宇宙工学基礎ー序論ー -...

1

Tokyo Institute of Technology

Laboratory for Space Systems (LSS)

松永三郎

東工大・工学院・機械系教授

DCAM2010

2019年度機械系・機械宇宙学科講義MEC.M231令和元年10月2日、Ｉ121講義室

宇宙工学基礎ー序論ー



工学院機械系機械コース

宇宙工学関連講義：学部２年：宇宙工学基礎（２単位）学部３年：宇宙システム工学（２）、宇宙開発工学(JAXA)（２）

航空宇宙技術（主に航空関連）（２）宇宙システムプロジェクト（CanSat開発）（３）

修士：宇宙システムイニシアティブ(2), 宇宙ロボティクス(1)

宇宙システム利用(JAXA)(2), 宇宙開発応用A,B(各1)

宇宙システムアナリシスA,B (各1)

宇宙工学実践プロジェクト（CanSat開発）（３）

宇宙工学関連研究室松永・中条（宇宙システム工学）、中西（宇宙ロボット）古谷（宇宙構造物）、坂本（宇宙構造物・Engineering Design）JAXA特定教員（岩田、野田、小澤）、その他

宇宙工学関連講義

2



宇宙工学基礎

日時・場所：3Q: 水曜日3,4限10:45-12:15 石川台1号館 I121

4Q: 木曜日7,8限15:05-16:35 石川台1号館 I121

担当：松永三郎（機械系, 内3176）古谷寛（機械系, 内5608）中条俊大（機械系，内3180）小笠原宏（三菱重工・宇宙事業部）

講義資料：http://lss.mes.titech.ac.jp/~matunaga/



宇宙工学基礎日程日付担当講義内容

3Q 10/ 2 松永序論（宇宙工学、宇宙環境、座標など）10/ 9 松永ケプラー軌道１（２体問題と保存量）10/16 松永ケプラー軌道２（軌道６要素）10/23 松永ケプラー軌道３（軌道の位置と速度）10/30 松永相対運動の軌道１（Hill方程式の導出と解析解）11/ 6 松永相対運動の軌道２（ランデブ方式）11/13 松永軌道の摂動と応用１（軌道要素の摂動方程式）11/20 古谷軌道変更１（面内移行、ホーマン軌道）11/27 古谷軌道変更２（面外移行、その他）

4Q 12/ 5 古谷軌道変更３（演習）12/12 松永軌道の摂動と応用２（軌道設計への応用、地上軌跡）12/19 中条演習（主に、松永担当分）12/26 小笠原ロケット基礎1/ 9 小笠原ロケットシステム1/16 小笠原帰還飛行1/23 松永 GPSの基礎1/30 松永試験または補講2/ 6 予備日（試験にするかも）

注意：１）上記の予定は変更されることがある。２）試験結果を主とし、レポートを加味して採点する

3



１）狼、冨田、中須賀、松永、宇宙ステーション入門第2版補訂版、東京大学出版、2014 ：教科書２）冨田、宇宙システム入門、東京大学出版、1993

３）冨田、鬼頭、幸節、長谷川、前田、ロケット工学基礎講義、コロナ社、2001

４）岩崎、的川、図説宇宙工学、日経印刷、2010

５）小林、宇宙工学概論、丸善、2000

６）木下、天体と軌道の力学、東京大学出版、1998

７）木田、小松、川口、人工衛星と宇宙探査機、コロナ社、2001

８）柴藤、渡辺、ロケット工学、コロナ社、2001

９）茂原、宇宙工学入門、培風館、1994

１０）茂原、宇宙工学入門II、培風館、1998

１１）茂原、宇宙システム概論、培風館、1995

１２）姿勢制御研究委員会編，人工衛星の力学と制御ハンドブック，培風館，2007

１３）半揚稔雄、惑星探査機の軌道計算入門、日本評論社、2017

１４）R.Bate, D.Mueller and J.White, Fundamentals of Astrodynamics, Dover, 1971

１５）W.T.Thomson, Introduction to Space Dynamics, Dover, 1986.

１６）Kaplan, Modern Spacecraft Dynamics & Control, Wiley, 1976.

１７）Chobotov (ed.), Orbital Mechanics, 2nd Ed., AIAA, 1996.

１８）V.R.Bond and M.C.Allman, Modern Astrodynamics, Princeton Univ Press, 1996.

１９）D.A.Valldo, Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th ed. (Space Technology Library), 2013.

２０）Dava Newman, Interactive Aerospace Engineering and Design, McGraw-Hill, 2002.

