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火星着陸探査技術実証ミッション立ち上げに向けた総合研究開発
共通様式 火星着陸探査に向けた ミッション検討と技術開発 ISAS 事業計 画 No, 3-‐2-‐1 （例）事務 局記入 研究代表者(所属) 藤田和央 (JAXA研開部門) 費用(概算 でもOK) 7,000千円 研究成果のハイライト FY26 の中型ミッション AO の結果(不採用)を分析し, 今後の火星着陸探査 に向けた戦略と行動計画を立案し, 以下の項目を実施した． ① イプシロンロケットを用いた小型技術実証ミッションの検討 ② 中長期的な火星着陸探査のロードマップ作成 ③ ①と②の実現に必要な技術の分析, 研究計画の策定と実行 ①においては, 火星エアロキャプチャによるデータリレー/リモートセンシ ングオービタを中心としてミッション検討を行ったが, ロケットの能力が 不十分な中で, 現在の小型バス技術では実効性の高いミッション計画を確 立することが困難であり, また周辺状況として MMX が計画中であること から, 小型ミッション AO への提案を断念した．しかし検討の成果は, 今後 の多様な小型ミッション検討に寄与すると期待される． ②においては, SLIM による重力天体着陸技術実証, MMX による火星探査へ の流れを継承して, 2025 年頃の次期中型ミッションへ火星着陸探査ミッ ションを提案するロードマップを作成した．提案するミッションが高い 価値を持つように, 今後新体制の下ですべての可能性を排除せず議論する． ③においては, 課題の分析と現在の技術到達度, 取組状況を分析し, 技術到 達度が低く優先度の高いものの研究を推進した．特に超音速パラシュー トについては, 放出機構の開発を行い, さらに実験機の開発を行った． 火星エアロキャプチャの検討 超音速パラシュート実験機 成果の社会的意義・価値 成果創出に至る取組・克服状況 中型·∙小型いずれのミッション提案も現時点では実現していない が, 検討を通して火星探査の流れが醸成され, 理工コミュニティ が拡張し, 技術到達度が向上したことは, 今後日本が火星探査を 含む多様な探査を実現するための原動力になると期待される． 月惑星探査/サンプルリターンを行う上で必要な技術分 析, 現状分析と研究計画立案, その実行によって, 超音速 パラシュートや熱·∙電力制御技術を中心として, 火星着陸 探査に向けて技術到達度を着実に向上している． 上記研究成果に関するエビデンス(査読付き論文, 学会発表等) 本研究の成果は, 4 件の査読論文, 5 件の査読中論文, および 26 件の学会講演に取りまとめられている．イプシロンロケット を用いた小型火星探査技術実証ミッションの検討は, 年度末まで作業を継続した後, 別稿として報告書を作成する予定である． 平成 27 年度戦略的開発研究（工学）報告書 研究課題名 火星着陸探査技術実証ミッション立ち上げに向けた総合研究開発 研究代表者（所属） 藤田和央(JAXA研究開発部門・第二研究ユニット) 共同研究者（所属） 佐藤毅彦(JAXA宇宙研), 宮本英昭(東大), 山岸明彦(東京薬科大), 亀田真吾(立教大), 臼井 寛裕(東工大), 石上玄也(慶応大), 吉光徹雄(JAXA宇宙研), 大槻真嗣(JAXA宇宙研), 尾川順 子(JAXA探査ハブ), 竹内央(JAXA宇宙研), 畠中龍太(JAXA研開), 野々村拓(JAXA宇宙研), 豊 田裕之(JAXA宇宙研), 大山聖(JAXA宇宙研), 永井大樹(東北大), 鈴木俊之(JAXA研開), 髙 大樹(JAXA研開), 小澤宇志(JAXA研開), 山田和彦(JAXA宇宙研), 丸祐介(JAXA宇宙研), 春木 美鈴(JAXA研開), 中塚潤一(JAXA宇宙研), 乙部直人(福岡大), はしもとじょーじ(岡山大), 千秋博紀(千葉工大), 小郷原一智(滋賀県立大), 山本真行(高知工大), 出村裕英(会津大), 大野宗祐(千葉工大), 石丸亮(千葉工大), 三浦弥生(東大), 関根康人(東大) 活動区分 ☑WG □RG □衛星運用 研究活動期間 平成 26 年度 から 平成 27 年度 平成 27 年度 研究費 7,000 （千円） 平成 28 年度 研究費要求額 （千円） 平成 27 年度 研究成果 イプシロンロケットを用いた小型技術実証ミッションの検討を, 火星エアロキャプ チャによるデータリレー/リモートセンシングオービタを中心として, 当初計画の通 り完了した．