SMART-1の想像図 | |||||||||||||||||
| ミッションタイプ | テクノロジー月周回衛星 | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| オペレーター | ESA | ||||||||||||||||
| コスパーID | 2003-043C | ||||||||||||||||
| SATCAT番号 | 27949 | ||||||||||||||||
| Webサイト | スマート1 | ||||||||||||||||
| ミッション期間 | 2年11ヶ月6日6時間27分36秒 | ||||||||||||||||
| 宇宙船の特性 | |||||||||||||||||
| メーカー | スウェーデン宇宙公社 | ||||||||||||||||
| 打ち上げ質量 | 367キログラム(809ポンド)[ 1 ] | ||||||||||||||||
| 乾燥質量 | 287キログラム(633ポンド) | ||||||||||||||||
| ミッション開始 | |||||||||||||||||
| 発売日 | 2003 年 9 月 27 日、23:14:46 UTC [ 1 ] ( 2003-09-27UTC23:14:46Z ) | ||||||||||||||||
| ロケット | アリアン5G | ||||||||||||||||
| 発射場 | クールーELA-3 | ||||||||||||||||
| 請負業者 | アリアンスペース | ||||||||||||||||
| ミッション終了 | |||||||||||||||||
| 減衰日 | 2006 年 9 月 3 日、05:42:22 UTC ( 2006-09-03UTC05:42:23Z ) | ||||||||||||||||
| 軌道パラメータ | |||||||||||||||||
| 参照システム | 月中心主義 | ||||||||||||||||
| 偏心 | 0.352054 | ||||||||||||||||
| 近日点高度 | 2,205キロメートル(1,370マイル) | ||||||||||||||||
| アポセレーネ高度 | 4,600キロメートル(2,900マイル) | ||||||||||||||||
| 傾斜 | 90.26度 | ||||||||||||||||
| 期間 | 4.95時間 | ||||||||||||||||
| エポック | 2005年7月18日 11:14:28 UTC | ||||||||||||||||
| 月周回衛星 | |||||||||||||||||
| 軌道挿入 | 2004年11月15日 | ||||||||||||||||
| 衝突地点 | 南緯34度15分43秒、西経46度11分35秒 / 南緯34.262度 西経46.193度 / -34.262; -46.193[2] | ||||||||||||||||
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SMART-1は、月を周回した欧州宇宙機関(ESA)の衛星である。2003年9月27日23時14分(UTC)、フランス領ギアナのクールーにあるギアナ宇宙センターから打ち上げられた。「SMART-1」は「 Small Missions for Advanced Research in Technology-1(先端技術のための小型ミッション1) 」の略で、先端技術研究のための小型ミッションプログラムの一部である。2006年9月3日(UTC 05:42)、SMART-1は月面に意図的に衝突され、ミッションを終了した。[ 3 ]
SMART-1は直径約1メートル(3.3フィート)で、他の探査機に比べて軽量でした。打ち上げ時の質量は367kg(809ポンド)で、そのうち287kg(633ポンド)は推進剤を含まない質量でした。
打ち上げ時には50リットルのタンクに150バールの圧力で充填された82kgのキセノンガスを使用し、太陽光発電のホール効果スラスタ(スネクマPPS-1350 -G)によって推進された。イオンエンジンスラスタは静電場を利用してキセノンをイオン化し、イオンを加速することで比推力16.1 kN·s/kg(1,640秒)を達成した。これは化学ロケットの最大値の3倍以上である。推進剤1kg(宇宙船の全質量の1/350~1/300)で約45m/sのデルタvが生成された。電気推進サブシステムの重量は29kgで、ピーク時の消費電力は1,200ワットであった。SMART-1は、ESAの先端研究技術のための小型ミッションプログラムにおける最初のロケットであった。