その他、多数

教科書・参考図書



松永研・宇宙工学の理念

宇宙を活動の場として社会に貢献する

4

松永研での宇宙工学の教育・研究方針

研究の３つの柱：アイデアを造り、育て、宇宙で実証

１．将来の人類活動に必須な宇宙システムの概念創造と基礎研究（見果てぬ夢？）

２．宇宙科学技術ミッションを実現するための先端研究(JAXA等宇宙機関との共同研究)

３．小型衛星／宇宙機システム用いた短期間高頻度な宇宙実証(宇宙での実用化研究/大衆化技術)

現在の主要ターゲットは、「超小型衛星システム」である：

超小型衛星は単なる箱ではない。

飛行機で例えれば、用途に応じてプロペラ機からジェット機まであるが、我々は、超小型ジェット機＋α級の超小型衛星を実現し、高度なミッション達成を目指す：

ジェット機級＋自律/遠隔制御性、耐故障性・・・のハイテクマシーンの実現と利用

車で言えば、独自技術を活かして、「究極の軽自動車」で「高度な任務」を実施したい・・・究極とは何か？

最終目的：人類の活動領域の拡大

高機能化高性能化複雑度高信頼性化技術成熟度(TRL)

対象のスケール

概念創出

大型化小型化

地上実験のための各種重力補償法

多体動力学と制御を基礎とした解析検討

超小型衛星を用いた新しい概念・ミッション

小型衛星によるによる編隊組立

超小型衛星システム

超小型衛星の編隊飛行ミッション

編隊結合システム

超小型システム群による月・惑星探査・サンプルリターン

JAXA・省庁・企業連携先端科学技術ミッション達成のための研究開発

研究室レベルでの従来領域

小型ロケット・宇宙利用グループとの連係開発

宇宙システム新パラダイムの構築

衛星・探査機・航空機・構造システムの研究開発

宇宙ビジネスの立ち上げ・発展・持続

組立増殖再構成大型システム

5



世界初CubeSatから世界最高性能の超小型衛星・宇宙機の実現

再構成宇宙システムの研究・開発

可変形状・複数編隊を操る

１．衛星バス技術２．姿勢・軌道決定制御３．統合設計・地上試験・運用４．軽量展開収納方法５．軌道上ロボットサービス技術６．追跡管制運用技術７．宇宙実証

2003 20062008

2014

Formation Flight軌道上サービス、多種同時干渉測位

可変形状姿勢変更

深宇宙探査テザー編隊Solar Sail

大型膜面展開

組立増殖再構成型大規模宇宙Platform（JAXA共同）

立体展開

高精度・大型展開（JAXA共同）

高性能・複数・分散・大規模化

CMG迅速姿勢変更

月面・惑星着陸探査サンプルリターン（JAXA共同）

高機能・自律・ロボット化

並進展開

50m級ソーラー電力セイル木星探査（ＪＡＸＡ共同）

再構成宇宙システムの進化・発展

©JAXA

©JAXA

東工大・機械系松永研究室



Cute-1.7 + APD II 搭載CMOSカメラ画像

2008/6/1 9:05JST 日本の関東平野と北海道などがみえる

6



小型ソーラー電力セイル実証機 IKAROS

世界初の太陽光を利用して推進する宇宙ヨット(東工大OB:PM森、展開機構・澤田)

2010年5月21日打上、6月セイル展開主な工学技術実証項目

1. 大型膜面のスピン展開2. 液晶デバイスによる姿勢変更3. 太陽輻射圧を用いた航法誘導制御4. 薄膜太陽電池セルによる発電5. 超小型分離カメラによる膜面撮影（松永研）

分離カメラΦ55×H60

差し渡し20m



IKAROS搭載分離カメラ概要

搭載位置（２機）フライトモデル松永研：解析設計・統合支援

カメラプローブ

分離機構部 IKAROSに搭載された分離カメラプシステム

@JAXA相模原キャンパス

7





太陽系(Solar System)

太陽(Sun)

1.水星(Mercury)

2.金星(Venus)

3.地球(Earth) – 月(Moon)

4.火星(Mars)

5.木星(Jupiter)

6.土星(Saturn)

7.天王星(Uranus)

8.海王星(Neptune)

9.冥王星(Pluto) => 準惑星

8



大気の窓－地球から外を十分に知ることはできるのか

「光（可視）」と「電波」が外部を知る「窓」であり、範囲は極めて限定されている。したがって、自ら宇宙に進出しなければ、この世界を知ることはできない



宇宙工学の特徴

１）軌道上打上という極めて厳しい制約、一発勝負を経て、宇宙環境、孤立閉鎖系という特殊な極限環境下で作動する未知／不確定要素を含む大規模システムの構築

２）全工学領域、物理学/化学/生物学/地学/医学/農学/経済/政治/法律などの全分野を集結した総合科学技術

３）解析（大規模システム数値シミュレーション）と地上実験（軌道上環境模擬）との積み重ねによる軌道上性能評価予測／保証

４）厳格なプロジェクト管理・運用、確実な成果要求５）複雑巨大システムを統合構築するシステム工学の粋

挑戦的システム工学の実践

9



宇宙工学の重要項目（抜粋）

宇宙ミッションの全体概要（企画立案／開発／運用／将来計画）宇宙環境（微小重力、熱、真空、宇宙放射線、大気、打上時環境など）軌道力学基礎（重力場、ケプラー軌道、摂動など）

