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ボイジャーの父とベピ・コロンボ(『ロケットガールの誕生』より)

2018年7月28日、JAXA宇宙科学研究所 特別公開時に展示されたベピコロンボ計画の日本探査機「MMO/みお」模型。

2018年10月18日、JAXA・ESA共同の国際水星探査計画「BepiColombo(ベピコロンボ)」がついに打ち上げられることになりました。日本からは水星磁気圏探査機「みお(MMO)」、欧州からは水星表面探査機(MPO)という2機の探査機を組み合わせ、水星の磁場や地球と異なる特異な磁気圏、希薄な大気や表面のようすを観測します。打ち上げから水星到着までおよそ7年(2025年12月到着予定)という長い探査の始まりです。

マリナー10号撮影の水星画像にベピコロンボ計画のマーキュリー・トランスファー・モジュールのイメージを重ねたもの。
spacecraft: ESA/ATG medialab; Mercury: NASA/JPL

これまでに水星を探査した宇宙探査機は、フライバイ探査を行った1973年の「マリナー10号」と、周回探査を行った2004年の「メッセンジャー」(共にアメリカ)という2機の探査機だけでした。

「ベピコロンボ計画」という名称には、上記のうちマリナー10号と関わりがあります。イタリアの天体力学者ジュゼッペ(ベピ)・コロンボ博士はマリナー10号が水星を探査する軌道を提案した人物です。そのときのことは、『ロケットガールの誕生』にこう書かれています。

一九七〇年にJPLで開催されたマリナー10号に関する会議の席で、コロンボは、水星に二回接近できる方法を提案したのだ。

『ロケットガールの誕生』第10章 最後の宇宙女王 より

このときのエピソードは、NASA ジェット推進研究所(JPL)でマリナー計画に深く関わり、1976年から1982年までJPL所長を務められたブルース・マレー博士の著書『Journey Into Space : The First Thirty Years of Space Exploration』に詳しく著されています。後にJPL所長として火星探査機バイキング、そしてボイジャー探査機の打ち上げを率いたマレー博士とベピ・コロンボ博士との出会い、そしてマリナー10号の実現までをご紹介します。

■水星の公転と昼夜の謎

JPL/カリフォルニア工科大学(カルテク)で水星探査の検討を行っていたのは1960年代の後半でした。19世紀までは、「水星の公転と自転周期は一致しており(地球の88日)、水星は太陽に常に同じ面を向けていて昼の側は非常に高温かつ夜の側は太陽系で最も冷たい場所」と考えられていました。1961年、欧州の学術機関は水星の公転周期を1万分の1の精度で求めることに成功。同じ年にミシガン州の電波天文学者が水星からの電波の放射を捉えることに成功しましたた。驚いたことに、水星の夜の側から発された電波からすると、夜側は従来考えられていたほど冷たくないことがわかりました。

昼の側から夜の側へ熱を運んでいるものは何でしょうか? 大気だとすると、水星に反射した太陽光のスペクトルを分析しても二酸化炭素のように熱を運ぶことができるガスは見つかりませんでした。大気があったとしても、主成分は当時は不活性なアルゴンガスだと考えられていました。

1965年にはプエルトリコのアレシボ天文台が水星を観測し、自転周期は88日ではなく59日であることがわかりました。ではなぜ従来は88日と考えられたのか? これを解決したのがイタリアのパドヴァ大学の天体力学者、ジュゼッペ(ベピ)・コロンボです。コロンボは水星の公転周期と自転周期が3:2の共鳴関係にあることを論文で発表し、理論はすぐにレーダー観測によって確認されました。水星は昼夜にぱっきり分かれているわけではなかったのです。

■水星への一度きりのチャンス

次第に謎が解明されてきた水星ですが、そこへ探査機を送る方法を考案しなくてはなりません。この答えを出したのが英国惑星間協会。金星の重力を使って探査機の速度を変える方法を考案しました。マレー博士が「スイングバイ」方式を知ったのはこのときが初めてだったといいます。ボイジャーを始め多くの探査機が利用してきたスイングバイ方式ですが、実際に採用されたのはこれが最初で、マレー博士も「ペテンのような」方法だと感じたといいます。

