第21回宇宙科学シンポジウム

g04-04：
JASMINE（赤外線位置天文衛星）
望遠鏡の熱制御
国立天文台
JASMINE Project
間瀬一郎

小型JASMINEプリプロジェクト候補チーム
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G04-04 JASMINE望遠鏡の熱制御

1

Abstract
JASMINE望遠鏡の熱制御要求は、熱歪抑制のため、温度変動幅を0.1℃/50分（＝連続観測時間）以下に抑制することである。
熱制御手法として、光学系をパネルで囲み定温にヒータ制御し、距離を空けて光学系全体へ輻射することで、加熱のムラや短期変動を緩和する方式を採用した。
昨年度まで望遠鏡BBMの熱平衡試験により温度制御感度特性を実測し熱制御要求を達成する結果を得た。
今回の報告は、その設計・検証結果のまとめである。
また、赤外検出器は検出器BOXで囲い、周囲と断熱して170Kに冷却する。
その冷却性能は、部分熱モデルの熱平衡試験により2016年までに原理実証した。
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2目次
1. JASMINE望遠鏡概要と衛星熱環境（軌道・姿勢）
2. 熱制御の特徴
3. 熱制御方針
4. 望遠鏡熱制御方式
5. 望遠鏡熱制御感度の試験検証（望遠鏡構造BBMと望遠鏡パネル熱モデル）
6. 検出器の冷却方式と:試作検証（検出器ボックスBBM熱モデル）

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G04-04 JASMINE望遠鏡の熱制御

3１．JASMINE望遠鏡概要と衛星熱環境（軌道・姿勢）
JASMINE 望遠鏡概要

左記の望遠鏡パネル
内の望遠鏡

JASMINE ミッション部外観・寸法
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4衛星熱環境（軌道・姿勢）
軌道Orbit is above twilight zone
Dawn-Dusk orbit
Sun-synchronous circular orbit
SUN
Altitude = 550km (TBS),
inclination = 97.6deg. (TBS)wintersummer＊LTAN= 6:00/18:00＊Local time of ascending node

Main target (Galactic bulge)
observation is planed during
spring and autumn seasonsspringSUN

Winter season：The sun is within 45deg from bulge direction.
winterSummer season：Radiator sees Earth during observation,and detector temperature will be higher than the requirement.
=> Main-target observations will be done in autumn and spring seasons.

summerBulgeautumn

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Main p.705姿勢（A)軌道半周は、バルジを指向し観測。
（観測の開始・終了時にはフード内に地球入射：次ページ参照）（A)（B)
非観測 観測(半周)（B)残り半周は、望遠鏡視野の地球回避のため、地球に背を向け軌道面内において1回転する。
（準「あかり」姿勢）

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Main p.71

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望遠鏡フード内への地球入射
ｻﾝｼｰﾙﾄﾞﾌｰﾄﾞ開口ｻﾝｼｰﾙﾄﾞﾌｰﾄﾞ

ﾌｰﾄﾞ開口春分（秋分）+45°

極域上空でﾌｰﾄﾞ開口内に地球入射

ﾌｰﾄﾞ

-45°
準あかり姿勢 半(周ｱﾙﾍﾞﾄﾞ

太陽光昼
昼

春分＋45°

夜

夜
夜
夜

バルジ)
熱入力強度変動

フード開口熱入力

地球

紙面手前方向が観測方向(バルジ）
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準あかり姿勢

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時間
軌道１周

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2.JASMINE望遠鏡 熱制御の特徴
望遠鏡の構造・熱設計への主課題と対策
高度な寸法安定性と、それを実現するための熱安定性が技術的なカギとなる。
最大の不安定性要因である熱歪抑制が、望遠鏡構造・熱設計への主要課題。
熱歪 ＝ ① CTE(熱膨張率） ×② ΔT（温度変動） 。この①②を抑制。

② ΔT（温度変動） の抑制
ヒータで定温制御するパネルBOXで覆って外部熱環境変動を遮断する 「遠火でジンワリ」制御を採用。
要求：望遠鏡短期温度変動：ΔT <0.1K /観測50分間①CTE(熱膨張率）の抑制対策＞CTEゼロ材料を使用
・主構造：ｽｰﾊﾟｰｽｰﾊﾟｰｲﾝﾊﾞｰ開発（CTE=0±5E-8/K）
・鏡面材： CREARCERAM® -Z EX （CTE=0±1E-8/K）
赤外検出器は１７０Kに冷却：望遠鏡と断熱（望遠鏡は組立・試験容易性のため5±℃）
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3. JASMINE望遠鏡

