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日本の惑星探査機から学んだこと 渡部重十(わたなべしげと) 北海道大学 [email protected] http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~shw/
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[email protected] shw/shw/pse2012/20120728Watanabe.pdf · Explorer 1 Launch: February 1, 1958 at 03:48 UTC Launch vehicle: Jupiter-C Decay: March 31, 1970 Mission duration:

Oct 03, 2020

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日本の惑星探査機から学んだこと

渡部重十(わたなべしげと) 北海道大学

[email protected] http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~shw/

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スプートニク1号 (1957年10月4日) 重量: 83.6kg 打ち上げロケット: R-7 ロケットはソユーズとして現在も使用されている. ~1800回の実績がある.

50m

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Explorer 1

Launch: February 1, 1958 at 03:48 UTC

Launch vehicle: Jupiter-C

Decay: March 31, 1970

Mission duration: 111 days

Mass: 13.97 kg

NSSDC ID: 1958-001A

Orbital elements

Semimajor axis: 7,832.2 km

Eccentricity: .139849

Inclination: 33.24°

Orbital period: 114.8 minutes

Apogee: 2,550 km

Perigee: 358 km

Orbits: ~56,000

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Radiation Belt (放射線帯)の発見

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放射線帯 電子 ~10 keV から~1 MeV (バンアレン帯) 陽子 ~1 MeV から~100 MeV

スペースシャトル

GP

S

衛星

静止衛星

衛星「つばさ」 電子

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日本のロケットの大型化

実用衛星の

打ち上げ

科学衛星の

打ち上げ 開発中止

HIIに一本化

60m

30m

日本初の人工衛星(1970年),日本初の実用衛星(1975年),日本初の人工惑星(1985年) 実用衛星・実験衛星・大学衛星: ~200機 (他国からの打ち上げを含む) 科学衛星: 24機(2012年7月)

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地球の重力圏を脱して 惑星間空間に出た日本の探査機 •1985年 ハレー彗星探査機「さきがけ」「すいせい」 (フライバイ)(スピン姿勢制御) •1998年 火星探査機「のぞみ」 (フライバイによる加速 オービット→フライバイ)(スピン姿勢制御) •2003年5月 小惑星探査機「はやぶさ」 (ランデブー) (3軸姿勢制御) •2010年5月 金星探査機「あかつき」 (オービット→2015年)(3軸姿勢制御)

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「ジャイロ効果」 自転が高速なほど姿勢を乱されにくくなる現象

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火星探査

ハッブル宇宙望遠鏡

軌道長半径 1.52368 AU 公転周期 686.98 日 赤道面での直径 6,794.4 km 自転周期 24.6229 時間 大気圧 0.7-0.9 kPa 平均気温 -43℃ 二酸化炭素 95.32%

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Launch

Date Name Country Result Reason

1960 Korabl 4 USSR (flyby) Failure Didn't reach Earth orbit

1960 Korabl 5 USSR (flyby) Failure Didn't reach Earth orbit

1962 Korabl 11 USSR (flyby) Failure Earth orbit only; spacecraft broke apart

1962 Mars 1 USSR (flyby) Failure Radio Failed

1962 Korabl 13 USSR (flyby) Failure Earth orbit only; spacecraft broke apart

1964 Mariner 3 US (flyby) Failure Shroud failed to jettison

1964 Mariner 4 US (flyby) Success Returned 21 images

1964 Zond 2 USSR (flyby) Failure Radio failed

1969 Mars 1969A USSR Failure Launch vehicle failure

1969 Mars 1969B USSR Failure Launch vehicle failure

1969 Mariner 6 US (flyby) Success Returned 75 images

1969 Mariner 7 US (flyby) Success Returned 126 images

1971 Mariner 8 US Failure Launch failure

1971 Kosmos 419 USSR Failure Achieved Earth orbit only

1971 Mars 2 Orbiter/Lander USSR Failure Orbiter arrived, but no useful data and Lander destroyed

1971 Mars 3 Orbiter/Lander USSR Success Orbiter obtained approximately 8 months of data and lander landed safely, but only 20 seconds

