大学発超小型人工衛星「TSUBAME」打ち上げ成功・運用開始

概要

東京工業大学 大学院理工学研究科 機械宇宙システム専攻の松永三郎 連携教授（JAXA連携講座、JAXA宇宙科学研究所教授）と同基礎物理学専攻の谷津陽一 助教、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、先進的な天体観測・地球観測技術の宇宙実証を目的とした50キログラム級超小型人工衛星「TSUBAME」を開発し、2014年11月6日、日本時間16:35にロシアのドニエプルロケットにより打ち上げました。TSUBAMEはインド洋上空にてロケットから切り離された後、同日21時過ぎに東京上空を通過しました。東京都目黒区にある東工大地上局では、開発に携わった学生たちが見守る中、衛星からのテレメトリ受信に成功し、衛星システムの正常動作が確認されました。現在、TSUBAMEは4枚の太陽電池パネルを展開し、太陽方向に向けて姿勢を安定させつつあります。今後、衛星の初期機能確認の後、本格的な姿勢制御実験・可視光地球観測・ガンマ線天文観測を順次行っていく予定です。

研究の背景と意義

ロケット技術の進歩により人工衛星の大型化が著しい現在にあって、全質量100kg未満の超小型衛星は、低コスト・短期間で開発できるという利点から、最先端技術の宇宙動作実証や、新しい宇宙ビジネスの事業展開に期待され、全世界で活発に研究開発が進められています。そのような中にあって、東工大の超小型衛星チームは2003年に打ち上げられた世界初のCubeSat衛星 CUTE-I の成功以降、超小型衛星の開発で世界を牽引してきました。このチームは民生部品を用いた安価で高性能な超小型衛星バスの技術実証とそれを用いた科学観測を目標として、これまでに3機の超小型衛星の開発・打ち上げ・運用を行ってきました。

今回の研究内容

東工大チームとして4機目となるTSUBAMEは、これまでの技術を応用してさらに本格的なミッション運用を実現するために、衛星サイズが50kgにまで大きくなりました。TSUBAMEの目指すミッションは大きく3つあり、その一つ目は衛星バス自身の高機能化を目的とした高速姿勢制御技術の軌道上実証です。この衛星には多摩川精機と協力して開発した小型・軽量ながら高トルクを発生するコントロールモーメントジャイロ（Control Moment Gyro: CMG^[用語1] ）が4機搭載されており、衛星としては異例の毎秒6度角の旋回を実現します。この機動性を武器として、TSUBAMEにはさらにX線・ガンマ線天体観測装置^[用語2] が取り付けられており、ブラックホール^[用語3] が誕生する瞬間に発生する強烈なガンマ線閃光現象の硬X線偏光観測^[用語4] を行います。そして、自在な姿勢制御を駆使して、災害監視・海上の船舶航行状況監視・気象観測・植生観察などを行うための、高解像度可視観測装置が搭載されています。

図1:（左）TSUBAMEフライトモデルと開発メンバー （右）ロケットに取り付けられたTSUBAME

という根本的な疑問に対する答えは依然として得られていません。

図4: ブラックホール誕生の産声だと考えられている宇宙最大級の高エネルギー現象「ガンマ線バースト」の想像図（NASA GSFCから）

これらの問題を解決するのが難しい理由の一つは、対象天体が数億光年から百億光年というきわめて遠い宇宙にあるために、小さすぎて直接構造を観察することができないことです。

このガンマ線バーストの爆心に迫るために有効だと考えられているのがX線偏光観測です^[用語4] 。偏光（電波の場合は偏波）とは、光子ごとの電場ベクトルの方向が一様にそろっている状態のことを意味します。実はこの偏光の「度合い」と「向き」は、放射源の磁場に密接に関連しているため、逆に天体からの放射の偏光度を測定することで天体内部の磁場の情報を知ることができるという訳です。研究グループではGRBの爆心近傍でどのような現象が起こっているのかをこの偏光測定によって解明していく予定です。

GRBの観測が難しい更なる理由は、いつ・どこで起こるのか予測ができないことと、放射継続時間がとても短いという点です。TSUBAMEには偏光計の他にGRBの検出・位置決めを行う広視野バーストモニタを搭載しています。これらの装置と高速姿勢制御装置が協調して自律的に動作することにより、継続時間の短い GRB の偏光観測を瞬時に実現します。

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ます。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ことができれば、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ます。

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安価で高性能な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ました。こうした技術はJAXAが開発した世界初の「ソーラー電力セイル技術実証機 IKAROS」などでも活用され、IKAROSの膜面展開の様子を小型分離カメラで撮影することに成功しています。なお、この小型分離カメラのスピン分離機構を含むシステム設計、開発、試験には、東京工業大学・松永研が全面的に協力・実施しました。

今回、東京工業大学の超小型大学衛星 TSUBAMEの開発に参加することで、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を開発しました。今回は光学系のサイズに制約があるものの、本実験で実証された技術をさらに長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となり、さらにCMGの高速な姿勢制御と組み合わせることで、任意の観測ポイントを自在に監視することを可能にします。この様なフレキシブルな運用はこれまでに例が無く、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ます。

図5: CANAL-1外観図

打ち上げ・運用状況

TSUBAME衛星はヤスネ宇宙基地のサイロ(地下発射装置)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ました。TSUBAMEは打ち上げから約15分後、インド洋上空にてロケットから分離され、現在は高度約500kmの太陽同期軌道を周回しています。

TSUBAMEにはアマチュア無線帯の送信機が搭載されており、分離直後から衛星の動作状態をモールス信号で常に送信しています。宇宙システム用には、通常、大掛かりで費用が嵩む高信頼性の専用通信設備を構築しますが、超小型衛星の分野では民生に流布するアマチュア無線機器を用いた通信設備がよく使用されています。低費用である一方、都心では妨害電波に悩まされることや通信レートを上げられないという超小型衛星の大きな弱点の一つとなっていますが、これを補う目的でTSUBAMEチームは全世界のアマチュア無線家に衛星からの電波受信を呼びかけました。これに対し、国内外を問わず多くの無線家の方々が即座に対応してくださり、打ち上げから約2時間後にドイツ上空で衛星の動作が確認されました。その後、日本時間20:50には東京付近を通過し、東工大地上局で開発チームもモールス信号によるデータ受信に成功しています。取得したデータを解析した結果、衛星は分離後直ぐに太陽電池パネルを展開し、パネルを太陽に向けてほぼ安定した姿勢を維持していると予想されます。

電源電圧も正常であり、これまでのところ順調に機能していることが確認されました。

今後の展開

今後、数週間にわたり衛星の搭載装置に順次電源を入れ、全ての装置が正常動作していることを確認します。その後、本格的な姿勢制御実験や天体観測・地球観測を行っていく予定です。また、高レート受信を行うため、JAXA宇宙研の小型衛星管制局設備の使用も予定しています。

図6: 東工大運用局にてTSUBAMEからのモールス信号に聞き入るTSUBAME 開発チーム（11/6 21:00 JST）

• プレスリリース「大学発超小型人工衛星「TSUBAME」打ち上げ成功 高速姿勢制御技術・高感度放射線計測技術、地球・天文観測に応用へ」
• 東工大の学生が開発した超小型人工衛星"TSUBAME"宇宙へ向けて旅立つ（2014.10.21掲載）
• 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（2012.05.17掲載）
• 研究成果一覧