はやぶさは、故障したエンジンでどうやって地球へ帰ってきたのか

副題：2009年、宇宙空間で実現したイオンエンジンのクロス運転

序章｜故障した二基のエンジンが、一基になった

2009年11月。

地球から1億キロメートル以上離れた宇宙空間で、一基のエンジンが停止した。

小惑星探査機「はやぶさ」。

2003年に地球を出発し、2005年には小惑星イトカワに到着した日本の探査機だ。

その後、さまざまなトラブルに見舞われながらも地球への帰還を目指していた。

ところが、帰還を目前にして、頼りにしていたイオンエンジンが停止してしまった。

宇宙空間では、故障した機械を人間が直接修理することはできない。

しかも、故障は一基だけではなかった。

はやぶさには四基のイオンエンジンが搭載されていたが、そのうち複数のエンジンに不具合が生じていた。

そこで技術者たちは、一つの方法を試みた。

故障したエンジンA。

そして、同じく故障したエンジンB。

Aは粒子を噴射する装置が使えない。

Bは電気的な偏りを打ち消す装置が使えない。

しかし、Aには正常な中和器が残り、Bには正常なイオン源が残っていた。

ならば、その二つを組み合わせればよいのではないか。

こうして、故障していた二基のエンジンから、一基分の推進力を取り戻すことに成功した。

この運転方法は「クロス運転」と呼ばれる。

そして、この奇妙な組み合わせを可能にしたのは、打ち上げ前から用意されていた電気回路だった。

今回は、はやぶさのイオンエンジンで何が起きたのか。

その仕組みから、地球帰還までの経緯を追ってみたい。

第1章｜2003年、小惑星イトカワへの旅

2003年5月9日。

鹿児島県の内之浦宇宙空間観測所から、M-Vロケット5号機が打ち上げられた。

搭載されていたのは、小惑星探査機「はやぶさ」。

開発時の名称はMUSES-Cである。

その目的は、単に小惑星へ到達することではなかった。

小惑星の表面を観測し、実際に接近・着陸して試料を採取し、それを地球へ持ち帰る。

いわゆる「サンプルリターン」である。

地球に落ちてくる隕石を調べることと、小惑星から直接採取した物質を調べることには違いがある。

隕石は、地球の大気圏に突入する際に高温にさらされることがある。

さらに、地上に落下してからは、水や大気などの影響を受ける可能性もある。

一方、小惑星から採取した試料を適切に保護して持ち帰れば、どの天体のどのような場所から得られた物質なのかという情報と結びつけて調査できる。

太陽系がどのように形成されたのか。

惑星を構成する物質は、どのような過程を経て現在の姿になったのか。

その手掛かりを得ることが期待されていた。

しかし、小惑星まで移動するだけでも難しい。

ましてや、そこから地球へ帰還するとなれば、さらに長い航行が必要になる。

この長距離航行を支えた重要な技術の一つが、イオンエンジンだった。

第2章｜イオンエンジンは、何を噴射しているのか

私たちが普段イメージするロケットエンジンは、燃料を燃焼させ、高温のガスを勢いよく噴射するものだろう。

その反作用によって、ロケットは前方へ加速する。

イオンエンジンも、物質を噴射する反作用で推進力を得るという基本原理は同じである。

ただし、物質を加速する方法が違う。

はやぶさのイオンエンジンでは、キセノンという気体を使用する。

キセノンは、希ガスと呼ばれる元素の一つだ。

まず、マイクロ波によってキセノンを電離させる。

電離とは、原子から電子が離れるなどして、電気的な電荷を持つ粒子が生じる現象である。

ここでは、正の電荷を帯びたキセノンイオンを作り出す。

そして、電場を利用して、そのイオンを高速で宇宙空間へ噴射する。

すると、反作用によって探査機が加速する。

この仕組みを担うのが「イオン源」である。

ただし、イオン源だけでは正常な運転を続けられない。

なぜなら、正の電荷を帯びたイオンばかりを放出していると、探査機本体が負に帯電してしまうからだ。

探査機が負に帯電すると、正の電荷を持つイオンを引き戻そうとする電気的な力が働いてしまう。

