Transcript DOWNLOAD ()

DECIGOパスファインダー（設計・計画）
安東正樹，川村静児，高橋龍一，中村卓史，坪野公夫，田中貴浩，
瀬戸直樹，沼田健司，船木一幸，森本睦子，佐藤修一，青柳巧介，
我妻一博，阿久津智忠，阿久津朋美，浅田秀樹，麻生洋一，新井宏二，
荒瀬勇太，新谷昌人，井岡邦仁，池上健，石川毅彦，石徹白晃治，
市來淨與，伊東宏之，伊藤洋介，井上開輝，植田憲一，榎基宏，
戎崎俊一，江里口良治，大石奈緒子，大河正志，大橋正健，大原謙一，奥冨聡，小野里光司，鎌ヶ迫将悟，河島信樹，川添史子，神田展行，雁津
克彦，木内建太，桐原裕之，工藤秀明，國中均，國森裕生，クラウス・ヴェルナー，黒田和明，小泉宏之，郡和範，苔山圭以子，古在由秀，小嶌康
史，固武慶，小林史歩，西條統之，坂井真一郎，阪上雅昭，阪田紫帆里，佐合紀親，佐々木節，佐藤孝，柴田大，真貝寿明，杉山直，宗宮健太郎，
祖谷元，高野忠，高橋走，高橋忠幸，高橋弘毅，高橋竜太郎，高森昭光，田越秀行，田代寛之，谷口敬介，樽家篤史，千葉剛，辻川信二，常定芳
基，徳田充，徳成正雄，豊嶋守生，内藤勲夫，中尾憲一，中川憲保，中須賀真一，中野寛之，長野重夫，中村康二，中山宜典，西澤篤志，西田恵
里奈，西山和孝，丹羽佳人，橋本樹明，端山和大，原田知広，疋田渉，姫本宣朗，平林久，平松尚志，福嶋美津広，藤本眞克，二間瀬敏史，細川
端彦，堀澤秀之，前田恵一，松原英雄，三浦純一，蓑泰志，宮川治，三代木伸二，向山信治，武者満，森岡友子，森澤理之，森脇成典，柳哲文，
山崎利孝，山元一広，横山順一，吉田至順，吉野泰造
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
1. 概要と目的
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
2
Introduction
DECIGOのロードマップ
2007 08
ミ
ッ
シ
ョ
ン
目
的
構
成
09
10
11
12
R&D
Fabrication
13
Figure: S.Kawamura
14
15
16
17
18
19
R&D
Fabrication
DICIGO Pathfinder
(DPF)
20
21
22
23
24
25
26
R&D
Fabrication
Pre-DECIGO
DECIGO
根幹技術の宇宙実証
銀河系内観測
重力波の検出
(最小限のスペック)
S/C間でのFP干渉計実証
重力波天文学
小型衛星1機
短基線長FP共振器 1台
S/C 3台
干渉計 1台
S/C 3機
干渉計 3台 (3-4 ユニッ
ト)
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
3
DECIGO-PF (1)
DECIGOパスファインダー(DPF)
DECIGOのための前哨衛星
最短2012年度 打ち上げを目指す
小型衛星 1 機 (90cm立方x2, 300kg)
地球周回軌道 (高度 500km, 太陽同期軌道)
フリーマスで構成された基線長30cmのFP共振器
レーザー光源とその安定化システム
ドラッグ・フリーの組み込み
Local Sensor
Actuator
DECIGOのための宇宙実証試験
レーザー安定化システム, 干渉計制御
衛星のドラッグフリー制御, 打ち上げ用クランプ機構
Thruster
重力波の観測
小型重力波検出器による低周波数の重力波の観測 (6ヶ月間)
地上での観測が困難な 0.1-1Hzの重力波を観測
ターゲット : 銀河中心付近の巨大・中間質量ブラックホール
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
4
DECIGO-PF (2)
DPFミッション機器構成
ミッション機器重量 : 100kg
ミッション機器空間 : 90 cm立方
レーザー光源
Nd:YAGレーザー
出力 25mW
外部基準による周波数安定化
ドラッグフリー
ローカルセンサで相対変動検出
 スラスタ・ホイールにフィードバック
ファブリー・ペロー共振器
フィネス : 100
基線長 : 30cm
テストマス : 質量 1kg
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
5
DPFの雑音源 (1)
重力波に対する感度
衛星重量 : 100kg, 衛星実効面積 : 1m2
衛星高度: 750km
スラスタ雑音: 0.1μN/Hz1/2
–12
1/2
Cavity length: 10cm
Laser: 1064nm, 25mW
Finesse: 100
Mirror mass: 1kg
6
Q–value of a mirror: 10
–12
10
–13
10
ty
avi
ogr
Ge
–14
10
–15
10
–16
10
–17
–18
–2
10
–13
10
–14
10
ac
ce
–15
ler
10
at
io
n
–16
No
Laser
Frequency
10
La
se ise
noise
–17
prr R
10
es ad
Shot noise
su ia
–18
re tio
Mirror
10
non
therma
l
ise
–19
10
–1
0
1
2
10
10
10
10
ise
no
10
10
PM
r
ste
ru
Th
Noise level [1/Hz ]
10
1/2
–11
10
Displacement Noise [m/Hz ]
光源 : 1064nm, 25mW
共振器長 : 10cm
フィネス : 100, 鏡質量 : 1kg
