研究

東工大ニュース

ロシアのロケットで超小型衛星を打ち上げ ブラックホール生成やガンマ線放射機構を探る

RSS

2012.05.16

要約

東京工業大学大学院理工学研究科の松永三郎教授(宇宙航空研究開発機構〈JAXA〉連携講座)と河合誠之教授および東京理科大学理工学部の木村真一教授らの研究グループは、50kg級の超小型衛星「TSUBAME」を開発、この衛星をロシアのドニエプルロケットを使って同国内オレンブルグ州ヤスネ宇宙基地から2012年末に打ち上げることが決まった。

TSUBAMEは先進的な地球・天体観測技術の軌道上実証を目的とする衛星。具体的には①高速姿勢変更技術の実証②ガンマ線バーストの硬X線偏光観測③地上・海上および雲の高解像度可視観測―を主要ミッションとし、主に「ブラックホールが誕生する瞬間」の極限の物理現象の解明を狙っている。

研究の内容,背景,意義,今後の展開等

研究の背景と意義

 全質量100kg未満の超小型衛星は低コスト、短期間で、さまざまな最先端技術の早期軌道上実証や新しい宇宙ビジネスの事業展開が期待でき、現在、全世界において活発に研究開発が進められている。東工大/JAXA宇宙科学研究所の松永研究室は、これまで3機の超小型衛星の開発・打ち上げ・運用を行った。

今回の研究内容

 長年蓄積された技術をもとに、4機目となる小型衛星プロジェクトとして現在開発中の衛星が、50kg級地球・天体観測技術実証衛星TSUBAMEである。この衛星は、東工大の河合研究室および東京理科大の木村研究室と合同で松永研が中心となって開発を進めている。

 TSUBAMEの主要ミッションは大きく3つあり、1つ目が超小型のコントロールモーメントジャイロ(CMG、用語1)を用いた高速姿勢変更技術の実証であり、このCMGは小型衛星に搭載できるよう小型化・軽量化された新規開発品である。2つ目がこの高速姿勢変更技術を用いて、宇宙で起こる天体の突発的爆発現象であるガンマ線(用語2)バーストの硬X線偏光観測(用語3)であり、3つ目が災害監視・海上の船舶航行状況監視・気象観測・植生観察などを目的とした、地上・海上および雲の高解像度可視観測である。衛星の大きさに比べ搭載機器の消費電力が大きいため、4枚の太陽電池パネルで電力を確保している。

 TSUBAME衛星はヤスネ宇宙基地のサイロ(地下発射装置、添付資料1)から、ドニエプルロケットの第3段の下部に組み込まれて打上げられ(添付資料2)、リフトオフ(地面を離れる瞬間)約15分後、高度500km - 600kmの太陽同期軌道に1機ずつ、わずかに異なる軌道速度で順に投入される。

 なおドニエプルロケットはロシアの戦略ミサイルSS18を平和転用したもので、1999年の初号機の打上げ以来、18回の打上げのうち17回成功し、高信頼性や高精度の軌道投入、多数のクラスター打上げの実績がある。同ロケットはJAXAの「OICETS」や宇宙研の「INDEX」を含め、これまでに17カ国の計62機の衛星を打上げてきた(添付資料3)。

TSUBAMEの外観図

TSUBAMEの科学ミッション

~小型観測装置でブラックホール誕生の瞬間を狙う~

 太陽の数十倍以上の質量をもつ大質量星が燃え尽きるとき、超新星爆発に伴ってブラックホール(用語4)が生成されると考えられている。これまでに、ブラックホールだと考えられている天体は数多く発見されているものの、その生成メカニズムはいまだ謎に包まれており、さまざまな仮定のもと、数値シミュレーションなどによる理論的な研究が進められている。TSUBAMEはこの「ブラックホールが誕生する瞬間」の極限の物理現象を探るための、小型軽量かつ高性能なX線・ガンマ線検出器を搭載している。

 TSUBAMEのターゲットは、「ガンマ線バースト」と呼ばれるはるか遠方の宇宙からの強烈なガンマ線放射現象である。この現象は、冷戦最中の米国が打ち上げた核実験監視衛星「Vela」が偶然に発見した天文現象であり、当初は「宇宙人同士の核戦争ではないか?」という説まで噂された。その発生頻度はだいたい1日に1回と少なくないものの、いつ・どこで起こるのか分からないことと、一瞬で暗くなってしまうという特徴が、我々の理解を長い間阻んできた。2000年以降、人工衛星とインターネットを駆使した即時観測の手法が確立され、これらがはるか遠方(~数百億光年)の大質量星の爆発、つまりブラックホールの産声であることが明らかになってきた。

 TSUBAMEはガンマ線バーストを常時監視する補助センサを搭載しており、ガンマ線を検知すると機上でその到来方向を計算し、CMGを用いて瞬時に回頭し、自動的に主センサを用いた観測を開始する。主センサはガンマ線の電場ベクトルの偏りである「偏光」を測定する。この測定からはブラックホール極近傍の磁場情報が得られ、ブラックホールの生成やガンマ線放射機構を探る上できわめて重要な手がかりとなる。