ミッション開始時に1850Wの出力が可能だった太陽電池アレイは、最大1190Wをスラスタに供給し、公称推力68mN、つまり加速度0.2mm/s 2または0.7m/s/時(つまり、約0.00002g未満の加速度)を実現した。すべてのイオンエンジン駆動機と同様に、軌道操作は短時間で行われるのではなく、非常にゆっくりと行われた。SMART-1が月へ向かう軌道では、周回ごとに約3分の1から半分の期間、スラスタの駆動が必要だった。地球から螺旋状に離れていく際には、軌道の近地点部分で駆動が行われた。ミッション終了時には、スラスタは次の能力を実証した。
非常に安価で比較的小型の宇宙船を建造するという欧州宇宙機関の戦略の一環として、SMART-1の総費用は比較的少額の1億1千万ユーロ(約1億7千万米ドル)でした。SMART-1は、 ESAに代わってスウェーデン宇宙公社が設計・開発しました。宇宙船の組み立てはリンシェーピングのサーブ・スペースで実施しました。宇宙船のテストはスウェーデン宇宙公社が指揮し、サーブ・スペースが実行しました。ESAのプロジェクトマネージャは、宇宙船が月の運用軌道に到達するまでジュゼッペ・ラッカ氏でした。その後、科学段階でゲルハルト・シュヴェム氏に交代しました。スウェーデン宇宙公社のプロジェクトマネージャはピーター・ラスマン氏でした。主任プロジェクト科学者はバーナード・フォイング氏です。準備段階の地上セグメントマネージャはマイク・マッケイ氏、宇宙船運用マネージャはオクタビオ・カミーノ氏でした。
先進月面マイクロイメージャー実験(AMS)は、月面撮影用の小型カラーカメラでした。750、900、950nmの3種類のフィルターを搭載したCCDカメラは、平均ピクセル解像度80m(約260フィート)の画像を撮影できました。カメラの重量は2.1kg(約4.5ポンド)、消費電力は9ワットでした。[ 4 ]
小型X線分光計の実証実験は、月面の化学元素を同定するためのX線望遠鏡でした。この装置は、太陽風粒子と電子殻の相互作用によって生成される結晶化合物の蛍光X線(XRF)を検出し、3つの主要成分であるマグネシウム、シリコン、アルミニウムの存在量を測定しました。鉄、カルシウム、チタンの検出は太陽活動に依存していました。X線の検出範囲は0.5~10keVでした。分光計とXSM(後述)を合わせた重量は5.2kgで、消費電力は18ワットでした。
X 線太陽モニターは、D-CIXS 測定を補完するために 太陽の変動を研究しました。
Smart-1赤外分光計は、カンラン石と輝石の鉱物スペクトルを同定するための赤外分光計でした。256チャンネルで0.93~2.4μmの波長を検出しました。重量は2.3kg、消費電力は4.1ワットでした。[ 5 ]
電気推進診断パッケージは、SMART-1の新しい推進システムに関するデータを収集するためのものでした。パッケージの重量は0.8 kg、消費電力は1.8ワットでした。[ 6 ]
宇宙船電位・電子・ダスト実験装置。この実験装置の重量は0.8kg、消費電力は1.8ワットでした。その機能は、ラングミュアプローブまたは電界プローブとして、宇宙船周囲のプラズマの特性と密度を測定することでした。SPEDEは、宇宙船のイオンエンジンからの放出と、月が太陽風に残す「航跡」を観測しました。損傷を防ぐために停止しなければならない他の多くの機器とは異なり、SPEDEは放射線帯内や、2003年のハロウィーンのような太陽嵐の中でも測定を続けることができました。[ 7 ] [ 8 ]この装置はフィンランド気象研究所によって製造され、その名称は、フィンランドの著名な映画俳優、映画プロデューサー、そして発明家であるスペード・パサネンのニックネームと同じ頭字語が意図的に選ばれました。SPEDEのために開発されたアルゴリズムは、後にESAの着陸機フィラエに使用されました。[ 8 ]
KaバンドTT&C(テレメトリ、追跡、制御)実験。この実験の重量は6.2kg、消費電力は26ワットでした。Kaバンドトランスポンダーは、BepiColombo計画の無線科学調査と電気推進システムの動的性能監視を行うための前身として設計されました。
