のぞみ（Nozomi）の挑戦：火星探査機が辿った波乱の軌道とミッション

日本の宇宙開発史において、火星への到達を目指した探査機「のぞみ」の旅は、困難と格闘し続けた不屈の挑戦として記憶されています。高度な科学的目標を掲げて打ち上げられたこの機体は、予期せぬトラブルに見舞われながらも、地球や月の重力を利用して宇宙を旅しました。

Key Facts

• 打ち上げ日：1998年7月3日（M-Vロケット使用）
• 主な目的：火星の熱圏、外圏、および大気と太陽風の相互作用の調査
• 軌道戦略：月および地球のスイングバイ（重力アシスト）による加速
• 最大の障壁：燃料バルブの不具合および強力な太陽フレアによるシステム損傷
• 最終結果：火星への軌道投入は断念し、2003年12月に火星をフライバイ（通過）

旅の始まりと加速への戦略

1998年7月3日、のぞみはM-Vロケットによって宇宙へと送り出されました。当初は、近地点340km、遠地点40万kmという楕円形の地球周回軌道に投入されました。

火星という遠い目的地へ到達するためには、膨大な速度が必要です。そこで採用されたのが、天体の重力を利用して加速するスイングバイという手法でした。のぞみは1998年9月24日と12月18日の2回にわたり、月の重力を利用して軌道の遠地点をさらに引き上げました。

その後、12月20日には地球への接近（近地点約1000km）を行い、重力アシストと7分間のエンジン噴射を組み合わせて火星への脱出軌道に乗りました。しかし、この重要な局面で燃料バルブに不具合が発生し、燃料が漏出したことで、予定していた加速を得ることができなくなりました。その後の軌道修正にも想定以上の燃料を消費したため、当初の計画通りに火星へ到達することが困難となりました。

計画の変更と過酷な宇宙環境

当初の計画が頓挫した後、運用チームは新たなプランを策定しました。それは、太陽周回軌道に4年間留まり、2002年12月と2003年6月に再び地球のスイングバイを行うことで速度を調整し、2003年末から2004年初頭にかけて、より緩やかな相対速度で火星に接近するというものでした。

しかし、2002年4月に地球へ接近していた際、強力な太陽フレア（太陽表面で起こる爆発現象）に襲われました。これにより通信系と電源系に深刻なダメージを受け、姿勢制御用ヒーターの電源セルで短絡が発生。結果として、推進剤であるヒドラジンが凍結するという危機に陥りました。幸い、地球に接近して温度が上がると燃料は融解し、スイングバイのための軌道修正に成功しました。

最終局面と火星への接近

2003年6月19日、のぞみは再び地球の11,000km付近を通過しました。太陽に接近していたため燃料は完全に融解していましたが、運命の日は残酷でした。12月14日の火星軌道投入に向けて機体を方向付けようとしたところ、12月9日に制御不能となり、ミッションの継続を断念せざるを得なくなりました。

ここで懸念されたのが、意図せず火星に衝突し、地球の細菌で火星を汚染してしまうことでした。のぞみは着陸を想定して設計されていなかったため、厳格な滅菌処理がなされていなかったからです。そのため、小型スラスターを用いて最接近距離を1,000kmまで広げる措置が取られました。最終的に、のぞみは2003年12月14日に火星をかすめて通過し、その後は約2年の太陽周回軌道へと入りました。

本来計画されていた科学ミッション

もし計画通りに火星軌道に投入されていれば、のぞみは非常に極端な楕円軌道を周回する予定でした。近火星点（ペリアレイオン）を300km（後に150kmまで低下）とし、遠火星点（アポアレイオン）を火星半径の15倍に設定する計画でした。

この軌道を用いることで、高度の低い地点では熱圏や下部外圏の直接測定、および下層大気と表面のリモートセンシングを行い、高度の高い地点では火星から流出するイオンや中性ガスと太陽風の相互作用を研究するはずでした。また、火星の2つの衛星、フォボスとダイモスへの観測も予定されていました。

のぞみの本来のミッション計画概要

項目	計画内容
想定軌道	近火星点150〜300km / 遠火星点 火星半径の15倍
軌道傾斜角	黄道面に対して170度
運用期間	基本1火星年（約2地球年）、延長して3〜5年
主要観測対象	熱圏、下部外圏、太陽風との相互作用、衛星（フォボス・ダイモス）
安定化方式	7.5 rpmの回転安定（アンテナを地球に向ける）

Frequently Asked Questions

なぜのぞみは火星軌道に入ることができなかったのですか？

地球スイングバイ時の燃料バルブ不具合による燃料喪失と、その後の軌道修正での燃料消費、さらに太陽フレアによる電源・通信系の損傷が重なり、最終的に軌道投入に必要な姿勢制御ができなくなったためです。

「スイングバイ」とはどのような仕組みですか？

惑星や衛星などの天体が持つ重力を利用して、探査機の進行方向や速度を変更する航法です。少ない燃料で効率的に加速または減速できるため、深宇宙探査で頻繁に利用されます。

火星に衝突させないようにした理由は何ですか？

のぞみは軌道周回機であり、着陸を目的としていなかったため、地球上の微生物を除去する厳格な滅菌処理が行われていませんでした。もし衝突すれば、地球の細菌で火星を汚染し、将来の科学調査に悪影響を及ぼす恐れがあったためです。

太陽フレアが探査機にどのような影響を与えたのですか？

強力な電磁波や粒子線が機体を襲い、電源セルで短絡（ショート）が発生しました。これにより姿勢制御用のヒーターが機能しなくなり、推進剤であるヒドラジンが凍結するという深刻な事態を招きました。

のぞみが本来調査しようとしていたことは何ですか？

火星の極めて薄い大気層である熱圏や外圏の組成を調べ、火星から宇宙空間へガスやイオンがどのように逃げ出しているか、またそれが太陽風とどのように反応しているかを解明することを目指していました。