ISSN 0285-2861

宇宙科学研究所

ニュース

2016.3

No. 420 別冊特集

IKAROSから
ソーラー電力セイル探査機へ

小型ソーラー電力セイル実証機 IKAROS（左）とソーラー電力セイル探査機

はじめにき空間が，文字通りフロンティアである

川口淳一郎

まれた計画である。もちろん，究極的なIKAROS その出生の秘密と意義

2010年6月，私は小惑星探査機「はやぶさ」の帰還とソーラーセイルの展開からだ。惑星探査は未踏の領域を目指すべきではないか。そういう思いから生動力源としては原子力（原子力電池ではつだった。世界が親しめる名前として，なく原子炉）が挙げられるだろう。しかまさに不足はあるまい。

し，中・小型の宇宙船には大掛かりな原という，あり得ない二重のプレッシャー

IKAROSは，単独のミッションではな

子力は不向きであるし，当面は，太陽光を感じていた。二つとも失敗に終わってい。
「ソーラー電力セイル」の実験機とエネルギーを活用する時代が続くと考えいたら……，極悪非道の大悪人とでも言して投じられたものだ。ソーラー電力セられる。それを意識して，新たな宇宙船

われていたかもしれない。

イルとは，太陽光と，それによって得らをつくろう。ちょうど，発動機と帆を備

ソーラーセイルの名前は IKAROS

れる電力を用いた電気推進機関を併用

えた機帆船が登場したように。それが，（I n t e r p l a n e t a r y K i t e - c r a f t

するハイブリッドな宇宙船である。太陽ソーラー電力セイル計画なのである。実

Accelerated by Radiation Of the

光の利用としては，ソーラーセイルによに，2000年から取り組んだ検討だった。

Sun，イカロス）。失敗した神話の人物

る光子推進となる。ハイブリッドというしかしながら，ソーラー電力セイルに名を使うなんて，とよく言われるのだが，のは，この光子推進に太陽光発電を加えよって世界で初めて木星トロヤ群小惑

そうではない。イカロスの父，ダイダロ

ることを指し，さらに電気推進を行うと星を目指す壮大な計画は，技術的実現

スは発明家だった。創意工夫で挑戦を，いう意味でもある。

性が問われ，承認されなかった。活路をという思いを込めたかった。そして，名画期的な計画だと自負している。惑星

見いだすべく，まずは周囲を納得させる

前を国際的にしたかったことも理由の一探査が人々を引き付けるのは，到達すべために実験機を打ち上げなくてはならな
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い。そういう考えに至る。当時開発が始膜太陽電池，こうして丸めて搭載できた

た。IKAROS がやりたくて，宇宙研にまっていたイプシロンロケットでの打上ことで世間も実現性を納得したに違いなやって来た学生も多い。若い集団にはリげが検討されたのだが，経費が掛かりい。液晶デバイス，光圧の差で姿勢制

スクも多かったが，成長も目覚ましかっ

過ぎる，と追い詰められていった。たま

御を行うことで光をもって光を制す。世た。私自身も大きな経験ができたと思

たま，金星探査機PLANET-C（あかつき）

界が「クール」と驚いた。そして分離う。いまや「はやぶさ2」を支える主力の打上げロケットを決める理事会に陪席

カメラ，自画像を撮らなければ膜が開いは，こうしてIKAROSで育った人たち

して，窮地に活路を見いだすことになる。

ているとは納得してくれないだろう。そだ。これからもそうでありたいし，次の余剰ペイロードがあるなら，それを下さうこだわって最後まで死守した，世界最IKAROSを登場させなくてはなるまいとい，と身を乗り出して言ってしまったの

小の惑星探査機だった。何の言葉も要思う。

である。当時の立川敬二 JAXA 理事長

らず，ミッションの大成功を語る。さら多くの人たちが，実験機とは何か？

が，よくそれを考慮してくださったものに，GAP（ガンマ線バースト偏光検出

そして実験機を投ずる価値を認識してくである。それが，IKAROS計画の誕生。

器）などの観測機器も世界的な科学成果れたはずだ。
「やれないリスクがあるか

IKAROSは，いろいろなものに挑戦を挙げた。載せていて本当によかったと

ら，やらない」ではない。
「やれる可能思う。

性があるから，やる」のである。

した。かつて，これほどまでに形状を大きく変えた宇宙機があっただろうか。薄

IKAROSを通じて，多くの人材が育っ（かわぐち・じゅんいちろう）

IKAROSとソーラー電力セイル探査機のミッション概要
森治

地球を周回する人工衛星と異なり，

ルと合わせたハイブリッド推進となり，て，セイルを操作することで軌道を制

深宇宙探査機では燃料の節約が大きな

外惑星領域でかつてないほどの加速量御し，光子加速下でも精密な軌道決定

課題となります。例えば「あかつき」

を得ることができるはずです。

を行う技術を獲得します。これらを達で は，全 体 重 量 500 k g の うち ガ ス

私たちはこのコンセプトを踏まえ，成できれば満点（フルサクセス）とし，ジェットの燃料は 200 kgになります。

2003 年に木星圏探査計画を提案しま

そこで「はやぶさ」では，ガスジェット

したが，あまりにも野心的すぎるという

ずばり，四つの中で最難関は①です。

より10 倍も燃費の良いイオンエンジン

懸念を払拭できず，採用されませんでこれを実現するために，まず思いつくを開発して搭載しました。この優れたした。代わって木星圏探査計画に向けのが，マスト（支柱）にセイルを取り付エンジンのおかげで，「はやぶさ」は世た実験機として登場したのが，小型ソーけて伸ばす，という方法です。実際に界で初めて小惑星サンプルリターンを

ラー電力セイル実証機IKAROSです。

ほとんどのソーラーセイルの開発チー実現できたのです。実は，イオンエン

IKAROSは実験機ですが，世界で初ムが，この方式を採用しています。こジンを上回る究極の燃費のエンジンがめてソーラーセイル，ソーラー電力セ

れは小型のセイルには適していますが，あります。それがソーラーセイルです。

イルを実証することを目指したもので，セイルが大きくなるとマストが重くな

ソーラーセイルは，太陽の光さえあれ

単独でも十分な意義があります。具体るため使えません。そのため大型のセば燃料なしで推進力を得ることができ的には，次の4 項目を主ミッションとし

イルでは，セイル全体をスピンさせてるため，夢の宇宙帆船とも呼ばれます。

て掲げました。

半年かけて実施することとしました。

その遠心力で展開・展張する必要があ

しかし，太陽から遠く離れるほど光打上げ後，まずは①一辺14 mの正方るのですが，挙動が複雑になるため非が弱くなるため，ソーラーセイルで得形のセイルを広げて，張ります（展開・常に難しくなります。しかし我々は，木られる推力は小さくなります。また，イ

展張）。これを受け，②セイルに貼り付

星圏探査計画に向けて技術課題をクリオンエンジンを駆動するための電力をけられた薄膜太陽電池で発電します。

アするため，あえて難しい，このスピ確保することも難しくなります。そこで，

これらを最低限達成すべきミッション

ン方式を採用しました。

新たに日本が考案したのがソーラー電（ミニマムサクセス）として，打上げ後，

力セイルで，セイルに薄膜太陽電池を

数週間以内で行うこととしました。

また，③以降は地球の重力の影響を完全に排除するため，地球周回軌道で貼り付けることで大電力も得るという続いて，③ソーラーセイルによってはなく惑星間軌道で実施する必要があものです。この電力で高性能なイオン

加速することを実証します。そして，ります。この条件を満たしてくれたのエンジンを駆動すれば，ソーラーセイ④ソーラーセイルによる航行技術としが「あかつき」との相乗り打上げで，

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イカロス君にとってあかつきくんと一緒に旅ができたのは，とても幸運なことなのです。
2010 年 5 月21日に打ち上げられた
イカロス君は大成功を収め，2010 年12月の金星通過後も追加ミッション（エ
クストラサクセス）を次々と達成し，気が付けば 6 歳を迎えようとしています。

図1

IKAROSのミッションシーケンス

次は，いよいよ木星圏探査計画を実施したいとの思いが強まってきました。
この計画では，IKAROSの10 ～ 15倍の面積のセイルと「はやぶさ」の 2～ 3 倍の燃費のイオンエンジンを組み合わせたソーラー電力セイル探査機が，地球スイングバイと木星スイングバイも使って，木星圏にあるトロヤ群小惑星に世界で初めて到達します。トロヤ
群小惑星をリモート観測した後には，子機を切り離します。子機は，小惑星

図2 ソーラー電力セイル探査機のミッション
シーケンスに着陸して表面および地下サンプルを採取し，その場で分析を行います。さらにオプションとして，子機が離陸しとGAP（ガンマ線バースト偏光検出器）

さにソーラー電力セイルの優位性を示て親機にサンプルを引き渡し，親機がは，このための先行実証という位置付しているといえるでしょう。親機の代木星経由で地球へ帰還するサンプルリ

けであり，科学成果も挙げています。

わりに子機が着陸すること，フレッシュ

約15 年前にソーラー電力セイルの検な地下サンプルを採取すること，すぐ

ソーラー電力セイル探査機は，トロ討を始めたころは，トロヤ群小惑星探にその場で分析することなど，「はやぶ

ヤ群小惑星へ向かうクルージング期間

査は世界に例のないミッションでした。

さ」シリーズと比べてもより高度な探も有効活用し，複数の天文科学観測を

その後，トロヤ群小惑星が注目される査を目指します。

ターンを行います。

行います。特に地球出発から木星スイようになり，我々の計画を参照しながソーラー電力セイル探査機は，はやングバイまでの太陽距離が大きく変化

ら欧米でも盛んにミッション検討を行

ぶさ君やイカロス君が切り拓いた太陽

していく環境はとても重要で，この間

うようになりましたが，トロヤ群小惑星

系大航海時代を先導し，宇宙科学に大に主な成果を出すことができます。実へのマルチフライバイかランデブーがきく貢献できると確信しています。本はIKAROSで観測機器として搭載した限界となっています。我々のミッショ番計画の実現に向け，全力で頑張って

ALADDIN（大面積惑星間塵検出アレイ）

ンで着陸や往復を実現できるのは，まいきたいと思います。 （もり・おさむ）

コラム

IKAROSのコスト・スケジュール管理森治

しかし，IKAROSは計画開始から打上げまでわずか2年半で，従来の科学衛星の1/2 ～ 1/3しかありませんでした。さらに，プロジェクト経費も従来の科学衛星の1/10 規模しかなく，スケジュールとコ

IKAROSは，「あかつき」の打上げ振動を緩和するためのダミーウェイトの代わりとして打上げをストに常に悩まされることとなりました（何度も夢に出てきました）。

認められたものです。IKAROSとしては，相乗り

この無理難題を克服するため，IKAROSではいく

でありながら，ソーラーセイル航行の実証にとってつもの思い切った開発方針を取りました。まず，熱・最も望ましい惑星間軌道へ投入してもらえるため，

構造試験モデルを製作しない方針とし，その代わり願ってもない機会であったといえます（ちなみに，に熱真空試験で問題があった場合には，本体下面にIKAROSの「 I 」はInterplanetary，すなわち「惑ある放熱面の面積を調整できる設計としました（実星間」を指しています）。

際には，これを行ったにもかかわらず，打上げ直後
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に温度が冷えて肝を冷やしました……）。また，本体熱真空試験・振動試験はスケジュール変更が困難

を単純な円柱形として機械環境を予測しやすくし，であることを踏まえ，その前に1ヶ月の予備期間を

質量をケチらずに頑丈な設計とすることで，振動試用意しました。結果，フライト品の製作の遅れをこ験を一発で確実にクリアできるようにしました。

こで吸収し，
スケジュールをキープできました。また，

次に，
バス部とミッション部のI/F（インターフェー

射場への移動前にも2 ヶ月の予備期間を設けましたス）を明確にすることでそれぞれ独立に開発できるが，ここも総合試験で判明した問題点の改修作業なようにし，詳細設計審査も別々に実施しました。バどに充てることができ，ギリギリ間に合わせることス部は，M-Vロケット，月探査機LUNAR-A，「はやができました。