ロケットの能力不足により実効性のある計画を立案できず AO への提 案は断念したが, 検討の成果は今後の月惑星探査に寄与すると期待できる．また, 将 来の火星着陸探査実現に必要な課題と現状の分析を行い, 次年度以降の新たな枠組み で中型ミッション提案を目指すロードマップを策定した．研究開発としても, 超音速 パラシュート実験機の開発や熱·∙電力制御技術の検討など, 火星ミッション特有技術 であって優先度が極めて高いものについて, 技術到達度の底上げを行った． 評価ポイント 小型ミッション提案を行うことはできなかったが, 小型探査ミッションを実現するた めに取り組むべき課題が明確となり, 今後の小型探査検討への糧となった．また将来 2 の火星着陸探査に向けた流れを維持し, 技術到達度を向上することができた． 本研究の目的 本研究の背景, 目的, 意義など (背景) 太陽系天体の中でも火星は特に関心の高い惑星の一つであり, 欧米露では過去より精力的に探査 が行われてきた．JAXA においても2008 年より国内の惑星科学研究者と連携し, 火星複合探査(MELOS)WG の下, 火星着陸探査の検討を進めてきた．そこで日本が行うべき探査のスコープに関わる議論は進み, 世 界と比肩する複数の有望なアイデアが提起されるに至ったが, プロジェクト化には至っていない. 一方, これを支える探査技術については, JAXA 各本部の継続的なシード研究の成果として, 重力天体着陸探査へ 挑戦可能な一定の水準に達している．今まさに, 火星への挑戦の舞台が整ったと言える. (目的) 大気を有する重力天体への着陸および表面探査技術を開発し, 2020 年代初頭までにこれを火星に おいて実証し, 我が国独自の科学的成果を獲得する火星表面探査を実現することが, 本研究の最終的な目 的である．これまで進められてきた複数の火星表面探査検討の成果を継承し, これを統合し, 選択と集中 によって現在の内外情勢に最も適合したミッションスコープへと一本化して探査計画を立案し, これを 2020 年代初頭に実施することを目標として, 2014 年度に公募が予定されている中型ミッション, あるい は 2015 年度に公募が予定されている小型ミッションの AO へ応募し, プリプロジェクトへ移行させる． (意義) 火星着陸技術実証ミッションの実現によって, 将来の我が国の自在な重力天体着陸探査を担保し, 科学技術立国として我が国の国際的な地位を高め, また将来の国際協働火星探査において, 我が国が重要 な役割を担うことが可能となる．また生命探査や地質探査において, 世界初の成果を得ることができる． 本研究のゴール • 次元付きスタディを実施し, 将来の火星探査ミッションとして, 挑戦可能で意義の認められる複数の探 査プラットフォーム(工学技術), 複数の科学探査スコープについて洗い出し, 複数のミッション案を作 成して検討を行い, 外部評価委員を交えて各案の優先順位付けを行う． • 有望な上位 2 案について, さらに次元付きスタディを実施し, 実現可能性判断のための BBM の開発と 検証等を行い, 最終的に 1 案への絞り込みを行う． • 以上の検討結果にもとづいて, 2030 年までの火星探査プログラムを提案すると共に, 絞り込まれた最 優先案については, 原理の実証, 実現可能性の精査, BBMの開発と検証, 複数のメーカによる概念設計, 工程表製作, コスト推算, リスク評価等の詳細な検討を行い, 平成 26 年度公募予定の戦略的中型ミッ ション／27 年度の小型ミッションへ提案し, ミッション化に向けた次フェーズへの移行を実現する． 3 研究計画と方法 研究計画・方法（開始年度から） 平成 26 年度(研究費：27,840 千円) 戦略的中型ミッションへ提案する火星着陸技術実証機ミッション案を作成し, ミッション提案を行った Phase 1：既存検討の総括・新規提案の発掘による複数提案の作成・優先度評価(4月頭∼8月末) • これまでの MELOS WG を含む複数の火星探査検討を総括し, 検討のヘリテージを継承し, また新規提案 を迎え入れて, 挑戦可能で意義の認められる複数の探査プラットフォーム･探査スコープ案を策定した • 各案のフィージビリティを検討した • 審査会を開催し, 上位 2 案への絞り込みを行った • 共通基盤技術開発として, 以下の開発を行った SUSラミネートバッテリ開発 超音速パラシュート開発 着陸機 FTB 開発 Phase 2：上位 2 案のフィージビリティ検討の深化・比較評価(9月頭∼12月半) • 上位 2 案についてフィージビリティ検討を行った • 最終案への絞り込みを行った(工学的視点･実現可能性に焦点を当てた内部評価による) • これまで検討した複数の提案を総括し, 技術開発計画に基づいた「火星探査プログラム」案を作成し た Phase 3：最終案のフィージビリティ検討の深化とプロジェクト計画の策定 (12月半∼3月末) • 最終案のフィージビリティ検討を深化した • メーカによる探査機システム概念設計を行った • 上記の検討を総括し, 火星着陸技術実証機プロジェクト計画(中型ミッション)を策定した • 上記のプロジェクト計画を中型ミッション AO へ提案した 残念ながら 2020 年打上の中型ミッション #1 としては選定されなかった 4 研究計画と方法 研究計画・方法(つづき) 平成 27 年度(研究費：7,000 千円) イプシロン増強型を用いて実現可能な小型の技術実証ミッション案を検討し, 十分な実現可能性が得ら れれば, 小型ミッション AO への提案を行う．策定し, ミッション提案を行う． • 中型プロジェクト計画の審査結果を分析し, レッスンラーンドを策定し, 成果取りまとめを行う． • 上記の成果に基づいて, 中型プロジェクト計画の小型化･先鋭化の検討, 代替案の検討, その結果として 挑戦可能で意義の認められる探査プラットフォーム案の策定を行う． • 上記の探査プラットフォーム案について, 技術フィージビリティの検討を行う． • 上記の探査プラットフォームを用いた小型探査機システムの概念設計・基本設計を行う． • 小型ミッション実現のために必要となる技術課題を抽出し, その到達度を向上させるための研究開発 を行う． • 技術フィージビリティが十分に認められ, また周辺状況を考慮した上でミッションの意義が十分に認 められる場合は, FY27 年度末に予定されている小型ミッション AO へ提案を行う． 小型ミッションの検討と並行して, 中長期的な火星着陸探査ロードマップの作成と, これを支える探査技 術の研究開発計画を策定する．小型ミッション検討における技術開発と共通する技術については, 小型 ミッション検討の枠内において研究開発をおこなう． 品目 費用(千円) 2,000 旅費 中型計画検討の成果報告(国内外学会旅費) 800 小型計画検討のための打合せ旅費 2,000 小型探査システム概念検討 400 技術開発費 小型エアロシェルの概念検討／検証(加熱試験など) 600 超音速パラシュート放出機構の概念検討／検証(放出試験) 1,200 超音速パラシュートヘリ落下試験機の概念検討／機体開発 7,000 合計 5 平成 27 年度研究成果の概要 研究成果 イプシロンロケットを用いた小型技術実証ミッションとして, 火星エアロキャプチャによるデータリレ ー/リモートセンシングオービタを中心として検討を行った．その結果, ロケットの能力が不十分な中で, 現在の小型バス技術では実効性の高いミッション計画を確立することが困難であり, また周辺状況とし て MMX が計画中であることから, 小型ミッション AO への提案を断念した．しかし検討の成果は, 今後 の多様な小型ミッション検討に寄与すると期待される．一方, 中長期的な火星着陸探査の戦略を検討し, SLIM による重力天体着陸技術実証, MMX による火星探査への流れを継承して, 2025 年頃の次期中型ミッ ションへ火星着陸探査ミッションを提案するロードマップを作成した．また将来の火星探査の実現にむ けた技術到達度の向上のため, 技術到達度が低く優先度の高いものの研究を推進した．特に超音速パラ シュートについては, 放出機構の開発と検証を行い, さらにヘリコプタ落下実験機の開発を行った． 目標の達成状況 ロケットの能力不足や周辺状況の変化によって, 火星着陸探査技術実証を中型/小型ミッションとしてプ リプロジェクトフェーズへ進めるという最終ゴールへ到達することはできなかったが, FY27 の当初目標 である小型火星探査ミッションの検討と実現可能性の検証を完了している(残作業・成果とりまとめは 年度末までに完了予定)．中長期的戦略策定においては, 次次期中型ミッションを狙う火星着陸探査ロー ドマップと技術開発計画の策定を, 当初目標通り完了した．