// 金星周回大気探査 · 2005-045A
ビーナス・エクスプレス
Venus Express
Mars Express系バスを再利用し、金星極楕円軌道から大気を8年以上多波長観測した。
01基本情報
打ち上げ、機体、軌道、運用の主要諸元。数値だけでなく任務上の役割を併記する。
| 開発・運用 | 欧州 ESA |
|---|---|
| 打ち上げ | 2005年11月09日 Baikonur |
| ロケット | Soyuz-FG/Fregat |
| 国際標識 | 2005-045A |
| 状態 | 運用終了 |
| 質量 | 約1,270 kg |
|---|---|
| 軌道・航路 | 金星極楕円軌道 |
| 電源 | 太陽電池 |
| 設計形式 | orbiter |
| 主要目標 | 金星大気循環・温室効果・プラズマ |
02ミッション
金星大気循環・温室効果・プラズマを、要求・機体・軌道・運用判断・遺産の五層から読む。
何を変えるための飛行だったか
金星の超回転、雲、温室大気、極渦、太陽風による大気散逸を統合的に調べることが目的だった。 Venus Expressを理解する出発点は、打ち上げ年や機体サイズではなく、当時まだ測れなかった量、成立していなかった運用、あるいは越えられていなかった距離を特定することにある。中心課題は「金星大気循環・温室効果・プラズマ」。その要求は観測装置だけで完結せず、軌道、電力、通信、熱、地上系を同時に縛った。
8年以上の金星運用、24時間の準極楕円軌道、7台の科学装置は一つの観測周期として組まれた。近点側で大気・雲・プラズマを観測し、固体メモリへ保存し、遠点側で地球へ送る流れを毎日繰り返した。
要求を機体へ落とし込む
1,270 kgの機体はMars Express系バスを再利用しつつ、金星の強い日射へ合わせて熱設計を変更した。VIRTIS、VMC、SPICAV/SOIR、PFS、ASPERA-4、MAG、VeRaを三つの機体面へ集め、観測データは12 Gbitメモリへ時刻・姿勢情報とともに保存した。
金色の23層MLIと拡大した放熱器が加熱を抑え、5.7 m²のGaAs太陽電池は金星で約1,100 Wを発生した。1.3 mと0.3 mの高利得アンテナを使い分ける設計は、地球を向きながら低温面と放熱器を太陽から守るためだった。
軌道は移動経路ではなく実験装置
近点約250 kmは北極側の高分解能撮像・分光・粒子観測に、遠点66,000 kmは南極側からの全球像と地球通信に使われた。慣性空間に固定した準極軌道により、243地球日かけて全経度を覆った。
2006年4月11日、400 N主エンジンを約50分噴射して1,251 m/s減速し、周期9日の捕獲軌道へ入った。5月7日までに24時間軌道へ縮小し、2014年には近点を129.2 kmまで下げてESA初の空力制動を実施した。
運用現場で何を判断したか
1周24時間のうち、主な科学観測は近点側約95分、地球への送信は約8時間だった。観測時は金星、送信時は地球へ機体を向け直し、そのたびに太陽電池が発電でき、側面放熱器へ日光が当たらないロール角を選んだ。
太陽摂動で近点は約1.5 km/日上がるため、およそ50日ごとにスラスタで戻した。2014年の空力制動では反対に近点を意図的に下げ、加速度計と追跡データから上層大気の密度と機体への抗力を測った。
残ったデータと設計遺産
VIRTISとVMCは南極の二重渦、雲頂の超回転、夜側の熱放射を長期追跡し、SPICAV/SOIRは大気組成と高度構造、ASPERA-4とMAGは太陽風による大気散逸を結び付けた。
当初約500日の計画が8年以上続いたことで、短期の天候と季節・太陽活動に伴う変化を分離できた。Akatsukiの赤道寄り軌道とは異なる準極軌道の記録として、金星大気を複数方向から比較する基盤を残した。
空力制動後は軌道を460 × 63,000 kmへ上げたが、2014年11月に推進剤が枯渇し、姿勢と近点高度を維持できなくなった。任務は12月16日に終了し、機体はその後の自然な軌道減衰で金星大気へ入った。
- 2005-11-09打上げSoyuz-Fregatで地球を離脱し、153日の金星遷移へ。
- 2006-04-11金星周回投入50分の主エンジン噴射で周期9日の捕獲軌道へ。
- 2006-05-07運用軌道を確立250 × 66,000 km、周期24時間の準極楕円軌道へ。
- 2006–2014長期大気観測近点観測と遠点通信を反復し、2金星日を超えて運用。
- 2014-05 — 07空力制動近点を最低129.2 kmへ下げ、上層大気の抗力を測定。
- 2014-12-16任務終了推進剤枯渇後に通信を終了し、軌道は自然減衰へ。
03開発・運用エピソード
成果の背後にあった判断、制約、故障対応を一次資料へ戻れる形で記録。
通信が消える50分に、金星到着を託す
2006年4月11日、ESAは金星接近中のVenus Expressを反転させ、主エンジンを約50分間噴射して1,251 m/s減速した。ところが噴射の途中で探査機は金星の陰へ入り、地上からSバンド信号を約10分追えない。燃焼不足なら通過、過大なら危険な低軌道になるため、事前計画どおり自律シーケンスを続けさせた。その結果、探査機は約400×350,000 km・周期9日の捕捉軌道へ入り、後続噴射で24時間の観測軌道へ絞り込めた。
残り燃料を、130 kmの大気へ換える
