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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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自己紹介 本職 プログラマー 専攻 分析化学(水溶液中金属の超微量定量) 趣味 宇宙工学(特に輸送系というか、エンジン)
専攻 分析化学(水溶液中金属の超微量定量) 趣味 宇宙工学(特に輸送系というか、エンジン) 本職 プログラマー (AutoCADのカスタマイズ、ソフトウェアテスト) HN guicheng（ぐいちぇん） ブログ
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イントロダクション
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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
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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。
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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。
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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)
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さきがけ（MS-T5) すいせい（PLANET-A)
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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
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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ひてん(MUSES-A)
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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
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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。
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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
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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
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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。
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のぞみ(PLANET-B)
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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
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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。
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「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。
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「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
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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。
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はやぶさ(MUSES-C)
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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
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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。
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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
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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。
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「はやぶさ」の軌道 ⒸJAXA/ISAS
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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。
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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
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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
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 IHIエアロスペース
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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）
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）
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