プシュケ(宇宙船)

プシュケ
16 Psycheを周回するPsyche宇宙船のアーティストによる概念図
ミッションタイプ小惑星探査機
オペレーター
コスパーID2023-157A
SATCAT番号58049ウィキデータで編集する
Webサイト
ミッション期間航海期間:2年3ヶ月23日(進行中)[ 1 ]科学研究期間:軌道上で21ヶ月
宇宙船の特性
宇宙船プシュケ
メーカーマクサー・テクノロジーズ[ 2 ]
打ち上げ質量2,608 kg (5,750 ポンド) [ 3 ]
乾燥質量1,648 kg (3,633 ポンド) [ 4 ]
ペイロード質量30 kg(66ポンド)
4.5kW
ミッション開始
発売日2023 年 10 月 13 日、14:19 UTC [ 5 ] [ 6 ]
ロケットファルコン・ヘビー[ 7 ]
発射場ケネディ宇宙センターLC-39A
請負業者スペースX
16 サイケオービター
軌道挿入2029年8月[ 1 ]
プシュケミッションパッチ

プシケ / ˈ s k i / SY -kee )は、2023年10月13日に打ち上げられたNASAディスカバリープログラムの宇宙ミッションであり、 2029年から金属小惑星16プシケを周回して調査することで惑星の核の起源を探ることを目的としている。 [ 8 ] NASAのジェット推進研究所(JPL)がこのプロジェクトを管理している。

宇宙船は小惑星に着陸せず、2029年8月5日から2031年10月31日まで817日間周回します。プシケは推進力と軌道制御に太陽光発電式ホール効果スラスタを使用しており、この技術を採用した惑星間宇宙船はこれが初めてです。また、地球-月系外において レーザー光通信を使用する初のミッションでもあります。

歴史

プシケミッションの提案は、2015年2月に締め切られたNASAのディスカバリー計画ミッション13と14の提案募集の一環として、アリゾナ州立大学の主任研究員であるリンディ・エルキンス=タントンによって提出された。 2015年9月30日に5つの最終候補の1つとして選ばれ、さらなる概念開発のために300万ドルが授与された。[ 8 ] [ 9 ]

2017年1月4日、プシケは14回目のディスカバリーミッションに選ばれ、2023年に打ち上げられることとなった。[ 10 ] 2017年5月、より効率的な軌道を目標に打ち上げ日が前倒しされ、2023年5月23日の火星重力アシストの後、2026年1月31日に到着するSpaceXのファルコンヘビー打ち上げロケットで2022年7月に打ち上げられることとなった。 [ 11 ]

2022年6月、NASAはプシケ宇宙船の試験機器と誘導・航法・制御(GNC)飛行ソフトウェアの納入が遅れたため、必要な試験を完了する時間が十分にないことがわかり、打ち上げを延期することを決定しました。2023年と2024年には、それぞれ2029年と2030年に小惑星とランデブーするための将来の機会が利用可能になりました。[ 12 ] [ 13 ]

2022年10月28日、NASAはプシケの打ち上げ開始日を2023年10月10日に設定し、2029年8月に小惑星に到着する予定であると発表した。 [ 1 ]

2022年11月に報告されたJPLの遅延に関する独立調査では、人員不足、計画不足、技術者間および経営陣間のコミュニケーション不足が明らかになった。VERITAS金星探査ミッションは、スタッフがプシケに集中できるよう延期された。[ 14 ]

2023年4月18日、JPLのPsycheのミッションページが更新され、2023年10月5日という新たな打ち上げ日が反映されました。[ 15 ] 2023年9月28日、宇宙船に原因不明の問題が発生したため、打ち上げは2023年10月12日までに再度延期されました。[ 16 ]悪天候によるさらに1回の延期の後、Psycheは2023年10月13日に無事に打ち上げられました。[ 17 ]

2024年5月の最新情報では、宇宙船の状態は良好であり、キセノンスラスタの点火とともに予定通りミッションを完了する予定であると報告された。[ 18 ]

2025年4月、プシケはキセノン推進システムの圧力に予期せぬ低下を経験しました。問題調査中、探査機は推進を停止し、システムエンジニアは探査機の推進動作を継続するために、探査機の予備燃料ラインへの切り替えを検討しました。[ 19 ] 5月に予備燃料ラインへの切り替えが行われた後、2025年6月16日にスラスタのフル稼働が再開されました。[ 20 ]