応用（ランデブー、軌道変更、３体問題、月惑星間航行など）制御（航法誘導制御、センサ・アクチュエーターなど）

姿勢力学基礎（キネマティクス、ダイナミクス、外力トルク、安定性など）制御（姿勢制御、姿勢変更、センサ・アクチュエーターなど）

ロケット工学基礎（推進原理、上昇軌道、熱力学特性、燃焼化学、ロケット構造、動力学、連成振動、有翼飛翔体、安定性、飛行力学など）

応用（小型固体ロケット、空気力学、構造、制御、大型固体／液体ロケット、実機システム構成、飛翔特性、再突入など）

衛星・探査機システム（実機システム、構造、制御）宇宙大規模システム（宇宙ステーションなど）システム開発／プロジェクト管理／信頼性宇宙システム解析（ミッション定義、姿勢決定制御、通信、データ処理、電源、熱、

構造／機構、誘導制御、地上局）宇宙システム開発（ミッション考案、解析、設計、製作、打上、運用、管理）通信工学、オンボードコンピュータ（実装、プログラミング）



ISAS M-V：固体ロケット世界最先端技術

2006.9.23

M-V-7の打上成功を最後に引退

このロケットは、低軌道、中軌道、静止軌道、月軌道、惑星探査軌道

への投入を可能とする高性能ロケット

mv6(640x480).mpeg

10



ISAS M-V-6号機：固体ロケット世界最先端技術

mv6(640x480).mpeg



JAXA/ISAS イプシロンロケット：固体ロケット

試験機：平成25年9月14日14時に内之浦宇宙空間観測所から打ち上げ成功

惑星分光観測衛星（SPRINT-A）「ひさき」を所定の軌道に投入

今年度終わりに、3号機打上予定東工大関連：DLAS: 革新2号機搭載Origami-Sat: ３Ｕ

11



日本のロケット：液体ロケットと固体ロケット

加えて、H-III計画、

強化型イプシロン計画が進行



JAXA宇宙活動ガイドブック、Mission 3

12






ロケット方程式(ツィオルコフスキーの式)

１）質点の集合体である質量mのロケットが速度vで飛行し、微小時間dtの間、微小な推進剤質量（質点集合体）-dmを相対速度Ve（絶対速度v+Ve ）で噴射するとき、ロケットの質量はm+dmになり, 速度はdvだけ増速してv+ dvになるとする。

2次の微小以上を無視

２）運動量の時間微分＝力に注意して、運動量変化をdtで割る。外力はFext

extet

m

tm FV

v

d

d

d

d

３）ロケットが大気中を飛行するとき、大気圧Paや排気圧力Peを外力として考慮

eFVv

aeexte PPAt

m

tm

d

d

d

d

有効排気速度 aeeeffe PPm

AVVC

,

４）真空中を外力無しで飛行：

m

mCv

m

mCv

t

mC

t

vm

m

m

v

0

0

lnd

d0d

d

d

d

0

m

mgIv sp

0ln

Tsiolkovsky’s eq.

g

CI sp

比推力

e

e

VA

Ve ,:ノズル断面積

e

e

mm

mmm

m

Vv

Vvvv

v

dd:

ddd:

:

直前）運動量変化（直後

噴射直後　

噴射直前　

一定 Cv ,ev

eFeFv

CmCt

m

tm extext

d

d

d

d即ち

0m

ロケット本体の前後の運動量：

13







14



惑星分光観測衛星（SPRINT-A）「ひさき」：惑星天文学

EUV（極端紫外線）分光器によ

るイオトーラスの観測、惑星外圏大気と太陽風の相互作用の観測

小型科学衛星標準バス（SPRINTバス）技術の適用

質量：348kg

近地点950km遠地点1150km

傾斜角：31度

平成25年9月14日にイプシロンロケットにより軌道投入


Laboratory for Space Systems (LSS)X線天文衛星ASTRO-H「ひとみ」異常事象調査報告書 B改定 2016.6.8 JAXA

ASTRO-H「ひとみ」

2016年2月17日17時45分00秒（日本標準時）に種子島宇宙センターからH-IIAロケット30号機にて軌道上へ打上。

ひとみは、初期機能確認期間中の３月２６日、姿勢系に異常発生、運用断念。

15



ASTRO-H構造概観

X線天文衛星ASTRO-H「ひとみ」異常事象調査報告書 B改定 2016.6.8 JAXA



宇宙環境利用

１）宇宙環境・宇宙環境の科学（微小重力、真空、原子状酸素、宇宙放射線、熱環境など）・宇宙環境の工学的影響（潤滑、トライボロジー、材料劣化、熱制御、汚染、帯電、宇宙機環境など）

・宇宙環境利用（微小重力下の物質科学／物理／生物／医学など、天文学、惑星科学など）

・打上時環境（打上時荷重／振動周波数／耐故障性）・その他

２）宇宙実験・微小重力、高真空、放射線、太陽エネルギー、広大な空間を利用して、科学技術的目的などを達成するために行い、社会に貢献する。・材料／物質実験、基礎物理学実験、生物学実験・大気高層科学実験、宇宙放射線実験・生命科学実験、宇宙医学実験

