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バイキング計画は、 1975年に打ち上げられ、 1976年に火星に着陸した、バイキング1号とバイキング2号という2機の同一のアメリカの宇宙探査機で構成されていた。 [ 1 ]このミッションは1968年に始まり、NASAラングレー研究センターが管理していた。[ 4 ]各宇宙船は、軌道上から火星の表面を撮影する周回機と、表面から惑星を調査する着陸機の2つの主要部分で構成されていた。周回機は、着陸機が着陸した後、通信中継機としても機能した。
バイキング計画は、NASAのそれ以前の、さらに野心的なボイジャー火星探査計画から発展したもので、1970年代後半に成功を収めたボイジャー深宇宙探査機とは関係がありませんでした。バイキング1号は1975年8月20日に、2号機のバイキング2号は1975年9月9日に打ち上げられ、どちらもセントール上段を備えたタイタンIIIEロケットに搭載されました。バイキング1号は1976年6月19日に火星周回軌道に入り、バイキング2号は8月7日にそれに続きました。
火星を1か月以上周回し、着陸地点選定に用いる画像を送信した後、周回機と着陸機は分離した。その後、着陸機は火星の大気圏に突入し、選定された地点に軟着陸した。バイキング1号着陸機は、バイキング2号が軌道に到着する2週間以上前の1976年7月20日に火星表面に着陸した。バイキング2号は9月3日に軟着陸に成功した。周回機は軌道上から画像撮影やその他の科学観測を続け、着陸機は火星表面に観測機器を展開した。この計画は1982年に終了した。
プロジェクトの費用は、打ち上げ当時およそ10億米ドルで、 [ 5 ] [ 6 ] 2024年のドル換算で約60 億ドルに相当する。[ 7 ]このミッションは成功したとみなされ、1990年代後半から2000年代初頭にかけての火星に関する知識の大部分を形成した。[ 8 ] [ 9 ]
2機のバイキング周回機の主な目的は、着陸機を火星に輸送し、偵察を行い着陸地点を特定して認証し、着陸機の通信中継機として機能し、独自の科学調査を行うことでした。以前のマリナー9号宇宙船をベースにした各周回機は、一辺約2.5メートル（8.2フィート）の八角形でした。燃料を満載した周回機と着陸機のペアの質量は3,527 kg（7,776ポンド）でした。分離と着陸後、着陸機の質量は約600 kg（1,300ポンド）、周回機の質量は900 kg（2,000ポンド）でした。打ち上げ時の総質量は2,328 kg（5,132ポンド）で、そのうち1,445 kg（3,186ポンド）は推進剤と姿勢制御ガスでした。リング状構造の 8 つの面は高さ0.457 m (18インチ)で、幅は交互に 1.397 m (55 インチ)と 0.508 m (20インチ)でした。全体の高さは、底部の着陸機取り付けポイントから上部の打ち上げロケット取り付けポイントまで3.29 m (10.8フィート)でした。モジュール式の区画は 16 個あり、4 つの長い面にそれぞれ 3 つずつ、短い面にそれぞれ 1 つずつありました。4 枚のソーラーパネルの翼がオービターの軸から伸びており、反対方向に伸びた 2 つのソーラーパネルの先端間の距離は9.75 m (32フィート)でした。
主推進装置はオービターバスの上部に搭載された。推進力は、二成分燃料（モノメチルヒドラジンと四酸化二窒素）の液体燃料ロケットエンジンによって供給され、最大9度までジンバル制御が可能であった。このエンジンは1,323 N （297 lbf ）の推力を発生させ、 1,480 m/s（3,300 mph）の速度変化をもたらすことができた。姿勢制御は、12個の小型圧縮窒素ジェットによって行われた。
太陽捕捉センサー、巡航太陽センサー、カノープス・スター・トラッカー、そして6つのジャイロスコープからなる慣性基準装置により、3軸安定化が可能となった。さらに、2つの加速度計も搭載されていた。
通信は、 20 W Sバンド（2.3 GHz）送信機と2台の20 W TWTAによって行われた。特に電波科学と通信実験を行うために、Xバンド（8.4 GHz）ダウンリンクも追加された。アップリンクはSバンド（2.1 GHz）経由であった。直径約1.5 mの2軸可動式パラボラアンテナがオービター基部の片端に取り付けられ、固定式の低利得アンテナがバスの上部から伸びていた。2台のテープレコーダーはそれぞれ1280メガビットの記録が可能であった。381 MHzの中継無線機も利用可能であった。
