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2005.11.14

「はやぶさリンク」:リアクション・ホイールに見る問題点

 数日前から、googleなどの機械翻訳で、当ページが読まれるようになった。海外の宇宙開発に興味を持つ人たちが、はやぶさの情報を求めて、ここにやってくるようになったらしい。

 基本的に米航空宇宙局(NASA)の深宇宙ネットワークは半年前に予約を入れる必要があるが、19日の第一回着陸の予約は、比較的スムーズに進んでいる模様。NASAが、はやぶさの探査に興味を持っているからこそだろう。

 3基中2基が故障したリアクション・ホイールについて。

 故障した2基については、イトカワに向かう途中から、温度が徐々に上昇しており「どうもあぶなそうだ」という予兆があったとのこと。残る1基は、故障した2基のような温度上昇は観測されていない。

 はやぶさに搭載されているリアクション・ホイールは、ニューヨークにあるIthaco社製。Ithaco社は、タイヤメーカーとして知られるグッドリッチ社に買収され、現在はグッドリッチ社の Optical & Space Systems部門、Electro-Optical Systems部門となっている。
 リアクション・ホイール製品紹介ページには、簡単な製品紹介(pdfファイル)がある。

 日本国内では、三菱プレシジョンが、リアクション・ホイールを製造しており、国産品でも調達可能だった。Ithaco社製が選択された最大の理由は価格。具体的な価格までは不明だが、約2倍の価格差があったらしい。

 これは日本の宇宙開発が抱える大きな問題点だ。火星探査機「のぞみ」失敗の原因の一つであるラッチング・バルブ(米ムーグ社製)や、このリアクション・ホイールのように、地味だが不可欠な部品を国内で供給できないか、できても高価になってしまうのである。

 国産品がないか、高いかということになると、欧米製品に頼らざるを得ないが、当然ながらリバースエンジニアリングを禁じたブラックボックスとして輸入することになる。トラブルを起こしても内部に踏み込んだ対処はできない。設計を知り尽くしているわけではないので、裏技的なオペレーションをもって、遠隔修理するというようなことも不可能だ。

 実のところ、日本はもっと基礎的な部品すら作ってはいない。例えば耐熱性の高いニッケル合金製のボルトは、ロケットエンジンに不可欠だが、「割に合わない」という理由から国内では生産されていない。アメリカからインチ規格のボルトを購入して使用するしかない。

  午後9時22分訂正:見聞した話をそのまま書いてしまったが、調べてみると日本でもプラント向けにニッケル合金製ボルトを製造していた。しかし、これらボルトが宇宙用に適合するのかまでは不明。ともあれ、日本でも製造していることは明らかなので、謹んで訂正いたします。


 探査機の製造にはコストパフォーマンスも考慮しなくてはならない。だから、なにがなんでも国産化するのが良いわけではない。それでもぎりぎりの局面では、「自分で作ったものか、否か」が探査機の成否を決めるほどの大きな意味を持ってくる。

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Comments

まるで、アメリカ製は安かろう悪かろう、日本製は高品質という印象を持ってしまいます。比較的単純な機械だと思いますから、トラブルを起こしてから、「内部に踏み込んだ対処」がどれほど可能か、怪しいと思います。jaxaの人は国産品でなかったから問題だと言っているのでしょうか?温度が上昇してから、交代で、2機体制に移行することぐらいは可能だったと思うのですが、どうしてそうしなかったのでしょう。それとも、それは試みたのでしょうか。

長期間飛行するアメリカとかロシアの探査機はやっぱり自国製を用いているんでしょうね。私自身は、リアクションホイールの品質のせいで失敗した外国のプロジェクトを知りません。そういうのもあるんでしょうか。ご存知の方教えてください。

Ithacoの製品が予想・仕様よりも悪かったも知れない。もしかしたら仕様外の使い方をしたかもしれない。そもそも、Ithaco選択が間違っていたかもしれない、etc.。最初の場合でもふつう仕様を鵜呑みにせずに、jaxaで耐久試験をしますよね(すると、信じたい)。

