Transcript SPICA
次期赤外線天文衛星SPICA
開発の現状
(望遠鏡部分、禁配布)
次世代赤外線天文衛星(SPICA)
ワーキングループ
(宇宙科学研究所・中川貴雄)
May 21, 2003
SPICA概要
Scientific Objectives
宇宙進化の歴史を探る
銀河の誕生と進化
第一世代の星生成 、銀河、銀河団進化
星の誕生と進化
星の誕生、原始星
恒星進化
惑星系の誕生と進化
木星型 exoplanets の直接検出
Outline of SPICA
Telescope: 3.5m, 4.5 K
Core λ: 5-200 μm
Orbit: Sun-Earth L2
Halo
Warm Launch, Cooling
on Orbit
Total Weight: 2.6 t
Launch: ~2010 by HIIA
冷却方法:
効率的な放射冷却+機械式冷凍機
Baffle
Telescope
Tube
Shield #1
Shield #2
Stressed
Ge:Ga
Shield #3
Mirror
FPI
Sun Shield
Sun Shield MLI
Conduction
Radiation
20K Pre-cooler 1.7 K Stage Cooler
Bus Module
Bus MLI
4.5K Stage Cooler
ASTRO-F Legacy
科学的成果
ASTRO-F: 究極のサーベイ観
測
SPICA: 詳細観測
技術的成果
機械式冷凍機の採用
also SMILES
軽量低温鏡
赤外線高感度検出器
Stirling 冷凍機 on ASTRO-F
SPICA 技術検討、開発
予算
戦略的開発研究
科学技術振興調整費「次世代スペース・オプティクス
の広域展開」
科研費
検討、開発項目
ミッション系基礎技術開発
機械式冷凍機
軽量大型鏡
焦点面観測装置(検出器)
システム検討
熱・構造の最適化
ハイブリッド姿勢制御システム
軽量望遠鏡システムの開発
設計思想
鏡の剛性とActuators
高剛性鏡 with few Actuators
低剛性鏡 with many Actuators
Simple, 高信頼性
重量大、試験が重要
重量低減、高精度?、将来性
複雑、低信頼性
材料
ガラス系
SiC
高い安定性、低剛性、脆性
高剛性、高熱伝導、脆性
C/SiC
高剛性、高熱伝導、低脆性
望遠鏡開発経緯
今までの軽量スペース望遠鏡
RFP/RFI 発行 (2002年8月)
IRTS (Al, 15cm鏡)
ASTRO-F (Hybrid SiC, 70 cm 鏡)
NTSpace + Goodrich
住友重機 + Nikon + Astrium
三菱電機
後者2つを選択し、BBM開発スタート
材料の特性
高剛性鏡案(SHI+Nikon+Astrium)
SiC Segment
Brazing Technology
低剛性鏡+Actuators (NTS案)
副鏡調整機構
副鏡支持構造
主鏡
副鏡
副鏡バッフル
主鏡バッフル
鏡面修正機構
光学ベンチ
キネマティックマウント
AMSDの例
CFRP製Reaction Structure
Fused silica背面リブ付きメニスカスミラー
アクチュエータ
Moog製cryo-actuator
37 個
Fused Silica 鏡
• CTE均一性に優れるFused silicaをミラー材
に使用
• 自重歪低減のための固さと鏡面修正のため
の柔軟性を両立させるアイソグリッド平面リ
ブ
アクチュエータ
結合点
補強背面リブ
Typical cross-section
高剛性鏡+ a few Actuators (メルコ案)
ベアリング式固定点
SOLAR-Bの実績に基づくベアリ
ング方式を採用。
鏡I/F部回転3自由度とR方向並
進1自由度を開放した3ユニットを
120度対称に配置したキネマ
ティックマウント。
ミスアラインメント、CTE差による
超軽量・高剛性鏡
鏡と光学架台の相対変位等の外
新開発の繊維強化複合材料C/SiCの加工性、
乱に対して波面への影響を極力
高靭性、ボイドレス等の優れた特徴を生か
した超軽量高剛性鏡。
排除可能。
副鏡ステー
C/SiC製主鏡
副鏡駆動装置
高い加工性により、固定点I/F部にC/SiC性
I/Fカップを採用。固定点とのバイメタル変
形の鏡面への影響を極力排除。
表面粗度7.5nmRa達成(常温)。
能動支持アクチュエータ(オプション)
I/Fカップ
光学架台
IRT外観
3本の能動支持アクチュエータで低次モー
ドの収差を効率よく補正。
副鏡駆動機構(focus+tilt)駆動系とのI/F
共通化によりリソースの削減と信頼性を向
上。
0次試作性能評価で基本設計指針取得済み。
REFERENCE DEFORMATION RMS=2.89e-006
-6
x 10
0
-1
-2
-3
-4
-5
鏡面誤差RMS相対値(ref=1.0)
Actuators の効果
-6
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-7
補正対象変形パターン ("ref")
[@FXS Z変位=0]
RESIDUAL ERROR RMS=1.44e-006
-6
x 10
3
原
変
形
副
RM
鏡
RESIDUAL ERROR RMS=1.24e-007
S
の
み
補
PM
-7
x 10
6
5
2
4
正
d
A3
後
of
RM
S
+副
鏡
補
PM
正
後
d
A9
RM
of
S
+副
鏡
補
正
後
RM
S
RESIDUAL ERROR RMS=1.04e-007
-7
x 10
6
5
4
1
3
3
0
2
2
1
-1
0
-2
-3
副鏡駆動(piston, tilt, focus)
のみで補正した時の残差
