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●打ち上げ後、順調に航海を続ける「はやぶさ2」宇宙航空研究開発機構(JAXA)は1月28日、小惑星探査機「はやぶさ2」に関する記者会見を開催、これまでの運用状況について説明した。現在、探査機の状態は正常。4台のイオンエンジンの稼働を確認したほか、日本の探査機としては初となるKaバンド通信にも成功した。今後1カ月で残りの初期チェックを行い、定常運用に移行する計画だ。

はやぶさ2は昨年12月3日に打ち上げられており、それからほぼ2カ月が経過した。2日間のクリティカル運用が完了した後、現在は搭載機器や地上システムの機能を確認する初期運用が実施されているところで、これまでに基本的なところはほぼ完了。國中均・はやぶさ2プロジェクトマネージャが「万全」というくらい、順調に進んでいるようだ。

○イオンエンジンは4台とも正常

まずイオンエンジンについてだが、12月23日から4日をかけて、スラスタA〜D単独の試運転を実施。正常な推力が出ていることが確認できた。そして1月12日からは2台同時運転、16日にはA+C+Dの3台同時運転にも成功。このときの推力は約28mNで、ほぼ定格通りだった(イオンエンジン1台の推力は、初号機の8mNから10mNに向上している)。

イオンエンジンは非常に燃費が良い反面、推力がとても小さいという特性がある。このため、小惑星に向かう巡航運転時には長時間の連続稼働が必要になるのだが、1月19日〜20日に初めてスラスタA+Dによる24時間連続自律運転を行い、無事成功。3月からの巡航運転に目処が立った。

はやぶさシリーズはイオンエンジンを4台搭載するが、同時に運転できるのは最大3台。1台は予備という位置付けだ。だが初号機では、初期運用中にスラスタAに問題が出て、いきなり予備が無い「危機的な状況」(國中プロマネ)になってしまった。かろうじて帰還できたものの、これは解決すべき大きな課題だった。

はやぶさ2のイオンエンジンは、國中プロマネが「かなり粒が揃ったものを作ることができた」と胸を張る自信作だ。部品レベルでの国産度を高めたほか、キセノンガス(推進剤)の供給装置も改良。初号機よりも、きめ細かい流量制御ができるよう取り組み、安定した推力を実現したという。

4台とも正常だったことで、「1台の予備」を維持することができた。國中プロマネは「厳しい航海が待っている」とし、今後について決して楽観視はしないものの、順調な初期運用の結果には、「機材としては十分な余裕を持って、小惑星への往復航海に乗り出せた」と素直に喜んだ。

ところで12月19日〜22日にイオンエンジンのベーキングを実施しているが、これは初号機では無かった手順だ。ベーキングというのは、温度をわざと上げることで、揮発性のガスを出し切る作業。特に打ち上げ直後、真空になったばかりというのは、機体からそうしたアウトガスが出やすい。ベーキングによって、機体を乾かすというわけだ。

國中プロマネによれば、イオンエンジンは真空度が完全でないと、良いオペレーションができないという。初号機では、そうした知見が十分でなかったために、スラスタAの機能を落としてしまった。そのため、はやぶさ2では、ヒーターで50℃に温めたり、姿勢を変えて太陽光を当てたり、プラズマを点火するなどして、運転前にベーキングを行った。

○スラスタBを使わないのはなぜ?

2台同時運転、3台同時運転の組み合わせを見ると、スラスタBだけが外されていることが分かるが、これはスラスタBに問題があるわけではなく、バックアップとして取っておくためだという。当面はA/C/Dの3台のみを使って、軌道変換を行っていく計画だ。

細かい話になるが、なぜスラスタBなのか、気になる人もいるだろう。「B」はバックアップのB - という理由ではもちろん無い。先ほど、同時に運転できるのは最大3台だと説明したが、じつはスラスタは4台あるのに、直流電源は3台しかない。はやぶさシリーズでは、リレーを電源とスラスタの間に入れることで、組み合わせを変えているのだ。

ただ、4台のスラスタがすべて同じ条件ではない。スラスタAとDは繋ぐことができる電源が1つに決まっているが、スラスタBとCは2つの電源から選ぶことができる。こちらの方が自由度が高いので温存しておいて、なるべく先にスラスタAとDを使い倒したいというわけだ。

一方、各スラスタの配置上、太陽側にあるスラスタAとBは温度が上がりやすい。しかし温度はなるべく上げたくないという事情があって、日陰側のスラスタCとDを使いたい。条件としては、ほんの僅かな違いであるものの、以上2つの明確な理由があって、A/C/Dの3台に決まったそうだ。

ちなみに、リレーがあるのなら、一定時間ごとに切り替えて、4台を均等に使っていくことも考えられるが、そうしないのは、リレーが機械式だからだ。宇宙では、無駄な機械操作はしないのがセオリー。「必要がない限り、リレーの切り替えはさせたくない」(同)という判断により、使用する3台を固定化したわけだ。

なお初号機では、復路で健全なスラスタが無くなり、帰還に黄信号が灯ったとき、異なるスラスタのイオン源と中和器を組み合わせるという、裏技に近い「クロス運転」で最大の危機を脱した。はやぶさ2にも「当然ながら初号機の機能はすべて入っている」わけだが、國中プロマネの「でも今回はそういう機能は使わないで帰れるようにしたい」というのは本音だろう。