ぶさ」，データ中継技術衛星「こだま」など，ほか

このように，IKAROSの開発には多くの困難を伴のプロジェクトの利活用品を積極的に流用しました。

いましたが，IKAROSのミッションは世界で初めて

また，多少オーバースペックであっても，「あかつき」

ソーラーセイルに挑戦するという大変魅力的なものなどの既開発品をそのまま再製作することで開発リであったため，チームの士気を維持するのは比較的スクを軽減しました。一方，ミッション部については，容易でした。この厳しい条件で開発されたIKAROS

マンパワーを集中させ，若手職員・学生が開発を主が大成功を収めることができた一番の要因は，やは導しました。

りワーキンググループで事前研究をしっかりとやっ

IKAROSの開発が間に合わない場合，打上げ延ていたことだと思います。

期は認められず，ダミーウェイトの役割を果たすた

上記の体験から，コスト・スケジュールの制約はめに未完成のまま強制的に打ち上げられることとな

決して甘く見ることはできないですが，工夫次第でります。この罰ゲームを避けるため，どんなに苦し

何とかなるものであり，やりたいことを諦める理由

くてもスケジュールに適切なマージンを確保するよにはならない，と考えるようになりました。

うにしました。特に「あかつき」と交互に実施する

セイル
横田力男

田中孝治

（もり・おさむ）

セイル膜面上には，薄膜太陽電池，宇宙塵の衝突を検出する ALADDIN（大相馬央令子

面積惑星間塵検出アレイ），姿勢制御を担う液晶デバイスなどの薄膜状デバ■セイルの構成

フィルム同士は熱融着ではなく接着剤

イスが搭載されました。また，一辺14IKAROSは 2010 年 5 月に打ち上げで貼り合わせる必要があります。もうm の膜面は，四つの台形ペタルに分割られ，差し渡し 20 m の翼を広げ太陽

一つは，JAXA で開発された熱融着可

されて製作されました。四つのペタルの光を受けて惑星間を航行しました。

能なポリイミドで，ISAS-TPIと呼ばれはブリッジと呼ばれる面ファスナで接ギリシャ神話に出てくるイカロスは，ています。Kapton のような一般的な続されて，正方形状になります。正方

ろうで固めた鳥の羽でつくられた翼でポリイミドの特徴である対称性芳香族

形の四隅には，遠心力による膜の展開・

大空を飛びましたが，現代のIKAROS

複素環の単位基本構造を崩す（非対称展張維持のための先端マスが取り付けの翼であるセイル 膜は，厚さわずか構造）ことにより，高い耐宇宙環境性をられています。図 2 にペタルの写真を

7.5 μm の非常に薄いポリイミドフィ有しながら熱可塑性を発現させること示します。

ルムでつくられています。食品用ラッを実現したものです。加熱することで■薄膜太陽電池

プフィルムの厚さが十数μm なので，スーパーのレジ袋のようにフィルム同通常の人工衛星には，ガラス板のよ

それよりももっと薄いフィルムです。

士を熱融着できるため，接着剤を使用

うな太陽電池が使用されています。しIKAROS では 2 種類のポリイミドフィする必要がなく，接合部の品質管理評

かし近年，プラスチックフィルムを基ルムが用いられました。

価，製造工程の削減が可能になります。

板とした薄膜状の太陽電池が民生用と一 つ は，1960 年 代 の ア ポロ 計 画

当初IKAROS では，時間的な制約によして開発されてきました。厚さは，基のころに開発された米国デュポン社のり接着膜を基本としましたが，将来を板を含めて 30 μm 程度です。この太Kaptonに類似したポリイミドです。こ

見据えて部分的に熱融着膜も取り入れ

陽 電 池は，耐 放 射 線 性 が 高く，フィの材料は，放射線や紫外線に耐え，かて，広く薄い膜をつくりました。

ルム状で柔軟性にも優れています。

つ高い耐熱性があります。そのため，

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セイル膜の全体図を図1に示します。

IKAROS では，このような太陽電池を差し渡し20m

図2 フライトモデル予備
ペタル表面（太陽面）

液晶デバイス
薄膜太陽電池ALADDIN

テザー

先端マス

図1 ソーラーセイル膜面の全体像と主なデバイスの配置

図3

薄膜太陽電池ユニット

膜面上に搭載し，軌道上で展開，発電

きて」ということが，よくありました。

池のユニットは宇宙研で手づくりするを行う実験が実施されました。搭載さ接着剤を薄く均一に塗れる装置があることに。そんな薄膜太陽電池開発でしれた太陽電池ユニットを図 3 に示しま

わけではなく，家庭用ラップフィルム

たが，無事軌道上で地上検証データとす。この薄膜太陽電池ユニットは多層より薄いペラペラの保護膜を，しわを近い発電特性が得られました。ミッショ構造をしていて，ベースのセイル膜に入れず，空気も入れず，ピッタリ貼り

ン成功です。IKAROS の観測画像やイ

薄膜太陽電池と宇宙環境から太陽電池

付けるには，どうしたらいいでしょう？

ラストを見たときには，ぜひ薄膜太陽を守る保護膜（ISAS-TPI）を接着剤でIKAROSは締め切りが本当にタイト電池を探してみてください。イカロス

貼り合わせました。どれもコピー用紙だったので，最適な装置や道具がないよりも薄く，さらに電極や集電回路も状況での試行錯誤がずっと続きました。

（よこた・りきお，たなか・こうじ，
そうま・えりこ）

薄膜です。試作の際には，「その辺にあベストなものをつくりたいとギリギリるもので薄膜の太陽電池に 10 μm のまで粘っていたら，結果的にプロトタ

接着剤を塗って，保護膜を貼り付けてイプモデルまでのすべての薄膜太陽電

君の歌の歌詞にも登場しますよ。

コラム

学生としての参加 1：材料部会
三桝裕也

ただ，それだけに大変苦しい学生時代を送ったのも事実です。本分が学生である以上，自身のテーマの研究は必ずやらなければならないわけですが，
実プロジェクトに組み込まれると，もはやそれどこ

IKAROSの材料部会というのは，セイルを製作

ろではありません。スケジュール管理や調整といっするに当たって組織された部会です。セイル材料たことを手始めに，セイルのインテグレートの中でであるポリイミドの専門家の先生や，セイル上に起こるさまざまな問題を解決するため，とにかく奔搭載されている複数のデバイスの担当者，および走する毎日でした。そういった形で，福島県にある学生で構成されていました。学生の役割は，セイ

メーカー工場と宇宙研を行き来する日々の合間に，ルの巻き付けやセイルに搭載するデバイスの要素

何とか並行して自身の研究を進めるよう努めてい試験の実施など，多岐にわたっていました。私は，ました。今思うと，このときの経験があったからこ（メーカーさんの協力のもと）セイル全体のインテ

そ，今の自分がいるように思います。あのとき，苦グレート（統合）とスケジュール管理の補佐役を任しいながらも走り続け複数のことを同時に進めていされていました。もちろん担当の職員さんがいらった経験が，現在の複数のプロジェクトの中で仕事をしゃったのですが，ご多忙だったこともあって，か進めていくスキルの礎となったのかもしれません。

なりの部分を任せていただき，学生でありながら実

そして，いつも何かに追われて死にかけているスタ

プロジェクトの中での立ち回りなど，大変勉強させイルも，このとき身に付いてしまった負の遺産なのていただきました。

でしょう……。

（みます・ゆうや）

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セイル展開ミッション

スピンレートの振動がほぼ解析値通りに落ち着いたことを示すグラフ。それは澤田弘崇

世界初の宇宙ヨット誕生を示すものでした。大きく広がったセイルにいっぱいの一番感動した瞬間──宇宙空間でセに取り付けられている先端マス。このス

太陽光を受け，宇宙ヨットとしての航海イルを広げたIKAROSの姿を確認でき

タート一歩目をコケると，そこから先にが始まりました。

たときの感想を聞かれ，こう表現しましは進めません。ロンチロック（固定具）の世界初のセイル展開成功を喜んでいた。自分の設計した展開機構，設計だ

信頼度を上げつつも展開の信頼度を上るのもつかの間，IKAROSでは，もう一けでなく手づくりした分離カメラが撮っげるよう，苦心して産み出した機構アイ

つユニークな世界初のミッションが控えた画像データ，シミュレーションでしかデアです。機構が正常に動き，先端マていました。本体固定のカメラ画像で見ることのできなかったセイルを広げたスが機体から外れたことを示すテレメト

は，どうしてもセイルの形状を正確にモ姿。セイル展開ミッションの重圧から解リが返ってきたときには，ホッと胸をなニタすることはできず，ましてやセイル

放された瞬間でもありました。その後，で下ろしました。

を広げた全景を撮ることはできません。

「はやぶさ2」の開発に携わりましたが，“一番” はいまだ変わっていません。

次は，セイルの展開です。展開は11超小型のカメラを本体から分離し，離れシーケンスに分割した準静的な1次展開ながら撮像した画像データを本体まで

セイルの展開成功を画像で確認したと，動的な2次展開とで行います。地上無線で送る分離カメラミッションです。

瞬間と同様に，ロケット打上げを種子島で試験と検証を十分にやっていても，宇分離カメラは直径 6 cm×6 cm 程度とで見送ったときの重圧感も，今でも鮮明

宙では何が起こるか分かりません。モニ

超小型ですが，れっきとした宇宙機で，に思い出すことができます。今では笑い

タカメラなどで確認しながら着実に進め

後に世界最小の惑星間子衛星としてギ

話として語っていますが，開発当時は本ていきました。

ネス世界記録に認定されました。

当に寝る時間がないくらい苦労をして開2010年6月9日，
ついに2次展開実行。

発した探査機で，複雑なセイル展開機

IKAROS最大のイベントです。2次展開てきました。そこまできれいな画像が送構と分離カメラ。十分試験を積んでいではセイルが動的に拡がるため，機体られてくるとは思っていなかったので，るとはいえ，打上げ時にはやはり不安にのスピンレートが急激に変化します。テ

徐々に表示される画面に写っているもなるものです。

レメトリにより，スピンレートと姿勢がのが何か理解できず，「何だこれ？」と急激に変動したことが確認できました。

思ったのを覚えています。それは本体の運用室に緊張が走ります。

太陽電池セルで，1枚1枚がハッキリ分

打上げから約1週間後，先端マス分
離の日がやって来ました。セイルの四隅

先端マス分離1 次展開（準静的）

2 次展開（動的）

図1

6

IKAROSのセイル展開方式

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1 週間程度

数十秒→振動が落ち着くまで数百分

分離カメラから最初の画像が送られかるほど鮮明な画像でした。その後，分
離カメラは本体から離れながら画像を撮り，IKAROSの全景が明らかになっていきます。
宇宙空間で広がったセイルがどのような様子であるかは，数値シミュレー
ションでしか知るすべはありません。開図2

分離カメラが送ってきたIKAROS全景画像と本体近傍画像

図3

セイル展開機構フライトモデル（左）とセイルを収納している様子（右）発した我々全員，実際に広がった姿を目で見るのは初めてのことなのです。太陽
光を受け輝かしく光るセイルは神々しくもあり，冒頭に書いた「一番感動した瞬間」でした。セイルの展開機構，分離カ
メラ，苦労して産み出した機構たちは本
当にパーフェクトに動いてくれ，セイル
展開ミッションを成功させることができました。

