ミネルバ (ローバー)
ミネルバは極めて小さなローバーであり、太陽電池による発電量が少なく、そのため処理速度が速いコンピュータを搭載することはできず、高度に知能化されたローバーとすることは不可能であった。しかし地球から小惑星探査中のMUSES-Cまでは、往復で30分以上の通信時間を要する。しかも通信レートは低速で、地球とミネルバ間は探査機を通してデーターのやり取りを行うシステムであるため、地球からの指示をいちいち仰ぎながらでは探査時間が極めて短くなってしまう。そこで様々な工夫を行いながらミネルバは自律機能を強化していった。この自律的小惑星探査手法の実証は、ホップしながら小惑星表面を移動するという小天体用ローバーの移動メカニズムの実証と並び、ミネルバの工学実験の柱であった。
大気のない小惑星表面では、昼間は100℃以上、一方夜になると-100℃以下になると考えられた。しかしミネルバの動作温度は-50℃から80℃である。そこで内部機器を断熱材で覆って低温から保護する対策を講じるとともに、ミネルバは内部の温度を4つの温度センサーによって常時モニターして、動作温度の下限や上限に近づくとまずホップや写真撮影といった電力を食う機能を停止させ、内部の温度が動作温度を外れたら一部の機能を残して活動を停止することにした。断熱材の影響もあってミネルバから熱が逃げにくくなると考えられ、特に日中の温度が高い時間帯はミネルバは休止状態になる見込みであった。またフォトダイオードのモニター値から太陽の方向を判断し、温度条件が厳しくない小惑星上の朝や夕方の方向へホップする機能も備えていた。
ミネルバはフォトダイオードの測定値から自らが移動しているかどうかを判断する。つまりフォトダイオードが測定する光量が一定であれば小惑星上に静止しているものと判断し、表面のステレオ撮影を行って表面温度を測定した後、ホップして移動する。一方光量が変化している場合には、小惑星上をホップしながら移動している最中であると判断し、小惑星上空撮影用のカメラで表面撮影を行う。
しかしミネルバにはホップ時に小惑星にカメラを向ける機能は設けられていない。そのためどうしても二分の一の確率で小惑星とは反対側の宇宙空間を撮影してしまう。そこで撮影した画像はまず圧縮処理を行い、圧縮後のデータサイズが小さいものは画像を廃棄する。そして保存された写真も画像内をいくつかの領域に分け、情報量が少ない部分はやはり宇宙空間を撮影したものと判断してその部分を廃棄し、情報量の多い部分のみ保存するようになっていた。そして保存された画像は情報量に比例して優先度をつけ、優先度が高い画像から順次MUSES-Cへ向けて送信するようにした。
またミネルバのソフトウェアは自律して活動を行う自律モードの他に、地上のオペレーターがミネルバを直接制御するテレオペレーションモードも選択できるようになっていた。テレオペレーションモードの際はミネルバは自立的な活動は行わないようになっており、小惑星までの道中にミネルバの機能チェックを行う際などに使用された。
2003年5月9日、MUSES-CはM-V5号機によって内之浦宇宙空間観測所から打ち上げられ、はやぶさと命名された。ミネルバははやぶさに搭載されて小惑星イトカワを目指した。イトカワまでの2年余りの道中、ミネルバは時々機器の電源をオンにして状態チェックを受けた。はやぶさ打ち上げ直後のチェックで動作に不安定な面が見つかったが、原因が判明して対策を取ったところ正常に戻った。そしてその後の状態チェックではミネルバは正常に機能した。
はやぶさは2005年9月12日、目的地の小惑星イトカワに到着した。到着後、はやぶさはまずイトカワの詳細観測を行い、11月に入るとはやぶさの目的の一つである小惑星のサンプルリターンを目指し、イトカワへの着陸にチャレンジすることになった。しかしはやぶさはイトカワへの着陸チャレンジ前に深刻なトラブルに見舞われていた。姿勢制御を担う3基のリアクションホイールのうち、2基が故障してしまったのである。残り一つのリアクションホイールと化学エンジンの噴射を工夫することによって姿勢制御を行うことにしたのだが、安定した姿勢制御を行うことは困難であった。はやぶさは小惑星イトカワのサンプルリターンを目指しており、イトカワでの任務を終えたら地球へ戻らねばならない。イトカワから地球へ予定通り戻るには11月中にイトカワを出発しなければならず、姿勢制御の問題と時間の制約がのしかかっていた。
