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【宇宙速報】探査機「はやぶさ2」がいよいよタッチダウンに挑戦
1月10日のNHKの番組「コズミックフロント*NEXT」でも紹介されましたが、「はやぶさ2」が来月(2月)、いよいよ小惑星「リュウグウ」へのタッチダウンに挑戦します。
 
昨年6月、探査機「はやぶさ2」は3年半の旅を経て、目的地の小惑星「リュウグウ」上空に到着しました。その使命はリュウグウの地表物質を採取して地球に持ち帰るためですが、次図写真のように、想像以上に多くの岩石が地表に存在していることがわかり、安全にかつ確実に着地できる見通しがつくまでタッチダウンは延期されていました。しかしながら、宇宙航空研究開発機構(JAXA)のチームは、数々の観測データを積み上げることにより、危険と隣り合わせの神経戦を覚悟しながらも、ついに「はやぶさ2」タッチダウンのミッションを実行に移すことを決断しました。
 
宇宙速報011701
 
「はやぶさ2」のタッチダウン実行のためには、以下のような大きな関門が3つありました。
1、化学推進系によるタッチダウン時の精密な姿勢制御
2、高度30m以下での遠距離・近距離レーザー高度計の切り替え精度確認
3、「はやぶさ2」着地のための平坦なタッチダウン場所の選定
 
<化学推進系>
一般に宇宙機は推薬を放出することで加速・減速します.具体的には、推薬を放出する反動で反対方向の速度を得ます(運動量保存の法則)。この方法は地球上の移動物体には、ほとんど採用されていません。例えば、車・船・飛行機は、それぞれ地面・水・空気を押すことで推進します。しかし、あいにく宇宙には押すものがないため、代わりに推薬を放出しているのです。
 
推薬は通常、ガス圧で放出します。これを実現するのが化学推進系であり、比較的大きな推力が得られます。特に「はやぶさ2」では燃料と酸化剤を用いて燃焼させる二液式を採用しています。スラスタ(噴射口)は全部で12個あり、2つずつ同時に噴射します。この組み合わせにより、X、Y、Z 軸の並進制御と回転制御を実現できます。「はやぶさ2」では、このほかに、推薬を電気の力で放出する電気推進系(イオンエンジン)も有しています。電気推進は燃費がよいため、軌道制御の大部分を担います。化学推進は、地球・小惑星に向けた軌道修正、小惑星での位置制御のほか、姿勢制御等で活躍します。
 
「初代はやぶさ」では姿勢制御装置であるリアクションホイールが小惑星到着直前と直後に1つずつ故障したため、化学推進系は小惑星滞在時に、位置制御だけでなく、短パルス噴射による姿勢制御も担いました。しかし2回目のタッチダウンを成し遂げた直後に燃料が漏洩し、その後配管が凍結したこともあり、化学推進は2系統とも使用できなくなってしまいました。「はやぶさ2」ではこの漏洩原因として考えられる項目に対してすべて対策を施してあります。例えば、バルブに異物が詰まることがないよう、清浄度管理を徹底すると同時に気密試験を強化しました。配管などの溶接失敗を避けるため、溶接箇所を最少化し、溶接プロセスも改善しました。また、絶縁不良が発生しないよう、推薬弁電線は信頼性の高いコネクタを介してつなぐこととしました。運用についても見直し、スラスタの作動回数を常時モニタできるようにしています。さらに、「はやぶさ」で2系統の配管が凍結したことを踏まえ、配管のルーティングを分けて、独立に熱制御を行う設計としました。
 
宇宙速報011702
 
<レーザー高度計のセンサー切り替え>
小惑星へのタッチダウンにおいて、距離を計測するのに使われるのが「レーザー高度計(LIDAR)」と「近距離レーザー測距計(LRF)」です。小惑星表面までの距離が正確に分からなければ、探査機は激突して壊れてしまうかもしれません。安全にタッチダウンするためには、これらの機器が正常に動作することが重要になります。この2機種の違いは、遠距離(約30m以上)で使われるのがLIDAR(LIght,raDAR)で、極近距離(約30m未満)で使われるのがLRF(Laser Range Finder)となります。
 
LIDARはレーザーパルスの往復時間から高度30m~25kmを測定することができます。レーザーパルスとは短い時間だけ照射されるレーザー光で、「はやぶさ2」のレーザーパルスの場合、10ナノ秒(1億分の1秒)程度の時間です。
一方、LRFは探査機直下方向に対し30度傾けた方向に4本レーザビームを照射し、小惑星表面とのローカルな相対傾斜及び5m~30mの高度を測定します。
宇宙速報011703
 
以上の2機種のレーザー高度計のタッチダウン時のオペレーションの最大の課題は、「はやぶさ2」が地上30m付近に降りてきた際の高度計測をLIDAR系からLRF系への切り替えがスムーズに且つ正確に行えるどうかということです。
 
<タッチダウン場所の選定>
はやぶさ2は、下図のように物質を採取する長さ約1mの円筒形の装置が底部から延びています。しかし周囲に高さ60cmを超える岩があると、機体が接触して損傷する恐れがあります。
 
