小型衛星
ESTCube-1 1Uキューブサット

小型衛星（しょうちせいさつ、英: small satellite）、超小型衛星（miniaturized satellite）、またはスモールサット（smallsat ）は、質量とサイズが小さく、通常1,200 kg（2,600 lb）未満の衛星である。 [ 1 ]このような衛星はすべて「小型」と呼ばれるが、質量に基づいて分類するために様々な分類法が用いられる。衛星を小型にすることで、打ち上げロケットの経済的コストと建設関連コストを大幅に削減することができる。小型衛星、特に多数の小型衛星は、科学データの収集や無線中継など、いくつかの目的においては、少数の大型衛星よりも有用である可能性がある。小型衛星の建造における技術的な課題としては、十分な電力貯蔵容量の不足や推進システム用のスペースの不足などがあげられる。[ 2 ]

根拠

グループ名[ 1 ]質量（kg）
超大型衛星 > 7,000
重い衛星 5,001から7,000
大型衛星 4,201から5,000
中間衛星 2,501から4,200
中型衛星 1,201から2,500
小型衛星 601から1,200
ミニ衛星201から600
超小型衛星11から200
ナノ衛星1.1から10
ピコ衛星0.1から1
フェムト衛星<0.1

衛星を小型化する理由の一つはコスト削減です。重い衛星は、より大きな推力を持つ大型ロケットを必要とし、資金調達コストも高くなります。一方、小型軽量の衛星は、小型で安価な打ち上げロケットを必要とし、場合によっては複数機の打ち上げが可能です。また、大型打ち上げロケットの余剰容量を利用して「ピギーバック」方式で打ち上げることも可能です。小型衛星は、設計コストの削減と大量生産の容易化を実現します。

小型衛星を開発するもう一つの大きな理由は、大型衛星では実現できない次のようなミッションを実現できる可能性があることです。

  • 低データレート通信用の星座
  • フォーメーションを使用して複数のポイントからデータを収集する
  • 大型衛星の軌道上検査
  • 大学関連の研究
  • より高価な宇宙船に使用する前に、新しいハードウェアをテストまたは認定する

歴史

衛星打ち上げ産業における超小型衛星および超小型衛星分野は、2010年代に急速に成長しました。1～50 kg（2.2～110.2ポンド）級の開発活動は、50～100 kg（110～220ポンド）級の開発活動を大幅に上回っています。[ 3 ]

1～50kgの範囲に限ってみると、2000年から2005年にかけては年間15機未満、2006年には34機、2007年から2011年にかけては年間30機未満しか打ち上げられなかった。これが2012年には34機、2013年には92機に増加した。[ 3 ]

欧州のアナリストであるユーロコンサルトは、2015年から2019年にかけて500機以上の小型衛星が打ち上げられ、その市場価値は74億ドルと推定されると予測している。[ 4 ]

2015年半ばまでに、小型衛星の打ち上げオプションが大幅に増え、二次ペイロードとしての打ち上げも量が増え、短期間でのスケジュール設定が容易になった。[ 5 ]

驚くべき展開だが、数十年にわたり10年単位の調達サイクルで大型衛星を調達してきた米国国防総省は、2020年代に小型衛星への移行を進めている。宇宙調達統合局は2023年1月、「国防総省にとって大型衛星の時代は過去のものとなる必要がある」と述べ[ 6 ]、 3年以内の調達を目指しつつ、「 LEO、MEO、GEO 」を問わず、あらゆる軌道領域で国防総省のニーズに合わせて小型衛星を調達していくとしている[ 6 ] 。小型衛星は敵にとって標的にされにくく、大規模分散型衛星ネットワークの 設計における冗長性によって耐性も向上すると考えられている[ 6 ]。

