宇宙航空研究開発機構(JAXA)は2月6日、小惑星探査機「はやぶさ2」に関する記者説明会を開催し、タッチダウン運用計画の詳細を明らかにした。タッチダウンの日時は2月22日の8時頃。場所は「L08-B1」と「L08-E1」の2カ所が候補になっていたが、3カ月間の検討の結果、より狭いL08-E1の方に挑むことになった。

  • 着地候補地点のL08

    着地候補地点となっていたL08(ピンクの円)。最終的には、ここからさらに細分化されることとなった (C)JAXA/東京大/高知大/立教大/名古屋大/千葉工大/明治大/会津大/産総研

ピンポイントタッチダウン方式とは?

L08-B1は当初から考えられていた場所で、幅は12m程度。一方、L08-E1は前回の記者説明会で初めて発表された場所で、こちらの幅は6m程度と小さい。広さだけ見るとL08-B1の方が有利だが、L08-E1は降下の目印となるターゲットマーカーに近く、エリア内がより平坦で安全だという利点もある。

  • 位置関係

    L08-B1(赤)、L08-E1(緑)、ターゲットマーカー(TM)の位置関係 (C)JAXA

津田雄一プロジェクトマネージャ(JAXA宇宙科学研究所 宇宙飛翔工学研究系 准教授)によれば、最初は両にらみで検討を進めていたものの、解析を進めるにつれ、「明らかにL08-E1が有利なのが見えてきた」という。着陸精度を満たせるのはL08-E1だけであることが分かり、会議でもチームの総意としてすんなり決まったそうだ。

  • 津田雄一プロジェクトマネージャ

    タッチダウンについて説明する津田雄一プロジェクトマネージャ(右)

しかし狭いL08-E1に着陸するためには、±3mの精度が必要。もともとの想定では、タッチダウンは±50mの精度で考えられていたため、精度を10倍以上に高める必要があった。これを可能にするのが、はやぶさ2に搭載された新機能「ピンポイントタッチダウン」である。

はやぶさ初号機の従来方式は、分離して落下するターゲットマーカーを追尾し、水平方向の相対速度をゼロにして着陸するものだった。探査機はターゲットマーカー付近に降下することになるため、ターゲットマーカーの投下精度で着陸精度が決まっていた。

ピンポイントタッチダウン方式では、投下済みで、事前に正確な位置が分かっているターゲットマーカーを使用。このターゲットマーカーに対し、指定した相対位置に着陸することが可能だ。たとえばターゲットマーカーの北に2m、東に1mというように指定(オフセット)できるので、着陸精度はターゲットマーカーの投下精度には影響されない。

  • タッチダウン方式

    初号機の従来方式と、はやぶさ2のピンポイントタッチダウンの違い (C)JAXA

しかしいくらピンポイントタッチダウンとはいえ、そのままでは直径6mの円内への着陸は難しく、さらなる工夫が必要だった。

1つめは小惑星モデルの高精度化。より正確に検討できるよう、サイエンスチームが降下地域の岩の1つ1つの高さや形まで見直しを行った。また重力の影響も、より詳細に分析。降下する赤道付近には尾根があり、この質量により探査機の軌道が曲げられてしまうので、高精度な重力モデルを作成した。

2つめは自律制御のチューニング。着陸精度を高くするためには、探査機の位置制御や姿勢制御も、より細かく正確に行う必要がある。そのため、スラスタの噴射パターン、姿勢制御のパラメータ、ソフトウェアのタイミングなど、すべてをL08-E1への降下のために最適化したという。

3つめは着陸安全余裕の拡大。従来は、真上から水平姿勢で降下する方法だったが、L08-E1は東側に岩が多い地形であることが分かっている。あえて西側(サンプラーホーン側)を下に傾け、東側(イオンエンジン側)を浮かせた「ヒップアップ」姿勢を採用することで、岩を回避し、安全に着陸できるようにした。

  • 着陸のための3つの対策

    着陸の高精度化のために今回実施した対策は、この3つに集約される (C)JAXA

これらの対策により、現在の着陸精度は±2.7mと見込まれているそうで、「工学的な意味では成功すると考えている」と津田プロマネ。「最初は方法から議論し、どうやって実現するか検討してきたが、今はもう着陸方式が決まり、数字も固まってきた。それを間違いなくやるために、頭の温度を下げてクールにできるようにしたい」と述べた。

ピンポイントタッチダウンの着陸精度は、ターゲットマーカーから離れるほど悪くなる。この影響に比べれば、広さの違いは「さほど気にならない」(同)とのことで、狭いL08-E1の方がむしろ余裕が得られるという。ターゲットマーカーの投下後、狭いながら、近くに平坦な領域が見つかったのが大きな決め手になった。

