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マゼラン宇宙船は、1989年5月4日にNASAによって打ち上げられた1,035キログラム（2,282ポンド）のロボット宇宙探査機である。そのミッションの目的は、合成開口レーダーを使用して金星の表面をマッピングし、惑星の重力場を測定することであった。[ 2 ]
マゼラン探査機は、スペースシャトルから打ち上げられた初の惑星間探査ミッションであり、慣性上段ロケットを使用した初のミッションであり、軌道を円形化する方法としてエアロブレーキを試験した初の宇宙船でもありました。マゼランはNASAによる金星探査ミッションとしては5回目の成功例であり、米国における惑星間探査機の打ち上げが11年間途絶えていた期間に終止符を打ちました。
1970年代後半から、科学者たちは金星へのレーダー探査ミッションを提唱し始めた。当初は金星周回画像レーダー（VOIR）と呼ばれる宇宙船の建造を目指したが、その後数年間で予算上の制約から実現不可能であることが明らかになった。VOIRミッションは1982年に中止された。
太陽系探査委員会は簡略化されたレーダーミッションの提案を推奨し、これが1983年に金星レーダーマッパー計画として提出され、承認された。この提案には限定された焦点と単一の主要な科学機器が含まれていた。1985年、このミッションは、地球の探検、地図作成、周航で知られる16世紀のポルトガルの探検家フェルディナンド・マゼランにちなんでマゼランと改名された。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
ミッションの目的には以下が含まれる：[ 6 ]
宇宙船はマーティン・マリエッタ社によって設計・製造され[ 7 ]、ジェット推進研究所（JPL）がNASAのためにミッションを管理した。NASA本部ではエリザベス・ベイヤーがプログラムマネージャー、ジョセフ・ボイスが主任プログラム科学者を務めた。JPLではダグラス・グリフィスがマゼラン計画マネージャー、R・スティーブン・サンダースが主任プロジェクト科学者を務めた[ 3 ] 。ヒューズ・エアクラフト社の宇宙通信グループが宇宙船の合成開口レーダーを設計・製造した[ 8 ] 。
コスト削減のため、マゼラン探査機の大部分は飛行用予備部品と他の宇宙船からの再利用された設計要素で構成されていた。 [ 9 ]
宇宙船の本体は、ボイジャー計画で使用された予備のもので、コンピューター、データレコーダー、その他のサブシステムを収容する10角形のアルミニウム製バスだった。宇宙船の高さは6.4メートル、直径は4.6メートルだった。宇宙船全体の重量は3,445キログラムだった。[ 1 ]
宇宙船の姿勢制御（姿勢）は、金星周回軌道に投入するために使用されたスター48B固体ロケットモーター（SRM）の噴射中も含め、3軸安定化するように設計されました。マゼラン以前の宇宙船のSRM噴射はすべて、宇宙船を回転させることで行われており、SRMの制御ははるかに容易でした。通常の回転モードでは、SRMやノズルのずれに関連する不要な力はすべて相殺されます。マゼランの場合、宇宙船の設計は回転に適していなかったため、結果として生じる推進システムの設計は、大型のスター48B SRMの困難な制御問題に対応する必要がありました。2,014 kgの固体推進剤を含むスター48Bは、噴射直後に約89 kN（20,000 lbf） の推力を発生しました。したがって、SRMのアライメントが0.5%ずれただけでも、445 N（100 lbf）の横方向の力が発生する可能性があります。最悪の場合の横方向の力に関する最終的な保守的な推定では、スペースシャトルオービターのペイロードベイが収容できる最大半径（直径4.4メートルまたは14.5フィート）のブーム上に、各象限に2基ずつ、合計8基の445Nスラスタが必要であることが判明した。[ 10 ]
実際の推進システム設計は、直径71 cm (28 インチ) の単一のチタン製タンクから供給される合計 24 基のモノプロペラント ヒドラジン スラスタで構成されていました。タンクには 133 kg (293 ポンド) の精製ヒドラジンが充填されていました。設計には、SRM 噴射中に 445 N スラスタから最大の推力を確保するために、重要な金星軌道投入噴射の前にメインタンクに接続できる追加のヘリウムを備えた火工的に隔離された外部高圧タンクも含まれていました。宇宙船の姿勢に関するその他のハードウェアは、一連のジャイロスコープとスター スキャナーで構成されています。[ 4 ] [ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]
