2011년 1월 27일 이카로스 정상 운용 종료. (IKAROS, 태양돛)

2010년 7월 이후로 신경을 안 쓰고 있었는데, 간만에 생각나서 그 동안 있었던 내용을 다뤄보겠습니다.
날짜 별로 다수의 포스팅으로 올리겠습니다.

이카로스(IKAROS = Interplanetary Kite - craft Accelerated by Radiation Of the Sun)는
태양에서 방출되는 입자(태양풍)를 받아내어 추친력을 얻는 태양돛을 실증하기 위한 실증기입니다.

기본적인 내용은 아래 글 참고.
(일본의 우주범선(태양 전력 돛 실증기), IKAROS(이카로스))

본 포스트를 포함한 대부분의 내용은 발표 자료의 번역에 불과하니 양해바랍니다.
보다보면 느껴지겠지만 심할정도로 포장해서 표현하는 부분이 있습니다.
잘 필터링해서 읽으시길 바랍니다.
이 내용 이후로 시기 순으로 4~5개 정도의 추가 포스팅이 있을 예정입니다.


- 2011년 1월 27일 이카로스의 정상 운용 종료.
1월 26일 우주개발위원회 보고.

소형 솔라 전력 셀 실증기(이카로스)의 정상운용종료 보고.
(정상(定常)운용이라 함은 큰 변화없이 예정된 임무를 수행했다는 의미정도로 받아들이면 될듯 합니다.)

0. 오늘의 보고 사항.
소형 솔라 전력 셀 실증기(이카루스)는 약 6개월에 걸린 정상운용을 실시하고, 얻은 성과에 따라 미션 달성상태를 확인했다.
또한, 향후 예정된 후기운용계획에 대해 보고한다.

1. 미션의 목적과 의의.
소형 솔라 전력 돛 실증기의 목적.

향후 실현을 목표로 하는 솔라 전력 셀 탐사기의 개발 리스크 경감을 위한 프론트 로딩이며, 단독 미션으로는 세계 최초, 세계 최첨단의 기술실증을 목표로 한다. 
세계 최초로 솔라 셀에 의한 항행을 실증하고 동시에 미래의 하이브리드 추진을 위한 박막태양전지의 발전을 확인한다.
(이온엔진 미탑재.)

1. 미션의 목적과 의의.
이카로스 미션 정의.

이카로스는 아래 4항목을 주 미션으로 한다. 모두 성공하면 세계최초가 된다.

목표1
(1) 대형막면의 전개, 전장.
미래 탐사기와 비슷한 기구를 사용해 진공, 무중력 상태에서 직경 20m의 대형박면을 전개, 전장한다.
전개운동 및 전장상태를 평가해 전개, 전장 시뮬레이션에 사용할 분석모델에 반영한다.

(2) 전력 돛에 의한 발전.
돛 위에 탑재된 박막태양전지로 발전해서, 막면(막표면) 위의 도선을 통해 이카로스 본체에서 확인한다.
돛 위에 탑재된 박막태양전지의 데이터를 얻어 특성을 파악한다.

목표2
(3) 태양 돛에 의한 가속 실증.
태양 돛에 의한 가속효과를, 궤도 결정(측거 데이터, 거리변화율 데이터)를 통해 확인한다.
가속성능을 평가하여, 목표천체까지의 궤도를 설계하는 계산 방법에 반영한다.

(4) 태양 돛의 의한 항행기술의 취득.
광자가속상태에서 탐사기의 궤도결정기술을 확인한다.
돛 조작에 의한 광압벡터(광자가속 방향)의 능동적 제어 및 이를 이용한 항법유도기술을 확인한다.

목표1 : 최소(minimum) 성공 상당.
목표2 : 풀(full) 성공 상당.

2. 미션 요구에 대한 확인결과.

이하
(1)미션항목
- 미션요구
확인결과

(1) 대형막면의 전개, 전장.

- 미래 탐사기와 비슷한 기구를 사용해 진공, 무중력 상태에서 직경 20m의 대형박면을 전개, 전장한다.
<완료>
5월 26일 선단(끝부분) 매스 분리, 6월 2~8일에 1차 전개, 6월 9일 2차 전개를 실시.
그 후에도 스핀(회전)에 의해 전장상태를 유지했다.

