深宇宙で活躍する小型衛星は大きな課題に直面している(spacenews翻訳2/17)
アルテミス１
11月中旬、3回目のアルテミス1打ち上げに挑戦するためにケネディ宇宙センターに集まった人々のほとんどは、打ち上げ施設39Bに立つ巨大なスペース・ロンチ・システムロケットと、その上に乗るオリオン宇宙船に注目していました。クレイグ・ハードグローブ氏は、もっと小さなものについて考えています。
アリゾナ州立大学の教授であるハードグローブ氏は、SLSに二次ペイロードとして乗り込んだ10個のキューブサットのうちの1つであるルナH-Mapの主任研究員です。この6基のキューブサットは、月の南極にある水の氷の濃度を測定するための中性子スペクトロメーターを搭載しています。
打ち上げまでの数カ月間、彼はルナH-Mapの健康状態について静かに懸念を表明していました。2021年半ばに納入された探査機は、その年の秋にロケットに搭載され、その後はバッテリーを充電する機能がありません。アルテミス1号の打ち上げが2022年初頭から年末にずれ込んだため、バッテリーが放電し、展開直後の宇宙船が作動しないのではないかと心配したのです。
打ち上げ数時間前にKSCの記者会見場で、彼はルナH-Mapについて慎重に楽観的な見方を示しました。
キューブサットに搭載されているようなバッテリーの地上試験では、放電率が低く、まだ十分な充電量が残っているはずだといいます。仮に電池が消耗しても、宇宙船の太陽電池パネルで十分に充電でき、打ち上げ後数日で重要なマヌーバに備えられるそうです。
キューブサットの電池を心配しなかったのは正解でした。
打ち上げから1ヶ月後、アメリカ地球物理学連合（AGU）の秋季総会でルナH-Mapについて講演した際、彼は「最初のテレメトリーを受け取ったとき、我々のバッテリーは70%の充電状態だった」と述べました。それはバッテリーがどこにあるかという、非常に楽観的な予測に沿ったものだったのです。
代わりに問題となったのはキューブサットの推進システムで、ブセック社のBIT-3と呼ばれる固体ヨウ素を推進剤とする電気スラスターでした。
このスラスターが打ち上げ後の数日間、期待通りに作動しなかったため、探査機は月の軌道に乗るための主要な機会を逸してしまったのです。
ハードグローブ氏は、ルナH-Mapからのテレメトリーにより、スラスタのバルブが部分的に閉じたまま固着していることが示唆されたと述べました。「固着は私たちが知っていたことです」
と彼は言い、それは打ち上げまでの長い待ち時間に起因することを示唆しました。
「私たちは1年間も待ちたくはなかったのですが、選択の余地はなかったのです」
エンジニアは、バルブを加熱することで解放されるかもしれないと考えています。1月中旬までにそうなれば、ルナH-Mapは約1年後に月の周回軌道に入ることができる別の軌道に操縦することができると、彼は言いました。
さまざまな問題
ルナH-Mapの経験は、深宇宙小型衛星が直面する課題を象徴している。宇宙船の開発者は、地球軌道上でキューブサットやその他の小型衛星を作った経験を、より技術的に要求の厳しい月やその先のミッションに生かすことを望んでいた。初期の成功は、2018年に火星へのインサイト・ミッションに同行し、インサイト・が着陸する際にインサイトからのテレメトリーを中継したNASAの双子のマーズ・キューブ・ワン（MarCO）です。
しかし、アルテミス1で打ち上げられたキューブサットの半数以上が、打ち上げ後に問題を起こし、最低でもそのミッションを危うくするような事態に陥った。これらの問題は、宇宙機関と新興企業の両方によって作られたキューブサットに影響し、技術的な共通点はほとんどありませんでした。
オモテナシ
アルテミス1号で打ち上げられたキューブサットの中で最も野心的だったのが「OMOTENASHI」です。
Outstanding Moon Exploration Technologies Demonstrated by Nano Semi-Hard Impactorの頭文字をとって作られた造語です。OMOTENASHIは、日本の宇宙機関JAXAが開発したもので、固体ロケットモーターとエアバッグを使って、1kgに満たない小型の探査機を月に着陸させることを目的としていました。
