津田 雄一

ソーラー電力セイル実証機「IKAROS」の運用は,IKAROSと地上局との距離が近い場合や通信環境に余裕がある場合には,地球周回の探査機と同様な運用が可能であるが,距離が遠くなった場合や通信環境に余裕がない場合には,深宇宙航行する探査機特有の運用を行う.本稿では,この運用(IKAROSの地上局,テレメトリ/コマンド運用,ビーコン運用,後期段階運用,探索運用)について概説する.

IKAROSとは宇宙航空研究開発機構(JAXA)が開発した小型ソーラー電力セイル実証機であり,2010年5月21日に種子島宇宙センターよりH-IIAロケット17号機によって打ち上げられた.IKAROSは将来の外惑星領域探査ミッションを想定してソーラーセイルおよびソーラー電力セイルを世界で初めて実証した.2011年以降も運用を継続し,数多くの成果をあげている.IKAROSは小規模プロジェクトのため,広報活動に関して,予算をほとんど割くことができない状況であったが,チームメンバーが創意工夫を凝らし,精力的に活動を行った.特にツィッターやブログを通して開発・運用の現場の様子をタイムリーに発信したことで多くのファンを獲得できた.また,TPSにも発信してもらったことでIKAROSの成果が世界中に知れ渡ることとなった.さらに,はやぶさ地球帰還との相乗効果もあり,日本の探査技術が大きく取り上げられる機会となった.本稿では,我々が取り組んできたIKAROSの広報・アウトリーチ活動全般について報告する.

IKAROSはJAXAが開発し,世界初の深宇宙ソーラーセイル航行を成し遂げたソーラー電力セイル実証機である.IKAROSの姿勢制御の観点での特徴は,機体全体がスピンすることによるスピン剛性でセイルの形状の維持とスピン安定を同時に得ることである.14m四方,代表厚み7.5μmという大面積柔軟構造物を有する機体を安定化し,かつ十分な制御性を有する姿勢制御を実現するために種々の工夫が施された.他方で,IKAROSは開発コスト制約を非常に厳しく課されたプロジェクトであり,姿勢制御系の簡素化と開発負荷の軽減が課題であった.結果として気液平衡推進系,太陽センサのみによる姿勢決定系など,独特の姿勢制御系構成となった.また,運用面では,迅速な運用実績の反映により,太陽光圧擾乱を逆用した省燃料の姿勢制御手法を実現した.本稿では,これらの点を中心にIKAROSの姿勢制御システムについて概説する.

本報告では,H22年5月に打ち上げられたソーラー電力セイル実証機IKAROSに搭載された薄膜発電システムの軌道上実験に関して述べる.ソーラーセイルの膜面上にa-Si太陽電池を用いた薄膜太陽電池アレイを搭載し,軌道上での展開及び発電実験を行った.太陽電池アレイは8個の発電ブロックに分けて搭載し,各発電ブロック間のばらつきは少なく,製造管理,収納及び軌道上での展開の影響評価が実施できた.ただし,打ち上げ前にフレキシブルハーネスの一部が不具合を起こしており,ハーネスの構造,管理には課題がある.発電特性は,初期特性は地上検証データと近い値を示しているが,時間変化の特性は若干劣化が大きくなる傾向が得られている.発電特性の継続的取得により,惑星探査機用薄膜超軽量発電システム開発のための知見を得る.

This paper summarizes the guidance, navigation and control of the world's first solar power sail IKAROS. During the 1.5 years of its interplanetary flight, IKAROS has carried out the guidance, navigation and control experiments using the large solar radiation force generated by its 200 m2 solar sail. Since solar radiation pressure is the main controllable force for a solar sail, its modeling is the key factor for a successful guidance. A precise solar radiation pressure modeling for this spinning solar sail has been performed in order to support the navigation and guidance using the large membrane. Due to the complexity of the sail surface and shape, the refinement of the SRP model is done after the deployment in space with radiometric measurements. This solar sail navigation is also supported by the precise delta-DOR (Differential One-way Range) measurements. These in-flight demonstrations with IKAROS enable the future deep space exploration with solar sailing technique.

The three-dimensional reaction wheel (3DRW) is a three-axis free rotor reaction wheel, which can achieve a compact and high integrity attitude control systems. In the system we propose, a spherical rotor is levitated without mechanical contact by gas bearings and rotated by the torque generated by magnetic fields. To realize the precise control of the rotor, it is important to understand the characteristics of spherical gas bearings such as pressure distribution, load capacity, stiffness and flow rate. Some previous works clarified them but few researches are there relating the use of gas bearings in the space. What is required for the space gas bearing is having the minimum robust characteristic against various small disturbances. It is more appropriate to adopt small-light air compressor which can provide the minimum air pressure and flow than big-heavy powerful one. In this study, the authors have developed a spherical gas bearing with a circular slot restrictor and analyzed its performance by experiments and numerical calculations. The result shows that this type of bearing can generate necessary floating force with low supply pressure and low flow rate, and that leaves the possibility to realize 3DRW system operated by a compact pump such as piezoelectric type.