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●5年間の時を経て、再び金星に挑む「あかつき」宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2月6日、金星探査機「あかつき」に関する記者会見を開催し、今年12月7日に金星周回軌道へ投入する計画であることを明らかにした。あかつきは日本初の金星探査機。2010年5月21日に打ち上げられ、同年12月7日に金星に最接近したが、推進系のトラブルにより周回軌道への投入に失敗していた。

○ぴったり5年後の再挑戦

あかつきの目的は、金星の大気の運動を観測することである。特に、金星最大の謎として、「スーパーローテーション」と呼ばれる現象がある。金星の自転速度は非常に遅いのだが(自転周期は243日)、大気上層では秒速100mにも達する暴風が吹き荒れている。これは自転速度の60倍もの速さで、なぜこんな風速が出るのか、原因が分かっていなかった。

こういった謎を解明するため、あかつきは近金点300km、遠金点8万kmという、非常に細長い楕円軌道に投入する計画だった。だが、周回軌道に投入するため、軌道制御エンジン(OME)を噴射したところ、機体の姿勢に異常が発生し、燃焼を自動的に中断。減速が足らずに、金星を通過してしまい、そのまま太陽を周回する軌道に入っていた。

事故後の検証で、燃料を加圧するための配管にあるバルブに塩(えん)が生成し、閉塞したことが原因だと特定された。ここが閉塞したことで、燃焼中に燃料の供給量が減少し、酸化剤の割合が相対的に増え、正常な燃焼条件を逸脱。温度の異常上昇を引き起こし、その結果、ノズルが破損したと見られている。

その後、OMEの試験噴射を行ったところ、完全に壊れていることが分かり、使用を断念。以降の軌道制御については、小型の姿勢制御エンジン(RCS)を使うことになった。この経緯については過去記事が詳しいので参照して欲しい。

【レポート】「あかつき」の軌道制御エンジンは使用断念 - 当初の観測軌道投入は困難に

2011年11月には、最初の軌道制御を実施。近日点で減速を行い、遠日点の高度を下げ、2015年11月に金星に再会合する軌道への投入に成功した。それから現在まで軌道制御は行っていないが、今後、今年7月の軌道修正で再会合を12月7日にずらし、同日、最接近時にRCSを20分ほど噴射して、金星周回軌道に投入する計画だ。

投入日が5年前と同じ「12月7日」になったのは「たまたま」とのことだが、中村正人・あかつきプロジェクトマネージャは「本来なら5年前に成功して当然のミッション。幸いにして再びチャンスが与えられたので、粛々と責任を果たしたい。感傷的にならず、冷静に事を進めたい」と、現在の心境を語る。

ちなみに再会合を当初予定していた11月から遅らせたのは、11月投入の軌道だと安定性が悪く、太陽重力の影響によって、すぐに金星に落ちてしまうリスクがあったからだ。12月投入の軌道であれば、このリスクが小さい。

あかつきは非常に長い楕円軌道を飛行するため、太陽重力の影響を受けやすい。近金点の高度はいつも300kmというわけではなく、この影響のせいで、1,000km以上になることもあるそうだ。12月投入の軌道でも、近金点が大きく変動することは変わらないものの、すぐに落ちてしまうようなことにはならないという。

●当初の計画から大幅に変更される観測軌道○現在の機体の状態は?

あかつきの打ち上げから、もうすぐ5年が経過しようとしている。現在、もっとも懸念されているのは、搭載機器の劣化だ。あかつきの設計寿命は4.5年。これをすでに超えてしまっている。もっとも、設計寿命を過ぎてもすぐに壊れるというわけではないが、逆に、いつ壊れても不思議ではないとも言える。

特に大きな問題は熱だ。あかつきは元々、金星を周回するための探査機であるので、金星(太陽から約0.7AU)での熱環境に耐えられるよう設計されていた。だが、周回軌道への投入に失敗したことで、あかつきは太陽を回る人工惑星となり、近日点では太陽に約0.6AUにまで接近。想定以上の熱を受けることになってしまった。

あかつきはこれまでに7回、近日点を通過しており、今ちょうど8回目を迎えているところだ。金星軌道では、太陽からの熱入力は2,649W/m2であるが、近日点では最大3,655W/m2にもなる。これは、2,800W/m2以下という設計条件を大きく超えており、冷却能力が不足した結果、機器の温度が上昇することになる。

