バイキングプログラム

バイキング
着陸降下カプセルを放出するバイキング探査機の想像図
メーカージェット推進研究所/ マーティン・マリエッタ
原産国アメリカ合衆国
オペレーターNASA / JPL
アプリケーション火星探査機/着陸機
仕様
打ち上げ質量3,527キログラム（7,776ポンド）
力オービター：620ワット（太陽電池アレイ）ランダー：70ワット（RTGユニット2台）
政権等心円
デザインライフ周回機：火星で4年間着陸機：火星で4～6年間
生産
状態引退
建設された2
発売2
引退バイキング1号オービター1980年8月17日[ 1 ]バイキング1号ランダー1976年7月20日[ 1 ]（着陸）～1982年11月13日[ 1 ]バイキング2号オービター1978年7月25日[ 1 ]バイキング2号ランダー1976年9月3日[ 1 ]（着陸）～1980年4月11日[ 1 ]
初打ち上げバイキング1号1975年8月20日[ 1 ] [ 2 ]
最後の打ち上げバイキング 2 1975 年 9 月 9 日[ 1 ] [ 3 ]

バイキング計画は、 1975年に打ち上げられ、 1976年に火星に着陸した、2機の同一のアメリカの宇宙探査機、バイキング1号とバイキング2号から構成されていました。 [ 1 ]ミッションの取り組みは1968年に開始され、NASAラングレー研究所によって管理されました。[ 4 ]各宇宙船は、軌道から火星の表面を撮影する周回宇宙船と、表面から火星を調査する着陸船という2つの主要部分で構成されていました。周回宇宙船は、着陸後に着陸船との通信中継の役割も担っていました。

バイキング計画は、NASAが以前に計画した、より野心的なボイジャー火星計画から発展したものです。この計画は、1970年代後半に成功を収めたボイジャー深宇宙探査機とは無関係でした。バイキング1号は1975年8月20日に打ち上げられ、2号機であるバイキング2号は1975年9月9日に打ち上げられました。両機とも、セントール上段ロケットを搭載したタイタンIIIEロケットに搭載されていました。バイキング1号は1976年6月19日に火星周回軌道に入り、バイキング2号は8月7日に続きました。

1ヶ月以上火星を周回し、着陸地点選定に用いる画像を送信した後、周回機と着陸機は分離され、着陸機は火星の大気圏に突入し、選定された地点に軟着陸しました。バイキング1号の着陸機は、バイキング2号が軌道に到達する2週間以上前の1976年7月20日に火星表面に着陸しました。バイキング2号は9月3日に軟着陸に成功しました。着陸機が火星表面に 機器を展開する間、周回機は軌道上から画像撮影やその他の科学観測を継続しました。この計画は1982年に終了しました。

プロジェクトの費用は打ち上げ時点でおよそ10億ドルで、[ 5 ] [ 6 ]、 2024年のドル換算で約60億ドルに相当する。[ 7 ]このミッションは成功とみなされ、1990年代後半から2000年代初頭にかけて火星に関する知識の大部分を形成した。[ 8 ] [ 9 ]

科学目標

  • 火星表面の高解像度画像を取得する
  • 大気と地表の構造と組成を特徴付ける
  • 火星における生命の証拠の探索

バイキングオービター

2機のバイキング・オービターの主な目的は、着陸機を火星に輸送し、着陸地点の位置を特定・確認するための偵察を行い、着陸機の通信中継機として機能し、そして自ら科学調査を行うことであった。各オービターは、初期のマリナー9号宇宙船をベースとし、直径約2.5メートル（8.2フィート）の八角形であった。燃料を満載したオービターと着陸機のペアの質量は3,527kg（7,776ポンド）であった。分離・着陸後、着陸機の質量は約600kg（1,300ポンド）、オービターの質量は900kg（2,000ポンド）であった。打ち上げ時の総質量は2,328kg（5,132ポンド）で、そのうち1,445kg（3,186ポンド）は推進剤と姿勢制御ガスであった。リング状構造の8つの面は高さ0.457メートル（18インチ）で、幅は交互に1.397メートルと0.508メートル（55インチと20インチ）でした。下面の着陸機取り付け点から上面の打ち上げ機取り付け点までの全高は3.29メートル（10.8フィート）でした。モジュール式区画は16個あり、4つの長面にそれぞれ3つ、短面にそれぞれ1つずつありました。軌道船の軸から4枚の太陽電池パネルが伸びており、反対側に伸びた2枚の太陽電池パネルの先端から先端までの距離は9.75メートル（32フィート）でした。

