guicheng 2011/09/17 エンド・ゴール サイエンスカフェ @クラシティ半田 星の海へ、漕ぎ出そう guicheng 2011/09/17 エンド・ゴール サイエンスカフェ @クラシティ半田

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イントロダクション

大航海時代 15世紀中頃から17世紀中頃までの、ヨーロッパ人による海外進出の時代 1492年 コロンブス 新大陸発見 1519～1521年 マゼラン艦隊 世界一周 1497～1498年 バスコ・ダ・ガマ インド航路発見

大航海時代 「大航海時代」とは、ヨーロッパからアジアへの航路発見の歴史。 現在では地球上のほぼどこへでも行けるようになった。 貿易により、ヨーロッパでは貴重な香辛料を得ることが目的だった。 その後、「大通商時代」へと移行する。 現在では地球上のほぼどこへでも行けるようになった。 船舶の大型・高性能化による。 しかし、航路の重要性は現在も廃れていない。 より効率的に移動するためには、適切な航路を選択する必要がある。

宇宙大航海時代 現在は「宇宙大航海時代」である。 今回は「軌道」の視点から、日本の深宇宙探査の歴史を振り返ってみる。 適切な「航路(＝軌道)」をたどらなければ目的地へたどり着けない時代。 星系内を好き勝手に移動するには至っていない。 今でも「航路」の開拓が行われている。 もちろん、「船」の高性能化も積極的に研究されている。 今回は「軌道」の視点から、日本の深宇宙探査の歴史を振り返ってみる。 「深宇宙」とは月より向こう側の世界。惑星探査など。

日本の深宇宙探査機 さきがけ(MS-T5 1985年) すいせい(PLANET-A 1985年) ひてん(MUSES-A 1991年) GEOTAIL(1992年) のぞみ(PLANET-B 1998年) はやぶさ(MUSES-C 2003年) あかつき(PLANET-C 2010年) IKAROS(2010年)

さきがけ（MS-T5) すいせい（PLANET-A)

さきがけ(MS-T5)・すいせい(PLANET-A) アンテナ 撮像装置 打上 1985年1月8日(M-3SII 1号機) 本体寸法 直径1.4m、高さ70cm(円筒形) 質量 138kg 運用停止 1999年1月7日 打上 1985年8月19日(M-3SII 2号機) 本体寸法 直径1.4m、高さ70cm(円筒形) 質量 140kg 運用停止 1991年2月22日 ⒸJAXA/ISAS

さきがけ(MS-T5)・すいせい(PLANET-A) ハレー彗星探査機 米ソ欧の探査機とともに「ハレー艦隊」の一角 ICE(アメリカ)、ベガ1号・2号(ソ連)、ジオット(ヨーロッパ)、さきがけ・すいせい(日本)を合わせて「ハレー艦隊」と呼ぶ。 日本初の深宇宙探査機 初めてづくしの技術開発 世界初の全段固体ロケットによる惑星間軌道投入 この技術を持っているのは日本だけ

深宇宙探査に必要な要素 惑星間軌道へ投入できるロケット ハレー彗星を観測する探査機 深宇宙と通信する地上局 探査機を導く惑星間航行技術 M-3SII ハレー彗星を観測する探査機 さきがけ・すいせい 深宇宙と通信する地上局 臼田64mパラボラアンテナ 探査機を導く惑星間航行技術 惑星間航法ソフトウェア

ロケットエンジンの概要 固体燃料ロケット 液体燃料ロケット 酸化剤(液体酸素) 燃料(ポリブタジエン) ＋酸化剤(過塩素酸カリウム) 燃料(液体水素) 燃焼室

ロケットエンジンの特徴比較 固体燃料ロケット 液体燃料ロケット 短時間で準備できる。 構造が単純で安価。 推力・燃焼時間の調整ができない。 推力が大きい 推力・燃焼時間の調整ができる。 ⇒ 低軌道への小型衛星の打ち上げ、補助ロケットとして使用する。 ⇒ 大型・重量物の打ち上げ、惑星間軌道への投入に使用する。

M3-SIIの特徴 全段固体燃料の三段式ロケット 重力ターン打ち上げ方式を採用。 探査機を惑星間軌道に投入可能。 オプションでキックモーター(固体燃料)を搭載可能。事実上の四段目。 重力ターン打ち上げ方式を採用。 一段目は無誘導。 探査機を惑星間軌道に投入可能。 ⇒ 推力・燃焼時間の調整ができない風まかせのロケットで、惑星間軌道投入という高出力・高精度の打ち上げが可能。

