きぼう
超伝導サブミリ波リム放射サウンダ(Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder:SMILES)は、2009年9月にHTV初号機で打ち上げられ、船外実験プラットフォームのEFU#3(不具合時はEFU#5)に設置された。成層圏の大気に含まれる微量な物質が放射するサブミリ波を計測し、オゾン層および関連する化学物質の観測を行う。SMILESは2010年4月に、サブミリ波受信系の一部の機器が故障したため観測運用は出来なくなった。2011年1月19日に復旧を断念し運用を終了したが、稼働していた半年分の大気観測データは得られており、また2014年3月まで行われた、SMILESに搭載されている小型長寿命化した機械式冷凍機による極低温冷却の技術実証による温度変化の特性データも得られている。その後、2015年9月にHTV5号機で回収され大気圏再突入時に廃棄されている
ポート共有実験装置(Multi-mission Consolidated Equipment:MCE)は、2012年にHTV3号機で打ち上げられ、船外実験プラットフォームのEFU#8に設置された。MCEは、比較的小型の5つのミッションをひとつの実験装置に混載し、ポートを共有して実験・観測を行う実験装置である。その後、2015年9月にHTV5号機で回収され大気圏再突入時に廃棄されている。
地球超高層大気撮像観測 (Ionosphere,Mesosphere,upper Atmosphere, and Plasmasphere mapping:IMAP) - 高度80km以上で発生する光学現象の大気光とプラズマ共鳴散乱光を可視光線、近赤外線、極端紫外線の3つの波長域で観測し、カーマン・ライン近辺での擾乱の物理機構を明らかにする。
スプライト及び雷放電の高速測光撮像センサー (Global Lightning and Sprite Measurement Mission:GLIMS) - CMOSカメラ、フォトメーター、VHF干渉計、VLF受信機などが搭載されており、これらを用いて雷放電とスプライトの観測を行う。
宇宙インフレータブル構造の宇宙実証 (Space Inflatable Membranes Pioneering Long-term Experiments: SIMPLE) - インフレータブル構造(気体の内圧を用いて風船状膜材を膨らませる超軽量の空気膜構造物)を、宇宙空間での長期運用で技術実証を行い、基礎データを取得する。
EVA支援ロボットの実証実験 (Robot Experiment on JEM:REXJ) - 宇宙飛行士の支援を行う「有人宇宙活動支援ロボット(Astronaut Support Robot:Astrobot)」の技術開発の一環として、伸縮自在のロボットアームとテザーを用いた空間移動の技術実証を行う。
船外実験プラットフォーム用民生品ハイビジョンビデオカメラシステム (Commercial off - the - shelf high Definition TV Camera - Exposed Facility:COTS HDTV-EF) - 国際宇宙ステーションに民生品ハイビジョンビデオカメラを宇宙空間に曝しての実証実験で、地球の200km×350kmの範囲の動画・画像を撮り、宇宙線によるCMOS撮像素子の損傷具合などを調べ、市販の民生品を宇宙利用できないか検証する。
高エネルギー電子・ガンマ線観測装置 (CALorimetric Electron Telescope: CALET)は、2015年にHTV5号機で打ち上げられ、EFU#9に設置された。CALETはTeV領域の高エネルギー電子線・ガンマ線を観測し、高エネルギー宇宙線の起源と加速の仕組み、宇宙線の銀河内伝播の仕組み、暗黒物質の正体などの解明を目指したものである。
カロリメーター(CALorimeter:CAL) - 電荷測定器(CHD)、イメージングカロリメーター(IMC)、全吸収型カロリメーター(TASC)の3つの検出器で構成されており、宇宙線の入射方向や種類を調べる。
ガンマ線バーストモニター(Gamma-ray Burst Monitor:CGBM) - 硬X線観測装置(HXM)2台、軟ガンマ線観測装置(SGM)1台の3つの検出器で構成されており、CALのガンマ線観測機能を補い、ガンマ線の突発的な天体現象を観測する。
地球観測用小型赤外カメラ(Compact Infrared Camera:CIRC) - 地上の森林火災を監視する相乗りミッション。