ターゲット

16 プシケは、平均直径220キロメートル(140マイル)の最も重いM型小惑星として知られており、露出した原始惑星鉄核である可能性があり、[ 21 ]別の物体との激しい衝突でマントル地殻が剥がれた残骸である可能性があります。

最近の研究では、この惑星は「金属とケイ酸塩が混在する惑星」であることが示されています。[ 22 ]別の研究では、この惑星は原始惑星の金属核、あるいは「レゴリス組成を持つ分化した惑星であり、局所的に金属濃度の高い領域が点在している」と考えられています。[ 23 ]地球からのレーダー観測では、この小惑星は鉄とニッケルの組成であることが示されています。[ 24 ]

プシュケの歴史的な小惑星シンボルである蝶の羽の上に星()が描かれており、このミッションの記章に影響を与えた可能性がある。[ 25 ]

ミッションの概要

プシケ宇宙船太陽電気推進で設計されており、[ 26 ] [ 27 ]、科学ペイロードにはマルチスペクトルイメージャー磁力計ガンマ線スペクトロメータが含まれています。[ 27 ] [ 28 ]

このミッションは21ヶ月間の科学研究を行うように設計されている。宇宙船は、NASAジェット推進研究所(JPL)がSSL(旧スペースシステムズ/ロラール)およびアリゾナ州立大学と共同で建造した。[ 1 ] [ 29 ]

このロケットの打ち上げは、太陽系で3番目に大きい小惑星であるパラス2を1回通過するアテナという別のミッションと共有されるかもしれないという提案があった。[ 30 ]

2020年5月、サイケを搭載したファルコン・ヘビーには、火星の大気と連星小惑星を調査するための2つの小型衛星の二次ペイロードが搭載されることが発表されました。それぞれEscaPADEEscape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers)とJanusと名付けられました[ 11 ]が、2020年9月にEscaPADE火星大気探査機は計画から削除されました。[ 31 ]

ヤヌスは、プシケの新たな打ち上げ期間の結果として、科学的要件を満たすために必要な軌道上にいないと評価された後、2022年11月18日にプシケミッションからも外されました。 [ 32 ]

科学の目標と目的

金属を豊富に含む小惑星プシケを描いたアーティストによるイラスト。
小惑星プシケの形状モデル。観測された表面の特徴の一部が示されています。

分化は多くの小惑星やすべての地球型惑星の形成における基本的なプロセスであり、の直接探査は、このプロセスの理解を大きく深める可能性があります。プシケ・ミッションは、16 プシケの地質、形状、元素組成、磁場質量分布の特性を明らかにすることを目的としています。このミッションにより、惑星の形成と内部構造 に関する理解が深まることが期待されます。

宇宙船搭載機器: [ 33 ] 1. ホール効果スラスタ2. 光通信システム3. スタートラッカー4. 低利得アンテナ5. 太陽センサー6. Xバンド高利得アンテナ7. 中性子分光計8. ガンマ線分光計9. コールドガススラスタ 10. -Yパネル11. 磁力計12. トップデッキ13. +Yパネル14. マルチスペクトルイメージャー (x2)

具体的には、このミッションの科学的目標は以下のとおりです。[ 34 ]

  • これまで未解明だった惑星形成の構成要素である鉄の核について理解します。
  • 地球を含む地球型惑星の内部を、他の方法では見ることができない分化した天体の内部を直接調べることにより観察します。
  • 金属でできた新しいタイプの世界を探検しましょう。

このミッションが解決を目指す科学的疑問は以下の通りである。[ 21 ] [ 34 ]

  • 16 プシケは分化した微惑星の核が剥ぎ取られたものなのでしょうか、それとも鉄を豊富に含む天体として形成されたのでしょうか?惑星の構成要素は何だったのでしょうか?太陽の近くで形成された微惑星は、全体組成が大きく異なっていたのでしょうか?
  • 16 プシュケがそのマントを剥ぎ取られたのであれば、それはいつ、どのようにして起こったのでしょうか?
  • 16 プシュケがかつて溶けていたとしたら、内側から外側へ、それとも外側から内側へ固まったのでしょうか?
  • 16 プシケは冷えると磁気ダイナモを発生させたのでしょうか?
  • コアの鉄金属に共存する主な合金元素は何ですか?
  • 地質学的表面と地球全体の地形の主な特徴は何ですか? プシケ16号星は、既知の石や氷の天体とは根本的に異なって見えますか?
  • 金属体のクレーターは岩や氷のクレーターとどう違うのでしょうか?

