火星探査計画

火星探査プログラム（MEP ）は、 NASAが資金提供し主導する、火星の長期探査プログラムです。1993年に結成されたMEPは、軌道上の宇宙船、着陸船、火星探査車を使用して、火星での生命の可能性、火星の気候と天然資源を探査してきました。^[1]このプログラムは、NASAの科学ミッション局の惑星科学部門のダグ・マクイスティオンによって管理されています。^[2] NASAの2013会計年度の予算が40％削減された結果、火星プログラム計画グループ（MPPG）が結成され、MEPの再編成を支援し、NASAの技術、科学、人間の活動、科学ミッションのリーダーを集めました。^{[3] [4]}

1999年10月に初めて開催された火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）は、科学コミュニティが火星探査プログラムの計画と優先順位付けに意見を提供できるようにしています。火星探査ミッションは、ほとんどのNASAミッションと同様に、かなり費用がかかります。たとえば、NASAのキュリオシティローバー（2012年8月に火星に着陸）の予算は25億ドルを超えています。^{[5] NASAはまた、火星の土壌サンプルを地球に持ち帰るミッションを実施するために}欧州宇宙機関（ESA）と協力することを目標としていますが、これには少なくとも50億ドルの費用がかかり、完了までに10年かかる可能性があります。^[6]

NASAによると、MEPには4つの大きな目標があり、いずれも火星での生命の存在の可能性を理解することに関係している。 ^[7]

• 火星に生命が誕生したかどうかの判定– 火星の居住可能性を理解するには、火星に生命が存在したかどうかの判定が必要であり、それは火星が生命にとって適しているかどうかの評価から始まります。「Follow the Water」というニックネームが付けられた MEP に関する主な戦略は、水が存在するところには生命が存在する (少なくとも地球上の例では) という一般的な考え方です。火星に生命が誕生したとしたら、相当長い期間にわたって水が供給されていた必要があると考えられます。したがって、MEP の主な目標は、干上がった川床、惑星の表面下、火星の極地の氷冠など、水がある、あった、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、生命が生き残るためにはエネルギー源が必要です。スーパーオキシドが豊富であるため、火星の表面に生命が存在する可能性は非常に低く、太陽光が生命のエネルギー源となる可能性は基本的に排除されます。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、火星の地表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、過去と現在の生命の痕跡やバイオシグネチャーを見つけることで探すこともできる。炭素の相対的な豊富さや、それが見つかる場所や形態から、生命がどこでどのように発達したかを知ることができる。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できているという事実から、科学者は、火星に水が生命の発達を促すほど長い間存在していた可能性があることを知ることができる。^[8]
• 火星の気候を特徴付ける– MEPのもう一つの目標は、火星の現在と過去の気候、および火星の気候変動に影響を与える要因を特徴付けることです。現在わかっていることは、火星の気候は、火星の氷冠の季節的変化、大気による塵の移動、および表面と大気の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ことを支援し、火星のダイナミクスをより深く理解することにつながります。^[9]
• 火星の地質を特徴付ける–火星の地質は、とりわけ、非常に大きな火山と地殻変動の欠如によって地球の地質と区別できます。MEP の目標は、地球とのこれらの違いと、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形成した方法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一連の出来事を説明したり、水中でのみ形成される鉱物を特定することで火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、火星がかつて地球のようなダイナミックな惑星であったことを示しています) を判断するのに役立ちます。^[10]
• 火星の有人探査に備える–火星への有人ミッションは、大きな技術的課題を伴います。火星の表面には超酸化物が含まれており、太陽からの放射線から保護する磁気圏と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、火星のダイナミクスを可能な限り徹底的に理解する必要があります。^[11]

火星探査ミッションは、歴史的にNASAのミッションの中でも失敗率が最も高い部類に入るが^[12]、これはこれらのミッションの膨大な技術的課題と、アメリカの火星極地着陸機のような不運に起因すると考えられる。^[13] MEPの目標の多くは火星表面への宇宙船の突入、降下、着陸（EDL）を伴うため、火星の大気、表面の凹凸、試験のために火星のような環境を再現するための高コストなどの要因が関係してくる。^[14]

地球に比べて、火星の大気は100倍ほど薄い。そのため、着陸船が火星の大気圏に降下すると、かなり低い高度で減速することになり、物体の質量によっては終端速度に達する時間が足りない可能性がある。超音速または亜音速の減速装置を展開するには、速度が閾値以下でなければ効果がない。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ような技術を開発する必要がある。^{[14]火星の大気は}火星の1年の間に大きく変化するため、技術者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ない。頻繁に発生する砂嵐は下層の大気の温度を上昇させ、大気の密度を低下させる。これは火星表面の高度の極端に変化しやすいことと相まって、十分な着陸船の減速を可能にするために着陸地点の慎重な選択を余儀なくされる。^[14]火星のEDLシーケンスは5～8分程度しか持続しないため、関連するシステムは間違いなく信頼できるものでなければなりません。理想的には、これは地球上でEDLシステムのさまざまなコンポーネントの大規模なテストを実施して得られたデータによって検証されるでしょう。しかし、火星の環境に関してこのデータが関連する環境を再現するにはかなりのコストがかかるため、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含むテストの結果をシミュレートすることになります。^[14]

