 火星の表面に着陸した火星極地着陸機のアーティストによる描写 | |
| 名前 | マーズ・サーベイヤー'98着陸機 |
|---|---|
| ミッションタイプ | 火星着陸船 |
| オペレーター | NASA / JPL |
| コスパーID | 1999-001A |
| SATCAT番号 | 25605 |
| Webサイト | 科学.nasa.gov |
| ミッション期間 | 334日 ミッション失敗 |
| 宇宙船の特性 | |
| メーカー | マーティン・マリエッタ |
| 打ち上げ質量 | 290 kg (640 ポンド) [1] |
| 力 | 200Wの太陽電池とNiH 2バッテリー |
| ミッション開始 | |
| 発売日 | 1999 年 1 月 3 日 20:21:10 (協定世界時) ( 1999-01-03T20:21:10Z ) |
| ロケット | デルタ II 7425–9.5 D-265 |
| 発射場 | ケープカナベラル空軍基地 SLC-17A |
| 請負業者 | ボーイング |
| ミッション終了 | |
| 廃棄 | 着陸後の通信障害 |
| 宣言された | 2000年1月17日 （2000年1月17日） |
| 最後の接触 | 1999年12月3日 20:00 (UTC) ( 1999-12-03T20:00:00Z ) |
| 火星衝突（着陸失敗） | |
| 影響日 | ~20:15 UTC ERT、1999 年 12 月 3 日 |
| 衝突地点 | ウルティミ・スコプリ、南緯76度 西経195度 / 南緯76度 西経195度 / -76; -195 (火星極着陸船) (予測) |
| 火星衝突体 | |
| 宇宙船の部品 | ディープ・スペース2 |
 マーズ・サーベイヤー98ミッションのロゴ | |
マーズ・ポーラー・ランダー（マーズ・サーベイヤー'98ランダーとも呼ばれる）は、1999年1月3日にNASAによって打ち上げられた290キログラムの無人宇宙船 着陸機で、火星の南極付近のプラナム・アウストラーレの土壌と気候を調査することを目的としていた。マーズ・サーベイヤー'98ミッションの一部であった。しかし、1999年12月3日、降下段階の完了が予想されていた後、着陸機は地球との通信を再確立できなかった。事後分析の結果、事故の原因として最も可能性が高いのは、着陸機が火星の表面に接触する前にエンジンの点火が途中で終了し、高速で火星に衝突したことであると判明した。[2]
火星極地着陸機の総費用は1億6,500万ドルでした。宇宙船の開発費は1億1,000万ドル、打ち上げ費用は4,500万ドル、ミッション運用費用は1,000万ドルと見積もられました。[3]
ミッションの背景
歴史
マーズ・サーベイヤー98ミッションの一環として、周回探査機と連携して地上の気候データを収集する手段として、着陸機の開発が求められました。NASAは、南極の薄い塵の層の下に大量の凍った水が存在する可能性があると考えていました。火星極地着陸機の計画において、火星南極の潜在的な水含有量は、着陸地点選定における最大の決定要因でした。[4]世界中の100万人の子供たちの名前が収録されたCD-ROMが、子供たちの宇宙計画への関心を高めるために企画された「あなたの名前を火星に送ろう」プログラムの一環として、宇宙船に搭載されました。[5]
このミッションの主な目的は以下の通りであった。[6]
- 火星の南極地域の層状地形に着陸する。
- 古代の気候と最近の周期的な気候変動に関連する証拠を探します。
- 高緯度地域の現在の気候と季節の変化、特に大気と地表の間の水蒸気の交換について説明します。
- 極地の地表近くの氷を探し、物理的および化学的に結合した二酸化炭素と水の土壌を分析する。
- 着陸地点の表面形態（形状と構造）、地質、地形、天候を調査します。
ディープ・スペース2プローブ
火星極地着陸機は、「ディープ・スペース2 AおよびB」として知られる2機の小型で同一の衝突探査機を搭載していた。これらの探査機は、南緯73度西経210度 / 南緯73度西経210度 / -73; -210 （ディープ・スペース2）付近で高速で火星の表面に衝突し、火星の土壌を貫通して深さ1メートルまでの地下構造を調査することを目的としていた。しかし、火星の大気圏に突入した後、探査機との接触を試みたが失敗した。[4]