熱制御方針（A)望遠鏡の温度安定化： （詳細は第4章）
変動要因＝外部熱入力から遮蔽し「遠火でじんわり保温」①太陽直射は入射方向を制約（衛星姿勢要求）し、サンシールドで遮蔽②他の方向変動する熱入力は全方向をﾊﾟﾈﾙで覆い、外面を断熱。ヒータで温度変動を吸収。
③ｶﾊﾞｰ不能の開口は、ﾌｰﾄﾞで視野制約し。望遠鏡に近いﾌｰﾄﾞ下部（根本）をヒータで定温制御。

（B）検出器の局所冷却：（詳細は第６章）望遠鏡から断熱し、姿勢要求で方向制限③ﾌｰﾄﾞ

地球赤外・アルベド

輻射結合①サンシールド

太陽直射光

②パネル
外面断熱・内面黒色
ヒータ制御

④ラジエタ

.

④ラジエタ（放射冷却器）へ⑤ﾋｰﾄﾊﾟｲﾌﾟで結合。
さらに⑥ペルチェ素子で一定温度に能動冷却。

検出器BOX
検出器.

⑥ペルチェ素子⑤低温ﾋｰﾄﾊﾟｲﾌﾟ

衛星ﾊﾞｽ本体
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94.JASMINE望遠鏡 熱制御方式
望遠鏡の温度安定要求が相対変化0.1℃/50分と高精度。

軌道熱入力（地球赤外、アルベド）①望遠鏡に直接ヒータを装着すると、0.1℃以下の高精度の測温と制御必要で高価となる。 また制御のリップルが直接の温度安定外乱となる。
②遠くから輻射で間接保温することで望遠鏡の大きな熱容量を利用し、1℃程度の低精度な制御で望遠鏡温度安定度0.1℃を狙う。（原理実証：第５章）「遠火でジンワリ」制御方式

上記①②のトレードオフを次頁に示す。

望遠鏡を囲む望遠鏡パネル全面を５℃付近：安定度１℃で定温制御（単純ヒータ制御）し、そこから距離を空けて光学系全体へ輻射することでヒータ加熱の局所分布ムラや、短期温度変動への感度を緩和する方式。
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望遠鏡熱制御方式のトレードオフ＜間接ヒータ制御＞＜直接ヒータ制御＞
周囲囲む熱ボックスをヒータで定温化して、望遠鏡構造に直接ヒータを付けて定温化。
輻射で中の望遠鏡を定温化。
（直接貼れない一部ミラーはヒータ板を近接設置）
ボックスで囲えず無制御となる開口は、ヒータを貼る部分の材料はスーパースーパーインバ―で、小型
温度拡散性が小さく、細かくヒータ制御ch分けが必要。
JASMINEへ適用 観測視野が星であり輻射熱量が小、また観測視野が狭いので開口は小さく外乱が少ないの特色〇△
制御装置
周囲ボックスは元々設置（外部と断熱用）。
規模
ヒータ加熱の時間・空間均一度が直接望遠鏡の温度変ボックスの温度不均一は間接制御で均されるため、 動・熱歪に直結するので、温度の時間・空間均一度要求
ボックス温度の時間・空間均一度要求は緩いので、 幅は狭いため、ヒータ分割ch数は多数、制御則も精密
ヒータ分割ch数は少数、制御則も単純（温度ヒステリ （温度ヒステリシス許容幅が狭い）
シス許容幅が広い）△〇
制御精度
ボックスで囲えず無制御となる部分（開口）の外乱が、 直接制御なので、制御精度は良好
もし無視できない場合は、制御精度が不十分
熱制御方式

新規開発要素・技術リスク◎
特に無し。 （既存技術）

コスト◎
ヒ--タ制御回路が単純で制御ch数も小。

結論〇採用
唯一の△である開口部の制御精度の実現性が、解析により見通しが得られたので（次ページ参照）、新規開発要素が少なくシンプル・低コストなため採用

第21回宇宙科学シンポジウム△
精密な制御（リニア制御等）と精密温度定は、既存技術の改良や、新規開発が必要になるリスク。
△
ヒータch数が多。 ヒータ制御則が高級。
×不採用
制御精度を得るには大規模となり、技術リスク大、コストが大。

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11熱パネルで覆えないフード開口への軌道熱入力変化による、望遠鏡上端（副鏡）の温度安定性の確認解析結果。
（フード・パネルからの「遠火でジンワリ」制御が有効か）
フード（先端の1/3）
213～230 変動幅ΔT=20