11月4日の初回の着陸リハーサルは、やはりリアクションホイール故障が大きく影響してイトカワ表面への誘導が想定通り進まず、また着陸を行う方法として考えられた画像処理のデータに基づく着陸試行では、画像処理自体にエラーが出てしまいうまくいかなかった。11月9日に行われた第二回のリハーサルでは、画像処理による着陸を断念し、高度500メートルまではイトカワ表面の地形画像をもとに地上からの指示ではやぶさを誘導するという別の方法を試行した。この二回目の着陸リハーサルは、イトカワ表面への着陸制度という面では精度がまだ足りなかったものの、一回目ではイトカワ表面から700メートルが最接近距離であったものが、70メートルまで接近することができた。
11月12日に行われることになった第三回着陸リハーサルで、ミネルバはイトカワ表面へ向けて放出されることになった。第三回着陸リハーサルの目的はミネルバの放出とともに近距離レーザー距離計と航法誘導方法の確認であった。この第三回リハーサルでミネルバの放出を行うことになった理由は、小惑星からのサンプルリターンを目的とする着陸時にはミネルバ放出も行う余裕はないと判断されたためであった。また11月中の着陸ミッション完遂を求められていた状況では、ミネルバ放出だけのためにリハーサルをもう一回追加する時間的余裕は無かった。
ミネルバの放出は自律機能を用いず、地上からの指令であるテレオペレーションで行うことになった。テレオペレーションで放出を行うということは、地球とイトカワ間の通信に片道約16分かかるため、はやぶさからのデータを見ながら、往復分である約32分後のはやぶさの位置と速度を予測しながらミネルバの放出を決定することになる。このような場合、本来テレオペレーションで放出を行うことは好ましいとはいえない。しかしはやぶさの場合、小惑星への距離が100メートル以下の状況下で用いる予定であった近距離レーザー距離計の事前試験がこれまで全く行われていなかった。つまり自律機能を用いてミネルバ放出を行おうとしても、きちんと動くかどうか全く確かめていなかった近距離レーザー距離計の数値をもとに行わざるを得ず、これはリスクが高い運用であると判断された。結局、時間の厳しい制約を課せられていたはやぶさのイトカワ着陸ミッションでは、ミネルバ放出と近距離レーダー距離計の試験を第三回リハーサル時に同時に行わざるを得なくなり、テレオペレーションによるミネルバ放出が決定された。
11月12日15時8分、地上からミネルバ放出のコマンドが送信された。ミネルバはイトカワ上空70メートル、イトカワとの相対速度は秒速5センチ以下で放出する予定であった。しかしミネルバ放出コマンドの前に、はやぶさに対して上昇するよう指示するコマンドが送られていたというミスが発生した。ミネルバは15時24分にはやぶさから放出されたが、イトカワからの高度は約200メートルで、はやぶさは秒速約15センチで上昇中であった。結局ミネルバはイトカワに着地することなく人工惑星となった。はやぶさのプロジェクトマネージャである川口淳一郎は、ミネルバのイトカワ着地失敗のそもそもの原因は、近距離レーザー距離計の試験とミネルバ放出を同一の着陸リハーサルで行ったことにあるとしている。
ミネルバははやぶさから放出後は自律モードとなり、定期的に写真撮影を行うようになっていた。一方はやぶさも、ミネルバ放出後は速度を上げてイトカワから上昇しながら搭載カメラでミネルバを撮影することになっていた。はやぶさからミネルバがあると思われる方向への撮影は合計4回行われた。ミネルバ放出後212秒後にはやぶさが撮影した写真に、ミネルバとミネルバとともに放出されたカバーであるOME-Cが写っていた。
ミネルバが撮影した写真のうち、送信されたのははやぶさの太陽電池パネルが写った一枚のみである。その画像もフルサイズでは160×120ピクセルであったものが、画像下側の三分の一が送信されずに160×80ピクセルのものが送信されてきた。これはミネルバの自律画像判断機能が働いて、写真中で何も写っていない部分を破棄して送信しなかったためである。また送信された写真が一枚だけであった理由も、他の写真が何も写っていない宇宙空間を撮影していたり、もしはやぶさやイトカワが写っていたとしても、とても小さく写っていたために画像が棄却されてしまい送信されなかったためと考えられる。