16



宇宙ミッションの企画／実行

１）ミッションの定義（通信、放送、観測、実験、探査等の目的、ユーザ要求等）のための宇宙機（人工衛星等）を開発し、打上げ、そして目的とする作業を行うこと。

２）ミッション遂行に必要な作業・ユーザ要求の分析（例）地球観測要求に対する観測方法(観測原理等)の検討・ミッション実現方法の検討（例）地球観測センサの地上研究モデルの試作、機能性能の確認（例）ミッション機器（観測機器）を搭載する衛星の検討、衛星打上げロケットの検

討、衛星運用方法の検討・ロケット／衛星の開発（例）ロケット打ち上げ段階の音響振動により破壊されないこと。

宇宙の真空・無重力、放射線環境で正常に動作できること。・ロケット／衛星の打上げ（例）ロケット／衛星の信頼度は100%ではない。リスクの分析と対策が不可欠。（例）商用目的の場合、打上げ失敗で事業会社（例：衛星通信会社）が倒産しない。・目的とするミッションの遂行（例）地球観測データの取得、受信、解析（例）衛星を利用した通信サービス提供ビジネスの実施等



宇宙ミッション遂行において必要な主要な技術１

（１）ロケット関連・システム設計・ロケットエンジン・航法誘導制御技術・構造・機構技術（軽量、極低温、極高温）・空力、耐熱技術（大気圏内の飛行時）・安全性・信頼性管理技術

（２）人工衛星関連・熱・構造技術（軽量化、打上げ時の音響振動、軌道上での熱環境）・制御技術（軌道制御（ランデブドッキング含む）、姿勢制御、制振制御、他）・推進技術（軌道制御、姿勢制御、他）・機構技術（真空下で動作、保持機構、展開機構、駆動機構）・電子機器技術（温度変化、耐放射線）・通信技術・電力技術（発電、電力制御、バッテリ）・地上での試験技術（打上げ環境、宇宙環境の模擬）

17



宇宙ミッション遂行において必要な主要な技術２

（３）宇宙インフラストラクチャの整備・完全再使用型宇宙輸送システム・軌道間輸送システム・軌道上サービスシステム・太陽光発電システム、宇宙工場，月面基地

（４）運用技術・軌道決定、軌道制御・追跡管制技術・データ処理技術

（５）有人関連技術・生命維持技術（空気、水、食料、宇宙服）・宇宙医学（無重力、放射線の影響他）

（６）ミッション固有の技術・地球・環境観測センサ（例：オゾン観測）・衛星間通信、移動体通信、衛星放送・宇宙ロボット（軌道上作業他）・月惑星上の自律探査、標本採取／自動分析・無重力実験用各種材料試験炉・測位（GPS利用）



ケプラーの法則

１．惑星の軌道は太陽を焦点とする楕円

図は衛星と地球

２．太陽と惑星を結ぶ動径の単位時間当たりに掃く面積は常に等しい

３．惑星の周期の２乗は長半径の３乗に比例する

18



円錐曲線、楕円の幾何学、軌道パラメータ



ケプラーの軌道６要素

6個の古典的な軌道要素

軌道面の姿勢を規定（オイラー角）1) 昇交点赤経2) 軌道傾斜角3) 近地点引数軌道の形状を規定4) 軌道長半径 a

5) 軌道離心率 e

衛星の軌道上の位置を指定6) 近地点通過時刻 T0

i

z 1d

2q

3q

0x

1i x

i0

y

1q

子午線

グリニジ近地点

衛星

赤道面

子午線

春分点

昇交点

軌道

極

Ω

vu

1d

aae

E

b

a

2d

r

r

近地点地心

衛星

19



春分点方向g 昇交点赤経

近地点引数軌道傾斜角i 長半径aと真近点離角q

軌道パラメータの例（楕円軌道）



平均近点離角 M

離心近点離角 E

真近点離角 v (qとも書く)

平均運動: 3an e

0TtntM

1d

aae

E

b

a

2d

r

r

近地点地心

衛星

衛星の軌道上の位置：3つの離角

関係式

tEetMtE sin ：ケプラー方程式 M => E

2tan

1

1arctan2

tE

e

etv ：ガウス公式 E => v

: T0 , n => M

20



４種類の円錐曲線と軌道

円楕円放物線双曲線



近地点に投入

近地点投入打ち上げ太陽系外双曲線軌道領域

円軌道放物線軌道（地球脱出）放物線軌道（太陽系脱出）弾道飛行楕円軌道領域双曲線軌道（太陽系内）領域

第1宇宙速度(7.9km/s) 第2宇宙速度(11.2km/s) 第3宇宙速度(16.7km/s)

