アメリカ国家偵察局がNASAに、人工衛星をプレゼント！？

NASAと言えば、アメリカの世界最大の宇宙機関として有名ですが、実はアメリカにはNASAに加えてもう一つ宇宙機関があります。いくつかある諜報機関の一つでもある、国家偵察局（NRO）です。

NROもNASAもそれぞれ自分の衛星を運用しているわけですけれども、NROは偵察衛星の開発と運用をメインにしており、「キーホール」というコードネームの有名な偵察衛星もここの所属です。

先日、NASAが「よその省庁から余った衛星もらってきたので、搭載する科学機器を募集します！」というニュースが流れました。この衛星は科学技術プラットフォーム衛星「NSTP-Sat」としての打ち上げが計画されています。2021年頃に地球の低軌道や静止軌道、また地球と月のラグランジュポイントや、月軌道まで送り込まれるかもしれないそうです。

NASA seeks payload ideas for mystery satellite - SpaceNews.com
http://spacenews.com/nasa-seeks-payload-ideas-for-mystery-satellite/

この衛星は現在ではあまり見なくなった円筒形のスピン安定方式であり、ヒューズ・スペース・アンド・コミュニケーションズ（現ボーイング）の「HS-389」、もしくは「HS-393」と一致すると言われています。HS-389はインテルサット6シリーズに使用されるなど、商用でも広く利用された衛星バスでした。

ボーイング製の商用スピン衛星バスは2003年に打ち上げられた「e-BIRD」に使用されたHS-376を最後に使われていませんので、このNASAの衛星が打ち上げられることになれば20年弱ぶりという事になります。


▲NASAが公開した「NSTP-Sat」の外観。（Credit：NASA）

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日本が打ち上げるUAEの火星探査機「アル・アマル」

先日、三菱重工がアラブ首長国連邦（UAE）の火星探査機打ち上げを受注したことが報道されました。

三菱重工業は、アラブ首長国連邦（UAE）のドバイ政府宇宙機関であるMBRSC（The Mohammed bin Rashid Space Centre）から、火星探査機の打上げ輸送サービスを受注しました。UAE建国50周年を迎える2021年に、中東初となる無人探査機の火星到着を目指すもので、2020年にH-IIAロケットでの打上げを予定しています。
UAEドバイのMBRSC から火星探査機打上げ輸送サービスを受注

▲火星上空の「アル・アマル」の勇姿（Image：UAESA）

2020年に打ち上げられるこの火星探査機の名は、アラビア語で「希望」「望み」を意味する「アル・アマル」と呼ばれています。


探査機の科学目的

探査機はアラブ首長国連邦の建国五十周年を記念して打ち上げられるものであり、科学目的としては、火星大気の観測を主な目的としています。火星大気の上層部と下層部とでどのような相互作用が起きているのかといった内容の観測を行います。

そして、火星全体での大気や気候変動をモデル化し、現在は希薄となった火星の大気がこれまでどのように失われていったのか、そういった謎を解き明かすことを目指す探査機です。

つまり、火星表面近くに存在している水分や、氷の雲、砂嵐、わずかな二酸化炭素の大気と、火星上層部において酸素や水素が失われていった事の関連・相互作用を調べるのです。それらの観測データは1テラバイト程になると予想されています。


探査機の機体

探査機は、三枚の展開式太陽電池パドルを持つ、重量1.5トンのアルミニウム・ハニカム構造の六角柱状です。全長は2.9メートル、幅は2.37メートルです。

構体系	軽量アルミニウム・ハニカム構造 全長：2.9メートル　全幅：2.37メートル　重量1500キログラム
電源系	3枚の展開式太陽電池パドル、電気出力600ワット
通信系	直系の1.5メートルのハイゲイン（高利得）アンテナ 無指向性のローゲイン（低利得アンテナ）
通信速度	火星が地球に接近している時点で1.6Mbps（メガビット毎秒）
誘導	スタートラッカー・太陽センサ
姿勢制御	5ニュートン化学スラスター×8～12基 三軸姿勢制御用リアクションホイール
推進系	120ニュートン化学スラスター×4～6基

