火星探査プログラム

宇宙生物学、気候学、地質学は、火星探査ローバー（左）や火星科学研究所（右）などの火星探査計画ミッションにおける共通のテーマとなっている。

NASAによると、MEPには4つの大きな目標があり、すべて火星における生命の可能性を理解することに関係している。^{[ 6 ]}

• 火星に生命が誕生したかどうかを判断する– 火星の居住可能性を理解するためには、火星に生命が誕生したことがあるかどうかを判断する必要があり、そのためにはまず、火星が生命に適しているかどうかを評価することから始めなければなりません。「水を追え」というニックネームで呼ばれるMEPの主な戦略は、水が存在する場所には生命が存在する（少なくとも地球上の事例では）という一般的な考え方です。火星に生命が誕生したことがあるならば、相当な期間にわたって水が存在していた必要があると考えられます。したがって、MEPの重要な目標は、干上がった川床、惑星表面の下、火星の極冠など、水が存在する、存在した、または存在する可能性がある場所を探すことです。水以外にも、生命は生存するためにエネルギー源を必要とします。火星の表面にはスーパーオキシドが豊富に存在するため、生命が存在する可能性は非常に低く、これは基本的に太陽光が生命のエネルギー源となる可能性を排除します。したがって、地熱や化学エネルギーなどの代替エネルギー源を探す必要があります。地球上の生命体が利用するこれらの資源は、火星の表面下に生息する微小な生命体も利用できる可能性がある。火星の生命は、過去および現在の生命の痕跡、すなわちバイオシグネチャーを見つけることによっても探知できる。炭素の相対的な存在量、および炭素が存在する場所と形態は、生命がどこでどのように発生したかを知る手がかりとなる。また、炭酸塩鉱物の存在と、火星の大気が主に二酸化炭素で構成されているという事実は、生命の発生を促すのに十分な期間、水が火星に存在していた可能性があることを科学者に示唆するだろう。^{[ 7 ]}
• 火星の気候の特徴付け– MEP のもう 1 つの目標は、火星の現在および過去の気候、ならびに火星の気候変動に影響を与える要因の特徴付けです。現在わかっていることは、気候は火星の氷冠の季節変化、大気による塵の移動、および地表と大気間の水蒸気の交換によって制御されているということです。これらの気候現象を理解することは、科学者が火星の過去の気候をより効果的にモデル化するのに役立ち、火星のダイナミクスの理解を深めることにつながります。^{[ 8 ]}
• 火星の地質の特徴–火星の地質は、とりわけ巨大な火山と地殻変動の欠如によって地球の地質と区別されます。MEPの目標は、これらの地球との違いと、風、水、火山、地殻変動、クレーター形成、その他のプロセスが火星の表面をどのように形成してきたかを理解することです。岩石は、科学者が火星の歴史における出来事の順序を説明したり、水中でのみ形成される鉱物を特定することによって惑星に水が豊富にあったかどうかを判断したり、火星にかつて磁場があったかどうか（これは火星がかつてダイナミックな地球のような惑星であったことを示唆します）を判断するのに役立ちます。^{[ 9 ]}
• 火星への有人探査の準備–火星への有人ミッションは、大規模な工学的課題を伴います。火星の表面には超酸化物が存在し、太陽からの放射線から保護する磁気圏やオゾン層がないため、科学者は火星に人間を送るという目標に向けて行動を起こす前に、火星の力学を可能な限り徹底的に理解する必要があります。^{[ 10 ]}

火星探査ミッションは、歴史的にNASAのミッションの中で最も高い失敗率を記録しており、^{[ 11 ]}これは、これらのミッションの途方もない技術的課題と、アメリカの火星極地着陸機のような不運に起因する。^{[ 12 ]} MEPの目標の多くは、宇宙船の火星表面への突入、降下、着陸（EDL）を伴うため、惑星の大気、不均一な地表地形、火星のような環境を再現してテストするための高コストなどの要因が関係してくる。^{[ 13 ]}