- 전개운동 및 전장상태를 평가해 전개, 전장 시뮬레이션에 사용할 분석모델에 반영한다.
<달성>
스핀 전개, 전장 움직임을 시뮬레이션에 의한 사전예측과 비교하여 대체적으로 일치하는 것을 확인하였다.
불일치의 원일 검증하여 분석모델에 반영하였다.

(2) 전력 돛에 의한 발전.

- 돛 위에 탑재된 박막태양전지로 발전해서, 막면(막표면) 위의 도선을 통해 이카로스 본체에서 확인한다.
<완료>
6월 10일 박막태양전지 시스템의 발정을 실증하였다.

- 돛 위에 탑재된 박막태양전지의 데이터를 얻어 특성을 파악한다.
<달성>
행성간 환경에서 박막태양전지 시스템의 특성평가를 주 1회정도 실시, 지상시험에서의 예측열화곡선과 비교하여 특성을 파악했다.

(3) 태양 돛에 의한 가속 실증.

- 태양 돛에 의한 가속효과를, 궤도 결정(측거 데이터, 거리변화율 데이터)를 통해 확인한다.
<완료>
막면 전개 후, 궤도 결정을 통해 광자가속효과를 확인, 추력이 설계치와 거의 일치하는 것을 확인했다.

- 가속성능을 평가하여, 목표천체까지의 궤도를 설계하는 계산 방법에 반영한다.
<달성>
광학특성을 고려하여 자세제어 다이나믹스를 구축, 광학 패러미터 동정법(변수분리법)을 확립, 궤도계획계에 반영하였다.

(4) 태양 돛의 의한 항행기술의 취득.

- 광자가속상태에서 탐사기의 궤도결정기술을 확인한다.
<달성>
광자가속모델을 구축, 트랙킹(추적)을 포함해 실운용에 견딜 수 있는(적용할 수 있는) 궤도결정방법을 확립했다.
또한 실운용에서 유효성을 확인하였다.

- 돛 조작에 의한 광압벡터(광자가속 방향)의 능동적 제어 및 이를 이용한 항법유도기술을 확인한다.

<달성>
능동적으로 돛 자세상태를 제어함으로써 예정대로의 궤도제어가 가능함을 확인하였다.
금성을 향한 유도를 실시, 항법유도기술을 확인하였다.

달성 : 미션요구내용을 어느정도 만족시킨 것을 확인할 수 있었다. 후기운용 데이터를 포함한 추가분석을 통해 추가적인 성과가 기대된다.
완료 : 미션요구내용을 완전히 충족시킨 것을 확인할 수 있었다.

운용절차.

- 최소 성공달성(수주간)
1. H-2A 발사 (5월 21일)
태양 지향, 스핀분리(5rpm)
2. 초기 체크, 스핀 업.(25rpm)
3. 태양 돛의 전개. (2.5rpm)(6월 2~9일)
박막태양전지에 의한 태양광발전.(6월 10일)
스핀 레이트(회전률) 조정(1~2.5rpm) 
-

- 풀 성공달성(반년간)
4. 태양 돛에 의한 가속 실증.(7월 9일)
5. 태양 돛에 의한 궤도제어, 항행기술(12월)
-

최소 성공 상당 : 대형막면의 전개, 전장, 전력 돛에 의한 발전.
풀 성공 상당 : 태양 돛에 의한 가속 실증, 항행기술의 획득.

대형막면의 전제, 전제. (자세 데이터.)

5월 25일 선단(끝부분) 매스 분리.
6월 2~8일 1차 전개.
6월 9일 2차 전개 실시.
막면 전개에 성공했다.
전개기구가 정상 동작하여, 스핀전개 움직임이 사전 예측과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

6월 14, 19일 분리 카메라를 통해 촬영. 전장형태를 확인. 또한 막면에 이상이 없는 것을 확인할 수 있었다.

회전률 그래프.(왼쪽부터)
선단 매스 분리를 기점으로 회전률 감소.
1차 전개가 진행됨에 따라 회전률 감소.
2차 전개 개시 후 회전률, 각속도 그래프.

대형막면의 전개, 전장. (카메라 영상.)

<모니터 카메라 영상>
(좌상단부터 시계방향.)
선단 매스 분리 후.
1차 전개 중.
1차 전개 후.
2차 전개 후.

<분리 카메라 영상>
ON : 거울면반사.(전반사)
OFF : 확산반사. (난반사)
액정 장비의 동작확인.