of data

1971 Mariner 9 US Success Returned 7,329 images

1973 Mars 4 USSR Failure Flew past Mars

1973 Mars 5 USSR Success Returned 60 images; only lasted 9 days

1973 Mars 6 Orbiter/Lander USSR Success/Failure Occultation experiment produced data and Lander failure on descent

1973 Mars 7 Lander USSR Failure Missed planet; now in solar orbit.

1975 Viking 1 Orbiter/Lander US Success Located landing site for Lander and first successful landing on Mars

1975 Viking 2 Orbiter/Lander US Success Returned 16,000 images and extensive atmospheric data and soil experiments

1988 Phobos 1 Orbiter USSR Failure Lost en route to Mars

1988 Phobos 2 Orbiter/Lander USSR Failure Lost near Phobos

1992 Mars Observer US Failure Lost prior to Mars arrival

1996 Mars Global Surveyor US Success More images than all Mars Missions

1996 Mars 96 USSR Failure Launch vehicle failure

1996 Mars Pathfinder US Success Technology experiment lasting 5 times longer than warranty

1998 Nozomi Japan Failure No orbit insertion; fuel problems

1998 Mars Climate Orbiter US Failure Lost on arrival

1999 Mars Polar Lander US Failure Lost on arrival

1999 Deep Space 2 Probes (2) US Failure Lost on arrival (carried on Mars Polar Lander)

2001 Mars Odyssey US Success High resolution images of Mars

2003 Mars Express Orbiter/Beagle 2 Lander ESA Success/Failure Orbiter imaging Mars in detail and lander lost on arrival

2003 Mars Exploration Rover – Spirit US Success Operating lifetime of more than 15 times original warranty

2003 Mars Exploration Rover – Opportunity US Success Operating lifetime of more than 15 times original warranty

2005 Mars Reconnaissance Orbiter US Success Returned more than 26 terabits of data (more than all other Mars missions combined)

2007

2007

2008

2011

2012 Aug.

Phoenix Mars Lander

Dawn

Fobos-Grunt

Yinghuo-1

MSL Curiosity

US

US

Russia

China

US

Success

Success

Failure

Failure

[???]

Returned more than 25 gigabits of data

Mars Missions

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南極で発見された

火星からの隕石(ALH840010) 1996年

●卵形,チューブ型の構造 大きさは20~100nm(0.00002~0.0001mm),直径0.1mm ●有機物の存在 ●炭酸塩,硫化鉄,酸化鉄の共存 (炭酸塩は36億年前に火星でできた)

”痕跡”は化学反応でできる可能性がある.答えをだすには -生命活動の決定的な証拠を見つける -探査機による火星の探査を行う

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火星探査機「のぞみ」(1998年打ち上げ) 制御用燃料を含めて541kg 燃料を除いた探査機の重さは256kg,そのうち14種の観測機器の重さは35kg 毎分7.5回のスピンで姿勢の安定を保つ 交信用アンテナが探査機本体に固定されているので,スピン軸は地球に向く 本体/1.6m×1.6m×0.58m ワイヤアンテナの端から端まで52m 太陽電池パドルの端から端まで6.22m

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NOZOMI搭載観測機器 ~総計15の観測手段~ [巡航期間中に観測] ***成果***

MIC 火星撮像カメラ 日本 月の裏を日本で初観測など

UVS 紫外光撮像器 日本 太陽系外の星間風を観測など

XUV 極端紫外光撮像器 日本 地球プラズマ圏を初撮像など

MDC ダストカウンター ドイツ/日本 恒星間ダストを検出など

EIS 高エネルギー粒子計測器 日本 太陽フレア現象を観測など

ESA 電子エネルギー分析器 日本 月ウェイクを観測など

ISA イオンエネルギー分析器 日本 星間風を観測など

IMI イオン質量分析器 スウェーデン 太陽風を長期モニターなど

MGF 磁場計測器 日本 太陽風を長期モニターなど

OCL 電波科学観測 日本 太陽近傍ガスの詳細観測など

[火星周回軌道投入後の観測] ***周回では・・・***

PWS プラズマ波動サウンダー 日本 電離層をレーダー探査など

LFA 低周波波動観測器 日本 電離層などの擾乱を探査など

PET 電子温度プローブ 日本 電離層の電子温度を探査など

NMS 中性粒子質量分析器 米国 上層大気の成分を観測など

TPA 熱プラズマ分析器 カナダ 電離層の成分の観測など

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火星大気と太陽風の相互作用 •火星の磁場を精確に観測 •紫外分光イメージングによる大気の組成や構造の調査 •火星電離圏の組成,構造,温度,プラズマ波の調査 •火星気象(砂嵐,雲,氷の極冠)観測とフォボス,ダイモスの探査 •ダストリングの探査 → 火星の水はどこに消えたのか? 太陽風の影響?

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1998年7月4日3時12分にM-V-3号機で打ち上げる. 第3段燃焼で低高度の地球周回軌道に乗せる. 約20分後,第4段燃焼で月遷移軌道に投入.

