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月面極域探査ミッションSACLAR: Selenology and Aerogel-using
Capture of Lunar Aqueous-altered Regolith
第6回探査ミッション立案スクール
Sep. 8, 2018 (神戸大学CPS)
チーム:月兎(GET)
朝倉・田澤・田中・荷見・松岡
大目標
月・地球の進化を明らかにする
• 理学的見地:月の水の由来• 地球と関係する場合:月と地球の起源に制約できる• 地球と無関係な場合:月がたどった独自の進化を垣間
見ることができる
• 工学的見地:資源としての月の水• 月・深宇宙探査用資源として、月の水の利用が検討さ
れている
先行する探査では極域における水氷の存在が示唆されている
ミッション要求
Chandrayaan M3
によるIR反射スペクトル (Li+ 2017, LPSC)
純氷(77K)
Faustini(SP)
Ice-less
月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする
(1) 極域内の氷の存在:先行探査では確定していない• 温度的に存在できないのでは?• 水のスペクトル特徴が見えている• レーザー反射率が高い領域=氷?
↑赤外分光と中性子分光で
情報が得られる
ミッション要求
(1) 極域内の氷の存在:先行探査では確定していない• 温度的に存在できないのでは?• 水のスペクトル特徴が見えている• レーザー反射率が高い領域=氷?
↑赤外分光と中性子分光で
情報が得られる
Lunar Prospector 中性子分光器によるH量の見積もり(Lawrence+ 2006, JGR)
NP
SP
月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする
ミッション要求
(2) 氷の起源の候補• 月からの脱ガス• 彗星からの供給• 太陽風の水素による水分子生成
D/Hは赤外分光でも明らかにできるが,それ以外は地球上での分析が必要
同位体比から起源を制約可能
D/H, 14N/15N, 13C/12C etc
D/H-15N/14N ダイアグラム上の太陽系天体の分布Sarafian+ 2014, Science
彗星
太陽
地球
OH伸縮:3μmOD伸縮:4μm
月極域の (1) 氷の存在、(2) 氷の起源を明らかにする
探査対象
Shackletonクレーター(南極域)
D=20km, d=3km
• 永久影を有する• 温度的には氷が存在できない(かぐや)• 分光学的に水の特徴を確認(チャンドラ
ヤーン・M3)• レーザー反射率の高い領域を確認(LRO)
地表面直下に氷の層が存在?水蒸気の流れがある?
システム要求
ミッション要求
(1)氷の存在
(2)氷の起源
システム要求
SysR1 赤外反射スペクトル観測器
SysR2 中性子スペクトル観測器
SysR3 サンプルリターン(SR)と地上での同位体測定
SR手法(SysR3)について更に詳細に検討
SRの困難
困難:Shackletonクレーターの永久影環境水氷が存在する可能性があるが…× 可視光で対象や障害物が見えない× 太陽光発電ができない× きわめて低温で機器に障害が生じうる
SRの要求:着陸せずにサンプル採取をしたい
これらの条件から、着陸と採取が困難となる
SRに関連したシステム要求
着陸せずにサンプル採取をしたい
インパクタを落下させ、その放出物を軌道上で採取する
SysR3a インパクタ落下地点を確定させるSysR3b エジェクタからのSRSysR3c エジェクタカーテンを観察するSysR3d 放出されるガスを観察する
どの起源でも岩石にOH結合が生じたと期待できる→氷ではなく熱条件の緩い水和鉱物をサンプル対象とする• 月脱ガス:地熱による水質変成• 彗星衝突:衝突加熱水質変成• 太陽風:岩石表面でのOH基形成
システム定義
赤外観測 近-中間赤外広帯域レーザー(LOLA(13.2kg, 33W)を改良)(SysR1) 3, 4μmバンドカメラ
近赤外ー中間赤外分光計(M3を改良, 8kg, 20W))
中性子観測 中性子分光計(MESSENGER-NS, 3.9kg, 6W)(SysR2)
SRメイン機器 インパクタ-軌道サンプラ-カプセル系(Stardustのサンプラ)(SysR3b) 軌道制御系
軌道観測系(LIDAR, LOLA(13.2kg, 33W))
エジェクタカーテン観測(SysR3c) 「赤外観測」と同様(+地上観測(南半球高緯度の望遠鏡))
ガス観測 ガスサンプラ(SysR3d) イオン検出器(Kaguya-PACE, 16kg)
落下地点決定 レーダー反射測定器(Chandrayaan-MiniSAR, 8.1kg, 50W)(SysR3a) その他「赤外観測」「中性子観測」と同様
赤外観測&レーザー観測機器
近-中間赤外広帯域レーザーによるスポット群スポットを3μm(OH伸縮),4μm(OD伸縮)バンドカメラで撮像
L:LIDAR光源併用I:近赤外-中間赤外分光計光源併用
L
I
2.3km
ミッション概要
月周回軌道投入重量の見積もり
ΔV1 GTO
36000km
320000km 60000km
ΔV2
ΔV1 [km/s] 0.77
ΔV2 [km/s] 0.73