1962年にはマイケル・ミノービッチ博士が1970年と1973年に金星をスイングバイして水星に到達できるスイングバイ軌道を発見しました。マリナー級の探査機であれば、アトラス/セントールロケットで金星を経由して水星に到達できます。ただし、チャンスは1回です。

NASAは1967年、水星・金星探査計画を1973年に行うと決定しました。仮名称はマリナー/ビーナス/マーキュリーの頭文字から“MVM”と命名されました。これが後のマリナー10号です。探査機は基本的にマリナー6号、7号と同じ。ただし、NASAの太陽系探査予算は縮小されつつあり、予算規模は9800万ドルとされました。1968年にアメリカの科学アカデミーはそれまでの2機同時開発をやめ、「打ち上げを1回きりとすべき」との見解を発表しています。「惑星探査はもはや原始的でリスクの大きい試みではない」というのがその理由ですが、つまり「失敗は許さん」ということです。

一度きりのフライバイ探査で、水星の昼の側を撮影し、夜の側で磁場を観測するにはどうすればよいのか。カメラでの撮像も、磁場の観測も外せません。マリナー計画では金星と火星の磁場を観測していますが、ちらにも地球のような磁場は見つかっていませんでした。水星は火星より大きな鉄のコアを持っていますが、長い年月で惑星の内部はかなり冷えていて、磁場を生み出す活動は起きているだろうかという疑問があります。金星ほどではないにしても自転は遅く、それぞれ条件の違う惑星をなんとしてでも比較したいものです。

計画は、水星の「午後」の側から超望遠カメラで撮影し、夜の側に入って磁場の観測をするということになりました。マリナー6・7号とカメラ構成を改良して水星探査に特化した観測機器に変え、当時としては非常に高性能の4秒角という解像度を実現するカメラシステムが完成しました。これは、新聞の三行広告を約400メートル離れたところから解読できる性能だといいます。

■ベピ・コロンボとの出会い

MVMことマリナー10号の計画スタートを控えた1970年2月、カルテクにてMVMの科学会議が開催されました。マレー博士がベピ・コロンボ博士と実際に対面したのはこのときが初めてで、本にはこう書かれています。

そのとき、私はこの小柄ではげかかった、世界で最も魅力的な笑顔を持つ人物をかろうじて知っているという程度だったが、コロンボは近づいてきて私に話しかけた。
「マレー博士、マレー博士。イタリアに戻る前に、どうしてもあなたにお聞きしたいことがあります。探査機が水星に接近した後、太陽を周回する期間のことです。探査機を戻ってこさせますか?」
「戻って、来るですって?」
「そうです。探査機は水星に戻ってこられますよ」
「本当ですか?」
「確かめてごらんになったら?」

『Journey Into Space』5. One Chance for Mercury より

コロンボ博士の言葉は正しく、MVMは水星の公転期間88日のちょうど2倍である176日かけて太陽の周りを回って戻ってくることができました。少しの軌道修正で水星の2年ごとに同じ面を観測できます。打ち上げのチャンスは1度きりですが、ミッション期間を伸ばすことで更に多くの観測データを得ることができるのです。

これが、ベピ・コロンボ博士が「マリナー10号の水星遭遇軌道を提案した」というエピソードの詳細です。惑星探査の予算が縮小され、余裕を持った計画が難しくなる中で、軌道計画によってエクストラの観測機会を実現したのがコロンボ博士の提案だったというわけですね。

その後、マレー博士はマリナー10号の通信システムを改良し、データ処理のボトルネックとなっていたテープレコーダー式の一時記憶装置を廃して、さらに地上側のDSN(ディープ・スペース・ネットワーク:NASAの大アンテナ網)のエンジニアを説得し、117,600bpsという当時としては画期的な転送レートで水星の観測画像を送信する計画を立てます。

