マリナー4

マリナー4
ミッションタイプ	火星フライバイ
オペレーター	NASA /ジェット推進研究所
コスパーID	1964-077A
SATCAT番号	942
ミッション期間	3年23日
宇宙船の特性
メーカー	ジェット推進研究所
打ち上げ質量	260.8キログラム（575ポンド）
力	310ワット
ミッション開始
発売日	1964 年 11 月 28 日、14:22:01 UTC
ロケット	アトラス LV-3 アジェナ-D
発射場	ケープカナベラル LC-12
ミッション終了
最後の連絡	1967年12月21日
軌道パラメータ
参照システム	太陽中心説
半長軸	199,591,220キロメートル（124,020,230マイル）
偏心	0.17322
近日点高度	166,052,670キロメートル（103,180,350マイル）
遠日点高度	234,867,290キロメートル（145,939,770マイル）
傾斜	2.544度
期間	567.11日
エポック	1965 年 7 月 14 日、21:00:57 UTC
火星のフライバイ
最接近	1965年7月15日 01:00:57 UTC
距離	9,846キロメートル（6,118マイル）
D/1895 Q1 (Swift) のフライバイ(付随)
最接近	1967年9月15日
距離	20,000,000 km (12,000,000 マイル)
楽器
	宇宙塵検出器; 宇宙線望遠鏡; ガイガーカウンター/電離箱; ヘリウム磁力計 ; 太陽プラズマプローブ; 捕捉放射線検出器; テレビカメラ
	マリナープログラム

マリナー4号（マリナー3号と合わせてマリナー・マーズ1964として知られる）は、フライバイモードでの惑星探査を目的とした一連の宇宙船の4番目であった。火星のクローズアップ科学的観測を実施し、これらの観測結果を地球に送信するように設計された。1964年11月28日に打ち上げられた^{[2]マリナー4号は、}火星への初のフライバイに成功し、火星表面の初のクローズアップ写真を送信した。深宇宙から帰還した他の惑星の最初の画像を撮影した。クレーターのある死滅した惑星の描写は、火星の生命に対する科学界の見方を大きく変えた。^[3]^{[4]その他のミッションの目的は、火星付近の}惑星間空間で場と粒子の測定を実施し、長期間の惑星間飛行に関する工学的能力の経験と知識を提供することであった。当初は8か月間宇宙にとどまる予定だったマリナー4号のミッションは、太陽軌道上で約3年間続いた。^[5] 1967年12月21日、マリナー4号との通信は終了した。

宇宙船とサブシステム

マリナー4号宇宙船は、対角線の長さが127cm (50インチ)、高さが45.7cm (18.0インチ) の八角形のマグネシウム製フレームで構成されていました。フレームの上部には、端から端までの長さが6.88メートル (22.6フィート) の太陽電池パネル4枚が取り付けられており、両端から伸びる太陽圧力ベーンも含まれています。104.1cm × 66.0cm (41.0インチ × 26.0インチ) の楕円形の高利得パラボラアンテナもフレームの上部に取り付けられていました。全方向性低利得アンテナは、高利得アンテナの隣にある高さ223.5cm (7フィート4.0インチ) のマストに取り付けられていました。宇宙船の全高は2.89メートル (9.5フィート) でした。八角形のフレームには電子機器、ケーブル、中間推進システム、姿勢制御ガス供給装置と調整装置が収納されていた。^[2]

科学機器には以下のものが含まれていた：^[6]^[7]^[8]

