津田 雄一

「ソーラーセイル」は,太陽光の圧力をセイルに受けて宇宙空間を航行する宇宙帆船であり,燃料なしで推進力を得ることができる.一方,「ソーラー電力セイル」は,薄膜太陽電池をセイルの一部に貼り付けて,発電も同時に行う.ソーラー電力セイルはソーラーセイルにより燃料を節約できるだけでなく,大面積の薄膜太陽電池を利用して,太陽から遠く離れた場所でも必要電力を確保できる.この電力を用いてイオンエンジンを駆動すれば,光子加速と合わせたハイブリッド推進が可能となる.JAXAではこれを踏まえてソーラー電力セイル探査機による木星圏探査計画を提案している.この計画のリスク軽減のフロントローディングとして開発されたのが,小型ソーラー電力セイル実証機「IKAROS」であり,世界で初めてソーラー電力セイルを実証することに成功した.本稿では,IKAROSのミッションおよびシステムの概要を説明し,開発・運用について紹介する.

本稿では,小型ソーラー電力セイル実証機IKAROSのセイル展開方式として採用した,遠心力展開方式について, JAXAにて著者らが行ってきた研究開発を概説する. IKAROSは世界に先駆けてJAXAが実施したソーラー電力セイル技術の宇宙技術実証であり,宇宙機全体のスピンによる遠心力を利用してセイルの展開・展張をするという独特な方式を採用している.著者らは,軽量かつスケーラブルなセイル展開システムとして遠心力展開方式を採用し,研究開発を行ってきた.本活動は, 2002年にJAXA内に発足したソーラーセイルワーキンググループが中心となり,全国の多数の大学研究機関とともに行ってきたものである.最終的な目標はφ50m級のソーラー電力セイルを実現することにあり,φ20m級のセイルを搭載したIKAROSはその最終段階の宇宙技術実証試験と位置付けられたものである.ここでは,本研究開発活動の主要な柱である遠心力展開技術について紹介し, IKAROSプロジェクト発足以前に著者らが行ってきた主要な試験プロセスと数値シミュレーション技術について概説する.

本稿は,世界初のソーラー電力セイルであるIKAROS(Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun)のソーラーセイル膜面の構成,その製作法,そして実際の製作の流れについて述べたものである.IKAROSのソーラーセイル膜面は,2種類のポリイミドによるベースフィルム上に,薄膜太陽電池や液晶デバイスをはじめとする各種デバイスを搭載する構造となっている.差し渡し20mの大きさを持つIKAROSのソーラーセイル膜面は,多数の試作モデルの製作を通じて確立した製作法により,ハンドメイドで製作された.その後,IKAROSは2010年5月21日に打ち上げられ,続く2010年6月9日に軌道上でソーラーセイル膜面の展開を完了した.展開後に撮影されたカメラの画像から,ソーラーセイル膜面は亀裂が発生することなく完全に展開できていること,ソーラーセイル膜面を構成する各構成要素が所定の機能を果たしていることなどが確認されている.また,その後の運用により,IKAROSのメインミッションの他に,各種デバイスの経年劣化に関するデータも取得できている.

This paper describes a modeling of attitude dynamics of spinning solar sail spacecraft under influence of solar radiation pressure (SRP). This method is verified and actually exploited in the attitude and trajectory guidance operation of Japanese interplanetary solar sail demonstration spacecraft IKAROS. IKAROS shows a unique attitude behavior due to strong SRP effect. This paper introduces a new generalized dynamics model called Generalized Spinning Sail Model (GSSM), which clearly explains physics behind the observed phenomena with only three parameters. Precise understanding of attitude dynamics through the GSSM led to 6 months of world first interplanetary trajectory guidance of solar sail-craft toward Venus. The GSSM also contributed to realize a zero-fuel spin axis maintenance for most of the flight path before the Venus flyby. In this paper, an overview of IKAROS attitude and trajectory control operation in the cruising phase, derivation of the proposed model and its implementation to the actual IKAROS operation are shown.

Japan has launched many interplanetary spacecraft for exploration of solar system bodies including Mars. Now we are planning the next Mars mission in the late 2010's. This paper describes the preliminary mission analysis and orbit design for this plan. The combined exploration by several spacecraft requires complicated and careful consideration, different from those for single-probe missions. Mission plans to realize required configuration by a single launch and simple simulation results are reported.

The Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) will make the world's first solar power sail craft demonstration of photon propulsion and thin film solar power generation during its interplanetary cruise by IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). The spacecraft deploys and spans a membrane of 20 meters in diameter taking the advantage of the spin centrifugal force. The spacecraft weighs approximately 310kg, launched together with the agency's Venus Climate Orbiter, AKATSUKI in May 2010. This will be the first actual solar sail flying an interplanetary voyage.