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