通信用として、宇宙船にはボイジャー計画で余った軽量のグラファイト/アルミニウム製の3.7メートル高利得アンテナと、マリナー9号ミッションで予備として使われた中利得アンテナが搭載されていた。高利得アンテナに取り付けられた低利得アンテナも、不測の事態に備えて搭載されていた。深宇宙ネットワークとの通信時には、宇宙船はSバンドで1.2キロビット/秒の速度でコマンドを受信し、 Xバンドで268.8キロビット/秒の速度でデータを送信することができた。[ 4 ] [ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]
マゼランは、それぞれ一辺が2.5メートルの正方形の太陽電池アレイ2枚で駆動していました。ミッション開始時には、これらのアレイ合わせて1,200ワットの電力を供給していました。しかし、ミッションの進行に伴い、頻繁かつ極端な温度変化により、太陽電池アレイは徐々に劣化していきました。太陽から遮られている間、宇宙船に電力を供給するために、30アンペア時、26セルのニッケルカドミウム電池が2個搭載されていました。宇宙船が直射日光を受けると、電池は充電されました。[ 4 ] [ 11 ]
宇宙船のコンピューティングシステムは、ガリレオの機器を部分的に改造したものであった。姿勢制御サブシステムには、冗長システムを構成する2台のATAC-16コンピュータと、コマンドおよびデータサブシステム（CDS）を制御する2つの冗長システムを構成する4台のRCA 1802マイクロプロセッサがあった。CDSは最大3日間コマンドを保存でき、ミッションオペレーターが宇宙船と連絡を取っていない間に問題が発生した場合でも、宇宙船を自律的に制御することができた。[ 9 ]
コマンドと記録されたデータを保存するために、宇宙船には2台のマルチトラックデジタルテープレコーダーも搭載されており、地球との通信が回復してテープが再生されるまで最大225メガバイトのデータを保存できた。 [ 4 ] [ 11 ] [ 12 ]
金星の大気は厚く不透明であるため、惑星の表面をマッピングするには光学調査以外の方法が必要でした。従来のレーダーの解像度はアンテナのサイズに完全に依存しますが、アンテナのサイズはコスト、打ち上げロケットの物理的な制約、高解像度データを提供するために大型装置を操作する複雑さによって大きく制限されます。マゼランはこの問題を解決するために、合成開口と呼ばれる方法を使用しました。これは、地上のコンピュータで収集した情報を処理することで、大型アンテナを模倣するものです。[ 13 ] [ 14 ]
マゼランの高利得パラボラアンテナは、天底から右または左に28°～78°の方向に向けられ、毎秒数千のマイクロ波パルスを発信し、それが雲を通過して金星の表面に到達し、広範囲の地表を照らしました。レーダーシステムは、岩、崖、火山、その他の地質学的特徴の側面から反射して戻ってくる各パルスの明るさを、一種の後方散乱として記録しました。画像解像度を上げるために、マゼランは「ルック」と呼ばれる複数のインスタンスで特定の場所のデータバーストのシリーズを記録しました。各「ルック」は前のものとわずかに重なり、宇宙船が軌道上を移動するにつれて、同じ場所に対してわずかに異なる情報を返します。データを地球に送信した後、ドップラーモデリングを使用して、重なり合う「ルック」を取得し、それらを結合して、表面の連続した高解像度画像を作成しました。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
レーダーシステム（RDRS）は、合成開口レーダー（SAR）、高度計（ALT）、放射計（RAD）の3つのモードで動作しました。この装置は、3.7メートルの高利得パラボラアンテナと、そのすぐ横に設置された小型の扇形ビームアンテナを使用して、金星の表面地質、地形、温度を観測しながら、3つのモードを切り替えて動作しました。
–合成開口レーダーモードでは、高利得アンテナを通して毎秒数千個の長波（波長12.6センチメートル）マイクロ波パルスを送信し、それぞれのパルスが地表に到達したときのドップラーシフトを測定した。 –高度測定モードでは、SARパルスと交互に送信し、高度測定アンテナと同様の動作で、金星の地表高度に関する情報を記録した。 –放射測定モードでは、高利得アンテナを用いて金星からのマイクロ波放射熱を記録した。このデータは地表温度の特性評価に用いられた。
