火星サンプルリターンミッション

火星からの帰還は、アポロ計画がまだ開発中で、火星を通過する最初の宇宙船がまだ打ち上げられておらず、火星上昇には人が乗るだろうと予想されていた時期に、技術文献に登場した。^{[ 10 ]}当時、火星の大気の密度は不明であったため、ロッキード社のエンジニアリング担当者は、15トンの打ち上げロケットがランデブー軌道に到達するための、さまざまな空気抵抗条件における軌道オプションの分析を報告した。

NASAでは、1970年代初頭、バイキング火星着陸機ミッションの開発中に、ラングレー研究センターとジェット推進研究所が共同で火星からのサンプル持ち帰りについて研究し、ラングレーの著者は、「火星表面から軌道への打ち上げロケット」は、その質量がミッションの初期段階、火星へのロケットの輸送、火星での打ち上げ準備の「質量とシステムの要件に大きな影響を与える」ため、高性能でなければならないと指摘した。^{[ 11 ]}

少なくとも30年間、科学者たちは火星からの地質学的サンプルの持ち帰りを提唱してきた。^{[ 12 ]}初期の構想の一つは、火星調査のためのサンプル収集（SCIM）提案であり、着陸や周回せずに火星の上層大気をかすめるように通過する宇宙船を送り込み、塵や空気のサンプルを採取するというものだった。^{[ 13 ]}

ソ連は1975年に火星サンプルリターンミッションMars 5NMを検討したが、打ち上げに使用予定だったN1ロケットの度重なる失敗により中止された。1979年に計画された別のサンプルリターンミッションMars 5M（Mars-79）も、複雑さと技術的な問題により中止された。^{[ 14 ]}

1980年代半ば、JPLのミッション計画担当者は、MSRが「予算やその他の圧力により90年代に延期された」こと、そして往復には「大きな推進力が必要になる」ことを指摘した。^{[ 15 ]}彼らは、地球から9.5トンのペイロードを打ち上げるという構想の想定質量予算を提示した。これには、地球帰還用の火星周回機、400kgの探査車と2トンを超える「火星帰還機」を搭載した着陸機が含まれる。20kgのサンプル容器が地球に到着し、その中には あらゆる種類の火星の地形から掘削された科学的品質のコアを含む5kgのサンプルが含まれる。

1980年代後半、複数のNASAセンターが火星探査車サンプルリターンミッション（MRSR）の提案に貢献した。^{[ 16 ] [ 17 ]} JPLの著者らが説明したように、MRSRのオプションの1つは、火星周回機と地球帰還機、700kgの探査車、および2.7トンの火星上昇機（MAV）を含む12トンのパッケージを1回打ち上げるというもので、MAVは大幅な質量削減のためにポンプ給液式液体推進を使用する予定だった。^{[ 18 ]} MAVに搭載される20kgのサンプルパッケージには、5kg の火星土壌が含まれる予定だった。ジョンソン宇宙センターの著者はその後、1998年に地球から打ち上げられたMAVの質量が ポンプ給液式第1段と圧力給液式第2段を含めて1400～1500kgの範囲であると述べている。^{[ 19 ]}

1993年9月のマーズ・オブザーバーの失敗後に設立された米国の火星探査計画は、火星サンプルリターンを支援した。^{[ 20 ]} 2000年代初頭には、グレン・J・マクファーソンによって1つのアーキテクチャが提案された。^{[ 2 ]}

1996年、火星隕石ALH84001から微化石らしきものが発見されたと考えられたことから、火星に生命が存在する可能性が提起された。この仮説は最終的に否定されたが、火星サンプルリターンへの関心が再び高まった。^{[ 21 ]}

