きぼう
きぼうロボットアーム (JEM-Remote Manipulator System:JEM-RMS)は、実験や船体の保全作業支援に使用するロボットアームである。全長10mの親アームと、親アームの先端に取り付けて使用する2.2mの子アームの2つと船内のロボットアーム操作卓(RMSラック)からなる。アームはそれぞれ6つの関節を持ち、人間の腕と同じような動作が可能である。
親アームは船内実験室のエアロックの左上にあるロボットアーム取付け台に設置されており、親アームブーム(船内実験室側から順に1から3まである)、関節、把持手であるエンドエフェクター(End Effector)、テレビカメラ・雲台・照明(視覚装置)で構成され、親アームブーム2(肘部)と3(手首部)にテレビカメラ・雲台・照明(各々肘部視覚装置、手首部視覚装置)があり、カメラ超しに映像を見ながら船外実験装置の交換作業を中心に使われる。子アームは、子アームエレクトロニクス、子アームブーム、関節、把持手であるエンドエフェクター(ツールと呼称)、テレビカメラで構成されている。親アームのエンドエフェクターで子アームを把持した上で、船外実験プラットフォームにある軌道上交換ユニット(ORU)の交換など、精度の高い作業で使われるため、アーム先端が対象物に合わせて自動でアームの姿勢制御を行うコンプライアンス機能が搭載されている。子アームを使わない時は、船外実験プラットフォーム上面の手前右に設けられている「子アーム保管装置(Small fine arm Stowage Equipment:SSE)」に収められており、親アームも使わない時は、親アームブーム1を垂直に立てた上で親アームブーム2を斜め下に折り曲げた山折りの状態の保存姿勢で待機している。親アームは、電力・通信インターフェース付グラプルフィクスチャー(Power and Data Grapple Fixture:PDGF)と、軌道上取り外し可能型グラプルフィクスチャー(Flight Releasable Grapple Fixture:FRGF)の両方に対応している。
子アームはHTV初号機の与圧部に搭載して打ち上げられ、きぼう内で組み立てられた後、きぼうのエアロックを使って船外実験プラットフォームへ搬出され、子アーム保管装置に収納された。子アームが扱えるものは、きぼう標準のツールフィクスチャーが取り付けられているものに限られ、ツールフィクスチャーには把持及びトルク供給機能があるI型と、把持及び電力供給、信号授受機能があるII型の2種類ある。
JEM-RMSは地上からも遠隔操作で動かすことができる。2012年のHTV3号機からこの地上からの遠隔操作を本格使用する予定であり、そのための試験が2011年12月6日に行われた。以後、ロボットアームの操作は主に地上からの遠隔で行われており、その分宇宙飛行士の活動時間を他の作業に割り当てることができるようになっている。
なお、きぼうロボットアームの開発にあたって、1997年8月に打ち上げられたスペースシャトルのSTS-85で行われたマニピュレーター飛行実証試験(Manipulator Flight Demonstration:MFD)のロボットアームや、1997年に打ち上げられたきく7号に搭載されたロボットアームで培われた技術と運用経験が設計に生かされており、日本で3番目となる宇宙用遠隔操作型ロボットアームシステムであり、かつ日本初の実用宇宙ロボットである。
型式 - 親子式6自由度アーム
自由度 - 6
長さ - 10m
質量 - 780kg
取扱量 - 最大7,000kg
位置決め精度 - 並進±50mm、回転±1度
先端速度 - 60mm/s(対象物:600kg以下)、30mm/s(対象物:3,000kg以下)、20mm/s(対象物:7,000kg以下)
最大先端力 - 30N以上
寿命 - 10年以上
型式 - 親子式6自由度アーム
自由度 - 6
長さ - 2.2m
質量 - 190kg
取扱量 - 最大300kg
位置決め精度 - 並進±10mm、回転±1度
先端速度 - 50mm/s(対象物:80kg以下)、25mm/s(対象物:300kg以下)
最大先端力 - 30N以上
寿命 - 10年以上
