水星の謎に挑む探査機「MMO」 - 灼熱の世界でも生き延びる仕組みとは?

宇宙航空研究開発機構(JAXA)は3月15日、日本初の水星探査機となる「水星磁気圏探査機(MMO)」をプレス公開した。MMOは、日欧共同の水星探査プロジェクト「BepiColombo」において、日本側が開発する探査機である。開発費は152億円。欧州側の「水星表面探査機(MPO)」とともに、アリアン5ロケットにて打ち上げられる予定。

なお打ち上げ時期については、このプレス公開時には「2016年度」とされていたのだが、欧州宇宙機関(ESA)から3月30日(現地時間)、「2016年7月から2017年1月に延期する」というアナウンスがあった。新しいターゲットは、2017年1月27日から始まる1カ月のウィンドウになる。水星周回軌道への投入は2024年1月で変更はない。

水星は一番遠い惑星?

水星はご存じの通り、太陽系で最も内側を回っている惑星だ。「水金地火木…」の一番目ということで馴染みも深いが、その素性は案外、分かっていないことが多い。水星の周回飛行は、米国の探査機「メッセンジャー」が2011年に成功したのが初めて。それ以前は、40年も前に同国の「マリナー10号」が3回のフライバイ観測を実施しただけだった。

地球の隣にある金星や火星に比べ、これほどまでに探査の回数が少なかったのは、そもそも行くのが難しかったからだ。

地球の公転軌道から水星の公転軌道まで向かうためには、かなり大きな減速が必要。また、減速して近日点を下げ、それで水星軌道に到達したとして、そこから周回軌道に入るためには、ここでまた大きな減速が必要になる。都合の悪いことに、水星は小さいので重力が弱い。かなり減速しないと、周回せずに飛び出してしまう。

これほどの減速を行うためには、大量の燃料が必要になる。これが現実的な規模に収まらなかったことが、水星の周回探査が何十年も実施されてこなかった原因だ。JAXAの早川基BepiColomboプロジェクトマネージャは「距離は近いがエネルギー的には遠い」と表現。水星周回に必要なエネルギーを外側に使えば「太陽系を脱出できるほど」だという。

ではどうしてこれが実現できたのかというと、惑星による減速スイングバイを上手く活用できるようになったからだ。MPO/MMOは打ち上げ後、地球で1回、金星で2回、水星で5回と合計8回ものスイングバイを実施。そのため約7年という長旅になってしまうが、現実的な燃料で、水星の周回軌道に辿り着けるようになった。

MPO/MMOの2機の探査機は、「電気推進モジュール(MTM)」「MMOサンシールド(MOSIF)」と結合した「MCS(Mercury Composite Spacecraft)」という構成で打ち上げられる。MCSは水星到達まで、MTMのイオンエンジンで航行。8回のスイングバイで水星との相対速度を十分に落とし、役割を終えたMTMを分離、最後はMPOの化学エンジンを使って、水星周回軌道へ投入する。

軌道について詳しく説明すると、それだけで1本の記事になってしまうので、ここでは省略したい。興味があるようなら、以下のサイトが参考になるだろう。

• 惑星探査のテクノロジー 第2回 軌道計画の技(ISASニュース)

化学エンジンの噴射で徐々に高度を落とし、MMOの観測軌道(近水点590km、遠水点11,600km、周期9.3時間)に到達したらMMOを分離。その後、MPO単独でさらに高度を下げていき、MPOの観測軌道(近水点480km、遠水点1,500km、周期2.3時間)に向かう。

ちなみにMOSIFは、MMOを覆う"日よけ"である。これが必要なのは、MMOとMPOで姿勢制御の方式が異なるからだ。MMOは4秒で1回転(15rpm)するスピン安定方式で、MPOは三軸制御方式。MMOは回転することが前提で熱設計されているため、三軸制御になって太陽に1方向から炙られ続けると都合が悪い。

ところが、MPOが三軸制御のため、MPOとの結合時にはその三軸制御になってしまう。水星近傍の強烈な太陽光で機体が壊れるのを防ぐために、MMOの周囲をMOSIFで覆って、日光をブロックしているのだ。なおMMOの分離後、MOSIFは不要になるので、MPOからは切り離される。