推進系、つまり探査機に搭載されているロケットエンジン（スラスター）については、500～600ニュートンといった大型のものを1基搭載するのではなく、120ニュートンのものを4～6基搭載する予定であり、万が一のトラブルの際の冗長性を確保する目的があるのかもしれません。

宇宙探査機において、こうした複数の小型スラスターを組み合わせてクラスター化して運用した機体としては、アメリカNASAの火星探査機「マーズ・リコネッサンス・オービター」や、同じくNASAの月探査機「ルナー・リコネッサンス・オービター」等が挙げられます。


（Image：UAESA）


観測機器

「アル・アマル」の観測機器は3つの機器を搭載しています。

Emirates eXploration Imagerエミレーツ・エクスプロレーション・イメージャ（EXI）
高解像度のカラー画像撮影や、火星大気中の氷や砂塵、オゾンの観測を行う装置です。

Emirates Mars Ultraviolet Spectrometerエミレーツ・マーズ・ウルトラヴァイオレット・スペクトロメーター（EMUS）
紫外線を利用して、火星全体の上層大気から酸素や水素がどのように離脱していくかを観測する装置です。

Emirates Mars InfraRed Spectrometerエミレーツ・マーズ・インフラレッド・スペクトロメーター（EMIRS）
赤外線を利用して、火星大気の温度分布のほか、氷、水蒸気、塵の観測を行う装置です。

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探査機の重量の割に観測機器の数は抑えられているような印象を受けます。
日本の火星探査機「のぞみ」では500キログラムの機体に14もの観測機器を搭載していたのは、流石にちょっと多いと思いますけれども、最新のNASAの火星探査機「MAVEN」においては、8つの観測機器が搭載されています。

これは恐らく火星周回軌道へ投入への技術実証が主な目的で、科学観測はあくまでも付随ミッションであるのかなと思います。本格的な科学観測ミッションはこの「アル・アマル」に続く機体で行うのでしょう。

日本は1998年に、宇宙科学研究所が火星探査機「PNALET-B/のぞみ」を打ち上げました。
「のぞみ」は残念ながら火星周回軌道へ到達することが叶いませんでしたが、
この「アル・アマル（のぞみ）」は無事に火星周回軌道に到達できますよう！

核弾頭で小惑星を破壊せよ！地球を守るNASAの「HAIV」計画と科学探査！

太陽系には無数の小惑星が存在しています。その中でも地球近傍小惑星（NEO）と呼ばれるものは、文字通り地球の公転軌道に近い軌道を持つ小惑星です。これらはものによっては地球へ衝突する可能性があるとされ、警戒の対象ともされています。

さて、映画「アルマゲドン」のように小惑星が地球へ衝突しそうだ！となった場合一体どうするのでしょうか？

天体は秒速数十キロというものすごい速さで移動しているため、数キロ程度の小惑星であっても衝突時のエネルギーは凄まじいものになり、全地球規模の気候変動すら引き起こしうる大災厄となります。

その対策の一つとして考案されたのが核弾頭による小惑星の破壊です。NASAの「HAIV」計画では、核弾頭を搭載した宇宙機をロケットで打ち上げ、小惑星にぶつけて破壊して地球に降り注ぐ破片を小さなものにしてしまおうというものです。

An Innovative Solution to NASA's NEO Impact Threat Mitigation Grand Challenge and Flight Validation Mission Architecture Development | NASA
https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2012_phaseII_fellows_wie.html#.VeJ3l_ntlBd

機体は「リーダー機」と「フォロワー機」の2機で構成されています。リーダー機はフォロワー機に先行して小惑星に衝突してクレーターを開けます。リーダー機はKEI「キネティック・エネルギー・インパクター」とも呼ばれ、秒速10キロから30キロにも及ぶ衝突エネルギーを利用します。

そしてフォロワー機の核爆発装置NED（ニュークリア・エクスプローシヴ・デヴァイス）をクレーターに突入させて地下核爆発を起こさせるというものです。


▲核弾頭を搭載した「HAIV」。中規模の惑星探査機といった感じです。（Credit：NASA）



▲リーダー機が作り出したクレーターに突入するフォロワー機（Credit：NASA）



▲70メートルの小惑星に核出力70キロトンの核弾頭を衝突させた場合のシミュレーションです。まるで液体であるかのように粉砕されています。（Credit：NASA）

アメリカの大型ロケット「デルターIVヘヴィ」であれば2メガトンの熱核弾頭を搭載して打ち上げられるとの事です。重量に対して絶大な破壊力を得られる核弾頭はこうした小惑星の破壊において非常に有用であると考えられています。