データは750キロビット/秒でテープレコーダーに収集され、その後、JPLが運用する地上コンピュータの集合体であるレーダーデータ処理サブシステム（RDPS）によって使用可能な画像に処理するために地球に送信されました（10ビット/秒 * 365 * 4 * 24 * 60 = 21メガビット（最大） = 85フォト（最大））。[ 13 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]この装置の主任研究者はMITのゴードン・ペテンギルでした。[ 17 ]
マゼランは、いわゆる3つの実験を行うためのデータを持ち帰った。[ 19 ]
マゼランは、1989年5月4日18時46分59秒（UTC）に、アメリカ航空宇宙局（NASA）によってフロリダ州ケネディ宇宙センターのKSC発射複合施設39Bから、スペースシャトル・アトランティス号のSTS-30ミッション中に打ち上げられました。軌道に乗ると、マゼランとそれに取り付けられた慣性上段ブースターはアトランティスから分離され、1989年5月5日01時06分00秒（UTC）に打ち上げられ、宇宙船は太陽中心型IV軌道に入り、1.5周した後、15か月後の1990年8月10日に金星に到達しました。[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]
当初、マゼランは1988年に打ち上げられ、軌道上を6か月かけて飛行する予定だった。しかし、1986年のスペースシャトル・チャレンジャー号の事故により、ガリレオやマゼランを含むいくつかのミッションは、 1988年9月にシャトルの飛行が再開されるまで延期された。マゼランは、スペースシャトルの貨物室に搭載された液体燃料のセントールG上段ブースターで打ち上げられる予定だった。しかし、チャレンジャー号の事故後、セントールG計画全体が中止され、マゼラン探査機は出力の低い慣性上段に取り付けるように変更しなければならなかった。次に打ち上げに最適な機会は1989年10月に訪れた。[ 5 ] [ 11 ]
しかし、打ち上げをさらに複雑にしたのは、金星フライバイを含む木星探査機ガリレオの打ち上げだった。1986年に打ち上げ予定だったが、1989年にガリレオを確実に打ち上げるためのプレッシャーと、10月中旬の打ち上げを必要とする短い打ち上げウィンドウが相まって、マゼラン計画は再計画されることになった。シャトルの打ち上げが頻繁に行われることを懸念し、マゼランは5月に打ち上げられ、金星に到達するまでに1年3ヶ月かかる軌道に投入されることが決定された。 [ 5 ] [ 11 ]
1990年8月10日、マゼランは金星に遭遇し、軌道投入マヌーバを開始した。このマヌーバにより、探査機は3時間9分の楕円軌道に入り、近点では表面から295キロメートル、北緯約10度、遠点では7762キロメートルまで高度を移動した。[ 11 ] [ 12 ]
各周回中、探査機は表面に最も接近した際にレーダーデータを取得し、金星から遠ざかるにつれて地球に送信した。この操作には、探査機が37分間表面を撮影し、2時間地球を向く間、リアクションホイールを多用して探査機を回転させる必要があった。主なミッションでは、探査機が金星の1日（惑星がゆっくりと自転するため、地球では243日）の間に表面の少なくとも70パーセントの画像を地球に送り返すことを目指していた。最高緯度と最低緯度で過度に冗長なデータを避けるため、マゼラン探査機は、北緯90度から南緯54度までの領域である北側スワスと、北緯76度から南緯68度までの領域である南側スワスを交互に使用した。しかし、近点が赤道から北に10度であるため、南極領域を撮影することは困難であった。[ 11 ] [ 12 ]
主要ミッションは1990年9月15日に開始され、最低解像度1キロメートル/ピクセルで金星表面の70%の「左向き」マップを作成することを目的としていました。サイクル1の間、探査機の高度は北極の2000キロメートルから近点付近の290キロメートルまで変化しました。1991年5月15日に完了した時点で、1,792周回したマゼランは、 101メートル/ピクセルから250メートル/ピクセルの解像度で表面の約83.7%をマッピングしました。[ 12 ] [ 25 ]