2021年には、イスラエルのテクニオンとラファエルが設計・開発したアデリス・サムソンミッションの一環である初の自律型ナノ衛星が宇宙に打ち上げられた。[ 7 ] 2023年には、スペースXがテルアビブ大学が開発した20cmの量子通信ナノ衛星を打ち上げた。これは世界初の量子通信衛星である。[ 8 ] TAUのナノ衛星は、量子通信ネットワークを形成するとともに、光地上局を介して地球と通信するように設計されている。[ 8 ] [ 9 ]

分類グループ

スペーステクノロジー5の3つの超小型衛星

小型衛星

「小型衛星」 [ 3 ]、あるいは「ミニサテライト」という用語は、燃料を含む湿質量が100～500kg（220～1,100ポンド）の人工衛星を指すことが多いが、[ 10 ] [ 11 ]、他の用法では500kg（1,100ポンド）未満の衛星を指すこともある。[ 4 ]

小型衛星の例としては、 Demeter、Essaim、Parasol、Picard、MICROSCOPE、TARANIS、ELISA、SSOT、SMART-1、Spirale-A および -B、Starlink衛星などがあります。

小型衛星打ち上げ機

小型衛星は従来、大型打ち上げロケットの二次ペイロードとして打ち上げられてきましたが、多くの企業が小型衛星市場に特化した打ち上げロケットの開発を開始しました。特に、小型衛星の打ち上げ数が増えるにつれて、二次ペイロードというパラダイムでは、軌道や打ち上げタイミングに特有の要件を持つ多くの小型衛星に必要な特異性を提供できなくなっています。[ 12 ]

これまでに小型衛星打ち上げ機を商業的に打ち上げたことがある米国に拠点を置く民間企業には、次のようなものがあります。

マイクロサテライト

「超小型衛星」または「マイクロサット」という用語は、通常、湿質量が10～100 kg（22～220ポンド）の人工衛星の名称に用いられます。[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]しかし、これは公式の慣例ではなく、これらの用語はそれよりも大きい、またはそれよりも小さい衛星（例えば、1～50 kg（2.2～110.2ポンド））を指す場合もあります。[ 3 ]これらのタイプの衛星の設計または提案された設計では、超小型衛星が連携して、または編隊を組んで動作する場合もあります。[ 18 ]一般的な用語である「小型衛星」または「スモールサット」も使用されることがあります。 [ 19 ]また、「サットレット」も使用されます。[ 20 ]

例：アストリッド1号とアストリッド2号[ 21 ]、および現在LauncherOne向けに発表されている衛星群（下記）[ 19 ]

2018年、2機のマーズ・キューブ・ワン超小型衛星（それぞれわずか13.5kg、30ポンド）が、地球周回軌道を離れ、惑星間宇宙での使用に成功した最初のキューブサットとなった。これらの衛星は、成功したマーズ・インサイト着陸ミッションに同行して火星へ向かった。[ 22 ] 2機の超小型衛星は2018年11月に火星へのフライバイを成功させ、12月下旬まで地球の地上局との通信を継続した。2019年1月初旬には両機とも通信を停止した。[ 23 ]

超小型衛星打ち上げ機

民間企業および軍事関連企業の多くが、ますます高度化する超小型衛星の打ち上げ要件を満たすため、現在、超小型衛星打ち上げ機の開発に取り組んでいます。超小型衛星は長年にわたり、大型ロケットに搭載された二次ペイロードとして宇宙に運ばれてきましたが、二次ペイロードのパラダイムでは、軌道や打ち上げタイミングの要件がそれぞれ異なる、ますます高度化する小型衛星の多くに必要な特異性を提供できません。[ 12 ]