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さて、地球に落ちてくる小惑星の破壊に使える核弾頭ですが、もう一つ思いついた用途が科学探査です。

惑星探査機は様々な分析装置を持って行っていますが、その中には対象の小惑星などにどういった物質がどれくらい存在しているかをX線を用いて分析するX線分光計というものが搭載されることがあります。

物質はその種類ごとにX線を照射された時に、蛍光によって出すX線のスペクトル（波長）が異なります。太陽からのX線や、一緒に持っていった放射性物質を利用して、そこからの蛍光を観測することで物質の存在を確認できるのです。これは「蛍光X線分析」と呼ばれています。

また「はやぶさ」のようなサンプルリターンミッションでは地球に持ち帰ったサンプルにX線を照射することで同様の分析を行ったりします。サンプルリターンミッションでは宇宙探査機に搭載する機器よりもずっと大きな地上の分析装置を使えるため、精度よくじっくりと分析できるというメリットがあります。

そうしたX線を利用した分析のほかに、中性子を利用した「中性子放射化分析」という方法があります。中性子を対象の物質に衝突させると核変換が起きて放射性同位体が生み出されます。その放射性同位体が出す放射線のエネルギーと半減期を観測することで、元々どういう物質が含まれていたかを分析する技術です。


▲中性子放射化分析の概要。中性子によって放射性物質へと一旦変換し、その放射線から元々の物質を推定する。（Credit：Missouri University）

そのように放射線を利用した科学観測は惑星探査において一般的に行われているのですが、このX線や中性子線を大量に放出する装置として核爆発装置は利用できないかと思いました。

小惑星で核爆発させた際に放出される強力なX線と中性子線を利用し、小惑星の構成物質を観測できるかもしれません。さらに核爆発による小惑星の軌道の変化を観測すれば重心や比重、内部構造もわかるかもしれません。

極めて強力な放射線源として利用できるため、これまでにない科学観測が可能になるのではないでしょうか。もっとも、核出力や、爆発する位置によっては対象の小惑星は粉々にされてしまう可能性が大ですが…

オマケに地上からの核兵器削減にもなります。核弾頭搭載の宇宙探査機の打ち上げのリスク管理などは考えなければいけませんが、これまでにも核弾頭を搭載した大陸間弾道ミサイル（ICBM）は開発されてきましたので技術的な問題点はそんなに無いかと思われます。

他にも核爆発装置は宇宙開発において、他の惑星への移民を行う際の土木工事などにも活用できると思います。核爆発装置も人間に危害を加える核兵器としてではなく、こうした地球防衛や科学探査に活用されればと思います。

水星探査機「ベピ・コロンボ」の「T6」型イオンエンジン

日本のJAXAと欧州宇宙機関ESAの共同での水星探査計画である「ベピ・コロンボ」

探査機は複数の機体で構成され、磁気圏を探査するJAXAの「MMO」、「MMO」を強烈な太陽光から守る日除け「MOSIF」、地表面などを探査するESAの「MPO」、そしてこれらをひとまとめに水星へと送り届ける推進モジュールの「MTM」となっています。

探査機が水星に行くために欠かせない「MTM」とそのエンジンである「T6」について少し紹介してみたいと思います。


(Credit：ESA)

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「MTM」

水星探査機「ベピ・コロンボ」のMTM（Mercury Transfer Module）はアポロで言うところの機械船、サービスモジュールのようなものです。二液式の化学推進系と、強力な電源装置が付いた電気推進系のシステム一式を備えております。


▲組立中の「MTM」（Credit：ESA）


▲「MTM」上にイオンエンジンを設置する「スラスター・フロア」と呼ばれる部分です。各エンジンごとに2軸のジンバルを有しており、エンジン自体を好きな方向に指向させる事ができます。