1. H3ロケットを用いてGTOに6.5tのペイロードを
投入
2. ΔV1の加速で月遷移軌道に投入
3. ΔV2の減速で月周回軌道に投入
Isp = 310 s のエンジンを用いたとすると・・・
3.97ton のペイロードを月周回軌道に投入できることがわかった。
ミッション概要
インパクタの軌道変更インパクタ
オービタ
オービター
ΔV
軌道変更後の近点を通過する際に軌道変更を行う。
ΔV = 1.2km/s
衝突シーケンス
54°
ΔV = 11m/s
インパクタを遠点で減速して月に衝突させる。
11m/sの減速を行うことで親機の近点付近で
54°の衝突角を実現できることがわかった。
ミッション概要
オービタの設計
ミッション機器
機器 重量 [kg] 消費電力 [W]
近‐中間赤外広帯域レーザー 13.2 33
3,4㎛バンドカメラ 6 -
近赤外‐中間赤外分光計 8 20
中性子分光計 3.9 6
イオン検出器 16 ‐
レーダー反射測定器 8.1 50
サンプラ 7 ‐
帰還カプセル 50 ‐
インパクタ(推進系含む) 520 ‐
合計 632.2 109
バス機器重量SELENEのミッション機器・バス機器を参考にSACLARの
バス機器重量は1700kg(推薬1100kg)とする。
サンプル回収器エアロゲルでエジェクタを回収Stardustのサンプラーを応用
• 全体の面積 1 m2
✓ それぞれ:r=0.21m, S=0.14m2
• エアロゲルの厚さ 1cm
• 総質量
カプセル ふた
Stardustのエアロゲルサンプラ
イオン検出器
エアロゲル
イオン検出器
イオン
ダスト
イオン検出器でクレーターから放出された揮発性物質を検出する
かぐやに搭載されたイオン検出器(PACE)
Sample return概略図
Impactorを衝突させて、人工的にクレーターを形成舞い上げられたejectaをorbiterが捕獲、カプセルにて地球へ持ち帰る
Ejectaの回収
・高度10kmにsampleはどの程度あるのか
・より多くのsampleを採取するために、高度10kmでのsampleの面密度が最も大きくなる時にオービターがカーテンを通過するようにする
衛星が通過する10kmでのejectaカーテンの面密度を考える
◉通過面の面密度が最大になるのはどんな時?
衝突後、ejectaカーテンが形成速度分布に従って速度の大きいejectaから10kmに到達
・速度が低すぎる…高度10kmまで達しない・速度が高すぎる…sampleの数密度が低い
→月重力下で高度10kmまで十分通過できるejectaの中で、低速のejectaを狙う
v~270(m/s)のejectaが10kmまで上昇した時を想定
サンプル回収量の概算 (1)
𝑉𝑒(𝑣)
𝑅3~0.32
𝑣
𝑔𝑅
−1.22
parameter
Impactorの質量𝑚𝑝 500(kg)
Impactorの衝突速度 𝑣𝑝 3000(m/s)
形成クレーターの半径 𝑅 ~14(m) (∵スケーリング則から計算)
エアロゲルの表面積 𝑆 1.0(m2)
Ejecta物質の密度 𝜌 3.0(g/cm3)
Ejectaの体積 𝑉 6.55×10-14(m3)
・以下のparameterで計算
𝑉𝑒(𝑣):速さ𝑣以上の速度のejectaの総体積
・重力支配域でのejectaの破片速度の式は次のように与えられる
サンプル回収量の概算 (2)
𝛿𝑉𝑒 𝑣0 + 𝛿𝑣; 𝑣0 =𝜕𝑉𝑒𝜕𝑣
∙ 𝛿𝑣
= −0.39𝑅3
𝑔𝑅−1.22 𝑣
−2.22 ∙ 𝛿𝑣
高度10kmと10km+1mの速度差を計算v=270(m/s)での速度分布を適用
この時、高度10km~10km+1mにある
・sample粒子の個数 ~ 1.2×1012(個)・カーテンの通過面の数密度 ~ 1.8×107(個/㎡)
質量に直すと、一回の通過で約4g採取できる!
サンプル回収量の概算 (3)
シールド設計・ejectaによる損傷を防ぐシールドを考える
《安全性の概算》
・Stardust計画のWhipple Shieldsを採用予定~1(cm3)の衝突物は防ぐことが可能
・ejecta粒子の平均サイズ 〜6.6×10-8(cm3)
・ejecta粒子の大きさが全て1(cm3)であると仮定→通過面の数密度は~1(個/m2)→1(cm3)級のejecta粒子が1%あったとしても、衝突確率は~1%
☆以上の議論から、十分なシールド効果が期待できる
Whipple shields
サンプルの解析手法
地上では同位体顕微鏡で解析• 物質中の微細な同位体の組成分布を観
測できる
惑星間粒子 Benaventa のδ17O image(幅9μm)(Floss & Stadermann 2003, LPSC)
サクセスクライテリア
超低空からの極域クレーター撮像 Minimum
中性子分光・赤外反射分光測定 Minimum
インパクタの着弾 Minimum
エジェクタカーテンの分光学的観測 Full
エジェクタの採取 Full
サンプルリターン Full
クレーター形成後の継続的観測 Extra
まとめ
• 月極域の物質のSRを行うミッションを立案した
• 日陰の制約を緩和するサンプリング手法を検討した
• SRに加え、氷の存在をサポートするようなリモートセンシング観測の組み合わせを提案した
• 天体に直接着陸しないSRは今後の探査へ広く応用できる技術だと考えられる
エンケラドゥスのプルーム 準惑星ケレスの永久日陰
おしまい