M-3SIIの特徴 全段に固体燃料を採用した3段式ロケット。 打ち上げ方式として斜め打ち上げによる重力ターン式を採用。 オプションとしてキックモーター(事実上の4段目)を搭載可能。 打ち上げ方式として斜め打ち上げによる重力ターン式を採用。 つまり、一段目は無誘導。言い換えれば「風まかせ」。 キックモーターを使用することで、探査機を惑星間軌道に投入可能。 しかも超高精度。初号機は衛星側での軌道修正の必要がなかった。

さきがけ・すいせいの軌道 ハレー彗星 目標へ直行する、非常に素朴な軌道。ゆえに、探査機は軽量にならざるを得ない。 太 地 「さきがけ」打ち上げ 1985/1/8 ハレー彗星 目標へ直行する、非常に素朴な軌道。ゆえに、探査機は軽量にならざるを得ない。 太 地 「すいせい」打ち上げ 1985/8/19 「さきがけ」再接近 1986/3/11 「すいせい」最接近 1986/3/8

さきがけ・すいせいの軌道 目標へ直行する、非常に素朴な軌道。 当時(1985年打上)の日本には直行軌道以外を選択するだけの技術がなかった。 ゆえに、探査機は軽量にならざるを得ない。 しかし、間違いのない軌道でもある。 2010年打上の「あかつき」は、直行軌道を採用した。 ロケットのパワーアップが最大の要因。 当時(1985年打上)の日本には直行軌道以外を選択するだけの技術がなかった。 1990年打上の「ひてん」でスイングバイ技術を習得。

ひてん(MUSES-A)

ひてん(MUSES-A) ⒸJAXA/ISAS 打上 1990年1月24日(M-3SII 5号機) 本体寸法 直径1.4m、高さ79cm(円筒形) 質量 197kg 運用停止 1993年4月11日(月面落下) ⒸJAXA/ISAS

ひてん(MUSES-A) スイングバイ技術の習得 エアロブレーキングの実証 天体の公転を利用して加減速 GEOTAILの予行演習として、二重月スイングバイの実証。 太陽の摂動を利用した月周回軌道への投入 月スイングバイ+太陽重力で近地点高度を引き上げ、月スイングバイで月公転軌道に合わせた後に月周回軌道投入。 この軌道はLUNA-Aで採用されるはずだった。 エアロブレーキングの実証 空気抵抗を利用した減速 SF用語が単なる技術用語に転落した瞬間。

スイングバイとは、速度を変えつつ楕円を乗り換える技術 公転方向の後を通すと 最終速度が上がる ＝加速スイングバイ 公転方向の前を通すと 最終速度が下がる ＝減速スイングバイ スイングバイとは、速度を変えつつ楕円を乗り換える技術

二重月スイングバイ 二重月スイングバイの実施は世界でも「ひてん」「GEOTAIL」「のぞみ」の3機のみ。いずれも日本の探査機。 月 月 地

ひてんの軌道 スイングバイをはじめとする軌道制御技術を習得。 世界初の二重月スイングバイを実証。 スイングバイのほか、エアロブレーキングなど。 世界初の二重月スイングバイを実証。 二重月スイングバイの実施は「ひてん」のほか、「GEOTAIL」と「のぞみ」のみ。 日本の独自技術。 太陽摂動を利用した月周回軌道投入経路を開拓。 従来の1/3程度の燃料消費量。

のぞみ(PLANET-B)

のぞみ(PLANET-B) ⒸJAXA/ISAS 打上 1998年7月4日(M-V 3号機) 寸法 1.6m×1.6m×0.58m 質量 541kg 運用停止 2003年12月9日 ⒸJAXA/ISAS

のぞみ(PLANET-B) 日本初の火星探査機 計画軌道も修正軌道も奇想天外。 懸命の救出運用が続けられるも、火星周回軌道投入失敗 地球スイングバイ時にトラブルが発生し、当初予定の火星遷移軌道を取れなかった。 計画軌道も修正軌道も奇想天外。 精緻を極める軌道計画 懸命の救出運用が続けられるも、火星周回軌道投入失敗 1bit通信をはじめとする緊急運用能力を取得した。

「のぞみ」の軌道 火 ロケットが非力なため、火星に重量物を投入するには 前準備として複雑な軌道を採用せざるを得なかった。 地 地球パワースイングバイ 1998/12/20 地 エンジンが途中で止まるトラブル発生！ ⇒火星へ向かう軌道に乗れなくなった 第一回月スイングバイ 1998/9/24 月 第二回月スイングバイ 1998/12/18 火 ロケットが非力なため、火星に重量物を投入するには 前準備として複雑な軌道を採用せざるを得なかった。