●「はやぶさ2」の最大の懸念点とは…○リアクションホイールのキモはZ軸

探査機の姿勢制御に使うリアクションホイールも、初号機で大きなトラブルを起こした場所だ。初号機のリアクションホイールは、小惑星に向かう途中でX軸、小惑星到着直後にY軸が故障しており、それ以降、残るZ軸だけによる綱渡りの運用を強いられていた。

リアクションホイールは、円盤の回転速度を上下することで、機体の回転を調整することができる装置。1台で1軸周りの回転しか制御できないため、3軸制御のためには最低3台が必要になるのだが、初号機は厳しい重量制限があったせいで、3台ちょうどしか搭載することができなかった。通常は、冗長のために4台を搭載する。

初号機での故障は、初号機用に特別に変更した部分が原因だったと考えられており、標準品を使用したはやぶさ2で同じ現象が起きる可能性はないのだが、今回はセオリー通り4台を搭載。だが、セオリー通りでないのは配置の方法だ。4台が正四面体の位置関係になるスキュー配置ではなく、Z軸のみ2重(XYZZ)にした珍しい配置になっているのだ。

このように非常に特殊な配置を採用したのは、初号機での知見があるからだ。もしリアクションホイールが壊れたとしても、探査機には姿勢制御スラスタ(RCS)もあるので、燃料がある限り、3軸制御は可能。だが、初号機はRCSも使用不能になったのに、Z軸のリアクションホイールだけで、地球に帰還することができた。

この1台だけでは、Z軸周りの回転しか制御できない。では残りのX軸とY軸はどうしたのかというと、初号機では、太陽光圧により発生する微弱な回転力や、キセノンガスの直接噴射などを組み合わせて、姿勢制御する新しい方法を編み出した。Z軸さえ無事なら、初号機の方法で、姿勢制御は何とかなる。だからZ軸は特に手厚く、というわけだ。

ちなみに初号機では、太陽光圧は非常時の姿勢制御として利用されたわけだが、はやぶさ2では、リアクションホイールを温存するために、むしろ積極的に活用する方針。國中プロマネによれば、「イオンエンジンなどの難しい運転がない場合は、XYZの3台のリアクションホイールを停止して、Z軸の1台だけで姿勢制御する」ことを狙うそうだ。

○日本初の深宇宙Kaバンド通信を確立

そのほか、ここまでの初期運用で大きなトピックスとしては、はやぶさ2で新たに搭載されたKaバンドアンテナによる通信の確立がある。深宇宙でのKaバンド通信に成功したのは、日本の探査機では初めて。Kaバンドは従来のXバンドに比べて4倍高速であり、より大量の観測データを小惑星から送ることができるようになる。

しかし残念なことに、日本国内には、はやぶさ2とKaバンド通信ができる地上局がない。そのため今回は、NASAの深宇宙ネットワーク(DSN)各局の協力を得て通信を行った。

日本国内にもKaバンド通信が可能な地上局はあるが、これらは地球を周回する衛星向けで、深宇宙通信の能力はない。探査機との通信には、もっと大きなアンテナが必要で、そのための施設として臼田と内之浦に直径64mと34mの大型アンテナがあるものの、対応しているのはXバンドで、Kaバンドは利用できない。

日本の小惑星探査は世界最先端の成果を上げているが、こと深宇宙との通信設備に関して言えば、米国から遥かに遅れていると言わざるを得ない。臼田局は、ハレー彗星探査機「さきがけ」「すいせい」の時代に作られたアンテナで、すでに30年が経過している。今後も使い続けるのは「寿命の問題もあり難しい」(同)という状態だ。

そこで、JAXAでは「我々は"臼田後継"と呼んでいるが、臼田局を作り替えることを計画している」(同)とのこと。具体的なスケジュールはまだ検討中だが、國中プロマネによれば、「XバンドとKaバンドの送受信が可能な設備を整えたい」そうだ。

なお米国はDSN局として、世界3カ所にゴールドストーン局、キャンベラ局、マドリード局を整備。これにより、24時間の運用を可能としている。臼田後継が実現したとしても、日本から探査機が見えている時間だけの運用になり、小惑星近傍ではいずれにしてもNASAの協力を得なければならないが、それでも早急の整備を望みたいところだ。

○ハードは大丈夫、では最大の懸念は…

このようなプロジェクトでは、どうしても探査機本体に注目が集まりがちであるが、小惑星探査は探査機だけで行えるわけではない。國中プロマネは、「地上の設備、ネットワーク、人の技量」が必要だと指摘。いま一番心配しているのは、「ハードウェアではなく、いかに人間組織を作り上げるか」ということだという。

はやぶさ2は小惑星1999 JU3に約1年半滞在し、この間に、小惑星の観測、表面物質の採取、インパクタの運用、ランダー/ローバーの投下などを実施する。探査機の運用で、もっとも忙しい時期だ。「24時間連続のオペレーション。8時間3交代くらいで1年半を乗り切る」(同)ということで、実力のあるスタッフが大勢必要になる。

また、たくさんのデータを取得したら、その分析も必要となる。小惑星のどこに何がありそうか、科学的なデータを積み上げないと、着陸地点を決めることができない。大勢の科学者が必要で、大学や研究機関の協力が不可欠だ。

小惑星に到着するまであと3年半。それまでに人を育て、協力体制を構築しなければならない。今後は、どれだけ強力な「チームはやぶさ2」を準備できるかがポイントだと國中プロマネは見ており、「万全の体制で他国に負けない小惑星探査がしたい」と改めて意気込みを述べた。

(大塚実)