中型曝露実験アダプター(IVA-replaceable Small Exposed Experiment Platform:i-SEEP)は、2016年12月にHTV6号機で打ち上げられ、EFU#5に設置された。寸法50cm×70cm×35cmで重さ200kgまでの実験装置を複数搭載できるプラットフォームで、曝露環境下での搭載機器の技術実証を行う。
次世代ハイビジョンカメラ(High Definition TV Camera - Exposed Facility 2:HDTV-EF2)システム - 光学20倍ズームのハイビジョンカメラ、高感度で光学5倍の4Kカメラが搭載されており、地上から遠隔操作できる。自然災害の観測や、民生品カメラの曝露環境下での技術実証、映像の広報・教育への利活用を行う。
高性能小型GPSR/Wheelユニットの軌道上実証 - 小型衛星に搭載される、民生品で作られた「GPS/Wheel Demo Unit」を曝露環境下で技術実証を行う。
微小重力計測装置(Microgravity Measurement Equipment:MME) - 船内実験室の微小重力計測装置(MMA)と同様の装置で、船外実験プラットフォームに3つ設置されている。
沿岸海域用ハイパースペクトル画像装置および大気圏/電離圏リモート探知システム実験装置(Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO) & Remote Atmospheric & Ionospheric Detection System (RAIDS) Experimental Payload:HREP) - 2009年9月にHTV技術実証機で打ち上げられ、EFU#6に設置されたアメリカ海軍研究所(Naval Research Laboratory:NRL)による地球観測装置。沿岸海域用ハイパースペクトル画像装置(HICO)は、可視光線と近赤外線によるハイパースペクトル海洋画像システムを搭載しており、沿岸の形状や特性を計測する。大気圏/電離圏リモート探知システム(RAIDS)は、可視光線と紫外線による遠隔探知装置で、電離圏や宇宙機に働く大気ドラッグの影響分析のため、大気圏の電子密度や中性密度周縁の輪郭の計測を行う。運用はアメリカのNASAペイロード運用統合センター(POIC)から行う。2018年7月13日に、カナダアーム2で回収するため一時的に船内保管室外部天頂面にある装置交換機構(EFU)に移され、その後ドラゴン宇宙船15号機(スペースX CRS-15、SpX-15)に収容され廃棄されている。
小型衛星放出機構(JEM Small Satellite Orbital Deployer:J-SSOD) - 2012年10月にHTV3号機で打ち上げられた。CubeSat(1Uサイズのもので、1Uは縦・横・長さが10cm角のもの)や50kg級超小型衛星(55×55×35cm)を軌道に放出する一連の仕組みのこと。「衛星搭載ケース」に格納した状態で無人宇宙補給機でISSに運び、「親アーム先端取付型実験プラットフォーム(Multi-Purpose Experiment Platform:MPEP)」に設置し、きぼうエアロックのスライドテーブルに取り付け、衛星放出口を塞いでいるローンチカバーを外して、RBFピンがある場合は取り外し、各衛星ごとにアクセスウィンドウカバーを組み付け、これをきぼうのエアロックから船外に出してロボットアームで把持し、放出地点に移動した後、ISS進路の反対方向の斜め下45度に向けてバネを使った分離機構で秒速1.1m-1.7m程度で放出する。放出された衛星はISSと同じ軌道傾斜角51.6度で、ISSとの衝突を避けるためISSより低い軌道を周る。きぼう#小型衛星放出事業なお、2019年1月に打ち上げられたイプシロンロケット4号機に、このJ-SSODの技術を応用して開発されたキューブサット放出装置(Epsilon Small Satellite Orbital Deployer:E-SSOD)が搭載されている。
ナノラックス小型衛星放出機構(NanoRacks CubeSat Deployer:NRCSDNanoRacks CubeSat Deployer) - 日本の小型衛星放出機構(JEM Small Satellite Orbital Deployer:J-SSOD)の成功を見て、その有用性に着目したアメリカのナノラックス社が商業利用を目的に開発した大型の小型衛星放出機構で、6U分の衛星搭載ケースが8本の計48U分の衛星放出能力を持っている。2018年5月16日現在、180機が放出されている。ナノラックス社は50kg級衛星とCubeSatの両方に対応したKaber小型衛星放出機構(NanoRacks Kaber Microsat Deployer)も開発しており、最大24U分の大きさで最大82kgまでの衛星に対応できる。
