小型衛星

小型衛星、超小型衛星、スモールサットは、質量とサイズが小さく、通常1,200 kg (2,600 lb) 未満の衛星です。 ^[1]このような衛星はすべて「小型」と呼ぶことができますが、質量に基づいて分類するためにさまざまな分類が使用されています。衛星を小型に製造することで、打ち上げロケットの大きな経済的コストと建設に関連するコストを削減できます。小型衛星は、特に多数の場合、科学データの収集や無線中継など、いくつかの目的のためには、少数の大型衛星よりも便利な場合があります。小型衛星の製造における技術的な課題には、十分な電力貯蔵の不足や推進システム用のスペースの不足などがあります。

衛星を小型化する理由の 1 つはコスト削減です。重い衛星には、より大きな推力を持つ大型ロケットが必要で、資金調達コストも高くなります。対照的に、小型で軽量の衛星には、小型で安価な打ち上げロケットが必要で、複数打ち上げられる場合もあります。また、大型打ち上げロケットの余剰容量を利用して「ピギーバック」で打ち上げることもできます。小型化された衛星は、設計コストの削減と大量生産の容易化を実現します。

小型衛星を開発するもう一つの大きな理由は、次のような大型衛星では実現できないミッションを実現できる可能性です。

• 低データレート通信用のコンステレーション
• フォーメーションを使用して複数のポイントからデータを収集する
• 大型衛星の軌道上検査
• 大学関連研究
• より高価な宇宙船で使用する前に新しいハードウェアをテストまたは認定する

衛星打ち上げ産業における超小型衛星と超小型衛星の分野は、2010年代に急速に成長しています。1～50kg（2.2～110.2ポンド）の範囲での開発活動は、50～100kg（110～220ポンド）の範囲での開発活動を大幅に上回っています。^[2]

1～50kgの範囲に限ってみると、2000年から2005年にかけては年間15機未満、2006年には34機、2007年から2011年にかけては年間30機未満の打ち上げとなった。これが2012年には34機、2013年には92機に増加した。^[2]

欧州のアナリストであるユーロコンサルトは、2015年から2019年にかけて500機以上の小型衛星が打ち上げられ、その市場価値は74億ドルと推定されると予測している。^[3]

2015年半ばまでに、小型衛星の打ち上げオプションが大幅に増え、二次ペイロードとしての打ち上げも量が増え、短期間でスケジュールを立てやすくなりました。^[4]

驚くべき展開だが、米国防総省は数十年にわたり10年周期で大型衛星を調達してきたが、2020年代に小型衛星への移行を進めている。宇宙調達統合局は2023年1月に「国防総省にとって巨大衛星の時代は過去のものになる必要がある」と述べ^[5]、 3年以内の調達を目指しつつ、 「 LEO、 MEO、GEOのいずれであっても」あらゆる軌道領域で国防総省のニーズに合わせて小型衛星を調達するとしている^{[5] 。小型衛星は敵が狙いにくく、大規模な}分散型衛星ネットワークの 設計における冗長性を通じて耐性も高まると考えられている^[5]。

2021年には、イスラエルのテクニオンとラファエルが設計・開発したアデリス・サムソン計画の一環である初の自律型ナノ衛星が宇宙に打ち上げられた。^{[6] 2023年には、スペースXが}テルアビブ大学が開発した直径20cmの量子通信ナノ衛星を打ち上げた。これは世界初の量子通信衛星である。^[7] TAUのナノ衛星は、量子通信ネットワークを形成するとともに、光地上局を介して地球と通信するように設計されている。^{[7] [8]}

「小型衛星」^[2]または「ミニ衛星」という用語は、湿質量（燃料を含む）が100～500 kg（220～1,100ポンド）の人工衛星を指すことが多いが、^{[9] [10]}他の用法では500 kg（1,100ポンド）未満の衛星を意味するようになった。^[3]

小型衛星の例としては^{[誰によると? ] 、} Demeter、Essaim、Parasol、Picard、MICROSCOPE、TARANIS、ELISA、SSOT、SMART-1、Spirale-Aおよび-B、Starlink衛星などがあります。^[要出典]

小型衛星は従来、大型ロケットの二次ペイロードとして打ち上げられてきたが、多くの企業が小型衛星市場に特化したロケットの開発を開始した。特に、小型衛星の飛行数が増えると、二次ペイロードのパラダイムでは、独自の軌道や打ち上げタイミングの要件を持つ多くの小型衛星に必要な特異性を提供できなくなる。^[11]