楽器

Psycheにインストールされているペイロードは次のとおりです。

楽器 関数 チーム
Psycheマルチスペクトルイメージャーフィルターを使用して、プシケの金属成分とケイ酸塩成分を区別する高解像度の画像を提供します。

この装置は、地質、組成、地形のデータを取得するために設計された一対の同一カメラで構成されています。

2 台目のカメラの目的は、ミッションクリティカルな光学ナビゲーションに冗長性を提供することです。

アリゾナ州立大学
サイケガンマ中性子分光計 16 Psyche の元素構成を検出、測定、マッピングします。

この装置は 6 フィート (1.8 メートル) のブームに取り付けられており、宇宙船と相互作用する高エネルギー粒子によって生成される背景放射線からセンサーを遠ざけ、遮るもののない視野を提供します。

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所。
サイケ磁力計Psyche磁力計小惑星の残留磁場を検出し測定するように設計されています。

これは、6 フィート (1.8 m) のブームの中央と外側の端に配置された 2 つの同一の高感度磁場センサーで構成されています。

マサチューセッツ工科大学デンマーク工科大学
深宇宙光通信(DSOC) Psycheミッションでは地球から深宇宙の探査機と通信するために、 データを赤外線光子(電波ではなく)でエンコードする高度な新しいレーザー通信技術をテストします。

より短い波長を使用することで、宇宙船は一定の時間内により多くのデータを送信できるようになります。

ジェット推進研究所

宇宙船

宇宙船はSpace Systems/Loral(SSL)1300バスプラットフォームを使用している。[ 35 ] JPLはコマンドとデータ処理、通信サブシステム、およびすべての飛行ソフトウェアを追加した。[ 35 ]

推進

NASA ジェット推進研究所でテスト中のSPT-140ホール効果スラスタ。
SPT-140パラメータ/単位[ 36 ] [ 37 ]
タイプホール効果スラスタ
パワー[ 35 ]最大: 4.5 kW最小: 900 ワット
比推力(I sp1800秒
推力280 mN [ 37 ]
スラスター質量8.5キロ
推進剤質量キセノン922kg [ 38 ]
総衝動8.2 MN·s(プシュケの場合)

この宇宙船はイオン推進を採用している。4基のSPT-140エンジンを搭載しており、これは太陽電気推進を用いたホール効果スラスタで、太陽電池パネルで発電された電気が化学動力ではなく電動ロケットエンジンに送られる。[ 26 ] [ 39 ] [ 40 ]スラスタの定格動作電力は4.5kWであるが、[ 41 ]約900ワットで長時間動作することもできる。[ 39 ]プシケはホール効果スラスタを採用した最初の惑星間ミッションであるが、電気スラスタを一般的に採用した最初のミッションではない。[ 35 ]

SPT-140(SPTは​​Stationary Plasma Thrusterの略)は、ソ連でOKB Fakelによって発明され、 1980年代後半からNASAのGlenn Research CenterSpace Systems/LoralPratt & Whitneyによって開発された量産型の商用推進システムです。 [ 3 ] [42] [ 43 ] SPT-140スラスタは、1997年に米国のプラズマダイナミクスおよび電気推進研究所で初めてテストされ、[ 44 ]その後、2002年に空軍統合高ペイオフロケット推進技術プログラムの一環として3.5kWユニットとしてテストされました。[ 41 ] [ 3 ]

太陽電気推進装置を使用することで、宇宙船は従来の化学推進を使用する場合に必要な推進剤の10%未満しか消費せずに、16プシケ(地球から3.3天文単位に位置する)にはるかに早く到着することができます。[ 45 ]