ナノラックス船外プラットフォーム(NanoRacks External Platform:NREP) - アメリカのナノラックス社が開発したものでEFU#4に設置されており、4つのスロットに最小1U(10cm四方)から最大58cm×57cm×26cm・35kgまでの実験試料等を入れ曝露実験を行い回収も可能となっている。
サイクロップス(Space Station Integrated Kinetic Launcher for Orbital Payload Systems:SSIKLOPS、Cyclops) - NASAが開発した小型衛星放出機構。きぼうロボットアームの先端に取り付けられた子アーム(Small Fine Arm:SFA)で放出機構を把持する仕組みで、2014年11月29日に、直径56cmで重さ57kgの球体状の衛星であるSpinSatの放出に成功している。
キャッツ(Cloud-Aerosol Transport System:CATS) - 2015年1月10日にドラゴン宇宙船5号機(スペースX CRS-5、SpX-5)によって打ち上げられ、同1月22日にEFU#3に設置されたアメリカの船外実験装置。大気中の塵、煙、エアロゾルやその他微粒子などの汚染の組成や分布、位置を測定するように設計されたLIDARリモートセンシング装置で、最低6か月-最長3年程度の運用が見込まれている。2017年10月30日に、オンボード電源及びデータシステムに障害が発生し機能が停止している。2018年3月27日にEFU#8に移設されている。
アイスクリーム、又はクリーム(Cosmic Ray Energetics and Mass for the International Space Station:ISS-CREAM、又はCREAM) - 2017年8月15日に、ドラゴン宇宙船12号機(スペースX CRS-12、SpX-12)によって打ち上げられ、同8月22日にEFU#2に設置されたアメリカの高エネルギー宇宙線観測装置。前身のCREAMは、2004年から2016年までに7回にわたって計191日間南極上空でバルーン観測を行ったが、地上での観測では大気の影響や観測期間の短さもあり、より高エネルギーの宇宙線を観測するには宇宙空間で長期間の観測が必要であった。これによりISS用に開発されたのが本機である。1PeVまでの宇宙線を観測でき、3年以上の観測を予定している。ISSには同趣旨で開発されたAMS-02とCALETも設置されている。
エコストレス(ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station:ECOSTRESS) - 2018年6月29日に、ドラゴン宇宙船15号機(スペースX CRS-15、SpX-15)によって打ち上げられ、同7月5日にEFU#10に設置されたアメリカの熱ラジオメーター(放射計)。地球表面を熱赤外線で測定し、地球上の水量などの状態の変化が生物や炭素循環、農業などにどのような影響を与えるかを調べる。
ジェダイ(Global Ecosystem Dynamics Investigation:GEDI) - アメリカの地球観測用レーザーで、2018年12月13日にEFU#6に設置されている。
簡易曝露実験装置(Exposed Experiment Handrail Attachment Mechanism:ExHAM) - 上面7個、側面13個の計20個の実験サンプル(縦・横100mm、奥行き20mm)を搭載できる、直方体の形をした曝露実験用の装置である。
2015年5月に直方体の形をしたロボティクス対応軌道上交換ユニット(R-ORU)になっているサバイバル電力分配箱(SPB)上部のハンドレールに1号機が、次いで2015年11月に同じくR-ORUになっている船外実験プラットフォーム制御装置-a(ESC-a)上部のハンドレールに2号機と、船外実験プラットフォームの先端にあるEFU#12の両脇に設置されている。
今までは搭乗員による船外活動が必要であったこの種の実験は、この装置ではロボットアームときぼうのエアロックを使って実験試料の回収が容易なため船外活動は不要である。実験を終了した試料は地上へ回収できる。