これまでに小型衛星打ち上げロケットを商業的に打ち上げたことがある米国に拠点を置く民間企業には、次のような企業があります。

• オービタル・サイエンシズ社のペガサス（ロケット）^[12]
• ロケットラボのエレクトロン（300kg）^[13]
• ヴァージン・オービットのランチャーワン（500kg）^[14]
• アストラのロケット3.3（100kg）^[15]
• ファイアフライ・エアロスペースのファイアフライ・アルファ^[16]

「超小型衛星」または「マイクロサット」という用語は、通常、湿質量が10〜100 kg（22〜220ポンド）の人工衛星の名称に適用される。^{[2] [9] [10]}ただし、これは公式の慣例ではなく、これらの用語はそれよりも大きい、またはそれよりも小さい衛星（例：1〜50 kg（2.2〜110.2ポンド））を指す場合がある。^[2]これらのタイプの一部の衛星の設計または提案された設計では、超小型衛星が一緒に、または編隊で動作する場合がある。^[17]一般的な用語「小型衛星」または「スモールサット」も時々使用される。^[18]「サットレット」も同様である。^[19]

例：アストリッド1号とアストリッド2号^[20]、および現在LauncherOne向けに発表されている衛星群（下記）^[18]

2018年、2機の火星キューブワン超小型衛星（それぞれわずか13.5kg）が、惑星間空間で使用するために地球の軌道を離れた最初のキューブサットとなった。これらは、成功した火星インサイト 着陸ミッションとともに火星へ向かった。^[21] 2機の超小型衛星は2018年11月に火星のフライバイを達成し、12月下旬まで地球の地上局と通信を続けた。2019年1月初旬までに両機とも消音となった。^[22]

現在、多くの民間企業や軍事請負業者が、ますますターゲットを絞った超小型衛星の打ち上げ要件を満たす超小型衛星打ち上げロケットを開発している。超小型衛星は長年、大型ロケットに搭載された二次ペイロードとして宇宙に運ばれてきたが、二次ペイロードのパラダイムでは、独自の軌道と打ち上げタイミングの要件を持つ、ますます高度化する小型衛星の多くに必要な特異性が提供されていない。^[11]

2012年7月、ヴァージン・オービットは、100kg（220ポンド）の「小型衛星」主要ペイロードを低地球軌道に打ち上げるように設計された軌道打ち上げ機、ランチャーワンを発表した。打ち上げは2016年に開始される予定である。ジオオプティクス、スカイボックス・イメージング、スペースフライト・インダストリーズ、プラネタリー・リソーシズなど、いくつかの商業顧客がすでに打ち上げ契約を結んでいる。サリー・サテライト・テクノロジーとシエラ・ネバダ・スペース・システムズはどちらも、「ランチャーワンの設計に最適化された」衛星バスを開発している。 ^[18] ヴァージン・オービットは2008年後半からランチャーワンのコンセプトに取り組んでおり、^[23]ヴァージンの有人宇宙飛行プログラムが2014年に複数の遅延と致命的な事故を経験したため、2015年現在、ランチャーワンはヴァージンのコアビジネスプランのより大きな部分を占めている。^{[24][アップデート]}

2012年12月、DARPAは空中発射支援宇宙アクセスプログラムが、DARPA SeeMeプログラムに超小型衛星ロケットブースターを提供すると発表した。このプログラムは「それぞれ1メートルの撮影解像度を持つ24機の超小型衛星（約20kg（44ポンド）の範囲）のコンステレーション」を打ち上げることを意図していた。^[25] このプログラムは2015年12月に中止された。 ^[26]

2013年4月、ガーベイ・スペースクラフト社は、プロスペクター18 弾道ロケット技術を、10kg（22ポンド）のペイロードを250km（160マイル）の軌道に打ち上げられる軌道ナノサットロケットに進化させ、さらに20kg（44ポンド）のペイロードを450km（280マイル）の円軌道に打ち上げられる、さらに高性能なクラスター型「20/450ナノ/マイクロ衛星打ち上げロケット」（NMSLV）に進化させる契約を20万ドルで受注した。^[27]

ボーイング社の小型ロケットは、 45kg（100ポンド）の小型ペイロードを低軌道に打ち上げることを目的とした空中発射型3段軌道ロケットのコンセプトである。このプログラムは、米国の軍事用小型衛星の打ち上げコストを1回あたり30万ドル（7,000ドル/kg）まで引き下げることを目指しており、開発プログラムに資金が投入されれば、2012年時点で^{[アップデート]}2020年までに運用開始できる可能性がある^。[28]

