IKAROS

Question: IKAROSは宇宙に打ち上げられた？


IKAROS（イカロス）とは独立行政法人宇宙航空研究開発機構・宇宙科学研究所（ISAS/JAXA）及び月・惑星探査プログラムグループ（JSPEC/JAXA）が開発した小型ソーラー電力セイル実証機である。名称は「太陽放射で加速する惑星間凧宇宙船」を意味する英語の「interplanetary kite-craft accelerated by radiation of the Sun」[1]にちなむものであり、森治により、ギリシア神話の登場人物の一人イカロスにちなんでつけられた[2][3]。
金星探査機「あかつき」と共に、2010年5月21日に種子島宇宙センターから打ち上げられ、6月3日から6月10日にかけてセイルを展開、7月9日に太陽光（太陽風ではない）による光子加速の実証が確認された。12月8日には金星フライバイを行っている。
目的
IKAROSはソーラーセイルを主推進として利用する世界初の惑星間航行宇宙機であり、主に以下の4つの項目について技術実証を行う計画である。
大型膜面及び展開機構の開発と展開制御技術の確立
太陽電池セルを搭載したソーラー電力セイルからの集電
光子セイルによる加速実証と加速性能の推定
操舵装置の搭載による光子セイルを用いた航行技術・方向制御技術の確立
打ち上げ後数週間で上記2項目（ミニマムサクセス）を達成し、その後約半年かけて下記2項目（フルサクセス）を達成した。
2010年12月8日には金星フライバイを行い、当初予定していたミッションをすべて成功させた。
今後も更なる技術検証および習得を目指して運用が行われる予定である。
経緯
IKAROSプロジェクト立ち上げの経緯
通常、科学衛星・探査機は開発に5年以上の時間をかけるが「イカロス」は計画開始から打ち上げまで2年半しかなかった。しかも予算総額は15億円と、通常の探査機に比べれば一桁小さい。これは、この「イカロス」計画が単独の実験として計画されたものではなく、金星探査機「あかつき」の付帯プロジェクトとして提案されたもののためである。金星探査機「あかつき」は、最初M-Vロケットで打ち上げる前提で設計が進んでいたが、途中でM-Vが廃止になり、H-IIAロケットで打ち上げることになった。そこで、H-IIAで打ち上げることができるか解析したところ、軽すぎて第2段で加速している間の振動が過大になってしまうという問題が見つかった。問題を解決するためには、500kgのあかつきのほかに700kg近いダミー・ペイロードを載せて振動を抑制するしかないことが分かった。そこで打ち上げ能力を有効に使うために、「イカロス」計画がスタートした。提案したのは、小惑星探査機「はやぶさ」の開発・運用を指揮した川口淳一郎で、振動解析の結果が出てから一週間で提案書を書いたという
[4]。
ソーラー電力セイル計画
JAXAの前身の一つである宇宙科学研究所において、ソーラーセイルワーキンググループが2000年に発足された。このワーキンググループは、将来の惑星間航行システムとして有力であると目されながら実現されていないソーラーセイル推進について、実用化に必要な大型膜構造の製造・展開技術の研究や、太陽帆推進を使用した科学ミッションの成立性や科学的意義、運用要求等の検討を目的としていた。木星以遠の惑星探査の場合、太陽光が微弱になる為に通常原子力電池を搭載するのだが、熱源としてプルトニウムなどの放射性物質をロケットに乗せるリスクや国内感情を考慮した場合、別の手段が求められる事となった。
検討はMUSES-C（後のはやぶさ）に続く次期工学実験衛星(MUSES-D)への採用を目指して行われたものであり、黄道面脱出による赤外線天体観測機、枯渇彗星核や小惑星への着陸探査機、金星大気球などがその案であった。しかし、検討が進むにつれソーラーセイル単体では現実的な期間内でのミッション遂行が困難であることが明らかとなった、そこでセイル表面に搭載した薄膜太陽電池によって発生した電力を用いたイオンエンジンを併用するハイブリッド推進であるソーラー電力セイルが考案され、2002年にソーラー電力セイルワーキンググループが発足された。2003年3月には木星軌道近傍での赤外線天体観測やトロヤ群小惑星の接近観測、航行中のガンマ線バーストと宇宙塵の連続観測を目的としたミッション案が宇宙工学委員会に提出された。採択はされなかったものの、以後は木星圏探査を目指し検討が進められている。木星圏探査計画は2006年に宇宙開発委員会に提出されたがASTRO-Gが採択されたため、開発段階へは移行しなかった。2010年12月現在、2018年度打ち上げを目指して検討が進められている。
大型膜面展開実証試験
2003年以降大型膜面展開実証試験が様々な形で行われている。真空槽を用いた径0.8mの真空落下展開実験を経て、2003年8月に大気球を用いた径4mのクローバー型セイル展開実験に成功、スピンテーブルを用いた径2.5mの展開実験を経て2004年8月9日にはS-310ロケット34号機において径10mのクローバー型セイル及び扇子型セイルの宇宙空間での展開に成功、2006年8月30日には大気球を用いた径20mの正方形セイルの展開に成功と、着実な成果を上げた。また、2006年にはM-Vロケットのサブペイロードを利用した2機の軌道上展開実験（後述）も行われた。2007年にはスケートリンクを用いた展開実験が行われた。2009年にも大気球を用いたIKAROS実機大膜面の展開実験が計画されていたが、これは実施されなかった。
小型実証機
前述のようにソーラー電力セイルを用いた木星圏探査計画が進行する中、その前段階としての軌道上大型膜面展開実証機の必要性が高まり、2006年に2つの小型実証機案が作成されることとなった。1つは同年計画が中止されたLUNAR-Aのオービタを改修・再利用して次期固体ロケットの初号機で打ち上げる案、もう1つは新開発した300kg未満の小型実証機をH-IIAロケットによる打ち上げへと変更されたPLANET-Cのピギーバックペイロードを利用して打ち上げる案である。前者は次期固体ロケット初号機の打ち上げ予定が不確定であり、LUNAR-Aフライトモデルの経年劣化も激しいことから見送られ、開発期間が短く国際的にも競争力のあると考えられた後者へ決定された。2007年4月1日にJSPEC誕生と同時にプリプロジェクトへ移行、2008年にプロジェクトへ移行しIKAROSと名付けられた。
構成