全方向性アンテナにつながる導波管に取り付けられたヘリウム磁力計。惑星間磁場と惑星磁場の強度やその他の特性を測定します。
宇宙船本体に近い全方向性アンテナにつながる導波管に取り付けられた電離箱/ガイガーカウンター。惑星間空間および火星付近の荷電粒子の強度と分布を測定します。
低エネルギー粒子の強度と方向を測定するために、太陽方向から 70° と 135° を向く反対軸を備えた本体に取り付けられた捕捉放射線検出器。
宇宙線望遠鏡は、太陽と反対方向を向いて本体内部に取り付けられており、陽子とアルファ粒子の方向とエネルギースペクトルを測定します。
太陽プラズマプローブは、太陽の方向から 10° を向くように本体に取り付けられ、太陽からの非常に低エネルギーの荷電粒子の流れを測定します。
宇宙塵検出器は、軌道面に対してほぼ垂直にマイクロフォンプレートが本体に取り付けられており、宇宙塵の運動量、分布、密度、方向を測定します。
テレビカメラは宇宙船の中央下部のスキャンプラットフォームに搭載されており、火星の表面のクローズアップ写真を撮るために使われた。このサブシステムは4つの部分から構成されていた。1.05 °×1.05°の視野を持つカセグレン望遠鏡、0.08秒と0.20秒の露出時間を持つシャッターと赤/緑フィルターアセンブリ、光学画像を電気ビデオ信号に変換する低速スキャンビジコン管、アナログ信号を伝送用のデジタルビットストリームに変換するために必要な電子システムである。^[9]

マリナー4号の計器類と無線送信機の電力は、4枚の176 cm × 90 cm (69 in × 35 in) の太陽電池パネルに含まれる28,224個の太陽電池によって供給され、火星までの距離で310ワットを供給できた。また、充電式の1200 W·h銀亜鉛電池も操縦とバックアップ用に使用された。推進には一元推進剤ヒドラジンが使用され、八角形構造の片側に取り付けられた推力222ニュートン(50 lbf )の4ジェットベーンベクトル制御モーターを介して駆動された。宇宙探査機の姿勢制御は、太陽電池パネルの端に取り付けられた12個の冷窒素ガスジェットと3つのジャイロによって行われた。面積がそれぞれ0.65 m ² (7.0 sq ft) の太陽圧ベーンが太陽電池パネルの先端に取り付けられていた。位置情報は、4つの太陽センサーと、宇宙飛行の時間に応じて、地球、火星、または恒星カノープスのいずれかのセンサーによって提供されました。マリナー4号は、航行の基準となる恒星を必要とした最初の宇宙探査機でした。以前のミッションは、地球、月、または金星の近くにとどまり、母惑星の明るい表面または明るく照らされたターゲットのいずれかを視認していました。この飛行中、地球と火星はどちらも暗すぎてロックオンできませんでした。太陽から広い角度で離れた別の明るい光源が必要であり、カノープスがこの要件を満たしました。^[6]その後、カノープスは多くの後続のミッションで基準点として使用されました。^[10]

マリナー 4 の通信機器は、デュアルS バンド送信機 (7 ワットの三極管空洞増幅器または 10 ワットの進行波管増幅器のいずれかを使用) と単一の無線受信機で構成され、これらを組み合わせることで、低ゲインアンテナと高ゲインアンテナを介して 8⅓ または 33⅓ ビット/秒でデータを送受信できます。データは、後で送信するために、容量 524 万ビットの磁気テープレコーダーに保存することもできます。すべての電子操作は、29 の直接コマンドワードまたは中間コース操作用の 3 つの定量ワードコマンドのいずれかを処理できるコマンドサブシステムによって制御されました。中央コンピューターとシーケンサーは、38.4 kHz の同期周波数を時間基準として使用して、保存された時間シーケンスコマンドを操作しました。温度制御は、6 つの電子アセンブリに取り付けられた調整可能なルーバー、多層断熱ブランケット、研磨されたアルミニウムシールド、および表面処理によって実現されました。実行できるその他の測定には、次のものがあります。

電波掩蔽
精密追跡に基づく天体力学

マリナー4号は、後方のテレビカメラスキャンプラットフォームの左側に紫外線光度計を搭載する予定だった。試験の終盤で、紫外線光度計を搭載すると電気的な問題が発生し、テレビカメラに悪影響を与えることが判明した。その結果、紫外線光度計は取り外され、紫外線光度計の形状、質量、その他の特性をエミュレートするように設計された熱/慣性質量シミュレーターに置き換えられ、紫外線光度計の取り外しによって意図しない問題が起こらないようにした。この予備の紫外線光度計は、最終的に1967年にマリナー5号に搭載された^。[11]