21



軌道の摂動



よく使用される座標系の例

レポート：日本語訳を作成せよ

22



Main divisions of near space showing airborne and space vehicles that visit them

地球の大気圏と宇宙までの分類

対流圏成層圏中間圏熱圏外圏

大気圏電離圏プラズマ圏惑星間環境

磁気圏境界

磁気圏シース

弓型衝撃波

＜＝太陽風



地球磁場と磁気圏

地球磁気圏の断面図バンアレン帯の存在

23



地球周辺の宇宙環境が宇宙飛行に及ぼす影響

大気の密度赤外放射線の熱的影響

紫外線太陽放射線

銀河放射線

陽子ベルト放射線

隕石無重力

レポート：日本語訳を作成せよ



レポート課題（衛星ミッション）

課題：超小型衛星・探査機（CanSat, CubeSat, 50～100

㎏級など）を用いたミッションを一つ考え、

１）衛星・探査機名２）ミッションの概要３）自分の役割４）外観図（サイズ、質量を併記）

をA4、1枚に記せ。氏名、所属、学生番号等を必ず書くこと。

締切：来週の講義の終了時まで。

24



TLE(Two Line Elements) – 軌道要素形式

北アメリカ航空宇宙防衛司令部 NORAD（米国コロラド州）が地球の周りを

周回しているほぼすべての周回軌道物体（人工衛星、デブリなど）をレーダーで監視しており、その軌道要素をTLEで公開している。 http://celestrak.com/

定義： http://science.nasa.gov/Realtime/rocket_sci/orbmech/state/2line.html



TLE(Two Line Elements) – 軌道要素形式

https://www.space-track.org衛星の軌道情報は、CelesTrakのRetrieve TLE Data by Satellite Catalog

Numberから検索できる。3機の東工大・松永研衛星：CUTE-I, Cute-1.7 + APD II, TSUBAMEの情報もある。下記は一例。

CUTE-1 (CO-55) 1 27844U 03031E 19272.93253152 +.00000039 +00000-0 +37181-4 0 99992 27844 098.6855 279.6069 0010990 092.2700 267.9736 14.22196573842921

CUTE-1.7+APD II 1 32785U 08021C 19273.15408294 .00000187 00000-0 25759-4 0 99992 32785 97.5553 268.0166 0011548 281.6106 78.3815 14.88349415619075

TSUBAME1 40302U 14070E 18275.20949727 .00000410 00000-0 23621-4 0 99972 40302 97.3234 338.0099 0037363 278.6750 166.4671 15.17266769215906

レポート：人工衛星の最新TLEを入手して、各数字の定義と意味を述べよ。

1 40302U 14070E 19273.13242859 .00000825 00000-0 43298-4 0 9992

2 40302 97.2758 327.7778 0040141 90.4067 322.2793 15.17743785270944

25



1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

0.1

1

10

100

1000

10000

Kg

Years

100000

1957-10Sputnik 83.8kg

1958-1Explorer 14kg

1970-2おおすみ 24kg

2002-12ADEOS-II 3.5t

2002-12

WAOS 50kg

2003-6-30CUTE 1kg

2000-1DARPA PicoSat 0.5kg

1971-4Salute 18.9ton

1973-5SkyLab 90ton

1996-4Meel 110ton

2007 ?ISS 450ton

衛星質量の動向

宇宙ステーション

衛星ロケット打ち上げ能力の向上

冷戦終結



小型衛星の挑戦

Size Mass

large > 1 ton

small 500 – 1000 kg

mini 100 – 500 kg

micro 10 – 100 kg

nano 1 – 10 kg

pico 0.1 – 1 kg研究室主導開発（1～50kg）

MEMS << 0.1 kg

超小型衛星（100kg未満）の挑戦：・小さいという厳しい制約・性能制限の中でミッションを実現・低コスト・短期開発、部分段階的シリーズ・複数打ち上げ

USEF(日本)

OSC(米)

SatReCi(韓国)SSTL(英)

静止衛星通信宇宙科学リモセン（災害監視、IGS含む）

市場

技術試験特化実利用大学教育用

26



超小型衛星の研究開発の意義

１）挑戦的宇宙システム工学の実践的教育・人材育成

２）先端的な部品・機器、バスシステムの早期宇宙実証

３）超小型衛星（群）による工学技術デモンストレーション、科学ミッションや実利用ミッションの実施

４）宇宙工学・高価値ビジネス分野の新規発掘・開拓・支援

生物の仮説（本川）：寿命（難易度?） ∝ （質量）1/3～2/3

ミッションの多様性 ∝ １/寿命 ?１０００ｋｇ＝＞１０ 0.5

３００＝＞５１

１００＝＞３２

５０＝＞２３

１０＝＞１５

１＝＞ 0.3 20

短時間で柔軟に適応できる即応型のシステム統合技術の実現が鍵

多種多様なミッションを短期に実現・生死させて進化させる



0.1

1

10

100

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

打ち上げ年, 西暦

衛星

重量

, kg

1957.10 Sputnik-I, 84kg

1958

Vanguard-I, 1.5kg

Sputnik-3, 1.3kg

1964

TRS 2 (ERS 5), 0.7kg2000

Picosat, 0.25kg*2

2003.6

CubeSat, 1kg

民間衛星

MEMPSI, 1kg*2

Calsphere, 1kg

1970.2 おおすみ, 24kg

旧ソ連通信実験衛星群, 40kg

1957.11

Explorer-I,

13.6kg

打ち上げに成功した100kg以下の小型衛星(1957～2005)