分離カメラ部

IKAROSで産み出した技術を，現在検討されているソーラー電力セイル探査ミッションへつなげられるようにしな

受信アンテナ

くてはいけません。今の “一番” を超え

分離機構部

られるようなミッションを実現したいですね。

受信機（内部に搭載）（さわだ・ひろたか）
図4

分離カメラ（DCAM1）と分離されるカメラ部のフライトモデル

コラム

学生としての参加 2：構造部会

味といえるでしょう。

白澤洋次

IKAROSに送る直前の4日間にあったと思います。

会議は踊る，そして進む

IKAROS，そして構造部会にとって一つの山場は，セイルを最終的に展開する2次展開実行コマンドを実は，セイルを展開する最終準備を進める中で，そ修士論文発表が終わったころに何となく参加しの挙動に予想外の現象が見られ，このまま進行すたその定例会議は，長時間会議が敬遠されるこのると展開に不具合が発生するのではという懸念がご時世において，7時間を超えるものでした。私が出たのです。

参加する前にはさらに長いときもあった，という恐るべき会議です。

この期に及んで実験か……と思いつつも急きょ
週末に集合し，IKAROSのセイル試験モデルを使っそれが，IKAROSのセイルの収納・展開方式にた検証実験を実施。さらに解析結果や運用フロー

ついて検討する「構造系専門部会（構造部会）」のチャートもそろえ，展開前の最後の “燃料” を投下

会議でした。宇宙研以外からも構造系の先生方，しました。その燃料をもとに連日開催された臨時構

そしてその研究室の大学院生たちも集めて行われ，造部会で慎重に議論した結果，ようやくセイル展

毎回，白熱の議論がなかなか収束しない展開となり開再開の結論に収束し，2010 年 6 月9日の2 次展ました。

開実行コマンド送信にこぎ着けたのです。

このような議論の “燃料” である解析や実験の結展開成功を確認した後に撮った部会メンバーの果を供給するのが，当時の私たち学生の立ち位置

集合写真は，連日の長時間会議の疲れにもかかわでした。通常の研究室のゼミとは異なり，この結果

らず，みんな満面の笑みで写っています。世間でがプロジェクトの進行を左右するかもしれないといは忌避される長時間会議も，各人の論点を整理し，う緊張の中で議論のやり玉に挙げられるのは，とてIKAROSプロジェクトを前に進め成功に導くためも刺激的な体験でした。プロジェクト開発の生の現には必須の，重要な儀式だったのかもしれません。

場に触れながら研究できる，宇宙研の学生の醍醐（しらさわ・ようじ）

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IKAROS の姿勢系・航法誘導技術
津田雄一

補っている。こんなことをする理由はコスト節約のためだったのだが，ソーラーセイルの性能を計測するためには，
もともと精密なドップラー計測の仕立

IKAROS は，機体全体をスピンさ

特に，液晶デバイスをソーラーセイルてが不可欠だったため，このような一せることで姿勢安定とセイルの形状維技術へ採用した意義は非常に大きい。

石二鳥の創意工夫ができたといえる。

持を実現している。セイルは180 m ，

無燃料推進システムのソーラーセイル

期せずして原理上の最小構成の姿勢決厚み 7.5μmという大面積・超柔軟構が，この液晶デバイスにより，無燃料定システムをつくり上げたことは，副造物であり，このセイルを太陽に対し姿勢制御システムとしての機能も得た産物的ながら，技術のどんな高みにもて適時に適切な方向に向けてやることことになる。まさに，オールフォトン

挑むIKAROSならではの成果だ。

が，ソーラーセイル船にとって本質的のソーラーセイルシステムへつながるに重要である。その一方，IKAROSは技術といえよう。

2

第三に，大面積・柔軟膜面を持つ機体を自在に操る姿勢制御ロジック。柔H-IIA ロケット初の深宇宙相乗りミッ

第二に，通信電波をフル活用した計

軟構造物は，宇宙技術では対処が最もションであり，JAXA の探査機として測手法。実はIKAROSには，姿勢決定

難しいものの一つである。それは，大は異例の低コスト・短期開発が強いらのためのセンサとしては太陽センサをきな構造物の挙動を地上で実験的にれた。そこで，IKAROS の姿勢系シス

一つしか搭載していない。通常これで確認することができないからである。

テムは，この束縛を好機と捉えて多くは探査機が宇宙空間でどの方向を向い

IKAROS の開発でも，膜面挙動の把の工夫を採用した。例を三つ挙げよう。

ているかを決めるには次元が足りない握のために計算技 術を重視した。国第一に，気液平衡スラスタ，液晶デのだが，IKAROS から送信される電波内の構造・計算技術の研究者が集まバイスなど新規技術の積極的な採用。

のドップラー計測を地上で行うことでり，我々の過去の多種多様な実験結果を踏まえて，膜面挙動計算技術を

ドップラー計測値［mm/s］（IKAROSの地球視線方向速度）

磨いていったのである。その成果が，IKAROS の気液平衡スラスタを使った
姿勢制御ロジックに「Flex ラムライン

10090制御」という名前で盛り込まれ，液晶

80

デバイスでセイルそのものの向きを直70接制御する手法の実現につながったの

60

である。
次に，IKAROSの誘導航法技術につ50

時刻（2010 年 6 月 9 日の世界標準時）

図1

光圧加速が確認された瞬間の2 wayドップラーデータ

いて紹介しよう。IKAROSは打上げから 3 週間後の 2010 年 6 月 9 日，見事セイルの完全展開に成功した。ドップ
ラー信号を見ていた私たちがその瞬間
目の当たりにしたのは，明確な “加速”であった（図1）。計測された加速度は，
事前の予想通りの 3.6×10-6m/s2。これほどきれいに設計通りの加速が見えると，設計当事者でも身震いがする。

分離カメラによる実画像

形状推定の3Dレンダリング結果

まさに，世界初のソーラーセイル船実
現の瞬間に立ち会っていることを実感するデータであった。
その後の 6 ヶ月間の航行で見えてきたのは，探査機の複雑な姿勢運動であった。その原因は，セイルの細かい
シワにある。セイル一面の微細なシワ

姿勢挙動から推定したセイル形状（スピン軸方向は誇張して描画）
図2

IKAROSの姿勢挙動データからセイル形状を推定した結果と実画像の比較の凹凸で太陽光の反射の仕方が有意に変わるのである。ソーラーセイル機においては，軌道制御イコール姿勢制御である。IKAROS をできるだけ長く運用するためにも，また将来のソー8

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ラーセイル技術のためにも，できるだ250

ロジェクトメンバー総出で試行錯誤すること1 ヶ月，ついにシワの影響を読み，それに逆らわずうまく受け流して帆の向きを制御する手法が編み出され累積光圧加速度［m/s］

ける手法を習得する必要があった。プ（手前にセイル，右上に金星200が写っている）

150

100

50

た。その手法は，
その後「GeneralizedSpinning Sail Model」という名で理打上げ

02010/5

論化されることになる。この手法で帆の向きを制御したところ，当初約半年

逆スピン後も光圧加速を継続

金星通過時の搭載カメラ
CAM-H の画像

け効率よく，思った方向にセイルを向図3

金星フライバイ2010/8

2010/11

逆スピン運用

2011/2

2011/6

2011/92011/12IKAROSの太陽光圧加速実績と金星フライバイ時の画像

分として搭載していた姿勢制御燃料を3 倍以上長持ちさせることができた。
また，姿勢運動からセイルのシワの状

IKAROS は，2010 年 12 月 8 日にし続けている（図 3）。太陽と帆がある

態を逆推定する手法も編み出され（図金星をフライバイした。ソーラーセイ

限り，IKAROS の加速は続く。行き着

2），ここに，ソーラーセイルの材料・ルによる軌道制御の結果，同じロケッ

く限り，光圧加速の記録を更新し続け

構造・姿勢制御・航法誘導システムをトで打ち上がった「あかつき」とは反てほしいものだ。

統合した体系が，IKAROSを通じて出

対側の，金星の夜側，距離 8 万 km の来上がったのである。まさに工学実証点を通過させることができた。その後ミッション冥利に尽きる作業であった。

も，1年当たり130 m/s の光圧加速を（つだ・ゆういち）

コラム

学生としての参加 3：加速度部会

ました。そのため，IKAROSの打上げ前から後期運山口智宏

携わることができました。特に，セイルの展開を開用まで，IKAROSプロジェクトの最も面白い期間に始した2010 年 6 月3日には，世界中のアストロダ

IKAROS 加速度部会は，IKAROSのアストロダ

イナミクス関連の研究者がうらやむソーラーセイル

イナミクス（宇宙航行力学）に関する研究を議論すのフライトデータに，いち早く触れることができまる場です。この加速度部会では，IKAROSのメインした。これらを通じて，宇宙探査における目標設定，

ミッションである「ソーラーセイルによる加速」とその目標を達成するための開発，そして運用を通じ「ソーラーセイルによる航行技術の獲得」に関するてデータを取得し，その目標を達成する，という一活発な議論が行われていました。世界初のソーラー連の流れを学ぶことができました。10 年に1回ともセイルであるIKAROSで，どのようにすれば正確いわれる深宇宙探査機の運用期間に，相模原で研にソーラーセイルの加速度を求めることができるの究できたことは非常に幸運だったと思います（2010

か，どのような航法誘導を行えば将来の宇宙探査に

年は，IKAROSの打上げに加え，「あかつき」の打

活かすことができるのか，貴重な軌道上実証の機会

上げ，「はやぶさ」の地球帰還もありました）。もちに成果を最大化するためさまざまな提案が行われまろん私だけではなく，多くの学生がこの加速度部会した。その結果，精密なソーラーセイルの加速度推に参加していました。現在もIKAROSのフライト

定だけでなく，ソーラーセイルを打ち上げて初めて

データは貴重なソーラーセイルの実データとして，分かった運動が解明され，大きな成果を挙げること

多くの学生の研究に使用されています。

ができました（「IKAROSの姿勢系・航法誘導技術」
参照）。

ちな みに IK AROS 加 速 度 部 会 は，ときおり
IKAROS “過食度” 部会と名を変えて活動していま

このIKAROS 加速度部会は，JAXAのスタッフ

す（現在進行形）。この分科会は，焼肉食べ放題の現や大学の先生方だけではなく，学生にも広く門戸が地調査を主目的としています。開催日の翌日は，十開かれていました。私は，宇宙機の軌道工学に関す

中八九，胃の調子が悪くなるため，その後の予定をる研究を行うために，2007 年から2012 年まで博十分に吟味した上，覚悟を決めて挑む必要がありま

士課程の学生として相模原キャンパスに在籍していす……。

（やまぐち・ともひろ）

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

9液晶デバイスの評価をし，何とかいけそうとめどが立った後には，IKAROSの大きな膜面船瀬 龍に搭載できるだけの大面積のデバイスを用意するために，効率的で再現性の

IKAROSのソーラーセイル膜面には，面，その大きなセイルを回転させていある製造方法をメーカーさんと一緒に

電気的に光学特性（反射率や吸収率）をることによる大きな角運動量の方向を試行錯誤するなど，開発スケジュール

変化させることのできるデバイス（液晶

変える（姿勢制御する）には，多くの推に追われる忙しい日々を過ごしました。

材料を使っていることから液晶デバイ

進剤が必要になるという欠点がありま

ここでは書き切れないほどの苦労をスと呼びます）が搭載されています。セした。液晶デバイスは，電気エネルギーして搭載までこぎ着けた液晶デバイス

イル膜面の外周部に搭載したデバイス

のみで姿勢制御トルクを発生させるこは，軌道上で無事に機能し，分離カメの反射特性を場所ごとに変化させることができます。軽くて性能が良くて，さラによってその動作の様子の撮影に成とによって，セイルに印加される太陽らに（軌道制御だけでなく姿勢制御に

