|
私の所属するシステム研究系は，アストロダイナミクスという軌道運動や姿勢運動，自動制御理論を背景として，航法・誘導・制御工学を用いて，探査機や飛翔体の飛行解析や計画立案を担当する部門です。ふりかえってみれば，現在の私の研究動向を支配したきっかけは，大学時代の1975，76年に行われた，NASAの火星探査機 Viking-1，2号の成果によるところ大です。以来，「自動制御」と，現在では一般用語になっていますが「軌道修正」を行うことの２語が自身の研究の方向を左右してきたといえます。以下では，これに関連するアストロダイナミクス研究面での「はやぶさ」実プロジェクトへのごく簡単な適用例を２つ取り上げてみたいと思います。
図３ 現在の「はやぶさ」の飛行計画図(太陽−地球固定系)
最初の例は，軌道最適化の応用です。「はやぶさ」の飛行計画でよく受ける質問に，どうして地球スウィングバイを使うのか，というのがあります。(図３)「はやぶさ」の打ち上げはM-Vロケットの不具合から延期になり，探査対象とする小惑星の変更も余儀なくされました。しかし探査機自体は燃料タンクを含めて設計，製作済みであったことや，また，もともと打ち上げるM-V型ロケットの能力をいっぱいに引き出して計画されていたため，多くの代替対象小惑星への飛行には打ち上げロケットの能力不足ないしは探査機の重量超過となってしまいました。ただ幸いにイオンエンジン推進剤タンクにはわずかに余裕があり，イオンエンジンを使って，輸送能力の改善をはかる方策が残されていたわけです。イオンエンジンは，非常に高速でガスを排出してその反力で推力を得る推進機関で，非常に燃費の高いことが特徴です。反面推力は非常に小さく，短時間で大きな加速を必要とする打ち上げ段階には使用が困難です。しかし一旦惑星間に探査機を打ち出してしまうと，もはや「落っこちる」心配はなく，推力方向も１日に１度程度といった緩やかな操舵で十分な加速を行うことができることになります。「はやぶさ」で実際に地球から小惑星に出発する時期は2004年５月で，それまでの１年間にこの惑星間での加速を行わせることで，打ち上げ能力不足を補っているわけです。直感的には理解が難しいかもしれませんが，惑星間で加速する効率的な方法は，このイオンエンジンでの加速を地球スウィングバイと組み合わせることです。理想的には，惑星間にてイオンエンジンで加速した量の２倍の増速量を，スウィングバイを併用することで得られる計算です。「はやぶさ」の場合には，推力が小さいことなどにより，この効率は1.3倍とやや小さくなっていますが，これでも探査機重量に換算すると25〜30kg，探査機全体重量の５〜６％の化学燃料相当の節約をはかることができています。軌道運動は非線形ダイナミクスの最も簡単な例であって，打ち上げ時の速度に惑星間のイオエンエンジンでの増速量を加えた結果が，足し算ではなくて，おまけが追加されることになります。この方策は非常に効率的で，小型の打ち上げロケットの等価的な能力を飛躍的に増加させる秘策で，将来の高打ち上げエネルギーのミッション，外惑星や彗星など遭遇点が遠方である惑星探査にも幅広く応用可能だと考えています。
次の例は光学航法です。文字通り，探査機上のカメラで目標の小惑星を撮影して，その方向の情報から探査機と小惑星の相対的な位置・速度を推定する方法です。考えてみれば，我々は普段から人混みをさける行動のなかで常にこれを行っているので一見当たり前のように思えるかもしれません。ある平原の線路を走る列車から，遠方の灯台を見たとします。たとえば線路から灯台方向のなす角度を計測するわけです。２点で観測すると三角測量で灯台までの距離が推算できるように思えるかもしれませんが，実はこれは正しくありません。列車の速度がわかっていればその通りなのですが，これが未知だと灯台までの距離を知ることができないのです。しかし列車の速度を既知の決まった量だけ変更できれば，最初の列車の速度は不明でも，灯台までの距離は推定できるようになります。野球の外野手がフライを捕球する際にも，これと同じ動作を行っています。真正面にとんできたボールを捕球するためには，外野手は左右に動いてボールの落下点を見定めていますが，これも同種の方法です。光学的な情報は，２次元の角度の情報ですから情報量が不完全で，観測性が整っていないため，意図的に運動を入力することで，観測性を確保しているということになります。「はやぶさ」では，イオンエンジンで加速しながら観測を行うことで，光学的に小惑星に接近しランデブーを行えるわけです。「はやぶさ」が小惑星に到着するときに地球からの距離は約３億kmにもなり，電波による探査機の位置推定では，300kmもの誤差を生じてしまい，大きさが500mほどの天体にランデブーさせることは困難です。「はやぶさ」は，このように画像情報に基づいて小惑星を観測することにより，小惑星に到着するわけです。
「はやぶさ」は工学実験探査機ですが，サンプルリターンという新たな理学観測目的をかなえることと，新しい工学技術の開発とをうまくブレンドできた例といえます。理工が共同で戦略的に深宇宙探査を推進していくことが相補的に作用しています。「はやぶさ」で再認識されたことは，宇宙科学研究所のおかれたうまくバランスのとれた環境が背景にあったということです。宇宙開発の目的については相当の議論があるところですが，「はやぶさ」の打ち上げを通じて，社会文化的な観点から期待されていることが何であるか一端を感じることができました。まことに光栄なことにジャズの組曲まで作っていただくなど，理工学が多方面に接点をもつ文化活動の１つであることを再認識できたことも収穫です。「はやぶさ」での研究テーマとしては，我々の活動を，このように自然科学のみならず人文社会科学という大きな文化活動の中で位置づけることも挙げることができるのではないでしょうか。
|