地球と比較すると、火星の大気は約 100 分の 1 しかありません。そのため、着陸船が火星の大気圏に降下すると、はるかに低い高度で減速し、物体の質量によっては終端速度に達するのに十分な時間がない可能性があります。超音速または亜音速減速器を展開するには、速度が閾値以下でなければ効果がありません。したがって、着陸前に他の必要な着陸プロセスを実行するのに十分な時間を確保できるように、着陸船を十分に減速できる技術を開発する必要があります。^{[ 13 ]}火星の大気は火星の 1 年の間に大きく変化するため、エンジニアはすべてのミッションに共通する EDL システムを開発することができません。頻繁に発生する砂嵐は、下層大気の温度を上昇させ、大気密度を低下させます。これは、火星表面の高度が極めて変動することと相まって、着陸船を十分に減速できるように、着陸地点を保守的に選択することを余儀なくさせます。^{[ 13 ]}火星EDLシーケンスは約5～8分しか続かないため、関連システムは疑いなく信頼できるものでなければならない。理想的には、地球上でEDLシステムのさまざまなコンポーネントの大規模テストを実施して得られたデータによって検証されるべきである。しかし、このデータが火星の環境に関して関連性を持つ環境を再現するコストは非常に高いため、テストは完全に地上ベースで行われるか、過去のミッションから派生した技術を用いたテストの結果をシミュレートすることになる。^{[ 13 ]}

火星の表面は岩石、山岳地帯、クレーターなど、非常に起伏に富んでいます。着陸船にとって理想的な着陸場所は平坦で、デブリのない場所です。火星ではこのような地形を見つけるのはほとんど不可能なので、着陸装置は非常に安定していて、着陸時の転倒や不安定化を防ぐために十分な地上高が必要です。さらに、これらの着陸船の減速システムには、地面に向けられたスラスタが含まれている必要があります。これらのスラスタは、非常に短い時間だけ作動するように設計する必要があります。数ミリ秒以上作動して岩だらけの地面に向けられていると、溝を掘り始め、小さな岩石を着陸装置に打ち上げ、着陸船に不安定化させる背圧をかけてしまいます。^{[ 13 ]}

適切な着陸地点を見つけるには、軌道上から岩石の大きさを推定できる必要がある。軌道上から直径 0.5 メートル以下の岩石の大きさを正確に決定する技術はまだ開発されていないため、代わりに、現在火星を周回している衛星によって測定された着陸地点の熱応答に基づいて、熱慣性との関係から岩石の大きさの分布を推測している。火星偵察オービターも、カメラが直径 0.5 m より大きい岩石を見ることができるという意味で、この目的に貢献している。 ^{[ 13 ]}着陸機が傾斜面で転倒する可能性に加えて、丘、メサ、クレーター、溝などの大きな地形は、地上のセンサーとの干渉の問題を引き起こす。レーダーとドップラーレーダーは降下中に高度を誤って測定する可能性があり、着陸機が降下中にメサや溝の上を通過すると、着陸地点をターゲットとするアルゴリズムが「だまされて」着陸機を早すぎたり遅すぎたりして放出する可能性がある。^{[ 13 ]}

火星は古代バビロニア人、エジプト人、ギリシャ人などによって観測されていましたが、17世紀に望遠鏡が発明されるまで、火星は詳細に研究されることはありませんでした。 ^{[ 14 ]}火星の表面に探査機を送る最初の試みは、 1960年にソ連によって行われ、 「マルスニク1号」と名付けられました。探査機は地球の軌道に到達できず、最終的にミッションは失敗に終わりました。火星探査を目的としたミッションでは、ミッションの目的を達成できないことはよくあることで、火星に向かう宇宙船の約3分の2は、観測を開始する前に失敗しています。^{[ 11 ]}火星探査計画自体は、 1975年のバイキング1号とバイキング2号以来のNASA初の火星探査ミッションであった火星オブザーバーの失敗を受けて、1992年9月に正式に設立されました。 ^{[ 1 ]}この宇宙船は、改造された地球周回商用通信衛星（SESのAstra 1A衛星）をベースにしており、軌道上から火星の地質、地球物理学、気候を研究するために設計された機器を搭載していました。このミッションは、宇宙船が軌道に入る予定の3日前に通信が途絶えたため、1993年8月に終了しました。^{[ 15 ]}