功。姿勢制御実験においても想定した

輻射圧を不均一にし，セイル全体の姿

も）推進剤を必要としない，究極の宇

姿勢制御トルクをきちんと発生できま

勢を変更するためのトルクを発生させ宙船につながる革新的なコンセプトを，した。開発者自身，「原理的にはちゃん

るという考えです。IKAROS のような

IKAROSで実証しようとしたのでした。

と姿勢制御できるはずなんだけど，本

スピン型ソーラーセイルは，セイルを一方で，液晶デバイスを実現するに

当に物理法則の通り動くんだなぁ」と半展開するための構造部材が必要ないと当たっては課題もたくさんありました。

分安心，半分驚きをもって，IKAROS

いう観点で軽量（すなわち光圧による加デバイスの小片を試作しながら各種放のテレメトリを眺めていました。

速度を稼げる）というメリットがある反射線や温度・真空などの宇宙環境耐性

15.8

制御開始

15.7
太陽角［deg］（ふなせ・りゅう）

15.6
15.5
15.4
15.3
15.2

OFF
拡散反射
ON

図1

OFF

ON
鏡面反射

15.1
7/12 12:00

7/13 12:00

7/14 0:00

時刻［世界標準時］

図2

液晶デバイスの動作の様子

7/13 0:00

液晶デバイスによる姿勢制御実験

7/14 12:00

制御開始前
制御中
制御なし状態を外挿

コラム

液晶デバイスの改良中条俊大なります。ソーラー電力セイル探査機には必須の機能です。
現在，私は博士課程の学生という立場で開発に取り組んでいます。私が宇宙研に来た当時，

10

IKAROS では，セイルのねじれ変形により太IKAROS はすでに1回目の冬眠モードに入ってお陽光圧の作用で勝手に探査機のスピンレートがり，新しいソーラー電力セイルミッションの検討減少してしまう効果（風車効果）が見られました。

が始まって日が浅いころでした。私にとって，本IKAROSの燃料のほとんどは風車効果を相殺して格的な検討に初めから携わることができている思姿勢を安定させるために消費されています。新しい入れのあるミッションです。宇宙研 3 年目のこいソーラー電力セイル探査機では，燃料を消費せろから新型液晶デバイス開発の主なスタッフとなずにこれを相殺するために，IKAROSの液晶デバ

り，開発初期段階という最も面白くおいしいとこ

イスを改良した新型液晶デバイスを開発中です。

ろを経験させていただいています。

改良ポイントは，電圧をかけることで反射率だけ

新型液晶デバイスの基本的な構造は，IKAROS

でなく反射方向まで変化させることです。これにの液晶デバイスを踏襲しています。IKAROS 時代

より，姿勢制御に加えスピンレート制御も可能にの開発話などを当時の担当者からヒアリングした

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

り，反射方向を変えるための基本的な実験をしたの人たちが携わり，少しずつつくり上げていくこ

りすることなどから始めました。しかし改良といっとは楽しく，ある意味，宇宙探査機開発の醍醐味ても簡単なものではなく，ほかの研究室，メーカー，

がこのデバイスにも凝縮されている気がします。

大学などさまざまな人たちに協力していただきな
がら，試行錯誤を繰り返しては結果に一喜一憂す

今は新型液晶デバイスが宇宙で機能する日を頭に思い描きながら精進するのみです。

る日々です。それでもこの一つのデバイスに多く（ちゅうじょう・としひろ）

IKAROS の推進系

THR：スラスタ
TNK：推進薬タンク

山本高行

IKAROS の推進系には，新規開発さTNK

れた気液平衡スラスタと呼ばれるシス

THR 2A/2B

THR 1A/1B

テムを採用しました。気液平衡スラス
タとは，推進薬として液化ガスを使用
図1

推進系機能系統図

薬自身の蒸気のみを抽出し，コールドスラスタです。従来の推進系としては，
コールドガススラスタやホットガスス

ヒータ

気体

ベーン

低温側

ラスタなどがあります。気液平衡スラ
スタは，高圧気蓄器を用いたコールド

発泡金属

ガススラスタに比べるとエネルギー密要とするホットガススラスタよりもシステムが簡素になることが特徴です。
気液平衡スラスタの推進薬には液化ガスであればどんなものでも使用することができますが，IKAROS では推進薬として代替フロンの一種であるHFC134a を採用しました。HFC-134a は無毒・不燃性であるため取り扱い性が良く，ダストブロワーやカーエアコンの冷媒など，身の回りの商品にも使用

図3

タンクに敷き詰められた発泡金属

メッシュ
気液分離界面

熱伝導性の向上

タンク内部構造と気液分離概要

パルス数［-］
推薬消費量［g］
噴射時間［s］
累積消費量［kg］
残推薬量［kg］

3000

35
30

2500

25

2000

20

1500

15

1000

10

500

5

0

2010/4

いため将来的には使用が禁止される予推進薬の特性は小型宇宙機に適してい

図4

万一液体が
ブレイクした
際に捕獲3500されています（ただし，温暖化係数が高定です）。このように取り扱い性の良い

スラスタ配置図

液体

パルス数［-］/ 推薬消費量［g］/噴射時間［s］

度効率に優れており，また燃焼器を必

図2
断熱

高温側

ガスとして噴射することで推力を得る

THR 3B/3A

THR 4B

2010/6

2010/8 2010/10 2010/12 2011/2

2011/4

2011/6

累積消費量 / 残推薬量［kg］

し，液体状態でタンクに貯蔵して推進

THR 4A0

2011/8 2011/10 2011/12

年月

図5 パルスカウント推進薬積算結果。2010年8月に推進薬の消費量が増大したのは，姿勢制
御の試行錯誤のため。

ます。
IKAROSの推進系は，約 20 kg の推進剤が充塡された推進薬タンク一つと，調整やスピン軸の方向制御を行います

分離を行い，気体のみを噴射すること主系（A 系）4 本，従系（B 系）4 本の（図1，2）。

が重要となります。そのためIKAROS

計 8 本のスラスタから構成されていま

推進薬を液状で噴射してしまうと，推進薬タンク内部には発泡金属というす。これらのスラスタの中から目的に効率が悪化して推進薬を早期に使い果

多孔質状の金属が充塡されており，液応じて噴射を行う組み合わせを適切にたしてしまうことになるため，無重力体推進薬が保持されています。その上選択することによって，スピンレート

環境下においても確実に推進薬の気液部にはメッシュがあり，液体と気体をISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

11分離する役目を果たしています（図 3，

カルフェーズにおける初期機能確認をことができました（図 5）。これにより4）。さらに，補助的な機能として，飛行い，運用期間中にはスピンレート調

運用期間中，常に気液分離が正常に行び出してしまった液体を平板の表面張

整，スピン軸方向制御を継続的に行っわれていたことが証明されるとともに，力を用いて捕獲するベーン（羽根）や，てきました。2011年12 月には液体推推力の妥当性が確認されたことと合わ

タンク内に温度勾配を設けて気化を促

進薬がすべて気化したことが確認され，せて，IKAROS 推進系で採用した気液進するためのヒータを有しています。

新規開発された本推進系の消費推進薬

平衡推進系の気液分離機能が軌道上でIKAROS推進系は打上げ後，クリティ

効率がほぼ100％であると確定させる

実証されました。
（やまもと・たかゆき）

コラム

イカロス君 Twitter

げ数分前に延期決定……。発した「あ．
．
．
」という言

澤田弘崇

我々チームの何とも言えない感情を代弁してくれて

葉には「何言ってんだコイツ」と思ったものですが，いたのでしょう。3日後の5月21日，何を思ったのか，

Twitterの裏話ならイカロス君本人に聞いてくれ，

打上げ直前に素顔を公開してしまいました（図）。そと思ったのですが，今は冬眠中で寝てるのか起きての後はご存じの（？）通り，元気に「いってきまーす」

るのかも分からないので，私が分かる範囲で代弁しと地球から出発し，すべての実証実験を成功させまてみます。

した。日々，
Twitterで深宇宙での状況を伝えながら，

イカロス君のつぶやきは，打上げが迫った2010

表情を変えるなんてこともやりだしました。チーム

年の1月末くらいから始まりました。最初はイカロ

内でも「ちょっとコイツ調子に乗り過ぎてないか？」ス応援キャンペーンの告知くらいで静かなものでしと心配したものですが，心配をよそに大反響を呼び，た。フォロワーがほとんどいなかったので，種子島

フォロワー数だけで見たら主衛星の「あかつき」を宇宙センターでの射場作業が始まったくらいから，ブッチギリにして知名度が上がっていきました。

「ちょっとは自分の様子を報告しろよ」ってことで，報告を始めさせました。

IKAROSのミッションは大成功でしたが，もちろんすべてが順調だったわけではありません。実際に

それでも，まだまだ知名度は上がらず……。射場

運用している裏では大変なことも多々あったのです

で試験しながら「んー，どーしよっかねぇ？」とチーが，それでもチーム一丸となって楽しく運用できた

ム内で悩んでいて，「じゃあ，ちょっと，『はやぶさ』のはイカロス君のおかげだと思っています（もちろとか『あかつき』のTwitterに絡んでみろよ」と，んDCAM1ちゃん，DCAM2 君も）。森さんはじめ，

半分漫才みたいなことをさせ始めました。これが功チーム内にはムチャなことばっか言う人が多いのでを奏したらしく，みるみるフォロワーが増え，調子にすが，それに見事に応えてくれたイカロス君にあり乗ったイカロス君はしゃべるしゃべる。浮かれ過ぎがとうと言いたいですね。そのうちまた，冬眠からて心配になるくらいでした。

目覚めて「おはよう」と涼しい顔であいさつしてく2010年5月18日，打上げ予定日でしたが，打上れることを期待しています。 （さわだ・ひろたか）

IKAROS の熱制御系
佐伯孝尚ができます。これにより太陽電池パネ
ルが著しく高温になることはありません。そのため，太陽電池セルをびっしり貼り付けることができます。一方で，分離カメラで撮影された IKAROS

ではなく，隙間が結構あることが分か

IKAROSは太陽電池パネルの裏には本本体の写真を見ると，太陽電池セルがります。一般的な探査機や衛星は，本体があり，さらに本体と太陽電池パネ

IKAROS 本体上面のパネルに貼られて体とは独立した太陽電池パネルを持っルの間は断熱するような構造となっていることが分かります。でも，よく見てており，太陽電池パネルの熱は，太陽いるため，太陽電池パネルの熱を裏面

みると，セルはびっしり貼られているのと反対側のパネル裏面から逃がすことに逃がすことができません。そのため，

12

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

ヒータ電力（W）

100
80
60
40
20
0

duty（%）

図1

太陽電池セル

図2

ヒータ電力を均等化したヒータON許可テーブル

表面から熱を逃がすように，放熱性の通常，このような制御は専用のコンす。最初の運用で IKAROS からの電

良いOSR（Optical Solar Reflector）

ピュータで行います。
「はやぶさ2」な波を受信して各部の温度を確認したとと太陽電池セルを混在させ，太陽電池

どでも専用のコンピュータにより，瞬ころ，軒並み低かったのです。これはパネルの温度が上がり過ぎることを防時のヒータ電力を設定値以下にするよ

放熱面の面積の見積もりが甘く，大きいでいます。

うな制御が 行われています。一方で過ぎたことから，IKAROS 全体が冷

このように熱をうまく逃がすことがIKAROSは，ご存知の通り低コストミッ

えてしまったためでした。これには非熱設計のポイントです（どんな衛星・

ションなので，専用のヒータ制御用コ

常に慌てました。対策は，ヒータ電力

探査機もですが）。太陽電池パネルだ

ンピュータは持っていません。そのたを増やすことしかありません。すぐにけでなく，本体についても同様です。

め，テレメトリとコマンドの処理を行う

IKAROSの発生電力の実力値を推定し，

IKAROSでは本体内部の熱の流れを極

メインコンピュータ（DHU）が ON許可

余剰電力はすべてヒータに回すように力シンプルにし，本体の裏面（反太陽のテーブルに従い，ヒータのスイッチ

ヒータON 許可テーブルの更新を試み側）を放熱面として，そこに探査機外に対して ON 許可のコマンドを発行すました。ここで役に立ったのが前述の，部から入ってきた熱や探査機内部で発るという変わった方式を採りました。