전력셀에 의한 발전.

6월10일 박막태양전지의 발전을 실증했다.
행성간 환경에서 박막태양전지 시스템의 특성평가를 주 1회정도 시실했다.
지상실험을 근거로 한 예측치와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

(아래 표와 그래프에 대한 언급은 생략하겠습니다. 한자만 읽을줄 알아도 내용 파악 가능.)

태양 돛에 의한 가속실증.

막면전개 후, 도플러로 광자가속을 실증했다.
태양광압에 의한 추력을 계산한 결과, 설계치와 거의 일치했다.
-> 세계 최초의 태양 돛 탄생.
태양거리, 태양각이 다른 조건에서 태양광압에 의한 추력을 평가했다.
-> 누적광압가속량은 100m/s

왼쪽 그래프.
막면 전개시의 도플러 기록.
도플러로부터 산출된 태양광압에 의한 추력 = 1.1mN

오른쪽 그래프.
누적광압가속량.
2010년 11월까지(약 5개월) 누적가속량 100m/s 달성.

태양 돛에 의한 항행기술의 획득.

액정 장치에 대해 동작체크, 자세제어실험을 실시.
예상대로의 제어성능을 달성하는 것을 확인했다.

2010년 12월8일 금성에서 약 8만km의 거리를 플라이바이(fly-by)했다.
아카츠키는 금성의 태양측에 유도된 반면, 이카로스는 금성의 밤측으로 유도되었다.

본 실험 실시시, 실험기의 회전률, 태양거리, 태양각 등을 가미한 초기평가에서, 예정된 자세제어각의 90% 이상의 제어성능을 달성한 것을 확인했다.

왼쪽 그래프.
태양각 그래프.

가운데 그래프.
플라이바이 중의 이카로스 궤도.

오른쪽 사진.
왜곡 보정처리 미실시.

3. 후기운용계획
개요.

후기운용계획의 개요는 다음과 같다.
- 기간 : 2012년 3월말까지.
(후기운용 종료시 계속운용 여부를 판단.)
- 사용지상국 : 우스 64m 안테나.
- 후기운용 목적.
후기운용에서는 태양전력돛 기술의 기초가 될 수 있는, 항법유도 등에 관한 보다 깊은 지식을 얻는 것과
후계기의 개발에 기여하는 이하의 기술실증과 과측을 실시한다.

태양전력돛 미션 - 신규 : 4테마, 계속 : 3테마.
옵션기기(GAP, ALDN, VLBI) 미션의 계속.
신규개발기기(기액평형 스러스터, 중이득안테나, 미션계 일렉트릭)의 평가.

주미션에 관한 테마.

(1) 대형막면의 전개, 전장.
<계속1>
전개운동 및 전장상태를 평가, 막면의 기계적 열화를 평가한다.
<신규1> 막면 거동, 막면형태의 변화를 적극적으로 이끌어내어 전장상태의 역학모델을 구축한다.

(2) 박막태양전지에 의한 발전.
<계속2> 발전성능을 평가, 박막태양전지 시스템의 열화를 평가한다.

(3) 태양 돛에 의한 가속 실증.
<계속3> 막면의 가속성능을 평가, 막면의 반사성능 열화 및 광자가속의 자세의존성을 평가한다.
<신규2> 막면형태변화로부터 태양광압의 반사율과 면적의 분리정도를 향상시켜 막면의 광학변수모델을 구축한다.

(4) 태양 돛에의한 항행기술의 획득.
<신규3> 이카로스와 지구의 거리가 멀어진 것을 이용하여 광자가속하의 궤도결정정밀도를 평가한다.

<신규4> 궤도주기단위의 장기적인 유도제어성을 평가한다.

- 모든 미션은 2012년 3월 31일까지 달성예정으로 이카로스가' 세계에서 유일하게' 얻을 수 있는 데이터이며,
태양전력돛 기술의 기반이 된다.
(일본이 이 분야를 리드하는 것은 목성, 트로이군 소행성 탐사계획을 포함한 차세대 외행성 탐사에 유용.)
- 새로운 후기운용에서 실시되는 미션은 대형 막구조의 연구나 태양복사압을 포함한 궤도결정, 유도제어의 연구에 기여한다. 이들은 태양 돛에 한정되지 않은 중요한 기술이며, 다양한 프로젝트에 응용가능하다.