ディープ・スペース2はニュー・ミレニアム計画によって資金提供され、開発費は2,800万ドルでした。[3]
宇宙船の設計
宇宙船は、脚と太陽電池パネルを完全に展開した状態で、幅3.6メートル、高さ1.06メートルでした。ベースは主にアルミニウム製のハニカムデッキ、縁を形成するグラファイトエポキシ複合シート、そして3本のアルミニウム製の脚で構成されていました。着陸時には、脚は圧縮バネによって格納位置から展開され、各脚に内蔵された潰れやすいアルミニウム製のハニカムインサートによって着陸時の衝撃を吸収することになっていました。着陸機のデッキには、小型のファラデーケージ型の熱筐体が設けられ、コンピューター、配電回路とバッテリー、通信回路、そして動作温度を維持する毛細管ポンプループヒートパイプ（LHP）部品が収納されていました。これらの部品はそれぞれ、万が一の故障に備えて冗長化されていました。[4] [1] [7]
姿勢制御と推進
火星への航行中、巡航段階は4つのヒドラジン 一元推進剤反応エンジンモジュールによって3軸安定化された。各モジュールには、推進用の22ニュートン軌道修正スラスタと、姿勢制御（方向付け）用の4ニュートン反応制御システムスラスタが含まれていた。宇宙船の方向付けは、冗長化された太陽センサー、スタートラッカー、慣性測定ユニットによって行われた。[1]
降下中、着陸機は3基のパルス変調エンジン群を使用し、各エンジンには266ニュートンのヒドラジン一液推進剤スラスタが4基搭載されていました。着陸時の高度はドップラーレーダーシステムによって測定され、姿勢制御サブシステム（AACS）が姿勢を制御し、宇宙船が太陽光集光と着陸機との通信を最大化するために最適な方位角で着陸するようにしました。 [4] [1] [7]
着陸機は、64キログラムの推進剤を収容し、ヘリウムで加圧された2つのヒドラジンタンクを搭載して打ち上げられた。各球形タンクは着陸機の底面に配置され、巡航段階と降下段階において推進剤を供給した。[4] [1] [7]
コミュニケーション
巡航段階中、宇宙船との通信は、中利得のホーン型アンテナと冗長構成の固体電力増幅器を用いてXバンドで行われた。緊急時対策として、低利得の全方向性アンテナも搭載されていた。[4]
当初、着陸機は故障した火星探査機（Mars Climate Orbiter）を介してUHFアンテナ経由でデータ通信を行うことが想定されていた。探査機は1999年9月23日に失われたが、着陸機は、デッキにあるXバンドの可動式中利得パラボラアンテナであるDirect-To-Earth（DTE）リンクを介してNASAの深宇宙ネットワークと直接通信することが可能であった。あるいは、火星の1日に複数回、 Mars Global SurveyorをUHFアンテナを使用して中継機として使用することも可能であった。しかし、深宇宙ネットワークはこの方法では着陸機からのデータを受信することしかできず、着陸機にコマンドを送信することはできなかった。地球への直接接続の中利得アンテナは12.6kbit/sのリターンチャンネルを提供し、UHF中継パスは128kbit/sのリターンチャンネルを提供した。宇宙船との通信は、増幅器で発生する熱の蓄積によって制約され、1時間ごとのイベントに制限される予定であった。通信イベントの回数も電力制限によって制約される予定であった。[4] [6] [1] [7]
力
巡航段階には、無線システムに電力を供給し、着陸機内のバッテリーへの電力を維持し、特定の電子機器を保温するための2つのガリウムヒ素 太陽電池アレイが含まれていました。 [4] [1]
着陸機は地表に降下後、宇宙船の両側にそれぞれ3.6メートル幅のガリウムヒ素太陽電池アレイを展開する予定だった。さらに2つの補助太陽電池アレイが側面に設置され、合計200ワットの電力を供給し、1日あたり約8～9時間の稼働が見込まれていた。[4] [1]
主ミッション中は太陽が地平線下に沈むことはなかったものの、太陽電池パネルに届く光量が少なすぎて、一部の電子機器が動作し続けるのに十分な温度を保てなかった。この問題を回避するため、16アンペア時のニッケル水素電池が搭載され、日中に充電し、夜間に断熱容器のヒーターに電力を供給することになっていた。この解決策は、着陸機の寿命を縮める可能性もあった。夏の終わりには火星の気温が下がり、ヒーターへの電力供給が不足して凍結を防ぐことができなくなり、結果としてバッテリーも凍結し、着陸機の寿命が尽きることになる。[4] [1] [7]