推進

主推進ユニットはオービタバスの上方に搭載されていました。推進力は、モノメチルヒドラジンと四酸化窒素を混合した二液性液体燃料ロケットエンジンによって供給され、最大9度のジンバル調整が可能 でした。このエンジンは1,323  N (297  lbf ) の推力を発揮し、 1,480 m/s (3,300 mph) の速度変化をもたらしました。姿勢制御は12個の小型圧縮窒素ジェットによって行われました。

捕捉用太陽センサー、巡航用太陽センサー、カノープス社製スタートラッカー、そして6つのジャイロスコープからなる慣性基準ユニットにより、3軸安定化が可能となった。また、2つの加速度計も搭載されていた。

通信は、 20WのSバンド（2.3GHz）送信機と2台の20W TWTAによって行われた。無線科学研究および通信実験のために、 Xバンド（8.4GHz）ダウンリンクも追加された。アップリンクはSバンド（2.1GHz）を介して行われた。直径約1.5mの2軸可動パラボラアンテナがオービターベースの片端に取り付けられ、固定式の低利得アンテナがバスの上部から伸びていた。2台のテープレコーダーはそれぞれ1280メガビットのデータを記録できた。381MHzの中継無線も利用可能であった。

力

2機の周回機への電力は、各翼に2枚ずつ設置された1.57 m × 1.23 m（62インチ × 48インチ）の太陽電池パネル8枚によって供給されました。これらの太陽電池パネルは合計34,800個の太陽電池で構成され、火星で620 Wの電力を生成しました。電力は2つの30 A・hニッケルカドミウム電池にも蓄えられました。

4 つのパネルを合わせた面積は 15 平方メートル (160 平方フィート) で、安定化された直流電力と安定化されていない直流電力の両方を供給しました。安定化されていない電力は無線送信機と着陸船に供給されました。

2つの30アンペア時間のニッケルカドミウム充電式バッテリーは、宇宙船が太陽を向いていないとき、打ち上げ中、修正操作中、そして火星掩蔽中に電力を供給しました。[ 10 ]

主な調査結果

バイキング1号探査機が撮影した火星のモザイク画像

探査機からの画像は、通常大量の水から形成される多くの地質学的形態を発見し、火星の水についての私たちの考えに革命をもたらした。多くの地域で巨大な河谷が発見された。それらは、洪水がダムを破壊し、深い谷を刻み、岩盤に溝を浸食し、何千キロも移動したことを示している。南半球の広い地域では枝分かれした水路網があり、かつて雨が降っていたことを示唆している。いくつかの火山の側面は、ハワイの火山で発生するものと似ていることから、降雨にさらされていたと考えられている。多くのクレーターは、衝突体が泥の中に落ちたように見える。それらが形成されるとき、土壌の氷が溶けて地面が泥になり、表面を流れていった可能性がある。通常、衝突による物質は上昇し、次に下降する。火星の一部のクレーターのように、障害物を迂回して表面を流れることはない。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]「混沌とした地形」と呼ばれる地域では、大量の水が急速に失われ、大きな水路が形成されたようです。その水量はミシシッピ川の流量の1万倍と推定されています。[ 14 ]地下の火山活動によって凍った氷が溶け、水が流れ出て地面が崩壊し、混沌とした地形が残りました。

バイキングのモザイク

バイキング着陸船

バイキング着陸船の実証試験品
天文学者カール・セーガンはバイキング着陸船の模型の隣に立ち、スケール感を味わっている。

各着陸機は、長さ1.09メートル（43インチ）と0.56メートル（22インチ）の長辺が交互に配置された六角形のアルミニウム製ベースで構成され、短辺に3本の延長脚が取り付けられていた。脚のフットパッドは、上から見ると2.21メートル（7.3フィート）の正三角形の頂点を形成し、ベースの長辺は隣接する2本のフットパッドと一直線になっていた。計測機器はベースの内部と上部に設置され、延長脚によって地表から持ち上げられていた。[ 15 ]

各着陸機は、突入段階で着陸機の速度を低下させるように設計されたエアロシェル熱シールドで覆われていました。地球の生物による火星の汚染を防ぐため、各着陸機は組み立てられエアロシェルに収納された後、加圧された「バイオシールド」で覆われ、111℃（232℉）の温度で40時間滅菌されました。熱的理由から、バイオシールドのキャップは、セントール上段ロケットがバイキング軌道船/着陸機を地球軌道から離脱させた後に切り離されました。[ 16 ]