本体とセイルに大別される。スピン安定であり、セイルの展開もスピンを利用して行われる。
本体
直径1.58m高さ0.9454mの円柱状であり、主に構造部、太陽指向面、ミッション部、バス部から構成される。構造部はロケット結合部、ロケット結合部と太陽指向面を接続し全体の構造強度を保つスラストチューブから構成される。太陽指向面には補助用太陽電池が配置される。ミッション部はセイルの収納、テザーの結合、ブラシレスモータを用いたセイルの展開等を行い、セイルとバス部の電気的接続を担う。バス部はスラストチューブ内に配置され、CPUなどの演算制御機器で構成される。バス部については、れいめいやはやぶさ、あかつき等で開発した部品を使用したり、開発が中止になったLUNAR-A母船の部品の一部を流用することで、リスクやコストの低減をはかっている。また2個のスプリング射出式分離カメラ(DCAM1, DCAM2)を装備しセイル展開状態の本体を撮影できるようになっている。
通信アンテナは、地球との通信用に低利得アンテナ (LGA) が表と裏に2基搭載されている。中利得アンテナ(MGA)も1基搭載しているが、金星フライバイまでに使われることはなかった。このほかVLBI用・DCAM用アンテナを別途搭載している[5]。
セイル
ポリイミド製のセイルは膜厚7.5μmで14m四方の正方形であり、4枚の台形ペタルから構成されている。それぞれのペタルはブリッジで結合されており、本体とは16本のテザーによって結合されている。4つの頂点にはそれぞれ500gの重りが取り付けられており、スピン展開時には遠心力によって先導的な役割を果たす。薄膜太陽電池セルは膜厚25μmでセイルの半ばに本体を囲むように正方形に配置され、面積比ではおよそ10%を占める。セイル片面にはアルミ蒸着が施されており、電位差や電流分布から太陽風プラズマの観測が可能である。他に8ヶ所にダストカウンタが搭載され、宇宙塵の観測を行う。操舵装置として液晶を利用した電気式の調光フィルムが各頂点両側、合計8ヶ所に搭載される。これは、反射率を変化させることで光圧のバランスを崩し、発生したトルクによってセイルの姿勢制御を行うものである。
経過