JPL のクリーン ルームで部分的に展開された (水平方向のみに) 宇宙船の 2 つの太陽電池アレイのうちの 1 つ。
太陽光パネルパラメータ/単位[ 36 ] [ 37 ]
タイプ三接合太陽電池[ 35 ]
太陽電池アレイの性能:地球:20kW 16サイケ:2.3kW [ 35 ]

電力は、X字型に配置された両側面太陽電池パネルによって発電されます。パネルは両側に5枚ずつ配置されます。ミッションが新しい軌道に変更される前は、パネルは直線状に配置され、宇宙船の両側に4枚ずつしか配置されませんでした。[ 46 ]

レーザー通信実験

DSOC の飛行トランシーバーは、JPL のクリーン ルーム内で見られるように、Psyche宇宙船上の大きなチューブ状のサンシェードで識別できます。
打ち上げ前に搭載されたこの超高解像度の短編ビデオには、JPL職員のペットであるオレンジ色のぶち猫、テイターズがレーザーポインターを追いかける様子が映し出されています。重ね合わせられたグラフィックには、プシケの軌道、パロマーの望遠鏡ドーム、レーザーとそのデータビットレートに関する技術情報など、技術デモで使用されたいくつかの機能が示されています。テイターズの心拍数、毛色、品種も表示されます。[ 47 ] [ 48 ]

この宇宙船は、深宇宙光通信(DSOC)と呼ばれる実験的なレーザー通信技術をテストしています。 [ 49 ]このデバイスにより、宇宙船の通信性能と効率が従来の方法よりも10〜100倍向上すると期待されています。[ 49 ] [ 50 ] DSOC実験は、NASAの地球-月システムを超えた光通信の初のデモンストレーションです。 DSOCは、飛行レーザートランシーバー、地上レーザー送信機、地上レーザー受信機で構成されるシステムです。各要素には新しい技術が実装されています。トランシーバーはPsyche宇宙船に搭載されています。 DSOC技術のデモンストレーションは打ち上げ直後に始まり、宇宙船が地球から2026年に火星の重力アシストフライバイに移動する間も継続されます。 DSOCは、火星の軌道を越えた距離から最大2メガビット/秒でデータを送信することにより、その機能を披露しました。[ 51 ] DSOCの運用は打ち上げ後1年間継続され、2025年にはミッション延長の機会が設けられた。パロマー天文台ヘール望遠鏡は、 DSOCの飛行トランシーバーから高速データダウンリンクを受信した。[ 52 ] [ 53 ]

ディスカバリー計画の募集では、約75ワットを必要とする25キログラム(55ポンド)のDSOCユニットをホストしてテストするなら、ミッションプロジェクトに3000万ドルの追加資金が提供された。[ 54 ] DSOCを技術準備レベル6に進めることが期待されている。 [ 53 ]レーザー機器のテスト実行は、宇宙船に乗り込んだ探査機で0.2~2.7天文単位(AU)の距離で行われた。 [ 55 ]システムの最初の成功したテストは2023年12月11日に行われ、従業員の猫がレーザーポインターで遊んでいる猫のビデオが3100万キロメートルの距離から地球にストリーミング送信された。ビデオ信号はシステムの最大ビットレート267メガビット/秒(Mbps)で送信され、地球に到達するのに101秒かかった。 12月4日の夜、プロジェクトは62.5 Mbit/s、100 Mbit/s、267 Mbit/sのダウンリンクビットレートを実証しました。これはブロードバンドインターネットのダウンロード速度に匹敵します。チームはこの間に合計1.3テラビットのデータをダウンロードすることができました。比較として、NASAの金星探査機マゼランは、1990年から1994年の全ミッションで1.2テラビットのダウンリンクを達成しました。[ 47 ] 2024年4月8日のテストでは、宇宙船は1.5 AUの距離で最大25 Mbit/sの速度でデータを送信しました。これは、2億2600万キロメートル(1.51 AU)の距離で少なくとも1 Mbit/sが可能であることを証明するというプロジェクトの目標をはるかに上回りました。[ 56 ]

初期結果と今後の計画は2025年初頭に発表されている。ダウンリンクは2.7 AUまで実証され、速度は距離に依存するものの6.25 Mbit/秒を超える。アップリンクは0.2~3.3 AUの距離で1.8 kbit/秒の固定速度で実証された。[ 55 ]

