Transcript 星の海へ、漕ぎ出そう
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 自己紹介 専攻 趣味 本職 分析化学(水溶液中金属の超微量定量) 宇宙工学(特に輸送系というか、エンジン) 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 http://www.wankuma.com/rudicast/ http://d.hatena.ne.jp/guicheng/ Twitter @guicheng イントロダクション 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 1497～1498年 バスコ・ダ・ガマ インド航路発見 1519～1521年 マゼラン艦隊 世界一周 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。 – 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。 宇宙大航海時代 • 現在は「宇宙大航海時代」である。 – 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。 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) さきがけ（MS-T5) すいせい（PLANET-A) さきがけ(MS-T5)・すいせい(PLANETA) アンテナ 撮像装置 打上 本体寸法 質量 運用停止 1985年1月8日(M-3SII 1号機) 直径1.4m、高さ70cm(円筒形) 138kg 1999年1月7日 打上 本体寸法 質量 運用停止 1985年8月19日(M-3SII 2号機) 直径1.4m、高さ70cm(円筒形) 140kg 1991年2月22日 ⒸJAXA/ISAS さきがけ(MS-T5)・すいせい(PLANETA) • 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 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 – 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 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 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。 M3-SIIの特徴 • 全段固体燃料の三段式ロケット – 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。 M-3SIIの特徴 • 全段に固体燃料を採用した3段式ロケット。 – 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。 さきがけ・すいせいの軌道 「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 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。 – 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。 ひてん(MUSES-A) ひてん(MUSES-A) 打上 本体寸法 質量 運用停止 1990年1月24日(M-3SII 5号機) 直径1.4m、高さ79cm(円筒形) 197kg 1993年4月11日(月面落下) ⒸJAXA/ISAS ひてん(MUSES-A) • スイングバイ技術の習得 – 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。 スイングバイ 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 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 地 月 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。 – 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。 のぞみ(PLANET-B) のぞみ(PLANET-B) 打上 寸法 質量 運用停止 1998年7月4日(M-V 3号機) 1.6m×1.6m×0.58m 541kg 2003年12月9日 ⒸJAXA/ISAS のぞみ(PLANET-B) • 日本初の火星探査機 – 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。 「のぞみ」の軌道 地 第一回月スイングバイ 1998/9/24 月 地球パワースイングバイ 1998/12/20 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。 「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 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。 はやぶさ(MUSES-C) はやぶさ(MUSES-C) 打上 寸法 質量 運用停止 2003年5月9日(M-V 5号機) 1m×1.6m×2m 510kg 2010年6月13日(消滅) ⒸJAXA/ISAS はやぶさ(MUSES-C) • イオンエンジン搭載 – 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。 イオンエンジンの特徴 • 燃費がいい – 液体ロケットエンジンの数倍に達する。 • 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 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。 「はやぶさ」の軌道 ⒸJAXA/ISAS 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。 – 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。 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。 – 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 参考文献 • JAXA(宇宙航空研究開発機構) – http://www.jaxa.jp/ • ISAS(宇宙科学研究所) – http://www.isas.jaxa.jp/ • NEC宇宙航空システム – http://www.nas.co.jp/ • 三菱重工 航空宇宙事業本部 – http://www.mhi.co.jp/aero/ • IHIエアロスペース – http://www.ihi.co.jp/ia/ 参考文献 • 文系宇宙工学研究所(金木犀) – http://bookworms.blog12.fc2.com/ • 天壇茶房(mitsuto1976) – http://blog.goo.ne.jp/mitsuto1976 • 岩日誌(岩本塚) – http://d.hatena.ne.jp/iwamototuka/ • 人生ご縁となりゆきで（たけしますばる） – http://notserious.jugem.cc/