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2009.11.19

はやぶさリンク:はやぶさ、帰還に向けてイオンエンジン再起動

Kawaguchi Kuninaka


 トラブルを起こしていた小惑星探査機「はやぶさ」は、11月11日の試験で推力の回復を確認。12日以降、イオンエンジンの連続運転を再開した。残る必要加速は200m/s強。3月下旬までにこの加速を達成できれば、来年6月の帰還が可能になる。

 運転再開を可能にしたのは、AからDのイオンエンジンのうち、Bのイオン加速器とAの中和器を同時使用するという裏技だった。これにより6.5mNの推力発生が可能になった。


 まず、はやぶさのイオンエンジンの構造について。
 はやぶさのイオンンエンジンは、推進剤のキセノンガスをマイクロ波でイオン化し、電気的に加速して噴射する。このままでは+イオンのキセノンが出て行った分、探査機本体が-に帯電してしまう。そこで噴射口の外側に中和器が設置してある。中和器からは少量のキセノンを噴射、同じくマイクロ波でイオン化して、噴射口から出てくるキセノンに電気的な橋をかける。そこに電子を流し込むことで、キセノンの+イオンを電気的に中性のガスに中和し、同時に本体への帯電を避ける。
 中和器からキセノンの噴流へ電子を流すためには、ある程度中和器の電圧が高くなくてはいけない。中和器が劣化してくると、電子を流すために必要な電圧が高くなる。その限界値として50V以上の電圧になるとエンジンを停止するという仕組みになっている。

 以下、本日午後6時からの記者会見の様子。私が少し遅刻したので、最初のほうはプレスリリースより補足している。

 出席者は川口淳一郎教授と、イオンエンジン担当の國中均教授。


國中 イオンエンジンの状況について。

 はやぶさは、イオンエンジンAからDの4台を搭載し、3基を同時使用できる設計となっている。Aは打ち上げ直後の動作試験で不安定だったために、予備に回し、BからDの3基で小惑星イトカワに到達した。

 帰還途中の2007年4月に、エンジンBが中和器電圧の上昇を起こし、運用停止に。残るCとDとで地球帰還を目指してきたが、今年11月4日にエンジンDの中和器が電圧上昇を起こし、安全限界の50Vを超えて停止した。この時点でCもDも劣化が進行しており、推力は5mNしか発生できていなかった。

 はやぶさはイオンエンジン用の電源を3台搭載しており、それぞれ、AB BC CDに電力を供給できるようになっている。と、同時に、異なるエンジンのイオン源と中和器を使って運転を行うことも想定して、電源を結合する回路も搭載している。

 11月11日に、イオンエンジンBのイオン源とイオンエンジンAの中和器を使っての運転を行ったところ、6.5mNの推力発生と安定した運転を確認。軌道計画的にも2010年6月の帰還が可能になった。

 イオンエンジンは、イオン源と中和器への推進剤の供給を、ひとつのバルブでコントロールしている。重量軽減のためにバルブを減らしそのような設計となった。このため、使っていないエンジンAのイオン源と、エンジンBの中和器からも生ガスが噴出している状態。
 しかし、推進剤のキセノンは推定であと20kg残っている。残る加速に必要な量は5kgほどなので十分対応可能。
 また、エンジン2基で1基分の推力を発生させるので、電力は2基のエンジンを稼働する分だけ必要となる。しかし、今はやぶさは、太陽に近づきつつあるので、太陽電池の電力発生量は増えつつある。こちらも対応可能。

 現在使えるのは、A中和器とBイオン源の同時運転と、Cの単独運転。

川口 帰還に必要なデルタVは2200m/s。すでに2000m/sは達成。残るは200数十m/s。現状では2010年6月の帰還は可能。しかしさらなるトラブルが起きると2013年帰還となる可能性もある。

  現状はAB2基のエンジンの使える部分を使って推力を得ている状態。これは地上試験を行っていない。打ち上げ前に、このような運転があり得ることは想定していたが、そもそもこのような運転はアースの関係で地上での試験ができなかった。

 今回は運がいいと思っている。はやぶさが太陽に近づきつつあり、電力に余裕が出てきつつあったからこそ、この運転が可能になった。もっと地球から遠いところで今回の故障が起きていたら、この方法は使えなかったろう。