天文学者カール・セーガンは、バイキング探査機2機の着陸地点の選定に協力した。[ 17 ]

進入、降下、着陸（EDL）

各着陸機はオービターに取り付けられた状態で火星に到着した。着陸機がオービターから切り離され、火星表面に降下する前に、着陸機は何度も火星を周回した。降下は4つの異なる段階で構成され、軌道離脱噴射から始まる。着陸機はその後、火星の大気との摩擦熱が始まってから数秒後に最大の加熱を伴う大気圏突入を経験した。高度約6キロメートル（3.7マイル）で時速900キロメートル（600マイル）の速度で移動しているときにパラシュートが展開され、エアロシェルが解放され、着陸機の脚が展開された。高度約1.5キロメートル（5,000フィート）で、着陸機は3基の逆エンジンを起動し、パラシュートから切り離された。着陸機はその後すぐに逆噴射ロケットを使用して降下速度を減速および制御し、火星の表面に軟着陸した。 [ 18 ]

火星の表面から送信された最初の「鮮明な」画像 –バイキング 1 号着陸船近くの岩石が写っている(1976 年 7 月 20 日)。

着陸時（ロケット燃料使用後）着陸機の質量は約 600 kg でした。

推進

軌道離脱のための推進力は、一元推進剤ヒドラジン（N 2 H 4）を燃料とするロケットによって供給された。このロケットには3個ずつ4つのクラスターに配置された12個のノズルがあり、32ニュートン（7.2 lb f）の推力を発生させ、速度変化は180 m/s（590 ft/s）に相当した。これらのノズルは、着陸機の 移動と回転を制御するためのスラスタとしても機能した。

最終降下（パラシュート使用後）および着陸には、3基（ベースの各長辺に1基ずつ、120度離して固定）の一元推進剤ヒドラジンエンジンが使用された。エンジンには、排気を拡散させて地上への影響を最小限に抑えるための18個のノズルがあり、 276～2,667ニュートン（62～600 lb f ）のスロットル調整が可能であった。火星表面が地球の微生物で汚染されるのを防ぐため、ヒドラジンは精製された。着陸機は打ち上げ時に85 kg（187ポンド）の推進剤を搭載しており、これは着陸機の反対側のRTG風防の下に取り付けられた2つの球形チタンタンクに格納されており、打ち上げ時の総質量は657 kg（1,448ポンド）であった。制御は、慣性基準装置、4 つのジャイロ、レーダー高度計、ターミナル降下および着陸レーダー、および制御スラスタ を使用して達成されました。

力

電力は、着陸機の底面の両側に取り付けられ、風防で覆われたプルトニウム238を内蔵した2基の放射性同位元素熱電発電機（RTG）によって供給された。バイキングRTG [ 19 ]はそれぞれ高さ28cm（11インチ）、直径58cm（23インチ）、質量13.6kg（30ポンド）で、4.4ボルトで30ワットの連続電力を供給した。ピーク電力負荷に対応するため、湿式密閉型ニッケルカドミウム8Ah （ 28,800 クーロン）、28ボルトの充電式バッテリー4個も搭載されていた。

ペイロード

バイキング2号着陸船が撮影した火星の画像

コミュニケーション

通信は、2つの進行波管を用いた20ワットのSバンド送信機によって行われた。着陸船の基部一端近くのブームには、2軸可動式の高利得パラボラアンテナが取り付けられていた。また、基部からは全方向性の低利得Sバンドアンテナも伸びていた。これらのアンテナは両方とも地球との直接通信を可能にし、バイキング1号は両方の周回機が故障した後も長期間にわたって動作を継続することができた。UHF （381MHz）アンテナは、 30ワットの中継無線機を介して周回機への一方向中継を提供した。データ保存は40Mビットのテープレコーダーに行われ、着陸船のコンピュータにはコマンド命令用の 6000ワードのメモリが搭載されていた。

楽器

着陸船には、着陸船ミッションの主要な科学的目的、すなわち火星の表面と大気の生物学、化学組成（有機および無機）、気象学、地震学、磁気特性、外観、および物理的特性を調査するための機器が搭載されていました。2台の360度円筒形スキャンカメラが、基部の長い側面の近くに設置されました。この側面の中央からサンプラーアームが伸びており、その先端にはコレクターヘッド、温度センサー、磁石がありました。温度、風向、および風速センサーを備えた気象ブームが着陸船の脚の1つの上部から伸びていました。地震計、磁石とカメラのテストターゲット、拡大鏡がカメラの反対側、高利得アンテナの近くに設置されていました。内部の環境制御コンパートメントには、生物学実験装置とガスクロマトグラフ質量分析計がありました。X線蛍光分光計も構造物内に取り付けられていました。圧力センサーが着陸船本体の下に取り付けられました。科学的ペイロードの総質量は約91kg（201ポンド）でした。