科学機器
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火星極地着陸船の注釈付き図
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宇宙船はカプセル封じ直前の格納位置にある
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宇宙船組立・カプセル化施設で実施された試験
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火星極地着陸機の突入カプセル。スター48の上段ロケットに搭載される直前。
- 火星降下イメージャー（MARDI）
- 着陸機の底部に取り付けられたカメラは、宇宙船が地表に降下する際に30枚の画像を撮影することを目的としていました。撮影された画像は、着陸地点の地理的および地質学的背景を提供するために使用されます。[8]
- 表面ステレオイメージャー（SSI）
- 一対の電荷結合素子（CCD）を用いたステレオパノラマカメラは、高さ1メートルのマストに設置され、熱発生ガス分析装置によるロボットアームの観測対象領域の特定を支援する。さらに、このカメラは太陽の狭帯域画像を用いて、大気中の塵の柱状密度、エアロゾルの光学的厚さ、そして水蒸気の斜柱量を推定するために使用される。 [9]
- 光検出と測距（LIDAR）
- レーザー測深器は、着陸機の上空3キロメートルまでの大気中のエアロゾルを検知し、その特性を明らかにすることを目的としていました。この装置は、内蔵のレーザーダイオードを使用するアクティブモードと、太陽光をセンサーの光源として使用する音響モードの2つのモードで動作しました。アクティブモードでは、レーザー測深器は0.88マイクロメートルの波長で100ナノ秒のパルスを大気中に放射し、エアロゾルによって散乱された光を検出するまでの時間を記録しました。光が戻ってくるまでの時間から、その地域の氷、塵、その他のエアロゾルの量を判定することができました。音響モードでは、この装置は太陽の光で照らされた空の明るさを測定し、センサーに到達する光の散乱を記録しました。[10]
- ロボットアーム（RA）
- 着陸機の前方に設置されたロボットアームは、長さ1メートルのアルミニウム製チューブで、肘関節と先端に連結された関節式スコップを備えていた。このスコップは、着陸機の直近の土壌を掘削するために用いられることになっていた。掘削された土壌は、スコップ内でロボットアームのカメラで分析するか、熱発生ガス分析装置に搬送することができた。[9]
- ロボットアームカメラ（RAC）
- ロボットアームに設置された電荷結合カメラには、土壌サンプルを分析用に照らすための赤ランプ2個、緑ランプ2個、青ランプ4個が搭載されていた。[9]
- 気象パッケージ（MET）
- パッケージには、気象パターンの検知と記録に関連する複数の機器が含まれていました。風速、温度、気圧、湿度センサーはロボットアームと2本の展開式マストに設置されていました。1本は着陸機の上部に設置された1.2メートルのメインマスト、もう1本は地上付近の測定値を取得するために下方に展開される0.9メートルのサブマストです。 [9]
- 熱発生ガス分析装置（TEGA）
- この装置は、ロボットアームによって採取・搬送された表層および地下土壌サンプル中の水、氷水、吸着二酸化炭素、酸素、および揮発性鉱物の存在量を測定することを目的としていました。8つのオーブンのうち1つに置かれた試料は、1,000℃で加熱・蒸発されます。その後、発生したガス分析装置が分光計と電気化学セルを用いて測定値を記録します。校正のため、このプロセス中に空のオーブンも加熱され、示差走査熱量測定が行われます。各オーブンの加熱に必要なエネルギーの差から、氷水および水や二酸化炭素を含むその他の鉱物の濃度が示されます。[9]
- 火星のマイク
- このマイクは、他の惑星の音を録音する最初の機器となることを目指していました。補聴器に一般的に使用されるマイクを主に使用し、吹き付ける塵埃、放電、そして宇宙船の航行音を、2.6秒または10.6秒、12ビットのサンプルレートで録音することが期待されていました。[11]このマイクは、音声認識装置に一般的に使用されるSensory社製のRSC-164集積回路を含む市販の部品を使用して構築されました。[12]