副鏡+主鏡PMA3本
で補正した時の残差
1
-1
0
-2
-1
副鏡+主鏡PMA9本
で補正した時の残差
C/SiC 鏡材開発:
表面構造の理解、改良に大幅な進展
・顕微鏡型干渉計による表面計測
・非常に高い分解能( 特に z 方向)
・3次元画像による表面構造の理解
・C/SiC表面のおもな構造
(1) SiCマトリックス
(2) 残存Si
(3) C繊維
・表面粗さを決めているもの
- (1)-(2) の高低差が当初は~100nm 。
表面粗さの主要因と判明
・C繊維の局在の問題も検出
→ 材料・生成条件のパラメーター調整
* 面粗さ 7.4nm(@RMS)
* C 繊維がほぼ一様に分散
を達成。
・次の重要課題は極低温での特性評価
光学写真(右上)および干渉測定による鳥瞰図(下)。
視野は□0.179mm、空間分解能~0.7μm。
この写真のサンプルでは 1-2 の高低差は~100nm
で、z方向の起伏が強調されている点に注意。
左上:測定したサンプルの例。
冷凍機開発
SPICAが必要とする冷凍機
200mW@20K (JT予冷)
[email protected] (望遠鏡冷却)
4He JT (ASTRO-F + SMILESの成果)
[email protected] (Ge:Ga冷却)
2-stage Stirling (ASTRO-Fの成果)
3He or 4He JT (新規開発)
[email protected] (遠赤外線検出器冷却)
3He JT (新規開発) ←重点的に開発
1K級冷凍機開発経過
平成12年度
平成13年度
3He JT 動作の原理的実証 (従来の記録は2.5K)
問題: 低効率([email protected])
平成14年度(前半)
超低圧リニアポンプの作成、実験set up整備
熱モデル見直しによる最適化 ([email protected])
問題: バラック実験
平成14年度(後半)
Stirlingを予冷に用い高効率化([email protected])
問題: 構成の複雑さ、能力の余裕のなさ
3He JT 世界最高性能を達成
ヒ
ー
タ
ー
入
力
温
度
(K)
(mW)
吐出圧力
12 mW @ 1.7 K
予冷機を Stirling に変更
今までの構成(GM予冷)
新構成 (Stirling予冷)
構成の単純化
高能率化
前段2段の圧縮機の一体化
・軽量化 (2/3)
・構成の単純化
・高信頼性化
構成の単純化
→
軽量化
単純化
高信頼性化
今後の開発計画
「原理実証モデル」から「搭載可能モデル」へ
平成15年度(搭載方式の確立)
構成の単純化(後段2段の一体化)
冷却能力の向上(Stirlingの能力向上)
平成16年度(搭載モデルの検証)
高信頼性化
振動対策
低温対策
冷凍機の開発成果
→ 他の科学衛星ミッションへ
Table 1 Development Status of Mechanical Cooler for Space Use at SHI
No.
Mission/Project
Cooling Purpose
Cooler Type (*)
Typical Cooling Power
Input Power
Present Status
1
SELENE/GRS
Ge Detector
1ST
1.5W/80K
40W
PFM
2
ASTRO-E2/XRS
Outer Vapor cooled shield
1ST
2.5W/100K
35W
PFM
3
Planet-C/IR2
CCD
1ST
1W/65K
50W
BBM, Planning
4
NeXT/XRT
CCD
1ST
6W/173K
20W * 2sets
Planning
5
ASTRO-F
Inner Vapor cooled shield
2ST
0.2W/20K
50W * 2sets
FM
6
VSOP-2
Low noise Amp.
2ST
TBD
TBD
Planning
20mW/4.5K
150W
PFM
0.2W/20K
100W
Planning
7
JEM/SMILES
Submillmeter detector (SIS mixer)
4
2ST + HeJT
Pre-Amp.
8
9
SPICA
Pre-cooling
NeXT/XRS
Note(*)
1W/100K , 0.2W/20K
2ST
4
Telescope , Si:AS detector
2ST + HeJT
30mW/4.5K
180W
Planning
Unstressed Ge:Ga detector
TBD
10mW/2.5K
200W(TBD)
Planning
3
Stressed Ge:Ga detector
2ST + HeJT
5mW/1.7K
180W
BBM
Inner and Outer Vapor cooled shields
2ST
2W/100K , 0.3W/20K * 2sets
80W * 2sets
Planning
3
LHe tank
2ST + HeJT
5mW/1.7K
180W
Planning
X-Ray detector
ADR
0.05K
TBD
Planning
1ST : Single stage stirling cycle cooler
2ST : Two-stage stirling cycle cooler
JT : Joule-Thomson cycle cooler
ADR : Adiabatic demagnetization refrigerator
赤外線検出器の開発
赤外線検出器開発の課題
連続した波長カバー (MIR, FIR)
大規模アレイ化(FIR)
ASTRO-F FIS/SW detector
(50–110 µm):大規模化への路
Ge:Ga Monolithic array.
