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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