(아...글씨 진짜 많다...)

신규 테마의 추가. (보충하여 채움.)

<신규테마 1,2> 대형막구조의 연구에 기여.
정상운용의 결과, 태양각, 회전률을 변화시키면 막면형타가 변화하고, 태양광압하에서의 막면 거동이 변화하는 것을 확인했다. 후기운용에서는 태양각, 회전률의 조합을 적극적으로 광범위하게 변화시켜 다음(의 내용)를 실시한다.

- 전장상태의 역학모델을 구축한다.
(막면형태, 막면 거동의 변화를 적를적으로 이끌어내어서 실현.)
- 막면의 광학변수모델을 구축한다.
(막면형태변화로부터 태양광합의 반사율과 면적의 분리정밀도 향상을 실현.)

<신규테마 3,4>태양복사압을 포함한 궤도결정, 유도제어의 연구에 기여.
정상단계에 비해 이카로스, 지구, 태양의 상대위가 크게 변화한 것을 적극적으로 이용하여 다음을 실시한다.

- 광자가속하의 궤도결정정밀도를 평가한다.
(지구거리에 연동하여 궤도결정정밀도를 저하된다.)
- 장기적인 유도제어성을 평가한다.
(태양 주위를 궤도를 단위로하는 기간에 탐사기의 궤도제어를 평가한다.)

궤도계획(발사~금성최접근)
2010년 5월 21일 발사.
2010년 12월 8일 금성최접근.

궤도계획(금성최접근~2011년도 말)
금성최접근 (2010년 12월 8일)
2011년도 말 (2012년 3월 31일)

궤도계획(2011년도말~최원점)
2011년도 말 (2012년 3월 31일)
최원점 (2012년 12월 6일)

옵션기기 미션의 계속.

(1) GAP : 감마선 폭발 편광검출기(GAP = GAmma-ray- burst Polarimeter)
중심의 산란체와 그것을 둘러싼 12개의 형광검출기로 구성된 산란형 감마선 편광검출기로,
세계최초로 감마선 폭발의 편광도를 측정한다.

(2) ALDN : 대면적 우주먼지 검출기.
(ALLADDIN = Arrayed Large-Area Dust Detector for INterplanetary Space)
우주먼지의 충돌시각, 신호피크치, 신호의 감쇠시간 등을 기록하고, 지구보다 태양에 가까운 영역의 우주먼지 분포를 해명한다.

(3) VLBI : 계측형 멀티 톤 송신기. (VLBI = Very Long Baseline Interferomery)
아주 멀리서 빛나고 있는 퀘이사를 이용하여 이카로스의 궤도를 정확히 측정한다.
VLBI 기술을 확실히 습득하고, 미래 미션에서 정상적으로 VLBI를 이용한 고정밀도 궤도결정을 할 수 있도록 한다.

<옵션기기의 성과>
- GAP, ALDN, VLBI는 모드 정상적으로 기능하고 있고, 순조롭게 성과를 내고 있으나, 시스템운용을 우선시하고 있기때문에 충분한 운용시간을 낼 수가 없었다.
- 모두 장기운용을 실시함으로써 세계 수준의 성과를 기대할 수 있다.

운용방침.

통신회선상태를 기반으로 하여, 이카로스 후기운용 성과를 최대화하기위한 운용방침은 다음과 같다.

2월 : 자세, 궤도결정(->신규 3,4, 계속 3)
전장상태, 박막태양전지발전확인(->계속1,2)
GAP, ALDN 관측 데이터 재생.

5,6월 : 자세, 궤도결정(->신규 3,4, 계속 3)
전장상태, 박막태양전지발전확인(->계속1,2)
GAP, ALDN 관측 데이터 재생, VLBI의 공학실험.
회전률, 태양각의 광범위한 변경 후, 자세, 궤도결정. (->신규1,2)

7월 이후의 운용에 대해서는 6월까지의 운용결과를 토대로 판단한다.
<현재 안> 회전률, 태양각의 광범위한 변에 의한,
- 통신상태를 개선할 수 있는 경우. -> 연료를 절약하면서 장기 운용을 계속한다.
- 통신상태를 개선할 수 없는 경우. -> 연료를 소비하면서 중이득안테나의 링크자세를 유지한다.