火星探査のための技術到達度を向上する技 術開発においては, 当初の計画通り超音速パラシュートの放出試験を完了し, ヘリコプタ落下試験のため の機体製造を完了した． 来年度以降の研究方針 本 WG の目的は, 2020 年打上の中型ミッションあるいは 2022 年打上の小型ミッションへ火星着陸技術 実証ミッションの提案を行うことであり, これらのための活動が終了したことに伴い, 計画通り本 WG を 解散する．一方で, 火星着陸探査はいまだ実現していないこと, また火星着陸探査の実現を望む声は高く, 本 WG の活動の成果や, 内外の情勢によって火星着陸探査実現に向けた機運が高まっていることから, 次 年度以降は新たな枠組みの中で, 火星着陸探査の検討をリスタートする．そこでは, あらゆる可能性を排 除せず, 日本が実施するにふさわしい価値の高い火星着陸探査について議論を行う計画である． 6 平成 27 年度研究費内訳 品目 費用(千円) 2,325 旅費 中型計画検討の成果報告(国内外学会旅費) 637 小型計画検討のための打合せ旅費 1,473 小型探査システム概念検討 0 技術開発費 小型エアロシェルの概念検討／検証(加熱試験など) 804 超音速パラシュート放出機構の概念検討／検証(放出試験) 1,761 超音速パラシュートヘリ落下試験機の概念検討／機体開発 7,000 合計 7 平成 27 年度研究業績(研究発表, 特許, 表彰など) n 査読論文(4件．この他 5 件の査読中論文が存在する) 1. Usui, T., et al., “MeteoriQc evidence for a previously unrecognized hydrogen reservoir on Mars”, Earth Planetary Science Le^ers, 410, 140-‐151, (2015). 2. Kurokawa, H., et al., “InteracQve EvoluQon of MulQple Water-‐Ice Reservoirs on Mars: Insight from Hydrogen Isotope ComposiQons”, Geochemical Journal, 50, 67-‐79, (2016). 3. Dohm, J.M., and Miyamoto, H., “Geomorphological IndicaQon of Ancient, Recent, and Possibly Present-‐day Aqueous AcQvity on Mars”, Journal of Geography, 125, (2016) (in press). 4. 宮本英昭ほか, “地形学からみた火星の表層環境史と生命探査”, 地学雑誌, 125, (2016) (in press). n 研究発表(学会発表26 件) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 藤田和央ほか, “火星着陸技術実証と生命探査計画”, 日本航空宇宙学会第 46 期年会講演会． Fujita, K. et al., “Future Japanese Mars EDL mission”, 日仏連携による惑星大気モデル研究会． Fujita, K. et al., “Japan’s Mars Rover Mission for Technology DemonstraQon and Life Search”, The 5th InternaQonal ARA Days. Yamagishi, A. et al., “Life search plan on Mars surface and the significance”, JPGU2015. Satoh, T. et al., “Life-‐DetecQon Microscope (LDM) onboard 2020 Mars Mission MELOS”, JPGU2015. Usui, T. et al., “CharacterizaQon of MarQan Regolith: Toward 2020s Mars ExploraQon Missions”, JPGU2015. Fujita, K. et al., “Mars Rover Mission for EDL Technology DemonstraQon and Life Search”, 11th Low-‐Cost Planetary Mission Conference. 