ミッションプロフィール

打ち上げ

マリナー3号がペイロードシュラウドの分離失敗により全損した後、JPLのエンジニアは、シュラウドの内側と外側の圧力差により金属製フェアリングの外側をグラスファイバー製の内側ライニングから分離する際に不具合が発生し、バネ式の分離機構が絡まって適切に分離できなかった可能性があると示唆した。^[12]

JPL でのテストでこの故障モードが確認され、新しい全金属製フェアリングの開発が進められた。この欠点は、新しいフェアリングがかなり重くなり、アトラス・アジェナの揚力が低下することだった。コンベアとロッキード・マーティンは、ブースターからより多くのパワーを引き出すために、ブースターの性能を数回向上させる必要があった。1964 年の火星探査のチャンスが閉まる前に作業が完了できないという懸念があったにもかかわらず、新しいシュラウドは 11 月までに完成していた。^[13]

ケープカナベラル空軍基地の発射施設12から打ち上げられた後、^[14]マリナー4号を覆っていた保護シュラウドが切り離され、アジェナDとマリナー4号の組み合わせが1964年11月28日14:27:23 UTCにアトラスDブースターから分離された。アジェナの最初の燃焼は14:28:14から14:30:38まで行われた。最初の燃焼で宇宙船は地球駐機軌道に乗り、2回目の燃焼は15:02:53から15:04:28まで行われ、宇宙船は火星遷移軌道に投入された。マリナー4号は15:07:09にアジェナから分離し、巡航モードの運用を開始した。15:15:00に太陽電池パネルが展開され、スキャンプラットフォームが解除された。太陽の捕捉は16分後に行われた。^[2]

カノープスをロックオン

太陽を捕捉した後、カノープスのスタートラッカーはカノープスを探しに出た。スタートラッカーはカノープスの8分の1以上8倍未満の明るさの物体に反応するように設定されていた。カノープスを含め、センサーで見えるそのような物体は7つあった。センサーは他の恒星にロックオンしたため、カノープスを見つけるのに1日以上の「星飛び」を要した。^[6]カノープスより前に、地球近傍星、アルデラミン、レグルス、ナオス、ガンマ・ベロラムからの迷光パターンが捕捉された。^[3]^[10]

ミッションの初期段階で宇宙船を悩ませた一貫した問題は、ロールエラー信号のトランジェントが頻繁に発生し、カノープスの恒星ロックが失われることだった。最初の中間軌道操作の試みは、ジャイロが回転を開始した直後にロックが失われたために中止された。カノープスのロックは、打ち上げ後 3 週間以内に 6 回失われ、そのたびに恒星を再捕捉するために一連の無線コマンドが必要になった。この問題を調査した結果、調査官は、何らかの方法で宇宙船から放出され、恒星センサーの視野を漂っていた小さな塵の粒子が原因であるとの結論に達した。粒子から散乱した太陽光は、明るい恒星からの照明と同等の照明として現れた。これにより、センサーがカノープスにロックされている間に物体が視野を通過すると、ロールエラーのトランジェントが発生した。物体がカノープスの明るさの8倍の高ゲート限界を超えるほど明るくなった場合、探査機は自動的にカノープスを捕捉解除し、新しい恒星を探してロールサーチを開始する。最終的に、1964年12月17日に高ゲート限界を解除する無線コマンドが送信された。火星に遭遇するまでにロール過渡現象が38回以上発生したが、カノープスロックはそれ以上失われなかった。^[6]^[10]