それでは、効率よくイオンを噴射し続けることができない。

そこで必要になるのが「中和器」だ。

中和器は、電子を放出する装置である。

正の電荷を持つイオンの放出と釣り合うように、負の電荷を持つ電子を放出する。

これによって、探査機本体の帯電を抑える。

つまり、イオンエンジンには、少なくとも二つの重要な機能が必要になる。

* イオン源：正の電荷を持つ粒子を作り、加速して噴射する

* 中和器：電子を放出し、探査機の帯電を防ぐ

この二つがそろって、初めて安定した推進が可能になる。

第3章｜推力は小さい。それでも宇宙を進める

イオンエンジンには、普通のロケットエンジンと比べて大きく異なる特徴がある。

それは、推力が非常に小さいことだ。

はやぶさのイオンエンジン一基が発生する推力は、最大でおよそ8ミリニュートン。

地上で約0.8グラムの物体を持ち上げる力に相当する。

1円玉一枚の質量は1グラムなので、それよりも小さな力である。

これほど小さな力で、宇宙を移動できるのだろうか。

ここで重要なのは、宇宙空間と地上の環境の違いだ。

地上を走る自動車には、空気抵抗や転がり抵抗などが働く。

しかし、惑星間空間では空気抵抗をほとんど考えなくてよい。

もちろん、太陽や惑星の重力は働いている。

それでも、エンジンの小さな推力を長時間にわたって加え続ければ、探査機の速度や軌道を大きく変えることができる。

例えば、わずかな加速度でも、何千時間も加速を続ければ、その効果は蓄積される。

短時間で大きな力を生み出す化学エンジン。

長時間にわたって小さな力を加え続けるイオンエンジン。

この二つには、それぞれ異なる役割がある。

イオンエンジンの大きな利点は、少ない推進剤で大きな速度変化を得られることだ。

はやぶさに搭載されたマイクロ波放電式イオンエンジンは、長距離の惑星間航行を実現するための重要な技術だった。

しかし、長時間の運転を前提とする以上、装置の耐久性が大きな問題になる。

そして実際に、はやぶさの航行では、その耐久性が地球帰還を左右することになった。

第4章｜四基のイオンエンジンに起きたこと

はやぶさには、A・B・C・Dの四基のイオンエンジンが搭載されていた。

基本的には三基を同時に使用でき、一基を予備として持つ構成だった。

しかし、打ち上げ直後から問題が発生する。

エンジンAの動作が不安定になり、運転を休止することになったのだ。

残るエンジンはB・C・D。

その後、2005年にイトカワへ到着したはやぶさは、同年11月に小惑星へのタッチダウンを行った。

ところが、その後には化学エンジンの燃料漏れが発生する。

姿勢制御にも問題が生じ、同年12月には地球との通信が途絶えた。

翌2006年、通信は段階的に回復したが、当初予定されていた2007年の地球帰還は断念せざるを得なくなった。

帰還予定は2010年へ延期された。

そして2007年4月には、エンジンBも中和器の劣化によって運転を休止することになった。

2009年、はやぶさはエンジンCとDを頼りに地球への帰還を目指していた。

しかし、11月4日。

主に使用していたエンジンDが自動停止する。

原因は、中和器の劣化に伴う電圧の上昇だった。

残るエンジンCも、同じく中和器に劣化の兆候が見られていた。

この段階で、四基の状況は次のようになっていた。

エンジン 状況
A イオン源の動作が不安定で運転休止
B 中和器の劣化で運転休止
C 動作可能だが、中和器に劣化の兆候
D 中和器の劣化によって自動停止

地球へ帰還するには、まだ軌道を変更する必要があった。

宇宙では、目的地に近づくだけでは帰還できない。

地球と探査機の位置関係、速度、進行方向を計算し、地球との遭遇条件を満たす軌道へ修正しなければならない。

そのためには、推進力が必要だった。

しかし、使えるエンジンは限られていた。

そこで技術者たちは、四基のエンジンを別の視点から見直した。

第5章｜故障した二基を組み合わせる

ここで、イオンエンジンの構造を思い出してほしい。

イオンエンジンは、イオン源と中和器の組み合わせによって成立している。

