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°C以上、一方夜になると-100°C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°Cから80°C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。
電気二重層コンデンサは電解液の改良により低温では劣化しないが、130°C以上の高温下では少しずつ劣化する。そのため小惑星表面で活動を続けていくとやがて使えないようになる(最終的にMUSES-Cの目的地となったイトカワ上では3昼夜と考えられた)。電気二重層コンデンサが使えなくなった後、通信などは可能であるがホップや写真撮影はできなくなってしまうため、ミネルバが静止している場所の小惑星表面温度を継続的に測定する運用を検討していた。
ミネルバには表面から突き出たピンに内蔵された6つの温度センサー以外に、3つのカメラ、6つのフォトダイオードが外界センサーとして搭載された。カメラは3つとも同じものであり、2つのカメラは同一方向に向けて隣同士に設置され、近くをステレオ視可能である。これは主に小惑星表面を撮影する。残り一つのカメラは2台のカメラと反対側に据え付けられ、ホップ時に上空から小惑星を撮影することを主目的としている。フォトダイオードは光量の測定を行う目的で搭載されており、全て異なる方向を向いていて、各フォトダイオードが測定された光量で太陽の方角を推定するようになっていた。
ミネルバの上面と下面にはアンテナが取り付けられている。ミネルバの姿勢が変化していく中で、上下のアンテナのうち探査機を指向している側を使用することになっていた。ミネルバとOME-E間の通信速度は9.6kbpsで、最大距離20kmまで通信可能であった。
小惑星を探査するローバーの開発には、さまざまな困難が立ちはだかった。まず問題となったのが、どのような方法で小惑星上を移動するのかという点であった。MUSES-Cが目的地とする小惑星は大きくても直径数キロ以下であり、表面の重力加速度が極めて小さい。その上、初めて探査機が向かうこととなる小惑星は、重力加速度を確実に予測することが困難であり、ある程度の幅を持った重力加速度に対応できる移動機構が必要とされた。
天体表面を移動するローバーの移動メカニズムとしては、まず摩擦力を利用する方法と、利用しない方法に大別できる。摩擦力を利用しない方法としては、ローバーにジェットを搭載し、ジェットを吹かせながら表面を移動する方法、天体が十分小さい場合などでは天体に紐やネットを被せ、紐を伝って移動する方法、さらに天体が強磁性を持つ物質でできている場合、電磁石を用いる方法などが考えられる。しかしジェットを吹かせて移動する機構では天体の表面を汚染するため、小惑星サンプルリターンを目指すMUSES-C計画では採用できず、また電磁石を用いる方法などはどのような小天体でも使えるものではないため、摩擦力を利用した移動方法を採用することになった。
摩擦力を利用した移動メカニズムとしては、車輪と天体表面との摩擦力を利用して移動する車輪型移動機構、複数の脚と表面との摩擦力を利用する脚型の移動機構、そしてローバーを表面に押し付けることによって浮上させ、移動する浮上型移動機構などが考えられる。
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。
なお、ミネルバIIを2基構成とした理由は、まず予算の制約上、ローバーに使用した部品は地上実験で使用に耐えると判断された民生品であり、それぞれのローバーにおいても冗長性を設けなかった。また小惑星の探査を行う中で、永久影に入り込んで電力が得られなくなったり、溝や穴のようなところに嵌ってしまう可能性もあり、ローバーそのものにではなく、2基構成とすることによって冗長性を持たせる戦略を採用したことによる。しかし2つのローバーは、全面に太陽電池を貼布してあるものと、上面と下面に太陽電池を貼らない部分を設けたものとになっており、熱放射特性に違いがある。