▲ジンバルの上に載った「T6」エンジン

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「T6」イオンエンジン

推進モジュール「MTM」に搭載される英国クインテック社製、カウフマン型イオンエンジン「T6」の試験の様子です。美しい青い光を放っていますね。

「T6」は超低高度の重力観測衛星「GOCE」に搭載された「T5」の発展型モデルで、静止軌道上の通信衛星にも用いられています。「T6」イオンエンジンは1基あたり145mNの推力を生み出し、探査機を水星へと向かわせます。

この「T6」を４つ搭載する「MTM」は太陽から0.3AU（約4400万キロ）の距離で太陽電池により13.2kWの電力を発生させ、エンジンを作動させています。


（Credit：NASA）


（Credit：ESA）

【ネタ】原子力ぷっちょロケット

先日、ぷっちょを固体燃料とするロケットに成功したそうですね！

おめでとうございますヽ(=´▽`=)ﾉこういうのステキですよね☆

http://www.uha-mikakuto.co.jp/candyrocket/
Candy Rocket Project

ぷっちょが溶けながら燃え、ガスとして噴射されることで飛び立つという仕組みだそうですね。

▲溶けたぷっちょがガスとなって噴射される。

和田所長「そうです。キャンディーは主に水飴と砂糖が主成分となり、どちらも糖（麦芽糖、ショ糖）です。さらに分解するとブドウ糖やフルクトース（果糖）などで構成されており、いわゆる炭水化物に分類されます。

　炭水化物は炭素と水素、酸素で構成されていて、燃焼すると炭と水になります。ここに液体の酸化剤を加えてさら高温にし、完全燃焼させることでこれら糖類の成分がガス化しロケットの推進力になります。糖類はカロリーが高いので多くのエネルギーを燃焼によって絞り出すことができるのです。」

（引用：http://weekly.ascii.jp/elem/000/000/311/311373/）

なるほどキャンディの炭水化物と酸化剤を利用した推進剤というわけです。

それで！それでですね、炭素や水素は原子炉の減速材にもなるのです。

炭水化物に含まれる炭素と水素を中性子減速材にした原子炉で、その核分裂エネルギーで溶けたぷっちょを噴射する、原子力ぷっちょロケットも実は作れるのかもしれません！

原子炉（ぷっちょ炉）はぷっちょの炭水化物の水素と炭素によって中性子を減速させる体系であり、高濃縮ウランを使用した炉心の臨界質量はかなり小さくできるはずです。

中性子を減速させる熱中性子炉とすることで核分裂が起こりやすくなり（核分裂反応断面積が大きくなる）結果的に臨界に必要なウランの量を少なく出来ます。

原子炉が臨界に達すると核分裂連鎖反応によりぷっちょが高温に加熱されます。溶けたぷっちょが気化してガスとなって噴射されることでロケットは飛び立つのです。

こうすると、ぷっちょは中性子減速材でありつつ、ロケット推進剤でもあるのでこの燃料を噴射し尽くすと中性子の減速がほとんどされなくなる「スペクトル硬化」の状態となり、核分裂反応が起きにくくなります。そうすると炉心は未臨界となり、原子炉は自然停止します。

核燃料には高濃縮ウランを用いることで、手のひらサイズの原子炉が実現できます。そうした小型炉心だと中性子漏れ量が大きくなるので、中性子吸収体の制御棒を使うよりは周りの中性子反射体を操作するほうが反応度制御しやすいはずです。

ぷっちょ炉の構造は、構造材を兼ねた黒鉛ブロックに燃料集合体とぷっちょ集合体を装荷した炉心になるかと思います。


核燃料には高濃縮ウランのほか、高富化度のプルトニウム燃料を用いる事も可能です。未臨界状態の時の崩壊熱量が大きいために熱制御が難しいことや、自発核分裂などによる中性子線やガンマ線の放射がある程度大きいために扱いづらいという欠点があるものの、臨界質量はウランよりも小さくできるため、ロケットに用いる炉心の小型化に役立ちます。

PropUlsion reaCtor Carbon-Hydrogen mOderated …炭素水素減速推進用原子炉…略して「PUCCHO」！

核エネルギーでキャンディを噴射して飛ぶロケット、ロマンじゃありませんか！

※発射時は出来る限りロケットから離れてくださいね！