以下の実験・観測装置が計画されている。打ち上げはHTVを利用する。
超高エネルギー宇宙線望遠鏡(Extreme Universe Space Observatory:EUSO) - 世界16か国が参加する国際プロジェクトで、当初は2017年の打ち上げを予定していたが、2018年11月現在、計画は遅れている。きぼうには超高エネルギー宇宙線を観測する超広角望遠鏡が設置される予定である(JEM-EUSO)。
ISSでは、「参加主体は、自己が提供する要素を運用する責任を有する。」としているIGA第10条とMOU第9条2a項により、実験棟を持っている国はそれぞれ独自に自国の実験棟を管制しており、日本はきぼうの管制を受け持っている。きぼうの管制は、筑波宇宙センターにある宇宙ステーション総合推進センター (Space Station Integration and Promotion Center: SSIPC) の宇宙ステーション運用棟で行われる。運用管制施設はこの他に、宇宙ステーション試験棟、宇宙実験棟、宇宙飛行士養成棟、無重量環境試験棟があり、宇宙ステーション運用棟を含め計5施設で構成されている。
SSIPCの宇宙ステーション運用棟では、きぼう自体の運用を行う「システム運用」を1階の運用管制室で、搭載している実験装置の運用を行う「実験運用」が1階のユーザー運用エリア(User Operations Area: UOA)で、きぼうの運用計画立案も1階で行われ、4階の運用リハーサル室で管制員の訓練や統合リハーサル、NASAとの共同統合訓練が行われる。2008年3月11日午前10時に、きぼうの運用管制室が稼働開始しており、きぼうの運用を終えるまで24時間体制で運用が行われる。2016年8月8日に、きぼう運用管制室が一新されている。
初めてきぼうの運用管制が行われたのは、きぼう船内保管室などのISSへの運搬と設置を行ったSTS-123の国際宇宙ステーション組立てミッション(1J/A)からで、きぼうはインクリメント17(2008年2月-9月)からの運用開始となった。きぼう運用管制チームは、普段はきぼうの管制を行っているが、HTV(こうのとり)がISSに係留している間は、HTVの管制も行っている。
きぼうの運用システムの構成要素は以下の7つからなっている。
運用管制システム(Operations Control System:OCS) - きぼうや搭載実験装置の監視・制御・運用支援、実運用計画の立案、データ管理、管制ネットワーク運用管理、地上要員の訓練などを行う。
運用利用計画立案システム - 電力や通信、搭乗員活動時間などのリソースをISS参加国の間で配分する運用計画を長期・詳細の2つに取りまとめる。
搭乗員運用訓練システム - 搭乗員のきぼう運用にかかる知識、技能、操作手順の訓練を行う。
運用技術支援システム - きぼうと搭載実験装置の運用性、安全性、物理的適合性の確認を行う「エレメントインテグレーションシステム」、きぼうに搭載されているソフトウェアや運用データファイルを作成、検証、管理する「フライトソフトウェア/運用データファイル(ODF:Operations Data File)生成システム」、きぼうの機器が故障した場合に、各機器の電気的・機械的な状態の模擬実験を行う「エンジニアリングシミュレーター」、無重量環境試験設備にてきぼうの実物大模型を用いた運用手順の確認を行う「きぼうの水中モックアップ」などで構成されている。
保全補給運用管理システム - きぼうの部品交換や消耗品の補給、修理の管理を行う。
運用ネットワークシステム - 筑波宇宙センターとジョンソン宇宙センターの間で、きぼうのデータの送受信を行う。
ケネディ宇宙センター射場支援装置システム - 補給品の打ち上げ時に射場作業の支援を行う。
SSIPC内にある運用管制室で、運用管制チームは最大10ポジションの3交代シフト(8:00-17:00、16:00-1:00、0:00-9:00)の24時間体制で365日監視を行っており、指揮を執るフライトディレクターと運用管制員は総勢50名以上が勤めているが、常駐している運用管制官の1シフト最小構成は5人のみで、多くても15人程度と効率的な運用がなされている。きぼうのシステムを監視するほか、利用計画や補給物資の選定や輸送計画、不具合発生時の修理計画などの立案も担っており、不具合対応の運用シミュレーション訓練も行い練度向上に努めている。また、ISS全体を統括しているのはNASAのフライトディレクターであり、予定の変更が必要な場合はNASAのフライトディレクターと交渉する必要があるため、筑波の運用管制室からはNASAのジョンソン宇宙センターにあるミッションコントロールセンター(MCC-H)を映すことができ、かつ常時NASAのフライトディレクターと連絡が付くようになっている。
