革新的衛星技術実証2号機 実証テーマ

高性能・小型軽量・低価格の冗長MEMS IMUを軌道上で実証し、ロケットや探査機に適用する

国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構 研究開発部門第四研究ユニット

松本 秀一 研究領域上席
小見山 瑞綺 研究開発員

ロケットや人工衛星の国際競争力を高めるために、IMU (慣性センサユニット)など搭載機器の小型軽量化・低コスト化が求められている。高性能・小型軽量・低価格の冗長MEMS IMU「MARIN」を開発した JAXAの松本秀一氏、小見山瑞綺氏に革新的衛星技術実証2号機での実証に対する抱負を聞いた。

- ご自身の研究内容について教えてください。

松本  宇宙輸送系のアビオニクス(ロケットに搭載される電子機器)の研究開発をしています。その中でも、ロケット等の宇宙機をオンボードコンピュータでの計算で目標地点に到達させる「航法誘導制御技術」が専門分野です。

小見山 私は、「航法誘導制御技術」の中の姿勢を計測するセンサの開発をしています。

- 今回、革新的衛星技術実証2号機に応募されたテーマの概要と今回の実証を通じて期待する成果を教えてください。

小見山 小型実証衛星2号機(RAISE-2)に「MARIN」という冗長MEMS IMU(小型慣性センサユニット)を搭載し、軌道上で耐放射線性を確認するのが目的です。MARINでは、高精度なMEMSジャイロとMEMS加速度計をそれぞれ3軸分搭載したものを1ユニットとし、それを冗長化して2ユニット搭載しています。

松本  IMUとは、速度増分(宇宙機の速度変化)と角度増分(宇宙機の角度変化)を計測するセンサです。速度増分を積分すると位置・速度が求められ、角度増分を積分すると姿勢が出てきますので、「位置」「速度」「姿勢」の3つを得ることができます。

大型の衛星やロケットには高精度なIMUを搭載していますが、かなり高価なものです。外国との競争も激しくなってきていますので、低コスト化が求められています。

一方、民生のIMU、特にMEMS(微小電気機械システム)の技術はどんどん進化しており、日々高精度化しており、振動や温度変化への耐性も向上しています。大型の衛星やロケットで使っている機器ほどの精度はありませんが、MEMSのジャイロや加速度計は、短時間であれば宇宙機でも使えるようになってきています。

「MARIN」は民生品を使って低コスト化したうえで、宇宙固有の放射線耐性要求については、冗長回路技術で対応するものです。単独では高性能なIMUには太刀打ちできない場合でも、例えばGPSと複合することによって、精度は変わらずに安価なものを提供できるのではないかと考えて開発しました。

今回の実証によって日本のロケットの競争力の向上につながり、また人工衛星や探査機等での活用も広がると考えています。

- 革新的衛星技術実証プログラムへの応募動機を教えてください。

松本  民生のIMUは飛行機や自動車でも使われているので、振動や幅広い温度環境に耐えるものはありますが、宇宙ではさらに特殊な条件として、放射線耐性が挙げられます。

今回の「MARIN」の設計では、2つのユニットを冗長化し、ひとつが放射線で時的に止まってしまってももうひとつで補うシステムになっています。そのシステムが有効に働くことを実証するのが今回の目的です。

宇宙で使われる機器は一度宇宙に行ってしまえば壊れても直せませんから、宇宙での実績がない機器を使うということはユーザーにとってもハードルが高いのです。

今回の実証で、我々の設計が放射線に対して妥当であるという証明ができれば、いずれ大型ロケット、大型衛星にも利用されるのではないかと期待しています。

- ほかの実証機会と比較して、「革新的衛星技術実証プログラム」を選ばれた理由がありましたら教えてください。

松本  いくつか候補はあったのですが、軌道上で長く評価できるという観点で選びました。

衛星ではなく、ロケットに搭載して打上げ、周回中にデータを取得することもできますが、1周回2時間弱くらいという非常に短い時間になってしまいます。長い期間実証データを取得して評価できるという観点で非常に良いプログラムだと思っています。

- 開発において苦労した点、克服するための工夫などあれば教えて下さい。

小見山 コロナ禍で、協力いただいているメーカーとのやり取りもほとんどオンラインになりました。なかなか言葉だけでは伝わらない点が多く、その点は苦労しました。

松本  メーカーに行って試験に立ち会えないときは、EM(エンジニアリングモデル)を送ってもらい、JAXAでもデータを取って評価することも行いました。直接会えない中、課題などを抽出しながらここまでやってきた点において苦労がありました。

- 革新的衛星技術実証2号機での実証後の展望についてお聞かせください。

松本  直近の展望として、「MARIN」をロケットに適用し、GPSとの複合航法により、ロケットの位置・速度・姿勢を高精度に計測するシステムの開発を進めています。

最近の基幹ロケットは、軌道周回するものも多くなっており、放射線耐性が求められています。

地球周回の人工衛星については、位置・速度は物理法則で計算できるので、姿勢情報だけを出力するIRU(慣性基準装置)を使うことが多いのですが、MARINは、高精度なMEMSジャイロを搭載し、かつ小型軽量・低コストなので、人工衛星にも対応できます。

さらに、位置・速度・姿勢の情報が必要となる月や小惑星の探査機への展開も目指しています。探査機は長期間運用されることになりますので、今回の実証の次のステップとして、さらに長期間にわたる実証を目指していきます。

またIMUは汎用的な機器ですから、宇宙機の航法以外にもいろいろな利用法が考えられます。

小見山 軌道上実証を通じて得られる知見に基づいて、改良できるところはどんどん改良していきたいと思っています。改良を重ね、コストを下げることで宇宙機に限らず地上のロボット、月の着陸機、探査ローバなどに使えるIMUになればと思っています。また最近では宇宙ビジネスも盛んになっていますので、民間でもどんどん使っていただけると嬉しいです。

- JAXAのホームページ等をご覧になっている方へのメッセージがあればお願いいたします。

松本  以前に比べると宇宙が身近なものになっています。宇宙環境で何かを実証する機会も増えてきているので、興味を持っていただくことで、いろいろな道が拓けるのではないかと思います。

小見山 これから宇宙開発を盛り上げていくためには、私たちのような若い世代の力が絶対必要だと思います。こういった実証機会をどんどん使って、いろいろな人が宇宙開発に参加してくるといいなと思います。

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Interview 1 1号機に関わる人々