  • L08-E1の円内の中心を狙う

    L08-E1の円内の中心を狙う。凹凸が少ないのも大きなポイントだ (C)JAXA

はやぶさ2は、目的地の小惑星リュウグウが想定以上に岩だらけだったため、タッチダウンの延期を余儀なくされていた。あまりの厳しさに「引きの悪さを感じた」とぼやいた津田プロマネだったが、「投下したターゲットマーカーの近くにこの地域があったのは幸いだった」と、数少ない幸運に感謝した。

タッチダウンシーケンスも変更に

ピンポイントタッチダウン方式を採用したことで、降下シーケンスも当初の計画から変更されている。

タッチダウン運用は、前日21日8時すぎから開始。高度20kmのホームポジションから、秒速40cmのゆっくりした速度で降下していく。同日夕方には高度5kmに到達、ここで秒速10cmに減速し、降下を継続。翌22日7時すぎ、高度45mまで接近したところで一旦停止し、高度計測をLIDARからLRFに切り替え、8時前にタッチダウンする予定だ。

小惑星表面への接地を検出すると、弾丸を発射。飛び散った表面物質はサンプラーホーンを経由して、探査機内部のサンプルキャッチャーに取り込まれる。接地は数秒程度で、すぐ探査機はスラスタを噴射して離脱。ホームポジションへ向かって帰還するというのが全体の大まかな流れだ。

  • タッチダウン運用シーケンス

    タッチダウン運用のシーケンス。時刻は決定ではなく、変わる可能性がある (C)JAXA

今回、L08-E1への着陸で、特に大きく変わったのは高度45m以下の低高度での運用だ。ここでは、まずターゲットマーカーをカメラの視野に入れて捕捉。視野の中心に捉えながら、高度8.5mまで降下する。

ここまで、探査機は通信のため、ハイゲインアンテナを地球に向けていたが、ここで姿勢を変更して、小惑星表面の地形に合わせる。なお従来は、LRFで地面の傾きを検出し、姿勢を平行にしていたが、今回はプリセットした値を採用する。これは、100m四方へのタッチダウンとは違い、狭くて不確定性が無いため、プリセットの方が確実という判断だ。

この時点まではターゲットマーカーを視野の中心に捉えてきたが、ここからオフセットを開始し、水平方向に移動。指定したオフセット点に到着したらホバリングで停止、ヒップアップの着陸姿勢に変更したことを確認してから、スラスタを噴射して着陸地点まで一気に自由落下させる。

  • 低高度の探査機の動き方

    高度8.5mに到達してからの探査機の動き方 (C)JAXA

この高度では地球からの指示が間に合わないため、探査機は自律的に状況を判断して行動することになるが、安全を確保するために、4カ所にチェックポイントを設置。各チェックポイントで指定しておいた条件を満たしたときのみ次のシーケンスに進み、1つでも異常があればアボート(緊急上昇)する計画だ。

各チェックポイントで確認する項目は以下の通り。

  1. LIDARからLRFへの切り替え(高度45m)
  2. ターゲットマーカーの捕捉(同)
  3. 地表に想定以上の凹凸が無いか(高度8.5m)
  4. オフセット点での姿勢・位置の安定(同)

自由落下してからはどうしても誤差が発生してしまうため、目的の円内に着陸できるかどうかは、オフセット点での姿勢と位置をいかに正確に維持できるかがカギだ。今回、オフセット点では、ターゲットマーカーに対し、±25cmの精度で位置を制御する予定とのこと。これさえ実現できれば、直径6m円内への着陸はほぼ確実にできるだろう。

  • 低高度におけるシーケンス

    低高度におけるシーケンス。チェックポイントが4つ設定されている (C)JAXA

とはいえ、当初の想定より遥かに狭い領域への着陸はリスクも大きく、まず探査機の安全を第一に考え、チェックポイントの条件は「厳しめに設定した」(同)とのこと。アボートになる可能性も低くは無いだろうが、津田プロマネは「アボートは再度のチャンスがあるということ」と前向きに捉える。

アボートがあった場合の再挑戦の日程だが、最速では、バックアップ期間として設定されていた3月4日の週になる見通し。ただ、アボートの種類によっては、大きな対策が必要になる可能性もあり、その場合は改めてアンテナを借りる海外機関とも調整し、期間を設定することになる。

なお昨年末の12月28日には、フライトモデルの同等品を使った弾丸の発射実験が行われたという。リュウグウ表面を模擬したターゲットに弾丸を撃ち込んだところ、想定したとおり、表面物質が飛び散る様子が確認できた。初号機がなし得なかった正常な手順でのサンプル採取に、はやぶさ2がいよいよ挑む。そのための準備は整った。

  • 弾丸発射実験の様子

    弾丸は正常に発射。岩石を破砕し、粒子が放出される様子を確認できた (C)JAXA