衛星間通信システム(Inter-orbit Communication System:ICS)は、データ中継衛星こだま(DRTS)を介して筑波宇宙センターとデータ・画像・音声などの双方向通信を行う日本独自の通信システムである。船内実験室の与圧系サブシステム(ICS Pressurized Module subsystem:ICS-PM)でデータ処理を行い、2J/Aミッションで船外実験プラットフォームに設置された直径約80cmのアンテナを持つ曝露系サブシステム(ICS Exposed Facility subsystem:ICS-EF、船外実験プラットフォームのEFU#7に設置された)で中継衛星・地上とを繋ぐ。
ICS-EFの送受信用アンテナは自らの姿勢が変動してもこだまを自動追尾できるようになっている。ICSとこだまを利用して、こだまが2017年8月5日に退役するまでの間、きぼうで行われた実験データのダウンリンクに使われていた。また、2014年6月にNASAからこだまをTDRSの予備回線として使いたいと打診があり予備として用いられたが、TDRSが健全であったため実際に予備回線として使われることはなかった。通信速度は、地上へのダウンリンクが50Mbps、地上からのアップリンクが3Mbpsとなっており、きぼうから地上へのハイビジョン映像の送信にも使われている。
大きさ - ICS-PM・2.0m×1.0m×0.9m、ICS-EF・アンテナ収納時1.1m×0.8m×2.0m、ICS-EF・アンテナ展開時2.2m×0.8m×2.0m
重さ - ICS-PM・330kg、ICS-EF・310kg
通信速度・周波数・変調方式 - ICSから地上・50Mbps・約26GHz・QPSK(Quadrature Phase Shift Keying:四位相偏移変調)、地上からICS・3Mbps・約23GHz・BPSK(Binary Phase Shift Keying:二位相偏移変調)
DRTS可視時間(理論値) - 1日あたり計約7.8時間(DRTSが1機の場合)、1回あたり最大約40分
きぼうの置かれている宇宙環境は過酷で、10-6~10-4Gの微小重力で、様々な宇宙放射線が飛び交い、10-5Paの高真空で僅かにある周囲の大気組成は85%が原子状酸素となっており、太陽エネルギーは1.4kw/m2に上る。ISS計画はこうした特殊な環境を利用して、宇宙での実験・研究・観測などを行うのが目的であり、きぼうは実験施設として様々な船内・船外実験装置を運用している。スペースシャトルの打上げ能力の制限のため、打ち上げ時には実験ラックは2台しか装置を搭載しておらず、残りはアメリカの実験装置できぼうに移設されている。また、2011年以降に順次HTVで残りの実験ラックを輸送している。きぼうで最初に行われた実験は、2008年8月22日午前6時53分から始まった流体実験ラックで行われたマランゴニ対流実験である。
きぼう船内実験室には実験ラックの設置する場所が10か所あり、その内米国、欧州と共通の国際標準実験ラック (ISPR) をJAXAが5基、NASAが5基設置する。NASAは一部の実験装置をきぼうに移設している。2009年夏のSTS-128でISPRと同じ大きさのISS長期滞在員用の個室1台を「きぼう」内に運んで仮設置した(野口聡一宇宙飛行士が利用)が、2010年9月にこの個室はハーモニーへ移設されている。
JAXAが設置しているラックは以下の通り。
流体実験ラック(Ryutai Experiment Rack:RYUTAI)は、1J/Aミッションで船内保管室に搭載して打ち上げられ、1Jミッションで船内実験室に移設された。マランゴニ対流の観察や結晶成長実験などを行う装置を搭載し、結晶生成の仕組みの解明や結晶成長制御技術の開発を行うための実験を行う。
流体物理実験装置 (Fluid Physics Experiment Facility:FPEF) - 沸騰、熱伝達、濡れ性、燃焼、泡挙動、マランゴニ対流などの流体の動きを、地球の重力の影響を排して微小重力環境下で実験・観察を行う。
溶液結晶化観察装置 (Solution Crystallization Observation Facility:SCOF) - 自然対流の発生しない宇宙空間で、結晶の形・組織・温度・濃度・生成成長過程の様子を観察する。
蛋白質結晶生成装置 (Protein Crystallization Research Facility:PCRF) - セルカートリッジが6つあり、それぞれ個別に蛋白質の個性に合った温度、濃度、圧力などの条件を細かく設定ができる。
画像取得処理装置 (Image Processing Unit:IPU) - 地上へ送信できなかった実験画像データを、同時にモニター・録画(データ保存用ハードディスク120Gバイトを最大6台搭載可能)し圧縮(MPEG2方式、6チャンネル同時)処理を行い、伝送ラインを用いて地上に送る機能を持つ。