副鏡
274～274 変動幅ΔT=0.03～0.05

フード（根本の1/3）
254～262 変動幅ΔT=７
副鏡支柱
274～275 変動幅ΔT=0.7

熱ボックスパネル278～281 変動幅ΔT=0.3～0.7

主鏡
278～278 変動幅ΔT=0.01～0.02

熱パネルで覆えないフード開口への軌道熱入力（地球赤外輻射とアルベド）の軌道上位置による変動により、軌道1周中のフードの温度変動幅は先端部で約２０K、フード根元側で約7Kそれに近い副鏡支柱の軌道１周変動幅は0.7K（要求＜2K）、内部の主鏡は0.02K（要求<0.1K）、支柱は0.04～0.06K（要求＜0.25K）に抑えられた。 （フード下部をヒータ制御すれば副鏡変動幅は更に縮小）。 周囲の熱ボックスは、解析ソフト内機能で5℃(278.3K)設定のバングバング制御をさせた結果、温度変動幅0.3～0.8K。
軌道熱入力
照射熱量

＜ヒータ電力解析結果： 熱ボックス： 各面別の合計＞

熱量

定温制御ヒータによる外部熱入力変化相殺
イメージ図

支持脚
279～281 変動幅ΔT=0.04～0.06

パネルヒータ量（変化を補填）軌道熱入力のパネル吸収熱量

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時間

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125. 望遠鏡熱制御感度の試験検証（望遠鏡構造BBMと 望遠鏡パネル熱モデル）

望遠鏡構造モデルを、望遠鏡パネルとフード根本の熱ダミー(ヒータ板）で囲む。
パネルとフード下部の 温度を一定量変動させ、望遠鏡温度の感度を測定する。
（パネル温度変動に対しﾌｰﾄﾞ根本熱モデル
望遠鏡感度が1/10以内の実証）
望遠鏡パネル熱モデル（ヒータ板）

望遠鏡構造モデル

スペースチャンバ
望遠鏡パネル
熱モデル（ヒータ板）

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13望遠鏡熱制御感度の試験検証結果 サマリー
パネルとフード下部の代表箇所温度を、別々に２０℃（軌道上予定1℃の２０倍）変動させ、望遠鏡温度の感度を測定する。（パネル温度変動に対し望遠鏡感度が1/10以内の実証）
結果は、周囲温度への感度最大であるモードAの副鏡部の、直近フード温度変化２０℃に対する最大感度が1.3℃/H以下＝感度6.5% < 10% だった。 →フード１℃変化への感度は１０％＝0.1℃以下

試験モード

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G04-04 JASMINE望遠鏡の熱制御

14第21回宇宙科学シンポジウム

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15熱モデル試験結果 ﾓｰﾄﾞA
最悪最大ケース（フード根本温度変化への望遠鏡温度の感度）
フード先端ダミー

20℃

A-1２０℃昇温0℃

フード側面1/4 ２0℃

0℃

望遠鏡
各部温度0℃

フード先端20℃

0℃

モードA-120℃

A-２20℃

更に側面1/4のみ20℃昇温

0℃

0℃

モードA-２望遠鏡の周囲温度変動への最大感度
点は、熱容量最小の副鏡部分。
そこへの最大影響部分は対向フード側面（モードA-２)

0℃

ヒータパネルの設定温度

望遠鏡
温度軸拡大
1時間で0.5℃上昇

1時間で更に1.3℃上昇

副鏡ホルダ
最大感度点
副鏡サポート
最大感度点

温度軸：
１目盛＝１℃

フード温度変化への最大感度点

他部分(主鏡部・３次鏡以降)への影響は微小時間軸：１目盛＝１H

周囲温度への感度最大である副鏡部の、直近フード温度変化２０℃に対する最大感度は1.3℃/H以下＝感度6.5%< 10% だった。
16→フード１℃変化への感度は１０％＝0.1℃以下
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16熱モデル試験結果 ﾓｰﾄﾞB
パネル短側面ーX温度への望遠鏡温度感度
0℃

0℃

B-1

ーXパネル
0℃
２０℃昇温20℃

B-２

ーXパネル20℃

0℃

パネル1/4 40℃

0℃
40℃
20℃
0℃

モードB-1

更にパネル1/4のみ20℃昇温し４０℃に。

モードB-２望遠鏡
各部温度

ヒータパネルの設定温度

望遠鏡
温度軸拡大

1時間で更に0.5℃上昇

1時間で1.0℃上昇

副鏡ホルダ
副鏡サポート主鏡
構体サポート（ーX面近接）温度軸：
１目盛＝１℃

ーXパネル温度変化への最大感度点

時間軸：１目盛＝１H

ーXパネルへの感度最大である主鏡と、－X面近傍の構体サポートの、－Xパネル温度変化２０℃に対する最大感度は1. 0℃/H以下＝感度5% < 10% だった。
→パネル１℃変化への感度は１０％＝0.1℃以下
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17熱モデル試験結果 ﾓｰﾄﾞＣ
パネル長側面ーY温度への望遠鏡温度感度
C-1