サイクル 1 の終了直後から始まったサイクル 2 は、第 1 サイクルで収集された地図の既存のギャップ、特に南半球の大部分のデータを提供することを目的としていました。そのためには、マゼランの向きを変え、収集方法を「右向き」に変更する必要がありました。1992 年 1 月中旬に完了したサイクル 2 では、表面の 54.5% のデータが得られ、前のサイクルと組み合わせることで、表面の 96% を含む地図を作成することができました。[ 12 ] [ 25 ]
サイクル2の直後、サイクル3では、地上チームが後に表面の鮮明な3次元レンダリングを作成できるようにするための、表面のステレオ画像のデータ収集が開始されました。1992年9月13日のサイクル終了までに、表面の約21.3%がステレオ画像化され、表面全体のカバー率は98%に増加しました。[ 12 ] [ 25 ]
サイクル 3 が完了すると、マゼランは表面の画像撮影を停止しました。代わりに、1992 年 9 月中旬から、マゼランは高利得アンテナを地球に向けて、深宇宙ネットワーク(DSN) がテレメトリの連続ストリームの記録を開始しました。この連続信号により、DSN は探査機の速度を監視することで金星の重力場に関する情報を収集することができました。重力の強い領域では探査機の速度がわずかに増加し、信号のドップラーシフトとして記録されます。探査機は 1,878 周回して 1993 年 5 月 23 日にサイクルを完了しました。サイクルの開始時にデータが失われたため、重力研究にさらに 10 日間が必要になりました。[ 12 ] [ 25 ]
1993 年 5 月の第 4 サイクル終了時に、エアロブレーキと呼ばれる技術を使用してマゼランの軌道が円形化されました。この円形化された軌道により、1993 年 8 月 3 日に第 5 サイクルが開始されたときに、はるかに高解像度の重力データを取得できるようになりました。探査機は 2,855 周回し、1994 年 8 月 29 日にサイクルが終了するまでに惑星の 94% の高解像度重力データを提供しました。[ 4 ] [ 5 ] [ 12 ] [ 25 ]
エアロブレーキは、惑星間宇宙船の軌道を減速させる方法として長らく求められてきた。以前の提案には、エアロシェルが必要であるというものがあったが、これはほとんどのミッションにとって複雑で高価すぎることが判明した。この方法への新しいアプローチをテストするために、マゼランの軌道を金星大気の最外層に落とす計画が考案された。宇宙船にわずかな摩擦がかかり、2か月強の期間にわたって速度が減速し、宇宙船は遠点高度が8467 km から遠点高度が540 km、近点高度が180 kmのほぼ円軌道になった 。[ 27 ]この方法はその後、後の惑星間ミッションで広く使用されている。[ 12 ] [ 25 ]
6回目にして最後の周回サイクルは、これまでの2回の重力測定研究の延長線上にあるものでした。サイクルの終盤には、金星の上層大気の組成に関するデータを得るために、「ウィンドミル」実験として知られる最後の実験が行われました。マゼランは1994年10月13日に大気圏に突入して分解するまでに1,783回の周回を行いました。[ 12 ]
1994 年 9 月、マゼラン探査機の軌道が下げられ、「風車実験」が開始されました。実験中、探査機は太陽電池アレイが軌道に対してほぼ垂直になるように向きを変えられ、太陽電池アレイが金星上層大気の分子に衝突する際にパドルのように作用しました。この力に対抗するため、スラスタが噴射され、探査機の回転を抑制しました。これにより、酸素ガスと表面との基本的な相互作用に関するデータが得られました。これは、上層大気の力の影響を理解するのに役立ち、将来の地球周回衛星の設計や、将来の惑星探査機ミッションにおけるエアロブレーキの方法の開発に役立ちました。[ 25 ] [ 28 ] [ 29 ]
マゼラン探査機は、金星表面の特徴を、写真に近い高解像度のレーダー画像で初めて（そして現在でも最高レベルの）マッピングすることに成功した。それまでの金星探査ミッションでは、大陸規模の地形を低解像度のレーダー画像でしか捉えることができなかった。しかし、マゼラン探査機は、クレーター、丘、尾根、その他の地質構造を、他の惑星の可視光写真によるマッピングに匹敵するレベルで詳細に画像化し、分析することを可能にした。