中間コース操縦

マリナー4号の7ヶ月半の飛行には、1964年12月5日の1回の中間軌道変更が含まれていた。この変更は当初12月4日に予定されていたが、カノープスとのロックが失われたため延期された。この変更は12月5日に無事完了し、39.16度の負のピッチ旋回、156.08度の正のロール旋回、および20.07秒の推進時間で構成されていた。この旋回により、宇宙船のモーターは当初飛行方向に沿って向けられていたため、おおよそ地球の方向に向けられた。ピッチとロールの変更は両方とも1%以上の精度で完了し、速度の変更は約2.5%の精度で完了した。この変更後、マリナー4号は予定通り火星へのコースをたどった。^[6]

データ転送速度の低下

1965年1月5日、打ち上げから36日後、地球から10,261,173 km（6,375,997マイル）離れた地点で、マリナー4号は科学データの送信速度を毎秒33 1/3ビットから8 1/2ビットに落とした。これは、中間軌道操作以来、宇宙船が行った最初の自律的な行動であった。^[15]

火星フライバイ

マリナー4号宇宙船は1965年7月14日と15日に火星を通過した。最も接近したのは1965年7月15日1時0分57秒（UT、7月14日午後8時0分57秒）で、火星表面から9,846km（6,118マイル）の距離であった。地球との距離は2億1600万キロメートル（1億3400万マイル）、速度は火星に対して7km/秒（4.3マイル/秒）、地球に対して1.7km/秒（1.1マイル/秒）であった。^[2]

惑星科学モードは、7月14日15:41:49 UTCにオンになりました。カメラシーケンスは、7月15日00:18:36 UT（7月14日午後7:18:49 EST）に開始され、赤と緑のフィルターを交互に使用した21枚の写真と、22枚目の画像の21ラインが撮影されました。画像は、北緯40度、東経170度付近から始まり、南緯35度、東経200度、そして南緯50度、東経255度の境界線まで、火星の不連続な帯をカバーしており、これは火星の表面の約1%に相当します。フライバイ中に撮影された画像は、搭載されたテープレコーダーに保存されました。信号は、探査機が再び現れた 03:13:04 UTC に再取得されました。その後、巡航モードが再開されました。テープに記録された画像の地球への送信は、信号の再取得から約 8.5 時間後に始まり、8 月 3 日まで続きました。すべての画像は、データの欠落や破損がないように 2 回送信されました。^[2]個々の写真が地球に送信されるのに約 6 時間かかりました。^[16]

宇宙船は計画されたすべての活動を正常に実行し、打ち上げから1965年10月1日22時5分7秒UTCまで有用なデータを送信しましたが、地球までの距離が長く（3億920万キロメートル（1億9210万マイル））、アンテナの向きが不正確だったため、1967年まで宇宙船との通信が一時的に途絶えました。^[2]

最初の画像は手描き

マリナー4号で使用された機内テープレコーダーは予備品であり、本来はマリナー4号の飛行用に設計されたものではなかった。マリナー3号の故障、マリナー4号のレコーダーが予備品であったこと、およびテープレコーダーの問題を示唆するいくつかのエラー表示から、チームはカメラ機能を最終的にテストすることとなった。これにより、最終的に最初のデジタル画像が描かれることとなった。画像データがコンピュータ処理されるのを待っている間、チームは画材店で購入したパステルセットを使用して、生のピクセルの数値プリントアウトに手作業で色付け（塗り絵スタイル）した。結果として得られた画像により、カメラが機能していることが早期に確認された。手描きの画像は、最終的なコンピュータ処理された画像と比較して遜色なかった。^[17]

塗り絵のように手で色付けされた火星初のデジタル画像
火星からの最初のデジタル画像を処理

微小隕石の衝突と通信の終焉

データ収集は1967年後半に再開された。 9月15日、宇宙塵検出器は15分間に17回の衝突を記録した。これは微小流星雨の一部で、一時的に宇宙船の姿勢を変え、おそらく熱シールドをわずかに損傷したと思われる。後に、マリナー4号はD/1895 Q1（D/スウィフト）彗星の残骸を通過し、2000万キロメートル（1200万マイル）離れたその彗星のおそらく粉砕された核の近くを通過したと推測された。^[18]^[19]