では、エンジンとして使えなくなったとき、その二つが必ず同時に壊れているのだろうか。

答えは、そうではない。

エンジンAは、イオン源の動作が不安定だった。

しかし、ほとんど使用していなかった中和器は、良好な状態を保っていた。

一方、エンジンBは、中和器が劣化していた。

しかし、イオン源は使用できる状態だった。

ここで、ある組み合わせが成立する。

エンジンAの中和器と、エンジンBのイオン源を使う。

二基のエンジンを、それぞれ一基の完成した装置として使うのではない。

正常に機能する部分を組み合わせ、一基分の推進機能を確保する。

これがクロス運転である。

通常の組み合わせは、次のようになっている。

* エンジンA：イオン源A＋中和器A
* エンジンB：イオン源B＋中和器B

しかし、クロス運転では、

イオン源B＋中和器A

という組み合わせを成立させる。

ただし、単純に二つの部品を電線でつなげばよいというものではない。

電源の供給や電気的な条件、運転手順などが関係する。

実際のクロス運転では、異なる二基の電気回路を利用するため、正常な一基を動かす場合とは消費電力や推進剤の使い方も異なった。

それでも、地球帰還に必要な推進力を確保できる可能性が生まれた。

そして、これを実現するための仕組みは、2009年に新しく作られたものではなかった。

第6章｜2003年の出発前に用意されていた回路

今回の出来事で、特に興味深いのはここだ。

はやぶさには、異なるエンジンのイオン源と中和器を組み合わせられる電源回路が、あらかじめ用意されていた。

中和器の電源系統には、バイパスを可能にするダイオードが組み込まれていた。

これは、万が一の事態に備えた設計だった。

宇宙空間では、故障した部品を交換できない。

そこで、複数の装置を搭載する。

これは冗長性と呼ばれる考え方の一つである。

ある装置が故障しても、別の装置が機能を引き継げるようにする。

しかし、はやぶさでは、それよりさらに踏み込んだ構成が採用されていた。

一基のエンジンが使えなくなった場合でも、その内部に残された正常な機能を、ほかのエンジンと組み合わせられるようにしていたのだ。

もちろん、すべての故障に対応できるわけではない。

また、このクロス回路を使った実際の運転は、打ち上げ前に十分な実証が行われていたわけでもなかった。

宇宙空間で動作する保証はなかったのである。

2009年11月。

技術者たちは、この回路を使用することを決めた。

地球から遠く離れた探査機へ運転指令を送り、状態を確認しながら、イオン源と中和器の組み合わせを変更していく。

そして、エンジンAの中和器とエンジンBのイオン源による運転が成功した。

推進力が得られ、探査機が加速していることも確認された。

11月19日、JAXAは帰還運用の再開を発表した。

二基のエンジンを組み合わせることで、一基のエンジンに相当する推進力を確保できたのである。

ただし、この時点ではまだ、地球への帰還が保証されたわけではなかった。

残された推進機能を維持し、必要な軌道変更を続けなければならない。

それでも、帰還への道は再び開かれた。

第7章｜2010年6月13日、地球へ

2009年11月の危機を乗り越えたはやぶさは、地球への航行を続けた。

そして2010年3月27日。

イオンエンジンによる第2期軌道変換が完了した。

地球への接近に必要な軌道変更を終えたのである。

その後も、地球への再突入に向けて細かな軌道修正が行われた。

2010年6月13日。

2003年の出発から約7年。

はやぶさは、ついに地球へ帰還した。

ただし、探査機本体が地上へ着陸したわけではない。

地球の大気圏に突入する前に、採取した試料を収めたカプセルを分離した。

カプセルは耐熱シールドによって大気圏突入時の加熱に耐え、パラシュートで減速しながら、オーストラリアのウーメラ砂漠へ降下した。

一方、探査機本体は大気圏に突入して燃え尽きた。

同年6月14日、カプセルが回収された。

そして、さらに重要な発見が待っていた。

回収されたカプセルの内部から、微細な粒子が発見されたのである。

