次期赤外線天文衛星ＳＰＩＣＡ

開発の現状( 望遠鏡部分、禁配布）

次世代赤外線天文衛星（ＳＰＩＣＡ）ワーキングループ

（宇宙科学研究所・中川貴雄）May 21, 2003

SPICA 概要

Scientific Objectives宇宙進化の歴史を探る

銀河の誕生と進化第一世代の星生成 、銀河、銀河団進化

星の誕生と進化星の誕生、原始星恒星進化

惑星系の誕生と進化木星型 exoplanets の直接検出

Outline of SPICA Telescope: 3.5m, 4.5 K Core λ: 5-200 μm Orbit: Sun-Earth L2 Halo Warm Launch, Cooling o

n Orbit Total Weight: 2.6 t Launch: ～ 2010 by HII

ASun

L1 L2

L4

L5

Earth

L3

冷却方法 : 効率的な放射冷却＋機械式冷凍機

Mirror

Baffle

FPI

Telescope

Tube

Shield #1

Shield #2

Shield #3

Sun Shield

Bus Module

4.5K Stage Cooler

Conduction

Radiation

1.7 K Stage Cooler

Stressed Ge:Ga

20K Pre-coolerBus MLI

Sun Shield MLI

ASTRO-F Legacy

科学的成果ASTRO-F: 究極のサーベイ観測SPICA: 詳細観測

技術的成果機械式冷凍機の採用

also SMILES軽量低温鏡赤外線高感度検出器

Stirling 冷凍機 on ASTRO-F

SPICA 技術検討、開発予算

戦略的開発研究科学技術振興調整費「次世代スペース・オプティクスの広域展開」科研費

検討、開発項目ミッション系基礎技術開発

機械式冷凍機 軽量大型鏡 焦点面観測装置（検出器）

システム検討熱・構造の最適化ハイブリッド姿勢制御システム

軽量望遠鏡システムの開発

設計思想 鏡の剛性と Actuators

高剛性鏡 with few Actuators Simple, 高信頼性 重量大、試験が重要

低剛性鏡　 with many Actuators 重量低減、高精度？、将来性 複雑、低信頼性

材料 ガラス系

高い安定性、低剛性、脆性 SiC

高剛性、高熱伝導、脆性 C/SiC

高剛性、高熱伝導、低脆性

望遠鏡開発経緯 今までの軽量スペース望遠鏡

IRTS (Al, 15cm 鏡） ASTRO-F (Hybrid SiC, 70 cm 鏡 )