2012年7月、ヴァージン・オービットは、100kg（220ポンド）の小型衛星を低地球軌道に打ち上げる軌道打ち上げ機「ランチャーワン」を発表した。打ち上げは2016年に開始される予定だ。ジオオプティクス、スカイボックス・イメージング、スペースフライト・インダストリーズ、プラネタリー・リソーシズなど、既に複数の商業顧客が打ち上げ契約を結んでいる。サリー・サテライト・テクノロジーとシエラ・ネバダ・スペース・システムズは、ランチャーワンの設計に最適化された衛星バスを開発中だ。 [ 19 ] ヴァージン・オービットは2008年後半からランチャーワンの構想に取り組んでおり、[ 24 ]ヴァージンの有人宇宙飛行計画が複数回の遅延と2014年の死亡事故を経験したため、2015年現在、ランチャーワンはヴァージンのコアビジネスプランの大きな部分を占めている。[ 25 ]

2012年12月、DARPAは空中発射支援宇宙アクセスプログラムがDARPA SeeMeプログラムに超小型衛星ロケットブースターを提供すると発表した。このプログラムは「1メートルの解像度を持つ24機の超小型衛星（約20kg（44ポンド）の範囲）のコンステレーション」を打ち上げることを目的としていた。[ 26 ] このプログラムは2015年12月に中止された。 [ 27 ]

2013年4月、ガーベイ・スペースクラフトは、プロスペクター18弾道ロケット技術を、10kg（22ポンド）のペイロードを250km（160マイル）の軌道に打ち上げることができる軌道ナノサット打ち上げロケットに進化させる20万ドルの契約を獲得した。さらに、20kg（44ポンド）のペイロードを450km（280マイル）の円軌道に打ち上げることができるクラスター化された「20/450ナノ/マイクロ衛星打ち上げロケット」（NMSLV）に進化させる。[ 28 ]

ボーイング社の小型ロケット（SLM）は、45kg（100ポンド）の小型ペイロードを低地球軌道に打ち上げることを目的とした、空中発射型の3段式軌道投入ロケットのコンセプトです。このプログラムは、米国の軍事用小型衛星の打ち上げコストを1回あたり30万ドル（1kgあたり7,000ドル）まで引き下げることを目指しており、開発プログラムに資金が確保されれば、2012年時点で2020年までに運用開始が可能となる可能性があります。[ 29 ]

スイスの企業スイス・スペース・システムズ（S3）は、2013年にSOARと呼ばれる亜軌道宇宙飛行機を開発する計画を発表しました。この飛行機は、最大250kg（550ポンド）のペイロードを低地球軌道に投入できる超小型衛星打ち上げ機を打ち上げます。[ 30 ]

スペインのPLDスペース社は、最大150kg（330ポンド）の物資を軌道に乗せることができる低コストの打ち上げロケット「ミウラ1」と「ミウラ5」の開発を目的として2011年に設立されました。 [ 31 ]

ナノ衛星

2023年12月時点で打ち上げられた超小型衛星[ 32 ]

「ナノ衛星」または「ナノサット」という用語は、湿質量が1～10 kg（2.2～22.0ポンド）の人工衛星に適用される。[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]これらのタイプの設計および提案された設計は、個別に打ち上げられる場合もあれば、複数のナノ衛星が連携または編隊飛行する場合もある。その場合、「衛星群」[ 33 ]または「分割宇宙船」という用語が適用されることもある。一部の設計では、地上管制官との通信やナノ衛星の打ち上げ・ドッキングのために、より大きな「母」衛星が必要となる。2023年12月現在、2300基以上のナノ衛星が打ち上げられている。[ 34 ] [ 32 ]

キューブサット[ 35 ]は一般的なタイプのナノ衛星であり、[ 32 ] 10cm×10cm×10cmの倍数に基づいた立方体の形状で構築され、ユニットあたりの質量は1.33キログラム（2.9ポンド）以下です。[ 36 ]キューブサットのコンセプトは、1999年にカリフォルニア工科州立大学とスタンフォード大学の共同チームによって初めて開発され、キューブサットスタイルのナノ衛星の打ち上げを計画している人が使用できるように、このグループによって仕様が管理されています。[ 36 ]

