第１４回衛星設計コンテスト

アイデアの部

ミッション解析書

人工衛星落とす「落火生」
高知工科大学工学部電子・光システム工学科
森永隆稔、川隅慎司、埜口和弥、和泉好則、山岡勝、近藤裕士
１．背景り、これまでなかった宇宙からの人工流星の観測

流星とは、太陽の周りを公転する微小天体が、を行う。そして、観測データによる総合的解析で地球大気内に突入し発光したものである。その高自然の流星物質成分ならびに大気成分との反応

さは１５０ｋｍから１００ｋｍ程度の高さで光過程の解明を目的とする。また、地球帰還カプセり始め、８０ｋｍから５０ｋｍの高さで消滅する。

ルの設計に重要なデータを得る。

流星の元になる小天体は、０．１ｍｍ以下のごく小さな塵のようなものから数ｃｍ以上ある小石

３．ミッション概要のようなものまで様々な大きさがある。こうした物体を発射させる方法には、弾丸発射、ブロッ天体が地球の大気に秒速数数十 km という猛スピ

ク発射、カプセル発射の３つがあり、それぞれ違ードで突入し、上層大気の分子と衝突してプラズった構造になっている。弾丸発射装置は弾の装填マ化しガスが発光する。

が可能で弾を多く発射できる。そして、発射する流星の観測方法には写真観測、電波観測、ビデ物質を変えることにより、大気圏突入時の反応過オ観測などがあり、様々な場所で観測が行われて程の変化が観測できる。ブロック発射装置では、いる。しかし、流星がいつどこで発生するかがわ

大きい物体を落とすので、比較的大規模な流星をからないために、写真やビデオでは観測できる確発生させることができ、燃え尽きるまでの様子が率が低い。そこで、人工的に流星を発生させるこ長く観測できる。また、振動や衝撃に対して脆いとができれば、ある程度の時間と場所に必ず流星物体はコーティングを施すことにより発射可能が来るということが予測できるので、観測が容易となる。カプセル発射装置ではカプセル自体に送になる。尚且つ、同じ流星をターゲットに観測す信機を搭載し、地球に落ちていく過程の温度を測るということで、多地点での同時観測ができ、観定し、衛星に向けてデータを送信する。

測データの比較ができるために、総合的な解析が全ての発射が終わると、衛星上面に搭載された可能となる。そして地球に向けて発射する物体のブースターを噴射し、衛星自体を地球に向けて落形や物質を変えることにより、反応過程の変化がとす。そして、衛星が落ちていく過程を、カメラ観測できることが期待でき、流星の成分の解明にが壊れるまで撮影し続け、大気圏突入による姿勢繋がる。また、流星の大気圏突入時の様子を衛星

擾乱等を一定値以上検出したら、メモリを載せたから撮影できれば、大気による吸収の影響を受け回収用ロケットのブースターを噴射し、衛星本体ずに、紫外領域での分光データが蓄積できる。

から分離させる。そして自らも人工流星となり地球に向けて突入する。噴射終了後エンジン部分を

２．目的
衛星から地球に向けて物体を発射し、流星を人工的に発生させる。発射する物体は、形状や物質を変えて、反応過程の変化を観測する。また、衛星から大気圏突入時の様子を撮影することによ分離させ、その後パラシュートが開き、地球にデータを持ち帰る。衛星は大気圏突入により最後の大流星となりその使命を全うする。

４．システム
図１に人工衛星外観図を示す。この衛星は幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍ、高さ５００ｍｍ、総重量約１００ｋｇで小型三軸制御衛星のカテゴリに属し、打ち上げ後にソーラーパネルを開くようになっている。
図２に搭載機器概略図を、図３に搭載機器配置

図１：人工衛星外観図

図（前面，側面）を、図４に機器系統図を、表１に搭載機器一覧を示す。発射装置は側面４方向と底面に搭載されており、上面にはブースターとカメラとサンセンサが、底面には観測用カメラが搭載されている。
物体を発射させる方法は３つあり、球形の弾丸をガス圧で飛ばす方法、立方体のブロックをバネで発射させる方法、スピンにより落下方向を制御したカプセルをバネで発射させる方法がある。全ての物体を発射し終えると、衛星上部に搭載されたブースターを噴射し、衛星ごと地球に落とす。
そして、大気圏突入時の画像を撮影して、大気圏突入による姿勢擾乱や温度上昇を一定値以上検出したら、メモリを搭載した回収用ロケットを発