SMART-1は、2003年9月27日、フランス領ギアナのギアナ宇宙センターからアリアン5ロケットによって、Insat 3EおよびeBird 1とともに打ち上げられました。42分後、7,035×42,223 kmの静止トランスファー軌道に放出されました。そこから太陽電力一次推進(SEPP)を用いて、13ヶ月かけて徐々に軌道を外れていきました。
軌道はspaceref.comで2004年10月26日まで見ることができ、その時点での軌道は179,718 × 305,214 kmであった。その日、289回目のエンジンパルスの後、SEPPは総飛行時間8,000時間のうち約3,648時間の総稼働時間を蓄積しており、したがって総ミッションの半分よりわずかに少なかった。約58.8 kgのキセノンを消費し、2,737 m/sのデルタvを生成した(キセノン1 kgあたり46.5 m/s、稼働時間1時間あたり0.75 m/s)。11月15日に再び電源が投入され、4.5日間の計画噴射で月周回軌道に完全に入った。2005年2月まで電気スラスタを使用して減速し、月面から300~3,000 kmの最終軌道に到達した。[ 9 ] 推進システムによって実証されたミッション終了時の性能は上記の通りである。
| エポック(UTC) | 近地点(km) | 遠地点(km) | 偏心 | 傾斜角(度)(地球の赤道に対して) | 期間(時間) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2003年9月27日 | 約7,035 | 約42,223 | 約0.714 | 約6.9 | 約10.6833 |
| 2003年10月26日 21:20:00.0 | 8,687.994 | 44,178.401 | 0.671323 | 6.914596 | 11.880450 |
| 2003年11月19日 04:29:48.4 | 10,843.910 | 46,582.165 | 0.622335 | 6.861354 | 13.450152 |
| 2003年12月19日 06:41:47.6 | 13,390.351 | 49,369.049 | 0.573280 | 6.825455 | 15.366738 |
| 2003年12月29日 05:21:47.8 | 17,235.509 | 54,102.642 | 0.516794 | 6.847919 | 18.622855 |
| 2004年2月19日 22時46分08秒 | 20,690.564 | 65,869.222 | 0.521936 | 6.906311 | 24.890737 |
| 2004年3月19日 00:40:52.7 | 20,683.545 | 66,915.919 | 0.527770 | 6.979793 | 25.340528 |
| 2004年8月25日 00:00:00 | 37,791.261 | 240,824.363 | 0.728721 | 6.939815 | 143.738051 |
| 2004年10月19日 21時30分45秒 | 69,959.278 | 292,632.424 | 0.614115 | 12.477919 | 213.397970 |
| 2004年10月24日 06:12:40.9 | 179,717.894 | 305,214.126 | 0.258791 | 20.591807 | 330.053834 |
2004年11月2日の最後の近地点通過後[10]、11月11日に地球-月間L1ラグランジュ点を通過して月の重力の影響が支配的な領域に入り、11月15日17時48分UTに月軌道の最初の近日点を通過した。その日の接触軌道は6,704 × 53,208 km、[ 11 ]軌道周期は129時間であったが、実際の軌道はわずか89時間で完了した。これは、エンジンの燃焼が軌道に与える重大な影響を示しており、接触軌道の意味を示している。接触軌道とは、その瞬間に推力を含むすべての摂動が停止した場合に宇宙船が移動する軌道である。
| エポック(UTC) | ペリセレネ(km) | アポセレーネ(km) | 偏心 | 傾斜角(度)(月の赤道に対する) | 期間(時間) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2004年11月15日 17時47分12秒 | 6,700.720 | 53,215.151 | 0.776329 | 81.085 | 129.247777 |