2機の周回機への電力は、各翼に2枚ずつ、計8枚の1.57m × 1.23m （62インチ× 48インチ）の太陽電池パネルによって供給された。これらの太陽電池パネルは合計34,800個の太陽電池で構成され、火星で620Wの電力を生成した。電力は、2個のニッケルカドミウム30A・h電池にも蓄えられた。
4枚のパネルの合計面積は15平方メートル（160平方フィート）で、安定化された直流電力と安定化されていない直流電力の両方を供給した。安定化されていない電力は、無線送信機と着陸機に供給された。
2つの30アンペア時のニッケルカドミウム充電式バッテリーは、宇宙船が太陽に面していないとき、打ち上げ時、修正マニューバの実行中、および火星掩蔽中に電力を供給した。[ 10 ]
探査機からの画像によって、大量の水によって形成される典型的な地質学的形態が数多く発見され、火星の水に関する私たちの考え方に革命がもたらされました。多くの地域で巨大な河川の谷が発見されました。これらの画像は、洪水がダムを突破し、深い谷を刻み、岩盤に溝を侵食し、数千キロメートルも移動したことを示しています。南半球の広範囲にわたって分岐した河川網が存在し、かつて雨が降っていたことを示唆しています。いくつかの火山の斜面は、ハワイの火山に見られる斜面に似ていることから、降雨にさらされていたと考えられています。多くのクレーターは、衝突体が泥の中に落ちたように見えます。クレーターが形成されたとき、土壌中の氷が溶けて地面が泥になり、地表を流れた可能性があります。通常、衝突によって生じた物質は上昇してから下降します。火星のクレーターの一部に見られるように、障害物を迂回して地表を流れることはありません。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]「混沌地形」と呼ばれる地域では、大量の水が急速に失われ、大きな水路が形成されたようです。関係する水の量は、ミシシッピ川の流量の1万倍と推定されています。[ 14 ]地下の火山活動によって凍った氷が溶け、水が流れ去り、地面が崩壊して混沌地形が残った可能性があります。
各着陸機は、長さが 1.09 m (43 インチ) と 0.56 m (22インチ)の辺が交互に配置された 6 面アルミニウムベースで構成され、短い辺に取り付けられた 3 本の延長脚で支えられていた。脚のフットパッドは、上から見ると辺の長さが2.21 m (7.3フィート)の正三角形の頂点を形成し、ベースの長い辺は隣接する 2 つのフットパッドと一直線になっていた。計測機器はベースの内部と上部に取り付けられ、延長脚によって表面から持ち上げられていた。[ 15 ]
各着陸機は、突入段階で着陸機の速度を落とすように設計されたエアロシェル耐熱シールドで覆われていました。地球の生物による火星の汚染を防ぐため、各着陸機は組み立てられエアロシェル内に収められた後、加圧された「バイオシールド」で覆われ、その後111 ℃（232 °F）の温度で40時間滅菌されました。熱的な理由から、バイオシールドのキャップは、セントール上段がバイキング軌道船/着陸機を地球軌道から打ち上げた後に切り離されました。[ 16 ]
天文学者のカール・セーガンは、バイキング探査機2機の着陸地点の選定に協力した。[ 17 ]
各着陸機は周回機に取り付けられた状態で火星に到着した。着陸機が周回機から分離され、火星表面への降下を開始する前に、着陸機は火星を何度も周回した。降下は、軌道離脱噴射から始まる4つの異なる段階から構成されていた。その後、着陸機は大気圏突入を経験し、火星大気との摩擦加熱開始から数秒後に加熱のピークを迎えた。高度約6キロメートル（3.7マイル）、時速900キロメートル（600 マイル）の速度で、パラシュートが展開し、エアロシェルが分離され、着陸機の脚が展開した。高度約1.5キロメートル（5,000フィート）で、着陸機は3基の逆噴射エンジンを作動させ、パラシュートから分離された。その後、着陸機は直ちに逆噴射ロケットを使用して降下速度を減速および制御し、火星表面に軟着陸した。 [ 18 ]
着陸時（ロケット燃料使用後）の着陸機の質量は約600kgだった 。
軌道離脱のための推進力は、単一推進剤であるヒドラジン（N₂H₄ ）によって供給され、 3つずつ4つのクラスターに配置された12個のノズルを備えたロケットによって、32ニュートン（7.2ポンドf ）の推力が発生し、180m /s（590フィート/秒）の速度変化が得られた。これらのノズルは、着陸機の並進運動と回転のための制御スラスタとしても機能した。