4. 참고자료.
기술적 배경 : 태양전력돛이란?

- 태양 돛이란...
태양광압의 힘을 돛(막면)이 받아 우주공간을 항해하는 우주범선이며, 태양의 힘만 있으면 연료없이 추친력을 얻을 수 있다. 이 아이디어 자체는 100년정도 전부터 있었으며 세계적으로 검토되었으나 지금까지 실현되지 않았다. -> 이카로스가 드디어 실현했다.

- 태양전력 돛이란...
태양 돛 막면의 일부에 박막태양전지를 부착하여 태양광발전도 동시에 할 수 있는 일본독자의 아이디어이다. -> 이카로스가 최초로 실증했다.
태양전력 돛은 태양 돛보다 연료를 절약할 수 있을뿐만 아니라 태양에서 멀리 떨어진 장소라도 큰 면적의 박막태양전지를 이용하여 탐가기에 충분한 전력을 확보할 수 있다. 이러한 큰 전력을 사용하여 고성능 이온엔진을 가동함으로써 더욱 효율적인 광자가속과 하이브리드 추진을 실현한다. -> 다음 계획에서 실현을 목표.

태양전력 돛 연구개발의 의의.

- 기존보다 훨씬 효율이 좋은 전력 돛과 전기추진 하이브리드 추진을 세계최초로 실승하여, 유연한 탐사를 실현한다.
태양 돛은 구미(북미권)에서 미션을 검토 중이지만 아직 실현되지 않았다.
태양전력 돛에 의해 일본은 태양계탐사를 선도한다.

- 박막태양전지에 의해 목성권에서도 충분한 전력공급이 가능하다.
우주 태양광 발전시스템 전지개발의 선구가된다.
상업이용과 지구환경에 공헌한다.

- 목성보다 멀리가는 외행성탐사기술을 일본이 획득한다.

이카로스의 제원.

본체 : 직경 1.6m, 두께 0.8m
막면 : 직경(대각선) 20m, 두께 7.5um, 한 변 14m
중량 : 308kg (막면 16kg)
발사 : 2010년 5월 21일.
발사 로켓 : H-2A (아카츠키와 함꼐 발사.)
미션 기간 : 반년 이상.

궤도 : 금성직행궤도.
궤도결정 : 레인지(측거), 도플러(거리변화율)
자세제어방식 : 회전 (막면의 전개, 전장)
추친계 : 콜드 가스제트 스러스터(기액평형스러스터)
통신계 : 저이득 안테나(2개), 중이득 안테나(1개)

막면형태, 배치.

막면은 직경 20m의 정바형.(정사각형)
테저(밧줄, 끈.)로 막면과 본체를 결합.
선단매스(0.5kg x 4개)에 의해 막면, 전장을 지원.

막면 재료 : 폴리아미드(두께 7.5um)
박막태양전지 : a-Si 셀 (두께 25um)
액정디바이스 : 전원 On/OFF로 반사조건을 바꿔 토크를 발생.

막면전개 순서, 기구.

마스트(기둥) 타입에 비해 전기기구가 경량화되고 막면의 대형화가 가능.

- 선단매스 분리.
로켓분리 (5rpm)
-> 스핀 다운(2rpm)
선단매스 분리기구 구동시, 선단매스 4개가 동시에 분리된다.

- 1차전개 (준 정적)
스핀 업(25rpm)
상대회전기구(모터구동)로 막을 유지하고 있는 회전가이드를 움직여 1차전개를 실시한다.
->
전개해 나가면서 회전률이 작아진다.
상대회전기구를 움직이면 원심력에 의해 막면이 천천히 신장된다.
-> 1차 전개 종료. (5rpm)

- 2차전개(동적)
막의 구속이 해제되므로 동적으로 전개된다. (2.5rpm)

감마선 폭발 편광검출기(GAP)

이카로스 위성에는 감마선 폭발의 편광을 관측하는 장치 : GAP가 탑재되어있다.
GAP는 감마선 폭발(Gamma-Ray Burst : GRB)의 편광을 전문적으로 관측하는 세계최초의 장치이다.
GRB는 별의 수명의 최후에 맞이하는 거대한 폭발로 초신성의 폭발보다 거대하다. 이 밝기를 사용하는 것이 먼 우주(초기 우주)를 관측하는 수단으로 주목받고 있다. 사실 현재까지 알려진 가장 먼 천제 관측기록은 스바루(하와이에 있는 일본의 거대망원경)나 허블망원경이 아닌 감마선 폭발에 의한 것이며 132억광년으로 되어잇다. 이처럼 멀리서도 관측할 수 잇는 거대한 폭발의 메카니즘을 설명하는 이론으로, 블랙홀의 형성에 따라 물질이 광속의 99%까지 가속된다는 이론(불 덩어리 모델)이 있다. 이것을(의) 편광(자장)을 측정하는 것을 입증하는 것이 GAP의 목적이다.