三菱がIthacoよりいいかどうかは、実際に長期間使ってみるまでは分かりませんね。

Posted by: 嫌われ者の望遠鏡 | 2005.11.14 at 11:00 PM

有名な所だと、国際宇宙ステーションもハッブル宇宙望遠鏡も、リアクションホイールの故障のせいで危機に陥りました。
交換に行ける地球近傍の軌道にいたからなんとかなりましたが
>外国のプロジェクト

Posted by: 浅利義遠 | 2005.11.14 at 11:23 PM

浅利義遠さま、ありがとうございます。

そういうのが常識でしたら、あと二つ三つ、余分にリアクションホイールを持っていってもらいたいものです。(はい、はい、コストですよね)

Posted by: 嫌われ者の望遠鏡 | 2005.11.14 at 11:50 PM

まるで、アメリカ製は安かろう悪かろう、日本製は高品質という印象を持ってしまいます。
→望遠鏡さんの印象ですね。私はそのような趣旨で書いたつもりはありませんでしたが、望遠鏡さんにまで趣旨が届く文章を書けなかったのは私の責任です。

比較的単純な機械だと思いますから、トラブルを起こしてから、「内部に踏み込んだ対処」がどれほど可能か、怪しいと思います。
→望遠鏡さんの推量ですね。
 まず事実として、リアクション・ホイールはただホイールが回っているだけの単純な機械ではありません。何が複雑な機械かは、それぞれの人の判断基準があるでしょうが、少なくともリアクション・ホイールは単純と言えるようなものではないです。また、製造に当たっては高い精度の加工技術を必要とします。
 内部に踏み込んだ対処としては、探査機の姿勢を変えて太陽光の当たる面を変え、ホイールの温度を変化させて再起動を図るというようなことがあり得ます。ただし、その場合、ホイール内部を知らないと、何度になれば動くかというような推定ができません。宇宙機にとって姿勢を変えるというのは、熱制御の面でかなりのおおごとですので、姿勢を変えることでかえって宇宙機全体を危うくするというようなことがあり得ます。

jaxaの人は国産品でなかったから問題だと言っているのでしょうか?温度が上昇してから、交代で、2機体制に移行することぐらいは可能だったと思うのですが、どうしてそうしなかったのでしょう。それとも、それは試みたのでしょうか。
→リアクション・ホイールのように常時稼働を前提とした機械は、止めて再起動をすることが故障につながるストレスとなります。特にトラブルの前兆が出ている時には「止めてしまったら二度と動かないかも知れない」可能性があります。「正常に動いている機械はなるべく止めない」というのが機械運用の基本です。

長期間飛行するアメリカとかロシアの探査機はやっぱり自国製を用いているんでしょうね。私自身は、リアクションホイールの品質のせいで失敗した外国のプロジェクトを知りません。そういうのもあるんでしょうか。ご存知の方教えてください。
→浅利さんの書き込みの通りです。

Ithacoの製品が予想・仕様よりも悪かったも知れない。もしかしたら仕様外の使い方をしたかもしれない。そもそも、Ithaco選択が間違っていたかもしれない、etc.。最初の場合でもふつう仕様を鵜呑みにせずに、jaxaで耐久試験をしますよね(すると、信じたい)。
→私も「はやぶさ」のケースはきちんとは知らないので、断定はできないのですが…通常の宇宙機の部品は厳格に定格を守ります。でなければ信頼性を確保できませんから。仕様外の使い方をした可能性は、まずないと判断しています。
 受け入れ試験は当然行っているはずです。地上試験を行わない宇宙機のコンポーネントなど考えられません。それほどまでに信頼性には気を遣います。しかし実機に使うコンポーネントを地上で念入りに試験をしすぎれば壊してしまうわけで、絶対確実な試験法というのはありません。

三菱がIthacoよりいいかどうかは、実際に長期間使ってみるまでは分かりませんね。
→私の文章の趣旨は、「どちらが製品として良いか」というところにはありません。「国産品なら、同じトラブルを起こしたとしても、内部が分かるので、あるいはよりよい対応ができ、危機を克服できたかも知れない」ということです。