RFP/RFI 発行 (2002 年 8 月 ) NTSpace + Goodrich 住友重機 + Nikon + Astrium 三菱電機

後者２つを選択し、 BBM 開発スタート

材料の特性

高剛性鏡案（ SHI+Nikon+Astrium ）

SiC Segment

Brazing Technology

低剛性鏡＋ Actuators (NTS案）

副鏡支持構造

鏡面修正機構

キネマティックマウント

光学ベンチ

主鏡

副鏡副鏡調整機構

副鏡バッフル

主鏡バッフル

AMSD の例CFRP 製 Reaction Structure

Moog 製 cryo-actuator 37 個

Fused silica 背面リブ付きメニスカスミラー

アクチュエータ

Typical cross-section

補強背面リブ

アクチュエータ結合点

• CTE 均一性に優れる Fused silica をミラー材に使用

• 自重歪低減のための固さと鏡面修正のための柔軟性を両立させるアイソグリッド平面リブ

Fused Silica 鏡

高剛性鏡 + a few Actuators ( メルコ案）

IRT外観

SOLAR-Bの実績に基づくベアリング方式を採用。 鏡 I/F部回転３自由度とR方向並進１自由度を開放

した３ユニットを120度対称に配置したキネマティックマウント。

ミスアラインメント、CTE差による鏡と光学架台の相対変位等の外乱に対して波面への影響を極力排除可能。

ベアリング式固定点

新開発の繊維強化複合材料 C/SiC の加工性、高靭性、ボイドレス等の優れた特徴を生かした超軽量高剛性鏡。

高い加工性により、固定点 I/F 部に C/SiC性 I/F カップを採用。固定点とのバイメタル変形の鏡面への影響を極力排除。

表面粗度 7.5nmRa 達成（常温）。

超軽量・高剛性鏡

３本の能動支持アクチュエータで低次モードの収差を効率よく補正。

副鏡駆動機構（ focus+tilt）駆動系とのI/F共通化によりリソースの削減と信頼性を向上。

０次試作性能評価で基本設計指針取得済み。

能動支持アクチュエータ（オプション）

副鏡ステー

光学架台I/Fカップ

C/SiC 製主鏡

副鏡駆動装置

Actuators の効果

補正対象変形パターン ("ref") [@FXS Z 変位 =0]

副鏡駆動 (piston, tilt, focus) のみで補正した時の残差

副鏡＋主鏡 PMA9 本で補正した時の残差

副鏡＋主鏡 PMA3 本で補正した時の残差

REFERENCE DEFORMATION RMS=2.89e-006

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0x 10

-6

RESIDUAL ERROR RMS=1.44e-006

-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

-6 RESIDUAL ERROR RMS=1.24e-007

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6x 10

-7 RESIDUAL ERROR RMS=1.04e-007

-1

0

1

2

3

4

5

6x 10

-7

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

RMS

原変形 RMS

副鏡のみ補正後

PMA3dof+

RMS

副鏡補正後

PMA9dof+

RMS

副鏡補正後

RM

Sre

f=1

.0)

鏡面

誤差

相対

値（

C/SiC 鏡材開発：表面構造の理解、改良に大幅な進展

光学写真（右上）および干渉測定による鳥瞰図（下）。視野は□ 0.179mm 、空間分解能～ 0.7μm 。この写真のサンプルでは　 1-2 の高低差は～ 100nmで、ｚ方向の起伏が強調されている点に注意。左上：測定したサンプルの例。

（ 1 ）　 SiCマトリックス（ 2 ）　残存 Si 　（ 3 ）　 C繊維　　

・表面粗さを決めているもの　　 - （ 1 ） - （ 2 ） の高低差が当初は～100nm 。　　　 表面粗さの主要因と判明 　 　・Ｃ繊維の局在の問題も検出

　　　→　材料・生成条件のパラメーター調整　　　　　　 ＊ 面粗さ　 7.4nm(@RMS) 　 ＊ C 繊維がほぼ一様に分散　　　　　　を達成。　　　　

・次の重要課題は極低温での特性評価

・ C/SiC 表面のおもな構造

・顕微鏡型干渉計による表面計測　 ・非常に高い分解能 ( 特に z 方向 )　　・３次元画像による表面構造の理解

冷凍機開発

SPICA が必要とする冷凍機 200mW@20K (JT予冷 )

2-stage Stirling 　 (ASTRO-F の成果） 30mW@4.5K ( 望遠鏡冷却 )

4He JT (ASTRO-F + SMILES の成果 ) 15mW@2.5K (Ge:Ga 冷却 )

3He or 4He JT (新規開発 ) 10mW@1.7K ( 遠赤外線検出器冷却 )

3He JT (新規開発 ) ←重点的に開発

1K 級冷凍機開発経過 平成 12 年度

超低圧リニアポンプの作成、実験 set up整備 平成 13 年度

3He JT 動作の原理的実証 (従来の記録は 2.5K) 問題 : 低効率（ 4mW@1.7K)

平成 14 年度（前半 ) 熱モデル見直しによる最適化 (10mW@1.7K) 問題 : バラック実験

平成１ 4 年度 ( 後半 ) Stirling を予冷に用い高効率化 (12mW@1.7K) 問題 : 構成の複雑さ、能力の余裕のなさ

3He JT 世界最高性能を達成

12 mW @ 1.7 K吐出圧力

ヒー

ター

入力

(mW

) 温度

(K)

予冷機を Stirling に変更

今までの構成 (GM予冷 ) 新構成 (Stirling予冷 )

