、 2020年代後半または2030年代前半に火星軌道上に土壌サンプルを配置するサンプルリターンミッション、その場での土壌分析、およびサンプルリターンミッションや有人ミッションに先立つ火星の表面と深部内部の研究が含まれていた。[ 33 ] 7億ドルから8億ドルの予算要件に適合する検討された概念ミッションには、老朽化し​​た衛星の通信サービスを置き換える次世代火星探査機（NeMO）や、後に地球に持ち帰るのに適したサンプルを調査・選択する静止着陸機などが含まれていた。 [ 33 ] MPPGの調査結果に先立ち、下院歳出委員会の商務・司法・科学小委員会は、サンプルリターンミッションを義務付けるという但し書き付きで、惑星科学予算に1億5000万ドルを復活させる予算を2012年4月に承認した。[ 31 ] MPPGの最終報告書は2012年8月に起草され、9月に公表された。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] 最終的にサンプルリターンミッションを承認したこの勧告は、NASAの2014会計年度予算プロセスに影響を与えた。[ 43 ]

ミッション

ミッション パッチ 車両 打ち上げ 軌道投入/着陸日 打ち上げロケット[ a ]状態 間隔
マース・グローバル・サーベイヤー
MGS1996年11月7日 17:00 UTC 1997年9月11日 01:17 UTC デルタII 7925完了 3,647日
マーズ・パスファインダー[ b ]
火星探査機「マーズ・パスファインダー」1996年12月4日 06:58 UTC 1997年7月4日 16:57 UTC デルタII 7925 完了 297日
旅人
マーズ・サーベイヤー '98
火星気候探査機1998年12月11日 18:45 UTC 1999年9月23日 09:00 UTC(失敗) デルタII 7425 失敗 286日
火星極地着陸機1999年1月3日 20:21 UTC 1999年12月3日 20:15 UTC(失敗) デルタII 7425 失敗 334日
2001年火星オデッセイ
火星オデッセイ2001年4月7日 15:02 UTC 2001年10月24日 12:21 UTC デルタ II 7925-9.5 運用 9,071日
火星探査ローバー精神2003年6月10日 17:58 UTC 2004年1月4日 04:35 UTC デルタ II 7925-9.5 完了 2,695日
機会2003年7月7日 03:18 UTC 2004年1月25日 05:05 UTC デルタII 7925H-9.5 完了 5,498日
火星探査機
MRO2005年8月12日 11:43 UTC 2006年3月10日 21:24 UTC アトラス V 401 ( AV-007 ) 運用 7,480日
フェニックス[ c ]
フェニックス2007年8月4日 09:26 UTC 2008年5月25日 23:53 UTC デルタII 7925 完了 457日
火星科学実験室
好奇心2011年11月26日 15:02 UTC 2012年8月6日 05:17 UTC アトラス V 541 ( AV-028 ) 運用 4,820日
メイヴン[ c ]
メイヴン2013年11月18日 18:28 UTC 2014年9月22日 02:24 UTC アトラス V 401 ( AV-038 ) 運用 4,463日
インサイト[ b ]
洞察力2018年5月5日 11:05 UTC 2018年11月26日 19:52 UTC アトラス V 401 ( AV-078 ) 完了 2,629日
2020年3月
忍耐力2020年7月30日 11:50 UTC 2021年2月18日 20:55 UTC アトラス V 541 ( AV-088 ) 運用 1,814日
創意工夫完了 1,026日
火星通信探査機受注生産2028 未定 計画済み 該当なし
国際火星氷地図作成者アイ・ミム2031 2032 未定 提案 該当なし
MSRサンプル回収着陸船SRL未定 未定 キャンセル 該当なし

タイムライン

Mars 2020InSightMAVENMars Science LaboratoryPhoenix (spacecraft)Mars Reconnaissance OrbiterMars Exploration Rover2001 Mars OdysseyMars Surveyor '98Mars PathfinderMars Global Surveyor

参照

参考文献

注記

  1. ^括弧内に表示されるシリアル番号。
  2. ^ a bディスカバリー計画の一環として実施されたミッション。
  3. ^ a b火星スカウト計画の一環として実施されたミッション。

引用

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