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火星極地着陸機（マーズ・サーベイヤー'98着陸機とも呼ばれる）は、火星の南極付近のプラヌム・アウストラレの土壌と気候を調査するために、 NASAが1999年1月3日に打ち上げた290キログラムの無人宇宙船着陸機である。これはマーズ・サーベイヤー'98ミッションの一部であった。しかし、1999年12月3日、降下段階が完了したと予想された後、着陸機は地球との通信を再確立できなかった。事後分析により、事故の最も可能性の高い原因は、着陸機が地表に接触する前にエンジンの噴射が早期に停止し、高速で惑星に衝突したことであると判明した。[ 2 ]
火星極地着陸機の総費用は1億6500万米ドルでした。宇宙船の開発費用は1億1000万米ドル、打ち上げ費用は4500万米ドル、ミッション運用費用は1000万米ドルと見積もられています。[ 3 ]
火星探査機サーベイヤー'98ミッションの一環として、周回機と連携して地上から気候データを収集する方法として着陸機が求められました。NASAは、南極の薄い塵の層の下に大量の凍った水が存在する可能性があると推測していました。火星極地着陸機の計画において、火星南極の潜在的な水含有量が着陸地点を選択する上で最も重要な決定要因となりました。[ 4 ]世界中の100万人の子供たちの名前が収録されたCD-ROMが、子供たちの宇宙計画への関心を高めるために設計された「火星にあなたの名前を送ろう」プログラムの一環として宇宙船に搭載されました。[ 5 ]
この任務の主な目的は次のとおりでした。[ 6 ]
火星極地着陸機には、「ディープスペース2 A」と「ディープスペース2 B」と呼ばれる、小型で同一の衝突プローブが2つ搭載されていた。これらのプローブは、火星の土壌を貫通し、深さ1メートルまでの地下組成を調査するために、南緯73度西経210度付近（ディープスペース2）で高速で地表に衝突することを目的としていた。しかし、火星の大気圏に突入した後、プローブとの接触は失敗に終わった。[ 4 ]
宇宙船は、脚と太陽電池アレイを完全に展開した状態で幅3.6メートル、高さ1.06メートルでした。基部は主にアルミニウムハニカムデッキ、縁を形成する複合グラファイトエポキシシート、および3本のアルミニウム脚で構成されていました。着陸時には、脚は圧縮スプリングで格納位置から展開し、各脚に埋め込まれた圧縮可能なアルミニウムハニカムインサートで着陸時の衝撃を吸収することになっていました。着陸船のデッキには、小型の熱ファラデーケージエンクロージャーがあり、コンピュータ、電力分配電子機器とバッテリー、通信電子機器、および動作温度を維持する毛細管ポンプループヒートパイプ（LHP）コンポーネントが収容されていました。これらのコンポーネントはそれぞれ、1つが故障した場合に備えて冗長ユニットを備えていました。[ 4 ] [ 1 ] [ 7 ]
火星への航行中、巡航ステージは4つのヒドラジン単推進剤反応エンジンモジュールによって3軸安定化され、各モジュールには推進用の22ニュートンの軌道修正マニューバスラスタと姿勢制御（姿勢）用の4ニュートンの反応制御システムスラスタが含まれていた。宇宙船の姿勢制御は、冗長な太陽センサー、スタートラッカー、慣性計測装置を使用して行われた。[ 1 ]
降下中、着陸機はパルス変調エンジンのクラスターを3つ使用し、各クラスターには266ニュートンのヒドラジン単推進剤スラスタが4基搭載されていた。着陸時の高度はドップラーレーダーシステムで測定され、姿勢および関節制御サブシステム（AACS）が姿勢を制御し、宇宙船が太陽光の収集と着陸機との通信を最大化する最適な方位角で着陸するようにした。 [ 4 ] [ 1 ] [ 7 ]
着陸機は、64キログラムの推進剤を収容し、ヘリウムで加圧された2つのヒドラジンタンクを搭載して打ち上げられた。それぞれの球形タンクは着陸機の下面に配置され、巡航および降下段階で推進剤を供給した。[ 4 ] [ 1 ] [ 7 ]
巡航段階では、中利得のホーン型アンテナと冗長な固体電力増幅器を使用して、 Xバンドで宇宙船との通信が行われた。緊急対策として、低利得の無指向性アンテナも搭載されていた。[ 4 ]
