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日本惑星科学会誌 Vol. 27, No. 3, 2018

一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その35
～暑い夏の，長くて寒い夜～
山﨑 敦 ，豊田 裕之 ，太刀川 純孝 ，近藤 宏篤 ，坂本 智彦 ，
あかつきプロジェクトチーム
11122（要旨）日陰運用の難関である低温対策と省エネの工夫について報告します．熱制御は，日陰前に探査機全体を昇温し日陰初期は余熱で保温し，日陰中は最低限の温度を保つという対応策をとりました．バッテリについては，温度と充電状態を可能な限り低く維持し，容量劣化を低減してきています．長時間日陰中は，消費電力の削減に加え，安全な範囲でバッテリの過充電や昇温を行い，放電容量の最大化を図りました．その結果，打上げ前設計の最大日陰時間を超える長くて寒い夜を無事乗り切りました．

1. はじめに次に検討したことは，冷える一方の日陰中にすべての搭載機器の保存温度を保ちつつ，ヒータ電力を最小限

金星探査機あかつきは，2018 年 7 月 29 日 12 時 00 分に抑えることです．全ヒータの温調設定を保存温度下（UTC）から 229 分（うち本影 148 分）の長時間日陰を経限ぎりぎりにすることとしました（日陰設定）．ただし，験しました．打上げ前の設計の最大日陰時間 90 分を日陰に入る直前まで探査機温度を通常より高く持ち上大きく超える日陰時間です．地上では，日陰に入るとげておき（昇温設定），日陰中の全体のヒータ電力量も涼を感じホッとしますが（今年の夏はそうでもない），下げることとしました．日照中に可能な限り昇温して宇宙空間では危機的状況です．放射冷却により探査機おく算段です．さらに留意すべき点は，日陰が終了し温度は冷える一方なので，保存温度を保つにはヒータ

日照が復活したとき探査機はキンキンに冷えきっていを焚いて温める必要があります．しかしながら，当然るため，温調設定を通常状態（通常設定）に戻すのですのことですが日陰中は太陽電池パネル（SAP）による発が探査機が十分に温まるまで待つことです．

電は期待できなくなるため，すべての電力はバッテリ

これらの段取りでどのくらい省エネできるかは，探で賄う必要があり，ヒータ電力は最小限に抑える必要

査機の熱放射率が重要な値です．2017 年 12 月 11 日のがあります．あかつきチームはどのように乗り切った

長時間日陰（半影）の運用実績をもとに検討しました．のか，その段取りと結果を報告いたします．

あかつきの熱放射率では，探査機の平均的な温度は1–2 時間の時間スケールで冷えていくことがわかって2. 熱制御運用いました．この時間は 2018 年 7 月 29 日の長時間日陰の継続時間 229 分と比較して短く，探査機は十分に冷

日陰中には，探査機の保存温度を保ちつつ消費電力えきってしまいます．そこで，今回の長時間日陰に耐は最小限とする，という状況を作り出す必要がありまえ得る運用として，日陰前に探査機全体の温度を昇温す．まず，搭載機器は，探査機維持に必要なバス機器

し日陰の初期は余熱で保温する，日陰に入る直前に温のみ動作させ，すべての観測機器はオフにしました．

調設定を保存温度下限ぎりぎりに切り替え日陰中は最低限のヒータ電力設定とする，という運用方針を採択

1. 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
2. 古河電池株式会社
yamazaki@stp.isas.jaxa.jp

しました．
日陰前の昇温設定は，搭載機器の動作温度の上限値

一番星へ行こう! 日本の金星探査機の挑戦 その35 ～暑い夏の，長くて寒い夜～／山﨑 他

50

日照


本影

半影

半影

日照
打上げ～ VOI

40

60-Y面搭載機器20
LIRパネル10UVIパネル

IR2冷凍機(オフ)-10-20-30
11:00

13:00

14:00
Time

15:00

16:00

17:00

20°Cでの放電可能容量
5°Cでの放電可能容量4030

必要容量100

図1 : 長時間日陰中の探査機代表点の温度の変化．

からマージンを確保し探査機構体の温調設定を +40℃

金星周回軌道VOI ～ VOI-R

20+Z面搭載機器

12:00

セル出荷～打上げ50+Y面搭載機器

容量 [Ah]Temperature [℃]300259012345678
セル出荷後経過年数

910111213

図2 : バッテリの必要容量と放電可能容量の推移．としました．この温度設定での運用は金星周回軌道に投入してからはじめてのことであり，探査機全体の温度分布を確認する必要性があり，一週間前の 7 月 23 日

