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1 CanSat とロケット実験 ( 99~) Nano-JASMINE 14 小は大を兼ねる? - 超小型衛星による新しい宇宙開発への挑戦 - 東京大学中須賀真一 PRISM 09 CubeSat 03,05 Hodoyoshi-1 13

2 東京大学工学系研究科 18 専攻 6 付属センター等 社会基盤学専攻 マテリアル工学専攻 建築学専攻 応用化学専攻 都市工学専攻 化学システム工学専攻 機械工学専攻 化学生命工学専攻 航空宇宙工学専攻 先端学際工学専攻 精密工学専攻 原子力国際専攻 電気系工学専攻 バイオエンジニアリング専攻 物理工学専攻 技術経営戦略学専攻 システム創成学専攻 原子力専攻 ( 専門職大学院 ) 総合研究機構 国際工学教育推進機構 水環境制御研究センター 量子相エレクトロニクス研究センター エネルギー 資源フロンティアセンター 光量子科学研究センター

3 航空宇宙工学を支える先端研究 燃焼 流体力学 プロジェクトマネジメント 宇宙推進 飛行力学 制御 航空機ロケット人工衛星 システム ものづくり 設計 他分野へスピンオフできる先端技術の創成 システム統合技術の鍛錬 人工知能 構造力学 航空宇宙材料 宇宙利用

4 目次 ロケットと衛星 人工衛星のサイズの問題 CANSAT から CUBESAT そしてその先へ 大学学生の挑戦 教育から実用へ 超小型衛星が拓く未来

5 太陽電池展開 衛星切り離し 衛星の業務 ( ミッション ) 通信 放送 GPS( カーナヒ ) リモートセンシンク ( 地球の写真を撮る ) など 1 段切り離し フェアリング分離 モーター分離 地球を回る ロケットによる打上げ 打上げから人工衛星切り離しまで

6 かぐや衛星量(中 大型衛星による宇宙開発の閉塞化 大型化の一途 3.0 重 ト )1.0 1 機数百億円の莫大なコスト 5~10 年の長期開発必要 失敗を許さない超保守設計 ほとんど国のみが顧客 広がらない宇宙利用 技術革新のスピード乏しいン 技術革新のスピード乏しい かぐや (3t) 静止衛星その他の衛星 だいち (4t)

7 では 小さな人工衛星は作れないか? 小型化が進んでいる身のまわり! 携帯電話 コンピュータ ( 特にパソコン ノートパソコンソン ) カセット CD MDプレーヤー 電子辞書 液晶テレビ 時計 GPS --- 小型化は可能 でも大型衛星をただ小さくしただけではだめだ! 鍵 発想の転換 既成観念の打破 別のメカニス ムでの機能の実現 単純機能化 小型化できるものだけ( 全ては無理 )

8 中 大型衛星の問題点と小型化 円以上衛星 大型化の一途 1 機数百億円の莫大なコスト 5~10 年の長期開発必要 失敗を許さない超保守設計 1 機 200 億 かぐや (3t) 3.0 重2.5 量(2.0 ほとんど国のみが顧客 1 機 ト 広がらない宇宙利用 技術革新のスピード乏しい億円ン)1.0 1 機 3 億円 0.5 以下 静止衛星その他の衛星 だいち (4t) 小型衛星 ( kg) 安くするには本質を見極めて 徹底的にシンプル化しないといけない 50kg 以下! 超小型衛星

9 衛星革命!: 超小型衛星の出現 東大のCubeSat(1kg 世界最小衛星 ) 世界に先駆けての成功 ( & ) 大学レベルの予算での開発 開発期間 :2 年 民生品でも約 10 年の寿命 自前の地上局 ( 屋上のアンテナ ) での運用実績 宇宙利用の しきい を下げる Breakthrough 多くの潜在利用者が顕在化 企業とのコラボ開始 CubeSat による地球画像 CubeSat XI-IV & XI-V ロシアでの打ち上げ