しかし、探査機の姿勢制御や電源に問題があったため、分離後、管制官は「OMOTENASHI」との通信を確立するのに苦労しました。着陸に必要なマヌーバに間に合わなかったのです。
また、NASAのNEAスカウトは、6Uキューブサットが86平方メートルのソーラーセイルを展開し、地球近傍の小さな小惑星にマヌーバして高解像度の画像を収集するという高い目標を掲げていました。
しかし、NEAスカウトは打ち上げ後、管制官との交信に失敗した。地上の望遠鏡に映るかもしれないと、NEA Scoutにソーラーセイルを展開するようコマンドを送ったこともありましたが、展開した形跡はありませんでした。
NEAスカウトや「OMOTENASHI」ほど複雑でないキューブサットにも問題がありました。NASAが資金提供した「太陽電池パルスの研究用キューブサット」（CuSP）は、展開後まもなく1時間だけテレメトリを返しましたが、それ以来音沙汰がありません。
不吉なことに、この探査機からの最後のデータは、バッテリーの1つの温度が急上昇していることを示していました。
ルナ・アイス・キューブ
月の軌道を周回して水の氷を探すためにNASAが資金提供した別のキューブサット、ルナ・アイス・キューブは、展開後すぐに制御装置と連絡を取りました。
しかし、NASAのゴダード宇宙飛行センターは11月29日の更新で、ミッションチームは「今後数日のうちに科学軌道に乗せられるよう、キューブサットとの通信の試みを続けている」と述べています。
NASAはそれ以来、最新情報を提供しておらず、モアヘッド州立大学のミッションの主任研究員は、コメントの要求に応じませんでした。
ロッキード・マーチン社のルナIR宇宙船は、赤外線センサーを実証しながら、ただ月のそばを飛行するように設計されていました。
しかし、同社は12月に、「無線信号に予期せぬ問題が発生した」ため、フライバイ中に観測を行うことができなかったと発表しています。それでもロッキード社は、赤外線センサーとクライオクーラーを6Uキューブサットに搭載できることを証明し、このミッションを技術実証として成功させたと述べています。
ロッキード・マーチン社とは対照的に、新興企業のマイルス・スペース社は、チーム・マイルスのキューブサットもアルテミス1に搭載しました。 同社は、推進および通信技術をテストするNASA100周年チャレンジコンペで、この打ち上げに参加する枠を獲得したのです。
マイルズ・スペース社の最高経営責任者であるウェス・ファラー氏は、キューブサットが転倒しているように見え、計画した軌道からわずかに外れていると述べています。地上局は、送信機が視界に入ったり出たりしているため、宇宙船から個々のデータパケットの断片しか得ていません。「DNAの断片からゲノムを解読するのと同じような作業だ」と彼は1月初めに語りました。
これはしばらく時間がかかりそうです。
複雑なSIMPLEx
ルナH-Mapは、Small Innovative Missions for Planetary Exploration（SIMPLEx）と呼ばれるプログラムを通じて、NASAの惑星科学部門から資金提供を受けています。2015年に開発対象として選ばれた2つのキューブサットミッションのうちの1つです。
SIMPLExのもう1つのオリジナルミッションは、キューブサット、CubeSat Particle Aggregation and Collision Experiment（Q-PACE）で、微小重力下で小さな粒子が衝突して大きな粒子を形成する様子を研究し、太陽系の形成について科学者が理解するのに役立てるというものでした。
Q-PACEは、2021年1月にヴァージン・オービットが初めて成功させたLauncherOneミッションで地球低軌道に投入されましたが、キューブサットが地上に接触することはありませんでした。