飛行ハードウェア

DSOC飛行用レーザートランシーバーは、地上システムに高速データを送信する近赤外線レーザー送信機と、地上から送信されたレーザーを受信する高感度光子計数カメラを備えています。トランシーバーの口径8.6インチ(22センチメートル)の望遠鏡は、支柱とアクチュエータのアセンブリに取り付けられており、宇宙船の振動から光学系を安定化させます。この飛行用ハードウェアにはサンシェードが取り付けられ、宇宙船の側面から突き出ているため、サイケの特徴の一つとなっています。[ 52 ]

地上システム

カリフォルニア州ライトウッド近郊にあるJPLテーブルマウンテン施設に設置された高出力近赤外線レーザー送信機は、変調されたレーザービームを飛行トランシーバーに送信することでアップリンクとして機能し、低速データ伝送の実証に使用されます。アップリンクレーザーは、飛行トランシーバーがロックオンするためのビーコンとしても機能します。プシケのDSOCトランシーバーから送信されたダウンリンクデータは、カリフォルニア州サンディエゴ郡にあるカリフォルニア工科大学パロマー天文台の200インチ(5.1メートル)ヘール望遠鏡によって収集され、高速度データ転送の実証に高感度超伝導ナノワイヤ光子計数受信機が用いられます。[ 52 ]

JPLは、 NASA深宇宙ネットワークの既存のRFアンテナの一部にミラーを追加する実験も行いました。これにより、宇宙船との無線および光通信を同時に行うことができます。これらの実験用アンテナは、プシケからの光ダウンリンク信号の受信に成功しました。[ 57 ]

オペレーション

打ち上げと軌道

ファルコンヘビーが2023年10月13日14時19分(UTC)にサイケを打ち上げる

プシケの打ち上げ期間は2023年10月5日に始まり、10月25日まで毎日瞬間的な打ち上げのチャンスがありました。 [ 58 ] 9月28日、NASAは宇宙船のスラスタに問題が見つかったため打ち上げを1週間延期し、打ち上げ日を10月5日から10月12日に変更すると発表した。[ 59 ]悪天候のため、打ち上げはさらに1日延期され、10月13日となりました。[ 60 ]

プシキは2023年10月13日14:19 UTCに、ケネディ宇宙センター39A発射台からファルコン・ヘビーロケットで打ち上げられた。[ 61 ] [ 17 ] [ 5 ]これは8回目のファルコン・ヘビーの打ち上げであり、NASAにとっては初めての打ち上げであった。このミッションで使用された2つのサイドブースターは4回目の飛行を行い、打ち上げから数分後にケープカナベラルに着陸し、2024年のエウロパ・クリッパーの打ち上げを含む将来の飛行で再利用された。ロケットのコアステージは使用済みとなった。プシキ宇宙船は打ち上げから約1時間後にロケットの上段から切り離された。[ 6 ] [ 62 ]宇宙船からの搬送波信号は分離直後に地上管制官によって受信され、太陽電池パネル展開前の宇宙船の状態に関する情報を提供した。[ 63 ]宇宙船との完全な通信は15:50 UTCに確立された。その後、宇宙船は100日間の試運転段階に入り、その間にすべてのシステムと機器のテストと調整が行われた。[ 61 ]

打ち上げ費用は1億1,700万ドルでした。[ 7 ]プシケは2026年5月に火星で重力アシスト操作を実施し、2029年8月に目標の小惑星に到着できるように宇宙船を配置します。[ 1 ]

軌道レジーム

接近シーケンスは2029年5月に開始され、16 Psycheの最初のナビゲーション画像と測定が行われます。この時点では、小惑星はまだ数ピクセルの幅しかありません。その後、探査機は電気推進システムを使用して、小惑星の重力に捕らえられる位置に移動します。捕らえられるのは2029年7月下旬と予想されています。この時点で、16 Psycheの最初のクローズアップ画像が撮影され、小惑星の幅は約500ピクセルになります。今後20日間で、探査機は4つの科学軌道の最初の軌道に入るために自走します。[ 58 ]