着陸時の最終降下（パラシュート使用後）には、 3基の（基部の長辺の両側に1基ずつ、120度間隔で取り付けられた）モノプロペラント・ヒドラジンエンジンが使用された。エンジンには、排気を分散させて地上への影響を最小限に抑えるためのノズルが18個あり、推力は276～2,667ニュートン（62～600ポンドf ）の範囲で調整可能であった。ヒドラジンは、火星表面が地球の微生物で汚染されるのを防ぐために精製された。着陸機は打ち上げ時に85kg（187ポンド）の推進剤を搭載しており、これはRTG風防の下、着陸機の反対側に取り付けられた2つの球形チタンタンクに収められており、打ち上げ時の総質量は657kg （1,448ポンド）であった。操縦は、慣性基準装置、4つのジャイロスコープ、レーダー高度計、終末降下・着陸レーダー、および制御スラスタを用いて行われた。
電力は、着陸船の基部の反対側に取り付けられ、風防で覆われたプルトニウム238を含む2つの放射性同位体熱電発電機（RTG）ユニットによって供給されました。各バイキングRTG [ 19 ]は、高さ28cm （11インチ） 、直径58cm （23インチ）、質量13.6kg （30ポンド）で、4.4ボルトで30ワットの連続電力を供給しました。ピーク電力負荷に対応するため、8Ah（28,800クーロン）、28ボルトのニッケルカドミウム密閉型湿式電池4個も搭載されていました。
通信は、2本の進行波管を使用した20ワットのSバンド送信機によって行われた。着陸機の基部の一方の端近くのブームには、2軸可動式の高利得パラボラアンテナが取り付けられていた。基部からは、無指向性の低利得Sバンドアンテナも伸びていた。これらのアンテナはいずれも地球との直接通信を可能にし、バイキング1号が両方のオービターが故障した後も長期間にわたって運用を継続することを可能にした。UHF （381MHz）アンテナは、30ワットのリレー無線機を使用してオービターへの一方向リレーを提供した 。データは40Mビットのテープレコーダーに保存され、着陸機のコンピュータにはコマンド命令用の6000ワードのメモリが搭載されていた。
着陸機には、着陸ミッションの主要な科学目標である、火星の表面と大気の生物学、化学組成（有機物と無機物）、気象学、地震学、磁気特性、外観、および物理的特性を研究するための機器が搭載されていました。 2 台の 360 度円筒形スキャン カメラが、ベースの長い側面の近くに取り付けられていました。この側面の中心から、先端にコレクター ヘッド、温度センサー、および磁石が付いたサンプラー アームが伸びていました。温度、風向、および風速センサーを保持する気象観測ブームが、着陸機の脚の 1 つの上部から外側上方に伸びていました。地震計、磁石、カメラテスト ターゲット、および拡大鏡は、カメラの反対側、高利得アンテナの近くに取り付けられていました。内部の環境制御された区画には、生物学実験装置とガス クロマトグラフ質量分析計が収められていました。X線蛍光分光計も構造内に取り付けられていました。圧力センサーは着陸機本体の下に取り付けられていました。科学ペイロードの総質量は約91 kg (201 lb)でした。
バイキング着陸船は、NASAの主任科学者ジェラルド・ソフェンの指揮の下、3つの異なるチームが設計した実験によって、火星の土壌に生命が存在するかどうか（存在する場合）を検出することを目的とした生物学的実験を実施した。1つの実験では代謝（現在の生命）の検出に陽性反応が出たが、土壌中に有機分子が全く検出されなかった他の2つの実験の結果に基づき、ほとんどの科学者は、陽性反応は土壌の強い酸化状態による非生物的な化学反応が原因である可能性が高いと確信するようになった。[ 20 ]
ミッション中にNASAは、バイキング着陸船の結果では2つの着陸地点の土壌に決定的なバイオシグネチャーは確認されなかったと発表したが、試験結果とその限界については現在も評価中である。陽性の「ラベル付き放出」（LR）結果の妥当性は、火星の土壌に酸化剤が存在しないことに完全に依存していたが、後にフェニックス着陸船によって過塩素酸塩の形で酸化剤が発見された。[ 21 ] [ 22 ]バイキング1号とバイキング2号の両方で分析された土壌には有機化合物が存在していた可能性があるが、2008年にフェニックスによって検出された過塩素酸塩の存在により見過ごされたと提案されている。 [ 23 ]研究者らは、過塩素酸塩は加熱すると有機物を破壊し、クロロメタンとジクロロメタンを生成することを発見した。これらは、両方のバイキング着陸船が火星で同じ試験を行ったときに発見した同一の塩素化合物である。[ 24 ]
火星における微生物生命の存在という問題は未解決のままである。しかしながら、2012年4月12日、国際的な科学者チームが、 1976年のバイキング計画の標識放出実験の複雑性分析による数学的推測に基づいた研究を発表し、「火星に現存する微生物生命」の検出を示唆する可能性があると述べた。[ 25 ] [ 26 ]さらに、ガスクロマトグラフ質量分析計（GCMS）の結果の再検証による新たな知見が2018年に発表された。[ 27 ]