3. 電源系運用の運用パス中に実施しました．温調は正常に動作し問題なく昇温状態に入りました．このまま 7 月 29 日まで日陰を無事に乗り切るためにはバッテリが欠かせま過ごし，無事事前準備が整いました．実は，この昇温せん．あかつきの運用フェーズには，惑星間航行中の設定期間にも金星観測を実施していました．

全日照期間と，金星周回軌道上の日陰存在期間があり，

7 月 29 日当日は，12 時 01 分に日陰設定に切り替わ

かつ日陰の長さは一定ではないため，必要容量は図 2

り最低限のヒータ電力とする長時間日陰モードに突入に示すように大きく変動します．これに対し，表 1 のしました．そのときの温度変化を図 1 に示します．事

とおりバッテリの温度と充電状態をきめ細かく調節す

前検討通り，事前昇温していた探査機構体温度は 1-2ることで，運用チームはバッテリの容量劣化を低減す時間の時間スケールで低下していき，13 時を過ぎて，る努力を行ってきました．バッテリの容量劣化は，充LIR や UVI のパネル温度が設定された低温側に漸近す

電状態が高いほど，そして温度が高いほど速く進行することが見て取れます．

るため，可能な限りそれらを低く維持してきたのです．

本影は 15 時 4 分に終了し，徐々に日光が当たり始め

図 2 には，必要容量に加え，放電時の温度 5 ℃およましたが，探査機温度はまだ低温側に張り付いていまび 20 ℃でのバッテリ放電可能容量を示しました．通す．本影が終了したからと言って，ここで慌てて通常

常は容量劣化低減のため 5℃で運用していますが，セ設定に戻してはいけません．この時間帯はもちろん半

ル出荷後 7.1 年，9.6 年，10.1 年，12 年には，要求容量

影終了時刻後まで，最大ヒータ電力（200W）が消費さが放電可能容量（放電時 5 ℃）を超えるピークがありまれていて（図 3 の中段ヒータ電力を参照），通常の温度す．これらが対策を要する長時間日陰で，2018 年 7 月に戻るには数時間の時間スケールが必要であることが29 日の日陰は 9.6 年のピークにあたり，バッテリの放見て取れます．ただし，3 章で説明がなされるように，半影途中で SAP 発生電力が回復し，電源事情として

表1 : バッテリの運⽤⽅法．

は安心な状態に戻っています．

フェーズ

結果として，事前の昇温設定，保存温度下限ぎりぎりの低温にした日陰設定，半影終了後通常設定への復帰，と熱制御運用は計画通り安全に実施することができました．

セル出荷～打上げ

運用形態 開回路

打上げ～
VOI

VOI ～
VOI-R

金星周回
軌道　　充放電
定電圧充電 定電圧充電サイクル

期

間 1.5年

0.5年

5年

2000日

温度 25 ℃

10 ℃

0℃

5 ～ 20 ℃

充電状態 10 %

41 %

30 %

30～110 %260

日本惑星科学会誌 Vol. 27, No. 3, 2018

日照

半影

本影

半影

日照

Voltage [V]

80
SAP電圧

70
60
50
40600

バス電圧
バッテリ電圧SAP電力 バッテリ放電電力 ヒータ電力

Power [W]

500
400
300
200
100

Temperature [°C]

0150
100
50
0-50-100-150-200
12:00

SAP温度

バッテリ温度

13:00

14:00
Time

15:00

16:00

図3 : ⻑時間⽇陰中の電源系テレメトリデータ．

電量が最大となります．探査機の開発時に想定していおいたお陰で，ヒータ電力は 25 W 以下の低い値で推た最大日陰は 90 分でしたが，軌道が大きく膨らんだ移しています．半影の半ば過ぎまで SAP 電圧が上昇ために，これが 229 分（うち本影 148 分）に延長され，を続けているのは，SAP 温度の低下のためです．