ーＹパネル0℃ ２０℃昇温0℃
20℃

C-２

ーYパネル20℃
パネル1/6 40℃

40℃

0℃

0℃
0℃

0℃

20℃

モードＣ-1望遠鏡
各部温度

更にパネル1/６のみ20℃昇温し４０℃に。

モードＣ-２

ヒータパネルの設定温度

望遠鏡
温度軸拡大

1時間で1.3℃上昇

1時間で更に0.5℃上昇

副鏡サポート ーYパネル温度変化への最大感度点
副鏡ホルダ
主鏡

温度軸：
１目盛＝１℃

時間軸：１目盛＝１H

ーYパネルへの感度最大である副鏡サポートの、－Yパネル温度変化２０℃に対する最大感度は1. 3℃/H以下＝感度6.5% < 10% だった。
→パネル１℃変化への感度は１０％＝0.1℃以下
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18熱モデル試験結果 ﾓｰﾄﾞＤ（パネル底面）温度変化への望遠鏡感度）
底パネル
２０℃昇温
0℃
0℃

昇温モード

D0℃
0℃
20℃

モードD
望遠鏡
各部温度

ヒータパネルの設定温度

望遠鏡
温度軸拡大主鏡
1時間で1.0℃上昇

温度軸：１目盛＝１℃

1時間で1.0℃上昇

構体サポート

時間軸：１目盛＝１H

底（－Z)パネルへの感度最大である構体サポートの、底パネル温度変化２０℃に対する最大感度は1.
190℃/H以下＝感度5% < 10% だった。 →１℃変化への感度は１０％＝0.1℃以下
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196. 検出器の冷却方式と 試作検証
（検出器ボック スBBM熱モデル）①検出器BOXを放射冷却②BOX内で検出器をペルチェで局所冷却熱試作試験済範囲

検出器BOX

軌道熱環境

検出器冷却システムブロック図第21回宇宙科学シンポジウム

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20軌道熱環境の季節変動とラジエタ温度
ラジエタ温度は軌道熱入力で変わる。ラジエタへの軌道熱入力は、①季節変化： ラジエタから見た太陽・地球方向変化に依存。
夏至非観測域前後の春分+45度と秋分-45度がラジエタへの熱入力最大。
②熱源強度変化：アルベド・地球赤外はJAXA熱設計基準JERG-2-310の地球赤外最大・アルベド最小 を設定 （衛星ラジエタの通常の高温最悪）
上記①②の最悪条件のリニアサムを設定した。
90W

両方の最悪

60W
30W
観測期間
０W

秋分-45度

観測期間

秋分+45度

春分-45度

春分+45度解析予測温度ラジエタ吸収熱量①季節変化＠高温ケース：ほぼ２倍の変化

高温⇔低温 最悪ケースでラジエタ温度は、約３０℃差-50-70-90（℃）-110

HOT春分+45度ケース
ラジエタ
ラジエタ

COLDT春分-45度ケース
軌道１周②熱源強度の高温（HOT)・低温（COLD)最悪条件設定：
・太陽強度：極端最悪：不確定も含む年間の最大（HOT)・最小（COLD)
・地球赤外（IR)・アルベド（ALB)：通常のラジエタの最悪設定
0.3H以内変化幅の； IR最大＋ALB最少（HOT), IR最小＋ALB最大（COLD)
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時間21検出器BOX＋フレキジョイント（熱モデル）試作試験結果
検出器BOX冷却：ペルチェ素子冷却検出器を170K（２００KからのΔT＝30℃）に冷却可能なことを実証した。
・ 衛星のラジエタの温度は、軌道上において平均195K、検知器BOXは平均200Kとなる
・ ペルチェ素子を用いて検出器を170K(-103℃）以下に冷却する。 つまり平均ΔT=30Kを実現させる必要がある。
・ ペルチェ素子は、KELK社のK4MA010を2個並列使用

熱平衡試験コンフィギュレーション

検出器BOX＋フレキジョイント（熱モデル）

ラジエタ冷却源
コールドプレート(LN2槽)
ラジエタ＋ヒートパイプ
ダミー治具
検出器BOXのIFを200Kにヒータ制御
検出器
BOX

望遠鏡内部背景の模擬シュラウド・内扉・恒温板：
常温放置

試験結果
検出器を約１７０Kに冷却

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