27万人の名前

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1998年7月4日

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1972/3/2

1973/4/6

1977/9/5

1977/8/20

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「のぞみ」地球脱出の顛末

1998年7月4日打ち上げ,月・地球パーキング軌道に5カ月半滞在 2回の月スウィングバイ後,地球最接近(日本時間の1998年12年20日の17時10分)にメインエンジン噴射したが100m/s 不足 1998年12年21日追加噴射,火星遷移軌道に乗せる 推進剤を使い過ぎ,1999年10月11日に火星周回軌道に入る推進剤が不足! 火星周回軌道に入れない!

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N2H4 ヒドラジン NTO 四酸化二窒素 地球重力脱出時に 酸化剤の供給が不十分だった

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●2002年4月21日太陽フレアに遭遇,電源系に不具合を生じテレメータが送信できない ●巡航軌道上での科学観測を停止 ●ビーコン電波のオンオフによるテレメトリの代替という裏技を活用して,姿勢制御や軌道制御を実施

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火星探査機「のぞみ」 •2003年12月9日午後8時30分:

火星周回軌道への投入を断念 •2003年12月9日午後8時45分~9時23分:

火星への衝突確率を下げるための 軌道変更のコマンドを打つ

•2003年12月14日: 火星の表面から約1000kmのところを通過 •2003年12月16日: 火星の重力圏を脱出して再び太陽を中心

とする軌道を続ける

COSPAR(国際宇宙空間研究委員会) Planetary Protection Policy 「特別な処置を施していない火星周回 衛星に関しては打ち上げ後20年以内に 火星に落ちる確率を1%以下にする」

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地球の重力圏を脱して 惑星間空間に出た日本の探査機 •1985年 ハレー彗星探査機「さきがけ」「すいせい」 (フライバイ)(スピン姿勢制御) •1998年 火星探査機「のぞみ」 (フライバイによる加速 オービット→フライバイ)(スピン姿勢制御) •2003年5月 小惑星探査機「はやぶさ」 (ランデブー) (3軸姿勢制御) •2010年5月 金星探査機「あかつき」 (オービット→2015年)(3軸姿勢制御)

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USA(7 spacecrafts) 1962.7.22 Mariner 1 Fail 1962.8.27 Mariner 2, 1962.12.14 Flyby 1967.6.14 Mariner 5, 1967.10.19 Flyby 1973.11.3 Mariner 10, 1974.2.5 Flyby 1978.5.20 Pioneer Venus 1, 1978.12.6 – 1992.10.9 Orbiter 1978.8.8 Pioneer Venus 2, 1978.11.16 Orbiter, 1978.11.20 Probe entry, 1978.12.10 Bus entry 1989.5.4 Mageran, 1990.8.10 Orbiter, 1994.10.11 Entry

Soviet (29 spacecrafts) 1961.2.4 Sputnik 7 Fail 1961.2.12 Venera 1 Fail 1962.8.25 Sputnik19 Fail 1962.9.1 Sputnik20 Fail 1962.912 Sputnik21 Fail 1963.11.11 Cosmos21 Fail 1964.3.27 COSMOS27 Fail 1964.4.2 Zondo1 Fail 1965.11.12 Venera 2 Fail 1965.11.16 Venera3 1966.3.1 Pennant Entry 1965.11.23 COSMOS96 Fail 1967.6.12 Venera4, 1967.10.18 Entry 1967.6.17 COSMOS167 Fail 1969.1.5 Venera5, 1969.5.16 Probe entry 1969.1.10 Venera6, 1969.5.17 Probe entry 1970.8.17 Venera7, 1970.12.15 Landing 1970.8.22 COSMOS359 Fail 1972.3.27 Venera8, 1972.7.22 Landing 1972.3.31 COSMOS482 Fail 1975.6.8 Venera9, 1975.10.22 Orbiter, Landing 1975.6.14 Venera10, 1975.10.25 Orbiter, Landing 1978.4.9 Venera11, 1978.10.25 Lading 1978.9.14 Venera12, 1978.12.21 Landing 1981.10.30 Venera13, 1982.3.1 Landing 1981.11.4 Venera14, 1982.3.5 Landing 1983.6.2 Venera15, 1983.10.10 Orbiter 1983.6.7 Venera16, 1983.10.14 Orbiter 1984.12.15 Bega1, 1985.6.10 Swingby to Halley 1984.12.21 Bega2, 1985.6.14 Swingby to Halley