1969.7.20

アポロ11号、月面着陸

27



超小型衛星の例

0.5kg 軍事衛星、内部電源、2-3日DARPA/Aerospace Corp. Picosat

（一つ分。他方とはテザーで結合）

0.7kg 軍事衛星、1週間程度四面体衛星TRS (ERS)

1kg 民間アマチュア無線衛星16年間以上の稼働（2003年6月打上）10cm角の超小型衛星CUTE-I

東京工業大学・松永研究室

同時に、東京大学・中須賀研XI-IVも



XI-IV, CUTE-I2003.6

2005.11XI-V

2006.7

2005.7TSD

2006.2Cute-1.7 + APD

東大・東工大

東工大

東工大

東大

日大

ロシアRockot

日本M-V-6

日本M-V-8

ロシアCosmos-3M

ロシアDnepr

打上失敗

日本M-V-7

2006.9

HITSAT

北海道

日本M-V-7

SSSAT

ISAS/JAXA

分離機構実証

2008.4

インドPSLV-C9

Cute-1.7 + APD II

東工大

インドPSLV-C9

SEEDS 2

日大

SEEDS

日本の超小型衛星(6kg以下)の打上実績(2003～2008）

1L, 1kg

2L, 3.8kg

1L, 1kg

2.3L, 2.8kg 6L, 6kg

3L, 3kg 1L, 1kg

1L, 1kg

http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/cubesat/img/xivl.jpg

http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/cubesat/img/xivl.jpg

http://lss.mes.titech.ac.jp/ssp/cute1.7/images/20070906sat.jpg

http://lss.mes.titech.ac.jp/ssp/cute1.7/images/20070906sat.jpg

28



東京大学 PRISM

東北大学 Sprite

東京産業技術高専KKS-1

ソラン＋東海大学かがやき香川大学 STARS

H-IIAピギーバック打ち上げ７機：2008年1月23日

主衛星：いぶき相乗り

大学衛星

まいど衛星

NASDA衛星



ISS「きぼう」搭載JAXA小型衛星放出機構（J-SSOD）による軌道上投入(2012～)

超小型衛星（CubeSat）小型衛星

1U 2U 3U

50cm級55×35

×55cm

300万円 500万円 800万円1億400

万円

有償利用時の費用

29



大学宇宙工学コンソーシアムUNISEC

加盟団体の打ち上げた衛星（2003～2017：45機）

日本：最近では、2019年1月18日に、「イプシロンロケット4号機」による打ち上げ：6機海外：ロケットの失敗や延期などにより、2016年に超小型衛星の打ち上げは予想よりも減少したが、潜在的な需要は多い:インドロケットによる100機以上打上。ミッションに成功した超小型衛星は少なく、失敗しても分析せず：大きな課題（日本でも）。



CanSatとは？

• CanSatとは、ジュース缶(Can)サイズの構造の中に、衛星として必要なものを搭載した衛星モデル。（GPS、センサー、電池、通信機など）

• アマチュアロケットによって高度約4000mまで打ち上げる。• 放出され、パラシュートが展開されたCanSatが、地上に到達する間に、

実際の衛星運用を模擬したmissionを行う。• 例えば、

・デジカメによる地上撮影。・無線機による地上との通信。・センサーデータよる姿勢計算。・空中での分離、ドッキング。

• 最近では、地上のターゲットに向かって自律飛行をするCome Back ミッションが主流。

• 松永研サイトに、過去に挑戦した数々のミッションがまとめられてます。

『上がれ!空き缶衛星』川島レイ松永研サイト：http://lss.mes.titech.ac.jp/

30



ARLISSとは？

• A Rocket Launch for International Student Satellites の略。

• 毎年夏に、米国ネバダ州ブラックロック砂漠で行われる、日米合同のCanSatのロケット打ち上げ実証実験。

• 超小型衛星開発の技術実証試験の場として1999年から毎年開催。

• 最近の参加大学は東工大、東大、日大、東北大、創価大、ネバダ大、ジョージア工科大など。

• JAXA若手チームと東海大、電通大、大阪府大、早稲田大からの有志学生チームも参加。

• 他にも、モデルロケット協会学生委員会がロケット打ち上げを行った。

ARLISS公式サイトから



Launch!!