「のぞみ」の新軌道 速度と時間を稼ぐために北天方向へ跳ね上げる軌道を採用 ⒸJAXA/ISAS

のぞみの軌道 二重月スイングバイ＋地球パワースイングバイを採用した火星周回軌道投入計画。通称「バナナンオービット」。 ロケットの非力が最大の原因。 日本は非常に高度な軌道計画能力を持つに至った。 パワースイングバイ時にトラブル発生。 黄道面を大きく外れた修正軌道 軌道計画のセオリーを外れた奇想天外な軌道。 「絶対にあきらめない」伝統のはじまり。

はやぶさ(MUSES-C)

はやぶさ(MUSES-C) ⒸJAXA/ISAS 打上 2003年5月9日(M-V 5号機) 寸法 1m×1.6m×2m 質量 510kg 運用停止 2010年6月13日(消滅) ⒸJAXA/ISAS

はやぶさ(MUSES-C) イオンエンジン搭載 地球スイングバイ 自律航行 メインエンジンとしての採用は世界初 累計4万時間を超える稼働実績 往路・復路ともにほぼ吹きっぱなし 地球スイングバイ イオンエンジン併用は世界初 自律航行 「はやぶさ」が自分で考えて航行する。 地上側の運用は圧倒的に省力化した。

イオンエンジンの特徴 燃費がいい 推力が極端に小さい 液体ロケットエンジンの数倍に達する。 全力でも一円玉一枚を持ち上げる程度。 少ない燃料で大きな加速を得られる 推力が極端に小さい 全力でも一円玉一枚を持ち上げる程度。 地上からの打ち上げに使用することは不可能 宇宙空間で長時間運転するタイプ 液体ロケットエンジンが数分で燃え尽きるのに対して、イオンエンジンは数千時間運転する

はやぶさのイオンエンジン 世界初の要素 効果 マイクロ波誘電方式 圧倒的な長寿命化(保証寿命：14000時間)。 探査機のメインエンジンとして採用 燃費の向上。 地球スイングバイとの併用 イオンエンジンによる超高精度航行技術を確立。 累計4万時間に及ぶ宇宙空間での動作実績 宇宙空間での使用実績を積んだ。ただし、4機合計の累積時間で、一機あたりでは最大14000時間。 クロスドライブ 異なる中和器とイオン源の組み合わせによる動作。イオンエンジンのロバスト性を上げた。 超高精度誘導 イオンエンジンのみの運用でリエントリーカプセルを目標のど真ん中に落とした。

「はやぶさ」の軌道 ⒸJAXA/ISAS

はやぶさの軌道 イオンエンジンをメインエンジンとする航行。 イオンエンジン併用の地球スイングバイを実施。 完璧なリエントリーカプセル投入。 時々刻々と軌道が変わっていくため、運用は困難を極める。 イオンエンジン併用の地球スイングバイを実施。 秒速30kmの速度ながら、許される誤差はわずか直径1km。 完璧なリエントリーカプセル投入。 満身創痍ながらも、目標のど真ん中に落とした。

まとめ 「さきがけ」に始まる日本の新宇宙探査技術は連綿と受け継がれている。 プロジェクトごとに大きく成長してきた。 航行技術に限らず、すべての要素が対象。 例) 「GEOTAIL」の磁気遮蔽技術は「のぞみ」「はやぶさ」「かぐや」にも生かされている プロジェクトごとに大きく成長してきた。 特に「のぞみ」「はやぶさ」の経験は顕著 これからも、さらに飛躍していく。 「IKAROS」に始まるソーラーセイル技術

参考文献 JAXA(宇宙航空研究開発機構) ISAS(宇宙科学研究所) NEC宇宙航空システム 三菱重工 航空宇宙事業本部 http://www.jaxa.jp/ ISAS(宇宙科学研究所) http://www.isas.jaxa.jp/ NEC宇宙航空システム http://www.nas.co.jp/ 三菱重工 航空宇宙事業本部 http://www.mhi.co.jp/aero/ IHIエアロスペース http://www.ihi.co.jp/ia/

参考文献 文系宇宙工学研究所(金木犀) 天壇茶房(mitsuto1976) 岩日誌(岩本塚) 人生ご縁となりゆきで（たけしますばる） http://bookworms.blog12.fc2.com/ 天壇茶房(mitsuto1976) http://blog.goo.ne.jp/mitsuto1976 岩日誌(岩本塚) http://d.hatena.ne.jp/iwamototuka/ 人生ご縁となりゆきで（たけしますばる） http://notserious.jugem.cc/