ミネルバははやぶさから分離後、約18時間に渡って通信を継続した。もしミネルバがイトカワに着地すれば、イトカワの自転周期から考えて3時間前後で夜間となっていったん通信が途絶するはずであるが、18時間継続して通信できたことからも、ミネルバはイトカワに着地することなく、人工惑星として宇宙空間を漂っていたことがわかる。ミネルバからは写真は一枚しか送信されてこなかったが、温度データなどは通信継続中は送られ続けた。うち、ミネルバ内部の温度データは放出後ほぼ一定の数値を示しており、これはミネルバは放出後、イトカワ表面からの熱輻射の影響を受けない宇宙空間にあったことを示している。またミネルバが宇宙空間で初めて使用することになった電気二重層コンデンサも正常に動作した。
ミネルバの通信途絶直前に送信されてきたデータによれば、ミネルバの機能は完全に正常であった。従って通信途絶はミネルバの故障が原因ではなく、はやぶさのミネルバ通信用アンテナであるOME-Antがカバーできる範囲からミネルバが外れてしまったことにより、通信不能になったためと考えられている。
ミネルバは小惑星イトカワへの着地に失敗し、人工惑星となった。しかしミネルバが目的とした工学実験の二本の柱のうち、ホップしながら小惑星表面を移動するという小天体用ローバーの移動メカニズムの実証は、イトカワ表面での実地検証を行うことはできなかったが、はやぶさ打ち上げ前に落下塔での無重力試験を重ねることによってある程度メカニズムを確立できており、一方もう一本の柱である自律的小惑星探査手法の実証については、18時間に及ぶミネルバの運用の中で超小型自律ロボットとしての実績を積むことができた。
はやぶさによるイトカワ探査によって、イトカワのような小さな小惑星であってもその表面は均質ではなく、場所によって差異が見られることが明らかとなった。表面が均質な天体であればランダーが降り立って探査すればよく、移動機能を有するローバーは必要とはされない。しかし場所によって表面の性質が異なる天体であるならば、移動機能を有するローバーによる探査の必要性が生まれる。イトカワのような小天体でも場所によって表面の性質に違いが見られることが明らかになったということは、太陽系小天体においてもローバーがその探査に有効であることを示している。
そこでミネルバ以降の小天体用のローバーとして求められる機能としては、小天体上の科学的に重要と見られる地点にローバーを誘導する機能が求められることになり、そのためにはまず小天体上のローバーの位置同定が必要となる。位置同定にはミネルバのような超小型ローバーでは探査機によって詳細に撮影された画像により作成された地図と、ローバーが撮影した写真を比較する方法、ローバーに搭載された太陽や星のセンサを用い、天体上で観測された重力方向を基準とする方法、ローバーが車輪を用いる場合には車輪の回転を分析することによって移動距離や方向を分析する方法などが考えられるが、ミネルバのようなホップして移動する超小型ローバーでは、車輪の回転を分析する方法はそもそも使用できず、小天体は多くの場合いびつな形状をしているので表面で観測される重力方向が不安定であるため、太陽や星のセンサーを用いる方法では精度が保障できないと考えられた。また超小型ローバーの場合、撮影した写真の視野が極めて狭いことが予想され、探査機によって撮影された地図と上手く照合できないと考えられた。結局、探査機から静止中のローバーまでの距離を計測し、探査機の運動と小天体の自転運動の動力学を利用して小天体上の位置の同定を行う方法が検討されている。
はやぶさに続いて小惑星を探査するはやぶさ2計画においても、ミネルバの後継機であるミネルバIIの搭載が計画された。結局はやぶさ2に搭載されたミネルバは2機構成のミネルバ-II1と、ミネルバ-II2の合計3機となった。ミネルバ-II1はJAXAと会津大学が開発を担当し、ミネルバ-II2は東北大学、東京電機大学、大阪大学、山形大学、東京理科大学によって構成された大学コンソーシアムによって製作された。
ミネルバIIでは、ミネルバが目指した自律的小惑星探査手法の実証、ホップしながら小惑星表面を移動するという小天体用ローバーの移動メカニズムの実証という工学的課題のほか、先述した小惑星上のローバーの位置同定、複数ローバーによるネットワーク探査、搭載コンピュータとしてSOIデバイスの宇宙空間での利用といった新たな工学的チャレンジが提案された。またミネルバ2では、探査目標の小惑星リュウグウの自転軸が不確かで、自転軸が横倒しの場合には日照が長時間連続する可能性があるため、搭載コンピュータの冷却機能の追加や、目標小惑星の公転軌道や探査時期から、1.2天文単位以遠での探査を見据えた大型化などが検討された。