鏡Q値 : 105 , 基材: 溶融石英
温度 : 293K
Frequency [Hz]
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
6
DPFの雑音源 (2)
DPF雑音源の見積り
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
7
DPFのサイエンス
DPFで期待できる重力波源
h ~ 10-15 , f ~ 4 Hz
Distance 10kpc, m = 103 Msun
(Obs. band = Center frequency)
GW characteristic amplitude
中間質量ブラックホール合体
–12
10
BH QNM
–13
(1Mpc)
10
–14
10
6
10 Mo
–15
10
–16
10
–17
[kpc, SNR=5]
Observable Range
5
3
(10 Mo, 10kpc)
10 Mo
DPF
Fundamental noise 104Mo
–2
10
観測時間(~数千秒)
h ~ 10-15 , f ~ 0.3 Hz
Distance 1Mpc, m = 105 Msun
BH chirp
Dopplar
tracking
10
BH準固有振動からの重力波
DPF
Estimated noises
–1
10
0
10
Frequency [Hz]
1
10
2
10
2
10
BH QNM
BH Inspiral
1
10
Galactic Center
0
10
–1
10
ＤＰFでは、我々の銀河中心での
イベントを SNR~5 で検出できる
3
10
4
10
5
10
6
10
Mass [Msolar]
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
8
2. 現状と今後
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
9
DPF現状
DPFの現状
JAXAの小型科学衛星シリーズの候補の1つ
標準衛星バス + 次期固体ロケットを利用して、
最低 3機の小型科学衛星 を打ち上げる計画
最初のミッション(2011年): TOPS
2, 3番目のミッション: 2008年度中に決定
候補: DIOS, ERG, DPF など 15ミッション
重点ミッションには、戦略的開発経費の予算措置
TOPSイメージ図 (JAXA Webページより)
2008年度中に Phase-A 提案書を提出
それまでに基礎技術開発を完了していることが必要
衛星システム検討, 重点開発要素のR&Dを行う
レーザー光源の安定化, 小型低雑音スラスタ,
ハウジング・干渉計 (鏡、センサー、アクチュエータ、打ち上げロック機構),
ドラッグフリーと衛星制御, ミッション部熱構造設計
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
10
小型以上の科学衛星計画の流れ
ワーキンググループ
研究者グループ
基
礎
開
発
ミ
ッ
シ
ョ
ン
検
討
鍵
と
な
る
技
術
の
開
発
シ
ス
テ
ム
検
討
プリフェーズＡ
（基礎研究）
設グワ
置ルー
審ーキ
査プン
グ
基礎開発費
計
画
確
立
基
本
設
計
・
試
作
詳
細
設
計
・
実
機
製
作
組
立
て
・
試
験
フェーズＡ フェーズＢ フェーズＣ フェーズＤ
（研究） （予備設計）（設計・製作） （試験）
確計
認画
審成
査立
性
戦略的
開発費
プロジェクト
プ
移ロ
行ジ
審ェ
査ク
ト
調
査
費
打
上
げ
観
測
運
用
フェーズＥ
（運用）
ロケット製作費
衛星試作
製作費
総合
試験費
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
打上げ
経費
運用
経費
11
DPFシステム検討 (1)
DPFシステム検討
1段目: 干渉計, ハウジング
ミッション機器部はミッション側で準備する必要がある
ミッション機器構成・配置
電気機器設計
熱・構造設計
バス部との整合性: 構造体, 熱設計, 振動環境など
信頼性の確保、リスクマネジメント
衛星バス部との仕様調整
ミッション機器構成・配置  熱・構造設計
軌道・衛星姿勢の検討
SpC/SpWによるデータ処理システム
2段目: 安定化光源, 信号処理システム
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
12
DPFシステム検討 (2)
衛星バス仕様検討
衛星バス (ミッション機器が利用可能なもの) に対する要求値
重量
~100 kg
サイズ
電力
~90 cm立方
~100W
通信
信号処理
記録容量
(詳細はTBD)
600 kbps avg. (~1.2Mbps avg.)  全観測データの地上転送
10 Mflops
 リアルタイムでの信号解析
6.5 GByte (~20 GByte)
 1日分の観測データ保持
衛星運動・制御に対する要求値
重力波検出器の雑音とならないことが重要
力学特性
衛星運動
衛星変動雑音
加速度雑音
衛星-試験マス
の相対位置
磁気特性
一様磁場
磁場勾配
磁場変動
並進
N/A (軌道運動)
1 x 10-9 m/Hz1/2
4 x 10-8 m/s2/Hz1/2
0.1 mm
N/A
10-7 nT/m
10-7 nT/Hz1/2
姿勢
地球鉛直方向に対して1.2°
3 x 10-9 rad/Hz1/2
1 x 10-7 rad/s2/Hz1/2
0.3 mrad
温度特性
安定度
温度変動
10-3 K