2010年11月16日、JAXAは分析の結果、約1500個の岩石質微粒子を確認し、そのほぼすべてが小惑星イトカワ由来であると判断したと発表した。

一粒一粒は、肉眼で確認することも難しいほど小さなものだった。

しかし、その粒子には、太陽系の形成や進化を調べるための情報が含まれていた。

はやぶさは、試料を持ち帰るという目的を達成したのである。

第8章｜はやぶさが残した技術

はやぶさの成果は、小惑星の微粒子を持ち帰ったことだけではない。

イオンエンジンによる長期間の航行。

小惑星への接近とタッチダウン。

試料の地球帰還。

そして、予期せぬ故障への対応。

さまざまな技術が実際の宇宙空間で試され、その経験が蓄積された。

イオンエンジンについても、重要な知見が得られた。

長時間運転によって、中和器が劣化する問題が明らかになったことは、その後の設計改善につながった。

後継機である「はやぶさ2」では、中和器の長寿命化やイオン源の改良が進められ、推力も向上した。

また、故障した装置の機能を別々に扱うというクロス運転の経験は、宇宙機における冗長性の意味を考えるうえでも貴重な実績となった。

通常、私たちはエンジンが故障したと聞けば、そのエンジン全体が使えなくなったと考える。

しかし、エンジンとは複数の機能が組み合わさった装置である。

ある機能が失われても、ほかの機能は正常なまま残っていることがある。

はやぶさでは、その残された機能を利用できる設計が存在していた。

だからこそ、二基のエンジンがそれぞれ単独では使用できなくなっても、必要な推進機能を回復できた。

もっとも、部品を自由に組み合わせられる設計が、常に優れているとは限らない。

構造を複雑にすれば、それだけ故障の原因が増える可能性もある。

追加の回路には、質量や電力、開発費用などの制約も伴う。

宇宙探査機の設計では、限られた資源の中で、どこまで故障に備えるかを判断しなければならない。

はやぶさのクロス運転は、その一つの設計判断が、実際の宇宙空間で帰還を支えた事例だった。

終章｜七年後に使われた回路

2003年。

はやぶさは、四基のイオンエンジンを搭載して地球を出発した。

そのとき、技術者たちは、万が一に備えて複数のエンジンを組み合わせられる仕組みを残していた。

しかし、その回路が本当に必要になるかどうかはわからなかった。

2009年。

地球から遠く離れた宇宙空間で、はやぶさは推進力を失いかけた。

エンジンAは、イオン源が不調だった。

エンジンBは、中和器が劣化していた。

それぞれを一基のエンジンとして見れば、どちらも使えない。

しかし、正常な部分だけを取り出して考えれば、まだ方法は残っていた。

そして、2003年以前に用意されていた回路が、2009年の危機を救うことになった。

2010年6月13日。

約7年間に及ぶ宇宙の旅は、地球への帰還によって一つの区切りを迎えた。

探査機本体は燃え尽きたが、カプセルは地球へ戻り、イトカワの微粒子を届けた。

この出来事を、単に奇跡の帰還と呼ぶこともできるだろう。

しかし、その背景には、イオンエンジンの研究開発、長時間の運用、故障の分析、設計段階からの備え、そして実際の運転を成立させた技術者たちの仕事があった。

故障しない機械を作ることは難しい。

ましてや、何年ものあいだ人間が直接触れられない宇宙空間では、予想しなかった問題も起きる。

それでも、故障した装置に残された機能を利用する方法があれば、探査を続けられる可能性が生まれる。

はやぶさのクロス運転は、その可能性が現実になった出来事だった。

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参考資料

* JAXA｜小惑星探査機「はやぶさ」のイオンエンジン異常について（2009年11月9日）
* JAXA｜小惑星探査機「はやぶさ」の帰還運用の再開について（2009年11月19日）
* JAXA｜希望を現実にした「はやぶさ」のエンジン
* ISAS｜電気推進
* JAXA｜はやぶさ、地球へ！ 帰還カウントダウン
* ISAS｜はやぶさカプセル内の微粒子の起源の判明について