Array format: 20 x 3 + 20 x 2
Pixel size: 0.5 x 0.5 mm
Readout circuit
12 mm
N60
Ge:Ga array
WIDE-S
This column is not used.
ASTRO-F/FIS/LW detector
(110–200 µm):大規模化困難
Stressed Ge:Ga photoconductors
with stacked array structure
15 mm
Array format: 15 x 3 + 15 x 2
Pixel size: 0.9 x 0.9 mm
One Layer
液層エピタキシャル結晶成長装
置 (GaAs)
Photoluminescence測定
(D+, X)
PL強度(arb.unit)
3000
Si(e
2500
4.2 K
-A0)
C(D0-A0)
2000
系列1
系列2
C(e -A0)
1500
(D0, X)
1000
(A0, X)
500
0
8100
8200
8300
8400
波長(A)
光検出器として使用可能な不純物レベルに近づいた
次の課題:光検出器として試験
Si:Sb検出器(DRS社)
37μmまでをカバー
•SIRTFでの開発
–1986に2社と開発開始
–1987から中間背景レベル(10(8)/s)用で試験
–低背景レベル用は1993から試験
–SIRTFの打ち上げは2003夏
•SPICAでの開発
–超低背景レベルのための開
発
高感度と低暗電流の両立
–非線形性の克服
BIB 型 Ge:Ga 検出器
利点
高い吸収効率 → 大規模アレイ化
対放射線の影響軽減
感度特性の長波長化
方針
U.C. Berkeley の E. Haller のグループと共同
米が結晶を提供、日が測定
将来的には日本で読み出し回路と組み合わせる
ASTRO-Fの成果の活用
システム検討
衛星システム検討
目的
衛星システム全体としての成立性の検討
開発を要する critical components の洗出し
Two Critical Issues
高精度ハイブリッド姿勢制御系
衛星全体としての構造・熱設計の最適化
高精度ハイブリッド姿勢制御系
目的
平成14年度の成果
35masという高い精度の姿勢制御を達成
ハイブリッド姿勢制御系成立性の検討
ポインティング制御系と姿勢制御系との機能配分
平成15年度の目的
ハイブリッド姿勢制御系システム検討
相似モデルによる評価試験
ハイブリッド姿勢制御
評価試験装置(相似モデル)
姿勢制御系
ダイナミクス
(一軸テーブ
ル)
(レーザ変位
計等)
ポインティング
駆動系/検出系
(ば
ね)
駆動系
(RW-PM)
ポインティング
制御系
(一軸テーブ
ダイナミクス
ル)
ポインティング
制御装置
(PC)
光学センサ
(レーザ変位計)
デー
タ
慣性センサ
(IRU-PM)
I/F
姿勢制御装置
(PC)
数学モデルと相似モデルとの相補性
数学モデルによるシ
ミュレーション検証
相似モデルによる
評価試験検証
△
○
-駆動力
○
○
-駆動分解能
○
○
-駆動範囲
○
○
-駆動ノイズ
△
○
-応答時間
△
○
-擾乱による影響
△
○
-角度検出系-検出分解能
○
○
-検出範囲
○
○
-検出ノイズ
△
○
-検出遅延時間
△
○
-擾乱による影響
×
○
-慣性センサ-分解能
○
○
-安定度
×
○
-光学センサ-分解能
○
○
△
○
-駆動系-駆動力
○
○
-分解能
△
○
-発生擾乱
△
○
△
○
-インタフェース方式
○
○
-非同期性
×
○
-慣性能率
○
○
-大型柔軟物
○
○
検証項目
備
ポインティング制御系
-駆動系-駆動方式
角度検出への
擾乱の影響
姿勢制御系
-検出ノイズ
両系間ダイナミクス
-伝達特性
両系間信号インタフェース
非同期I/F
衛星ダイナミクス
(注1)
熱・構造設計の最適化
位置づけ
平成14年度の成果
衛星全体として熱・構造を最適化は、ミッション部の
熱・構造設計にとって極めて重要
バス部・ミッション部各々での成立性の検討
平成15年度の目標
衛星システム全体での最適化
各要素(バス部、ミッション部)の設計へのfeed back
冷却系の最終仕様の決定
対ロケットI/F
平成15年度のスケジュール
姿勢系
前半でシステム検討、相似モデル準備
後半で相似モデル試験
年度末に、姿勢制御システムの方式確定
熱・構造
前半で、方向性を検討、決定
中ごろまでに、システムとして成立する解を
後半で、各部へfeed back
SPICA計画・ロードマップ
基礎技術開発 (2004年度まで)
プロポーザル提出 (2004年度)
システム全体の成立性の検討
Critical Components の開発終了
基礎開発の成果、ASTRO-Fの成果
PM (2005-7年度)
FM (2008-2010年度)
打ち上げ (2010年度)
SPICA
Space Odyssey 2010