こっそりつくったプログラムでした。私生した熱を逃がすような設計としていこの方法では，事前にヒータON 許はすぐにプログラムを使用して新しいます。逃げる熱の量は，放熱面の大き可テーブルを人の手で作成する必要がヒータON許可テーブルを作成し，それさに依存します。当然，放熱面を広くあります。これは，たくさんの種類のをIKAROSに送信した結果，IKAROS

すると熱が多く逃げるためIKAROS 全

積み木が与えられたときに，それらをの温度は上がっていったのです。

体の温度が低くなり，逆に狭くするとすべて使って高さがほぼ等しくなるタ

いきなりの難所を無事越えたIKAROSIKAROS の温度は高くなります。ミッワーを複数つくる作業に似ています。

は，その後，世界初の惑星間ソーラーション期間中の太陽距離の変化や姿勢極端に高いタワーをつくってしまうと，セイルになることができました。こんの変化を考慮して，うまい具合に放熱ヒータの瞬時電力が大きくなってしま

なこともあろうかと準備していたもの

面の面積を決定することが，熱設計のうので好ましくありません。IKAROS

が役に立ち，非常にホッとした出来事

最も大事なこととなります。

では，ヒータが 27ch で 50 のヒータでした。

放熱面の面積をうまく設定したからON許可コマンドを使用していました。

といって，温度がずっと均一であるわ

これは，27 種類の 800 個近い積み木けではありません。なるべく温度変化を使って，高さのほぼ等しいタワーをが小さいように設計していますが，当50 本作製するような作業に相当しま

然，太陽からの距 離や姿 勢によってす。最初は人の手でこのヒータON 許IKAROS の温度は変わります。その可テーブルを作成しており，何日もかため，主要な機器やバッテリ，推進系

かるような大変な作業でした。そこで，などはヒータで温度を積極的に制御し面倒くさがり屋の私は，こっそり「自動ています。ヒータの ON/OFF は温度テーブル作成プログラム」を作成しま

計で温度を計測しながら行っているのした。これは，高いタワーから低いタですが，すべてのヒータが同時に ON

ワーに積み木を移していくような作業になってしまうと，発生電力が小さいを繰り返し行うもので，人の手で何日

IKAROS では電源供給ができなくなりもかかるような作業を1秒程度で終わます。そのため，ヒータ電力のピーク

らせることができました。これを打上を極力抑える必要があります。つまり，げ直後に使うことになるとは思っても一度に多くのヒータが ONしないよういませんでしたが。

に，ONしてよい時間を各ヒータに適切というのは，IKAROS の運用が打上に配分するような制御を行うわけです。

げ直後にいきなり試練を迎えたからで（さいき・たかなお）

IKAROS運用室での記念撮影

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

13

コラム

IKAROS-blog

最初のうちは真面目に各種運用の説明で何とかやりくりしていましたが，そのうち運用メンバーの自己佐伯孝尚

紹介が始まり，運用の中身というよりかは運用室の様子を暴露し始め，さらには記事の中でメンバー間
皆さん，IKAROS–blogなるものをご存知でしょでむちゃ振りをし合うようになりました。中には健うか？ IKAROS打上げ前の2010年4月30日に開康診断の結果を公表するというふざけたものまであ始されたblogであり，打上げ前は種子島宇宙セン

りましたが，結果としては，読者の方々に運用の雰

ターでの作業内容を，打上げ後は運用に関する情報

囲気や臨場感を共有していただき，親しみを持ってをタイムリーに発信する目的で立ち上げられました。

読んでいただくことができたと考えており，非常に今読み返してみても，打上げ時の緊張感や，膜面展良い試みであったと自負しています。

開の成功時の喜びなどが伝わってきます。私も運用

IKAROS-blogは，IKAROSの運用がほとんどな

メンバーの一人として，しばしば記事を書かせていくなった2013 年末まで続けられ，その間にとてもただきました。

多くの記事を掲載してきました。執筆担当も特に前述の通り情報をタイムリーに発信するという目

あらかじめ決められているわけではなく，運用中に的なので，基本的には，運用があった日は記事が更「しばらく書いてないから自分が書きます」といっ新されます。最初のころはイベントも多く，それなた感じで何となく決まり，記事の内容も特に誰かがりに話題は豊富だったので，いわゆる記事のネタにチェックするわけでもなく，適度に緩い感じでできは困らない状態でした。ところが，IKAROSのメイ

たことに加え，何よりメンバーが（時にはネタ探しに

ンミッションである膜面展開に関する運用は6 月に苦労しつつも）非常に楽しんでいたことが，長く続けは完了してしまい，定常運用に移行したあたりからられた秘訣なのかもしれません。

徐々にblogに掲載するネタが乏しくなってきました。

IKAROS-blogは，情報発信の一つの良い見本に

それでも一度始めたものをそうそう簡単にやめるなったのではないかと思っています。今後も宇宙研

わけにもいかず，また，せっかくの増え始めた読者

Webサイトなどで皆さんと情報を共有できるようにの方々には楽しんでいただきたいため，あの手このしたいと考えていますので，よろしくお願い致しま

手でネタを模索するということになっていきました。

す。

低スピンレート・逆スピン運用
逆回転にかける逆転の芽（さいき・たかなお）用が開始され，セイル展開完了後1rpm（毎分1回転）以上を維持してきた回転速度を徐々に下げながら，モニタカメ
ラによる膜面の撮影を行いました。そ白澤洋次の結果，0.055 rpmにおいても，太陽2010 年12 月の金星フライバイを経

まの形状を維持しそうな気がしますが，光圧に対しセイルがほとんどたわまなて後期運用に入ったIKAROSには，新「太陽光圧」による力があります。非常いことが確認されました。このことから，

たなミッションが与えられました。そのに小さく，日常ではまず感じることはな

事前に予想していたよりも，セイルが一つが，「セイル膜面の挙動・形状の変いのですが，場合によっては数百秒で柔らかくないように振る舞うことが分化を積極的に引き出して展張状態の力

IKAROSのセイルは大きくたわんで姿

かってきました。

学モデルを構築する」というものでし勢が乱れてしまうのでは，と予想された。

ていました。

実は，この低スピンレート運用の裏には，もう一つある重要な期待が込め

IKAROSには，ヨットで言う帆を張しかし実際，どこまで回転を遅くしてられていました。スピン衛星の姿勢のるためのマストがありません。代わり

よいのだろうか。それを調べるのが，「低制御は，主に 2 種類に分けられます。

に，回転することによって遠心力でペスピンレート運用」です。遠心力を小回転軸方向の制御と，回転速度の制御

ラペラの薄膜セイルをピンと張っていさくしてセイルのたわんだ状態を調べです。IKAROSにおいて，前者は，太ます。もし，ここから回転を遅く，あるることで，セイルの運動についてより

陽光圧をうまく利用することで自動的いは止めてしまえば，どうなるでしょう

深く知見を得るというのが目的です。

に姿勢を維持する安定な状態を確立しか？ 重力のない宇宙空間では，そのま

14

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

2011年 6 月から，低スピンレート運ていました。一方で，後者は，
ガスジェッ

事前シミュレーション

モニタカメラ画像

1.0 rpm

図1 セ イ ル 形 状 の 事 前
シミュレーション予想（左）と軌道上で得られた
モニタカメラ画像（右）。
セイルが大きくたわむと予想されたのに対し，ほとんどたわまないことが確認された。

0.055 rpm

トのスラスタ噴射によって行っていま

そのまま維持され，回転速度を増す側

しまう危機を脱することができたのでした。これはつまり，燃料がなくなるとに働くことが予想されたのです。
つまり，す。このおかげで，その後に続く冬眠

回転速度が制御できなくなることを意

回転が止まるという危機を回避できる運用までIKAROSの運用を継続できる味します。悪いことに，太陽光圧によのです。

ようになりました。

る「風車効果」によって，回転速度は

この結果を受け，挑戦的なミッショ

これらの運用結果は，将来のソーラー

常に減少する状態でした。燃料が枯渇ンとして「逆スピン運用」が計画され

電力セイル計画にも反映されようとししたらIKAROS の回転は止まってしま

ました。これは，一時的にIKAROS のています。見直したセイルの力学モデ

い，太陽光圧でたわんだIKAROSのセ回転を止めることになるため，大きなリルを活用することで，将来計画では，

イルは，その機能を果たさなくなるでスクを伴っていました。しかし，低スピ

最低スピンレートをより低く設定でき

しょう。さらに，たわんだセイルが探査

ンレート運用で得たデータからセイルるようになりました。通信アンテナやカ機本体に絡み付き，探査機として死んの剛性を見直した上でシミュレーショ

メラなどの観測機器は特定の方向を向でしまってもおかしくありません。これ

ンを重ねた結果，残り少ない燃料を使いている必要があるため，スピンをキャ

は，真綿で首を絞められるように迎えいスラスタを噴射させ短時間で回転方ンセルするデスパン機構などの仕組み

るIKAROSの危機でした。

向を逆転させれば，安全に逆スピン状が必要となりますが，スピンレートを小態に移行できると判断しました。

さくすることで，この負担を軽減するこ

しかし，これを回避する逆転の芽がありました。風車効果は，風車のような

2011年10 月18日，緊張の中で逆とができます。また，風車効果をうまく形になったセイルに太陽光圧が作用す

スピン運用が実行されました。初期ス

操り，ガスジェットの燃料を使わずにスることで起こると考えられていました。

ピンレート 0.15 rpm の状態から，約ピンレートを制御する方法についても

もしうまくセイルの形状を変化させる

20 分間スラスタを断続的に噴射させ，研究が進んでいます。

ことができれば，燃料なしでも回転速

マイナス0.25 rpmを目指して一気に回

低スピンレート運用，逆スピン運用

度を制御できるのではないかと考えて転速度を変えていきます。この間，懸ともにリスクの高い運用でしたが，将いたのです。低スピンレート運用では，念された姿勢の乱れなどによる通信途

来に向け非常に重要なデータを得るこ

スピンの回転速度に対する風車効果の絶や電力喪失もなく，見事，目標通りとに成功しました。ミニマムサクセス，

影響を調べ，セイルの形状との関係をの逆スピン状態に移行することができ

フルサクセスを着実に達成し，後期運整理することができました。その結果，ました。この状態で，予想通り風車効用においてさらに挑戦的な運用が可能

セイルの形状を変えることはできませ

果が回転速度を増す側に働き，ある程であったIKAROS だからこそ，このよんでしたが，スピンを反時計回りから度速くなったところで落ち着くようにな

うな望外の結果を得ることができたの

時計回りに持っていけば，風車効果がりました。IKAROS の回転が止まってだと思います。

（しらさわ・ようじ）

コラム

事前のセイル展開実験

きるかが，課題の中心であった。軌道工学部門助津田雄一

手として宇宙研に着任した私の最初にやる仕事がセイルを遠心力だけでいかに高い再現性で展開で折り紙とは思いもよらなかったが，新たな折り方
遠心力でソーラーセイルを展開する方式に注目を考案しては，真空チャンバやスピンテーブル，

し，スケールモデルを使って展開実験を始めたのさらには大気球を使っての展開実験を幾度となくは 2002 年のことであった。コンパクトに畳んだ行った。2004 年に実施したS-310 観測ロケット
ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

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を使った10 m級セイルの展開試験の成功は，私た外のワーキンググループメンバーがそれぞれ，さま

ち自身がこの独自のセイル展開技術に自信を持つ

ざまな様式のセイルのアイデアを温めていたのだ。

転機となった。

選定の会議は明け方まで続き，数百の評価項目に

それでもまだ，私たちが目指している最終ゴー

わたって議論をしたのだから，（精神的）若さのなせ

ル，20 m 級セイルには届いていなかった。摩擦のる業だ。ただし，この会議には構造を専門とする小小さい巨大な平面を求めて，深夜のスケートリン

野田淳次郎 前宇宙研所長や名取通弘 宇宙研名誉クで20 m級セイルの展開実験をした。夜な夜なス

教授も参加されていたから，精神的な若さと肉体

ケートリンクに現れる，大風呂敷と巨大な回転装置

的な若さは無関係。このような真剣な熱意のエネを持ったスケート靴を履かない集団は，さぞや怪しルギーから，S-310 観測ロケット実験で成功したい存在だっただろう。

方式をベースに，メンバーみんなの創意に富んだ

これだけ実験を重ねても，IKAROSのセイル様式を一つに絞る会議は紛糾した。何しろ宇宙研内

改良が盛り込まれた，IKAROSのセイルの基本構
想がまとまったのであった。

冬眠・探索運用（つだ・ゆういち）取りをすることが可能ですが，一度通信途絶となると，姿勢のモニタができ三桝裕也ません。そうなると，セイルが太陽に対してどの方向を向いているのかを予