画像処理チームのリーダーは、ロードアイランド州プロビデンスにあるブラウン大学の地質学者、トーマス・A・マッチ氏だった。このカメラは可動式の鏡を使って12個のフォトダイオードを照射する。12個のシリコンダイオードはそれぞれ異なる周波数の光に感度を持つように設計されている。
複数の広帯域ダイオード（BB1、BB2、BB3、BB4と命名）が、着陸機から6～43フィートの距離で正確に焦点を合わせるように配置されている。[ 28 ] 低解像度の広帯域ダイオードはSURVEYと命名された。[ 28 ]また、カラー画像を取得するための狭帯域低解像度ダイオードが3つ（BLUE、GREEN、REDと命名） 、赤外線画像を取得するためのダイオードが3つ（IR1、IR2、IR3）ある。[ 28 ]
カメラは毎秒 5 本の垂直走査線でスキャンし、各走査線は 512 ピクセルで構成されていた。300 度のパノラマ画像は 9150 本の走査線で構成されていた。カメラのスキャン速度が遅かったため、画像システムの開発中に撮影されたクルーショットでは、カメラがスキャンするにつれてメンバーが動いたため、数人のメンバーがショット内に何度も映り込んでいる。[ 29 ] [ 30 ]
バイキング着陸船は、 18K のメッキ線メモリを備えた 2 台のHoneywell HDC 402 24 ビットコンピュータで構成される誘導制御シーケンス コンピュータ (GCSC) を使用し、バイキング周回機は、カスタム設計された 2 台の 18 ビットシリアル プロセッサを使用したコマンド コンピュータ サブシステム (CCS) を使用しました。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
2機のオービターの費用は 当時2億1700万ドルで、2024年のドル換算で約10億ドルに相当します。[ 35 ] [ 36 ]このプログラムで最も高額だったのは着陸機の生命探知ユニットで、当時約6000万ドル、2024年のドル換算で4億ドルに相当します。[ 35 ] [ 36 ]バイキング着陸機の設計開発には3億5700万ドルかかりました。[ 35 ]これはNASAの「より速く、より良く、より安く」というアプローチより数十年も前のことで、バイキングは冷戦と宇宙開発競争の余波によってもたらされた国家的な圧力の下、前例のない技術を開拓する必要がありました。すべては地球外生命を初めて発見できる可能性という見込みの下でのことでした。[ 35 ]実験は、 1つの失敗で複数の実験の帰還を妨げてはならないという1971年の特別な指令に従う必要がありました。これは4万個以上の部品からなる装置にとって困難で費用のかかる作業でした。[ 35 ]
バイキングのカメラシステムの 開発費用は2,730万ドルで、2024年のドル換算で約2億ドルに相当します。[ 35 ] [ 36 ]イメージングシステムの設計が完了したとき、その高度な設計を製造できる人を見つけるのは困難でした。[ 35 ]プログラムマネージャーは、特に画像が次々と送られてきたときに、よりシンプルで高度ではないイメージングシステムを採用するよう求める圧力を退けたことで後に称賛されました。[ 35 ]しかし、このプログラムは3番目の着陸機を削減し、着陸機での実験の数を減らすことでいくらかの費用を節約しました。[ 35 ]
NASAによると、 このプログラムには1970年代のドル換算で10億ドルが費やされたとのことです[ 5 ] [ 6 ]。インフレ調整して2024年のドル換算にすると約60億ドルになります[ 36 ] 。
バイキング計画は1983年5月21日に終了した。火星との衝突が差し迫っているのを防ぐため、バイキング1号探査機の軌道は1980年8月7日に引き上げられ、その10日後に停止された。2019年以降、火星表面への衝突と汚染の可能性が考えられる。[ 5 ]
バイキング1号着陸船は、 2006年12月に火星偵察オービターによって計画着陸地点から約6キロメートル離れた場所にあることが発見された。[ 37 ]
各「バイキング」着陸船には、ミッションに携わった数千人の名前が記録されたマイクロフィルムの小さな点が搭載されていた。[ 38 ]パイオニアの銘板やボイジャーのゴールデンレコードなど、それ以前およびそれ以降のいくつかの宇宙探査機にはメッセージアーティファクトが搭載されていた。後の探査機には、ミッションに名前を登録した約1100万人を称えるパーサビアランス探査車のように、記念碑や名前のリストも搭載されていた。