12000 ft

Release

Carrier and CanSat

CanSat

carrier

Separation

ARLISSの実験手順

31



Launch Site, Black Rock Desert, NV

Matunaga Lab, Tokyo Institute of Technology



Matunaga LabTokyo Institute of Technology

Titech CanSatARLISS 2000

32



CanSat開発&打ち上げ実験＠ネバダ砂漠2004

３年生製作CanSat

最近のCanSat開発事例（東工大）

2017年度：大学院＋学部混成チーム PYONTA

「微小重力天体における跳躍移動機構」

ARLISS実験にて、Best Mission Award

かかみがはら航空宇宙科学博物館にて展示中

学部チーム W.A.T.T.S 「展開型固定翼動力機」

2018年度：大学院＋学部混成チーム ROSSETE

「大気抵抗を用いた姿勢制御による定方向観測」

ARLISS実験にて、Mission Award

学部チーム RASTCAS

「土壌サンプルの採取と搭載ドローンによる運搬技術の検証」

東工大のwebsite 活動ハイライトにて紹介される

報告書RASTCAS

33

2000年7月、200mlの超小型CanSat

CanSat撮影＋ビデオ送信（4km）PM：森（横目参加：澤田）

2010年6月、ほぼ同サイズのDCAM1&2（世界最小の深宇宙探査機：ギネス認定）

IKAROS撮影＋ビデオ送信（100m）（PM：森）設計：澤田＋松永研

CanSatミッションの実応用例

2019年4月5日、はやぶさ２に搭載されたDCAM3

衝突装置SCIによる人工クレータ生成の撮影設計：澤田

CanSatミッションの実応用例

はや２から放出されたDCAM3

DCAM3の撮影画像：RyuguにSCIが衝突した瞬間

34



超小型衛星CubeSatプロジェクト

• １９９９年USSS（by Stanford大Bob.Twiggs)– 1辺１０ｃｍの立方体，１ｋｇの超小型衛星

– 各大学独自の製作と共同での打上げ目指す

• 宇宙工学教育– 学生が衛星プロジェクト１サイクル（ミッションの構想、設計，製作、試験、

打上、運用）を短期に経験する（１，２年で）

– 作ったものの現実世界からのフィードバックを得る

– 学生主導：プロジェクトマネジメントの生きた鍛錬

• 新しい宇宙開発への挑戦– 民生品利用，短期開発により「しきい」を根本的に下げる．

– 新規技術の大胆な実験，新しい宇宙利用の試行を手軽に



世界の CubeSat 開発の動向

• 200以上の大学，ベンチャー，宇宙機関による開発http://cubesat.calpoly.edu/

– 小型衛星で新しい技術（シーズ）を開発し、その中から有意義なものを宇宙機関等で本当に使えるものに発展させる（技術発掘・開発の場として）

– 新規技術の迅速・低コストの宇宙実証（実験の場として）

– 超小型衛星のまま実ミッションに適用（ﾋﾞｼﾞﾈｽとして）

• 具体例（CubeSatｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑなどより）– 地震予知のための電磁気観測（QUAKESAT)

– NASAによるバイオ関連の実験への応用

– MEMS関連技術の軌道上実証実験

– 個人的な目的のため，など

• 東工大・東大 CubeSatは初期に完成，最初の打上げ

著：川島レイ

http://www.amazon.co.jp/gp/product/images/4767803993/ref=dp_image_text_0/503-5687876-3467141

http://www.amazon.co.jp/gp/product/images/4767803993/ref=dp_image_text_0/503-5687876-3467141

35



CubeSat 世界の動向(2003～2008)

１）2003/6/30 ロシア、ロコット（世界最初のCubeSat打上） (P-POD, T-POD, TSD)

XI-IV(1kg,東大)、CUTE-I(1kg,東工大)、QuakeSat(3kg,米国企業)：運用成功CanX-1(1kg,カナダ)、DTUsat(1kg,デンマーク)、AAU CubeSat(1kg,デンマーク): 運用失敗

２）2005/10/27 ロシア、コスモス-3M （ESAの組織的支援による打上） (T-POD)

XI-V(1kg,東大)、 UWE-1(1kg,ドイツ) ：運用成功NCUBE-2(1kg,ノルウェー): 運用失敗

３）2006/2/22 日本、M-V-8 （サブペイロード打上） (TSD)

Cute-1.7 + APD(3.8kg,東工大): 運用成功４）2006/6/26 ロシア、ドネイプル (P-POD) ：打上失敗(14機)

SEEDS（日大）、CP-1 (米国) 、CP-2 、ICE Cube-1(米国)、ICE Cube-2、ION(米国)、KUTESat(米国)、MEROPE(米国)、SACRED(米国)、Voyager(米国)、HAUSAT-1(韓国)、nCube-1(ノルウェー) 、AeroCube-1(米国企業) 、RINCON(米国企業)

５）2006/9/22 日本、M-V-7 （サブペイロード打上）HITSAT(3kg,北海道) :運用成功

６）2006/12/16 米国ミノタウロス-1

GENESAT-1(4.5kg, 米国, NASA)：運用成功７）2007/4/17 ロシア、ドネイプル (P-POD)

CSTB 1(1kg,米国ボーイング社)、 AeroCube 2(米国Aerospace) ：運用成功CP-3(1kg,米国)、CP-4、CAPE-1(1kg,米国)、Libertad 1(1kg,コロンビア)、MAST(3kg,米国企業)：運用失敗？

８）2008/4/28 インドPSLV-C9 (T-POD, TSD)

Cute-1.7 + APD II(3kg,東工大)、SEEDS 2(1kg,日大)、CanX-2(3kg,カナダ)、AAUSAT-II(1kg,デンマーク)、COMPASS-1(1kg,ドイツ)、Delfi-C3(3kg,オランダ) ：運用成功



1～50㎏超小型衛星の打上実績

Doncaster, et al, “ 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast,” Space Works, 2017.