そういうのが常識でしたら、あと二つ三つ、余分にリアクションホイールを持っていってもらいたいものです。(はい、はい、コストですよね)
→コスト以上に、重量制限が大きかったと聞いています。川口教授はホイールが三基の理由を「スラスターに加えてイオンエンジンも装備していること(これでホイールのアンローディングが可能)など、総合的に判断した」と言っていました。

 望遠鏡さんは、どうも、きちんと調べることをせずに、反射神経的にご自分の意見を書き込んでいるようですね。

 意見を述べることは貴重なことですので、出入り禁止にはいたしません。

 ただ、少なくとも、前の書き込みから次の書き込みの間隔を2日は空けて頂けませんか。その時間をつかって、よく調べ、よく考えた上で書き込んで頂ければ、より説得力のある意見を書き込めるのではないかと思います。

 それと、アクティブに発言するおつもりがあるのなら、「mailaddress@arimasen.sumimasen」というようなおふざけではなく、固定メールアドレスを書き込んでくれるとうれしいです。その方が発言の責任が明確になり、発言への信頼性が増すと思いますので。

Posted by: 松浦晋也 | 2005.11.15 at 12:16 AM

真摯に対応していただいてありがたいと思います。

松浦様を含めて、ここに投稿されている方々のjaxa「ラブ」(c武藤。分からない方は無視してください)をひしひしと感じます。私は出来たら、甘い母親より、厳しい父親になりたいと思っておりますが。

「望遠鏡さんの印象ですね。」たしかに私の印象ではありますが、jaxaオタクでない人はそのように感じると思います。


「望遠鏡さんの推量ですね。」そうです。推量です。でも、浅利義遠様の投稿に有るように壊れたものは修理するか、交換するんじゃないでしょうか。


「私の文章の趣旨は、「どちらが製品として良いか」というところにはありません。」これは、技術に全く初心な人に読んでもらって、意見を聞いてもらえばいいかなと思います。私はいわゆる技術者ですが、それでも、松浦様は偏っているなと思います。


「「mailaddress@arimasen.sumimasen」というようなおふざけではなく、固定メールアドレスを書き込んでくれるとうれしいです。」「意見を述べることは貴重なことですので、出入り禁止にはいたしません。」ということですが、メールアドレスを公開して、以前とんでもないめにあってますので、公開しません。ということで、これが最後の投稿です。失礼しました。

Posted by: 嫌われ者の望遠鏡 | 2005.11.15 at 12:56 AM

>>「望遠鏡さんの推量ですね。」そうです。推量です。
>>でも、浅利義遠様の投稿に有るように壊れたものは修理するか、交換するんじゃないでしょうか。

どうやって修理・交換するつもりなんだろうか・・・。なにかすばらしい手段があるんだろうな。

>>私はいわゆる技術者ですが

 ダウト。とてもそうは思えない。

Posted by: Ajax | 2005.11.15 at 02:59 AM

ちなみに、ここでのブラックボックスの意味は、国内にはオープンであるが、国外(この場合は日本)にはブラックボックスと言う意味でよろしいのでしょうか(過去がそうであったように)?
そうではなくて自国内(米国内)においても企業秘密として設計が開示されていないのであれば、アメリカ・日本を対比させるのは論法としてはおかしいと思うのですが。

国内でのパイが少なく、部品がブラックボックス化してしまうのであれば、複数の国で部品やプラットフォームを共有していくような方法は無理なのでしょうか(国防上は問題ですが)?


しかし、サンプルリーターンに向けては順調にこなしているのに、ミネルバの着地失敗のみを報道する方々にはほんとにうんざりですね。「サンプルリターンに向けて準備整う、残念ながら子衛星は着地失敗」ぐらいが記事の正当なタイトルだと思うのですが。

Posted by: キャス | 2005.11.15 at 03:10 AM

初めまして。いきなりですが、質問です。
松浦さんの記事を読んでいると、「のぞみ」のバルブにしても「はやぶさ」のリアクションホイールにしても限界ギリギリの試験をした部品をそのまま探査機に乗せているように読みとれるのですが、宇宙機の開発とはそういうものなのでしょうか?通常の地上装置の感覚では、破壊する可能性のある試験に使った部品は絶対に運用には使わないと思うのですが…。