宇宙速報011704
 
このため安全に降りるには、大きなボルダー(岩塊)が少ない平地を探す必要があります。しかしながらリュウグウはどこもボルダーだらけで、場所選びは難航しました。JAXAは当初予定していた昨年10月の着地を延期し、撮影した地表画像の影の長さなどから、地形を詳しく調べました。
その結果タッチダウンにとって相対的に安全な場所として、L08、L07、M04という着地候補地点が選定されました。これらの候補地点について更に詳しく調べたところ、これまで得られたデータでは、L08の領域の中の一部が最もよさそうだということになりました。プロジェクトチームでは、L08-Bと名付けた領域です(下図)
 
宇宙速報011705
 
探査機がタッチダウンするためには、高さが50cmくらいより大きいボルダーがあると危険です。サンプラーホーンの長さが1m程度ですから、探査機がタッチダウンのときに少し傾くことも考慮すると、50cm程度以上の高さのボルダーがあると探査機本体や太陽電池パドルがぶつかってしまう可能性があるからです。この観点からみると、L08-Bという領域には50cmよりも大きいボルダーはなさそうです(次図)。50cmよりも大きなボルダーがない領域で最も広いところがL08-Bとなります。
問題は、L08-Bという領域の広さが直径で約20mしかないことです。当初は、半径50m(直径100m)くらいの平らな領域なら安全にタッチダウンできるということを想定していましたが、それが半径10mになってしまったわけです。これはかなり厳しい制約です。一方、MINERVA-II1やMASCOTの分離運用で高度50m程度まで降下しましたが、リュウグウ表面から50mくらいの高さまでなら探査機を約10mの位置精度で誘導できることも確認できました。これは、タッチダウンに向けて明るい材料です。
 
宇宙速報011706
 
高度50mまでは10mの位置誤差で探査機を制御できますが、そこから表面に降りるところで、どこまで精度を保てるかが問題になります。タッチダウンを行うまでにこのことを確認する必要があります。そこで、タッチダウンそのものは2019年に延期して、昨年末には2回のタッチダウン・リハーサルを行いました。
そして、何回かのリハーサルや数々のデータの解析の結果、タッチダウン実行直前の3項目の課題について、なんとかクリヤーできる目途が立ちました。
まず、高度50m以下での航法誘導精度が把握できたことです。一時LIDAR(遠距離レーザー高度計)モードからLRF(近距離レーザー測距計)モードに切り替わらないという事象が生じましたが、センサー再設定後のリハーサルで、無事にLIDARとLRFの切り替えが成功しました。
 
宇宙速報011707
 
同時に地上までの超至近距離20mまでの制御も大きな問題もなく成功して、懸案だった化学推進系も予定通りのパフォーマンスを出すことが確認できました。
 
さらにJAXAは、10月23日から25日にかけて実施した小惑星探査機「はやぶさ2」のリュウグウへのタッチダウンに向けた3回目のリハーサルにて搭載しているターゲットマーカー1個の小惑星への投下実施結果を発表しました。
 
ターゲットマーカーは、直径10cmほどの球体で、文字通りはやぶさ2が、その場所を認識することで、タッチダウンポイントをより正確に導くことに用いられるもの。投下されたターゲットマーカーは、はやぶさ2の発したフラッシュにより光を反射、はやぶさ2はその光をカメラで認識することで、自分の位置を高精度で検出することができる仕組みとなっています。
 
今回のリハーサルでは、小惑星表面から高度13m付近でターゲットマーカーを分離、はやぶさ2は高度約12mまで接近した後、小惑星からの離脱のために高度を上昇して、ホームポジションへと移動を行ないました。また、ターゲットマーカーが無事に小惑星に着地し、はやぶさ2から確認できました。
なお、ターゲットマーカーには、JAXAが2013年に実施した名前・メッセージ募集キャンペーン「星の王子さまに会いにいきませんかミリオンキャンペーン2」に応募した応募者の名前やメッセージなどが搭載されていて、今回の確認により、その一部が無事に小惑星に届けられたこととなりました。
 
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以上のような経過の中で、宇宙航空研究開発機構(JAXA)は1月8日、「はやぶさ2」本体の1回目のタッチダウンは、2月18日から24日までの1週間以内に行うことを発表しました。バックアップとして3月4日から10日の1週間を予定しているとのこと。最短では、2月18日にタッチダウン運用を開始し19日にタッチダウンが出来るということです。昨年の時点では、タッチダウンは1月下旬以降に行うとしていましたが、日程が伸びた理由として、チーム内の検討の結果、タッチダウン候補地が2カ所に増えたことが挙げられました。
 
タッチダウン候補地については、これまでL08-B(直径20メートル)としてきましたが(前図a、b)、円内の南側に推定70センチメートルのボルダーと言われる岩が7個ほどあり、危険性があることがわかりました。そのため、領域は狭くなりますが、1つ目の候補地点をL08-B1(直径12メートル)に改めました。前回のリハーサル3回目で投下したターゲットマーカーからは15メートル離れていますが、比較的広いエリアです。
もう一つの候補地点は、新たに定めたL08-E1(直径6メートル)である。領域はとても狭いが、ターゲットマーカーから4、5メートルと近くにあり、誘導誤差を縮めることが期待出来ます。2カ所とも一長一短で、現在もチーム内ではどちらの候補地点が良いか、データや写真を見て検討中ということです。いずれにせよ、まもなく、タッチダウン場所も決定するでしょうから、楽しみに待っていましょう。
 
宇宙速報011709
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