「IKAROS」は、2010年5月21日6時58分22秒（以下全て日本時間）に、種子島宇宙センターから金星探査機「あかつき」及び小型副衛星4機とともにH-IIAロケット17号機により打ち上げられた。ロケットは順調に飛行しあかつきは所定の軌道に投入された。IKAROSも計画通り分離信号を受け無事に分離された[6]。5月24日、初期動作チェックを終え、実証実験へ移行した[7]。
定常運用
6月3日にセイルの展開を開始し、6月10日に地球からの距離約770万kmにて、セイルの展張、及び薄膜太陽電池による発電を確認した[8]。これによってミニマムサクセスは達成された。6月15日には分離カメラDCAM2を射出し、セイルを展張したIKAROS全体の撮影に成功した[9]。6月19日にはもう一方の分離カメラDCAM1をより低速度で射出し、方向制御用の液晶デバイスの作動を確認した[10]。
6月21日にはIKAROS本体に搭載されたガンマ線バースト観測器（GAP）が稼動し、22日にはセイルに搭載されたダスト検出器（ALADDIN）に電源が入った[3]。7月7日にはGAPが運用開始後初めてガンマ線バーストを観測した[3]。
セイル展開の成功を受け、7月よりフルサクセスの光子加速実証フェーズへと移行、7月9日、以前よりとれていたドップラー効果を利用した地球に対するIKAROSの相対加速度のデータに加え、新たに算出されたレンジアンドレンジレート（RARR）によるIKAROSの軌道決定により、IKAROSが太陽光を受けて光子加速を行っていることを確認した[11]。その力は地球上で0.114グラムの重りがぶら下った程度の力とされる（約1.1×10−3ニュートンに相当）[12]。続けて7月13日に姿勢制御デバイス（液晶デバイス）によるセイルの姿勢制御実験が行われ、想定通りの姿勢制御性能を達成していることが確認された[13]。
12月8日、日本標準時16時39分、IKAROSは金星から80,800kmの地点を通過。ソーラーセイル宇宙機としてははじめて、他の惑星の近傍に到達した。機体は良好な状態を保っている[14]。
後期運用
2011年1月には、約6ヶ月間の定常運用を終了し、後期運用に入ったと報告された。期間は2012年3月末までで、後期運用終了時に継続運用の是非を判断する[15]。
2011年10月には「膜面挙動・膜面形状の変化を積極的に引き出して展張状態の力学モデルを構築する」ことを目標に機体の回転方向を反転させる逆スピン運用が実施され、問題なく逆スピン状態になった[16][17]。
2012年1月には、運用状況からIKAROSが冬眠モード（発生電力低下による搭載機器シャットダウン）に移行したことが確認された[18]。
2012年3月の報告[19]では後期運用中の低スピン運用や逆スピン運用、大姿勢変更運用によって膜面形状や膜面姿勢運動に関する想定外の現象が見られたことが報告された。また、2012年度の運用では6月から10月には冬眠モードから復旧しデータ取得ができる可能性が報告されていたが、9月6日に電波を発見し8日にIKAROSが冬眠モードから明けた（復旧）ことが確認できた[20]。
その後まもなく、11月22日には再び冬眠モードに入ったことが確認された[21]。その間はビーコン運用だけだったため、画像などの詳細なテレメトリこそ得られなかったが、それまでに得られたデータをまとめるため、翌2013年3月28日にプロジェクトチームの解散が発表された。なお同年初夏に予想されるIKAROSの冬眠開けに向け、運用継続が発表され[22]、その後、予定通り電波の捕捉ができていることが報告された[23]。9月には3度目の冬眠モードへ移行した[24]。
2014年5月22日にも3回目の冬眠モード明けで電波の受信に成功し[25]、8月7日には4回目の冬眠モードへ移行した[26]。
2015年4月23日、4回目の冬眠モード明けで電波の受信に成功した[27]。
ミッション終了後のイカロスは太陽の周りを約10ヶ月で公転しているが、姿勢制御をしていないため太陽電池に日が当たる期間に地球が電波の届く位置にないとテレメトリは得られない。今後も冬眠と冬眠明けを繰り返す事になる。
広報