10 登竜門 : 訓練の場 CanSats 現在

11 ARLISS ロケットと制約条件 AEROPAC グループの提供 3m 1 段型固体ロケット 到達高度 : 約 4km ペイド重量は ペイロードの重量は合計で 4 パウンド (1.8kg) 以下

12 ARLISS1999 高度 4km まで CAN SAT deployment launch carrier nosecone 放出後 15 ~20 分で着地 アメリカのアマチュアロケットによる打上げと切り離し

13 ARLISS ( アメリカでのロケット実験 ) ARLISS 1999:Sept. 11 東大 東工大 アリゾナ大学, 1 大学ごとに3 CanSats (350ml) ARLISS 2000: July 東大 東工大 日大 九大 アリソ ナ大 スタンフォート ARLISS 2001: August 日本 5 大学 アメリカ3 大学 14ロケット ARLISS 2002: August 2-3 日本 7 大学 アメリカ3 大学 15ロケット ARLISS 2003: 日本 6 大学 アメリカ2 大学 17ロケット ARLISS 2004: 日本 7 大学 アメリカ3 大学 18ロケット ARLISS 2005: 日本 7 大学 アメリカ3 大学 22ロケット ARLISS 2006: 日本 8 大学 アメリカ3 欧州 1:30ロケット ARLISS 2007: 日本 10 大学 アメリカ3 韓国 1:32ロケット ARLISS 2008: 日本 11 大学 アメリカ3 韓国 1:43ロケット

14 装填作業

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17 教育目的の衛星プロジェクトの重要性 宇宙開発プロセスの実践的教育 工学教育 : 学生が衛星プロジェクトのすべて ( ミッションの構想 シナリオ 設計 製作 試験 打ち上げ 運用 ) を経験する 何が重要かを肌で知る! 何もないところから アイデアを起こし システムおよびその利用につなげるプロセスの重要性 作ったものの現実世界からのフィードバックを得る ( 宇宙ではこれまで難しかった!) 学生によるマネジメント : プロジェクトマネージャー 実験主任は学生が行いマネジメントやチームワーク等の経験を得る 4つの管理 : 時間 人間 コスト リスク マネジメント 効果的な会議 ドキュメンテーションの試行錯誤的習得

18 2000 年における失敗 パラシュートとCanSat 本体がパラシュート展開時の衝撃で分離 本体は地面に激突 失敗は大事 そこからは多くのことが学べる 失敗はプロジェクト規模が小さい時に経験しておくべし

19 University of Tokyo s CubeSat Project XI いよいよ宇宙へ! XI IV( サイフォ ) C b S t XI V( サイフイブ ) XI-IV( サイフォー ) CubeSat XI-V( サイファイブ ) 打ち上げ 打ち上げ

20 超小型衛星 CubeSat の概要 1999 年 USSS にて Stanford 大 Twiggs 教授の提唱 10cm 立方,1kg の標準サイズの超小型衛星 世界最小! 各大学独自の製作と共同での打上げ目指す 宇宙工学教育が第一の目的 学生が衛星プロジェクト1サイクル ( ミッションの構想 設計, 製作 試験 打ち上げ 運用 ) を短期に経験する (1,2 年で ) 作ったものの現実世界からのフィードバックを得る 学生主導 : プロジェクトマネジメントの生きた鍛錬 教育を超えた狙い : 新しい宇宙開発への挑戦 民生品利用, 短期開発により しきい を根本的に下げる. 新規技術の大胆な実験, 新しい宇宙利用の試行を手軽に

21 東大 CubeSat XI( サイ ) の概要 構造 10cm 立方, 1kg, アルミニウム (A7075) メインCPU OBC PIC16F877 4MHz( フ ロク ラムメモリ 8k, RAM 368) 記憶装置 EEPROM 32k + 224k 通信系タ ウンリンク MHz, FSK, AX.25, 1200bps, 800mW アッフ リンク 145MHz 帯, FSK, AX.25, 1200bps ヒ ーコン MHz, CW, 100mW 電源系バッテリリチウムーイオン ( マンカ ンタイフ ), 8 並列太陽電池単結晶シリコン, 60 セルバス電圧 5V 姿勢制御永久磁石を用いた受動制御 搭載センサー電圧 電流 温度 カメラ