ミッションプロフィール
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打ち上げと軌道
火星極地着陸機（マーズ・ポーラー・ランダー）は、1999年1月3日20時21分10秒（UTC）、アメリカ航空宇宙局（NASA）によってフロリダ州ケープカナベラル空軍基地のスペース・ローンチ・コンプレックス17BからデルタII 7425-9.5ロケットに搭載されて打ち上げられた。チオコール・スター48B固体燃料第三段ブースターによって、探査機は火星に対する最終速度6.884 km/s（4.278 mi/s）で11ヶ月間の火星遷移軌道に投入された後、完全燃焼シーケンスは47.7分間続いた。巡航中、探査機はエアロシェルカプセルに収納され、巡航ステージと呼ばれるセグメントが電力と地球との通信を提供した。[4] [6] [1]
着陸地点
着陸目標地点は火星の南極付近の地域で、多数のスコプリ（葉状または不規則な断崖）があることからウルティミ・スコプリと呼ばれていた。 [要出典]
着陸の試み
1999年12月3日、火星極地着陸船（Mars Polar Lander）が火星に到着し、ミッションオペレーターは着陸準備を開始しました。14時39分（UTC）、巡航段階が切り離され、宇宙船が表面に着陸するまで通信が途絶える予定の状態となりました。大気圏突入の6分前、プログラムされた80秒間のスラスタ噴射により、宇宙船は適切な突入姿勢に向けられ、降下カプセルが大気圏を通過する際に発生する1,650℃の熱を吸収する位置に 熱シールドが設置されました。
秒速6.9キロメートルで飛行していた突入カプセルは、UTC20時10分00秒に火星の大気圏に突入し、南緯76度195度西経195度付近（火星極地着陸機）の南緯195度付近、いわゆるプラナム・アウストラーレ（南緯44度、西経195度）に着陸すると予想されていた。着陸後、UTC20時39分00秒に通信が再開されると予想されていたが、通信は再開されず、着陸機は行方不明とされた。[4] [6] [1]
意図された操作
約 6.9 km/s (4.3 mi/s) の速度で移動し、地表から 125 km (78 mi) 上空を飛行中に宇宙船は大気圏に突入し、大気圏突入体の底部にある2.4 メートルのアブレーション 熱シールドを使用して 116 km (72 mi) の大気圏でエアロブレーキにより最初に減速された。突入から 3 分後、宇宙船は 496 m/s (1,630 ft/s) まで減速し、迫撃砲から 8.4 メートルのポリエステル製パラシュートを展開するよう信号が送られた。続いてすぐに熱シールドが分離し、地表から 8.8 km (5.5 mi) 上空で MARDI の電源がオンになった。パラシュートにより宇宙船の速度はさらに 85 m/s (280 ft/s) まで減速され、そのとき地上レーダーが地表の特徴を追跡して最適な着陸地点を検出し、ドップラー効果によって垂直速度を決定して推力制御を開始した。
パラシュート展開から1分後、宇宙船の速度が秒速80メートル（秒速260フィート）まで低下すると、着陸機はバックシェルから分離し、高度1.3キロメートル（0.81マイル）で動力降下を開始した。垂直速度は高度12メートルで秒速2.4メートルまで低下し、その後は着陸まで一定となる予定だった。高度40メートル以下では、舞い上がる塵によってレーダーの信頼性が低下するため、高度40メートルで既にレーダーは停止されていた。最後の数秒間は、慣性センサーによって推力が制御される。着陸時に直ちに推力を停止する機能も高度40メートルで作動開始された。着陸は協定世界時20時1分（地球受信時刻20時15分）と予想された。[4] [6] [1] [7]
着陸機の運用は着陸後5分で開始され、まず格納された太陽電池パネルを展開し、続いて中利得の地球直下型アンテナをNASA深宇宙ネットワークとの最初の通信を可能にする。MARDIで取得された30枚の着陸画像を含む45分間の送信が地球に向けて放送される予定だった。着陸成功の信号はUTC20時39分に到着すると予想されていた。着陸機はその後6時間電源を落とし、バッテリーを充電する。その後数日間、宇宙船の機器はオペレーターによって点検され、科学実験は12月7日に開始され、少なくともその後90火星ソルの間続く予定で、延長ミッションの可能性もあった。[4] [6] [1] [7]