ESA (1 spacecraft) 2005.12 Venus Express, 2006.4.11 Orbiter

Venus Missions

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H-ⅡA 17号機

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あかつき (DRY322kg, WET519kg) ロケットから分離後に

打ち上げの時 太陽電池パネルを展開

2010年5月21日 6:58:22JST

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小惑星探査機「はやぶさ」

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探査機 • 筺体

• 電力(太陽電池(あかつきは500W以上)とバッテリー)

• 温度制御(あかつきはMLIと128のヒーター,144の温度センサー)

• 通信(あかつきは3系統,アップリンク:7.1GHz,ダウンリンク:8.4GHz)

• 推進(あかつきはヒドラジン(N2H4)と酸化剤(N2O4/NO))と姿勢

- スラスター(あかつきは3軸制御)

- リアクションホイール (あかつきは4個のRW)

• センサー(あかつきはスターセンサーとサンセンサー)

(加速度計)

• データ処理(あかつきは2CPU)

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放射線対策とロボット化(コンピュータ制御)

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LIR 田口@立教大 福原@北大 UVI 渡部@北大 山崎@JAXA 山田@JAXA

LAC 高橋@北大 IR1 岩上@東大

IR2 佐藤@JAXA@北大

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金星全体を覆う厚い雲により大気深部を見ることができない.

1990年前後に近赤外の波長域で下層大気や地表面まで透視できることが発見された.

ブレークスルー

新たな金星気象探査

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5台のカメラで異なる高度の雲を撮像 「雲の3次元構造と運動」を観測

あかつき

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LIR UVI IR1

波長10μ m 波長365nm 波長0.9μ m

温度を見る

「あかつき」による地球撮像 2010年5月21日午後8時50分頃「あかつき」と地球の距離は約25万km

2010年12月7日に金星到着・周回軌道に入る.

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UVI Exposure time: 0.128sec

CCD Temperature: -41.6

Max count: 2856 (70%full well)

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あかつき --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

イベント 実施日時(JST) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

12月7日 04時 軌道投入打ち合わせ 投入手順の再確認 12月7日 08時15分 探査機・地上局のチェック 軌道制御エンジン噴射開始 12月7日 08時49分00秒 717.5秒間噴射開始 地食開始・地上局との通信断 12月7日 08時50分43秒 12月7日 08時51分42秒 何らかの加速,姿勢が乱れる 12月7日 09時15分55秒 地食明け,受信できず ビーコンモード受信 12月7日 10時28分 12月7日 11時 軌道投入出来ていないことを確認 調査・対策チームを設置 12月7日 14時00分 NASA DSNマドリッドに切り替え Δ Vは55%だった可能性あり 12月7日15時04分 セーフホールドモードと断定 12月7日16時24分21秒 ロック セーフホールドモード 観測カメラを初期状態に戻し電源OFF 太陽方向に太陽電池パドルを向ける 5秒で1回転(速すぎ!) 通信用アンテナをLGAにしビーコンモード Δ Vは~30% 双曲線軌道,離心率 1.17 周回軌道断念 2016年12月~1月の軌道投入に変更 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

運動方向

Hz

c

V

10

1030

10

2

1

108

2

1

2

49

2

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LIR UVI IR1

「あかつき」による金星撮像

2010年12月10日9時頃(日本時間),「あかつき」と金星の距離は約60万km

波長10μ m 波長365nm 波長0.9μ m

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500N級セラミックス製二液式スラスタ

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Heタンク

燃料タンク 酸化剤タンク

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2015年

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「のぞみ」 総経費 衛星 212億円 ロケット 72億円 研究者・技術者が費やした時間 ~10年間 「あかつき」 総経費 250億円 研究者・技術者が費やした時間 ~10年間 惑星探査: 真理の探究・発見→新たな世界観(科学) →科学・技術の発展 失敗からの教訓,技術の発展の繰り返し 「プロジェクトで得た知見」? 「科学の発展・技術開発に対する寄与・貢献」? 「人類・地球の生存・発展に寄与・貢献」? 歴史の1ページとして次の世代に残さなければならない!

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Jupiter Icy Moon Explorer

The European Space Agency will launch a deep-space

mission to explore the icy moons of Jupiter in 2022. The

ambitious space mission, called the Jupiter Icy moons

Explorer (JUICE), is expected to reach Jupiter in 2030 and

spend at least three years studying the gas giant's major

moons. The mission is expected to cost about $1.1 billion (870

million euros).

今までの経験と知識・技術を用い,世代を繋いで開発しなければならない.その先に誰も見たことのない科学がある.これが惑星探査である.

終わり