図２：搭載機器概略図

射させ、データを地球に持ち帰る。
表１：搭載機器一覧

図３：搭載機器配置図（左：前面，右：側面）

図４：機器系統図
４．１ 弾丸発射装置
図５に弾丸発射装置の内部構造を、図６に衛星の底面図を、図７に弾丸発射機構を示す。弾丸は小さい弾（６ｍｍ径）と大きい弾（２０ｍｍ径）の球体を用意する。衛星底面に小さい弾用の発射口を、同時発射を狙って４つ並列に設置し、大きい弾用の発射口は中心軸に１つ設置する。この装置は装填式になっており、何発も発射できるようになっている。弾を入れるマガジンには、小さい弾用は各３０発で４本分あり、計１２０発、大きい弾用は５発入るようにしておく。動力は液体ア

図６：衛星の底面図

ルゴンを少量気化させたのち、ただちにバルブを開きガスの噴射の圧力で弾を発射させる。

図５：弾丸発射装置の内部構造

図７：弾丸発射機構

４．２ ブロック発射装置

４．４ 回収用ロケット

図８にブロック発射装置の内部構造を示す。各

図１０に回収用ロケットの内部構造図を、図１

ブロックは３０×３０×３０ｍｍの立方体で、前１にロケット発射の概念図を示す。ロケットは直面および背面に備え付ける。発射方式にはバネに径１００ｍｍ×全長４００ｍｍで、衛星に２機搭よる反動を用い、コントローラの指令によりワイ載されている。衛星が地球に向けて落ちていく過ヤカッターが作動し、ストッパーが切れてブロッ程で、大気圏突入による姿勢擾乱や温度上昇を一クが発射される。各ブロックは片面に縦４列、横定値以上検出したら、ロケットのブースターを噴８列で３２個、２面合わせて６４個搭載する。

射して衛星から発射される。離脱後、ブースター部を分離し、電子密度プローブを展開して耐熱素材の蒸散によるプラズの生成を測定する。成層圏に到達後連続してパラシュートを開き地球に帰還する。落下過程における、通信障害について定量的に調べるため、ロケット同士で通信状況をチェックする。

図８：ブロック発射装置の内部構造
４．３ カプセル発射装置
図９にカプセル発射装置の内部構造を示す。カプセルは最大径５０ｍｍ×全長５５ｍｍで、ブロックと同様にバネで発射されるが、ガイドによりスピンをかけ発射する。カプセルはスピン安定により、耐熱構造の面を地球側に向けた状態で、安定に落下でき、内部に微小機器の搭載が可能である。カプセルの大気圏突入時の温度計測データを

図１０：回収用ロケットの内部構造衛星本体に送信することにより、様々な条件でデータを取得できる。

図９：カプセル発射装置の内部構造

図１１：回収用ロケット発射概念図

５．運用計画

らびに分光観測を行いスペクトル情報から反応

本衛星は、日本上空の夜側を近地点とし、近地過程における存在物質を解析する。さらに待ち受点高度上空３００km、速度１０km/s、遠地点高け観測の利点を活かし高速度・高分解能撮影を行

度は約７１,０００km、速度１．４ｋｍ/s、周期い、破砕過程におけるダイナミックな変化を詳細約２４時間の長楕円軌道に投入する。長楕円軌道に記録する。

上の適切な位置で流星体を放出し、流星体の軌道また、音波計測により、流星飛翔に伴う衝撃波を衛星軌道に対し微小変更をすることで、近地点に よ る 可 聴 下 音 (infrasound) お よ び 可 聴 音付近の上空１５０ｋｍ以下を通るように流星体(audible sound)の観測を行う。アマチュア無線をを地球大気に突入させる。人工衛星から放出され利用した流星電波観測（ＨＲＯ）による組織的なた様々な形状、および物質による人工流星体は大観測も合わせて実施する。