公式Twitterにおいて、運用チームのメンバーがIKAROSの擬人化キャラクター「イカロス君」としてミッションの進行状況を広報している。2010年9月9日、「イカロス君」が第8回Webクリエーション・アウォードにおいて一般投票の最多得票者に贈られる「気になるWeb人で賞」を受賞した[28]。
2010年12月12日、IKAROSのミッションをわかりやすく解説した政府公刊物「イカロス君の大航海」が発行、2012年3月10日には東日本大震災復興支援プロジェクトとして「イカロス君のうた」（歌：間宮くるみ、作詞：ゆうきよしなり、作曲/編曲：真鍋旺嵩、中沢昭宏 (WEEAST)、ディレクション/ミックス：安保一生、イラスト/映像：みみみみドイツ）がIKAROS専門チャンネルにて公開された。子供から大人まで楽しめる内容になっている。
記録
2012年11月30日jaxaは、IKAROSとその分離カメラ（子衛星）DCAMが、ギネス世界記録に認定されたと発表した[29]。認定された記録は次の2件。
最初の惑星間ソーラーセイル宇宙機　「IKAROS」（First interplanetary solar sail spacecraft）
最小の惑星間子衛星　「DCAM1とDCAM2」（Smallest interplanetary subsatellite）
サブペイロードによる大型膜面展開実験
IKAROS以前、M-Vロケットのサブペイロードを用いて軌道上での大型膜面展開実験は二度行われた。
SSP
SSP(Solar-sail Sub Payload)は膜面展開制御を目的とし、径10m級の扇子型セイルを搭載したサブペイロード実験モジュールである。2006年2月22日6時28分にM-Vロケット8号機のサブペイロードとして赤外線天文衛星あかりとともに打ち上げられた。展開は探査機での使用を想定し、時間をかけて徐々に展開する方式であった。実験の様子を海外局を通じて受信する際にトラブルが発生、受信状況が悪く実験後の画像のみが取得できた。実験中のモータ回転数の解析結果からは全行程の1/3程度で停止し、展開に失敗したと推定された[30]。
SSSAT
SSSAT(Solar Sail Satellite)は膜面展開と薄膜太陽電池の宇宙空間での特性評価、気液平衡スラスタによる姿勢・軌道制御、ダストカウンタによる宇宙塵観測を目的とし、径5mの膜面を搭載した質量6kgの衛星である。2006年9月23日6時36分にM-Vロケット7号機のサブペイロードとして太陽観測衛星ひのでとともに打ち上げられた。ロケットから正常に分離されたことがロケット側のカメラによって確認され、海外地上局にて信号を受信したものの、信号は何らかの理由で断続的なものとなっており、薄膜太陽電池の特性評価を行うのに十分なデータを得ることはできなかった。降下速度の増加から膜面展開は正常に行われたと考えられたが、これについても正常なデータは取得できなかった。3日後の9月26日に大気圏に再突入したと推定されている[31]。
出典・脚注

参考文献
ISAS年次要覧 
2007年度小惑星ライトカーブ研究会  - 矢野創
26th International Symposium on Space Technology and Science  - Osamu MORI, Hirotaka SAWADA, Fuminori HANAOKA, Junichiro Kawaguchi, Yoji, SHIRASAWA, Masayuki SUGITA, Yasuyuki MIYAZAKI, Hiraku SAKAMOTO
関連項目
ナノセイルD2
宇宙機の推進方法
宇宙航空研究開発機構（JAXA）
あかつき
はやぶさ
外部リンク




 -NEC技報
 2010年11月30日 NEC (取材・執筆文　松浦晋也)