細胞実験ラック(Saibo Experiment Rack:Saibo)は、1J/Aミッションで船内保管室に搭載して打ち上げられ、1Jミッションで船内実験室に移設された。植物や細胞などを培養する装置を搭載し、宇宙環境が生物にどのような影響を与えるのかを解明するための実験を行う。
細胞培養装置 (Cell Biology Experiment Facility:CBEF) - 微小重力培養室と回転テーブルによる最大2Gまでの人工重力を起こせる培養室の2つの培養室を持っている。
クリーンベンチ (Clean Bench:CB) - 生物実験で実験試料がカビやほこりに汚染されないよう、微小粒子が100から1,000個の環境を作り出す装置。2018年8月2日現在、運用を行っていない。
勾配炉ラック(KOBAIRO Rack:KOBAIRO)は、2011年1月にHTV2号機で運搬されて設置された。
温度勾配炉(Gradient Heating Furnace:GHF) - 試料を最高摂氏1,600度まで加熱して融解、冷却、結晶化して半導体の性質を研究する材料実験ラック。最大15個の試料をあらかじめ搭乗員が装着しておくことにより、地上からの遠隔操作で試料の交換や実験操作が可能である。炉体部 (GHF-Material Processing Unit:GHF-MP)、試料自動交換機構 (Sample Cartridge Automatic Exchange Mechanism:SCAM)、制御装置 (GHF-Control Equipment:GHF-CE)の3つで構成されている。
多目的実験ラック (Multi-purpose Small Payload Rack:MSPR)は、2011年1月にHTV2号機で運搬されて設置された。大型実験装置用のワークボリューム(WV)、小型実験装置用の小規模実験エリア(SEA)、作業台のワークベンチ(WB)からなっており、電力・通信・ガスといった各リソースを提供し、以下の実験装置を入れ替えることにより様々な実験が行える。
燃焼実験チャンバー (Chamber for Combustion Experiment:CCE)(HTV2で運搬) - 多目的実験ラックのワークボリューム内に設置されている燃焼実験を行うための装置。
水棲生物実験装置 (Aquatic Habitat:AQH)(HTV3で運搬) - モデル生物であるメダカとゼブラフィッシュを90日間かけて3世代の継代飼育を行う装置。2018年8月2日現在、運用を行っていない。
液滴群燃焼実験供試体(Group Combustion Experiment Module:GCEM)(HTV5で運搬) - 熱による自然対流が起きない微小重力下で燃料液滴群(燃料を微小粒子化したものの群体)の燃焼の仕組みを観察する装置。
沸騰・二相流体ループを用いた気液界面形成と熱伝達特性(Interfacial Behaviors and Heat Transfer Characteristics in Boiling Two-Phase Flow:TPF)(HTV6で運搬) - 無重力化で液体の熱の伝わりやすさを調べ、得られたデータを人工衛星、探査機、宇宙基地などの排熱システムの設計に応用させるためのデータベース構築を行う実験。
微粒化観察装置(Atomization Observation Equipment:AOE) - 無重力環境下で液糸が分かれていく過程をハイスピードカメラで撮る装置。この実験により明らかにされた新しい微粒化概念を噴霧燃焼シミュレーターに反映させ、新型エンジン開発に応用する。
次世代水再生実証システム(JEM Water Recovery System: JWRS)(開発中) - 現在ISSで使われている水再生システムより、小型で消費電力が少なく再生効率の高い、保守整備が容易な次世代型水再生システムを開発するにあたって、小型の実証システムを先に開発し、きぼうで実証実験を行う予定。
多目的実験ラック2 (Multi-purpose Small Payload Rack 2:MSPR-2)は、2015年8月にHTV5号機で運搬されて設置された。
静電浮遊炉 (Electrostatic Levitation Furnace:ELF)(HTV5で運搬) - 地上では容器から不純物が入るため、微小重力下で静電気を使ってガラスなどの材料を浮かせ、複数のレーザーを照射して溶かしたり固めたりすることができる装置。