ミネルバIIの科学観測は、ミネルバと同様のホップ中に上空から小惑星を撮影する単眼望遠カメラ、小惑星表面で表面の詳細撮影を行う接写ステレオカメラ、内部と外部の温度計、光量から太陽方向を測定するフォトダイオードの他に、ミネルバIIの姿勢変動を計測するジャイロ、ミネルバIIが小惑星表面に着地した正確な時刻の計測や、小惑星の表面重力の直接測定、更にははやぶさ2計画で行われる予定であるインパクター衝突時における振動の測定などへの利用が考えられる加速度計、そして炭素に富むC型小惑星であるリュウグウの表面探査を考慮して、LED照射による多色分光を行い有機物測定などを行う機器の搭載が検討された。
ミネルバ-II1は、はやぶさ2の目的小惑星であるリュウグウが、小惑星の表面重力加速度、温度、自転周期、自転軸の傾きなどがイトカワと異なることが予想されたためローバーの再設計を行わねばならず、またミネルバの経験を踏まえて多くの改良を加えることとなったため、完全な新規開発となった。ミネルバ-II1はローバー保持、分離機構とローバー本体の合計質量は約2500g、2機のローバーはそれぞれ約900gである。ミネルバで採用したターンテーブル方式は、ターンテーブル上にほとんど全ての回線配置を行う必要性から軸受けなどの構造を強化せねばならず、どうしても質量が大きくなってしまうため、ミネルバ-II1では採用されなかった。ミネルバ-II1は形状を薄型として、面積が広い面が小惑星表面に接地する可能性を高めるようにした。小惑星上でのローバーの姿勢がほぼ決まることにより、2つのアクチュエータを同時に動かすことによって任意の方向へローバーをホップさせることが考えられていたが、重量オーバーのため1つに減らすことになった。
一方、5大学のコンソーシアムによって2011年春に開発が開始されたミネルバ-II2は、ローバー本体とローバー保持、分離機構との合計質量は約1500gである。ミネルバ-II2は極めて小さな重力加速度下での移動機構の検証を主目的とし、カメラによる小惑星撮像などのミッションを行う計画である。
ミネルバ-II2の製作に参加した5大学の役割分担は
東北大学は計画全体の取りまとめ、微小振動によるマイクロホップ型移動機構の開発
である。
2018年9月22日、JAXAは小惑星リュウグウの地表に2台のミネルバ2が着地に成功したと発表した。少なくとも1台がりゅうぐう地表をジャンプして移動したことも確認された。小惑星上で探査機が着陸、移動、写真撮影に成功したのはいずれも世界初となる。
2018年12月13日、JAXAは会見でミネルバII1のステレオ画像を含む新たな画像を公開。また正式名称について1Aが「イブー (HIBOU)」、1Bが「アウル (OWL)」と発表した。いずれも神話でミネルバと関わりのあるフクロウに因む。それぞれ113日と10日の活動が確認されており、その後は日陰に入って休止中と推定された。またその間カメラの画像に全く汚れが確認できなかったことから、リュウグウ表面に砂は無いと結論付けられた。その後、2019年8月2日にアウルから久々にテレメトリが得られている。
ミネルバ-II1の成功の一方、ミネルバ-II2については、打ち上げ前の最終試験の段階から不具合が続いていることが2018年11月8日に明らかにされた。ミネルバ-II2のデータ処理用のFPGAの動作が不安定な状態となっており、軌道上での動作確認において、応答を返すものの機器の状態が取得できない状態が続いた。
このためミネルバ-II2の有効活用として、重力場測定の運用が考え出された。本来よりも高高度である1km上空で分離させることにより、数日かけてリュウグウを周回しつつ、ゆっくり降下する軌道に載せ、その軌道変化を測定する実験となった。はやぶさ2本体にはターゲットマーカーがいくつか余っているため、2019年9月17日に2個のターゲットマーカーをリュウグウの周回軌道に載せ、落下までの軌道を数日間観察する予備実験を行った。これを受け、ミネルバ-II2は10月3日 (JST) にリュウグウ上空1kmで切り離された。リュウグウの赤道上空を約5日間で8周程度周回して着地する計画 に対し、カバー分離の反動で25°ほどの誤差が生じ、着地まで予定より早く約22時間で1周あまりの周回となるトラブルはあったものの、データは得られたため実験は成功した。