火星の表面は岩や山岳地帯、クレーターなどがあり、非常に凹凸が多い。着陸船にとって理想的な着陸エリアは、平坦でデブリのない場所である。火星でこのような地形を見つけること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、着陸時に転倒したり不安定になったりするのを防ぐのに十分な地上高がなければならない。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る必要がある。これらのスラスタは、非常に短い時間だけ作動すればよいように設計する必要がある。数ミリ秒以上作動して岩の多い地面に向けられると、溝を掘り始め、小さな岩を着陸装置に打ち上げ、着陸船に不安定な背圧をかけることになる。^[14]

適切な着陸地点を見つけるには、軌道から岩石の大きさを推定できる必要があります。直径 0.5 メートル未満の岩石の大きさを軌道から正確に判断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ます。火星探査機も、カメラで直径 0.5 メートルを超える岩石を撮影できるため、この目的に役立ちます。^[14]着陸機が傾斜面で転倒する可能性があるだけでなく、丘、台地、クレーター、溝などの大きな地形は、地上センサーとの干渉の問題を引き起こします。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ことがあり、着陸機の着陸地点をターゲットとするアルゴリズムは、着陸機が降下中に台地や溝を通過すると、着陸機を早すぎたり遅すぎたりするように「騙される」可能性があります。^[14]

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たが、 17世紀に望遠鏡が発明されるまで火星は深く研究されることはなかった。 ^[15]火星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」と呼ばれた。探査機は地球の軌道に到達できず、ミッションは最終的に失敗に終わった。ミッションの目的を達成できないことは、火星探査を目的としたミッションではよくあることで、火星に向かう予定だった宇宙船の約3分の2は、観測を開始する前に失敗している。^[12]火星探査計画自体は、1992年9月のマーズ・オブザーバーの失敗をきっかけに正式に結成されました。 ^{[1]これは、1975年の}バイキング1号とバイキング2号計画以来のNASA初の火星探査ミッションでした。この宇宙船は、改造された地球周回商用通信衛星（SESのアストラ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。^[16]

2000年代にNASAは火星探査計画の一環としてマーズ・スカウト計画を立ち上げ、科学界による革新的な提案を予算上限4億8500万ドルで競争的に選定し、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り込んだ。この計画の最初のロボット宇宙船はフェニックスで、中止されたマーズ・サーベイヤー2001ミッション用に元々製造された着陸機を利用したものだった。フェニックスは25の提案から選ばれた最終候補4機のうちの1機だった。^[17]最終候補4機はフェニックス、MARVEL、SCIM（火星調査のためのサンプル収集）、ARES（地域規模空中環境調査）火星飛行機だった。^{[17] SCIMはサンプル}リターンミッションで、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予定だったMARVELは、火山活動の探索と火星大気のさまざまな成分の分析を行う探査機でした。^{[17]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そのガスを検出することを目的としていました。^[17] ARESは、火星の下層大気と表面を調査するための航空機のコンセプトでした。^[17] 2008年9月15日、NASAは2番目のミッションにMAVENを選択したと発表した。 ^{[18] [19] [20]}このミッションの予算は4億7500万ドル以下でした。^{[21]わずか2回の選定の後、NASA科学局は2010年にMars Scoutを}Discovery計画に組み込むと発表し、火星ミッションを提案できるように計画が再編成されました。^{[22]火星の地震学および地質学ミッションである}InSightが、最終的にディスカバリー計画の12番目のミッションに選ばれました。

2013年度にはNASAの惑星科学部門への3億ドルの大幅な予算削減が行われ、ESAのExoMarsプログラムへのNASAの参加が取り消され、火星探査プログラム全体の再評価が行われました。^{[32] [33] [34] 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で招集され、 [35] [34]} Mars Next Generationとして知られるイニシアチブの一環として、2018年または2020年の打ち上げ時期に向けた候補ミッションのコンセプトについて議論されました。^{[35] [36] [37]} MPPGの目的は、オバマ政権の2030年代に人類を火星軌道に送るという課題と一致する火星ロボット探査のプログラムレベルのアーキテクチャの基礎を開発することであったが、^[34] 2011年のNRC惑星科学十年計画の主要な科学的目標にも対応し続けることであった。^[38] MPPGは、NASAの公務員と請負業者の従業員の両方からの非合意の個別の入力を使用し、結果として生じた決定はNASAの唯一の責任であった。

MPPGの当面の焦点は、2018年と2020年の火星打ち上げ期間に向けた複数のミッションコンセプトの選択肢を収集することだった。^[34]打ち上げロケットを含む7億ドルの予算枠では、ミッションは軌道衛星に限定されると想定された。^{[36] [39]}短期的なアイデアは2018年から2024年の時間枠での初期のミッション計画に考慮され、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反映された。^[40]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年代前半に土壌サンプルを火星軌道に配置するサンプルリターンミッション、その場での土壌分析、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が含まれていた。^[34] 7億ドルから8億ドルの予算要件に適合する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、後で地球に持ち帰るのに適したサンプルを調査・選択する静止着陸機などが含まれていた。^[34] 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月に承認した。^[32] MPPGの最終報告書は2012年8月に起草され、9月に公表された。^{[41] [42] [43]} 最終的にサンプルリターンミッションを承認したこの勧告は、NASAの2014会計年度の予算プロセスに影響を与えた。^[44]

• 火星探査
• 火星へのミッションのリスト
• NASAミッション一覧

注記

引用

• ジェット推進研究所の火星探査プログラム
• ジェット推進研究所の火星探査プログラム分析グループ (MEPAG)