관측장비는 직경 17cm, 무게 4kg의 작은 장치지만 세계최초로 GRB의 콤프턴 산란동시계수를 실시하는 야심찬 장비이다. 발사 수개월 후 전원이 들어갔고, 그 이후 고장도 없이 순조롭게 관측을 하고 있다. GRB를 검출 후 메모리에 보존하고 그것을 지구에 송신한다. 지금까지 감지한 GRB와 대표적인 강도곡석은 표1에 표시한다.
GRB는 갑자기 나타나 격력한 강도변화를 보여준다.

GAP검출기의 본래 목적은 편광을 측정, 거대한 폭박의 메커니즘을 다가서는 것이었지만, 편광이 존재한다는 결론을 얻기에는 아직 충분한 수의 GRB에 도달하지 않았다. 발사로부터 8개월이 지났지만 GAP의 실질적인 운용시간은 4개월에 머물렀기 때문이다.

이하의 보고는 GRB관측용으로 개발된 세계의 인공위성과의 국제공동관측에 의해 이루어지고있는 발생방향의 결정에 대한 작업이다. GRB은 갑자기 발생하는 단시간현상으로, 미리 발생 방향을 예측할 수 없다.기다리던 다수의 위성으로 감지한 GRB의 관측시간 차이로부터 발생의 방향을 결정한다. 이것은 빛의 속도가 유한하다는 것을 사용한, 관측시간차이법(time of flight)에 의한 방향결정이다. 전 페이지의 표에는 다른 위성에서의 수신상황을 K(소련 Konus위성), F(미국 Fermi), S(미국+이탈리아 Swift)로 표기하고 있으나, 각 위성의 검출시간과 GAP의 검출시간의 차이와 각 위성의 위치를 사용하여 GRB의 방향을 결정한다. 빛의 속도가 유한하다는 것을 사용한, 실로 재밌는 결정방법이다. 이런 식으로 세계의 GRB위성이 국제공동으로 일하고 있다. 하지만 수많은 위성 가운데 편광을 측정한 것은 이카로스 GAP뿐이다.

GRB 100826A(2010년 8월 26일 발생.)는 다른 위성에서는 위의 파란 영역 내로 결정되었다. 행성공간에 있는(거리가 먼) 이카로스를 사용하면 그 거리가 멀뿐 보다 높은 정밀도로 결정할 수 있다. 검은 띄 모양으로 달리는 선이 이카로스에 의해 결정된 제한대로, 다른 위성에 비해 허용된 영역이 좁다. 양자를 합쳐서 허용된 영역이 매우 협소함을 알 수 있다. 이처럼 수기의 위성정보를 사용하면 GRB의 발생방향을 매우 잘 결정할 수 있다. 그 중에서 GRB를 발생시킨 대응 천체를 찾는 무기가 된다. 특히 행성공간에 나와있는 이카로스 GAP의 정보는 거리가 먼 것만으로 중요한 정보가 된다. 이런 좁은 장소 내를 찾으면 매우 먼 거리(초기 우주)의 천체를 찾는 것과 함께, GRB를 일으킨 기묘한 천체의 정보가 된다. 현재 우주는 137억광년의 나이로 알려져있지만 GRB에 의해 132억광년까지 보이고 있다.

VLBI계측용 멀티 톤 송신기.

실험의 성과 : 열잡음 50피코초의 매우 높은 정밀도로 측정 성공. JAXA의 기존 심우주탐사기(하야부사, 아카츠키)에 비해 약 20배의 정밀도 향상을 달성.