以下質疑応答
読売:現状で推力はどれほどなのか。

國中:6.5mN。今後エンジン2台で噴射を行う運転は考えていない。今後このまま来年の3月中旬まで6.5mN噴射を続ければ帰還可能となる。

川口:はやぶさの現在位置は、地球からの距離は約1天文単位。本当に火星の近くにある。

時事通信:このような動作ができることは事前に解っていたのか。

國中:これができることが実験室では自明だった。現状では探査機が数十ボルトに帯電し、帯電することで電子が引き出されるという運転をしている。このような状況は地上では再現できないため、地上試験ではこのような運転を行っていない。

川口:ちょっと盛り上げるなら、これは電気回路にダイオードが一つが入っていないとできない。あらかじめそういう回路を組み上げ、搭載して打ち上げたということを注目してもらいたい。

國中 はやぶさは、設計時の重量制限が厳しかった。色々考えた末にダイオードひとつを追加するだけで今回のような運転が可能な電源回路を組んで搭載した。


毎日 こういったトラブルを想定して回路を積んだのか。

國中 そうだ。

毎日 他のスラスターでもこういう運転はできるのか。

國中 そうである。ただし、今回エンジンBのイオン源と中和器Dの組み合わせて試験運転してみたところ、うまく動かなかった。

毎日 帰還日は決まっているのか。

川口 今のところ言わないことになっている。勘弁してください。旅行する人が大変になったりするので…

朝日 スラスターと中和器の位置がノミナルと変わるわけだが、推力方向が変化してしまうことはないのか。

國中 実際そういう現象も観測されている。ただし推力ベクトルの角度のずれは1°以内で、イオンエンジンの首を振るジンバルで修正可能な量。ビームのよれがおきるという現象は、宇宙プラズマ物理にとっても貴重な知見である。

朝日 最終的な軌道修正は可能なのだろうか。

川口 今の状態を維持できれば可能である。

朝日 2013年に遅れる可能性があるというが、それは余計に太陽を一周ということか。

川口 はやぶさは太陽を1.5年で1周する軌道に入っている。地球が3周、はやぶさが2周

朝日 計画にかかったこれまでのコストを知りたい。

川口 ここまで打ち上げや運用費用も含めて計画遂行の総額は約210億円。事業仕分けされないようにしなければいけない。運用費は年1億円程度なので、3年伸びると3億増える。

國中 この11月から臼田局は改修工事を行う予定だったが、今回の事故を受けて、工事の開始を一週間遅らせてもらった。現在は臼田の工事が始まったために、鹿児島内之浦の34mアンテナで通信しているがこれだと臼田に比べてビットレートが1/4になる。ぎりぎりで臼田が使えて幸運だった。

時事通信 エンジンAを使っていなかったのが幸運だったのだろうか。

川口 Aの中和器が健全にリザーブできていたことが今回の運転につながっている。

不明 Cを運転していないのはバックアップ用か。

川口 その通りだ。Cも劣化の兆候があるので長時間運転は難しいと見ている。

時事通信 帯電は悪影響を及ぼさないのか。

國中 はやぶさには帯電センサーが積んでいない。従って中和機のヘルスチェックができない。しかし現状では不具合を示すようなデータは出ていない。宇宙で何KVという帯電は常時起きているので問題にはならないだろう。中和機の電圧が高くなると劣化が早まるのだが、現在の運用ではA中和器の電圧を知る方法はない。

不明:現在はBのイオン源からイオンを吹いているのか。

國中 そうだ。

不明 いつが2013年へと帰還がずれこむタイムリミットとなるのだろうか。

川口 Cは推力がないので、それほど加速できない。例えば来月にでAとBによる現状の運転が不調になると2013年になるだろう。しかし不調になるのが来年2月3月ならCだけで6月に間に合うだろう。年内に再度故障が起きたら2010年帰還はアウトと思ってもらいたい。

読売 復旧方法を見つけた時の感想を聞きたい。

川口 エンジン停止の時は「来るものが来た、これはもう2013年帰還か」と思った。イオン源と中和器のクロス運転を可能にする電源回路の存在は知っていたので、対策の検討会ではイオンエンジングループに検討を依頼した。イオンエンジングループは自信を持っていたかも知れないが、私は淡い期待を持っていた程度だった。最初BとDで動かしたがうまくいかなかった。
(2010.6.21注記:ここはBDではなくADの可能性あり。コメント欄参照のこと。確認し次第訂正します。)