 TSUBAMEに搭載されるガンマ線センサ。写真は高エネルギー加速器研究機構(つくば市)における性能評価実験の様子

超低コスト小型地球監視カメラCANAL-1

 近年、地震などの大規模災害や原子力発電所の事故など、人工衛星を用いた宇宙からの災害監視の関心が高まっている。こうした宇宙からの災害監視を非常に低コストで実現する事ができれば、多くの衛星を連携して連続して情報を取得するなど、より詳細な状況把握が実現できると考えられる。東京理科大学木村研究室では、デジタルカメラや携帯電話などに使われている民生部品を宇宙で活用することで、低コストで高機能な宇宙用カメラの開発を行ってきた。こうした技術「ソーラー電力セイル技術実証機IKAROS」などでも活用されてきた。今回東京工業大学の超小型大学衛星TSUBAMEの開発に参加する事で、民生技術の宇宙利用に関する技術を地球監視技術に応用すべく、超低コスト小型衛星搭載地球監視カメラCANAL-1を開発した。今回は光学系のサイズに制約があるが、本実験で実証された技術をさらに超焦点の光学系と組み合わせることで、さらなる高解像度の画像取得も可能で、CMGの高速な姿勢制御と組み合わせることで、低コストで必要なポイントの自在な監視を可能にするものであり、衛星からの地球監視技術に大きな変革をもたらす第一歩といえる。

 CANAL-1

今後の展開

 今回の打ち上げでは、TSUBAMEのほかに全部で4機の50kg級超小型衛星が海外の商用ロケットによって、クラスター打上げ(複数の衛星を同時に打上げること)される。これにより、今後さらに、リーズナブルなコストや信頼度で世界をリードする超小型衛星が研究開発され、先端技術の早期宇宙実証だけでなく、将来の商用超小型観測衛星クラスターの国際展開につながり、新しい宇宙開発や高価値ビジネス分野の発掘・開拓に向けて大きく貢献していくであろう。

 今回、同時に打ち上げられる日本の大学関係の超小型衛星は、東工大と理科大、JAXAのTSUBAMEのほか、東京大学と次世代宇宙システム技術研究組合の「ほどよし1号機」、名古屋大学と大同大学の「ChubuSat-1」、九州大学の「QSAT-EOS」の衛星3機。なお、この打ち上げは内閣府の最先端研究開発支援プログラムの一環として東京大学がロケット会社と調整して進めている

なお、各大学から同日それぞれの衛星についてのプレスリリースが出る予定である。

用語説明

  1. (1)

    コントロールモーメントジャイロ(CMG):

    高速で回転しているコマの回転軸の向きを変えることでトルク(ジャイロトルクと呼ばれる)を発生する装置。サイズに比較して高トルクを発生できることが特徴であり、複数個組み合わせて、衛星の姿勢を迅速に制御できる。

  2. (2)

    X線・ガンマ線:

    非常にエネルギーの高い電磁波の一種。電波や我々の目に見える光も電磁波の一種であり、可視光の約1000倍以上のエネルギーを持つ電磁波をX線、さらにエネルギーの高いものをガンマ線と呼ぶ。

  3. (3)

    偏光:

    電磁波の電場および磁場が特定の方向にのみ振動する光のこと。X線偏光観測ではこの電場ベクトルの方向と偏りを測定することにより、放射源付近の磁場の状態に制限を与えることができる。

  4. (4)

    ブラックホール:

    きわめて高密度で大質量のため、重力によって光さえも脱出できない天体。有名な候補天体として はくちょう座 のX線源 Cygnus-X1などが知られている。

問い合わせ先

衛星バスシステム

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 教授 松永三郎

東京工業大学 大学院理工学研究科 連携教授

TEL:050-3362-4879 matunaga.saburo@jaxa.jp

TEL:03-5734-3176  Matunaga.Saburo@mes.titech.ac.jp

科学観測用ガンマ線センサシステム

東京工業大学 大学院理工学研究科 教授 河合誠之

TEL:03-5734-2390  nkawai@phys.titech.ac.jp

東京工業大学 大学院理工学研究科 助教 谷津陽一

TEL:03-5734-2388  yatsu@hp.phys.titech.ac.jp

地球観測用高解像度可視光カメラシステム

東京理科大学 理工学部 教授 木村真一

TEL: 04-7122-9546  skimura@rs.noda.tus.ac.jp

添付資料1

ドニエプルロケットのサイロからの打上げ   (コスモトラス社提供)

ロシアのヤスネ基地   (earth image from Google earth)

ヤスネ基地の衛星試験棟   (コスモトラス社提供)

4機の超小型衛星のチェックとロケットへの組込み作業を行うクリーンルーム
(コスモトラス社提供)

クラスター打上げの設計審査

添付資料2

4機の超小型衛星のドニエプルロケット搭載状態   (コスモトラス社提供)

添付資料3

ドニエプルロケットの概要           (コスモトラス社提供)

ドニエプルロケットの打ち上げ実績        (コスモトラス社提供)

本件に関するお問い合せ先
谷津陽一
大学院理工学研究科 基礎物理学専攻 助教
電話: 03-5734-2388  
E-mail: yatsu@hp.phys.titech.ac.jp

RSS