着陸機は当初、故障した火星気候探査機（Mars Climate Orbiter）を介してUHFアンテナでデータ通信を行う予定だった。1999年9月23日に探査機が失われた後も、着陸機はデッキに設置されたXバンドの指向性中利得パラボラアンテナである直接地球通信（DTE）リンクを介してNASA深宇宙ネットワーク（Deep Space Network ）と直接通信することができた。あるいは、火星グローバルサーベイヤー（Mars Global Surveyor）を中継器として使用し、火星の1日につき複数回UHFアンテナを使用することも可能だった。ただし、この方法では深宇宙ネットワークは着陸機からデータを受信することはできても、着陸機にコマンドを送信することはできなかった。直接地球通信中利得アンテナは12.6kbit/sのリターンチャネルを提供し、UHF中継経路は128kbit/sのリターンチャネルを提供した。宇宙船との通信は、増幅器で発生する熱蓄積によって制限され、1時間ごとのイベントに限定される。通信イベントの回数も電力制限によって制限される。[ 4 ] [ 6 ] [ 1 ] [ 7 ]
巡航段階には、無線システムに電力を供給し、着陸船内のバッテリーに電力を供給して特定の電子機器を温かく保つためのガリウムヒ素太陽電池アレイが2つ含まれていた。 [ 4 ] [ 1 ]
着陸後、着陸船は宇宙船の両側に配置された2つの3.6メートル幅のガリウムヒ素太陽電池アレイを展開することになっていた。さらに2つの補助太陽電池アレイが側面に配置され、合計で200ワットの電力を供給し、1日あたり約8～9時間稼働することが見込まれていた。[ 4 ] [ 1 ]
主要ミッション中は太陽が地平線の下に沈むことはなかったものの、太陽電池アレイに届く光量が少なすぎて、特定の電子機器が動作し続けるのに十分な温度を保つことができなかった。この問題を回避するため、日中に充電され、夜間に熱エンクロージャーのヒーターに電力を供給する16アンペア時のニッケル水素電池が搭載された。この解決策は着陸機の寿命を制限することも予想された。火星の日が夏の終わりに寒くなると、ヒーターに供給される電力が少なすぎて凍結を防ぎ、結果として電池も凍結し、着陸機の運用寿命の終わりを告げることになる。[ 4 ] [ 1 ] [ 7 ]
火星極地着陸機は、1999年1月3日20時21分10秒（協定世界時）に、アメリカ航空宇宙局（NASA）によってフロリダ州ケープカナベラル空軍基地の宇宙発射複合施設17BからデルタII 7425-9.5ロケットで打ち上げられた。チオコール・スター48B固体燃料第3段ブースターが火星に対する最終速度6.884 km/s（4.278 mi/s）で宇宙船を11ヶ月の火星遷移軌道に乗せた後、完全な燃焼シーケンスは47.7分間続いた。巡航中、宇宙船はエアロシェルカプセル内に格納され、巡航ステージと呼ばれるセグメントが電力と地球との通信を提供した。[ 4 ] [ 6 ] [ 1 ]
目標着陸地点[ 13 ]は火星の南極付近のウルティミ・スコプリと呼ばれる地域で、そこには多数のスコプリ（葉状または不規則な崖）があった。
1999年12月3日、火星極地着陸機が火星に到着し、ミッション運用担当者は着陸準備を開始した。協定世界時14時39分00秒、巡航ステージが切り離され、宇宙船が地表に着陸するまで予定されていた通信途絶が始まった。大気圏突入の6分前、プログラムされた80秒間のスラスタ噴射により、宇宙船は適切な突入姿勢に回転し、降下カプセルが大気圏を通過する際に発生する1,650 ℃の熱を吸収するように耐熱シールドが配置された。
秒速 6.9 キロメートルで飛行する突入カプセルは、協定世界時 20:10:00 に火星の大気圏に突入し、プラヌム・アウストラレと呼ばれる地域の南緯76 度西経 195 度/南緯 76 度 西経 195 度/ -76; -195 (火星極地着陸機)付近に着陸する予定でした。着陸後、協定世界時 20:39:00 に通信が再開されると予想されていました。しかし、通信は再開されず、着陸機は失われたと宣言されました。[ 4 ] [ 6 ] [ 1 ]