藤田和央ほか, “火星探査機のエアロシェル空力データベース開発に向けて”, 第 47 回流体力学講演会． 鈴木俊之ほか, “火星着陸探査に向けた大気突入モジュールのエアロシェル開発”,第 47 回流体力学講演会． Matsuyama, S. et al., “Dynamic Stability Analysis of a Mars Entry Capsule using Large-‐Eddy SimulaQon”, ISTS2015. Takayanagi, H. et al., “Development of Supersonic Parachute for Japanese Mars Rover Mission”, ISTS2015. Ozawa, T. et al., “Development of a Planetary ProtecQon Laboratory for Mars Missions”, ISTS2015. Suzuki, T. et al., “Study of Lightweight AblaQve Thermal ProtecQon System for Mars Rover Mission”, ISTS2015. Fujita, K. et al., “Japan’s Mars Rover Mission – System Design & Development Status”, ISTS2015. Ogawa, N. et al., “Orbit Design, Orbit DeterminaQon and Aerodynamic Guidance for Mars EDL and Surface ExploraQon Technologies Demonstrator”, ISTS2015. Ishigami, G. et al., “Mission Scope DefiniQon and Preliminarily Design Study of Mars Surface ExploraQon Rover”, ISTS2015. Yamagishi, A. et al., “LDM (Life DetecQon Microscope): In Situ Imaging of Living Cells on Surface of Mars”, ISTS2015. Hatakenaka, R. et al., “Preliminary Thermal Design of a Mars Rover Mission MELOS”, 45th InternaQonal Conference on Environmental Systems. Fujita, K. et al., “Japan’s Mars Rover Mission for EDL DemonstraQon and Life Search”, 66th IAC. 藤田和央ほか, “火星探査と技術開発構想−衛星サンプルリターンから着陸探査へ”, 第 48 回月・惑星シンポジウム． 藤田和央ほか, “重力天体着陸FTBの開発”, 平成 27 年度宇宙航行の力学シンポジウム． 臼井寛裕, “火星探査の戦略”, 第 16 回宇宙科学シンポジウム． 藤田和央ほか, “火星着陸探査に向けた活動報告”, 第 16 回宇宙科学シンポジウム． 山本真行ほか, “火星着陸機による電磁波・音波計測および火星夜面における発光観測, 第 16 回宇宙科学シンポジウム． 長勇一郎ほか, “ローバー搭載用 K-‐Ar 年代計測装置の製作”, 第 16 回宇宙科学シンポジウム． 山岸明彦ほか, “火星表面での微生物探査装置 LDM: Life DetecQon Microscope 開発の現状”, 第 16 回宇宙科学シンポジウム． 8 平成 27 年度研究成果の詳細 火星探査ロードマップの策定 非公開希望の有無 無 小型ミッションの検討 9 平成 27 年度研究成果の詳細 非公開希望の有無 無 火星着陸探査に向けた技術課題の抽出, 現状の分析, 技術開発項目の選別 10 平成 27 年度研究成果の詳細 非公開希望の有無 無 火星着陸探査に向けた研究開発の現状 火星 WG の枠内(戦略予算)で 実施している研究 他部門の予算で実施 している研究(参考) 11