10-3 K/Hz1/2
真空度
10-6 Pa
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
要検討事項:
衛星の局所変動
衛星の非対称性
衛星の熱変形
大気ドラッグ変動
各自由度間の
カップリング
13
DPFシステム検討 (3)
DPF機器配置, 熱・構造解析
安定化レーザー光源
スラスタ制御ユニット
ミッションスラスタヘッド
中央処理演算器
ハウジング制御ユニット
干渉計モジュール
太陽電池パドル
干渉計制御ユニット
衛星バス
熱・構造解析
構体共振周波 ~60Hz
温度範囲
機器ON時 : 22~33℃
機器OFF時 : -10~-2℃
(50Wヒーター使用時)
衛星バス
3Nスラスタ
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
14
DPFシステム検討 (4)
DPF軌道・姿勢制御
500km
衛星軌道
地球の影に入らない
 連続的な電力供給
安定な温度環境
高い高度
 地球の影響をできるだけ低減
(重力場, 地磁気, 残留大気)
DPF
太陽同期極軌道 (昼夜境界線)
高度 500km, 1周約 100分
衛星姿勢
地球指向姿勢
重力傾度安定による受動安定化
 ホイールなどの可動装置を排除する
ミッション部スラスタによるドラッグフリー制御
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
15
衛星搭載用 超小型重力波検出器
SpC/SpWによる信号処理システム 試験マス
モジュール内部
超小型重力波検出器 SWIMmn
試験マス を衛星内に非接触支持
 重力波による回転を検出
SWIMモジュールの一部
目的： センサーの宇宙での動作実証
SpaceWire通信の動作実証
衛星搭載品の環境試験中
フォトセンサー
試験マス
縦制御用
アクチュエータ
横制御用
アクチュエータ
SWIM
(SpaceWire Interface demonstration Module)
SpaceWire通信規格に基づいた次世代
データ処理系の実証試験モジュール
搭載衛星 SDS-1 :
100kg級の小型実証衛星
複数の技術試験モジュールを搭載
H-IIAロケットで2008年打上げ
(GOSAT衛星のピギーバック)
SDS-1イメージ図 JAXA総研広報誌「空と宙」より
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
16
DPF技術開発 (1)
重点技術の開発 --- 既存技術
(1) スラスタ・衛星のドラッグフリー制御
スラスタ
: 100μN級スラスタは実現可能. 雑音特性の評価は必要.
姿勢制御
: 「れいめい」などでの実績. ホイールの雑音特性評価が必要.
制御則
: 原理的な問題はない. シミュレーションによる確認が必要.
(2) レーザー光源・安定化
レーザー光源 : 宇宙用Nd:YAGレーザー光源は入手可能.
周波数安定化 : 地上では必要な安定度が実現されている. 振動・温度環境が重要.
(3) レーザー干渉計制御
光学素子
: 地上干渉計での実績. 機械強度の試験が必要.
干渉計制御 : 地上干渉計での実績.
(4) ハウジング
クランプ・リリース : 他プロジェクトでは解決. 技術の導入, 試験が必要.
ローカルセンサ
: 手法は確立されている.
試験マスアクチュエータ : 手法は確立されている.
温度安定化
: 地上では実現可能. 宇宙で実現するための設計と試験が必要.
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
17
DPF技術開発 (2)
重点開発項目
鍵となる要素技術を確立する.
(1) スラスタ・衛星のドラッグフリー制御
100μN級スラスタの試作と雑音特性などの評価, 改良.
シミュレーションによる制御トポロジー検証.
(2) レーザー光源・安定化
宇宙仕様を想定した周波数安定化実験と改良.
(3) レーザー干渉計制御
干渉計構成コンポーネントの試験.
干渉計デザインと各種雑音源の評価.
(4) ハウジング
クランプ・リリースの試作と評価.
ハウジングデザインと試験 (温度安定化, 真空度).
地球重力場の観測.
試験装置の開発が進められつつある.
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
18
3. まとめ
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
19
まとめ
DECIGOパスファインダー: DECIGOのための最初の前哨衛星
1機の小型衛星
(重量: ~300kg, 地球周回軌道)
ミッション部: ~100kg, 90cm立方
フリーマスで構成された基線長30cmのFP共振器
レーザー光源とその安定化システム
ドラッグ・フリーの組み込み
DECIGOのための基礎技術実証
Local Sensor
重力波の観測
0.1-10Hzの重力波を観測
ターゲット : 銀河中心付近の巨大・中間質量ブラックホー
ル
地球重力場の観測
Actuator
JAXA小型科学衛星の候補の1つ
SpC/SpWについては、シリーズ全体に貢献
Thruster
2008年度末のPhase-A proposalを目標
最短で2012年度の打ち上げを目指している
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
20
終
第6回DECIGOワークショップ (2008年04月16日, 国立天文台, 三鷹)
21