2000年代、NASAは火星探査計画の下、一連の小型で低コストのロボットミッションを火星に送るキャンペーンとして火星スカウト計画を設立しました。これは、科学界からの革新的な提案の中から競争的に選ばれ、予算の上限は4億8500万ドルでした。この計画の最初のロボット宇宙船はフェニックスで、これはもともと中止されたマーズサーベイヤー2001ミッション用に製造された着陸機を使用しました。フェニックスは25の提案から選ばれた4つの最終候補の1つでした。^{[ 16 ]} 4つの最終候補は、フェニックス、MARVEL、SCIM（火星調査のためのサンプル収集）、およびARES（「空中地域規模環境調査」）火星飛行機でした。^{[ 16 ]} SCIMは、自由帰還軌道とエアロゲルを使用して火星の塵を捕獲し、地球に持ち帰るサンプルリターンミッションでした^{[ 16 ]} （スターダストミッションも参照）。 MARVELは、火星の火山活動を探査し、火星大気のさまざまな成分を分析する周回機でした。^{[ 16 ]}この名前は、 Mars Volcanic Emission and Life Scoutの頭文字をとったもので、生命が存在する場合に生命から発生するガスを検出することを目的としていました。^{[ 16 ]} ARESは、火星の下層大気と表面を研究するための航空機のコンセプトでした。^{[ 16 ]} 2008年9月15日、NASAは2番目のミッションとしてMAVENを選定したと発表しました。 ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}このミッションの予算は4億7500万ドル以下でした。^{[ 20 ]}わずか2回の選定の後、NASA科学局は2010年に、火星ミッションを提案できるように範囲が再編成されたディスカバリー計画にマーズスカウトを組み込むと発表しました。^{[ 21 ]}火星の地震学と地質学ミッションであるインサイトは、最終的にディスカバリー計画の12番目のミッションとして選ばれました。

2013会計年度にNASAの惑星科学部門の予算が3億ドル大幅に削減され、ESAのExoMarsプログラムへの参加が中止され、火星探査プログラム全体の見直しが行われた。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} 2012年2月、火星プログラム計画グループ（MPPG）がワシントンDCに招集され、2018年または2020年の打ち上げ期間に向けた候補ミッションのコンセプトについて議論した。^{[ 34 ] [ 33 ]}これは火星次世代計画として知られるイニシアチブである。^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} MPPGの目的は、オバマ政権が掲げた2030年代に火星軌道に人間を送るという目標に合致しつつ、2011年のNRC惑星科学10年調査の主要な科学目標にも対応できる、火星ロボット探査のためのプログラムレベルのアーキテクチャの基盤を開発することであった。[ ^{33 ] [ 37 ] MPPGは、} NASAの公務員と契約社員双方の非合意の個別意見を使用し、その結果として下された決定はNASAの専属責任であった。

MPPG の当面の焦点は、2018 年と 2020 年の火星打ち上げウィンドウに向けた複数のミッション コンセプト オプションの収集でした。^{[ 33 ]}打ち上げロケットを含めて7 億ドルの予算枠では、ミッションは周回機に限定されると想定されていました。^{[ 35 ] [ 38 ]}短期的なアイデアは、2018 年～ 2024 年の期間の初期ミッション計画のために考慮され、中期から長期的なアイデアは、2026 年以降のプログラム レベルのアーキテクチャ計画に役立てられました。^{[ 39 ]}このようなミッションのために検討された戦略には、2020 年代後半または 2030 年代前半に火星の軌道上に土壌サンプルを配置するサンプル リターン ミッション、現地での土壌分析、サンプル リターン ミッションや有人ミッションに先立つ火星の表面と深部内部の研究などがありました。^{[ 33 ]} 7億ドルから8億ドルの予算要件を満たすように検討された概念ミッションには、老朽化し​​た衛星の通信サービスを置き換える次世代火星探査機（NeMO）や、後に地球に持ち帰るのに適したサンプルを調査および選択するための固定着陸機が含まれていました。 ^{[ 33 ]} MPPGの調査結果に先立ち、下院歳出委員会の商務・司法・科学小委員会は、サンプルリターンミッションを義務付けるという条件付きで、惑星科学予算に1億5000万ドルを復活させる予算を2012年4月に承認しました。^{[ 31 ]} MPPGの最終報告書は2012年8月に草案が作成され、9月に公表されました。^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} 最終的にサンプルリターンミッションを支持したこの勧告は、NASAの2014会計年度予算プロセスに影響を与えました。^{[ 43 ]}

火星探査の打ち上げ時期は、およそ2年2ヶ月ごと（具体的には、地球に対する火星の会合周期である780日ごと）に訪れる。 ^{[ 44 ]}