さて、実際のマリナー10号のミッションはどうなったのでしょうか。また次回ご紹介したいと思います。

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「ロケットは油断ならない」米欧の呟き

2014年8月22日、アリアンスペース社が仏領ギアナ・ギアナ宇宙センターからソユーズロケットで打ち上げた2機のGalileo FOC(ガリレオフル機能衛星)の軌道投入問題で苦しんでいます。私もニュースサイトで経緯を伝えていくつもりでおります。
ガリレオ測位衛星の軌道投入失敗、ソユーズロケット上段に問題と発表

この件について、8月25日付でDLR(ドイツ連邦宇宙庁)のサイトに、ドイツ航空宇宙センター執行委員会議長、ジャン・ヴェルナーさん(Jan Worner :the Chairman of the Executive Board of the German Aerospace Center)から率直で関係者の苦悩がうかがえるblogがポストされました。

ロケットサイエンスを知る上でも大切なポストであるかと思います。勝手訳をご紹介いたします。

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「ロケットは油断ならない」

これは商業宇宙旅行の分野のパイオニアであり、Space X設立者のイーロン・マスクからの引用だ。Space Xが試験飛行に失敗した、2014年8月23日の彼の心情を表現したものだ。宇宙飛行に使われる機器は常に、非常に洗練された技術であり、入り組んだシステムの複雑さのために、安全マージンを十分に取れないまま展開しなくてはならないし、リアルタイムで調整できる選択肢も少ない。ロケット技術は長年継続してきているし、長いあいだ成功裏に展開しているにも関わらず、前述のような様相を呈しており「絶対確実」など夢にすぎないのだ。この事実は、2014年8月22日の2機のGalileo衛星打ち上げの際にも、再びその頭をもたげてきた。

ソユーズロケットは、仏領ギアナの欧州宇宙港から打ち上げられた。当初、全ての数値はパーフェクト・ミッションを示していた……ロケットは予定通りに打ち上げられ、続く予定の飛行経路も、各段の分離も正常に実施された。とはいえ、実は2機の衛星にとって最初の問題は太陽電池パドルが意図したとおりに展開できなかったときに始まっていたのだ。より詳細な分析により明らかになったところでは、地球の赤道に対する衛星の高度と軌道傾斜角は要求を満足しなかった。(ロケット)上段はまた、明らかに予定された衛星の縦軸に対する回転(”バーベキュー”モードと呼ばれ、太陽光に曝されている間に熱の状態を良好に保つために意図されている)を引き起こすことに失敗している。まだまだ原因や結果について結論的なことを述べるには早すぎるものの、イーロン・マスクからの引用に戻れば、私たちが相互に避難の応酬の罠に陥るのではないかと案じている。それよりも、原因を特定し、将来の打ち上げの成功を確実にするために必要な手段を取らなくてはならないだろう。

Galileo計画は、欧州委員会と欧州宇宙機関(ESA)、各国宇宙機関、航空宇宙産業の協働による欧州の宇宙活動のフラッグシップだ。このシステムを我々が必要としているのは、欧州のうぬぼれによるものではない。そうではなく、独立した安全を一定のレベルで保障するために、”安全”に冗長性を確保するための一連の必要性から来ているものなのだ。一例を挙げれば、航空機が着陸前に最終アプローチを行う際には、衛星航法によって誘導される。

8月22日の出来事は、Galileo計画を妨げる不運な出来事であるのは言うまでもない。計画が始まった何年も前から、こうした事態(どちらかといえば、技術上というよりは主に経営上の問題ではあったが)に再三苦しめられてきた。とはいえ、計画の必要性は専門家にとって異論の余地はなく、すべては将来の政策や行動の基礎となるものだ。精密な軌道投入はシステムにとって極めて高い要求であり、ゆえにとりわけ挑戦となるだろう。ここでは、技術者はある結果に対応しなくてはならないかもしれない。例を挙げれば、物理法則にもとづいて定義される狭い選択肢の中で、リアルタイムで対応できる選択肢を最大化する、将来の欧州の打ち上げロケット選定などだ。

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状況が不透明な中で、抽象的な書き方をされているとは思います。ですが、これは将来の欧州衛星のローンチ・ヴィークルに欧州外のロケットは採用しない決定の可能性もあるということでしょうか? アリアンスペースはGalileo衛星の2015年以降の打ち上げでは、アリアン5を採用する旨を発表しており(ソユーズ:2機同時打ち上げからアリアン5:4機同時打ち上げへ)、他の衛星にも同様の検討(ロシア製だけが欧州にとって海外製にあたるわけではありませんが)が発生するのかもしれない、と感じています。

おはようロゼッタ 冬眠開け通信成功!