22 XI-IV IV 外観 太陽電池 アンテナ留め具 アンテナ カメラ穴 外部チェック用装置 photo: XI-IV (Flight Model)

23 XI-IV IV 内部構造 通信系電源系情報処理系 マザーボードインターフェースコネクター カメラレンズ メインマイコン フライトピン XI-III III (EM model)

24 宇宙で使用するためには 真空環境 放射線環境 熱環境 打上げ環境 長距離通信 蒸発 焼き付き (cold welding) 潤滑 放電 素材の変化 熱の集中 等 電子部品の誤動作 破壊 太陽電池劣化 高温ー低温 熱衝撃 温度勾配 等 加速度荷重 振動 音響 衝撃 等 500km 以上の通信 トラッキンク ト ッフ ラーシフト 秋葉原の民生部品 宇宙で動作することを確実に検証して使う システムで強くする技術の重要性

25 打上げ :MOM (Multiple Orbit Mission) 打上げ 日時 :2003 6/30 23:15:26 (JST) 場所 : Plesetsk 軌道 : 830km SSO Launch Vehicle Provider Eurockot ROCKOT other satellites 60kg 級 Separation System Developer CalPoly CubeSat Developer Standford Univ. U of Toronto Aalborg Univ Denmark T. CubeSat &S Separation System Developer U of Tokyo Tokyo Inst. Tech. 上段ロケット BREEZE ー KM により 8 個の衛星を順次分離

26 衛星の運搬は手荷物で!! CubeSat XI-V Tokyo-Narita Airport, May, 2005

27 打ち上げ 2003/06/30 18:15:26 ( 現地時間 ) XI-IV 宇宙へ!!!

28 衛星捕捉第一報 6/30( 月 ) 23:15 ROCKOT 打上げ ( 日本時間 ) 7/1( 火 ) 0:46 衛星放出 3:00 ヨーロッパより CW 捕捉の報 4:36 菅平局が CW 受信 直後に本郷も CW 受信 6:18 FM アップリンクに対しダウン 6:18 FM アップリンクに対しダウンリンク受信

29 太陽が写るとカメラの特徴で黒くなってしまう

30 データ配信サービス XI-IVから取得したデータを広く一般の人に提供し, 宇宙を身近に感じてもらうことを趣旨としたサービス ステータス 画像を PC あるいは携帯電話へ配信 当初の目標を大きく上回る,3000 人以上の方からの登録 現在も募集中! ビジネス化への誘い多数アマチュア周波数帯使用ア周波数帯使用のため実現せずしかし 可能性は明確 ximail/ 宇宙から見た地球を楽しもう!

31 東京大学中須賀研究室 (ISSL) 超小型衛星プロジェクト ~ 教育から実用へ~ 分解能 30mの地球画像天文観測 / 宇宙科学 CubeSat XI-IV 打ち上 PRISM( リモセン衛星 ) げ (ROCKOT) 03/6 打ち上げ 09/1(H-IIA) 教育目的分解能 4km の地球画像 NANO-JASMINE ( 星図作成衛星 ) 打ち上げ予定 14 CubeSat XI-V 打ち上げ UNITEC-1 打ち上げ (COSMOS) 05/10 (22 大学共同 ) 深宇宙衛星 (H-IIA) 10/5 ほどよし PJ:1~4 号機 開発 打ち上げ

32 リモセン衛星 PRISM ひとみ サイズ :8 kg 20cm 20cm 40cm 打上げ年 衛星名 分解能 [m] 重量 [kg] 1999 UoSat (pan) 32 (color) AISat TopSat PRISM 20~30 8 1/23 H-IIA による相乗り打上げ成功 初期運用中 - 伸展式 屈折光学系による高分解能化 - OBC バス 通信系 制御系高性能化 - 超小型衛星実用化に向けた標準バス 1, 伸展前 2, 伸展中 3, 伸展完了!!