Posted by: kz78 | 2005.11.15 at 03:33 AM

一般論ですが、どんな部品でも製造直後は統計的に故障しやすい傾向があります。そこで信頼性が問題になる分野では寿命に影響の無い範囲で試験して、故障するなら使う前に起こせという作業が入ります。たとえば自動車用半導体は、出荷前にバーンインという作業を行います。これもそのひとつです。
松浦さんのおっしゃる試験とはそれに類するものなのでしょう。ただし、松浦さんが書いていらっしゃるように、どれだけ試験をするのが妥当かというのはきわどい問題です。これは部品に対する知識とノウハウの両方が必要です。
与えられたブラックボックスに行っている試験が、問題のあぶり出しなのか破壊なのかは悩ましい問題です。

Posted by: 酔漢 | 2005.11.15 at 08:37 AM

半値なんだったら、冗長系を積めば良かったのに……とか思うわけですが、例によって例の如く重量制限の壁があったりしたんでしょうねぇ……。

冗長系を積む(重量的)余裕がないのであれば、信頼性をとらねばならんわけですが、そこには予算の壁があり……。

八方塞がりとはこのことか。

Posted by: S.B. | 2005.11.15 at 08:53 PM

JAXAが公開している資料を見ると、はやぶさはX軸とY軸のリアクションホイールが故障しており、Z軸は正常と書かれています。つまりゼロモーメンタム方式ですね。周回衛星なら外乱もほぼ一定のため、制御をある程度パターン化してトラブル対処もできますが、はやぶさのように観測のために絶えず動き回る衛星でスラスタと併用しながら制御するのは、例え1台の故障だけでも私の想像を超えています(私も昔、三軸衛星を運用した経験がありますので、運用者の苦労は良く分かります・・・)。ましてや16分の時差を考えると、今のトラブル状態では普通は怖くて特殊な操作なんてできませんよ。

宇宙用のホイールは、潤滑が難しく、グリースなどは使えないので固体潤滑剤を使いますが、摩擦が増大して故障することは時々あります(工作精度のずれとか、潤滑の偏りとか、小さな金属片の混入とか、故障原因はほんの些細なものです)。
1台の故障事例は結構あるのですが(カッシーニ、ハッブル望遠鏡、はるか、GOES-9など)、2台の故障はやはり珍しいですね。NASAの紫外線観測衛星FUSEが4台中2台故障したぐらいでしょうか。なので、メーカの責任が問われるのも。。。。

運用時には、モータ電流値の増大と温度の上昇傾向をモニタしますが、劣化しても予備機器がなければあまり対処方法はありません。
(劣化傾向にあるホイールの対処法は、松浦さんの言うとおりです。ベアリング部の温度上昇を抑えるために止めると、温度が低下して逆に摩擦抵抗が増すので逆効果になります。機械的な問題の場合は、改善する余地は無いのであとはだましだまし使いながら寿命を少しでも持たせる程度かと・・・)

Posted by: がんばれはやぶさ | 2005.11.16 at 12:20 AM

はじめまして、はやぶさが気になっているので顔を出させて頂きます。

今回のリアクション・ホイールの故障の件ですが、ブラックボックス化されていなければ、多少は道があったかなぁ、とは思っています。ブラックボックス化されていては、マニュアルどおりにしか使えませんが、例えば、停止の理由が軸受け抵抗が仕様値を越えたためなどの場合、確かに長期のミッションでは使うことはできないでしょうけど、今回の降下のような短期間のミッション(もしくは短期間のミッションの更に一部で)なら使うことができたかもしれません。それが出来たかどうかは、マニュアルどおりの使い方でなく、診断モードのようなコマンドを操作しないかぎりわからないでしょう。そして、診断モードで判断した結果、よしんば使えないとわかったとしても、それすら出来ないように壊れた、ということが得られるでしょう。ブラックボックス化された部品を買うだけでは、そういった経験は得られません。はやぶさでやるべきだったとは思いませんけど、是非、新開発のリアクション・ホイールを実験してみて欲しいところです。(液体リアクション・ホイールって誰でも思いついて簡単そうなんですけど無いものなんですかね?)
ま、今回の件は、もう飛ばしてしまっているんだから、「この状況で何が可能・不可能で、何を成功させた・失敗してしまった」を前向きに得て行って欲しいです。
ただ、ひとつ気になるのは、PLANET-Cで積む予定の4つのリアクション・ホイールのうち2つはやぶさに搭載されていたのと同じらしいので、ちょっとどうなんだろう、と思ってしまいます。