電子技術の小型化と機能向上、そして衛星群の利用が進むにつれ、ナノ衛星はこれまではマイクロ衛星が必要だった商用ミッションをこなせるようになってきている。[ 37 ] 例えば、6U CubeSat規格では、重さ156 kg (344 lb)のRapidEye地球画像衛星5基のコンステレーションを、重さ8 kg (18 lb)の地球画像衛星35基の衛星群で置き換えることが可能になり、同じミッションコストで大幅に再訪回数を増やすことができると提案されている。RapidEyeコンステレーションでは24時間に1回しか撮影できないのに対し、再訪回数は3.5時間ごとに地球のすべての地域を撮影できる。再訪回数の短縮は、災害対応を行う国々にとって大きな改善であり、これがRapidEyeコンステレーションの目的でもあった。さらに、ナノサットという選択肢があれば、より多くの国々がオフピーク時（災害時以外）の画像データ収集用に独自の衛星を所有できるようになる。[ 37 ]コストが低下し、生産時間が短縮されるにつれて、ナノ衛星は企業にとってますます実現可能な事業になりつつある。[ 38 ]

ナノ衛星の例としては、ExoCube（CP-10）、ArduSat、SPROUTなどがある。[ 39 ]ナノ衛星の開発・製造企業としては、EnduroSat、GomSpace、NanoAvionics、NanoSpace、Spire、[ 40 ] Surrey Satellite Technology、[ 41 ] NovaWurks、[ 42 ] Dauria Aerospace、[ 43 ] Planet Labs [ 41 ] Reaktorなどがある。[ 44 ]

ナノサット市場

2014年までの10年間のナノサット打ち上げでは、わずか75機のナノサットしか打ち上げられなかった。[ 32 ] 2013年11月から2014年1月までの3か月間で94機のナノサットが打ち上げられ、打ち上げ率は大幅に上昇した。[ 41 ]

ナノサットの利用における課題の一つは、このような小型衛星を低軌道以遠の軌道に経済的に輸送することである。2014年後半には、遠方の小惑星探査などの用途のために、ナノサットの群れを地球軌道外の軌道に輸送することに特化した大型宇宙船の提案が進められていた。[ 45 ]

超小型衛星打ち上げ機

2010 年代には小型化の技術的進歩と民間宇宙飛行計画を支援する資本の増加が見られ、さまざまな小型ペイロードのナノ衛星打ち上げロケット (NLV) 技術の開発の機会を追求するスタートアップ企業がいくつか設立されました。

提案中または開発中の NLV には次のものがあります。

実際のNSの起動:

ピコ衛星

「ピコ衛星」または「ピコサット」（ PicoSATシリーズの超小型衛星とは混同しないよう注意）という用語は、通常、湿質量が0.1～1 kg（0.22～2.2ポンド）の人工衛星を指すが、[ 10 ] [ 11 ]、打ち上げ質量が1 kg未満の衛星全般を指す場合もある。[ 3 ]繰り返しになるが、これらのタイプの設計および提案されている設計では、通常、複数のピコ衛星が連携して、あるいは編隊を組んで運用される（「スウォーム」という用語が使用されることもある）。一部の設計では、地上管制官との通信やピコ衛星の打ち上げ・ドッキングのために、より大きな「母」衛星が必要となる。

ピコ衛星は、 DIYキットビルダーにとって新たな選択肢として浮上しています。現在、ピコ衛星は0.1～1kg（0.22～2.2ポンド）の範囲で市販されています。1kg未満のピコ衛星ペイロード（ソーダ缶程度の大きさ）の打ち上げ機会は、現在12,000～18,000ドルで提供されています。[ 51 ]

フェムト衛星

「フェムト衛星」または「フェムトサット」という用語は、通常、湿質量が100 g（3.5 oz）未満の人工衛星に適用されます。[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]ピコ衛星と同様に、一部の設計では地上の管制官との通信のために、より大きな「母」衛星が必要です。