生物学実験

バイキング着陸船は、火星の土壌（もし存在するならば）に生命が存在するかどうかを調べるための生物学的実験を実施した。実験は、 NASAの主任科学者ジェラルド・ソッフェンの指揮の下、3つの別々のチームが計画した。1つの実験では代謝（現在の生命）の検出が成功したが、他の2つの実験では土壌中に有機分子が全く検出されなかったため、多くの科学者は、これらの結果は、高度に酸化された土壌条件による非生物学的な化学反応によるものである可能性が高いと確信した。[ 20 ]

バイキング1号着陸船が撮影した砂丘と大きな岩。
バイキング1号着陸船の土壌サンプル採取器によって掘られた溝 。

NASAはミッション中に、バイキング着陸船の結果では2つの着陸地点の土壌に決定的な生物学的特徴は示されなかったと発表したが、テスト結果とその限界は現在も評価中である。「標識放出（LR）」陽性結果の妥当性は、火星の土壌に酸化剤が含まれていないことに完全に依存していたが、後にフェニックス着陸船によって過塩素酸塩の形で酸化剤が発見された。[ 21 ] [ 22 ]バイキング1号とバイキング2号の両方で分析された土壌には有機化合物が存在していた可能性があるが、2008年にフェニックスによって検出された過塩素酸塩の存在のために気付かれなかったという説がある。 [ 23 ] 研究者らは、過塩素酸塩は加熱されると有機物を破壊し、クロロメタンとジクロロメタンを生成することを発見した。これらは、火星で同じテストを実施した2つのバイキング着陸船によって発見されたのと同じ塩素化合物である。[ 24 ]

火星における微生物生命の存在という問題は未だに解明されていない。しかしながら、2012年4月12日、国際的な科学者チームは、 1976年のバイキング計画におけるラベルドリリース実験の複雑性解析による数学的推測に基づき、「火星に現存する微生物生命」の検出を示唆する研究結果を報告した。[ 25 ] [ 26 ]さらに、2018年にはガスクロマトグラフ質量分析計（GCMS）の結果の再検証による新たな知見が発表された。[ 27 ]

カメラ/画像システム

バイキング着陸船カメラ

撮像チームのリーダーは、ロードアイランド州プロビデンスにあるブラウン大学の地質学者、トーマス・A・マッチ氏でした。このカメラは可動ミラーを用いて12個のフォトダイオードを照射します。12個のシリコンダイオードはそれぞれ、異なる周波数の光に感度を持つように設計されています。

いくつかの広帯域ダイオード（BB1、BB2、BB3、BB4と命名）は、着陸船から6フィートから43フィートの距離に正確に焦点を合わせるために配置されています。[ 28 ] 低解像度の広帯域ダイオードはSURVEYと命名されました。[ 28 ]また、カラー画像  を取得するための3つの狭帯域低解像度ダイオード（BLUE、GREEN、REDと命名）と、赤外線画像用の3つのダイオード（IR1、IR2、IR3）があります。[ 28 ]

カメラは1秒間に5本の垂直走査線をスキャンし、各走査線は512ピクセルで構成されていました。300度のパノラマ画像は9150本の走査線で構成されていました。カメラのスキャン速度が遅かったため、画像システムの開発中に撮影されたクルーのショットでは、カメラのスキャンに合わせて複数のメンバーが動いたため、ショット内に複数回映り込んでいました。[ 29 ] [ 30 ]

バイキング着陸船の大量破壊

アイテム質量,kg (lb) [ 31 ]
構造とメカニズム 132 kg (291 ポンド)
推進 56 kg (123 ポンド)
パイロとケーブル 43 kg（95ポンド）
熱制御 36 kg（79ポンド）
誘導と制御 79 kg (174 ポンド)
力 103 kg (227 ポンド)
通信/テレメトリ 57 kg (126 ポンド)
科学機器 91 kg (201 ポンド)
=総乾燥質量595 kg (1,312 ポンド)
+着陸用推進剤（約15kg（33ポンド）の残留物を含む） 84 kg (185 ポンド)
+減速機（着陸機軌道離脱推進剤を含む） 118 kg (260 ポンド)
+エアロシェル 269 kg (593 ポンド)
+バイオシールド 74 kg (163 ポンド)
+キャップ 54 kg（119ポンド）
=総打ち上げ質量（着陸機+飛行カプセル）1,194 kg (2,632 ポンド)

