メッセンジャー

1973年、NASAは金星と水星への複数回のフライバイを行うためにマリナー10号を打ち上げた。マリナー10号は水星の最初の詳細なデータを提供し、表面の40～45%をマッピングした。 ^{[ 24 ]}マリナー10号による水星への最後のフライバイは1975年3月16日に行われた。その後30年以上、水星の近距離観測は行われなかった。

1998年、当時内惑星の中で最も探査が進んでいなかった水星に周回宇宙船を送るという提案されたミッションの詳細を記した研究が発表された。マリナー10号ミッション以降、水星を再訪するミッションの提案は、大量の推進剤と大型打ち上げロケットが必要となるため、費用がかかりすぎると思われた。さらに、地球から直接接近する探査機は太陽の重力によって加速され、水星を周回するには速すぎるため、宇宙船を水星の周回軌道に投入することは困難である。しかし、1985年に陳万燕^{[ 25 ]}が設計した軌道を用いることで、金星と水星の周りで複数回連続して重力アシスト「スイングバイ」操作を行い、推進剤による軌道修正を微調整することで宇宙船を徐々に減速させ、推進剤の必要量を最小限に抑えることで、ディスカバリー級ミッションを実行できることが研究で示された。^{[ 26 ]}

MESSENGERミッションは、軌道上から水星の特性と環境を研究するために設計されました。ミッションの科学的目標は次のとおりです。^{[ 27 ] [ 28 ]}

• 水星表面の化学組成を明らかにするため。
• 地球の地質学的歴史を研究するため。
• 地球規模の磁場（磁気圏）の性質を解明する。
• 炉心の大きさや状態を判断するため。
• 極地における揮発性物質の在庫量を決定するため。
• 水星の外気圏の性質を研究するため。

主推進は、推力645 N、推力317秒、比推力の_二元燃料（ヒドラジンと四酸化二窒素）大型速度補助（LVA）スラスタによって行われた。使用されたモデルは、英国にあるAMPAC-ISPのウェストコット工場で開発および製造されたLEROS 1bである。この宇宙船は、607.8キログラム（1,340ポンド）の推進剤とLVA用のヘリウム加圧器を搭載するように設計されていた。 ^{[ 29 ]}  

4基の22 N (4.9 lb _f )モノプロペラントスラスタがメインスラスタ噴射中に宇宙船の操舵を行い、12基の4.4 N (1.0 lb _f )モノプロペラントスラスタが姿勢制御に使用された。精密な姿勢制御のために、リアクションホイール姿勢制御システムも搭載された。^{[ 29 ]}姿勢制御のための情報は、スタートラッカー、慣性計測装置、および6つの太陽センサーによって提供された。^{[ 29 ]}    

探査機には、深宇宙ネットワークとの通信用の小型深宇宙トランスポンダが2 台と、3 種類のアンテナが搭載されていました。1 つの高利得フェーズドアレイアンテナは、主ビームを 1 平面内で電子的に操縦することができ、中利得の「ファンビーム」アンテナと、広指向性の低利得ホーンアンテナです。高利得アンテナは 8.4 GHz で送信専用として使用され、中利得アンテナと低利得アンテナは 8.4 GHz で送信し、7.2 GHz で受信します。3 つのアンテナはすべて右旋円偏波 (RHCP) で動作します。これらのアンテナのうち 1 つは探査機の前面に太陽に向かって取り付けられ、もう 1 つは探査機の背面に太陽とは反対方向に取り付けられました。^{[ 32 ]}   

宇宙探査機は、水星軌道上で平均450ワットの電力を供給する2枚のガリウムヒ素/ゲルマニウム太陽電池アレイによって駆動された。各パネルは回転可能で、アレイの温度を均一にするための光学太陽光反射板が含まれていた。電力は、11個の容器と各容器に2つのセルを備えた、共通圧力容器の23アンペア時のニッケル水素電池に蓄えられた。 ^{[ 29 ]}

宇宙船の搭載コンピュータシステムは、コアアビオニクスを1つのボックスに統合したデバイスである統合電子モジュール（IEM）に収められていた。コンピュータには、耐放射線仕様のIBM RAD6000が2基、25メガヘルツのメインプロセッサ、および10MHzの障害保護プロセッサが搭載されていた。冗長性を確保するため、宇宙船には同一のIEMが2基搭載されていた。データストレージには、それぞれ最大1ギガバイトのデータを保存できるソリッドステートレコーダーが2基搭載されていた。IBM RAD6000メインプロセッサは、 MESSENGERの機器からデータを収集、圧縮、保存し、後で地球に再生できるようにした。^{[ 29 ]}  