冷凍・冷蔵庫(Minus Eighty degree Celsius Laboratory Freezer for ISS:MELFI)は、ESAが開発した窒素ガスを冷媒にした冷凍・冷蔵庫である。スペースシャトルSTS-121、STS-128、STS-131の3回に分けて打ち上げられ、アメリカはこの内2台をきぼうに移設しており、その内MELFI-1は日本が15%の利用権を持っている。4つの冷凍室があり、-80度、-26度、+4度に温度を設定でき、常温の実験試料を3時間以内に-80度まで冷却でき、8時間停電しても設定温度を維持できる性能を持っている。実験試料を冷却したまま運べるようになっており、15回の打ち上げと10年間の運用ができるようになっている。
EXPRESS Rack 4(Expedite the Processing of Experiment to the Space Station Rack 4)及びEXPRESS Rack 5は、2001年8月にスペースシャトルSTS-105で打ち上げられたNASAの実験ラック。EXPRESSラックは国際標準実験ラック(ISPR)の一種で、実験装置に対する電力、通信、真空排気、窒素ガス、冷却(水冷・空冷)、水、取付け機構などの供給機能を持っており、複数分野にわたる科学実験を円滑に進める目的でマーシャル宇宙飛行センター(MSFC)とボーイング社によって開発された。地上から遠隔操作でき、マーシャル宇宙飛行センターにある搭載物運営統合センター(Payload Operations and Integration Center:POIC)で、ペイロード開発者又はペイロードラックオフィサー(PRO)が操作を行う。EXPRESS Rack 4と5は、最初デスティニーに設置され、その後きぼうに移されている。2014年8月31日までの稼働時間はEXPRESS Rack 4が93,654時間で、EXPRESS Rack 5が845時間となっている。ラップトップコンピューターには、Lenovo T61pが用いられている。
「EXPRESS Rack 4」搭載機器(2017年時点)
DECLIC(Device for the Study of Critical Liquids & Crystallization) - 流体学に関する実験機器。
NanoRacksプラットフォーム(NanoRacks Platforms) - 実験プラットフォームとして各種実験が行えるNanoRacksモジュールに電力・通信機能を提供し、最大で16のペイロードを搭載できる
ELITE-S2(ELaboratore Immagini TElevisive - Space 2) - 宇宙船設計に人間工学を反映させるために無重力化での脳や視覚と運動の関係を明らかにする実験機器。
Plate reader-2 - マイクロプレートリーダーを搭載した実験機器。
TangoLab-1(Payroad Card MultiLab) - カード型のペイロードを複数搭載できる実験機器。
SAMS-II-RTS2(Space Acceleration Measurement System-II Multiple Remote Triaxial Sensor) - ISSに加わる振動や加速度を調べる実験機器
「EXPRESS Rack 5」搭載機器(2017年時点)
MERLIN5(Microgravity Experiment Research Locker Incubator 5) - 実験試料を-20度から+48.5度の間で保存できる冷凍・冷蔵庫・恒温器(インキュベーター)
SG100 Cloud Computer - より高性能でシングルイベント現象を含むより高い耐放射線性を持った低軌道放射線環境下での長期動作・技術実証を行うコンピューター。
LDST(Long Duration Sorbent Testbed) - 吸着剤の長期試験を行う実験機器。
Advanced Plant Habitat - 植物実験を行う実験機器。
SpaceDRUMS(Space Dynamically Responding Ultrasonic Matrix System) - カナダ宇宙庁とギニエ社(Guigne Space Systems)が開発した超音波浮遊炉で、2009年10月から2013年3月まで燃焼合成実験を行っていたが2015年には撤去されている。