| 2004年12月4日 10:37:47.3 | 5,454.925 | 20,713.095 | 0.583085 | 83.035 | 37.304959 |
| 2005年1月9日 15時24分55秒 | 2,751.511 | 6,941.359 | 0.432261 | 87.892 | 8.409861 |
| 2005年2月28日 05:18:39.9 | 2,208.659 | 4,618.220 | 0.352952 | 90.063603 | 4.970998 |
| 2005年4月25日 08:19:05.4 | 2,283.738 | 4,523.111 | 0.328988 | 90.141407 | 4.949137 |
| 2005年5月16日 09:08:52.9 | 2,291.250 | 4,515.857 | 0.326807 | 89.734929 | 4.949919 |
| 2005年6月20日 10時21分37秒 | 2,256.090 | 4,549.196 | 0.336960 | 90.232619 | 4.947432 |
| 2005年7月18日 11時14分28秒 | 2,204.645 | 4,600.376 | 0.352054 | 90.263741 | 4.947143 |
ESAは2005年2月15日にSMART-1のミッションを2006年8月まで1年間延長すると発表した。この日付は後に地球からのさらなる科学観測を可能にするために2006年9月3日に変更された。[ 12 ]
SMART-1は、2006年9月3日午前5時42分22秒(UTC)に予定通り月面に衝突し、ミッションを終了しました。約2,000 m/s(4,500 mph)の速度で移動したSMART-1は、地上の望遠鏡で観測可能な衝突を起こしました。この衝突により、隕石衝突をシミュレートしたデータが得られるだけでなく、水氷などの地中物質を分光分析に利用できる可能性も期待されています。
ESAは当初、衝突は南緯34.4度、西経46.2度で発生したと推定した。[ 13 ] 2017年に、ルナー・リコネッサンス・オービターのデータから衝突地点は南緯34.262度、西経46.193度と特定された。[ 2 ] [ 14 ]衝突当時、月は南北アメリカと太平洋の一部で見えていたが、ヨーロッパ、アフリカ、西アジアでは見えなかった。 南緯34度24分 西経46度12分 / / -34.4; -46.2南緯34度15分43秒、西経46度11分35秒 / / -34.262; -46.193
このプロジェクトでは、ESA の水星探査ミッション「ベピコロンボ」など、他のミッションにも活用されるデータとノウハウが生成されました。

Smart-1 の運用は、宇宙船運用マネージャーの オクタビオ・カミーノ氏の指揮の下、ドイツのダルムシュタットにあるESA 欧州宇宙運用センターESOCで実施されました。
Smart-1の地上セグメントは、ESAにおけるインフラ再利用の好例です。ロゼッタ、マーズ・エクスプレス、ビーナス・エクスプレスの飛行力学インフラとデータ配信システム(DDS)が再利用されています。汎用ミッションコントロールシステムソフトウェアSCOS 2000と、ESAでミッション運用に使用されている一連の汎用インターフェース要素も再利用されています。
CCSDS TLM および TC 標準の使用により、ESA 追跡ネットワーク ( ESTRACK ) の 7 つの異なる端末とドイツの ヴァイルハイム(DLR) をコスト効率よくカスタマイズできるようになりました。
Smart-1用に特別に開発されたコンポーネントは、シミュレータ、電気的地上支援装置(EGSE)機器から派生したハードウェアとソフトウェアの組み合わせ、MOIS(Wayback Machineに2019年8月3日にアーカイブ)から開発されたミッション計画システムと自動化システム(この最後のものはEnvisat用に実装されたプロトタイプに基づく)、およびMUSTと呼ばれるエンジニアリングツールスイートであった。これにより、Smart-1のエンジニアはインターネットを介して異常調査を行うことができ、携帯電話やPDAを使用して宇宙船のTLMを監視し、 SMSを介して宇宙船のアラームを受信するというESAの先駆者となった。[ 16 ] ミッションコントロールチームは、フライトコントロールチーム(FCT)の7人のエンジニア、2〜5人のフライトダイナミクスエンジニアと1〜2人のデータシステムエンジニアの間の可変グループで構成されていた。ほとんどのESAミッションとは異なり、宇宙船コントローラー(SPACON)は存在せず、すべての操作とミッション計画活動はFCTによって行われた。このコンセプトは、ミッション開始から数ヶ月間、残業や夜勤の原因となりましたが、巡航中や月齢の合間はうまく機能しました。ミッション開始から3ヶ月間の主な懸念事項は、太陽電池パネルとスタートラッカーCCDの劣化を最小限に抑えるため、できるだけ早く放射線帯を離脱することでした。