　　　　　　　　　　　構成の単純化　　　　　　　　　高能率化

前段２段の圧縮機の一体化

・軽量化 (2/3)・構成の単純化・高信頼性化

構成の単純化

→軽量化単純化高信頼性化

今後の開発計画 「原理実証モデル」から「搭載可能モデル」へ

平成 15 年度 (搭載方式の確立 ) 構成の単純化 ( 後段２段の一体化 ) 冷却能力の向上 (Stirling の能力向上 )

平成 16 年度 (搭載モデルの検証 ) 高信頼性化 振動対策 低温対策

冷凍機の開発成果→　他の科学衛星ミッション

へ

Table　 　 Development　Status　of　Mechanical　Cooler　for　Space　Use　at　SHI１

Ｎｏ． Mission/ Project Cooling Purpose Cooler Type (*) Typical Cooling Power Inp ut P ow e r Present S t at u s

1 SELENE/ GRS Ge Detector 1ST 1.5W/80K 40W PFM

2 ASTRO-E2/ XRS Outer Vapor cooled shield 1ST 2.5W/100K 35W PFM

3 Planet-C/ IR2 CCD 1ST 1W/ 65K 50W BBM, Planning

4 NeXT/XRT CCD 1ST 6W/ 173K 20W * 2sets Planning

5 ASTRO-F Inner Vapor cooled shield 2ST 0.2W/20K 50W * 2sets FM

6 VSOP-2 Low noise Amp. 2ST TBD TBD Planning

7 J EM/SMILES Submillmeter detector (SIS mixer) 2ST + 4HeJ T 20mW/ 4.5K 150W PFM

Pre-Amp. 1W/ 100K , 0.2W/ 20K

8 SPICA Pre-coolin g2ST 0.2W/20K 100W Planning

Telescope , Si:AS detector 2ST + 4HeJ T 30mW/ 4.5K 180W Planning

Unstressed Ge:Ga detector TBD 10mW/ 2.5K 200W(TBD) Planning

Stressed Ge:Ga detector 2ST + 3HeJ T 5mW/1.7K 180W BBM

9 NeXT/XRS Inner and Outer Vapor cooled shields 2ST 2W/ 100K , 0.3W/ 20K * 2sets 80W * 2sets Planning

LHe tank 2ST + 3HeJ T 5mW/1.7K 180W Planning

X-Ray det e ct o r ADR 0.05K TBD Planning

Note(*) 1ST Single stage stirling cycle cooler：

2ST Two- stage stirling cycle cooler：

J oule-Thomson cycle coolerＪＴ：

ADR Adiabatic demagnetization refrigerator：

赤外線検出器の開発

赤外線検出器開発の課題 連続した波長カバー (MIR, FIR) 大規模アレイ化 (FIR)

ASTRO-F FIS/SW detector (50–110 µm) ：大規模化への路

Ge:Ga Monolithic array.Array format: 20 x 3 + 20 x 2Pixel size: 0.5 x 0.5 mm

Readout circuit

Ge:Ga array

This column is not used.

WIDE-S

N60

12 m

m

ASTRO-F/FIS/LW detector (110–200 µm) ：大規模化困難Stressed Ge:Ga photoconductorswith stacked array structure

Array format: 15 x 3 + 15 x 2Pixel size: 0.9 x 0.9 mm

15 m

m One Layer

液層エピタキシャル結晶成長装置 (GaAs)

Photoluminescence 測定

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

8100 8200 8300 8400

A)波長（

PLarb

.unit)

強度

（

1系列

2系列

(D+, X)

(D0, X) (A0, X)

C(D0-A0)

C(e -A0)

Si(e -A0)4.2 K

光検出器として使用可能な不純物レベルに近づいた次の課題：光検出器として試験将来： 読み出し回路と組み合わせてアレイ化

Si:Sb 検出器 (DRS社） ３７ μm までをカバー

•SIRTF での開発–１９８６に２社と開発開始–１９８７から中間背景レベル（ 10(8)/s) 用で試験–低背景レベル用は１９９３から試験–SIRTF の打ち上げは２００３夏