國中 電力収支が厳しかったので、100W近くの電力を消費する通信機をいったんとめてAとBを運転、データを記録して通信を復帰してから送信するというやりかたで、動作試験を行った。通信復帰の途端に、はやぶさからの電波のドップラーシフトが不連続にジャンプしたので、「これは動いたぞ」と思った。その後、データをダウンロードして正常運転を確認した。

不明:CとDの運転はできるのか。

川口 おそらくイオン源の寿命はまだまだある。問題があるとしたら中和器A。AとCの運転は試験をしていない。時間がないので組み合わせ試験よりもイオンエンジンの連続運転を優先した。地球帰還にはあと2000時間の運転が必要である。

産経 Dが止まったということはどういうことか。

國中 中和器の電圧が上昇したというのが観測された事象。中和器は電圧をかけて電子を放出している。中和器が劣化すると同じだけの電子を放出するのに必要な電圧が上昇する。電圧の限界値が50V。イオンエンジンの定格は1万4000時間だが、Dはすでに1万5000時間運転している。Bは9500時間。まだまだ、惑星探査用のエンジンとしては長寿命を目指して研究を進めねばならないと思っている。
 中和器Aはイオン源Aとの組み合わせて10時間、11月11日以降、イオン源Bの組み合わせて180時間運転している。

インプレス もう少し詳しく運転の様子を知りたい。

國中 各スラスターには一つバルブがあって、それを開けると、中和器とエンジンの両方に推進剤のガスが流れ始める。中和器Bを動作させると必然的にイオン源Bからガスも流出する。現状6.5mNで軌道計画が立てられている。

アビエーションウィーク 姿勢制御用のホイールも一つになっているがどうなっているのか。

川口 止まったホイールはもう使えないものと考えている。残る1台も回転数を下げたり、加速減速もゆるやかにして寿命を延ばすように運用をしている。中和器と同じぐらい心配している。


宇宙作家クラブ 加速量達成後、地球へのカプセル投下にための最後の軌道修正はどうするのか。

川口 イオンエンジンで行う。1m/s程度。この修正に1日から数日かかる。


不明 ホイールがダメになったらもうギブアップか。

川口 その場合も方策は考えているがかなり致命的だと思う。

 記者会見後のぶらさがり取材にて。


川口 「ずっと前にダメになるのも、ぎりぎりまで粘ってダメになるのも同じ、帰ってこれるか、これないか。それが問題です」

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Comments

まずは「はやぶさ」プロジェクト各位の不断の努力に敬意を表します。
予想を遙かに超えた苦難と制約の中、限界を超えた探査機が地球に戻ってくる可能性を繋いだ人材とノウハウの蓄積はかけがえのないもので、
我が国の衛星設計や運用、周辺分野、科学的知見としてフィードバックされるものと思われます。
「仕分け」により衛星関連予算が一割も削減され、「はやぶさ」後継機の先行きが極めて怪しくなってしまったのは慚愧に堪えません。

そこで重要なお知らせがあります。文部科学省では先日行われた「仕分け」に対する復活折衝のための意見を募集することになったようです。
http://www.mext.go.jp/a_menu/kaikei/sassin/1286925.htm
細目21,22番をご覧頂き、担当の副大臣宛に意見をお寄せください。
また、念のためにCCにJAXA広報(proffice@jaxa.jp)、宇宙行政担当部署メールフォーム
https://www.inquiry.mext.go.jp/inquiry31にも同じ文面を送るとよろしいかと思います。

また、余裕がございましたら財務省にも同様のフォームがあります。
https://www2.mof.go.jp/enquete/ja/index.php
「予算・決算」を選んで、こちらにもご意見を頂けると幸甚です。

今回の復活折衝は事実上「はやぶさ2号」実現の最後のチャンスです。
12月15日まで、たくさんの意見をお送り頂きますようお願い致します。

Posted by: tosix | 2009.11.19 09:46 PM

済みません、上記に追加です。
期間は11/24までと大変短いですが、内閣府パブコメにて
科学技術関係施策の優先度判定等の実施に関する意見募集を行っています。
https://form.cao.go.jp/cstp/opinion-0005.html

これは資源配分の優先度決定についてのもので、はやぶさに限らずイプシロンやLNG推進系のような
大枠に対して先進独創性など、いくつかの基準で予算の配分を行うものです。査定の最上流ですね。