きぼうとSSIPCの通信は、ISSの通信システムからTDRS、ジョンソン宇宙センター、ホワイトサンズ地上局(White Sands Complex:WSC)を経由したNASAリンク(Sバンド、kuバンド)で24時間行われる。当初は、日本のデータ中継技術衛星こだま(DRTS)とDRTS地上局を経由したJAXAリンク(Kaバンド、Sリンク)での通信も可能であったが、こだまが2017年8月5日に退役したため、現在はNASAリンクのみとなっている。きぼうに搭載されている衛星間通信システムは、実験データのダウンリンクとTDRSの予備回線(未使用に終わった)として使われていた。また、NASAから実験機器の安全審査権限を委譲されており、日本は単独で「きぼう」の安全管理責任を負っている。組み立てが始まった2008年以降、重大事案や緊急事態は起きていない。
実験運用計画は筑波宇宙センターでまとめた後、マーシャル宇宙飛行センターに送り調整を行い、最終的にISS全体の運用計画を統括しているジョンソン宇宙センターでISSの運用計画に組み入れられ、実験が行われる。きぼうでの実験は、実験運用管制チームが搭乗員の作業を支援したり、データの監視や遠隔操作で実験機器を制御し実験を行う。他にも簡素な実験機器等を使った教育文化ミッション(Education Payload Observation: EPO)や宇宙飛行士の健康管理に関する医学ミッションなどの運用、更に運用の進め方・規則・手順書などの作成等も実験運用管制チームが行う。
実際に各実験を進めるにあたって、実験運用管制チームに加え、ユーザーとなる実験テーマ提案者の代表研究者(Principal Investigator:PI)や共同研究者(Co-Investigator:CI)、代表研究者と実験運用管制員の橋渡しを行うユーザーインテグレーター(User Integrator:UI)や実験装置開発担当(Engineer)が協力して実験を行っていく。また、実験装置を搭載したユーザーは、運用管制室に隣接したユーザー運用エリアで実験の模様をモニターし、適宜実験に関する指示を実験運用管制チームへ行ったり、ISSと連絡を取り合うことができる。
きぼうには4つの運用モードがあり、運用状態や各作業内容に応じて変更を行う。運用モードの変更は搭乗員や地上からの指令で行えるが、ISSの7つの運用モードと適合している必要があり(例:ロボティクス運用モードに変更する場合、ISSは外部運用モードでなくてはならない)、適合していない場合は自動的に「スタンバイモード」に変更される。
「標準モード」 - 搭乗員が実験を行うことができロボットアームの運用は行えない。通常はこのモードを中心に運用されている。
「ロボティクス運用モード」 - ロボットアームの運用が行える。
「スタンバイモード」 - 異常時に最小限のシステムで運用する。
「隔離モード」 - 与圧環境に異常が生じた場合に隣のモジュールであるハーモニーとのハッチが閉じられる。このモードでは「きぼう」内に立ち入ることはできない。
「曝露部保存モード」 - 最少資源で曝露部システムを保存するモード。
「ミッション運用モード」 - 曝露部のミッション運用を行うモード。通常はこのモードを中心に運用されている。
「特殊運用モード」 - 曝露部保存モード、ミッション運用モード以外のモード。
国際宇宙ステーション(ISS)運用モード
「標準モード」 - 船内保守、ペイロード運用などの時に運用されているモード。普段はこのモードを中心に運用されている。
「リブーストモード」 - ISSが軌道変更(リブースト等)を行うときのモード。
「微小重力モード」 - 微小重力環境で実験装置の運用を行うため、微小重力性能が適用される。
「サバイバルモード」 - ISSの姿勢や電力に異常が生じるなど、搭乗員に危険が及ぶ恐れがある場合などに発動される、ISSの長期間運用を行うモード。電力、通信、排熱等のペイロード運用支援は保証されない。このモードへの移行はいつでも可能となっている。
「接近モード」 - ソユーズ、プログレス、こうのとり等の他の宇宙機の接近や離脱時に運用支援を行う。
「安全確実なクルーの帰還(Assured Safe Crew Return:ASCR)モード」 - 異常時に搭乗員が危機に晒され、地上への帰還を行うにあたって、ソユーズ宇宙船の離脱を支援する。このモードへの移行はいつでも可能となっている。