IKAROS は 2011 年 12 月末に，太勢制御用の燃料がいよいよ枯渇したた測した上で，さらに軌道を予測する必陽角および地球角の増大により，電め，IKAROS の姿勢が太陽方向から離要があります。この性質上，IKAROS

力の発生，地球との通信が困難となれる方向に流されてしまったのです。

の探索は，「はやぶさ」を通信断からり，いわゆる冬眠モードへと突入しまソーラーセイルは，太陽光圧によって復帰させた運用と比較しても，非常にした。太陽光圧トルクの影響で流れて大きく軌道が遷移します。姿勢がモニ

ハードルの高い挑戦でした。しかし，

いってしまう姿勢を元に戻すための姿

タできている状況であればセイルの舵

通信途絶となった IKAROS をそのまま

0

150

90

60

軌道面外太陽角［deg］

30

0

-30

-60

-90
-90

-60

-30

30

60

90

120

180

210

240

270

軌道面内太陽角［deg］

図1 姿勢プロファイルを探索するための姿勢運動のシミュレーションの例。1本1本のラインが天球上でのIKAROSのZ軸方向の数ヶ月分の予測履歴をメルカトル図法で表現したもの。わずかな光学定数の変化
でプロファイルがまったく異なり，各運用日での姿勢予測が無数に存在していた。

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ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

漂流させておくわけにはいかない，そ異なる結果になり得ます。

こうして探索運用を続けたとこ

ういったチームメンバーの強い思いか

我々はまず，IKAROS の姿勢がどのろ，何と探索運用開始から 7 ヶ月後のら，自然と翌年の 2 月に IKAROS の探ように遷移するかシミュレーションを2012 年 9 月に IKAROS との通信を回索運用が開始されました。

行ってみました。しかし，セイル裏面

復することに成功したのです。後から

IKAROS を発見するための条件は三の光学定数などのモデル化しきれてい分かったことですが，この時期が冬眠

つありました。一つ目は電力を発生さない運動の効果による不確定要素が多後最初に IKAROS が見つかるチャンせるために太陽角が十分小さくなって過ぎて，無数の姿勢のプロファイルがスのあったタイミングでした。望みがいること，二つ目は通信を確立させるあり得ました。ノミナルミッションが薄いことは承知の上で，それでも必ずために地球方向とアンテナ方向が近い

終了していることもあって，IKAROSIKAROS が復帰すると信じ続けた結果状態になっていること（地球角が小さの運用は，もはや週 1 回程度でしかででした。このときのチームメンバーのくなっていること），三つ目は臼田宇宙

きません。その少ない運用期間の中歓喜は，打上げ成功に勝るとも劣らな空間観測所の 64 m アンテナの通信可で大量の姿勢プロファイルを試行していものでした。IKAROS を信じる心，

能な領域の幅にIKAROSが捉えられてみることは現実的ではありませんでしこれが発見のための四つ目の条件だっいること（軌道が決定されていること）

た。とにかく，運用を実施する日に上たのです。

です。どの条件についても，姿勢がど記の 3 条件がそろうようなプロファイのように遷移するかによってまったくルだけを抽出して探索を続けました。

（みます・ゆうや）

コラム

IKAROS の最新運用状況ました。ノイズの大海の中から IKAROS の特徴

尾川順子とができ，検出能力が飛躍的に高まっています。

的な信号パターンを文字通り浮かび上がらせるこ
こうして電波が見つかっても，キャリア（搬送

現在 IKAROS は，太陽の光がセイルのおもて

波）が弱過ぎてロックオンしないため，テレメト

面（太陽電池がある面）に当たらなくなると冬眠

リは通常の方法では確認できません。そこで「のし，光が当たり始めると冬眠から目覚めるというぞみ」「はやぶさ」でも活躍したビーコン運用のサイクルを，10 ～ 11 ヶ月ごとに繰り返してい出番です。IKAROS からの信号強度が変調の有ます。IKAROS の最初の冬眠明け（2012 年 9 月）

無により上下することを「1」と「0」に見立て，については「冬眠・探索運用」で紹介しています

調べたいテレメトリの値を「1」「0」の羅列に変が，その後 2013 年 6 月，2014 年 5 月，2015

換させてシリアル通信の要領で地上に送信させま

年 4 月と合計 4 回の冬眠明けを経て，運用チーム

す。スペアナ画面上でピークが上下するのを読みの探索技術はどんどん進化しています。

取ればデータが得られるわけですが，
かつては “心冬眠明けの最初の難関は，臼田宇宙空間観測所

眼” でスペアナを凝視しながらデコードしていたの 64 m アンテナから見て IKAROS がいる方向をのが，今では専用ツールのおかげでそれほど苦労

いかに正確に割り出すかです。IKAROS は 2011

なく情報を得られるようになりました。
さらにピー

年を最後に，地球からの距離を測定するレンジン

ク周波数の周期的な変動から，地球との相対姿勢

グができていないため，予想される方向にはかな

やスピン周期の情報さえも得ることができます。

りの不確定性があります。軌道決定チームから毎テレメトリがまったく見えず，QL（クイック回候補を提示してもらい，臼田の 64 m アンテナ

ルック装置。探査機の状態を数値などで画面に表をそちらに向け，我々 SV（スーパーバイザー）と示する装置）も数年来立ち上げていないというの運用支援の方とで，スペアナ（スペクトラムアナ

は，衛星運用として極めて異例ですが，変調オンライザ）に表示される電波強度の微小な変化を連

オフのコマンドを送ると確かに信号強度が上下し係プレーで見守ります。

て，IKAROS が生きていてこちらの命令に答えて何としても IKAROS を見つけようと，運用前いるのを実感できます。ほかの衛星では味わえなには毎回チームで知恵を出し合い，日々新たな手い面白さがあります。このような信号強度ギリギ

法にトライしています。2015 年にはスペアナでリでの運用技術はマニアックな話題ではあります

も見つからないほど微弱な信号を，後解析で積分が，将来の超遠距離での探査にきっと役立つのですることで見つけ出す手法を確立することができはと期待しています。

（おがわ・なおこ）

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17観測・実験機器 1：ALADDIN

ソーラーセイルを “魔法のじゅうたん” にする大面積惑星間塵検出アレイ
矢野 創
惑星間空間での宇宙塵研究は，半世な宇宙塵の計測が主体です。両者の欠型宇宙塵の分布を解明，②地球の公転

紀余りの歴史を持つ宇宙科学の老舗で点を克服するには，光学観測対象と同軌道上の周太陽ダストバンドの計測かす。すでに人類は，地球近傍から冥王等な大型の宇宙塵を統計的に有意なほ

ら標準宇宙塵分布モデルの限界を指摘，

星の彼方まで，太陽系内の各領域で宇ど多数検出できる大面積のダスト計測③金星の公転軌道上の周太陽ダストバ

宙塵を実測しました。また，太陽系外か器が必要ですが，通常の宇宙機のペインドの発見，が挙げられます。

ら到達する星間塵や，探査天体ごとのユ

ロード面積とは大きな乖離があります。

PVDF 式ダスト計測器は海外でも実

ニークなダスト成分（例えば，彗星コマ

2000 年 代 初 頭。深 宇 宙に100 〜

績があり，日本の独創ではありません。

ダスト，月面の静電浮遊微粒子，火星衛

1000 m2 オーダーの面 積を持つセイ

しかし面積 0.54 m2，視野角2πの反太星のダストトーラス，土星衛星エンケラ

ル膜を長期間広げてこそ可能になるサ

陽指向で宇宙塵の衝突を常時待ち受け

ドスの海氷プリューム微粒子など）の探イエンスを分野横断的に検討していた

るALADDINは，断トツで宇宙探査史

索にも役立っています。

ソーラーセイル・ワーキンググループ内上最大の有効開口部を持ったダスト計の研究会で，筆者の頭にこのジレンマを測器となりました。もう一つ重要な点

太陽系以外の惑星系（系外惑星系）の研究でも，「系外黄道光」の光学特性や，解消するアイデアがひらめきました。セ

は，ALADDINは日本人が独自に設計・惑星との平均運動共鳴※ にある周星ダス

イル膜材の一部を薄膜軽量のダスト計開発・製作・試験・運用・較正・解析を

トバンド構造への理解が重要性を増して測器に置き換えることで，宇宙塵研究に完遂した，日本初の純国産ダスト計測器

います。そこで，太陽系において赤外線

とっての “魔法のじゅうたん” にするのだったことです。IKAROS 実測データ

波長程度の大きさを持つ大型の宇宙塵です。ALADDIN（大面積惑星間塵検出を使って博士号を取得した次世代の研の分布が，太陽からの距離や各惑星のアレイ）構想の誕生でした。

究者を育成する機会にも恵まれました。

重力・軌道などとどのような関係を持つ

それ 以降，大 気 球，観 測ロケット，

それは1995 年以降，宇宙研や東京大かを理解できれば，系外惑星系一般の

M-Vピギーバック衛星と続くソーラー

学で固体微粒子を射出できる独自の超ダスト円盤やその中に埋もれた惑星群にセイルの段階的開発に寄り添いながら，

高速衝突実験設備を整備してきた，宇関するベンチマーク情報となり得ます。

PVDF（ポリフッ化ビニリデン）センサ

宙塵研究者たちの地道な努力のたまも

実測の戦略を大別すると，黄道光やを用いた ALADDINシステムの開発をのです。20 世紀末まではドイツがダス

彗星ダストトレイルの太陽光散乱光，大続 け まし た。2006 年 に「S S S A T」，

ト計測器の総本山であり，工学実験衛星

気中の流星発光などを捉える光学観測2009 年に「かがやき」という地球周「ひてん」と火星探査機「のぞみ」に搭

機器と，宇宙機に直接衝突する個々の回小型衛星への搭載に挑んだ後，2010

載された装置もドイツ製だったのです

宇宙塵の物理量や物質情報をひもとく

年にIKAROSによって約16 ヶ月間，地から。

ダスト計測器，さらに地上へサンプルリ

球ー金星軌道間で深宇宙運用が実証でIKAROSの実績と教訓から，本来のターンするためのダスト捕集器の3系統

きました。その間，約2800 個の宇宙塵目標である，ソーラー電力セイルの膜面に整理できます。

のデータを取得し，そのうち400 個以に4 m2 以上のALADDINシステムを搭

しかし，従来の手法に限界もあります。

上は直径10μmを超える大型のもので載し，内惑星領域から小惑星帯，外惑

光学観測は，視線方向に重なる宇宙塵した。現在もデータ解析とモデル研究は星領域の木星トロヤ群小惑星まで大型による太陽光散乱光の積分値です。衝続いていますが，主な科学成果として，宇宙塵の分布構造を連続的に測り，赤突電離型のダスト計測器は，開口面積が①日心距離1〜0.7 AU（1AUは地球と外線光学望遠鏡とも同時観測を行う準小さいためにμmオーダー未満の小さ太陽の平均距離で約1.5 億km）間の大備は，ほぼ整いつつあります。さらに
ALADDINの技術と経験は，スペースデブリ環境の常時モニタを可能にする地

膜面ハーネス20 μ m 厚 PVDF

球周回衛星用の汎用軽量ダスト検出シ
ステムにもスピンオフできると考えてい回路ボックス

9μm厚
PVDF

図1 セイル膜面に搭載されたALADDINセンサ一組（左）と探査機外縁に搭載されたALADDIN回路ボックス（右）18ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