MESSENGERは、 SciBoxと呼ばれるソフトウェアスイートを使用して軌道と機器をシミュレートし、「ミッションからの科学的成果を最大化し、機器の観測間の競合を最小限に抑える複雑なプロセスを調整し、同時に、指向性、データダウンリンクレート、および機内データストレージ容量に関するすべての宇宙機の制約を満たす」ようにしました。^{[ 33 ]}

MESSENGER探査機は、2004年8月3日、協定世界時06時15分56秒に、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 7925ロケットで打ち上げられた。完全な燃焼シーケンスは57分間続き、探査機は太陽中心軌道に投入され、最終速度は10.68 km/s（6.64マイル/秒）となり、79億キロメートル（49億マイル）の軌道に乗せられ、2011年3月18日の軌道投入まで6年7ヶ月16日かかった。^{[ 29 ]}  

水星へ行き、軌道に入るには、水星の軌道が太陽の重力井戸の奥深くにあるため、非常に大きな速度変化（デルタVを参照）が必要です。地球から水星へ直接向かう場合、宇宙船は太陽に向かって落下しながら常に加速され、燃料を過剰に消費しなければ軌道に乗るには速度が高すぎる状態で水星に到着します。金星や火星のような大気を持つ惑星の場合、宇宙船は到着時に大気との摩擦を利用して軌道に入る（エアロキャプチャー）か、ロケットエンジンを短時間噴射して軌道に入り、その後エアロブレーキで軌道を減速することで燃料消費を最小限に抑えることができます。しかし、水星の希薄な大気は、これらの操作を行うには薄すぎます。そこで、MESSENGERは、地球、金星、水星で重力アシスト操作を多用して水星に対する相対速度を減速し、その後大型ロケットエンジンを使用して惑星の周りの楕円軌道に入りました。複数回のフライバイ方式により、宇宙船の減速に必要な推進剤の量は大幅に削減されたが、その代償として、航行期間は数年延び、総距離は79億キロメートル（49億マイル）に達した。

水星への航行中に計画されていたスラスタ噴射は、MESSENGERの太陽電池パネルに作用する太陽放射圧を利用して微調整が行われたため、不要となった。^{[ 58 ]}必要な推進剤の量をさらに最小限に抑えるため、宇宙船の軌道投入は水星の周りの非常に楕円形の軌道を目標とした。

細長い軌道には他に 2 つの利点がありました。それは、宇宙船が水星の高温の表面と太陽の間にある時間の後に冷却する時間を与え、また、表面と外気圏の近接測定と写真撮影を続けながら、さまざまな距離で太陽風と惑星の磁場の影響を宇宙船が測定できるようにすることでした。宇宙船は当初、2004 年 5 月 11 日から始まる 12 日間の期間内に打ち上げられる予定でした。2004 年 3 月 26 日、NASA は、宇宙船のさらなるテストを可能にするために、打ち上げを 2004 年 7 月 30 日から始まる 15 日間の打ち上げ期間に変更すると発表しました。^{[ 59 ]}この変更により、ミッションの軌道は大きく変わり、水星への到着が 2 年遅れました。当初の計画では、金星を3回通過するフライバイ操作を行い、2009年に水星軌道投入を予定していた。軌道は変更され、2011年3月18日の軌道投入前に、地球フライバイ1回、金星フライバイ2回、水星フライバイ3回が含まれるようになった。 ^{[ 60 ]}

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  デルタIIロケットとMESSENGERの分解図
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  デルタIIロケットによるメッセンジャー探査機の打ち上げ。
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  2004年8月3日から2015年5月1日までのMESSENGERの軌道アニメーション MESSENGER・地球・水星・金星           
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  MESSENGER探査機の惑星間軌道。

MESSENGERは打ち上げから1年後の2005年8月2日に地球フライバイを実施し、中央モンゴル上空の高度2,347キロメートル（1,458法定マイル）で協定世界時19時13分に最接近した。2005年12月12日、大型スラスタの524秒間の噴射（深宇宙マニューバまたはDSM-1）により、今後の金星フライバイの軌道が316m /s調整された。^{[ 61 ]} 

地球フライバイ中、MESSENGERチームはMDISを使用して地球と月を撮影し、大気と表面の組成を観測する他のいくつかの機器の状態を確認し、磁気圏をテストして、テストしたすべての機器が期待どおりに動作していることを確認しました。この校正期間は、宇宙船が水星の周回軌道に入ったときにデータの正確な解釈を保証することを目的としていました。ミッションのこのような初期段階で機器が正しく機能していることを確認することで、複数の小さなエラーに対処する機会が得られました。^{[ 62 ]}