これらのミッションのいずれかが打ち上げられる前であっても、NASAはSIMPLExプログラムの第2ラウンドに移行し、より大きな小型衛星のミッションに焦点を当てました。
小惑星の連星を飛行するヤヌス・ミッション、水の氷を探すルナ・トレイルブレイザー月周回衛星、太陽風と火星の相互作用を研究するEscape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers（EscaPADE）の3つを2019年の開発対象として選定したのです。
それぞれのミッションの費用上限は5500万ドルでした。
この3つのミッションはすべて問題に見舞われ、そのうちのいくつかはコントロールできないものでした。
当初の計画では、EscaPADEとヤヌスの両方が、同じ名前の金属製のメインベルト小惑星を目指すディスカバリー級ミッション、プシュケーの二次ペイロードとして飛行する予定でした。
しかし、ファルコン9からファルコンヘビーへのロケット変更に伴い、プシュケのミッション設計が変更され、当初の予定通り火星周回中にエスカパデを降下させることができなくなったのです。
その後、EscaPADEはロケットラボのフォトン衛星バスを使用して、ミッションを再設計し、早ければ2024年に打ち上げられる可能性があります。
しかしNASAはEscaPADEの打ち上げ方法についてまだ発表していません。
ヤヌス・ミッション
一方、ヤヌスは、プシュケーのソフトウェア開発の問題により、2022年8月の打ち上げウィンドウを逃したため、宙に浮いた状態になっています。
プシュケーは2023年10月の打ち上げに再調整されましたが、その機会はヤヌスに興味のある連星系小惑星のそばを飛行できるような軌道を提供するものではありません。
ヤヌスがいつ、どのように飛行するかは不明です。
NASA の惑星科学部門のディレクターであるロリー・グレイズ氏は、12月の AGU Fall Meeting のタウンホールで、「私はヤヌスにもう乗ることはない」と述べました。
彼女は、ヤヌスの推進システムには以前から公表されていない問題があったと付け加えています。
ヤヌスの推進システムには、これまで公表されていなかった問題があり、「ミッションを遂行できる確実性に疑問がある」と彼女は述べました。
彼女はヤヌスの問題について詳しく説明せず、宇宙船を製造したロッキード・マーチン社もこの問題の詳細を説明しませんでした。
グレイズ氏は、チームが残りの資金を使ってヤヌス宇宙船で実行可能な代替ミッションを検討することを許可すると述べましたが、何の保証もしないと述べています。
「彼らは新しい計画案を持って戻ってくるかもしれないが、この時点では新しいミッションになるだろう」
ルナ・トレイルブレイザー
ルナ・トレイルブレイザーはまったく異なる問題を抱えています。
月周回衛星は、一時は2022年末に打ち上げられる予定だったが、NASAのIMAP宇宙科学ミッションの二次ペイロードとしての当初の打ち上げは、2025年初頭にずれ込んでいました。
2022年6月、NASAは、IM-2（インテュイティブ・マシーン社による2番目の商業月着陸船ミッション、早ければ2023年半ばに打ち上げ予定）の副ペイロードとして、同宇宙船の代替輸送を確保したことを発表しています。
しかし、宇宙船の主契約者であるロッキード・マーチン社が、追加のエンジニアリングと設計作業を必要と判断したため、宇宙船自体のコストオーバーに直面しています。NASAはこのミッションの見直しを行い、11月には、当初の費用上限を30％以上上回る7200万ドルの修正費用で、このミッションを進めることを決定しました。
成功の秘訣
SIMPLExミッションやアルテミス1キューブサットでは苦戦を強いられましたが、小型衛星は地球軌道の外でいくつかの成功を収めています。
JAXAのアルテミス1の2番目のキューブサットであるエキュレウス、EQUULEUS（Equilibrium Lunar-Earth point 6U Spacecraft）は、月面通過に成功し、地球-月のL-2ラグランジュポイントへの低エネルギー軌道に乗せる水ベースの推進システムのテストに成功しました。