受動積算型宇宙放射線線量計(Passive Dosimeter for Lifescience Experiments in Space:PADLES) - 搭乗員や生物試料が受ける宇宙放射線と微小重力環境の影響を調べるためのもので、プラスチック飛跡検出器(CR-39)と熱蛍光線量計(TLD-MSO)の2つの検出器で構成されている生物実験用ドシメーターパッケージと自動線量解析システムのこと。縦横2.5cm、厚さ約5mm。これを利用した「Area PADLES」「Bio PADLES」「Crew PADLES」の3つの宇宙放射線計測実験が行われている。「Area PADLES」は、きぼう船内実験室の両端と中間の四隅に1つずつ計12か所と船内保管室床面の4つと天井に1つの計5か所、合わせて計17か所に設けて計測が行われており、2008年6月以降約半年ごとに回収と交換が行われる。「Bio PADLES」は、研究者からの依頼を受けて行う生物試料の被曝線量計測実験で、幅広い温度環境に対応している。「Crew PADLES」は、宇宙飛行士個人の被曝線量計として被曝管理に使われており、ストラップが付いた携帯用のものである。
宇宙放射線リアルタイムモニター装置(Position Sensitive Tissue Equivalent Proportional Chamber:PS-TEPC) - JAXAと高エネルギー加速度研究機構(KEK)が共同開発した、宇宙放射線の線量計測を行う装置で、きぼう船内実験室のエアロック横の壁に設置されている。従来、JAXAの受動型線量計とNASAの能動型計測器を用いて日本人宇宙飛行士の被曝線量管理を行っていたが、測定精度に難があったため、新たに開発されたこの装置でより正確な線量計測技術の技術実証を行う。
微小重力計測装置(Microgravity Measurement Apparatus:MMA) - ISS内の微小重力環境は常に変化し、実験に影響を及ぼすため、3軸の加速度センサーを持っているこの装置で微小重力環境の測定を行う。きぼう内の実験ラックの表面に5個まで設置可能。
「きぼう」搭載用ポータブル冷凍・冷蔵庫(FROST) - 2013年8月にHTV4号機で打ち上げられた小型の冷凍・冷蔵庫である。このFROST1に続き、2017年2月にはFROST2がドラゴン宇宙船10号機(スペースX CRS-10、SpX-10)によって打ち上げられ、計2台がきぼうに設置されている。既存のMELFIは既に飽和状態であり、日本が使える新たな冷凍・冷蔵庫が必要だったため、ツインバード工業の冷凍冷却ユニット「FPSC」(フリーピストン・スターリング方式冷凍機)を基にJAXAなどと共同で開発された。ヘリウムガスを用い、その断熱膨張を利用して最大-70度以上まで冷却可能なスターリング冷却器で、庫内の温度差を±0.5度以内に保てるようになっており、国産の新保冷剤を使って停電時でも最長8時間まで保冷できるようになっている。船内実験室の左側の窓の脇に設置されている。
実験装置は大きさ0.8m×1.0m×1.85mの重さ500kg以内で、直方体の形をしたJEM曝露部搭載型共通バス機器部(APBUS)と呼ばれる標準ペイロードの箱に入れられ、船外実験プラットフォームに設置される。きぼう船外実験プラットフォームには、船内実験室と同じく実験機器の設置する場所が10か所あり、各実験機器へ電力・冷却水・通信機能を供給している。10か所の内、JAXAが5基、NASAが5基の実験機器を設置する。船外実験プラットフォームに取り付けた状態で打ち上げることはできないため、船外パレットやHTVの曝露パレットに搭載して打ち上げるか「きぼう」のエアロック経由で船外に出し、ロボットアームを使用して取り付けられる。
船外実験プラットフォーム以外の曝露実験方法もあり、きぼうロボットアームで実験装置を把持したまま実験・観測を行う「親アーム先端設置型」(2015年6月の「Free-Space PADLES実験」、2018年10・11月の「ループヒートパイプラジエーター(Loop Heat Pipe Radiator:LHPR)技術実証実験」など)、きぼうロボットアームで小型衛星を放出する「親アーム放出型」(2012年10月から始まった小型衛星放出機構(JEM Small Satellite Orbital Deployer:J-SSOD)を用いた超小型衛星の放出事業)、きぼうエアロックの移動テーブルに実験装置を取り付けて船外に伸展した状態のまま実験・観測を行う「エアロック設置型」の3つである。