探査機各部の温度履歴を見ると、近日点を通過する度に、全体的に温度が上がってきていることが分かる。探査機の周囲は金色の多層断熱材(MLI)に覆われているのだが、この劣化が進行しているために、温度が上昇しているものと推測される。一部の機器では、設計マージンを超えており、「油断はできない状況」(同)だ。

金星に再会合するまでには、あと1回、今年8月に近日点を通過する。最後の試練を乗り越えて、無事な状態で何とか金星まで辿り着いて欲しいところだ。

一方、気になるのは事故を起こした推進系であるが、RCSは今のところ、問題は無い模様だ。加圧側のバルブは依然としてほぼ閉塞しており、燃焼を続けると徐々に推力が低下してしまうものの、20分程度であれば問題ない見通し。石井信明・あかつきプロジェクトエンジニアは「必ず投入できると思う」と自信を見せる。

なお、RCSは探査機のOME側に4基、反対のハイゲインアンテナ側に4基搭載されているが、どちらの面のRCSを使うかは、現時点では未定だという。噴射時の姿勢で各部の温度がどうなるか、あるいは各エンジンの信頼性など、様々なメリット・デメリットを総合的に検討し、今後決定していく。

○観測軌道は大きく変更に

現在、あかつきは金星軌道の内側を回っているが、再会合前に一旦外側に出て、外側から金星に接近する形になる。金星の公転速度の方が速いため、先行していたあかつきに、後ろから金星が追いついてくる。あかつきはスイングバイのように金星の後方を通過するので、最接近時にRCSを噴射して、公転とは逆向きの西回りの周回軌道に投入する。

これは、金星の自転が西回りであるためだ。スーパーローテーションの流れも同方向であるので、あかつきも西回りで観測する必要があるわけだ。

ただし観測軌道は、当初の計画からは大幅に変わってしまう。12月7日の噴射で、一旦、遠金点が50万kmの軌道に投入。初期チェックアウト中の2016年春に再び軌道修正を行い、遠金点を32万kmまで下げるが、当初予定の8万kmに比べると、4倍も遠い。旧軌道の周期は30時間だったが、新軌道では8〜9日になる。

当然、科学観測には大きな影響が出るのだが、この軌道で妥協せざるを得ないのは、燃料が足らないからだ。1液式のRCSは2液式のOMEよりも燃費が悪く、同じだけ軌道を変更するにも、より多くの燃料を消費する。しかも5年前の投入失敗で消費した分もある。現時点で残っている燃料は60kg程度。打ち上げ時の117kgから、すでに半減している。

探査機の姿勢を維持するのにも、燃料は必要になる。軌道投入で全部使ってしまうわけにはいかないのだ。あかつきの目的は、あくまでも金星の観測。今後、最低2年の観測を行うために必要な燃料を確保すると、残りの燃料では、このくらいまでしか近づけないというわけだ。観測期間は最短2年で、最長でも4年程度と見られている。

あかつきの軌道は楕円。金星からの距離が周回中に大きく変わるので、これを利用し、距離に応じた様々な観測を計画していた。このうち、近距離での観測はほぼ同等の内容を実施できると見られているが、問題は遠距離での観測だ。ただ、分解能が低くなるというデメリットがある反面、より長期のグローバル観測が行えるというメリットもある。

新軌道での観測について、今村剛・あかつきプロジェクトサイエンティストは「4年前の時点では、赤道周回軌道か極軌道かという選択肢があった。しかし、赤道周回でないと、長時間連続的な気象データを得るという目的は絶対に果たせない。この条件が満たされた時点で展望が開けた」と述べる。

金星からの距離が遠くなることで「より頭を使う必要が出てきた」(同)ものの、遠距離での長期間観測と近距離での高分解能観測を連携させるなどして、「やろうとしていた観測の大部分はリカバーできるのではないか」との見通しを示した。

なお観測機器の状態であるが、現時点では確認できていない。確認のために電源を入れれば温度が上がってしまう。データを地球に送るため、ハイゲインアンテナを地球に向けると、太陽側になった部分の温度が上がってしまう。それで壊れてしまっては本末転倒なので、観測機器のチェックは金星到着後に実施する予定だ。

ただ観測機器については、「悲観する材料はあまりない」(同)という。観測機器は元々、探査機の放熱面付近に搭載されており、ここは「温度的には涼しくて快適な場所」(同)だ。放射線による劣化は考えられるものの、それについても「想定内」とのことで、大きな問題は無い模様だ。

(大塚実)