地球フライバイは、一部の宇宙船が予測された軌道とわずかに異なる軌道を描いていることが観測されているフライバイ異常を調査するために使用されました。しかし、MESSENGERのフライバイでは異常は観測されませんでした。^{[ 63 ]}

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  メッセンジャー探査機が地球をフライバイした際に撮影された地球の眺め。
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  メッセンジャー探査機が地球をフライバイした際に撮影された地球の眺め。
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  地球と月（左下）。MESSENGER探査機が1億8300万キロメートルの距離から撮影。
• 2005年8月3日に撮影された地球フライバイの映像（フルサイズ動画）。

2006年10月24日午前8時34分（協定世界時）、MESSENGERは高度2,992キロメートル（1,859マイル）で金星に遭遇した。遭遇中、MESSENGERは金星の背後を通過し、太陽が電波通信を妨げる太陽系の反対側に地球が位置する外合に入った。このため、フライバイ中は科学観測は行われなかった。探査機との通信は11月下旬に再開され、2006年12月12日に深宇宙マヌーバを実施して軌道を修正し、2回目のフライバイで金星に遭遇するようにした。^{[ 64 ]} 

2007年6月5日23時08分（UTC）、MESSENGERは金星の2回目のフライバイを高度338km （210マイル）で実施し、ミッション中最大の速度低下を実現した。接近中、すべての機器が金星の観測と、その後の水星接近の準備に使用された。この接近により、金星上層大気の可視光および近赤外線画像データが得られた。上層大気の組成を特徴づけるため、紫外線およびX線分光測定も記録された。ESAのVenus Expressも接近中に周回しており、惑星の粒子および場特性を同時に測定する初めての機会となった。^{[ 65 ]}  

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  2006年にMESSENGER探査機が金星を初めてフライバイした際に撮影された画像。
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  2007年にMESSENGER探査機が金星を2度目にフライバイした際に撮影された画像。
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  金星探査機「ビーナス・メッセンジャー」が2度目のフライバイを行った際に撮影された、より詳細な画像。
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  メッセンジャー探査機が惑星への2回目のフライバイを終えて離脱する際の連続画像。

MESSENGERは2008年1月14日に水星をフライバイし（UTC19:04:39に水星表面から200km上空まで最接近） 、続いて2008年10月6日に2回目のフライバイを行った。 ^{[ 11 ]} MESSENGERは2009年9月29日に最後のフライバイを実行し、宇宙船の速度をさらに落とした。^{[ 12 ] [ 13 ]}最後のフライバイの最接近中に、宇宙船はセーフモードに入った。これは後の軌道投入に必要な軌道には影響しなかったが、フライバイの往路で予定されていた科学データと画像の損失につながった。宇宙船は約7時間後に完全に回復した。^{[ 66 ]}最後の深宇宙マニューバであるDSM-5は、2009年11月24日22時45分UTCに実行され、2011年3月18日に予定されていた水星軌道投入に必要な毎秒0.177キロメートル（毎秒0.110マイル）の速度変化をもたらし、軌道ミッションの開始を告げた。^{[ 67 ]} 

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  MESSENGERが取得した、水星の高解像度カラー広角カメラ画像。これが初めてとなる。
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  最初のフライバイの後半で撮影された水星の画像には、これまで知られていなかった多くの特徴が写っている。
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  前の画像のラベル付きバージョン
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  2008年10月の2回目のフライバイからの眺め。中央付近にカイパー・クレーターが写っている。
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  メッセンジャー探査機が惑星への3回目のフライバイ時に撮影した、ボレアリス平原のなだらかな平原。
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  これまで見られなかった惑星の側面の一部を写した画像。現在マンリー・クレーターと呼ばれている場所も含まれている。
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  水星には、溶岩で覆われたクレーターや、広大な滑らかな火山平原が広がっている。
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  ラフマニノフ・クレーターを含む眺め（3回目のフライバイ）

探査機を水星の軌道に投入するためのスラスタ操作は、 2011年3月18日00:45 UTCに開始された。0.9  km/s (0.5  mi./sec.) の減速操作は約15分間続き、探査機が水星の軌道に入ったことが 3月18日01:10 UTC (3月17日午後9時10分 EDT) に確認された。^{[ 57 ]}ミッション主任エンジニアのエリック・フィネガンは、探査機がほぼ完璧な軌道を達成したと述べた。^{[ 68 ]}

MESSENGERの軌道は非常に楕円形で、12時間ごとに水星表面から200キロメートル（120マイル）以内まで接近し、その後15,000キロメートル（9,300マイル）離れるという軌道でした。この軌道は、探査機を水星の高温表面から放射される熱から遮蔽するために選ばれました。各軌道のごく一部だけが低高度にあり、探査機は惑星の高温側からの放射加熱にさらされました。^{[ 69 ]} 