12月7日には姿勢制御システムのガス供給が尽き、12月10日から11日にかけて合計83個の微小隕石の衝突が記録され、宇宙船の姿勢が乱れ、信号強度が低下した。1967年12月21日、マリナー4号との通信は終了した。宇宙船は現在、太陽中心軌道の外側に放置されている。^[20]^[21]

結果

JPLのマリナー4号プロジェクトマネージャー、ジャック・N・ジェームズ氏（中央）とホワイトハウスのグループが、1965年7月に米国大統領リンドン・B・ジョンソン氏（中央右）に宇宙船の有名な火星の写真「No.11」を贈呈している。

このミッションで返されたデータの総量は520万ビット（約634 kB ）であった。 1965年2月に故障した電離箱の一部、すなわちガイガー・ミュラー管を除いて、すべての機器は正常に動作した。 ^[2]さらに、プラズマプローブは1964年12月8日に抵抗器の故障により性能が低下したが、実験者は機器を再調整してデータを解釈することができた。^[22]返された画像には月のようなクレーター状の地形が示されていたが、^[23]アマチュア天文学者のドナルド・サイアがクレーターの存在を予測していたものの、科学者はこれを予想していなかった。^[16]その後のミッションで、クレーターは火星に典型的なものではなく、マリナー4号が撮影したより古い地域にのみ見られるものであることがわかった。表面大気圧は4.1～7.0ミリバール（410～700パスカル）、日中の気温は-100℃（-148℉）と推定された。磁場^[24]^[25]や火星の放射線帯^[26]、そしてまた驚くべきことに表面水^[16]は検出されなかった。

ブルース・C・マレーはマリナー4号の写真を使って火星の地質史を解明した。^[27]

火星からの最初のデジタル画像
火星を初めてクローズアップした画像。縁からフレームの底まで、幅約 330 km (210 マイル)、長さ約 1,200 km (750 マイル) の領域が写っています。
クレーターを映し出すマリナー4号の最も鮮明な画像
フレーム 1 と 2 のモザイク。火星の大気が惑星の縁から見えます。
フレーム9と10のモザイク
フレーム11と12のモザイク

クレーターの画像と薄い大気の測定値^[23]^[28]は予想よりもはるかに薄く^[16]、宇宙の過酷な環境にさらされた比較的活動の少ない惑星を示していることから、火星に知的生命体を見つけるという希望は一般的に消え去った。火星の生命は、何世紀にもわたって推測とSFの主題であった。 ^[29]マリナー4号の後、火星に生命が存在するとすれば、それはおそらくより小さく単純な形態であろうとほとんどの人が結論付けた。^[4]数千枚の写真を使用してキロメートル解像度で地球上の生命を探したが、これらの写真の大部分に生命の兆候は見られなかったという結論に達した者もいる。したがって、マリナー4号が撮影した22枚の写真に基づいて、火星に知的生命体が存在しないと結論付けることはできない。^[30] 太陽風が測定され、金星に行ったマリナー5号の同時記録と比較された。^[31]

マリナー4号ミッションの総費用は8,320万ドル（2023年には8億400万ドルに相当）と見積もられている。^[2]マリナーシリーズの宇宙船（マリナー1号から10号）の研究、開発、打ち上げ、サポートの総費用は約5億5,400万ドル（2023年には53億6,000万ドルに相当）であった。^[2]

参照

火星探査
火星へのミッションのリスト
マリナー（クレーター）
宇宙探査
宇宙探査機
REX (ニューホライズンズ) (2015 年にニューホライズンズ宇宙船で行われた冥王星の大気データの電波掩蔽)

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外部リンク

NASA太陽系探査チームによるマリナー4号ミッションプロファイル
宇宙飛行運用計画マリナー火星 '64 (PDF)
マリナー4号の火星探査ミッションで撮影された画像とモザイクの処理済み画像
テッド・ストライクのマリナー4ページ
マリナー 4枚の写真

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