プシケは2029年8月に16プシケの周回軌道に入る予定である。[ 1 ]宇宙船は小惑星を4つの異なる高度で周回する。高度はアルファベット順に最高(A)から最低(D)まで名付けられている。当初のミッション計画では、宇宙船は最高高度から最低高度まで順番に周回する予定だった。[ 35 ] 2022年の打ち上げ延期後、ミッション計画は2029年という新しい到着日を反映するように更新され、宇宙船は太陽の周りを周回する軌道上の異なる地点で小惑星に到着することになる。新しいミッション計画では、プシケは最初に軌道Aに入り、次に軌道B1に下降し、次に軌道Dを経て軌道Cに戻り、最後に軌道B2(軌道Bの2番目の部分)に移動する。この再設計により、軌道B中に小惑星の表面が太陽によって適切に照らされるようになる。[ 64 ] [ 65 ]

最初の領域である軌道 Aでは、探査機は磁場の特性評価と予備的な地図作成のため、56日間高度 700 km (430 マイル) の軌道に入る。その後、地形と磁場の特性評価のため、92日間高度 303 km (188 マイル) の軌道 Bに降下する。その後、ガンマ線と中性子分光計を使用して表面の化学組成を決定するため、100日間高度 75 km (47 マイル) で最も低い軌道で、小惑星の赤道を直接観察できるユニークな傾斜角を持つ軌道D降下する。その後、重力調査を実施し、磁場の観測を継続する。最後に、探査機は100日間B軌道に戻り、B軌道の最初の部分で暗闇に包まれていた小惑星表面部分のマッピングを完了します。また、継続的な画像撮影、重力および磁場マッピングも行います。この主要ミッションは合計26ヶ月間続き、2031年11月に終了する予定です。ミッション終了時、探査機は小惑星の周回軌道上に残ります。[ 65 ] [ 58 ] [ 35 ] [ 66 ]

軌道レジーム[ 65 ] [ 58 ]
軌道レジーム日付(UTC)期間(日)軌道周期(時間)高度(km)傾斜(度) 次の軌道への移動(日) ミッション
軌道A2029年8月5632.870090 17磁場特性評価と予備マッピング
軌道B12029年10月9211.630390 98地形と磁場特性
軌道D2030年5月1003.675160 表面化学組成の決定
軌道C2031年1月1007.219090 重力調査と磁場観測
軌道B22031年5月10011.630390 地形と磁場特性
プシュケの軌道のアニメーション
太陽の周り
16歳頃のプシュケ
   プシュケ ·   16 プシュケ ·   地球    火星 ·   太陽

宇宙船からのレーザー光線はカリフォルニア州パロマー天文台の地上望遠鏡で受信される。[ 53 ]宇宙船へのレーザー光線はJPLテーブルマウンテン施設の小型望遠鏡から送信される。[ 53 ]

建設と打ち上げ前テスト

テスト

サイケのスラスター統合が進行中

宇宙船の試験は2021年12月に開始されました。これらの試験には、電磁試験やTVAC(熱真空チャンバー試験)などが含まれますが、これらに限定されません。電磁試験は、宇宙船を構成する電子機器と磁気部品がミッション遂行中に相互に干渉しないことを確認するために実施されました。TVAC試験は、南カリフォルニアにあるJPL施設内の85フィート×25フィートの真空チャンバー内で実施されました。このチャンバーは、宇宙空間の空気の欠乏状態を再現しています。これにより、エンジニアと科学者は宇宙環境がオービターに与える影響を観察することができます。TVAC内では、JPLの従業員は宇宙船が過酷な環境にどの程度反応するかを観察できます。宇宙船の周囲に空気がないと、ユニットの加熱と冷却に影響が出ます。打ち上げ後数時間、地球に近く太陽に面している間は特に電子機器が稼働している状態で宇宙船は高温になります。その後、宇宙船が太陽から遠ざかると、特に16番星プシケの影の中を飛行しているときは極寒に直面することになります。科学者と技術者による宇宙船の振動試験は、ロケット打ち上げ時の過酷な条件に耐えられることを確認するものです。また、宇宙船がロケットの第2段からの分離時の衝撃に耐えられることを確認するための衝撃試験も実施されました。最後に、宇宙船の音響試験も実施されました。打ち上げ時の音は非常に激しく、ハードウェアに損傷を与える可能性があるため、ミッションの成功を確実にするために、徹底的な音響試験が実施されました。[ 67 ]

参考文献

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