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小惑星探査機「はやぶさ2」、46億年前の水や有機物を求め2018年に小惑星に到着予定
2017年7月12日 18:19
2017年7月12日、国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA)が小惑星探査機「はやぶさ2」の近況に関する説明会を開催した。「はやぶさ2」は、小惑星探査機「はやぶさ」の後継機として小惑星サンプルリターンを行なうミッションだ。日本のロケット
H-IIA を使って2014年12月3日に打ち上げられた。サンプルリターンなので、行って帰ってくる往復ミッションである。
小惑星探査機「はやぶさ2」
小惑星探査機「はやぶさ2」は質量約600kg。「はやぶさ」の経験を生かして、イオンエンジンの推力向上、高速通信ができるKa帯の利用、姿勢制御に用いるリアクションホイールを4台にするなど冗長性を向上させ、よりトラブルの少ないミッション達成を目指している。2015年12月3日の地球スイングバイを経て、2018年には小惑星に到着し、2020年末に地球に帰還する予定となっている。現在は地球からの距離約1億7,650万kmの位置を飛行中で、小惑星までの距離は約3,140万km。約半分のところまで来ている。地球から見ると乙女座のあたりを飛行しているという。
探査対象は「はやぶさ」が探査した岩石質の小惑星イトカワ(S型)とは別の、炭素や水、有機物を含んでいるタイプ(C型)で、より始原的な天体だと考えられている小惑星「リュウグウ」だ。「リュウグウ」は太陽系が生まれた46億年前の水や有機物を多く含んでいると考えられている。太陽系天体への往復探査技術の確立、太陽系誕生や生命誕生の秘密にさらに近づくことができると期待されている。
小惑星リュウグウでの探査
C型小惑星の「リュウグウ」は地球に接近する軌道を持つ地球接近小惑星(NEO)の1つ。大きさはイトカワの約2倍弱の850～880m程度、自転周期は約7.6時間と推定されている。明るさの変化から形状は推定中で、自転軸の傾きなどはわかっていない。
「はやぶさ2」は、小惑星の周囲から多バンド可視カメラ、レーザー高度計、近赤外分光計、中間赤外カメラを使って小惑星の詳細な観測を行なったあと、小型ローバのMINERVA-IIや小型着陸機のMASCOTを降ろして、小惑星表面の直接観測を行なう。そのあと、表面物質を採取するためにタッチダウンし、物質を採取する。可能ならば異なる場所に2回タッチダウンする予定だ。このあと、さらに可能ならば衝突装置(2kgの銅の塊を2km/sまで加速)を使って小惑星表面に人工クレーターを作り、その様子を観察し、地下物質をサンプリングするという世界初の実験を行なう計画だ。
打ち上げから2年半あまり、順調に飛行中
近況を解説したのは、JAXA宇宙科学研究所「はやぶさ2」プロジェクトチーム プロジェクトマネージャの津田雄一氏(JAXA宇宙科学研究所 宇宙飛翔工学研究系 准教授)と、ミッションマネージャの吉川真氏(JAXA宇宙科学研究所 宇宙機応用工学研究系 准教授)。
打ち上げから2年半あまり、今のところ「はやぶさ2」は問題なく飛行している。「はやぶさ2」がラグランジュポイントの1つ、L5点付近を通過したときにシャッターを切ってみたが、残念ながら新たな移動天体は検出されなかった。練度を上げるための訓練になったという。また木星を撮影して各種観測機器の健全性を確認した。リュウグウ到着予定は計画どおり2018年6～7月。
地球スイングバイは2015年12月3日に成功した。その後はNASAやESAなどの南半球の基地局を使って運用を行なった。2016年以降はイオンエンジン運用がメイン。めったにない深宇宙航行の機会を利用して、DDOR(Delta Diffential One-way Range)、アップリング・トランスファー、Ka帯通信、ソーラーセイルモードなど新技術の試験も行っている(後述)。
はやぶさ2は打ち上げ後最初は地球と近い軌道を周り、その後、地球のそばを通ったあと、3回にわたってイオンエンジン運転を行なう。これまでに2回のイオンエンジン運転を行なっており、400m/sまで加速する3回目は2018年初め頃を予定している。4台のうち、3台までを同時に用いることができるが太陽からの距離に応じて使い分けてきた。
まだ小惑星に到着はしていないが、機器開発・試験に関する論文20編を投稿して、ほとんどが受理されたという。
新規の技術
「はやぶさ2」で用いられた4つの技術についても概略が紹介された。「DDOR(Delta Diffential One-way Range)」とは、2つ以上の地上局で、同時に探査機からの電波を受信する。それと同時にクエーサーなど電波天体からの電波も受信する。VLBIと同じ原理で、探査機の軌道を高精度に決定することができる。これは国際協力が不可欠な技術で、太平洋上空で高精度なナビゲーションができるようになったという。アメリカのDeep Space NetoworkやESAの局などを全部使った。