最初の、そして最も重大な問題は、最初の公転後に発生しました。搭載されているエラー検出・訂正(EDAC)アルゴリズムの故障により、周回ごとに冗長コンピュータへの自動切り替えが引き起こされ、複数回の再起動が発生しました。その結果、宇宙船は近点を通過するたびにSAFEモードに陥りました。宇宙船のテレメトリ解析により、EDAC割り込みルーチンに放射線によって引き起こされた問題が直接的に示されました。[ 17 ]
この期間中に発生したその他の異常としては、環境問題、特にスタートラッカーにおける高放射線量、そして搭載ソフトウェアの異常が挙げられます。リード・ソロモン符号化方式はデータレートの切り替え後に破損し、無効化を余儀なくされました。この問題は、地上運用の手順とアプローチの変更によって克服されました。また、スタートラッカーは地球脱出中に頻繁に問題を起こし、電気推進(EP)の中断を引き起こしました。[ 18 ]これらはすべて、複数のソフトウェアパッチによって解決されました。
EPは放射線によるシャットダウンに対して敏感でした。この現象はオプトカプラ・シングルイベント・トランジェント(OSET)として特定され、LEOPで初めてカソードBを用いた点火時に確認されました。この現象は、アノード電流の急激な低下によって「フレームアウト」アラームが作動し、EPがシャットダウンする特徴がありました。問題は、放射線によるオプトカプラの過渡応答であることが特定されました。このような事象からの回復は、スラスタの再起動によって行われました。この再起動は、オンボード・ソフトウェア・パッチ(OBSW)が開発され、これを検出してスラスタの自動再起動を開始するまで、数ヶ月にわたって手動で行われていました。その影響は、地上局が宇宙船を追跡するための軌道予測計算と、それに続く軌道修正に限定されていました。
様々な異常と電気推進システムの推力の頻繁な中断により、地上局のサポートが増加し、迅速な対応を迫られた飛行運用チームの残業が発生しました。特に宇宙船がSAFEモードにあることが判明した場合、復旧には時間がかかることもありました。[ 19 ]全体として、当初計画されていた4日ごとに8時間ずつの運用を阻害しました。

このミッションでは、 ESTRACKネットワークの余剰容量の利用を交渉しました。このコンセプトにより、追加コストなしでネットワークカバレッジを約8倍に拡大できましたが、予期せぬオーバーヘッドと競合が発生しました。最終的には、ミッション初期段階で宇宙船との交信回数が増加し、月相における科学観測量が大幅に増加しました。この段階では、搭載機器とその運用方法の大幅な再構成が必要でした。ESOCの飛行管制チームによって設計され、スウェーデン宇宙公社によって短期間で実施されたこの変更には、月面での運用のための飛行管制手順(FOP)の一部を書き直す必要がありました。
月齢期の運用は高度に自動化された。飛行力学による指向制御は「メニュー駆動型」となり、98%以上のコマンドがミッション計画システム(MPS)によって生成された。MPSシステムは、いわゆるMOISエグゼキューター[ 17 ]によって拡張され、Smart-1自動化システムとなった。これにより、ミッション終盤にかけてパスの70%を無人運用することが可能となり、ESAで初めて運用可能な「宇宙船自動化システム」の検証が行われた。[ 20 ]
このミッションは、打ち上げ後3か月で放射線帯の影響から脱出し、11か月かけて螺旋状に周回して共鳴を利用して月に捕捉され、巡航段階ですべての機器の試運転と運用が行われ、電気推進の運用に必要なナビゲーションと運用手順が最適化されるなど、すべての目的を達成しました。[ 21 ]月面での電気推進の効率的な運用により、軌道半径が縮小され、科学研究に役立ち、このミッションが1年間延長されました。
作戦の詳細な経緯については[ 17 ]を参照されたい。
運用の観点から見た完全なミッションフェーズは、さまざまなサブシステムのパフォーマンスを含め、 [ 22 ]に文書化されています。