通信の途絶
1999年12月3日14時39分（UTC）、マーズ・ポーラー・ランダーからの最後のテレメトリが送信されました。これは巡航段階の分離とそれに続く大気圏突入の直前のことでした。その後、探査機からの信号は受信されませんでした。マーズ・グローバル・サーベイヤーは、ランダーが存在すると推定される領域を撮影しようと試みました。2000年1月には、ランダーとパラシュートと思われる2つの物体が写った写真が撮影されました。しかし、2005年9月に行ったその後の撮影で、これらの物体は可能性がないと判断されました。マーズ・ポーラー・ランダーは行方不明のままです。[13] [14]
通信途絶の原因は不明である。しかし、故障審査委員会は、この事故の最も可能性の高い原因は、格納脚の展開によって生じた振動を誤って地表着陸と認識したソフトウェアエラーであると結論付けた。[15]その結果、宇宙船は降下エンジンを停止したが、その時点ではまだ地表から40メートル上空にあったとみられる。脚の展開によって誤認識が生じる可能性は知られていたものの、ソフトウェアの設計指示ではそのような事態は考慮されていなかった。[16]
故障検討委員会は、降下エンジンの早期停止に加えて、他の潜在的な故障モードも評価した。[2]故障モードに関する確固たる証拠がないため、以下の可能性を排除することはできなかった。
- 表面条件が着陸設計能力を超えている。
- 動的影響による制御の喪失。
- 着陸地点は生存不可能です。
- バックシェル/パラシュートが着陸機に接触。
- 重心のオフセットによる制御の喪失、または
- 微小隕石の衝突によりヒートシールドが破損しました。
火星極地着陸機の失敗は、火星探査機「マーズ・クライメート・オービター」の喪失から2ヶ月半後に発生しました。資金不足と不適切な管理が失敗の根本的な原因として挙げられています。[17]火星探査計画独立評価チームのトーマス・ヤング委員長によると、この計画は「少なくとも30%の資金不足」でした。[18]
| 報告書[2]より引用 |
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3本の着陸脚それぞれに磁気センサーが搭載されており、着陸機が地表に接触した際に着陸を感知し、降下エンジンの停止を開始します。MPLエンジニアリング開発ユニットの展開テスト、MPL飛行ユニットの展開テスト、そしてMars 2001の展開テストのデータから、着陸脚の展開中（着陸機がパラシュートに接続されている間）に、ホール効果タッチダウンセンサーに誤ったタッチダウン表示が発生することが分かりました。ソフトウェアロジックは、この過渡信号がセンサーの2回連続した読み取りで持続する場合、これを有効なタッチダウンイベントとして受け入れます。テストでは、脚の展開時の過渡信号の大部分は、有効なイベントとして受け入れられるほど十分に長いことが示されました。したがって、3本のうち少なくとも1本が誤ったタッチダウン表示を生成し、それをソフトウェアが有効として受け入れたことはほぼ確実です。 タッチダウン検知ロジックが有効化される前にタッチダウン表示を無視するように設計されたソフトウェアが適切に実装されておらず、誤ったタッチダウン表示が保持されました。タッチダウン検知ロジックは高度40メートルで有効化されるため、ソフトウェアは（誤った）タッチダウン表示に応答して、この時点で降下エンジンの推力停止を指示するはずでした。 高度40メートルでは、着陸機の速度は約13メートル/秒ですが、推力がない場合、火星の重力によって表面衝突速度は約22メートル/秒まで加速されます（公称着陸速度は2.4メートル/秒です）。この衝突速度では、着陸機は生き残ることは不可能だったでしょう。 |
着陸機と2機のディープ・スペース2探査機の探査対象となったプラナム・アウストラレ[19]は、後に欧州宇宙機関のMARSISレーダーによって探査され、火星の軌道からその場所を調査・分析した。[20] [21] [22] [23]
参照
- マーズ・サーベイヤー2001、類似設計の着陸機、ミッションは中止。着陸機はフェニックスに使用された。
- フェニックス着陸船、2008年
- 火星探査
- エクソマーズ探査車
- 火星へのミッション一覧
- 火星探査ローバー
参考文献
- ^ abcdefghijklm 「火星極着陸船」。nssdc.gsfc.nasa.gov。NASA。 2020年4月28日のオリジナルからアーカイブ。2022 年12 月 1 日に取得。