NASAのBioSentinelキューブサットは展開後、転倒していました。
しかし、制御装置は宇宙船を安定させ、微生物に対する放射線の影響を調査するために月のそばを飛行する宇宙船との接触を維持することができました。
イタリアのアルゴテック社がイタリアの宇宙機関ASIのために製作した技術実証用キューブサット「アルゴムーン」は、展開後に地球と月の画像を撮影しています。
しかし、同社は宇宙船の試運転に当初の予定よりも時間が必要であると述べました。この成功は、アルゴテックが製作した別のキューブサット、LICIACubeがNASAの二重小惑星リダイレクトテスト（DART）宇宙船から展開され、9月にDARTが地球近傍小惑星ディディモスの周りを回る月、ディモーフォスに衝突する画像を返した後に起こったものです。
LICIACubeは期待以上の成果でした。
「NASAはLICIACubeから2、3枚の画像を得ることを期待していた」と、アルゴテック社のCEOであるデビッド・アヴィーノ氏は11月のインタビューで語っています。
「我々の宇宙船が撮影した写真は627枚でした」
彼は、2つのキューブサットミッションの成功が、地球軌道と深宇宙ミッションの両方のために、その小型衛星のためのより多くの需要を生み出すことを期待しています。
「安くはないが、信頼性の高いものを作りたい」と彼は言います。そのキーワードは信頼性です。つまり、深宇宙でも5年は使えるようなものです」
アルテミス1のキューブサットに携わった人々は、打ち上げ前から、多くの衛星が故障する可能性があることを知っていました。
2022年4月に開催された深宇宙小型衛星に関するワークショップの報告書では、設計者が技術的・コスト的な限界に直面し、ミッションの失敗率が高かった初期のキューブサットと比較して、彼らの取り組みが紹介されています。
報告書では、アルテミス1に使用された6Uのフォームファクターを12Uのような大きなものに変更し、部品の搭載と放熱を容易にすることが提言されています。
また、姿勢制御や通信などの主要なサブシステムの技術改善や、ライドシェアとしてのキューブサットの収容方法の変更も求めています。
報告書の結論は、「ほとんどの基準開発チームは、この論文で議論された開発問題の多くは、深宇宙用の『次世代』キューブサット・ミッション・アーキテクチャに普遍的に適用できるソリューションを用いることで軽減できると考えている」です。
その中には、後のアルテミス・ミッションに同乗するキューブサットも含まれる可能性があります。NASAの探査システム開発担当副長官であるジム・フリー氏は、12月21日のニューヨーク宇宙ビジネス・ラウンドテーブルによるウェビナーで、NASAは次の2機のSLS打ち上げであるアルテミス2と3でキューブサットを飛ばす準備をしていると発言しています。
グレイズ氏はAGU Fall Meetingで、SIMPLExミッションのいくつかが直面している困難にもかかわらず、もっと多くのことをやりたいと述べました。唯一の困難は、そのための資金を得ることです。
「私はSIMPLExプログラムが大好きで、早くまた提供したいのです」と彼女は言いました。
「でも、ある程度の予算が必要なんです」
一方、ハードグローブは、LunaH-Mapについて、打ち上げ前に抱いていた慎重な楽観主義を維持していました。
彼は12月に、キューブサットが月を通過するときに中性子スペクトロメーター装置をテストするなど、他の宇宙船のシステムがうまく機能していることを指摘しています。
もし1月中旬までにスラスターが直らなかったとしても、その後復旧すれば、小惑星フライバイのような代替ミッションを実行することは可能かもしれません。
「私たちは死んでいない。うまくいけば、すぐにでも推進システムに点火できると思います」
この記事は、SpaceNews誌2023年1月号に掲載されたものです。
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