「外部運用モード」 - 船外活動(EVA)やロボットアーム運用時等、船外での組立作業や保全作業を支援する。
インクリメントマネージャー(Increment Manager:IM)とは、インクリメント(ISSの運用期間単位で、搭乗員の交代を基準にした区切り。「ISS第45/46次長期滞在」の場合、「インクリメント45/46」となる。)期間中、管制チーム・技術チーム・実験チームを含め、各インクリメントの利用計画、目標設定、運用計画の履行、危機管理、対応調整など、インクリメント担当フライトディレクターと連携し、きぼうが関わるミッション全体を統括するプロデューサー役を果たす。インクリメントマネージャー制度は2015年度(平成27年度)後半のインクリメント45/46から始まった。
きぼうの運用管制チームは、きぼう全体を統括する「きぼう運用管制チーム」(JAXA Flight Control Team:JFCT)と、きぼうでの実験などの利用を統括する「きぼう実験運用管制チーム」(Payload Flight Control Team:PLFCT)の2つから成っている。
運用管制室での「きぼう運用管制チーム」(JAXA Flight Control Team:JFCT)の各役割と配置は以下のようになっている。
ExPO(Exposed Facility Payload Officer、エクスポ・エキスポ) - 最前列左右の席。曝露ペイロードオフィサー。曝露実験全体の運用を取り纏める。きぼう実験運用管制チームに属しているが、唯一運用管制室に詰めている。
CANSEI(Control and Network Systems, Electrical Power, and ICS Communication Officer、カンセイ) - 前から2列目左の席。通信・電力・管制系担当。きぼうのコンピューター、通信機器、電気・電力系機器・管制システムの状態を監視し、これらの制御を行う。
FLAT(Fluid and Thermal Officer、フラット) - 前から2列目右の席。熱・環境・実験支援系担当。きぼう内の環境制御のため、各装置から出る熱を制御する空調機器などの状態を監視・制御を行い、実験の支援を行う。
J-FLIGHT(JAXA Flight Director、ジェイフライト) - 前から3列目左の席。フライトディレクター。「きぼう運用管制チーム」と「きぼう実験運用管制チーム」を含め、「きぼう」の運用管制に関する全てを統括しており、きぼう運用の指揮を執る責任者。ISSと「きぼう」に関するあらゆる知識の習得とシミュレーション訓練に合格した後、実務経験を経て認定される。
リード・フライトディレクター(インクリメント担当フライトディレクター) - シフト毎に交代するフライトディレクターのチームの中から、各インクリメント毎にインクリメント担当フライトディレクターが選ばれる。インクリメントマネージャーと連携し、インクリメント期間中の取りまとめ役となり、きぼう運用の指揮を執る。
J-COM(JEM Communicator、ジェイコム) - 前から3列目右の席の左側。きぼう交信担当。きぼうにいる搭乗員と交信を行う。管制員が搭乗員に指示を出す場合、必ずジェイコムを通して伝えられ、交信は英語で行われる。
ARIES(Astronaut Related IVA and Equipment Support、アリーズ) - 前から3列目右の席の右側。船内活動支援担当。きぼう内の機器・物品などの管理や、宇宙飛行士の船内活動(Intra-Vehicular Activity:IVA)を支援する。
KIBOTT(Kibo Robotics Team、キボット) - 前から4列目左の席。ロボティクス・構造・機構系担当。きぼうのロボットアーム、エアロック、機構系機器を遠隔操作で運用を行う。以前は搭乗員が直接ロボットアームの運用を行っていたが、現在はKIBOTTが行っている。
Tsukuba GC(Tsukuba Ground Controller、ツクバジーシー) - 前から4列目右の席。きぼう地上システム担当。きぼうの運用管制システム、運用ネットワークシステムなどといった地上設備の運用・管理を行う。
J-PLAN(JAXA Planner、ジェイプラン) - 実運用計画担当。かつては管制室に詰めていたが現在は入らない。きぼう運用計画の立案、日勤シフトで運用計画室に入り運用計画の変更・調整を行う。