バッテリに求められる容量は約 47 Ah に達しました．

12 時 23 分，日陰率が 35 % に達し，バッテリの放電

この厳しい日陰を乗り切るため，運用チームは次のが始まりました．図 3 中段の BAT 放電電力がゼロか方針を定めました．

ら約 260 W まで徐々に立ち上がり，同時に図 3 上段の・日陰中の負荷電力を，平常時の 500 W から 450 W

バス電圧が BAT-A/B 電圧まで低下，SAP 電圧が 48に削減する．前述した日陰入り前のコンポ昇温と，V 程度まで低下しました．これはロックアップと呼ば

日陰中は機器制御温度をギリギリまで下げることにれる状態で，バッテリ放電中には，SAP の動作点電より実現．

圧が低く固定され，最大電力を取り出せなくなる挙動

・通常の 100 % 充電電圧である 4.0 V/ セルを超え，安です．

全性を確保しつつ 4.1 V/ セルまで過充電する．

そして 12 時 36 分，ついに本影が始まり，SAP 電力・バッテリの制御温度を 5 ℃から 20 ℃へ高め，放電はかき消えました．SAP 電圧が 40 数 V となっている可能容量の拡大を図る．のは，バス電圧がスイッチングコンバータを逆に通しその結果を，長時間日陰中の電源系テレメトリデーて見えているもので，実際には SAP の発生電圧ではタ（図 3）を振り返りながら，評価しましょう．

ありません．本影開始後は，太陽光による熱入力がな

日陰は，2018 年 7 月 29 日 12 時 00 分（UTC）に始まりくなり，機器を保温するヒータ電力が増加を始めます．

ました．その直後，計画通りにヒータの ON デューテ

13 時 45 分頃にヒータ電力は設定上限値の 200 W に達ィが低下し，負荷電力は 500 W から 260 W 程度に低するようになり，本影の後半には平均 140 W 程度で下しました．この時点では SAP 電力で全ての負荷を推移しました．この間のバッテリ放電電力は平均 370賄えていますので，図 3 中段の SAP 電力が，そのままW，最大 435 W 程度で，事前に想定した 450 W より全負荷電力にあたります．事前に搭載機器を昇温してもかなり低く保たれました．

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15 時 4 分に本影は終了し，再び半影が訪れます．
SAP 電力が徐々に立ち上がり，しばらくはバッテリの放電を伴うロックアップ状態が続きますが，15 時
30 分には SAP 電力が全負荷電力を超え，バッテリは充電モードに切り替わりました．そして 15 時 48 分には半影も終了して日照に戻り，探査機が健全であることを確認して，全員がほっと胸を撫で下ろしました．
終わってみると，バッテリの放電量は約 23 Ah と当初の想定の約半分にとどまり，放電深度は 53 % と余裕を持った運用結果となりました．前述の負荷電力低減策やバッテリ昇温の効果に加え，半影中の SAP 電力が期待以上に大きかったことが余裕をもたらしました．
今後，何年間あかつきの運用を継続できるのかわかりませんが，はやぶさの運用経験を踏まえてバッテリを大切に使ってきたこと，初めての内惑星探査機に搭載する太陽電池パネルの開発を慎重に進めたことを思い返し，「段取り八分」という言葉が頭に浮かんだ運用となりました．

4.おわりにあかつきは，2018 年 7 月 29 日に，打上げ前に設計されていた金星周回軌道と投入軌道が変わった影響で，設計上の最大日陰時間を超える日陰時間を経験しました．長時間日陰に耐え得る方策として，熱制御と電源系の特殊運用を実施しました．もちろん本運用も想定外ではありましたが，丁寧かつ慎重な探査機開発も手伝って無事乗り切ることができました．今回得られた知見により，将来の長時間日陰運用プランを定型化することができました．これにより長時間日陰中の科学観測の実現も視野に入れることが可能となり，さらに優れた科学成果創出を目指して参ります．最後になりますが，関係各位のご協力にこの場を借りて御礼申し上げます．

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