宇宙船は、地表から125 km (78 mi)上空で約6.9 km/s (4.3 mi/s )の速度で大気圏に突入し、まず突入体の底部にある2.4 メートルのアブレーション耐熱シールドを使用して減速し、大気圏の116 km (72 mi)を通過する間エアロブレーキをかけました。突入から 3 分後、宇宙船は496 m/s (1,630 ft/s)まで減速し、8.4 メートルのポリエステル製パラシュートがモルタルから展開される信号が送られました。続いて、地表から8.8 km (5.5 mi)上空で耐熱シールドが分離され、MARDI の電源がオンになりました。パラシュートによって宇宙船の速度はさらに85 m/s (280 ft/s)まで減速され、地上レーダーが地表の特徴を追跡し、最適な着陸地点を検出するとともに、ドップラー効果によって垂直速度を決定して推力制御を開始しました。
宇宙船がパラシュート展開から 1 分後に80 m/s (260 ft/s)まで減速すると、着陸船はバックシェルから分離し、上空1.3 km (0.81 mi)で動力降下を開始した。垂直速度は、高度 12 m で毎秒 2.4 メートルまで低下し、その後は着陸まで一定となるように計画されていた。40 メートル以下では、レーダーは舞い上がる塵によって信頼性が低下するため、その高度で既にオフにされていた。最後の数秒間は、推力は慣性センサーによって制御される予定だった。着陸時に直ちに推力をオフにする機能も 40 メートルで作動していた。着陸は UTC 20:01 に予定されており、地球受信時刻では 20:15 とされていた。[ 4 ] [ 6 ] [ 1 ] [ 7 ]
着陸機の操作は着陸後 5 分後に開始され、まず格納されていた太陽電池アレイを展開し、次に中利得の地球直下アンテナの向きを調整して、NASA 深宇宙ネットワークとの最初の通信を可能にする予定だった。MARDI が取得した 30 枚の着陸画像を含む 45 分間の送信が地球に放送され、インターネットで配信される予定だった。[ 14 ]着陸成功の信号は 20:39 UTC に到着すると予想されていた。その後、着陸機はバッテリーを充電するために 6 時間電源がオフになる予定だった。翌日以降、宇宙船の機器はオペレーターによってチェックされ、科学実験は 12 月 7 日に開始され、少なくとも次の 90火星日の間継続され、ミッションが延長される可能性もあった。[ 4 ] [ 6 ] [ 1 ] [ 7 ]
1999年12月3日、UTC14時39分00秒に、巡航段階の分離とそれに続く大気圏突入の直前に、火星極地着陸機からの最後のテレメトリが送信されました。宇宙船からはそれ以降信号は受信されませんでした。 [ 15 ]火星グローバルサーベイヤーは、着陸機があると思われる領域を撮影しようと試みました。2000年1月、着陸機とパラシュートと思われる2つの物体が写った写真が撮影されました。しかし、2005年9月のその後の画像撮影により、特定された物体は着陸機ではないことが判明しました。火星極地着陸機は依然として行方不明です。[ 16 ] [ 17 ]
通信途絶の原因は不明である。しかし、故障調査委員会は、この事故の最も可能性の高い原因は、格納されていた脚の展開によって生じた振動を地表への着陸と誤って認識したソフトウェアエラーであると結論付けた。[ 18 ]その結果、宇宙船は、地表から40メートルほど上空にいる間に降下エンジンを停止した。脚の展開によって誤った表示が生じる可能性があることは知られていたが、ソフトウェアの設計指示ではその事態は考慮されていなかった。[ 19 ]
降下エンジンの早期停止に加えて、故障調査委員会は他の潜在的な故障モードも評価した。[ 2 ]故障モードに関する十分な証拠がないため、以下の可能性は排除できなかった。
火星極地着陸機の失敗は、火星気候探査機の喪失から2か月半後に起こった。資金不足と管理の不備が失敗の根本原因として挙げられている。[ 20 ]火星計画独立評価チームの議長であるトーマス・ヤングによれば、この計画は「少なくとも30％の資金不足」だったという。[ 21 ]
着陸機と2機のディープスペース2探査機の探査目標となったプラヌム・アウストラレ[ 22 ]は、後に欧州宇宙機関のMARSISレーダーによって探査され、火星軌道からその場所が調査・分析された[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] 。