1990年代半ば、NASAはJPLとロッキード・マーティンに資金を提供し、小型火星探査機とランデブーして地球に帰還する100kgのMAVを使用して500グラムの火星サンプルを持ち帰るというコンセプトを含む、手頃な価格の小型MSRミッションアーキテクチャを研究した。^{[ 22 ]}長年有人火星探査を提唱してきたロバート・ズブリンは1996年に、火星軌道でのランデブーは危険すぎるため、火星で製造された推進剤を使用して直接地球に打ち上げるのがMSRへの最良のアプローチであると結論付け、直接帰還するMAVの質量は500kgになり 、地球で燃料を満タンにすると火星に手頃な価格で送るには重すぎると推定した。^{[ 23 ]}国際的な査読者もこれに同意した。^{[ 24 ]} 1997年に、従来の小型ロケット技術（固体燃料と液体燃料の両方）の詳細な分析により、既知の推進コンポーネントは数百キログラム程度の軽量MAVを製造するには重すぎることが判明し、「小型スケールでの新しいハードウェアの開発に打ち上げロケットの設計原理を適用する」ことが提案された。^{[ 25 ]}

1998年、JPLは2005年のMSRミッションを目的とした、火星打ち上げ時の重量が600キログラム以下の2段式加圧式液体二元推進剤MAVの設計を発表した。^{[ 26 ]}同じJPLの著者は、軽量の低圧液体推進剤タンクとコンパクトな高圧推力室を可能にするためにポンプ式推進を使用することで小型化することを目的とした、概念的な単段式200kg MAVの開発にも協力した。^{[ 27 ]}このポンプ式推進による質量上の利点は、単一推進剤を使用して火星軌道に到達するのと質量予算が一致する概念的な100kg MAVに適用され、単一タンクの単純さによって部分的に可能になり、通常単一推進剤で行われる火星着陸にも適用できる。^{[ 28 ]}高圧スラスタとポンプは、1994年の実験用21kgロケットの飛行ですでに実証されていた。^{[ 29 ]}

1999年後半の時点で、MSRミッションは2003年と2005年に地球から打ち上げられる予定だった。^{[ 30 ]}それぞれが探査車と火星上昇機を運び、2005年には地球帰還機能を備えたフランス製の火星周回機も含まれる予定だった。当時「産業界との契約を進めている最中」だった140kgのMAVには、第1段にテレメトリー装置と、簡素化された軽量上段が分離する前に機体を300RPMまで回転させるスラスタが搭載される予定だった。各MAVの上部には、3.6kg、直径16cmの球形ペイロードが搭載され、500グラムのサンプルと、地球帰還周回機とのランデブーを容易にするための長寿命ビーコンに電力を供給する太陽電池が搭載される予定だった。周回機は両方のMAVによって運ばれたサンプルコンテナを回収し、それぞれ別の地球帰還機に搭載する。 NASAの火星探査プログラムでは2008年までにサンプルを持ち帰ることを目標としたこのミッション構想^{[ 31 ]}は、プログラムの見直しを受けて中止された^{[ 32 ] 。}

2006年半ば、国際火星探査ワーキンググループ（IMEWG）は、2018年から2023年の期間に国際的に支援され実行される火星サンプルリターンミッションの科学的および工学的要件の概要を作成するために、国際火星サンプルリターンアーキテクチャ（iMARS）ワーキンググループを設立した。^{[ 7 ]}

2009 年 10 月、NASAとESA は、 ExoMarsプログラムを進めるために火星探査共同イニシアチブを設立しました。その最終目標は「2020 年代に火星からサンプルを持ち帰る」ことです。^{[ 33 ] [ 34 ]} ExoMars の最初のミッションは 2018 年に打ち上げられる予定でした^{[ 6 ] [ 35 ]} 2020 年から 2022 年の間にサンプルを持ち帰るためのミッションは未定でした。^{[ 36 ]} 2011 年にキャッシュ ローバーMAX-Cがキャンセルされ、その後予算の制限により NASA が ExoMars から撤退したため、ミッションは終了しました。^{[ 37 ]}この撤退は科学コミュニティにとって「トラウ​​マ」だったと表現されています。^{[ 37 ]}

2011年初頭、米国国家研究評議会の惑星科学10年調査では、2013年から2022年までのミッション計画の優先順位が示され、MSRキャンペーンがその期間の最優先フラッグシップミッションであると宣言された。^{[ 38 ]}特に、提案された火星宇宙生物学探査機・キャッシュ（MAX-C）ミッションを「規模縮小」（野心を抑えた）形で支持した。このミッション計画は2011年4月に正式に中止された。

火星2020パーサビアランス探査車のミッションの重要な要件は、MSRの準備を支援することでした。^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}探査車は2021年2月18日にジェゼロ・クレーターに着陸し、サンプルを採取して43本の円筒形のチューブに保管し、後で回収しました。