気の影響を受けて減速され、近地点の上空１５０～１００ｋｍで流星となると予測させる。

一方、流星現象の際の超高層大気の反応を詳細に捕らえるため、既存の各種レーダーおよびライ発射装置の生み出す相対速度は高々５０m/s 程

ダーの上空に人工流星を発生させ、流星通過時の度なので、物質が流星となる時の速度は、近地点超高層大気の温度、風速、電子密度などの変化のでの人工衛星の速度とはほぼ同等である。なお、様子を観測するようなアクティブな大気観測のバネ発射は５ｍ/ｓ、ガス圧発射は５０ｍ/ｓと仮提案もできる。流星物質周辺のプラズマの様子や定すると放出のタイミングはそれぞれ近地点通衝撃波発生の条件についての情報を同時に得る。

過の約５０分および約８時間前となる。人工流星の発光過程は、地上および衛星本体からの同時観測により総合的に調査する。

５．３ 宇宙実験・観測
人工流星の大気圏突入時の様子を、人工衛星搭載のカメラ（Ｘ線～紫外～可視～赤外領域）での５．１発光量予測撮像、ならびに分光観測を行う。特にＸ線および

２ ０ ０ ６ 年 １ 月 １ ５ 日 に 帰 還 し た NASA

紫外領域の観測は地球大気の影響を受けない宇StarDust 探査機の大気圏突入カプセルは直径８宙からの観測では重要である。弾丸やブロックで０ｃｍ、重量が４５．８ｋｇ、速度１２．８ｋｍ

形状や物質の違いおよび粗密の違いによる流星/ｓで、その時の光度は－７等星であった。この発光過程の違いを観測する。カプセルでは、大気結果から推測すると、発射する一番小さな物体と圏突入時の温度変化を測定する。

して直径６ｍｍ、重量２．５ｇの球を仮定すると、衛星本体の大気圏突入時は衛星搭載カメラで速度１０ｋｍ/ｓで突入させる場合、約３万分の崩壊直前の様子を撮影する。回収用ロケットでは、１のエネルギーとなる。エネルギーが１００分の気圧と加速度の変化や電子密度変動を計測する。

１で光度が５等星分下がる。よって、この物体はまた大気圏突入時のロケット同士での近距離通４等星程度の光となり、人間が見ることができる信状態を計測する。

光度は６等星までなので、十分視認可能な光度だと考えられる。但し、明瞭なスペクトル観測にはもう少し大きいサイズの流星体が望ましい。

５．４ 実験の運用手順
１）日本上空を近地点とする長楕円軌道にのせる。太陽電池の発電効率が確保でき、なおか

５．２ 地上実験・観測
流星の軌道、発光高度、スペクトル、微小破砕過程を知るため地上では多地点観測を行う。
カメラでは紫外～可視～赤外領域での撮像、なつ観測地である日本上空を縦断する効率的な軌道をとる（図１２）。

落下中は衛星自体が観測を行い、情報をロケットのメモリに収集する（図１５a）。

図１２：衛星軌道
２）物体発射テストを行う。目標地点に物体を正確に落下させるため、人工衛星から物体を幾つか連続発射し、物体発射タイミングや角
図１５：ロケット帰還図度を調整する。
３）観測地(主に高知県)の上空で人工流星が通過するように物体を発射する。（図１３）。

７）大気圏突入による姿勢擾乱等を一定値以上検出したら、ロケットのエンジンを噴射し、衛星本体から発射させる（図１５b）。
８）ブースター噴射終了後エンジン部分を分離する。一定の高度に達すると一段目のパラシュートを開く。速度がある程度落ちてきたら二段目のパラシュートを開く（図１５c）。
９）落下地点を砂漠、又は海上を目標として落とす。海上では一定時間フロートにより海水面に保持される（図１５d）。