- ^ abc 「火星極地着陸機とディープ・スペース2ミッションの喪失に関する報告書」(PDF)。NASA / JPL 。 2000年3月22日。2015年12月13日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ ab “Mars Polar Lander Mission Costs”. Associated Press . 1999年12月8日. 2022年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年9月30日閲覧。
- ^ abcdefghijklmn 「1998 Mars Missions」（PDF）（プレスリリース）NASA / JPL 1998年12月。 2020年4月30日時点のオリジナル（プレスキット）からのアーカイブ。 2011年3月12日閲覧。
- ^ B. Huh (1998年3月3日). 「火星に行く子供たちの名前」.サン・センチネル. 2013年12月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年5月30日閲覧。
- ^ abcdef 「Mars Polar Lander/Deep Space 2」（PDF）（プレスリリース）NASA / JPL 1999年12月。 2016年12月23日時点のオリジナル（プレスキット）からのアーカイブ。 2011年3月12日閲覧。
- ^ abcdefg "火星極地着陸船 / 深宇宙 2 - NASA サイエンス".科学.nasa.gov . NASA 。2011 年3 月 12 日に取得。
- ^ 「火星極地着陸機：火星降下画像装置（MARDI）」. nssdc.gsfc.nasa.gov . NASA . 2011年3月17日閲覧。
- ^ abcde 「火星極地着陸船：火星揮発性物質・気候サーベイヤー（MVACS）」. nssdc.gsfc.nasa.gov . NASA . 2011年3月17日閲覧。
- ^ 「火星極地着陸機：光検出と測距（LIDAR）」. nssdc.gsfc.nasa.gov . NASA . 2011年3月17日閲覧。
- ^ 「火星極地着陸船：火星マイクロフォン」nssdc.gsfc.nasa.gov . NASA . 2011年3月17日閲覧。
- ^ 「プロジェクト：惑星マイクロフォン -- 火星マイクロフォン」惑星協会。2006年8月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「火星極地着陸機、ついに発見か？」Sky & Telescope 2005年5月6日。2008年7月23日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年4月22日閲覧。
- ^ “Mars Polar Lander NOT Found”. www.msss.com . NASA / JPL . 2005年10月17日. MGS-MOC2-1253. 2008年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年4月22日閲覧。
- ^ NASA 3: ミッション失敗のYouTube動画
- ^ NG Leveson (2004年7月). 「最近の航空宇宙事故におけるソフトウェアの役割」(PDF) . Journal of Spacecraft and Rockets . 41 (4). doi :10.2514/1.11950.
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- ^ J. Kaye (2000年4月14日). 「NASA in the Hot Seat」. NewsHour with Jim Lehrer . PBS . 2013年12月26日時点のオリジナル（トランスクリプト）からアーカイブ。 2009年4月22日閲覧。
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- ^ M. Halton (2018年7月25日). 「火星に液体の水の『湖』が発見される」BBCニュース. 2022年4月15日閲覧。
さらに読む