33 PRISM 外観 送信用ターンスタイルアンテナ 受信用モノポールアンテナ 太陽電池パネル メインカメラ受光素子 伸展ブーム望遠鏡 サンセンサ 光学レンズ 送信用ダイポールアンテナ

34 メキシコ海岸線

35 ナイル川 広域カメラ 広域カメラ 高解像度カメラ

36 Nano-JASMINE 国立天文台と共同の宇宙科学衛星 ( 位置天文 ミッション ) 衛星サイズ 50[cm 立方 ] 質量 33[kg]( 本体 ) 姿勢制御 3 軸安定方式 通信速度 S 帯 100[kbps] ミッションライフ 2[ 年 ] 89 年の HIPPARCOS 衛星レヘ ルの性能 - 高精度姿勢安定化 (1 秒角レベル ) - 高精度温度安定化 (0.1Kレベル) - FPGAベースの高機能情報系 - 通信系の高速化 ( kbps) - 科学衛星用の高機能標準バス 2013 年ウクライナのロケットによりブラジルで打上げ

37 Nano-JASMINE のミッション ( 仕事 ) 位置天文衛星 : 正確な 3 次元の星の地図を作り 星の動きも調べる 奥行きは 年周視差 を用いて1.8masの精度で決定する

38 打ち上げる機体 ( フライトモデル ) 完成!

39 Flight Model of Nano-JASMINE and dcyclone-4 Launch in 2013

40 超小型衛星のビジネスユースの開始 - 種々のミッションに対応可能な汎用標準バス開発完了 卒業生がヘ ンチャー会社立上げ AXELSPACE WNI-SAT - ウェザーニューズ社の大気観測 氷山観測衛星開発中 2011 打上げ予定 PAF, 通信機モジュール スターセンサー等機器販売

41 Satellites made by UNISEC Universities As of May 2012

42 超小型衛星実用化へ : ほどよしプロジェクト 教育 工学実験が目的: 失敗しても勉強 S/N 比 通信能力など実用に耐えられない 試行錯誤的開発方法( 時に時間かかる ) 様々な用途に応える標準化なし 一品生産 30~1000m 分解能 10 kbps 実用レベルの性能 信頼性 高性能で小型の機器開発 システマティックな開発手法 ( こうやれば確実にできる ) 衛星機器 ソフト等の標準化 ( 様々な用途に対応 ) でも 高コスト 長期開発 にならない手法を追求 2.5~200m 分解能 100 Mbps

43 衛星開発現況 ~ ほどよし 1 号 ~ ミッション撮影方式地上分解能バンド ノイズ信号比 ( 太陽高度 60 度アルベド 0.5) プッシュブルーム 6.8[m] B( [nm]), G( [nm]), R( [nm]), NIR( [nm]) B(57), G(74), R(80), NIR() 刈幅 27.8km 最大連続撮影距離 179km ビット深度 12bit 軌道 軌道種類 太陽同期軌道 衛星基本スペック サイズ 60 x 60 x 60[cm] 以内 質量 60[kg] 以内 ダウンリンクレート 10-20[Mbps] 発生電力 50[W] 姿勢制御 三軸制御 ( 地球指向 ) 2013 年中にロシアの DNEPR ロケットで打ち上げ

44 ほどよし 2 号 (RISESAT) 国際公募による搭載機器 (7 ペイロード ) TriTel 3D Dosimeter (Hungary) サイズ High Precision Meteor counter 50cm 立方 Telescope- HPT -DOTCam 55kg (Taiwan/Vietnam) (Taiwan(NCKU)) ( 通信系 S-band TIMEPIX Particle counter 38.4kbps (Czech) X-band 2Mbps 発電電力 100W 姿勢制御三軸制御 < 0.1 Ocean Observation Camera - OOC (Tohoku University) SDTM MEMS Magnetometer t (Sweden) ロケット 2013, CYC LONE-4 Camera Instruments Sensor Instruments