日本時間2014年1月21日午前3時18分、ESAの彗星探査機ロゼッタからの冬眠開け通信が届きました。

ESOC中継をずっと見ていました。予定では午前2時に探査機は通信を始めるはず。午前2時30分に通信ウィンドウが開いて、電波が届くのに45分。予定では2時45分以降に探査機の第一声が聞かれるはずなのです。

なかなか表れない……。通信を担当しているのはNADAのDSNで、ゴールドストーン局からのモニターにピコーンと波形が立つはず。ツイッターで「音声がないようですが」との質問があったくらい、ESOCのみなさんはずっと息をひそめてモニターを見守っておられました。

最初のウィンドウ開始から48分、心配になってきたころ画面から歓声と拍手が。ロゼッタ運用マネージャのAndrea Accomazzoさんがガッツポーズをしていて、やった! という感じ。こういう時の様子に国の違いはあまりなくて、「うちの子がやったよ!」感にあふれていたように思います。

探査機のミッションをリアルタイムで見守って、達成を分かち合う機会というのはそうしょっちゅうある機会ではありません。見ていてよかった。楽しかった。

おめでとう、ロゼッタ冬眠からお目覚め。彗星到着、そして初の彗星探査もきっと見守ります!

ロゼッタからの通信が届いた瞬間。

ロゼッタからの通信が届いた瞬間。

起きろ! ロゼッタ!! 1月20日彗星探査機「Rosetta」冬眠開け

2014年1月20日10:00 UTC (日本時間1月20日19:00) 、1週間後にESAの彗星探査機Rosettaが、2年7カ月ぶりに冬眠モードから開けて活動を再開します。8月のチュリモフ・ゲラシメンコ彗星到着、11月に予定されている史上初の彗星着陸探査がとても楽しみです。

ESAは、#wakeuprosetta キャンペーンを開始しており、ロゼッタ休眠開け応援動画の投稿などを募集中。↓の公式動画に関連してたくさんの投稿が寄せられています。こんな風に、探査機をSNS上で応援するのはいいですね。「はやぶさ」のタッチダウンの時にはまだそうと知らなかった私ですが、貴重なミッションをリアルタイムで応援する機会です。

思いっきり応援しましょう!

あるとき、ロゼッタという名の探査機が夜空に打ち上げられました。
待ち受ける長い長い旅は、太陽系のふしぎを解き明かすため。
ロゼッタは小さなお供、着陸機のフィラエを連れて
ずっとずっと長い間の夢、ついにその旅路に出ました。
とても遠いチュリモフ・ゲラシメンコ彗星を追うのです。

ロゼッタはたくさんのエネルギーが必要なので、
地球と火星を周って手に入れました。美しい景色を見ながら
どんな探査機もいったことのない道へ向かいます

ロゼッタはダイヤモンド型の何かをみつけました。
小惑星シュテインスです。
地球の誰もまだ見たことのない、驚くような写真をたくさん撮って
ロゼッタが速度を上げると、ダイヤモンドは去っていきました。

その先に、巨大な姿が現れました。
年経た大岩ルテティア、高さ100キロ、幅100キロで
表面には大きなクレーター。ロゼッタは故郷にたくさんの写真を送ります。
こんな驚異もまだ始まったばかり冒険のひとつなのです。

力をくれる太陽から遠くなり
ロゼッタはなんだかとてもくたびれてきました。休息が必要です。
宇宙の旅はまだまだ続きます。
ロゼッタは深い眠りにつきました。2年と7カ月12日のあいだ。

さあ、ロゼッタが起きて、目を開けるときが来ました
起きて、ロゼッタ。君とフィラエには彗星追跡が待っているよ
起きて。起きて! ロゼッタ!