図１３：物体発射図
４）地上(多地点)と衛星から同時観測をする。
物体の発射方法によっては、三軸制御により、発射時には衛星の姿勢を一時的に変更する。

１０）カプセルからのビーコン波を頼りに飛行機、ヘリコプター、船舶を使用して回収する。
１１）回収した情報を分析し、地球で観測した情報と比較する。

５）宇宙で撮影した画像やデータを分割して地上に送信する（図１４）。

６．発射する物質
表２に発射する物質の一覧を示す。表中の１が弾丸、２がブロック、３がカプセルを意味し、○印を付けた物を用意する。◎印は大小両方の弾丸を用意する。振動や衝撃に対して脆い物質はコーティングを施す。ブロックの場合は多孔質構造の物体も用意して、微細構造による発光過程の違いを実験する。一般に、流星スペクトルには、Fe,MgCa,Na,Si などの金属原子がよく見られる

図１４：データ送信図（全て発射し終えるまで３、４、５を繰り返す、ために、その原子を含む金属を使用すると、比較データとして重要なものが取得できる。

また、物体発射により重量が少しずつ減っていく
ため、場合により軌道修正も行う）
６）全ての物体を発射し終えると、衛星上面のブースターを噴射し衛星本体を落下させる。

表２：発射する物質一覧
物質名

含まれる元素

１ ２ ３

金Au

○

プラチナ

Pt

○

銀

Ag○

銅

Cu

○ ○

土佐カツオ節（動物性有機物）

○

鉄Fe

◎ ○

落花生

（植物性有機物）○

アルミニウムAl◎ ○マグネシウムMg◎ ○ダイアモンドC○ ○衛星搭載カメラまたは地上観測からは人工流

水晶

Si,O○

星の撮像または分光データが得られ、成分解析と硫黄S○

しては分光データのスペクトル解析を行う。自然鉛

Pb

○ ○

流星は単一物質ではないため、成分解析を行うた

ゲルマニウムGe○ ○めの理想的条件ではなく、その組成および混合比

スズ

Sn○ ○

により分光データの解釈が困難な場合も多い。さニッケル

Ni

○ ○

耐熱物質

C

○ ○

チタン

Ti

○ ○ ○

シリコン

Si◎ ○

塩
流紋岩

Na,Cl

○

Si,O,K,Mg,Fe,Al,○

H,F,Ca,Na,等安山岩

Si,O,Ca,Mg,Fe,Al,○

Na,K,N,B,Sr,Ti,等玄武岩

Si,O,Al,Ca,Na,○

Fe,MgMn,Ti,Ni○○

分光解析結果からは単一物質の固有スペクトル成分が得られ、かつ撮像結果からは構造の違いによる破砕状況の比較も可能である。そして、自然の流星の既存観測データとの比較において、本人
工流星実験による結果は非常に重要な指標を与える事ができ、結果として流星物質成分の解明につながる。さらに、単一物質による人工流星の発光をスペクトル解析することにより、流星本体にこれらの解析において、電波、音波、レーダー、られない領域の知見を補う。これら理想的観測条
件の下で最後に実施予定の地球上の岩石や有機