45 衛星開発現況 ~ ほどよし 3,4 号 ~ ほどよし 3 号 ほどよし 4 号 バス機器 構造 ソフト等の標準化を追及 ほどよし3 号 ほどよし4 号 寸法 H0.65m H0.7m 重量 60kg 66kg 運用軌道 高度約 600km 円軌道 太陽同期 降交点地方時 10 時 ~11 時 姿勢制御 地球指向 3 軸制御 電力 太陽電池 :2 翼固定ハ ト ル+ホ テ ィマウント5 面 発生電力 : 最大約 100W 消費電力 : 観測時平均 : 約 50W 28V 非安定バス 一部 5Vバスも供給 蓄電 :5.8AHリチウムイオンバッテリ 通信 テレメトリ コマント :S バンド コマント :4kbps テレメトリ:4/32/64kbps ミッションテ ータタ ウンリンク :Xバンド10Mbps (4 号機は100Mbpsも実験 ) 軌道制御 テ オーヒ ット用 実験 テ オーヒ ット用 H 2 O 2 スラスタ イオンエンジン ミッション 中分解能光学カメラ 高分解能光学カメラ GSD:40mと200m GSD 5-6m 級 機器実証 高速 X 帯送信機 イオンエンジン Store & Forward, 機器搭載スペース 2 機のヘテロ コンステレーションン 2013 年度中 DNEPR ロケットで打上げ予定

46 超小型衛星で何ができるか? コスト (<3 億 ) 開発期間(<2 年 ) の爆発的な低下により しきい を根本的に下げる 1 地球規模で衛星を分散配置し頻繁に見る ( コンステレーション ) 2 そばを飛ぶ複数機による共同ミッション ( フォーメーションフライト ) 3 パーソナル衛星 マイ衛星の概念 ( パソコンと同様の革命 ) 4 本格的ミッションの前の試行実験 実証がしやすい実証がしやすい 5 海外新興国への衛星開発支援に適切なサイズ 位相差 電波 基線長 衛星 1 衛星 2 干渉計測多点同時計測ステレオ視 フォーメーションフライト コンステレーション

47 農林水産業への応用の可能性 農作物の日々の変化の把握 小麦は収穫日の良しあしで 20% 程度収量変化 施肥 水まき 刈り入れなどのタイミング図る 作物の健康度合いのチェック 森林の管理データ ( 森林簿等 ) 取得 木の種類をスペクトラムで識別 ( いい時期で ) 災害後の状況の把握 松枯れなどの病気監視 桜前線 紅葉 雪形の変化の把握 水産資源の発掘と管理 水温分布の調査で漁場の探索 早期赤潮警報により養殖漁場の退避

48 パーソナル衛星 : 東大 CubeSat の利用に興味を持った企業 団体例 中 大型衛星ではなくとも 宇宙でやれることはたくさんある 高コストの時には現れなかった潜在需要 すでに開発 教育関連会社 ( 画像等を宇宙の教材に ) 地方公共団体 ( 衛星作り自体が青少年の理科教育に 災害時の空からの画像 通信機能欲しい ) 機器メーカー ( 会社製品の宇宙利用で宣伝にしたい ) アマチュア天文家 ( 自分達で専用に使える宇宙天文台 ) 気象予報会社 ( 独自のコンテンツ欲しい ) ( WNI 衛星 ) 宇宙機関 企業 ( 技術の早期実証と若手の技術訓練 )( XI-V) 宇宙科学者 ( 観測機器の実証 簡易型の宇宙観測に )( NJ) コンピュータにおけるダウンサイジング パソコン化による利用爆発の波を宇宙に!

49 最後に ( メッセージ ) 楽しいこと のめりこめることを見つけよう! 向こうからは やってこない 自分で試行錯誤 たくさん探せば見つかる可能性も高まる ( 大学はそれをやる場所 ) 自分がびびっと反応するものは何か? 継続することの重要性 見切る潔さも必要 道はたくさんある 人と違うことは素晴らしいこと 新しい世界を切り拓く厳しさと喜び 若いときの自由時間の多さは二度とは来ない その時間を如何に使うかは一生を決める 友達は一生の宝 大事にしよう!

50 超小型衛星で しきい を下げる! 宇宙利用 ビジネスの根本的なアイデア不足 宇宙部落 から出る利用のアイデアは限界 キーコンセプト : 宇宙で何かをやろうと考える人の数を100 倍にしよう キーとなることは しきい を根本的に下げること しきい が高すぎる 100 億が 30 億になっても彼方の世界であることに代わりはない 3,4 年も衛星も待つのではビジネスチャンス 実験観測機会逸する 良い宇宙利用のアイデア があっても それをどうやって実現すればよいか わからない

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