マーズ・パスファインダー

マーズ・パスファインダーは、アメリカ航空宇宙局 JPLがディスカバリー計画の一環として行った火星探査計画、またはその探査機群の総称である。1996年12月4日に地球を発ち、7か月の後、1997年7月4日に火星に着陸した。

この計画で、マーズ・パスファインダーは約1万6000枚の写真と、大量の大気や岩石のデータを送信した。1976年のバイキング2号以来、実に20年ぶりに火星に着陸した探査機となった。

また、従来のロケット推進を用いた軟着陸ではなく、惑星探査の低コスト化を図るためにエアバッグに全体を包み込んで惑星表面に突入し、地表でバウンドさせるという独特の着陸システムを確立し、以降の火星探査に大きく貢献することとなった。

1. 概要
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マーズパスファインダー探査機は火星地表に着陸する探査車を中心とし、ローバーを火星まで送り届けるための宇宙機、ローバーを着陸させるためのエアバッグを装備した着陸機、それらを保護するエントリーカプセルからなる。探査機は約7か月をかけて地球から火星へ飛行し、火星周回軌道にはいることなく直接火星大気圏に突入した。火星大気圏突入後、エントリーカプセルはパラシュートとロケット噴射で減速した後、エアバッグに包まれた着陸機を切り放した。エアバッグに包まれた着陸機は少くとも15回はバウンドし、最初の一回は15.7mバウンドしたものと計測されている。

落下した着陸機は正四面体の形状をしており、エアバッグのガスを抜いた後に花びらのように展開、その後、内部に搭載されていたローバーに日の出とともに太陽電池により電力が供給されて起動し、ローバーは着陸機を中継して地球との通信を行いつつ探査を行った。ローバーは六輪の自律的駆動が可能な電気駆動車で、岩などの障害物を判別して回避することができた。電源は太陽電池であるが、保温用に少量のプルトニウムを搭載している。

ローバーはアメリカの女性公民権運動家ソジャーナ・トゥルースにちなみ「ソジャーナ」と命名された。着陸後には通信の中継器として使用された無人基地は「カール・セーガン記念基地」と名付けられた。

この計画の目的は科学的探査のみならず、「より早く、より良く、より安い」宇宙探索を開発するディスカバリー計画においてそれが可能であることを実証し、その名の示すとおりパスファインダーは火星への安価な経路を開拓することであった。

2004年に火星に到着したマーズ・エクスプロレーション・ローバーも同様のエアバッグを用いる方法で二機の探査機を無事投入している。しかし、2004年に同様のエアバッグ手法で火星着陸を目指した欧州宇宙機関のビーグル2号は火星への降下中に通信途絶となった。

パスファインダーの開発期間は3年で、打ち上げ費用、運用費用を含む総費用も2億8000万USドルに抑えられている。火星探査にかかったコストで比較すると、バイキング計画の約1/5となる。

ローバーは非常に小型で、質量10.6キログラム、65cm x 48cm x 30cm と人間が抱えて持ち上げられるほど小さい。後のMERやマーズ・サイエンス・ラボラトリーではさらに大きなローバーが投入された。

この探査により、火星に古くは水が存在したことが明らかになった。

2. 着陸の詳細
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着陸地点としてはエリーズ渓谷が選ばれた。この付近は着陸するのに安全であるのと、過去に火星に存在した水による洪水によって堆積物があると予想されたためである。

着陸のシーケンスは以下の通り。

7月4日、6.1km/sの速度で火星大気圏突入
これ以降、探査機は搬送波のみ送信し、各イベント時にはシグナルを送信。地球ではドップラー効果により探査機の速度を計測。
耐熱シェルによる空気ブレーキングで370m/sまで減速
直径約11mのパラシュートを展開し68m/sまで減速
20秒後、耐熱シェルを分離
20秒後、着陸機がエアロシェルから分離され、20mのロープでぶら下がる
高度1.6kmまで火星大気を観測
高度335m地点にてエアバッグを展開
高度96m地点にて固体ロケット噴射
2.3秒後、高度21.5m地点にてロープを切断
14m/sで火星地表に衝突
エアバッグにより、最初の一回は15.7mの高さまでバウンド
少くとも15回バウンドし、静止
16時55分55秒、火星に着陸
エアバッグのガス除去
着陸から74分後、基地の展開を終了
21時00分 火星の着陸地点において日の出。第1火星日の始まり。
同時刻、着陸後最初の通信が成立火星の暦で翌日、写真よりエアバッグの一つが完全にしぼんでいないことが確認され、ローバーの地表への移動の障害になることが予想された。そこで地上からの指示により着陸機のパネルを一つ動かし、無事ローバーを火星上に移動させた。

3. 科学的探査
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着陸機にはImager for Mars Pathfinder、Atmospheric Structure Instrument/Meteorology Packageの二つの観測装置が搭載が搭載され、これらにより火星の磁力・気圧・温度・風の観測が行われた。

ローバーは秒速1センチメートルの速度で移動でき、通信中継基地をかねる着陸機を中心として半径500mを走行できた。

ローバーに搭載されたαプロトンX線分光計は岩石に含まれる元素を0.1%の精度で検出した。その結果、地球の安山岩、玄武岩に似た組成を持つ石が発見され、それぞれできた年代が異なる石が複数発見されたことから、かつて洪水によってこれらの石が運ばれたのではないかと考えられ、太古の火星に水があった証拠の一つとされた。

ローバーは前面にステレオモノクロカメラ1対、後部に1つのカラーカメラを搭載し、83火星日の間に550枚の画像を地球に送信し、16の化学的成分分析を行った。

4. ミッションの終了
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当初、1週間から1か月が寿命であろうと考えられていたローバーと着陸機であるが、着陸から83火星日後の9月27日10時23分にパスファインダーとの通信が途絶するまで約3か月間、駆動した。NASAは1998年3月10日までコンタクトの復元を試みたが、10月7日に短い信号を受信したのみで通信は回復しなかった。

通信途絶の原因は分かっていないが、ローバーではなく着陸機が低温のため故障した可能性が指摘されている。この場合、ローバーはあらかじめ「地球との通信が一定時間途絶した場合、着陸機に近づくこと、ただし着陸機には乗ってはいけない」とプログラムされていたことから、カール・セーガン記念基地のまわりをさながら子犬のごとく廻っていたであろうと考えられる。

5. 経過
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1996年12月4日: ケープカナベラル空軍基地より、デルタIIロケットで打ち上げ。
1997年1月10日・2月3日・5月6日・6月25日: 軌道修正
1997年7月4日: 火星に着陸。
1997年7月6日: 小型探査車「ソジャーナ」が動作を開始。
1997年9月27日: 着陸機が最後のデータを送信。最終的に、着陸機は予想された寿命の3倍、探査車は12倍の期間、活動を続けた。

6. 着陸場所
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7. 登場作品
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『コンバットチョロQ』 　戦闘装備したソジャーナが登場 『レッドプラネット』 　2000年公開のアメリカ映画。 『The Martian』アンディ・ウィアー 　2011年刊行の小説。 映画『The Martian』 　アンディ・ウィアー原作、リドリー・スコット監督　2015年公開。作中に登場した物は全体的にサイズが小さくなっている。

8. 外部リンク
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[3] - 月探査情報ステーション