今回の仕分けでは科学関連予算の大幅な(見せしめと言っても良い)削減で
研究者や技術者コミュニティの崩壊、技術の散逸が懸念されます。こちらにも大量のご意見を送って頂ければ幸いです。
要素研究だけでも、技術の火を絶やしてはなりません。

Posted by: tosix | 2009.11.19 10:18 PM

宇宙機に対して申し訳なくて...、という感情も変ですね。
子供たちに申し訳なくて...、ってのも言い訳っぽい。
やっぱり「次のが見たいから」でしょうか。
自分の言葉で書けたのか疑わしいですが、mextとjaxaにメール送ってみました。
この気持ちが伝わるとよいのだけど。

Posted by: み | 2009.11.19 11:39 PM

 インプレスで宇宙の記事を書いてる大塚実さんが、前原宇宙担当大臣に意見を送るといっています。

http://twitter.com/ots_min/status/5593084086

http://twitter.com/ots_min/status/5604721671

 前原大臣の事務所に確認した。意見はメールやFAXよりも、東京事務所への郵送が確実とのこと。とりあえず書いてみよう。祈るのはその後だ。 http://bit.ly/2hcaha

 前原大臣のところに、紙で郵送するのが効果的なのだそうです。

http://www.maehara21.com/office/index2.php
〒100-8981 
東京都千代田区永田町2−2−1 衆議院第1議員会館601号
衆議院議員 前原誠司

 私もなにか書いて送ろうと思います。はやぶさのがんばりを見ると、自分もなにかしないといけない、という気がしています。

Posted by: くぼちゃん | 2009.11.20 01:03 AM

お疲れ様です。
衛星の開発から携わることができた「はやぶさ」くんということで、一喜一憂しながらL-DやJAXAのサイトを拝見しています。
再三大変なトラブルを乗り切ってきたところをドキドキしながら見てきましたが、今回ばかりは・・と不謹慎ながらふと思ってしまいました。しかしこの困難さえも不断の努力で乗り切ろうとしている。その姿勢にもう脱帽の限りです。
L-Dの質疑応答を拝見しましたが、このトラブルに対する関係者の方々の御苦労、復活させたいという熱い思いがひしひしと伝わりました。ただそんな中「これまでどれだけのコストがかかったか?」という質問には、次元の違いにかなり興ざめしました・・。

Posted by: 松下 聡 | 2009.11.20 01:53 AM

「事業仕分けされないようにしなければいけない」…ジョークだろうとは思いますが、こんな発言が出てしまうような現在の環境に失望。まぁなにはさておき地球帰還を切に願っております。

Posted by: nochi | 2009.11.20 05:35 AM

たびたび、拝見しております。
「あらかじめそういう回路を組み上げ、搭載して打ち上げた」
武者震いがしました。

「あらかじめ」「そんなこともあろうかと」何回、この言葉を聞いただろう。
どれだけ、帰還させるためのしくみがあの中に組み込まれていることか。
はやぶさの設計者と運用されている方々に敬意を表します。

やっと来る2010年。がんばって帰ってこい!!

Posted by: hagi | 2009.11.20 07:14 AM

しかし川口氏はぎりぎりの設計を求められる探査機で
どれだけ先々の問題を予測しているのでしょうか。

ある小説にあった「飛ぶ前から落ちる事まで考えておく」という意味の台詞を現実に行っている人がいる事に驚きです。

「のぞみ」には足りなかった幸運が「はやぶさ」に訪れるよう祈ってます。

Posted by: LF | 2009.11.20 07:11 PM

http://b.hatena.ne.jp/entry/www.nicovideo.jp/watch/sm8858782
↑こちらから。


ホント帰ってきて欲しいものです…。

Posted by: 雲雀 | 2009.11.21 11:54 PM

ハヤブサ(と言うより、MUSES-Cの方が馴染み深いですが)を相模原から射場まで運搬した者です。
3月のまだ寒い時期、二泊三日付きっきりで、1600Kmを緊張して走ったのが、ついこの間のようです。(金額を聞けば、誰でも緊張すると思いますが…)
結局その後、ASTRO-E2、ASTRO-Fを運ぶ幸運に恵まれましたが、やはりハヤブサが思い入れが1番強いです。
必ず戻って来い。お前は不死身だ!