8年以上観測した2014年、ESAは残存推進剤が少なく寿命延長にも限界があるため、科学と運用実証を兼ねて近金点を130〜135 kmまで下げた。6月18日から7月11日に大気抵抗、密度、機体応答を測り、その後15回の噴射で近金点を約460 kmへ戻した。しかし11月23〜30日の再上昇では推進剤を使い切り、姿勢と高度を維持できなくなった。その帰結として12月16日に任務終了が宣言され、最後の燃料そのものが金星上層大気の直接測定へ変わった。
04軌道・遷移
Venus Expressは153日の巡航後、50分の主エンジン噴射で9日周期の捕獲軌道へ入り、16周かけて24時間の科学軌道を確立した。2014年には高度129.2 kmまで空力制動を行い、推進剤枯渇後は自然減衰へ移った。
- 012005-11-09地球を出発Fregatが地球待機軌道から脱出速度を与え、153日の内向き太陽周回遷移へ入った。
- 022006-04-1150分の金星周回投入主エンジンを進行方向へ向け、約1,251 m/s減速。400 × 350,000 km、周期9日の捕獲軌道へ。
- 032006-04 — 0516周で運用軌道へ複数回の遠点・近点操作で軌道を縮小し、5月7日に24時間の準極楕円軌道を確立。
- 042006–2014近点観測、遠点通信250 × 66,000 km。近点側約95分で撮像・分光・粒子観測を行い、記録データを1日約8時間地球へ送信。
- 052014-05 — 07ESA初の空力制動近点を190 kmから最低129.2 kmへ下げ、抗力を測定。周期は24時間から22時間20分へ短縮した。
- 062014-07 — 12再上昇と自然減衰460 × 63,000 kmへ上げた後、11月に推進剤が枯渇。姿勢・軌道を維持できず、12月16日に任務終了。
軌道・運用: ESA — Venus Express operations / ESA Science & Technology — Fact Sheet
05主要機器・サブシステム
紫外から熱赤外、電波掩蔽、プラズマ・磁場までを同じ準極軌道で結び、三次元の大気と散逸過程を追った。
可視・赤外分光撮像
温度場、雲構造、夜側の熱放射を波長ごとに分離し、超回転する大気の三次元構造を復元した。
金星監視カメラ
広視野の紫外・可視・近赤外像を反復取得し、雲頂模様と南極渦の時間変化を追った。
紫外・赤外掩蔽分光
太陽・恒星掩蔽で大気を横から透過させ、組成と温度の高度分布を高い鉛直分解能で測った。
フーリエ分光計
熱赤外スペクトルから大気温度と組成を調べる装置。金星周回後は不具合のため科学観測に使えなかった。
プラズマ・高エネルギー粒子
太陽風と金星上層大気の境界、イオン流出を測定し、大気が宇宙へ失われる経路を追った。
磁力計
固有磁場を持たない金星の誘導磁気圏、弓状衝撃波、磁気圏尾をプラズマ観測と同時測定した。
電波科学実験
地球とのX/S帯信号が大気・電離圏を通る際の屈折を使い、温度・圧力・電子密度を推定した。
二面の高利得アンテナ
1.3 mと0.3 mのアンテナを幾何に応じて選び、低温面と放熱器を太陽から守りながら通信した。
06内部設計・システム構成
Mars Express系の箱形バスを金星の4倍の加熱へ適応。小型GaAs太陽電池、金色MLIと大型放熱器、二つの高利得アンテナ、570 kgの推進剤を一つの姿勢制約へまとめた。
Mars Expressを「冷やす機体」へ
箱形バスと多くの機器はMars Express系だが、金星では入射加熱が約4倍になる。黒ではなく金色の23層MLI、面積と効率を増した放熱器、耐熱性の高いGaAs太陽電池で、機体の目的を保温から排熱へ反転させた。
強い日射は小さな翼で受ける
太陽電池は合計5.7 m²で、地球付近の約800 Wから金星で約1,100 Wを発生した。日陰やピーク負荷は3台のリチウムイオン電池が受け持ち、観測・通信・ヒータを同じ電力収支で管理した。
観測してから8時間かけて送る
近点側約95分にVIRTIS、VMC、SPICAV/SOIRなどの観測を集中し、12 Gbitの固体メモリへ保存。地球指向フェーズに切り替えて、1日約8時間のCebreros局パスで100–800 MBを送信した。
二つのアンテナは熱制約の解
HGA1（1.3 m）とHGA2（0.3 m）は異なる面に装着された。地球と太陽の幾何に応じて使い分けることで、通信を続けながら低温面の機器と側面放熱器へ直射日光が当たるのを避けた。
570 kgの推進剤で金星に捕まる
打上げ質量1,270 kgのうち推進剤は570 kg。400 N主エンジンが金星到着時に約1,251 m/sを減速し、8基の10 Nスラスタが軌道修正・姿勢変更・約50日ごとの近点高度補正を担った。
三軸姿勢が観測・通信・熱を切り替える
星センサ、太陽センサ、レーザジャイロ、加速度計で姿勢と速度変化を推定し、反作用輪またはスラスタで機体を向ける。金星指向・掩蔽・地球指向の切替は、視野だけでなく太陽電池と放熱器の向きも同時に決めた。
機体・運用: ESA — The spacecraft / ESA — Venus Express operations
07写真・図版
出典とライセンスを画像ごとに記載。機体・運用・成果を異なる視点から確認する。
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08一次資料・技術文献
仕様、軌道、運用史、データへ戻るための代表的な入口。