•SPICA での開発–超低背景レベルのための開発　　高感度と低 暗電流の両立–非線形性の克服

BIB 型 Ge:Ga 検出器 利点

高い吸収効率 → 大規模アレイ化 対放射線の影響軽減 感度特性の長波長化

方針 U.C. Berkeley の E. Haller のグループと共同 米が結晶を提供、日が測定 将来的には日本で読み出し回路と組み合わせる ASTRO-F の成果の活用

システム検討

衛星システム検討 目的

衛星システム全体としての成立性の検討 開発を要する critical components の洗

出し Two Critical Issues

高精度ハイブリッド姿勢制御系 衛星全体としての構造・熱設計の最適化

高精度ハイブリッド姿勢制御系 目的

35mas という高い精度の姿勢制御を達成 平成 14 年度の成果

ハイブリッド姿勢制御系成立性の検討 ポインティング制御系と姿勢制御系との機能配分

平成 15 年度の目的 ハイブリッド姿勢制御系システム検討 相似モデルによる評価試験

ハイブリッド姿勢制御評価試験装置（相似モデル）

姿勢制御系

ダイナミクス

ポインティング制御系

ダイナミクス

ポインティング駆動系／検出系（レーザ変

位計等）

（一軸テーブル）

（一軸テーブル）

（ばね )

慣性センサ(IRU-PM)

駆動系(RW-PM)

光学センサ( レーザ変位計 )

ポインティング制御装置

(PC)

姿勢制御装置(PC)

データ

I/F

検証項目 数学モデルによるシミュレーション検証

相似モデルによる評価試験検証 備考

ポインティング制御系      

　－駆動系－駆動方式 △ ○ （注１）　　　　　－駆動力 ○ ○  

　　　　　－駆動分解能 ○ ○  

　　　　　－駆動範囲 ○ ○  

　　　　　－駆動ノイズ △ ○  

　　　　　－応答時間 △ ○  

　　　　　－擾乱による影響 △ ○  

　－角度検出系 －検出分解能 ○ ○  

　　　　　　　－検出範囲 ○ ○  

　　　　　　　－検出ノイズ △ ○  

　　　　　　　－検出遅延時間 △ ○  

　　　　　　　－擾乱による影響 × ○  

姿勢制御系      

　－慣性センサ－分解能 ○ ○  

　　　　　　　－安定度 × ○  

　－光学センサ－分解能 ○ ○  

　　　　　　　－検出ノイズ △ ○  

　－駆動系－駆動力 ○ ○  

　　　　　－分解能 △ ○  

　　　　　－発生擾乱 △ ○  

両系間ダイナミクス      

　－伝達特性 △ ○  

両系間信号インタフェース      

　－インタフェース方式 ○ ○  

　－非同期性 × ○  

衛星ダイナミクス      

　－慣性能率 ○ ○  

　－大型柔軟物 ○ ○  

       

数学モデルと相似モデルとの相補性

角度検出への擾乱の影響

非同期 I/F

熱・構造設計の最適化 位置づけ

衛星全体として熱・構造を最適化は、ミッション部の熱・構造設計にとって極めて重要

平成１４年度の成果 バス部・ミッション部各々での成立性の検討

平成 15年度の目 標 衛星システム全体での最適化 各要素（バス部、ミッション部）の設計への feed

back 冷却系の最終仕様の決定 対ロケット I/F

平成１５年度のス ケジュール 姿勢系

前半でシステム検討、相似モデル準備 後半で相似モデル試験 年度末に、姿勢制御システムの方式確定

熱・構造 前半で、方向性を検討、決定 中ごろまでに、システムとして成立する解

を 後半で、各部へ feed back

SPICA計画・ロードマップ 基礎技術開発 (2004 年度まで )

システム全体の成立性の検討 Critical Components の開発終了

プロポーザル提出 (2004 年度 ) 基礎開発の成果、 ASTRO-F の成果

PM (2005-7 年度） FM (2008-2010 年度 ) 打ち上げ (2010 年度 )

SPICASpace Odyssey 2010