Posted by: のぶ | 2009.11.26 12:27 AM

が・ん・ば・れ。
がんばれ。
がんばってくれ。
「はやぶさ」。
民主党の悪意に沈む我が国のたった一つの希望の船よ。
たとえ民主党の作意に我が国が「無くなる」としても、その成果は「人類」のものだ。
がんばれ。

Posted by: ミネバ様新♪ | 2009.11.28 08:22 PM

のぶさん

 なんと、はやぶさを相模原から内之浦まで輸送したご本人ですか。すばらしい。

 本当にごくろうさまです。ありとあらゆる人たちが関わって、今、はやぶさは帰途にあるのですね。

Posted by: 松浦晋也 | 2009.11.30 09:47 PM

はやぶさ 「地球の引力圏を通過する軌道へのった」というのが
JAXAのページに掲載されました。

電波で10分程度の距離にいるそうなので
だんだんと近づいてきましたね。

がんばれ はやぶさ。
かえってこい。

はやぶさ2にも期待している。
がんばれ 中の人。

Posted by: だんな | 2010.01.17 04:14 PM

しかしはやぶさを政治利用しようとする自民系工作員うざすぎだね…
ニコニコとかで湧きすぎ、利権組が仕事でやってるだろw それか選挙に負けた後に引き出された機密費でか?

だいたい自民時代に無駄道路とかもっと他の無駄を仕分けて宇宙開発に回せば、
中国より先に日本は有人ロケット上げれたんじゃないの?

税金でやる以上、研究価値を説明できない開発者も、研究価値のない開発を生活のためにだけやっているだけの開発者も仕分けられて当然だろ。無駄を仕分けるのは当たり前。

宇宙開発なんかより民間企業がiPadのような革新的製品を発明しない限りどのみち日本は滅ぶ。革新的な物を作るには選択と集中、仕分けが必要。
何でも良いから適当に金をジャブジャブ使ってたら中途半端な改良品ばかりで終わり。

プラズマディスプレーの開発者が、大企業、富士通がプラズマ撤退後、退社してベンチャー立ち上げて革新的ディスプレー作ってるけど、そう言うベンチャーを育てないと日本は終わる。大企業相手に利権的国家開発なんかしてる場合じゃない。
そもそも自民は金が回り回って企業献金として帰ってくるからこういうことしてたわけだが…

はやぶさのイオンエンジンは海外に売れるレベルらしいな、そう言うのなら良い開発だと思う。

Posted by: 仕分け人応援団 | 2010.06.14 04:55 PM

松浦さんへ 質問です

クロス運転の経緯についてですが、BSフジで放送された内容とこのエントリとでは齟齬があるのでどちらが正しいかを確認したくて質問します。
BSフジは川口さんご本人が言及している映像なので、おそらくそちらが正しく、このエントリの方が書き間違えてるのでは無いかと思いまして。

このエントリでは以下のような経緯であると川口さん國中さん両氏が仰っているように書かれてます。
・BDのクロス運転失敗→ABのクロス運転成功(ACは試してない)

ところがBSフジでは川口さんがこのように仰っています。
・ADのクロス運転失敗→ABのクロス運転成功
http://www.bsfuji.tv/primenews/movie/index.html?d100618_0

考えてみれば、無事な中和器はAの中和器しかないわけで、どちらも中和器が壊れているはずのBDのクロス運転を試す意味がありません。
このエントリでの質疑応答で、川口さん國中さんが「BDで失敗してABにしたら成功した」と答えているのはBDではなくADが正しいのではないでしょうか。

このあたりの経緯を詳しく知りたいのでよろしくお願いします。

Posted by: くに | 2010.06.19 03:24 AM

>くにさん
 指摘ありがとうございます。私もBSフジの番組を見ていました。よい番組でしたね。

 当時のメモを確認しましたが、自分はBDと書いていました。間違いの可能性はあると思います。

 とりあえず注記を付けておきます。機会があり次第確認します。

Posted by: 松浦晋也 | 2010.06.21 11:17 AM

いまさらですが追記させて頂きます。
先日、岡山県立児童会館にて行われた西山和孝准教授の講演にて同じ話題が出ました。

http://www.ustream.tv/recorded/10369354
(1時間2分頃から)

やはり先にADを試したが上手く行かず、という説明でした。
「ADでは距離が遠すぎて上手く行かなかった」
「ABが(距離的に)ギリギリだった」
という感じの説明の仕方だったので、先に試して駄目だったのは対角線上のADでほぼ間違いないと思われます。
蛇足ながら。

Posted by: くに | 2010.10.26 10:22 AM

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