宙からシイタケが振ってくる!? - JAXA、EGGプロジェクトの実証結果を公開

宙からシイタケが振ってくる!? - JAXA、EGGプロジェクトの実証結果を公開

画像提供:マイナビニュース

●開いた傘による減速で熱くない大気圏再突入を実現
○傘を開いて大気圏再突入時の空気加熱を低減

宇宙航空研究開発機構(JAXA)は6月23日、東京大学(東大)、日本大学(日大)と共同で開発したガス充填で展開するエアロシェルを有する超小型衛星「EGG(re-Entry satellite with Gossamer aeroshell and GPS/Iridium:超軽量エアロシェルとGPS/イリジウム通信を搭載した大気圏再突入衛星)」の大気圏再突入に関する実証実験結果を発表した。

同成果は、東大大学院新領域創成科学研究科の鈴木宏二郎教授、日大生産工学部の今村宰准教授、JAXA 宇宙科学研究所の山田和彦准教授らを中心とした合計6大学からなる研究グループによるもの。詳細は2017年6月に開催された「第31回宇宙技術および科学の国際シンポジウム(The 31st International Symposium on Space」にて発表された。

ミッション名の「EGG」は「エッグ」と呼ぶが、たまごを用いた実験ではなく、国際宇宙ステーション(ISS)の日本実験棟「きぼう」から、小型衛星放出機構(J-SSOD)を使って、3Uサイズ(11.3cm×11.3cm×340,5cm)の超小型衛星を宇宙に放出し、大気圏に突入させる実験の名称。その目的は、巨大な傘を高高度で展開することで、大気が濃くなる以前から減速を開始することで、空気加熱によって生じる温度上昇を軽減する手法の開発にある。

その仕組みを簡単に説明すると、高度約400kmの「きぼう」から放出されたEGGは、まず、地上との連絡が可能かどうかや、各機器の点検が行われた後、飛行高度約420km付近で太陽電池パネルとエアロシェルと呼ぶ直径80cmの布を六角形の傘状に展開(折りたたみ展開式膜面エアロシェル)。大気が薄い高さから減速を開始させつつ、徐々に高度を下げ、大気圏への突入を図る、というものとなっている。なお、このエアロシェルの色と形がJAXA内で「しいたけ」に似ている、とのことで、急遽スタッフが会見場にしいたけを用意。EGGのエアロシェル展開状態としいたけが並べられた。

今回用いられた布は耐熱性に優れた東洋紡の「ZYLON(ザイロン)」を使用したという。また、八角形の先端にはポリイミド製の浮き輪様のものを搭載(各角はシリコンゴムで接続)。この浮き輪様の内部に炭酸ガスを注入することで、膨らませ、傘の形状を維持する。ちなみに、今回の実験では炭酸ガスを12g搭載していたが、思っていた以上に機体が高高度に留まっていたため、炭酸ガスが持つか不安だったという(シリコンゴムの部分からガスが微量だが漏れるため、充填する必要があった)。また、傘の角度もいろいろと事前の検証機などで検討を重ねた結果、今回は最終的に燃え尽きて消失させる予定であったこともあり、大気中での姿勢安定性とのバランスを考慮し60度で設計された。

実際の機体放出から大気圏再突入までは以下のような日程となった。

2017年1月16日:ISSの日本実験棟「きぼう」より放出
2017年2月11日:エアロシェル展開
2017年5月15日:太平洋上の高度95km(推定)での通信を最後に、大気圏再突入、消失(北海道の北をかすめて、太平洋の南側、赤道付近に早朝5時ごろ落下)

大気圏落下時の傘表面の温度はセンサデータによると約200℃前後まで上昇していることが確認されたが、その後、衛星のどこかの部分が温度上昇に伴い破壊され、そこでミッションが終了した。

ちなみに、エアロシェル展開から大気圏再突入まで約3カ月ほどであったが、実はEGGにはスラスタなどの機体制御用装置は一切搭載されておらず、風の向くまま気の向くまま状態で、落ちてくるまで気長に待つ、という状態であったという。とはいえ、どの程度の空気ブレーキによる落下が生じるのか、といったことは調べる必要があり、「大気の状況がどうなっているかが重要になるが、上空100km以上、300km程度までは、太陽活動により大気の密度が変化するため、打ち上げ前の予測は困難であった。そこで実際の運用では、過去の数日間の太陽活動データから、2-3日先の太陽活動を予測し、それを踏まえた予測を実施。結果として、その予測と実測値はかなり合致していることが確認された」(東大 鈴木教授)という。

この結果、低密度の大気中でも効率よくブレーキをかけられることが分かり、「例えば火星のような大気の薄い星でも十分通用することが見えた」(鈴木教授)とするほか、「折りたたんで利用できるので、衛星の小型化が可能なほか、日本が強みを持つ素材産業の活性化や、衛星のコスト削減などにもつながることが期待できる」(同)とする成果が得られたという。