Fe,Mg,Ti,H,等物などを流星体とした実験には非常に興味のあ

Si,O,Ca,Mg,Fe,Al○

H,Ti,Na,等
カンラン岩

験では既知の形状の単一物質を発射できるため、ライダーなどによる総合的観測は分光観測で得

Si,O,Ca,Na,K
Al,Ba,N,Sr,B

斑レイ岩よる寄与との区別も非常に難しい。しかし、本実るための重要なデータが得られると期待される。

Si,O,Ca,Na,Al,K,B
a,N,Sr,Fe,F,Mg 等

閃緑岩

らに地球大気成分との反応の結果生じる成分による発光と大気成分による発光を明瞭に区別す

K,N,B,Ba,Sr,等花崗岩

７，観測データの解析

Si,O,Mg,Fe,Mn○

Ti,Ni,等る所である。
８，現状の問題点
ポギーバック衛星の一般的な制御である５０石灰岩

CaC,O,等○

チャート

Si,O,Fe,S,等○

しい。例えば、スラスターの噴射剤タンクの大き大理石

Ca,C,O,等○さである。物体を発射する度に人工衛星の軌道修

真珠

Ca,C,O,Na,K,Mn○

ｃｍ角に本衛星の機能すべてを収納する事は難正を行う必要があり、多くの噴射剤が必要となる

Mg,Fe,Al,等かもしれない。その場合は人工衛星を大きくする

天然ゴム

C,H○必要がある。また５０ｃｍ角に収める必要があっ砂糖

C,H,O

○

た場合はロケットを一機減らすなど発射物体をパラフィン

C,H○減らす。ロケットを１機しか搭載しない場合は、

超高層大気でのロケット間の通信実験が実現出

供達の夢を実現できる。現実にそんなことで願い来ない。

は叶わないが、子供達は願いを叶えるために努力

打ち上げ時の衝撃や振動が原因で人工衛星にを始めるであろう。この実験を大々的に宣伝すれ搭載している発射物体が人工衛星本体から外れば、次世代を担う子供達に宇宙への興味を持たせ、たり、コーティングを施した脆い物質が粉砕した

未来の宇宙開発に関わる人材を育成できる。また、りする可能性がある。そのため事前に入念な実験流星が予測した通り、見える範囲で発光するかどが必要である。

うかという、実験的要素の面白さや「わくわく感」を幅広い年齢の人達に伝えることができる。

９，得られる成果
単体の物質を人工流星にすることにより、光の１０，まとめスペクトルの比較から、自然に発生する流星の成衛星から地球に向けて物体を発射することに分の解明に繋がる。スペクトル解析により物質により、人工的な流星を発生させ、発光の様子を観よる反応過程の解明に繋がるため、流星群によっ察する。同一条件下での多種類の単体物質発射実て、含まれる物質に違いがあるのかという、母天験は、単体物質の反応過程を明確なものにするこ

体の状況や原始太陽系形成時の理解に重要な観とができる。よって流星の成分解明という点にお測の実現が期待される。また、流星が大気圏に突いては画期的な実験と考えられる。

入する時、可聴下～可聴域の音が発生するかどう

本実験は、元々落とす目的で衛星を打ち上げるか、およびその大気伝搬の様子を実験的に検証でという前代未聞のチャレンジとなる。この実験にきる。そして、地上と宇宙空間からの観測結果をより流星についての未知なる部分の解明、宇宙空比較することにより、流星現象の総合的な解析が間での物体の発射技術の確立など、これからの宇可能になる。

宙開発に役立つ技術を得られると考えられる。

真空装置やコンピュータシミュレーション等

夢、それは誰もが生まれながらにして持っていの大気圏突入のシミュレータでは得られない直るものである。いつか実現したい。そんな想いに接計測により大気圏突入時の温度変化、物質の微火を灯したい。叶えたい。

細構造による反応過程の違いを知ることができ、その想いを載せて、「落火生」は今、旅立つ。

スペースシャトルなどの地球に帰還する飛翔体の構造設計などに反映させるデータ取得が期待

参考文献させる。回収用ロケットは人工衛星の大気圏突入

・ 衛星設計入門、衛星設計コンテスト実行委員

による姿勢擾乱や温度上昇を一定値以上検出し会監修、茂原正道・鳥山芳夫 共編、培風館、たら、ロケットのブースターを噴射して衛星から2002発射される。この発射技術は緊急脱出カプセルなどに応用可能である。
衛星打ち上げ時の衝撃に耐えるために岩石、有・ 第１３回衛星設計コンテスト最終審査会、発表作品説明資料、衛星設計コンテスト事務局、2005

機物に施すコーティングは前例の無いことであ・ 石のはなし、白水晴雄著、技法堂出版、1992

る。よってこの実験はコーティング技術の発展に・ 宝石のはなし、白水晴雄・青木義和繋がると考えられる。
この人工衛星は、人工的に流星を発生させるの共著、

技法堂出版、1989
・ NASAで、中々燃え尽きずに発光を続ける流星も発生さ（ http://reentry.arc.nasa.gov/conditionsstar

せることができると期待され、「流星が流れていdust.html）

る間に願い事を３回言うと願いが叶う」という子