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  水星周回探査機MESSENGERの軌道アニメーション MESSENGER ·水星     
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  チャールズ・ボルデン氏と同僚たちは、MESSENGER事件の捜査結果を待っている。
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  チャールズ・ボルデンは、眼窩挿入手術の成功を受けて、エリック・フィネガンを祝福した。
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  2011年3月29日にMESSENGER探査機が撮影した、水星軌道上から撮影された史上初の写真。
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  MESSENGERの軌道投入経路を示す簡略図。

2011年11月、NASAはMESSENGERミッションを1年間延長し、探査機が2012年の太陽活動極大期を観測できるようにすると発表した。^{[ 1 ]}延長されたミッションは2012年3月17日に始まり、2013年3月17日まで続いた。2012年4月16日から20日の間に、MESSENGERは一連のスラスタ操作を行い、8時間周期の軌道に入り、水星のさらなるスキャンを行った。^{[ 71 ]}

2012年11月、NASAは、MESSENGERが水星の北極にある永久影クレーターに水氷と有機化合物の両方が存在する可能性を発見したと報告した。 ^{[ 21 ] [ 72 ] [ 73 ]} 2013年2月、NASAはMESSENGERが撮影した数千枚の画像から作成された、これまでで最も詳細かつ正確な水星の3Dマップを公開した。^{[ 74 ] [ 75 ]} MESSENGERは2013年3月17日に最初の延長ミッションを完了し^{[ 2 ]}、2回目のミッションは2015年4月まで続いた。^{[ 19 ]} 2013年11月、MESSENGERは、エンケ彗星（2P/Encke）とアイソン彗星（C/2012 S1）を撮影した多数の宇宙資産の1つであった。 ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]} 2015 年初頭に軌道が減衰し始めると、MESSENGER は水星の北極にある氷で満たされたクレーターやその他の地形の非常に詳細な近接写真を撮影することができました。^{[ 79 ]} ミッション完了後、電波測距データのレビューにより、太陽からの質量損失率の最初の測定値が得られました。^{[ 80 ]}

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  様々なフィルターを通して撮影された広角カメラ画像を基にした、色彩を強調したグローバルマップ。
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  北極圏の最高気温を示す擬似カラー地図。
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  アポロドロス・クレーター。そこからパンテオン・フォッサエが放射状に広がっている。
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  惑星の南半球を横切るクレーターの光条。
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  ショーレム・アレイヘム火口の壁にある空洞。^{[ 81 ] [ 82 ]}
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  カロリス盆地の透視図– 高地（赤）、低地（青）。

2008年7月3日、MESSENGERチームは、探査機が水星の外気圏に大量の水が存在することを発見したと発表した。これは予想外の発見だった。^{[ 83 ]}ミッションの後半では、MESSENGERは水星表面での過去の火山活動の視覚的証拠^{[ 84 ]}や、液体鉄の惑星核の証拠も提供した。^{[ 83 ]}また、探査機はこれまでで最も詳細かつ正確な水星の地図を作成し、さらに北極付近の永久影クレーター内部で炭素を含む有機化合物と水の氷を発見した。 ^{[ 85 ]}

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  重力異常によって検出された質量集中域（赤色；中央がカロリス盆地、右がソブコウ平原）は、地下構造と進化の証拠となる。
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  MLAデータに基づく北半球の地形は、10km の垂直範囲を示しており、高地（赤）、低地（紫）で表されている。
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  MASCSによる水星表面のスペクトルスキャン。
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  水星の北極域にある、永久に日陰になっているクレーター内の水氷（黄色）

2011年2月18日、太陽系の画像がMESSENGERのウェブサイトに掲載された。このモザイク画像は、2010年11月にMDIS機器によって取得された34枚の画像から構成されている。太陽から非常に遠いため、天王星と海王星を除くすべての惑星が視認できた。MESSENGERの「家族写真」は、 1990年2月14日にボイジャー1号が太陽系外縁部から取得したボイジャーの家族写真を補完することを目的としていた。^{[ 86 ]}

2014年10月8日、UTC9:18からUTC10:18にかけて、MESSENGERは皆既月食中の地球と月の画像を2分間隔で31枚撮影した。月食発生時、MESSENGERは地球から1億700万キロメートル（6600万マイル）離れた位置にあった。NACの視野では、地球は約5ピクセル、月は1ピクセル強の大きさで、両者の距離は約40ピクセルである。画像は2倍に拡大され、月の明るさは約25倍に増加され、月の消失がより鮮明に示されている。これは、地球の月による月食を別の惑星から観測した史上初の事例である。^{[ 87 ] [ 17 ]}