ウィキメディア・コモンズにあるマゼラン探査機のレーダー画像に関連するメディアマゼラン計画は、マゼラン探査機からの初期の画像とデータは、様々な大学や研究機関の主任研究者チームとマゼラン計画科学チームのみが使用・研究できるように設定されていました。これらの科学者は、データの検証、宇宙船によるデータ取得への情報提供、そしてデータ結果を解釈して一般に公開する責任を負っていました。データは、当時冷戦が終結に向かっていたことを考えると、NASAにとって初めての、そしてデリケートな問題であった、訪問中のソ連の科学者3名（アレクサンドル・バシレフスキー、エファイム・アキム、アレクサンドル・ザハロフ）と共有されました。
マゼラン計画の科学室は、広々とした部屋の壁に長い感熱プリントの画像データストリップ（FBIDR）が吊り下げられていることで有名になった。これは、探査機が取得した細長い帯状の画像のおかげで、金星表面の画像が初めて公開された形態だった。ミッションの運用期間中、マーガレット・サッチャーなど著名なゲストが訪れた。
初期調査段階の後、マゼランの全データセットが一般公開された。
マゼラン計画の科学チームは、プロジェクト科学者のR・スティーブン・サンダース博士、副プロジェクト科学者のエレン・ストファン博士、研究助手のティム・パーカー、ジェフ・プラウト博士、アネット・デシャロン、そしてプロジェクト科学補佐官のグレゴリー・マイケルズで構成されていた。
マゼラン計画の他の科学者たちも、主任研究員や3人のソ連からの訪問科学者を含め、ミッションの科学研究に携わった。
1994年9月9日、プレスリリースでマゼランミッションの終了が発表された。太陽電池アレイと搭載機器の出力低下と、すべての目標が達成されたため、ミッションは10月中旬に終了することになっていた。終了手順は1994年8月下旬に始まり、一連の軌道修正操作によって探査機が金星大気の最外層まで降下し、1994年9月6日にウィンドミル実験が開始された。実験は2週間続き、その後、最終的な終了段階に向けて探査機の高度をさらに下げる軌道修正操作が続いた。[ 28 ]
1994年10月11日、秒速7キロメートルの速度で移動しながら、最終的な軌道修正マヌーバが実行され、宇宙船は地表から139.7キロメートル上空、大気圏内に位置づけられた。この高度で、宇宙船は十分なラム圧を受け、太陽電池アレイの温度は126℃まで上昇した。[ 24 ] [ 31 ]
1994年10月13日10時05分00秒（UTC）に、探査機が金星の後ろで電波掩蔽に入ったため通信が途絶えた。チームは探査機からの別の信号を待ち続けたが、ミッションが終了したと判断された18時00分00秒（UTC）まで待った。マゼランの大部分は大気のストレスで蒸発すると予想されていたが、20時00分00秒（UTC）までにいくらかの残骸が表面に落下したと考えられている。[ 24 ] [ 25 ]
マゼラン探査機との通信は、10月11日火曜日に実施された5回の軌道修正操作（OTM）によって金星の上層大気圏まで軌道が下降した後、水曜日の早朝に途絶えた。9月に実施された「ウィンドミル」実験の延長である「終了実験」の設計では、電力マージンがマイナスになるため、最終的に探査機が失われることが予想されていた。しかし、太陽電池の劣化が続くため、探査機の電力は今後数週間の運用を維持するには低すぎると考えられていたため、これは問題ではなかった。
そこで、ミッションの成功率を最大化するために、最終的な制御実験が計画された。この最終的な低高度実験は、二酸化炭素大気の影響を研究するために必要であった。
最終軌道修正（OTM）では、近点高度が139.7km （86.8 マイル）に達し、宇宙機にかかる顕著な抗力が顕著になった。太陽電池パネルの温度は126℃まで上昇し、姿勢制御システムはトルクを打ち消すために使用可能なY軸スラスタをすべて噴射した。しかし、高度制御は最後まで維持された。
5周回後、メインバス電圧は24.7ボルトまで低下し、24ボルトを下回ると姿勢制御が失われると予測された。そこで、残りの周回ではパネルの角度を変更することでウィンドミル実験を強化することにした。これは事前に計画されていた実験オプションでもあった。
この時点では、宇宙船は2周回しか持ちこたえられないと予想されていた。
マゼランは、電力が23ボルトを下回り続け、最終的に20.4ボルトに達したにもかかわらず、さらに3周回にわたって通信を維持した。この時点でバッテリーの1つが故障し、探査機は電力不足の状態にあると判断された。
太平洋夏時間午前3時2分、マゼラン探査機が軌道15032で地球掩蔽に入ろうとしていたまさにその時、通信が途絶えた。その後、通信は再開されなかった。追跡作業は午前11時まで続けられたが、信号は確認されず、今後も受信される見込みはない。探査機は1994年10月13日木曜日午後1時（太平洋夏時間）までに金星に着陸する予定である。