「アップリング・トランスファー」とは、通信局を切り替えるときに途切れずに通信し続けるための技術。これまではどうしても通信局を切り替えるたびに数十分通信できない時間が発生していたが、通信局同士で細かい調整をタイミングを合わせて行なうことで、探査機側から見ると間が途切れずに通信できるようになったという。
「Ka帯通信」は、32GHzでの通信技術で、これまでのX帯(8GHz)に比べて高速通信が可能になる。距離5,000万kmでの通信に成功しており、性能が出ることを確認した。
「ソーラーセイルモード」は通信ではなく新しい飛行技術、姿勢制御技術。太陽の光を利用した姿勢制御技術だ。緊急避難的に用いられた「はやぶさ」での経験や、積極的に利用することを目指したソーラーセイル衛星の「イカロス」での知見/技術を活かして、リアクションホイールを1つだけ使って、太陽の光を太陽電池で受けて、その力で燃料も電力も使わず飛行することができる。
小惑星近傍運用検討
小惑星近傍での運用に関しては、実際に行ってみないとわからないことも多いと考えられるため、科学的な知見だけではなく幅広いレンジでチーム内で問いかけをしながら検討を行なっているという。
現時点での予定は以下のとおり。小惑星の近くに近づいたら初期観測と着地点選定を始める。地図作り、形状モデル作成を進める。それに基づいて重力を推定したり、科学的に興味深い場所を特定する。
「はやぶさ2」は小惑星に到着したら高度250kmに滞在してそこから観測を行なう。調査運用、リハーサル運用を行なったあと、その後、第1回目着陸を試みる。4機の観測機のうち、1つを分離する予定だ。なお、地球から見て太陽の真裏に入ってしまう「合運用」の時期は、探査機を安全な状態で待機させる。
合が開けたあとに2回目のタッチダウンを行ない、その後、クレーター作りを試みる。状態が良ければ、その近傍に向けて、3回目のタッチダウンを行なう。2019年6月までにすべての運用をやりきる予定だ。太陽から見て小惑星の距離が遠い、熱くない時期に行なうことで、探査機へのダメージを減らす。ただしそれらも小惑星表面の状態が予想通りだった場合だ。
行ってみないとわからない事柄として、小惑星の自転軸の向き、重力、形状、温度、表面の様子などがある。これらは近くまで行かないとわからないため、現時点では計画は流動的なものにならざるをえないという。
探査機は太陽電池に光を当て続けて、観測を継続する必要があるため、かならず小惑星と太陽の間に位置する。どこがどこまで見えるかは自転軸の傾き次第になる。自転軸の推定は行なわれているが、その確度はまだ低いのだという。
4つのリモートセンシング機器
はやぶさ2には4種類のリモートセンシング機器が搭載されている。光学航法カメラ(ONC)、近赤外分光計(NIRS3)、中間赤外カメラ(TIR)、レーザー高度計(LIDAR)だ。
光学航法カメラ(ONC)は7つの波長に応じた写真を撮影する。小惑星に接近して表面の物質の分布を調べるほか、探査機の位置を把握するために用いる。
赤外分光計(NIRS3)は赤外線スペクトルで撮影して、含水鉱物を探す。そこには有機物がある可能性も高いため、そこがタッチダウン候補になる。
中間赤外カメラ(TIR)は小惑星自体の温度分布を計測する。その温度変化の仕方を計測して、小惑星の組成を推定する。
LIDARはレーザーを使って、正確に距離を測定。小惑星の質量を推定するために用いる。小惑星すれすれを浮いているダストも捉えることができるという。
タッチダウン時にはリアルタイムに近いかたちでの情報公開も
現在はこの訓練を行なっており、LSS(Landing Site Selection)と呼ばれる着陸地点選定プロセスなどの確認を行なっているという。そのためには数億ポリゴンからなる小惑星形状モデルを用いて訓練を行なっている。なおそのモデルはプロジェクト内でも限られたメンバーしか知らないものになっているという。小惑星の自転軸の値も公募したものを使って、訓練を行なっているとのことだ。特にサイエンスのチームが訓練を行なっている点が、イトカワの時とは違う点だそうだ。
国際的には、HJST(Hayabusa2 Joint ScienceTeam)という会議を行なって、世界各国メンバーで議論を進めている。津田氏、吉川氏2人は、リュウグウについては「行ってみたら全然違うこともありえる」と何度も強調した。吉川氏は「未知の天体に行く場合に、行ってみるとまったく違う可能性が大いにあるということを念頭に入れながら訓練を行なっている」と語った。
今後もさまざまな参加型アウトリーチとして「リュウグウ」の形状予想なども行なってもらう予定とのことだ。今後、年度内を目処に訓練は終了予定。2018年初めには第3期イオンエンジン運転を開始。5月頃からは光学航法によりリュウグウ接近を進める。津田氏は「今後も気を引き締めてやっていきたい。小惑星滞在1年半の間にやりたいことをパズルのように組み合わせて考えている」と語った。
タッチダウン時には、できればリアルタイムに近いかたちで情報公開していくことを検討しているとのことだ。
