科学概論 2005年2月3日 酒居敬一(sakai.keiichi@kochi-tech.ac.jp) http://www.info.kochi-tech.ac.jp/k1sakai/Lecture/N2004/

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1 科学概論 2005年2月3日 酒居敬一(sakai.keiichi@kochi-tech.ac.jp)

2 宇宙の探査 地球上からの観測に限界をきたす原因 地球大気の存在 人間活動 物理的限界 分解能は波長と有効径で決定される
大気の構成成分に吸収されてしまう波長域が存在する 大気のゆらぎ 補償光学系は研究されているが… 人間活動 光害(可視光)に代表される観測波長域でのノイズ 物理的限界 分解能は波長と有効径で決定される 精度を維持するため、望遠鏡の大きさに限界がある 例: 冥王星の視直径0.04秒 vs. すばるの分解能0.014秒 　　円盤形状の確認はできるが、表面の観察は困難

3 宇宙探査機(spacecraft) 月・惑星・太陽・小惑星・彗星の探査を目的 有人探査 無人探査 通信衛星・気象観測衛星などとは目的が異なる
月探査(アポロシリーズ)が有名 複雑なことができる 膨大な資金がかかる 無人探査 圧倒的に多い 遠隔操作で複雑なこともできるようになりつつある

4 主な探査機１ Luna 2号・3号(旧ソ連 1959年) [前年、IC誕生] 2号は月へ突入。3号は月の裏側を撮影
Mariner 2号(USA　1962年) [MOS FET誕生] 金星へ接近、表面温度を測定 Mariner 4号(USA　1965年) 火星に到達、表面を撮影 Apollo 11号(USA 1969年) 月に軟着陸し有人探査 Luna 16号(旧ソ連 1970年) 月に軟着陸し無人探査 Venera 7(旧ソ連 1970年) 金星の表面から観測データを送信

5 主な探査機２ Mariner 9号(USA 1971年) [i4004が誕生] 火星の人工衛星
Pioneer 10(USA 1972年) [i8008が誕生] 1973年に木星を探査 Pioneer 11(USA 1973年) [C言語誕生] 1974年に木星に接近後、1979年に土星にも接近 Mariner 10(USA　1974年) 金星をスイングバイし水星到達 Venera 9(旧ソ連 1975年) 金星に軟着陸し金星表面の写真撮影 Pioneer Venus(USA　1978年) 金星表面の高品質な地図を作成

6 主な探査機３ Viking 1・2(USA 1975年) 1976年に火星に軟着陸。火星を探査。 Voyager 1(USA 1977年)
1979年に木星、1980年に土星を通過。 Voyager 2(USA 1977年) 1979年に木星、1981年に土星、1986年に天王星、1989年に海王星を通過し、多量の映像を撮影。 Giotto(ESA　1985年) 1986年、ハレー彗星に540kmまで接近 さきがけ・すいせい(日本 1984年) ハレー彗星に接近

7 打ち上げ 多段ロケットを使用する理由 1段で質量1のものを100kmまで打ち上げるのに質量9の燃料が必要とするロケットがあるとき、人工衛星を３００km上空まで持ち上げるにはどうする？ →燃料をどれだけ増やしても単段式では無理。 例えば、ごく簡単には、 3段目 1tの人工衛星＋9tの燃料 2段目 10ｔの3段目＋90tの燃料 1段目 １００ｔの(2段目＋3段目)＋９００ｔの燃料 という構成にする

8 Saturn V(アポロ11で使用) ロケット1段目 F-1エンジン(液体酸素＋ケロシン)×5基
乾燥質量 133t、燃料充填時質量 2283t 推力 3484t、到達高度 61km ロケット2段目 J-2エンジン(液体酸素＋液体水素)×5基 乾燥質量 38t、燃料充填時質量 487t 推力 528t、到達高度 184km ロケット3段目 J-2エンジン(液体酸素＋液体水素)×1基 乾燥質量 11.7t、燃料充填時質量 118.8t 推力 92.4t、地球から月への軌道遷移まで使用

9 H2Aロケット 固体ロケットブースター(2本使用時) ポリブタジエン系コンポジット固体推進薬 乾燥質量 20t、燃料充填時質量 150t
ロケット1段目 LE-7A(液体酸素＋液体水素)×1基 乾燥質量 13t、燃料充填時質量 114t 推力 112t、燃焼時間390秒 ロケット2段目 LE-5B(液体酸素＋液体水素)×1基 乾燥質量 3t、燃料充填時質量 20t 推力 14t、燃焼時間530秒

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12 放射線 銀河宇宙線(太陽系外、銀河から到達する) 太陽宇宙線 捕捉放射線(地磁気に捕捉された粒子線)
高エネルギー重イオン粒子線、X線 太陽宇宙線 粒子線(電子線・陽子線)、紫外線 捕捉放射線(地磁気に捕捉された粒子線) 電子線や陽子線 バンアレン帯(高度500km～数千km)に存在 これら放射線により、半導体では結晶欠陥、 有機材料では変質・劣化をきたす。

13 熱 真空中では熱は対流により出入りしない 真空中では熱を伝達することもできない 熱は放射によってのみ出入りする
温度調節が困難になる 太陽に当たれば吸熱量が増え温度上昇 太陽が見えなくなると放射により温度低下 観測機器の動作に影響する 温度変化は構造物の熱膨張を引き起こす ときに、太陽電池パネルの破断などを起こす

14 電力 太陽電池 原子力電池 太陽から比較的近い場合に使用できる 放射線による劣化がある 太陽から遠い場合に使用される
放射性同位元素の崩壊熱を利用 熱を熱電対により電気に変換 プルトニウムなどが使用される 熱電対の放射線による劣化や放射性同位元素の半減期により寿命が決定される

15 通信 一般に距離が非常に遠いことが問題 パラボラアンテナなど指向性アンテナの問題 Round Trip Timeで数分～1日
遅延そのものが問題→データの誤り訂正技術 距離による電界強度の低下 電源容量による送出電力の制限がある 帯域がかせげない→データ圧縮技術 指向性アンテナを用いることが多い パラボラアンテナなど指向性アンテナの問題 常時地球を捕捉する必要がある 姿勢制御が必要であり、電力が必要である 姿勢変更のために推進剤を消費する

16 姿勢制御 スピン安定方式 三軸制御方式 コマのように衛星本体をつねに回転させておく 低コスト 大きな太陽電池パネルが使えない
衛星本体は回さない バイアスモーメンタム方式 内部に大きなフライホイールを持ち、それにより安定 ゼロモーメンタム方式 小型のフライホイールやガスジェットで安定

17 軌道制御 スラスト スイングバイ イオンエンジンのような高性能エンジンの使用 天体の重力により速度を変える
性能は比推力で表す スイングバイ 天体の重力により速度を変える 天体を焦点とした双曲線軌道をとる スラストを併用する場合もある 天体が公転しているエネルギーも利用 (公転の)回転量を天体から衛星へ移動する その分だけ推進薬を節約できる 緻密な計算ができるようになり、よく使用される

18 クオータ末試験について 日時： 2005年2月10日 1時限（9：00～10：30） 場所： C１０１ 学生証持参
日時： 2005年2月10日 時限（9：00～10：30） 場所： C１０１ 学生証持参 持ち込めるもの： 筆記用具、教科書、自筆ノート、印刷したプレゼンテーション資料、配布資料 持ち込めないもの： 携帯電話、PHS、PC、人