ます。

（やの・はじめ）※ 平均運動共鳴：惑星と宇宙塵それぞれの公転
軌道の周期が整数比となるとき，毎回同じ配置で最接近するため，両者の軌道は長い間安定な状態に入る場合があり，平均運動共鳴と呼ばれる。

観測・実験機器 2：GAP

ガンマ線偏光観測によるガンマ線バーストのジェット内部の研究
米徳大輔■宇宙最大の爆発「ガンマ線バースト」と偏光観測■ GAPによる偏光観測

これらの観測結果より，GRBを発生

図1に GAPのフライトモデルの写真させる相対論的な速度を持ったジェッ

ガンマ線バースト（GRB）とは，100を示します。直径17 cm, 高さ16 cm，

ト内部には強い磁場が存在していて，億光年以上先の，初期宇宙から数十秒

重量 3.7 kg, 消費電力 5 W とガンマ線

かつ内部構造（いくつかの放射領域）を間という短時間にだけ大量のガンマ線観測装置としては非常に小さいですが，持っていると考えられます。そして，が飛来する現象です。ガンマ線の総エ

ガンマ線の偏光を測定する機能を持っ

GRB のガンマ線放射は，ジェット内部

ネルギーは超新星爆発をはるかにしのた世界的に見ても大変ユニークな観測の磁場を利用したシンクロトロン放射

ぐような，宇宙最大の爆発現象と認識装置です。ガンマ線は偏光方向と垂直の可能性が極めて高いことを示しまし

されています。最近，この GRBというに散乱しやすいという性質があるため，た。GAP によるガンマ線偏光観測で，現象がとても注目されています。GRB

その散乱角度分布を測定できるように

これまでは見えなかったジェットの内は一瞬だけではありますが非常に明るなっています。

部を調べることができたのです。よりく輝くため，はるか昔の初期宇宙を見

GAP は IKAROS が宇宙を航行して詳しい GAPの観測については，『ISAS

渡せる光源として利用されているからいる最中に，30 例の GRB を検出しまニュース』2014 年 6 月号にも記事がです。

した。その中で特に明るい 3 例のバー掲載されていますのでご覧ください。

金沢大学・山形大学・理化学研究

スト（GRB 100826A, 110301A,■偏光で時空構造を捉える

所のグループは，GRB の放射メカニ

110721A）から，統計的に有意なガン

偏光した光が方解石のような異方性

ズムを探求するために「ガンマ線偏マ線偏光を検出しました。このうち最のある結晶の中を通過すると，電磁波光」を観測できる小型の観測装置 GAP初の例であるGRB 100826A は継続の振動する電磁場が結晶から影響を受（Gamma-ray Burst Polarimeter）を

時間が100秒程度と長かったため，バーけて，偏光方向が回転するという現象

開発し，IKAROS に搭載しました。光

ストの前半と後半で偏光を調べたとこがよく知られています。もし，宇宙空（電磁波）は電場と磁場が振動しながろ，偏光角の方向が大きく変化してい間に何らかの異方性が存在している場

ら伝わる波です。電場が振動しているることを検出しました。前後半の平均

合，100 億光年先から飛んでくるガン向きを偏光方向と呼び，たくさんの光的な偏光度としては，27 ±11％であマ線はその影響を受け，偏光方向が回を観測したときに全体として電場がそるという結果が得られました。一方で，転してしまうはずです。

ろっている場合は「偏光している」と

GRB 110301AとGRB 110721A か

一般的に，電気のプラス・マイナス

いいます。自然現象で発せられる光は，らは 70％程度の高い偏光度を検出しまを反転させても，座標を反転させてもほとんど偏光していません。偏光した

したが，バースト中の偏光角の変化は（鏡に映したような世界でも），時間の光は，特別な条件下でないとつくられ検出されませんでした。

流れを反転させても，物理学の本質はないのです。
偏光した光の最も有名な例として，
磁場のまわりに絡み付く電子が発する光（シンクロトロン放射光）があります。
逆に，光が偏光している場合，そこにはよくそろった磁場があると推測できます。磁場は目に見えないので直接観測することは困難です。偏光観測は，磁場の存在を明らかにする最も良い手段と考えられていて，電波や可視光では頻繁に利用されています。ガンマ線
は波長の短い電磁波ですが，これまでにガンマ線の偏光観測はほとんど例がなく，信頼度の高い観測結果もありませんでした。我々は GAPにより，世界に先駆けたガンマ線偏光観測を行うことができました。

図1 GAPのフライトモデル。右の円筒形のものが偏光検出器で，左の小さな箱は検出器を駆動するための電源。

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

19変わらないと考えられています。しかのある結晶の中を進むときと同じよう称的である（CPT 対称性が保たれてい

し，物理学の究極理論である量子重力に偏光方向が回転してしまうので，偏る）ことを実証することができました。

理論などでは，これらの対称性（CPT

光観測によって時空の対称性が保たれ

未開拓の分野であったガンマ線偏光に対称性）が保たれている場合と，破れているかどうかを検証することができ挑戦した結果，GAPのような小さな観ている場合の二つが考えられています。

ます。

測装置であっても，物理学における最もし対称性の破れている時空の中を偏そのような効果を考慮して，GAP で光したガンマ線が100 億光年という途観測した偏光データを詳細に解析した方もない距離を飛んでくると，異方性ところ，我々の宇宙は極めて正確に対先端の究極理論の検証もできたのだと思います。

（よねとく・だいすけ）

観測・実験機器 3：VLBI 計測用マルチトーン送信器

Delta-DOR 実証実験
竹内 央

従来の深宇宙探査機の軌道計測手法

天球面上の位置については精度が著しからの電波を受信し，信号の受信時刻（ドップラー・レンジ計測）は，視線（奥く劣るという欠点がありました。この差を計測することにより天球面上の探行き）方向の探査機位置は高い精度で欠点を補うために，大陸間で遠く離れ査機位置を高い精度で直接計測する手計測できるものの，視線方向と垂直なた 2 台の地上アンテナで同時に探査機

法が，Delta-DOR（Delta Differential
One-way Ranging）計測です。この手法は，NASA では古くは惑星探査機ボイジャーの時代から用いられていましたが，2000 年代に入り地上デジタル
受信技術が発展し，GPS 観測網が整備され地球対流圏や電離層による大気遅延モデルの精度が向上したことなどに伴い，この10 年で急速に精度が向上しました。最近では数ナノラジアン（約1000 万分の1度）の角度精度が得られるようになっており，東京スカイツリー
から富士山頂にいるミジンコ（0.3 mm）
をのぞき込む 分 解 能に相当します。
1AU（地球と太陽の平均距離で約1.5

図1億km）先の探査機であれば，数百mのIKAROSのDelta-DOR実証実験参加局

精度で位置を計測することができます。

2010/7/29 の臼田−キャンベラ基線の VLBI 観測データ-11

JAXAはDelta-DOR 用地上デジタル
受信装置に関しては，NASAと同等以遅延量残差（ナノ秒）-13

上の性能のものを早くから開発することができていました。しかし，従来の-15

JAXAの探査機にはDelta-DOR計測用-17信号の送信機能が備わっていなかった
ため，地上からトーン信号を送信して-19

機上で折り返したり（「はやぶさ」の例）
，

-21
-23

テレメトリの副搬送波を利用したり
（
「あ
0

500

1000

1500

2000

2500

測定開始からの経過時間（秒）図2

20

JAXA臼田局─NASAキャンベラ局間のDelta-DOR計測結果

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

3000

3500

かつき」の例）して，疑似的なDeltaDOR 計測を行っていました。いずれの場合もトーン間の帯域幅が狭いため，

従来の軌道決定精度（1マイクロラジア

JAXA臼田局─ NASA キャンベラ局間とにより，「はやぶさ2」では日本で初ン程度）に比べて大幅な精度向上は望で取得したIKAROSのDelta-DORデー

めて，バス系トランスポンダの正式機

めない状況でした。そこでIKAROSのタは，JAXAとNASA のおのおののシ能としてDelta-DOR 用トーン生成機能

飛行機会を利用して，JAXA の深宇宙

ステムで独立にデータ処理を行い，得が搭載されました。また，地上の軌道探査機では初となるDelta-DOR 計測専

られた計測量の値や品質など詳細な比決定ソフトウエアの高精度化や定常運用トーン送信機を開発・搭載し，「はや

較を行いました。その結果，「あかつき」

用に向けたデータ処理の自動化などもぶさ 2」などの将来ミッションに向けの20 倍の精度に相当する 50ピコ秒と進められ，「はやぶさ2」の実運用におたフロントローディングとして Delta-

いう高い精度（低い熱雑音）で計測がでいてDelta-DOR が多大な貢献をするに

DORによる軌道決定技術の獲得を目指きており，NASA ─ JAXA間のデータ

至っています。これらの成果は，またすことになりました。Delta-DOR 計測の処理も 30 ピコ秒という高い一致度

別の機会にご報告することにします。

用信号送信機能は，本来はバス系のトが得られていることが確認できました

ランスポンダの機能の一部として提供（図2）。

され，テレメトリ・コマンド運用と排他

JAXA/NASA/ESAは共同で，国際的に利用されるべきものです。しかし，機関である CCSDS（宇宙データシス

IKAROS では新規開発リスクを避ける

テム諮問委員会）においてDelta-DOR

ため，送信アンテナやアンプまで含めデータの国際標準フォーマット（Delta-て完全に独立な専用系として開発を行

DOR raw data exchange format）
を

いました。

（たけうち・ひろし）

提案していました。規格が正式に発効

Delta-DOR では遠く離れた複数の地するためには，規格に準拠したDelta-

上アンテナを同時に使用する必要があ

DORデータの処理を異なる複数の機関

るため，海外機関との連携が必須にな

で独立に行い，精度評価を含めた結果

ります。我々が開発した地上受信信号を比較の上，レポートにまとめることが処理システムは，受信信号を PC ベー

必要条件でした。JAXAとNASAが行っスのソフトウエアで処理する方式を採たIKAROSデータの処理結果は詳細レ用しているため，対外機関ごとに柔軟

ポートにまとめ，CCSDS に報告されにフォーマット変換を行うことができました。その結果，2013 年に Delta-

るという強みがあります。ソフトウエ

DORデータの国際標準規格が CCSDS

アを整備することにより，2010 年 7にて正式に発効することになりました。

月1日から 8 月22日の期間に，図1にIKAROSの実験結果は，JAXA 単独の示した計 8 機関の 15 アンテナとの間技術実証にとどまらず，世界中の宇宙で，合計 24 回の IKAROS の Delta-

機関がDelta-DOR 計測を共同で実施でDOR 実証実験を実施しました。現時点

きるようにする礎をつくるという点で，

で世界で運用中のほぼすべての深宇宙

世界の宇宙コミュニティ全体に対して

局・VLBI 観測局のシステムと互換性貢献することができたのです（現在でを持つようソフトウエアを整備したたはインド，ロシア，中国などもCCSDS

め，海外に深宇宙局を持たない JAXA

規格に準拠したシステムを保有するににとっては運用の自律性確保という観至っています）。

点において大きなメリットになります。

IKAROSでの技術実証が成功したこ

コラム

IKAROSから「はやぶさ2」 へ
津田雄一

通信性能の低いIKAROSでは普段使いで採用された。おかげで，IKAROSメンバーは，地上に届く電波の波形をスペクトラムアナライザで見るだけで探査機の状態を読み取る “心眼” を身に付けた。
「はや

IKAROSの技術や経験は，「はやぶさ2」へ多く

ぶさ2」では，このビーコン送出機能はさらに進化引き継がれている。IKAROSは，真にすべてが限界したものが装備されている。最後にビーコン運用がに挑戦したプロジェクトであった。
「のぞみ」や「はある，という安心感は，運用の信頼性という意味でやぶさ」では救援運用時に使われたビーコン運用が，絶大である。
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また，IKAROSで習得した太陽光圧を積極的に利用