실험의 목적, 배경.
먼 곳의 전파성(星)을 보정신호로 사용하여 심우주탐사기의 천구면상 위치를 정밀하게 계측하는 방법으로, DDOR(Delta differential one-way range)기술의 실증을 목적으로하는 미션이다. 지구성의 멀리 떨어진 다수의 안테나로 동시에 전파를 수신하여 간섭하는 것(VLBI : 초장기선간섭계)을 통해, 삼각측량 원리로 탐사기의 천구면상의 위치를 정밀하게 결정하는 것이 가능하다. 최근 JPL를 중심으로 거의 모든 심우주탐사기에 이용하게 된 기술로,
예를 들어 아카츠키의 금성궤도돌입 직전의 정밀궤도결정이 필요한 시기에 NASA DSN국에서 거의 매일 DDOR계측이 이루어졌다. 하지만 JAXA의 이제까지의 심우주탐사기에는 DDOR 기술에서 본질적으로 중요한 멀티 톤 송신 기능이 부족하여 본래 얻을 수 있는 기능에 비해 한참 낮은 정밀도밖에 얻지 못 했다. 따라서 이번 이카로스의 비상기회를 이용하여 VLBI 전용 멀티 톤 송신기와 광대역 디지털송신기를 신규 개발하여, DDOR 기술의 실증을 수행했다.

총 8기관 15안테나가 참가. 총 24 경로의 실험을 실시.

테즈매니아 대 : Hobart 26m
DSN : DSS34 34m, DSS45 34m, DSS43 70m
ESA : Cebreros 35m, new Norcia 35m
ATNF : Mopra 22m, ATCA 22m
상하이 천문대 : 우루무치 25m, 상하이 25m, 쿤밍 40m
NICT : 가시 34m
국토지리원 : 쓰쿠바 32m
JAXA : 우스 64m, 우치노우라 34m

같은 관측시기(2010년 8월 상순)의 아카츠키와 이카로스의 정밀도 비교.

아카츠키
정밀도(열잡음) : 700피코초
정확도 : 1~2나노초

이카로스
정밀도(열잡음) : 50피코초
정확도 : 50~150피코초

세계최고 기록 데이터율(64Mbps/16ch/4bit, 4096Gbps)의 DDOR용 디지털 베이스 밴드 컨버터 개발.

해외의 기존 시스템에 비해 8배의 퀘이사 관측대역폭을 이용하여, 탐사기로부터 분리각이 더욱 작은 미약한 퀘이사까지 calibrator로 이용하는 것이 가능.
향후 Ka대역의 광대역 DDOR에도 여유있게 대응 가능.

왼쪽 그래프.
디지털 광대역 시스템에 의한 기록 데이터.(32MHz bw)
(디지털 베이스 밴드 컨버터 샘플링속도 세계 최고를 기록!)

오른쪽 그래프.
기존의 아날로그 협대역 시스템에 의한 기록 데이터.(위 그림은 버스계 신호, 8MHz bw)
8Mhz 대역폭의 아날로그 신호를 여러개 조합하여 합칠 필요가 있다. 대역내의 게인, 위상이 브란트 될 수 없다.

왼쪽 그림에서 아래 6개의 점들의 집합이 이카로스의 VLBI 지연잔차,
왼쪽 위의 3개 및 오른쪽 위의 3개가 천구상에서 이카로스의 근접한 위치에 있는, 위치가 잘 알려진 2개 천제의 지연잔차. 이카로스의 도플러는 레인지 도플러로 얻어진 결정궤도를 기초로 한 지연잔차이고, 궤도가 정확하다면 천체의 잔차도 동일 선상에 있을 것이지만, 명확한 바이어스가 남아있다. 즉, 레인지 도플러로 추정할 수 없는 궤도오차가 측정된 것이다. 퀘이사 J425-2513은 도마뱀 자리 BL성에 비해 강도가 약하기대문에 노이즈가 크지만, 지연찬차는 동일 직선상에 있다. 다른 앙각의 천체임에도 불구하고 동일선상에 있다는 것으로부터, 대기지연오차 등의 계통 바이어스를 제거해야하는 것을 알 수 있다.