●イリジウムSBD通信を使った運用を実証
○もう1つの成果 - GPSとイリジウム衛星を活用した運用

EGGは大気圏再突入の実証衛星だが、もう1つ、運用面での面白い取り組みがなされている点も特徴となる。というのも、通常、衛星と地上のやりとりは巨大なアンテナを有した地上局を活用する必要があり、持っていない場合は、自前で設備を建設するか、時間貸しなどの形で既設の地上局を借りる必要があるが、それではせっかく超小型衛星を通常の衛星よりも安く開発しても、運用コストが下がらない、ということとなってしまっていた。そこで、今回は、イリジウム衛星を運用するイリジウムコミュニケーションズが提供する小容量パケットデータサービス「ショートバーストデータ(SBD)」を使った運用方法(要は衛星と地上の間で、添付メールの形でさまざまなデータの受信やコマンドの送信を実施する方法)を考案。実際に運用可能などうか、運用体制の構築まで含めた実証が実施された。

イリジウム衛星ネットワークは高度780kmに構築されており、EGGの飛行高度よりも低い。ただし、イリジウム社は高度200km以下での通信は保証しているが、それよりも上空での通信は保証しておらず、実際に通信できるかどうかも含めて今回の研究が行われた形となる。研究グループでは当初、400km付近の高度では、イリジウム衛星とEGGの通信範囲が重なったあたりで通信が可能になると想定。実際、高度が300kmよりも上空の場合、1分間に1回、地上との通信を試みていたが、通信間隔がばらついていたことが確認されたという。また、地上局も手探りの状況で構築が同時並行的に進められていたようで、EGG放出当初は付きっきりでの監視が続いたが、徐々にシステムの構築が進み、最終的に東大と岡山大学に設置された2台のサーバでメールを受信。受信したメールは、データを読み取る、もしくはコマンドを送信できるアプリを搭載したPCでアクセスすることでやり取りをしていたほか、複数の大学の研究者から、データを見たいという要望を受け、岡山大のサーバ上にWebサイトを構築し、Webブラウザ上でデータを見れるシステムが構築され、Eメールのほか、Skypeチャットなどを活用したデータ共有や合議による運用などが可能な体制が構築されたとする。

「イリジウムSBD通信の活用により、EGGが衛星ではなく、インターネットに接続された端末となった。これにより、誰でもアクセスできるようになり、これまでの概念にないような運用方法が構築された」(JAXA 山田 准教授)とするほか、このシステムの改善も継続的に進められ、その結果として、スムーズな運用ができたとしている。

通信状況としても、高度が高い場所では1日10回程度の通信であったのが、高度が徐々に下がっていくと、通信頻度も増加されることを確認。高度200km程度では、1日あたり1000回のデータのやり取りができることも確認。ちなみに、1通のデータをやりとりする費用は50円で、やり取りした総費用は40万円程度と(別途、月額1万円ほどの月額使用料は発生)、地上局を運用するコストを考えると、長期的な視点ではメリットが大きくなることが示された(ただし、鈴木教授によると、イリジウム衛星による運用を実用的なものにするのであれば、適切な飛行高度を選ぶ必要がある、としている)。「約120日間の間、通信が可能であったことが確認され、少なくともイリジウム衛星の下の低軌道であれば、いつでも通信は可能であると言える結果を得られたと思う」(山田 准教授)とのことで、今後は、今回得られたデータの解析を進め、イリジウム通信が可能な範囲の解明なども進めたいという。

エアロシェルを活用した大気圏再突入により、人間や物資を燃え尽きさせずに地球に降下させることが今回の実証実験からは示されたこととなったが、そうなると、気になるのは今後の研究の方向性である。それについて、鈴木教授は3つの将来展望を語っている。1つ目は「宇宙から帰還できる小型衛星」の開発。2つ目は「超小型衛星を活用した火星の地表探査」。そして3つ目が「超小型衛星群を使った火星の上空からの探査」である。

とはいえ、いきなり、こういった研究が可能になるわけではなく、最初は、「今回のEGGでの限界も分かった。特に自然落下は実用的ではない」(鈴木教授)とのことで、3Uの機体に超小型スラスタなどを搭載し、飛行制御に挑もうという実験の提案を提出しよう、という段階にあるという。「今回、超小型衛星が研究用途には非常に有用であることが示された。超小型衛星の大気圏再突入技術の研究は、世界中で切磋琢磨している状況であり、ここまで来てやめておこう、ではいけないと思っていて、より使いやすいシステムの実現に向けて前進していなかいといけない」と今後の研究に意欲を見せており、近い将来、日本の誇る素材技術を使った、新たな大気圏再突入技術が超小型衛星の地球帰還における標準となる日が来るかもしれない。
(小林行雄)

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