Posted by: さとう | 2005.11.16 at 12:27 AM

さとうさんが言う「液体リアクション・ホイール」のイメージと同じかどうか分かりませんが、ホイールのベアリング部の問題に対応するために磁性流体を使った「磁気軸受けホイール」というものもあります。
日本では、H-Iロケット初号機で磁気軸受けフライホイール実験装置「じんだい」が打ち上げられたほか、SERVIS-2にも搭載される予定です。
どのくらい寿命が延びて性能が出るのかは知りませんが。。。

Posted by: がんばれはやぶさ | 2005.11.17 at 08:31 AM

がんばれはやぶささん、レスありがとうございます。

わたしが思っている液体リアクション・ホイールは、本当に液体を回すリアクション・ホイールです。
パイプの中の液体を、ローレンツ力(これなら可動部無し!)やポンプで循環させるタイプです。細々とは書けませんので、1つだけ要点を書くと、冗長系を持たせるのに、この駆動部を複数用意するだけで足りるので、はやぶさのように重量に余裕が無い探査機に向いているんじゃないかなぁ、ってことです。普通のリアクション・ホイールだと、故障したら丸ごと死に体になるけど、これなら駆動部だけ冗長にすれば済むので。

ここは掲示板ではないので、このエントリーへのコメントはこれで終えさせて頂きます。続けるのなら、どこか別の掲示板にするべきでしょうね。

Posted by: さとう | 2005.11.17 at 10:10 PM

全くの門外漢なので、私がコメントをするのも僭越だと思いますが、液体リアクション・ホイールの場合、エネルギー消費がネックとなるのではないでしょうか。
固定したドーナツ状の容器内で液体を高速回転させれば、液体の外壁に対しての相対速度は秒速数十メートル、または数百メートルに達し、摩擦による発熱とエネルギー・ロスは相当な物になると思われるんですが...

Posted by: 門外漢 | 2005.11.29 at 02:45 AM

管理人様、はじめまして
youtubeの、はやぶさ動画見てリアクションホイール検索して来ました。はやぶさ動画見て何回も泣きました。
ところで、はやぶさ2プロジェクトは中止だそうですが、財務省の役人目、盛んにjaxa関連を狙い打ちしてますね
加えて選挙目当てのLOOPYみんすの餌食とは、余りにも可愛そう。アメちゃんか支那の指図か
でも、世界の人はちゃんと知っていますよ、その偉業を。民生品も使いよくぞここまで!
カプセル投下した後は、たとえ、自身は燃え尽きようとも、はやぶさ帰って来て!。まるで英霊の方々と一緒だ
こうなったら皆で、直接なけなしの金でカンパだ~!

Posted by: aonori | 2010.05.10 at 04:17 AM

準天頂衛星初号機「みちびき」のリアクションホイールにも支障が出て、打ち上げ延期とか。
「はやぶさ」と「のぞみ」で懲りてると思ったのに、まだ海外製なのか・・・しかも「あかつき」も海外製なのか。
http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/uchuu/reports/06110607/004.htm
>実績のある標準ホイールを実績のある仕様範囲内で使用することを基本として対処
仕様範囲外が発生しうる事は「はやぶさ」で懲りないのかな?
長期の軌道上運用でまた「太陽フレアの活発」等の突発事態が発生した場合、それは仕様範囲内といえるのか?
リスク管理的にどうなんだろう・・・
とりあえず素人意見でした。

Posted by: ded | 2010.06.28 at 04:17 AM

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