JEM曝露部搭載型共通バス機器部(Attached Payload BUS for Kibo Exposed Facility Payload:APBUS)は、実験機器をきぼう船外実験プラットフォームに設置する際に使われる共通バス機器部で、実験機器を入れる質量や重心を最適化したミッションインタフェース構造部(Mission Interface Structure:MSTR)と、きぼうで使われる特殊な通信方法を地上での通信方法に変換し、実験機器ときぼう間の通信を中継する通信制御部(Attached Payload Remote Terminal:APRT)と、ISS特有の120Vの電圧が1系統供給されているものを、人工衛星などで使われている28Vに変圧し、複数の系統への分配も行える電力分配器(Power Distribution box for Attached Payload:PDAP)と、太陽光の有無で実験装置の温度が下がるのを防ぐため、実験装置を一定の温度に保温するヒーター制御器(Heater Control Equipment:HCE)と伸展マストに実験機器を搭載して1m以上伸展でき、地上からの遠隔操作や宇宙飛行士が手動で伸展と収納を行うことができる伸展機構(Extension Mechanism Assembly:EMA)の5つで構成されている。
宇宙環境計測ミッション装置(Space Environment Data Acquisition equipment - Attached Payload:SEDA-AP)は、2009年の2J/Aで船外パレットに取り付けて打ち上げられ、EFU#9(不具合時はEFU#11を使用)に設置されている。後にEFU#11に移設されている。人体や人工衛星に影響を与える各種の宇宙環境を計測する。3年間の計測を行う予定で、8種類もの機器で宇宙環境を計測するため宇宙の百葉箱と形容されている。JEM曝露部搭載型共通バス機器部(APBUS)の軌道上技術実証も目的としている。微小粒子捕獲実験装置・材料曝露実験装置 (MPAC/SEED) は2010年4月にスペースシャトル (STS-131) で回収された。SEDA-AP本体はHTVで廃棄される予定だったため ISSに残されたままだったが、2018年12月21日にカナダアーム2によりISSから軌道上に廃棄されており、数年後に大気圏へ再突入する予定となっている。
中性子モニター (Neutron Monitor:NEM) - 中性子の計測を行う。
重イオン計測装置 (Heavy Ion Telescope:HIT) - 重イオン(Li-Fe)の粒子別エネルギー分布の計測を行う。
プラズマ計測装置 (Plasma Monitor:PLAM) - 宇宙空間のプラズマの密度と電子温度の計測を行う。
高エネルギー軽粒子モニター (Standard Dose Monitor:SDOM) - 電子、陽子、アルファ線等の高エネルギー軽粒子の粒子別エネルギー分布の計測を行う。
原子状酸素モニター (Atomic Oxygen Monitor:AOM) - ISS周回軌道上の原子状酸素量の計測を行う。
電子部品評価装置 (Electronic Device Evaluation Equipment:EDEE) - きぼうにある電子部品の宇宙放射線によるシングルイベント現象(宇宙放射線粒子の入射で、電子部品の回路が破損したり、一時的な誤動作が起きる現象)や劣化の計測を行う。
微小粒子捕獲実験装置 (Micro-Particles Capturer:MPAC) - ISS周回軌道上に存在する微小粒子を捕獲し、地上へ回収した後、粒子の大きさ・組成・衝突エネルギー等を調べる。STS-131で回収済み。
材料曝露実験装置 (Space Environment Exposure Device:SEED) - 熱制御材料や固体潤滑剤等といった宇宙用材料を直接宇宙空間に曝す装置で、地上へ回収した後、宇宙用材料の劣化の度合いを調べる。STS-131で回収済み。
全天X線監視装置(Monitor of All-sky X-ray Image:MAXI)は、2009年の2J/Aで船外パレットに取り付けて打ち上げられ、EFU#1(不具合時はEFU#5を使用)に設置されている。広視野のX線観測装置を備えて、ISSの公転により90分間隔で全天のX線天体1,000個超を撮影し、X線の強度変化や突発的な天文現象の発生を発見する。