이후의 운용방침.
VLBI용 송신안테나는 버스계 안테나에 비해 빔폭이 좁기때문에 이후의 관측기회는 한정되고, 계측정밀도도 높일 수 없으나, 미래의 탐사기에서 정상운용에 도움이 되는 시스템이 되도록 관측시스템의 개량(파이프라인화, 반자동화)을 진행하는 것을 목표로 실증관측을 계속한다. 이제까지의 관측에서 궤도결정정밀도향상을 평가하는데 충분한 량의 양질의 데이터를 얻었으나 기존에 비해 현격하게 높은 계측정밀도를 얻을 수 있기때문에 궤도결정시스템에 수cm 정밀도의 방위치 모델, 관측모델을 도입(기존의 심우루궤도결정에서는 수m의 정밀도로 충분.)할 필요가 있다. 근지구위성에 사용될 고정밀도 모델의 도입을 추진, 궤도결정정밀도향상을 실증한다.

대면적 박막 먼지검출 어레이.(ALDN)

<미션목표>
- '알라딘(ALADDIN = Arrayed Large Area Dust Detectors in INterplanetary space)'는 ''마법의 양탄자'같은 이카로스에 탑재된, 일본 최초의 순숫 국산 우주먼지검출기이다. 미래의 목성권 탐사나 외행성영역용의 대면적우주먼지검출기의 우주에서의 기술실증과, 지구보다 태양에 가까운 영역에서의 우주먼지의 검출 및 그 분포의 과학연구를 목표로 탑재되었다.

<기기구성>
- 총면적 200m² 의 돛 막면 위의 0.3%(0.54m²)를 차지할뿐이지만, 태양계탐사역사상 최대 면적인 우주먼지검출기이다. 따라서 동일계측시간내에 과거의 다른 나라의 탐사기의 실적보다 한 자리 이상 많은 충돌을 검출할 수 있고, 우주먼지의 존재량이나 분포를 통계적으로 높은 신뢰성의 가장, 보다 세밀한 분포구조까지 계측할 수 있다.

- 돛 막면에 두께 9/1000mm와 두께.
20/1000mm의 국산 PVDF(폴리플루오린화비닐디렌) 압전소자박막을 4채널씩 배치한 센서부(ALDN-S, 총 40g)와, 우주먼지 충돌신호를 검출하는 회로부(ALDN-E, 210g)으로 구성되었다. 십분의 수mm 이상의 우주먼지의 초고속충로 발생하는 전하신호를 증폭, 변환해 충돌시각, 신호피크치, 신호의 감쇠시간 등을 기록한다.

<운용성과>
(1) 국산 최초, 세계최대면적의 우주먼지검출기의 우주 실증.
2010년 6월 21일부터 가동을 개시. 일본에서 최초로 제작, 교정된 우주먼지계측기로서 우주먼지의 초고속충돌 데이터를 취득. 또한 우주탐사역사상 최대의 검출면적을 갖고 있으며, 8채널 전부 충돌을 검출.
2010년 6월 30일부터 누적 25일시간의 대기시간에 수미크론의 큰 우주먼지의 충돌신호를 100회이상 검출. 이 수는 화성탐사선 '노조미'에 탐재된 독일제 먼지검출기(MDC)가 1998년 8월부터 45개월간 검출한 모든 데이터 수에 상당한다.
단기간에 우주먼지충돌을 대량으로 검충할 수 있고, 통계적으로 정밀도가 높은 데이터를 만들어낸 대면적 먼지검출기의 유효성을 실증하여, 미래의 목성권탐사에서의 우주먼지계측을 향한 일본독자의 기술기반을 확립.

(2) 태양계 내우주 먼지분포의 일심(태양중심) 거리 의존성의 연구.
이카로스의 항행기간 중에 연속계측을하여, 지구공전궤도보다 태양에 가까운 내행상 영역에 있는 우주 먼지분포의 일심거리 의존성을 평가.
1970년대, 1990년대의 해외 탐사기에서는 동영역의 일심거리와 플럭스(흐름) 모두 큰 불확정성을 가진 데이터 밖에 얻지 못 했지만, 이카로스는 누적 24시간정도의 미세한 시간분해능, 즉 일심거리를 전례없는 미세한 구분으로 우주먼지의 분포를 계측하는 것에 성공했다. 이로 인해 지구에서 금성근점까지의 영역에서 태양에 가까워질수록, 다소의 차이를 갖지만 연속적으로 거의 한 자리 상승하는 우주먼지의 분포구조를 밝혀냈다.
또한 후기운용에서도 연속관측을 계속한다면 우주먼지분포의 일심거리 의존성만이 아니라, 황도면상의 위상이나 행성의 위치관계에 따른 분포의존성도 조사할 수 있을 것으로 기대한다.