2011年5月、スペースシャトル・エンデバー号の最終ミッションで、3機のプロトタイプ「チップ衛星」が国際宇宙ステーション（ ISS ）に向けて打ち上げられた。これらは試験のため、ISSの外部プラットフォームである材料国際宇宙ステーション実験装置（MISSE-8）に取り付けられた。[ 52 ] 2014年4月、ナノ衛星キックサットがファルコン9ロケットで打ち上げられ、104機のフェムト衛星サイズのチップサット（「スプライト」）を放出する計画だった。[ 53 ] [ 54 ]しかし、搭載時計の故障により、予定通りに展開を完了することができず、展開機構は2014年5月14日に5グラムのフェムトサットを展開することなく大気圏に再突入した。[ 55 ]メキシコのティファナに拠点を置く新興企業サムサットは、当初2010年代後半にフェムト衛星の打ち上げ計画を発表していた。[ 56 ] [ 57 ] 2025年8月、サムサットは中国の酒泉衛星発射センターからキネティカ1号ロケットに搭載され、2機のフェムト衛星、サムサット1号とサムサット2号を低軌道に打ち上げた。このミッションはメキシコ初の商業衛星打ち上げとなった。サムサット1号は自撮りペイロードを搭載し、サムサット2号は芸術的なペイロードを搭載している。両衛星ともメキシコのサムサット技術者によって開発され、打ち上げは中国の航空宇宙企業CAS Spaceとの協力によって実現された。[ 58 ]

ThumbSat-1とThumbSat-2ミッションの主な目的は、プラットフォームの低軌道通信機能とペイロード画像伝送性能を検証することであった。[ 59 ] 2025年現在、ThumbSatはメキシコ全土に低コストの受信局を設置し、学生やアマチュアユーザーが衛星からの信号を受信できるようにしている。[ 60 ]

2019年3月、キューブサット「キックサット2」は、「チップサット」と呼ばれる105個のフェムトサットを地球周回軌道に投入しました。チップサットはそれぞれ4グラムでした。衛星は3日間の試験の後、大気圏に再突入して燃え尽きました。[ 61 ] [ 62 ]

技術的な課題

小型衛星には通常、革新的な推進システム、姿勢制御システム、通信システム、計算システムが必要です。大型衛星では、推進と姿勢制御に通常、一液推進剤または二液推進剤の燃焼システムが用いられます。これらのシステムは複雑で、放熱のために表面積に対して最小限の体積が必要です。これらのシステムは大型の小型衛星に採用される可能性がありますが、その他のマイクロ／ナノ衛星では、電気推進、圧縮ガス、ブタンや二酸化炭素などの気化性液体、あるいはシンプルで安価かつ拡張性の高い革新的な推進システムを使用する必要があります。

小型衛星は、UHF、VHF、Sバンド、Xバンドといった従来の無線システムを使用できますが、大型衛星に比べて最新技術を用いて小型化されていることが多いです。ナノサットや小型マイクロサットなどの超小型衛星は、大型の従来型無線トランスポンダに必要な電源や質量が不足している場合があり、レーザー受信機、アンテナアレイ、衛星間通信ネットワークなど、様々な小型化または革新的な通信システムが提案されています。これらのうち、実際に実証されたものはほとんどありません。電子機器は、宇宙環境（真空、微小重力、極度の温度変化、放射線被曝）に耐えられるよう、厳密に試験・改造する必要があります。小型衛星は、試験費用を抑えながら新しいハードウェアを試験する機会を提供します。さらに、ミッション全体のコストリスクははるかに低いため、リスク許容度が低い、はるかに大規模で費用のかかるミッションで使用されるよりも、最新だが宇宙での実証が不十分な技術を、マイクロサットやナノサットに組み込むことができます。

衝突安全性

小型衛星は地上レーダーによる追跡が困難であるため、他の衛星や有人宇宙船との衝突を予測することは困難です。米国連邦通信委員会は、こうした安全上の理由から、少なくとも1件の小型衛星の打ち上げ申請を却下しています。[ 63 ]

参照

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