火星2020ミッションは、 2021年2月にパーセベランス探査車をジェゼロ・クレーターに着陸させた。探査車は複数のサンプルを採取しており、今後も採取を続け、採取したサンプルを円筒形の容器に詰めて、MSRキャンペーンで後日回収する予定である。ジェゼロは古代の湖底であり、地表サンプルの採取に適しているようだ。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}また、探査車のミッション期間が長いことを考慮し、サンプルを直接サンプルリターン着陸機に持ち帰る任務も割り当てられている。

2022年12月21日から、パーセベランス号は収集したサンプル10個を予備保管場所（スリーフォークス）に預けるキャンペーンを開始した。これは、パーセベランス号に問題が発生した場合でも、MSRキャンペーンが成功できるようにするためである。

NASA-ESAの計画^{[ 55 ]}は、3つのミッションを使用してサンプルを持ち帰ることです。2020年に打ち上げられ、現在運用中のサンプル収集ミッション（パーサビアランス）、サンプル回収ミッション（サンプル回収着陸機＋火星上昇機＋サンプル移送アーム＋インジェニュイティ級ヘリコプター2機）、そして帰還ミッション（地球帰還オービター）です。^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

NASAとESAの提案はまだ設計段階にあるが、サンプル収集の第1段階は現在、パーサビアランス探査車によって火星で実行されており、サンプル回収着陸機（第2段階）のコンポーネントは地球上でテスト段階にある。^{[ 4 ] [ 59 ] [ 60 ]} 2023年8月の時点で、後期の段階では大幅なコスト超過に直面していた。^{[ 61 ] [ 62 ]} 2023年11月、NASAは資金不足の可能性からプログラムを縮小したと報じられた。^{[ 63 ]} 2024年1月の時点で、予算とスケジュールの考慮事項により計画は継続的に精査されており、新たな見直し計画が検討されていた。^{[ 64 ]} 2024年4月、NASAは当初70億ドルと2033年のサンプルリターン予定だった費用が、受け入れられない110億ドルと2040年のリターンに更新されたと報告し、同機関はより良い解決策を探すことになった。^{[ 65 ]}

中国は、天問3号と呼ばれる火星サンプルリターンミッションの計画を発表した。^{[ 66 ]}このミッションは2028年後半に打ち上げられ、着陸機と上昇機は長征5号で、周回機と帰還モジュールは長征3B号で別々に打ち上げられる。サンプルは2031年7月に地球に持ち帰られる予定である。^{[ 67 ]}

以前の計画では、サンプル採取、上昇、軌道ランデブー、帰還飛行を含むすべてのミッション段階を実行できる大型宇宙船を使用する予定だった。これには超大型ロケットである長征9号が必要だった。 ^{[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]}別の計画では、天問1号を使用してサンプルを保管し、回収する予定だった。 ^{[ 71 ]}

フランスは長年にわたりサンプルリターンに取り組んできた。これには、返還されたサンプルを保管するための地球外サンプル保管施設の構想や、数多くの提案が含まれていた。彼らは、他国との共同ミッションの一環としてサンプルを採取して持ち帰る火星サンプルリターン軌道船の開発に取り組んできた。^{[ 72 ]}

2015年6月9日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、フォボスまたはダイモスからサンプルを回収する火星衛星探査（MMX）計画を発表した。^{[ 73 ] [ 74 ]}フォボスの軌道は火星に近く、その表面には火星から飛来した粒子が付着している可能性がある。^{[ 75 ]}地球からの打ち上げは2026年、地球への帰還は2031年に予定されている。^{[ 76 ] [ 77 ]}日本は国際的な火星サンプルリターンミッションへの参加にも関心を示している。

ロシアの火星サンプルリターンミッションのコンセプトはマーズ・グルントである。^{[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}これはフォボス・グルントの設計遺産を受け継いでいる。^{[ 79 ]} 2011年の計画では、周回機と着陸機（ただし、移動機能はなし）の2段階アーキテクチャが想定されており、^{[ 83 ]}着陸機の周囲からロボットアームでサンプルを収集する。^{[ 78 ] [ 84 ]}