軌道決定技術）用のVLBI計測用マルチトーン送信器。

したスピン衛星の姿勢制御テクニックは，非スピンの衛

IKAROSでのこの技術の成功が，「はやぶさ2」での日星用に理論拡張され，「はやぶさ2」の巡航運用に採用

本初の主通信機へのDelta-DOR 機能正式搭載へとつなされた。この制御手法の解析には，JAXAの若手の職がった。

員や学生が意欲的に関わっている。

そして何よりも貴重なことは，IKAROSで限界の運用「 は や ぶ さ 2」 に 搭 載 さ れ て い る 分 離 カ メラ は技術を経験したメンバーの多くが，「はやぶさ2」で主DCAM3という名だが，これはIKAROSに搭載した分要な立場を担っていることである。この人たちのすぐギ

離カメラDCAM1，DCAM2の弟分に当たるから。姉・リギリ限界を試してしまいたくなる習性には要注意（！？）

兄を踏み台にして，この弟はずいぶん機能・性能が向上

だが，IKAROSが我が国の旗艦ミッションである「はやした。

ぶさ2」への太陽系探査技術の継承に大きな役割を果

IKAROSで実験的に搭載されたDelta-DOR（高精度

たせたことは，望外の喜びだ。

ソーラー電力セイル探査機システム
佐伯孝尚（つだ・ゆういち）

イオンエンジンは駆動に大量の電力が必要なのですが，それも大きなセイルに貼り付けられた太陽電池セルによって賄えます。また，日本が経験したこと

IKAROS は大成功を収めましたが，の大きさでしかなく，有限な時間では加のない木星圏以遠でも，探査機が活動

それで終わりではありません。IKAROS

速量が非常に限られることを示していするための電力を発生させることが可

はソーラー電力セイル実証機であり，将ます。もちろん，セイルの径を何百 m，能なのです。

来の探査ミッションのための重要技術

何kmと大きくすれば力も大きくなりま

太陽─木星系のラグランジュポインの実証が目的でした。現在，我々はソー

すが，あまりに大きなセイルは現実的トであるL 4 点，L 5 点（主星・従星を一ラー電力セイル探査機による木星圏探ではありません。そこで考えられたのが辺とする正三角形の頂点）のまわりには査ミッションについて検討しています。

ソーラー電力セイルです。

多数の小惑星が存在することが知られソーラー電力セイルというのは，ソーソーラー電力セイルでは，大きな膜ています。これを木星トロヤ群小惑星

ラーセイルを拡張した JAXA のオリジ面に大量の太陽電池セルを貼り付け，といいます。木星トロヤ群は，小惑星のナルのコンセプトです。ご存知の通り，

大電力を発生させます。これだけではスペクトル分類でいうとD 型や P 型に

ソーラーセイルとは太陽光を大きな膜

推進力は得られないので，同時に高比属し，「はやぶさ」が探査したItokawa

面に受けて推進力を発生させる推進方

推力（非常に燃費の良い）イオンエンジ（イトカワ）が属するS 型小惑星や「は法であり，推進のための燃料が必要なンを搭載します。これにより，純粋なやぶさ2」が向かうRyugu（リュウグウ）いというのが大きな特徴です。一方で，

ソーラーセイルより圧倒的に大きな推が属するC 型小惑星より，さらに始原

太陽光から受ける力は非常に小さなも進力を得ることができます。もちろん，的な天体であるといわれています。そので，IKAROSではその大きさは1mN

イオンエンジンを搭載するので燃料もこで我々は，世界で初めてトロヤ群小程度でしかありませんでした。これは地必要になりますが，燃費が良いため燃惑星のランデブー探査を行うことを検球上で1円玉にかかる重力の1/10 程度

料自体は少なくて済みます。高比推力討しています。ランデブー探査とは，小惑星との相対速度をゼロにして行う探査であり，小惑星を一瞬で通り過ぎる
フライバイ探査に比べてはるかに難し
い探査の形式です。ランデブー探査のためには大きな軌道変更が必要となり，従来の化学推進では大量の燃料が必要となります。また，木星トロヤ群小惑星
は太陽からの距離が大きいため，従来形式の太陽電池パネルを搭載した探査図1

ソーラー電力セイル探査機

機では発生電力が十分ではありません。
ソーラー電力セイルはその二つの課題

22

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

探査機を克服でき，現状では，大きなペイロー

地球

1

地球

ドを持って木星トロヤ群でランデブー
探査するための唯一の方法といえます。

を広げる形態となっています。膜の大

0.5

Y［AU］

探査機は，IKAROSのように円筒形の本体を持ち，そのまわりに大きな膜

探査機

きさは一辺がおよそ50 m（IKAROSは

0

-0.5

14 m）で，その大部分に薄膜の太陽電池セルを貼り付けます。それにより木星-1

圏でも5 kW 程度の発電が可能となります。それはNASA の木星探査機 Junoの10 倍以上であり，その豊富な電力により木星圏でイオンエンジンを噴射し-2

図2て軌道を変更し，小惑星にランデブー

-1.5

-1

-0.5

2年EDVEGAフェーズの軌道

探査機

0.8

小惑星

が行います。ランダーの重さはおよそ
100 kgで，探査機全体の重さはおよそ

考慮すると，ソーラー電力セイル探査

0.6

SJ-Fix［-］機ロゼッタがおよそ3トンであることを

0.4

探査機

0.2

機が非常に高い輸送能力を持っていることが分かると思います。
探査機は打上げ後，火星より遠い領域まで飛行した後，約 2 年後にいったん地球に戻ってきます。このフェーズ
を「2 年EDVEGA」（Electric Delta-V
Earth Gravity Assist：イオンエンジ

1

小惑星に到着後の表面探査は，子機（ランダー）のフィラエを搭載したESA の彗星探査

0.51

することが可能となるのです。小惑星

1300 kgです。ランダーとして100 kg

0

X［AU］

木星

0

-0.2
-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

SJ-Fix［-］

図3 木星からトロヤ群小惑星に向かう往路の軌道例（太陽－木星固定座標系）。矢印はイ
オンエンジンによる推力方向を指す。

ン併用の地球スイングバイ）と呼んでいます（図2）。この間にイオンエンジンにより加速し，地球スイングバイを経て木例を示しています。トロヤ群到着のためています。技術的な課題はいろいろあ星に飛行します。さらに木星スイングには10 年以上の飛行時間が必要となり

り，野心的なミッションであるとは思いバイをして，小惑星に向かって飛行しまます。とても長い時間と思われますが，ますが，工学的にも理学的にも大きなす。この間にもイオンエンジンを噴射し，深宇宙探査では，ある程度やむを得な

成果が期待できるミッションだけに，何とか実現したいと考えています。

小惑星との相対速度がゼロになるよういことです。そのため，技術をきちんに制御するわけです。図3は，ある木星と若い人に引き継いで，この壮大なミットロヤ群小惑星に到着するための軌道

ションを進めていくことが大事だと考え

ソーラー電力セイル探査機開発状況
加藤秀樹

松本 純

（さいき・たかなお）

その結果として，木星トロヤ群小惑星への「ソーラー電力セイル探査機による外惑星領域探査の実証」ミッション
は，宇宙研公募中型計画の二つの候補

ソーラー電力セイル探査機は，“日本以来，多くの JAXA 職員，大学や研究のうちの一つとして選定されています。

独自のアイデア” であり，2001年度の機関の専門家，学生が，その実現に向

現在は次フェーズへの移行に向けた準検討チーム（ワーキンググループ）発足

けて研究開発を積み重ねてきました。

備の段階です。
ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3

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ここでは，今までの研究開発成果がどのように実を結ぼうとしているかについて，その一部をご紹介します。
①ソーラー電力セイル
ソーラー電力セイルには，探査機に必要な電力を発電するための薄膜太陽電池のほか，姿勢を制御する機器や薄膜構造の理学観測機器が搭載されます。
各種バス機器とイオンエンジンを駆動するための電力は，地球近傍で約5.6 kW，トロヤ群小惑星近傍で約3 kWです。太陽から遠く離れたトロヤ群小惑星では，太陽光強度が地球近傍に比

図1

一辺50 mのセイルの試作

図2

CE Study（2015年8月）の様子と子機の検討結果

べて1/30 程度まで弱くなるため，最も発電が苦しくなる小惑星での要求電力を確保することが，ソーラー電力セイルの大きさを決める要素になります。現在，この要求を満たすようにソーラー電力セイルを設計すると，一辺が約50 mの大きさになります。
このソーラー電力セイルの設計と製作工程を検証するため，実際と同じ大きさである50 m 級セイルの試作と，そいます。この子機が単独で小惑星へ降ンとして，小惑星のサンプルを地球への収納展開試験を進めています。試験

り立ち，その素性を明らかにするわけで持ち帰る「サンプルリターン」を行いまの際は，大きさや清浄度・温度などをす。この子機が持つメインの機器は，「サす。これを実現するためには，子機が考慮し，より良い環境を使える筑波宇

ンプル採取機器」と「サンプル分析器」

採取したサンプルをソーラー電力セイ宙センターの設備を用いています。

の二つです。子機は小惑星の表面およル探査機に受け渡さなければなりませ搭載する薄膜太陽電池（CIGS タイ

び地下 1m のサンプルを採取した後，ん。地球周回衛星では，国際宇宙ステープ）は，耐宇宙環境性に優れ，かつフレ

その場ですぐに分析を行います。小惑

ションと宇宙ステーション補給機「こキシブルで軽量なものです。ソーラー

星まで片道10 年以上の飛行時間を要す

うのとり」に代表されるような 2 機間

電力セイルの製作をシンプルにするたる気の長いミッションです。世界に先駆のドッキングが頻繁に行われています

め，薄膜太陽電池1枚の大きさは，でき

けていち早く小惑星を調べるため，サが，本ミッションのように地球から遠くるだけ大きくすることにしています。現ンプルを地球へ持ち帰ることなくデー離れた場所での例は過去にありません。

在は，フライト品を想定した試作品の性タを取得できるようにしているのです。

地球からのサポートなしに 2 機が自律

能・温度特性の取得，紫外線や放射線

この子機開発はDLR（ドイツ航空宇宙

ドッキングをすることを目指し（まるでなどの耐宇宙環境性評価のほか，ソーセンター）と共同で進めており，2 年間

SF ！），現在はアンテナを用いて互いのラー電力セイル製作や軌道上でセイルにわたる合同検討会と，DLR の設 備

相対位置を認識する手法の検討や，安を展開する際にかかる荷重による影響を利用した CE Study（Concurrent

全にドッキングをするための機構・サンの評価を行っています。

Engineering Study：1週間の集中検プルを搬送する機構の試作，試験を進②子機（ランダー）

討会）により，概念設計を行いました。

めています。

③サンプルリターン（かとう・ひでき，まつもと・じゅん）

今回のミッションでは，小惑星を探査するための子機（ランダー）を搭載して小惑星で分析を行った後はオプショ

ISAS ニュース No.420 別冊 2016.3 ISSN 0285-2861
発行／国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
発行責任者／ ISAS ニュース編集委員会 委員長 山村一誠
〒 252-5210 神奈川県相模原市中央区由野台 3-1-1

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本ニュースは，インターネット（http://www.isas.jaxa.jp/）でもご覧になれます。
デザイン／株式会社デザインコンビビア 制作協力／有限会社フォトンクリエイト

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世界初の宇宙ヨット IKAROS の挑戦はまだ終わっていません。
次のソーラー電力セイル探査機につなげて，太陽系探査を先導することが真のゴールなのです。果てしなき夢を追い続けるイカロス君とその弟の旅が幸多からんことを願って……。
「Bon Voyage !（よい旅を！）」
編集後記（プロジェクト側編集担当 森 治）
＊本誌は再生紙（古紙 100 ％），植物油インキを使用しています。