2003世界最初のCubeSat打上

2013年以降、超小型衛星が大いに目立つ

36



2018年超小型衛星最重要出来事

“ 2019 Nano/Microsatellite Market Forecast, 9th Edition,” Space Works,

2019.

今後、５年間で、2000～2800機の超小型衛星が打ち上げられ、商用が総割合の70%以上を占めると予想。

２０１５ー１６年は、ロケットの打上失敗や延期が重なり、予想よりも減少。

２０１７年は、年300機の大台に突入。



超小型衛星の世界動向

2018年最重要出来事：• Rocket Labの小型ロケットElectronが2018年1月に打ち上げ成功。その後

、ロケット2機の打ち上げに成功。• SpaceflightのロケットSSO-Aが打ち上げに成功し、60機以上の超小型衛

星を軌道に乗せた• 衛星インターネットIoT企業7社が出現：AstroCast, Fleet Space, Hiber, Swarm

Technologies, Kepler Communications, Myriota Myriota, MSI Tech.

• 民間運用衛星が100機以上の打ち上げ（前年度の20%増）• 2機のCubeSat： MarCO A & B (Mars Cube One, 6U: Wall-E & EVA) が、

火星着陸機 Mars InSight landerとともに打ち上げられ、着陸機撮影のための火星フライバイ。超小型衛星が先端的科学ミッションに認知された

“ 2019 Nano/Microsatellite Market Forecast, 9th Edition,” Space Works, 2019.

MarCO

NASA JPL

UHF/X-band transponder, engineering camera,

4×axial 25 mN thrusters, 4×RCS 25 mN

thrusters,

6U, 13.5kg

37



1～50㎏超小型衛星の打上ロケット

Doncaster, et al, “ 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast,” Space Works, 2017.

日本

日本



第3次宇宙産業ブームにおける宇宙ベンチャーの活躍

• 第1次宇宙産業（1980年代）：Orbital Science (ISSへの物資補給）

• 第2次宇宙産業（2000年代）：Space X, Virgin Galanticなど（IT長者による参入）

• 第3次宇宙産業（2010年代）：Planet, ALE, OneWeb, ispace, Orbital insight, Blue Origin…..

(クラウド、ビックデータ、AIによる「利用」)

• 第4次宇宙産業に突入？

• 世界の宇宙産業市場：約38兆円（衛星30兆円、半分が利用に）

日本は1兆円程度

• リモセン分野は年10%成長

• 宇宙ベンチャーに、年$１~３B(千億円)の投資

民間が民間の投資で衛星/ロケットを開発運用し、政府がサービス購入する時代に突入。

日本では国の資金による国＋民間が主力：2世代遅れ。

38



1～50㎏超小型衛星の打上実績

Doncaster, et al, “ 2017 Nano/Microsatellite Market Forecast,” Space Works, 2017.に追記

2003世界最初のCubeSat打上

10年間

目立った時点でようやく皆が価値：ビジネスにな

ることを知るESA(2012-), NASA(2015-)

1999

CubeSat

提案4年間

概念提案が最重要

この雌伏の期間に、目利き：米空軍(DARPA)などは、ビジネス化に向けて手を打つ

提案し、実証することは特に研究者とし

て重要

実証から芽が出るまでの組織的支援の有無が

国力の差

ビジネス化への素早い判断と枠組み整備等がさらに大きな差を

生む



スペースデブリ問題とその対処

軌道上に１００００個以上の物体（低軌道で10cm以上） => 貴重な軌道を占有低軌道で毎秒約8km/s => 正面衝突すると致命的損壊（約15km/s）

デブリ：debris, 破片=>

運用を停止した衛星、部品、破壊した部品、ロケット部品などの総称

NORAD (North American

Aerospace Defense Command/

北米航空宇宙防衛軍司令部)

が常時監視但し、低軌道で10cm以上の物体

今後の健全な宇宙活動のためには、デブリを出さない、自分がデブリにならない（25年以内に軌道離脱、再突入など）ような、努力が必要。

参考http://www.jaxa.jp/article/interview/vol67/index_j.html

39



宇宙デブリの個数推移（種類別）

出展：Space Debris Quarterly News, Volume 23, Issue 1&2, May 2019

中国による衛星破壊衝突事故



宇宙デブリの質量推移（軌道毎）

総量：8000トン

参考1：日本の産業廃棄物総排出量3.8億トン(H25実績)

参考2：軌道上に投入する費用は200万円/kg程度＝＞非常に高価

出展：Space Debris Quarterly News, Volume 23, Issue 1&2, May 2019

40

出展：Space Debris Quarterly News,

Vol.20, Issue 1&2, April 2016

国別宇宙デブリの個数（灰色部分）

出展：Space Debris Quarterly News,

Volume 23, Issue 1&2, May 2019

宇宙工学基礎 ー序論ー -...

Documents

宇宙工学基礎ー序論ー -...