バイキング1号着陸の数日前、ジェット推進研究所のバイキング制御室。

制御システム

バイキング着陸船は、18Kのメッキ配線メモリを備えた2台のハネウェルHDC 402 24ビットコンピュータで構成される誘導、制御、シーケンスコンピュータ（GCSC）を使用しましたが、バイキング軌道船は、2つのカスタム設計された18ビットシリアルプロセッサを使用したコマンドコンピュータサブシステム（CCS）を使用しました。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

バイキング計画の財政コスト

2機のオービターの費用は当時2億1,700万ドルで、2024年のドル換算で約10億ドルだった。[ 35 ] [ 36 ]プログラムの中で最も費用がかかったのは着陸機の生命探知ユニットで、当時の費用は約6,000万ドル、2024年のドル換算で約4億ドルだった。[ 35 ] [ 36 ]バイキング着陸機の設計開発には3億5,700万ドルかかった。[ 35 ]これはNASAの「より速く、より良く、より安く」というアプローチの数十年前のことで、バイキングは冷戦と宇宙開発競争の余波による国家的な圧力の下、地球外生命を初めて発見する可能性という展望の下で、前例のない技術を開拓する必要があった。[ 35 ]実験は1971年の特別指令に従わなければならなかった。この指令では、1つの故障が複数の実験の帰還を妨げてはならないと定められていたが、これは4万点を超える部品を持つ装置にとっては困難で費用のかかる作業だった。[ 35 ]

バイキングカメラシステムの開発費は2,730万ドルで、2024年のドル換算で約2億ドルだった。[ 35 ] [ 36 ]撮像システムの設計が完了した時点では、その先進的な設計を製造できる企業を見つけるのは困難だった。[ 35 ]プログラムマネージャーは、特に画像が送られてくるようになった際に、より単純でそれほど先進的ではない撮像システムを採用するよう圧力をかわしたことで、後に賞賛された。[ 35 ]しかし、このプログラムでは、3機目の着陸船を削減し、着陸船での実験数を減らすことで、いくらかの費用を節約した。[ 35 ]

NASAによると、このプログラムには1970年代のドル換算で10億ドルが費やされたとのことです。[ 5 ] [ 6 ]これはインフレ調整後の2024年のドル換算で約60億ドルになります。[ 36 ]

ミッション終了

最終的に、宇宙船はすべて次のように次々と失敗しました。[ 1 ]
クラフト到着日停止日動作寿命失敗の原因
バイキング2号オービター1976年8月7日1978年7月25日1年11ヶ月18日推進システムで燃料が漏れたため停止。
バイキング2号着陸船1976年9月3日1980年4月11日3年7ヶ月8日バッテリー障害後にシャットダウンします。
バイキング1号オービター1976年6月19日1980年8月17日4年1ヶ月19日姿勢制御燃料が枯渇したらシャットダウンします。
バイキング1号着陸船1976年7月20日1982年11月13日6年3ヶ月22日ソフトウェア更新中の人為的ミスにより着陸船のアンテナがダウンし、電源と通信が切断されたためシャットダウンしました。

バイキング計画は1983年5月21日に終了しました。火星への差し迫った衝突を防ぐため、バイキング1号の軌道は1980年8月7日に引き上げられましたが、10日後に停止されました。2019年以降、火星への衝突と潜在的な汚染が発生する可能性が残っています。[ 5 ]

2006年12月、火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービターによって、バイキング1号着陸船は予定の着陸地点から約6キロメートル離れていることが判明した。[ 37 ]

メッセージアーティファクト

バイキングの各着陸機には、ミッションに参加した数千人の名前が刻まれた小さなマイクロフィルムが搭載されていました。[ 38 ]パイオニア号の銘板やボイジャー号のゴールデンレコードなど、それ以前およびそれ以降の宇宙探査機にもメッセージ記録が搭載されていました。また、後期の探査機には、ミッションに名前を刻むために登録した約1100万人の人々を称える記念碑や名簿が搭載されていました。例えば、パーサヴィアランス探査車は、その一例として、ミッションに名前を刻むために登録した約1100万人の名を刻んでいます。

参照

参考文献

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