スイスの企業スイス・スペース・システムズ（S3）は、2013年にSOARという名の弾道宇宙飛行機を開発する計画を発表した。この飛行機は、最大250kg（550ポンド）のペイロードを低軌道に打ち上げることができる超小型衛星打ち上げ機である。^[29]

スペインのPLDスペース社は、最大150kg（330ポンド）の貨物を軌道に乗せることができる低コストのロケット「ミウラ1」と「ミウラ5」の開発を目的として2011年に設立されました。 ^[30]

「ナノ衛星」または「ナノサット」という用語は、湿質量が1〜10 kg（2.2〜22.0ポンド）の人工衛星に適用されます。^{[2] [9] [10]}これらのタイプの設計および提案された設計は、個別に打ち上げられる場合もあれば、複数のナノ衛星が連携してまたは編隊で動作する場合もあります。その場合、「衛星群」^[32]または「分割宇宙船」という用語が適用される場合があります。一部の設計では、地上のコントローラーとの通信やナノ衛星の打ち上げとドッキングのために、より大きな「母」衛星が必要です。2023年12月現在、2300を超えるナノ衛星が打ち上げられています。^{[33] [31]}

キューブサット^[34]は一般的なタイプのナノ衛星であり、^[31] 10 cm × 10 cm × 10 cmの倍数に基づいた立方体の形状で構築され、1ユニットあたりの質量は1.33キログラム（2.9ポンド）以下です。^{[35]キューブサットのコンセプトは、1999年に}カリフォルニア工科大学とスタンフォード大学の共同チームによって最初に開発され、キューブサットスタイルのナノ衛星の打ち上げを計画している人なら誰でも使用できるように、このグループによって仕様が管理されています。^[35]

電子技術の小型化と機能向上、そして衛星群の利用が進むにつれ、以前はマイクロ衛星が必要だった商用ミッションをナノ衛星が実行できるようになっている。[ ^36] 例えば、6U CubeSat規格が提案されており、これにより、同じミッションコストで、 8 kg (18 lb) の地球画像衛星35基の衛星群で、156 kg (344 lb) のRapidEye地球画像衛星5基の衛星群を置き換えることが可能になり、再訪時間が大幅に増加した。つまり、RapidEye衛星群では24時間に1回だった地球上のあらゆる地域を、3.5時間ごとに撮影できるのだ。再訪時間が短縮されることは、RapidEye衛星群の目的でした災害対応を行う国々にとって大きな改善である。さらに、ナノサットという選択肢により、より多くの国々がオフピーク時（災害時以外）の画像データ収集用に独自の衛星を所有できるようになる。^[36]コストが下がり、生産時間が短縮されるにつれて、ナノ衛星は企業にとってますます実現可能な事業になりつつあります。^[37]

超小型衛星の例: ExoCube (CP-10)、ArduSat、 SPROUT ^[38]

ナノ衛星の開発・製造企業としては、EnduroSat、GomSpace、NanoAvionics、NanoSpace、Spire、^[39] Surrey Satellite Technology、^[40] NovaWurks、^[41] Dauria Aerospace、^[42] Planet Labs ^[40] Reaktor ^[43]などがある。

2014年までの10年間のナノサット打ち上げでは、わずか75機のナノサットしか打ち上げられなかった。^[31] 2013年11月から2014年1月までの3か月間に94機のナノサットが打ち上げられ、打ち上げ率は大幅に上昇した。^[40]

ナノサットを使用する際の課題の1つは、このような小型衛星を低軌道以外の場所に経済的に届けることである。2014年後半までに、遠方の小惑星の探査などの用途のために、ナノサットの群れを地球軌道外の軌道に届けることに特化した大型宇宙船の提案が進められていた。^[44]

2010 年代には小型化の技術的進歩と民間宇宙飛行計画を支援するための資本の増加が見られ、さまざまな小型ペイロードのナノ衛星打ち上げロケット (NLV) 技術の開発の機会を追求するスタートアップ企業がいくつか設立されました。

提案中または開発中の NLV には次のものがあります。

• ヴァージン・オービット・ ランチャーワンの 上段ロケット。スペースシップツーの打ち上げ方法と同様にホワイトナイトツーから空中発射される予定。^{[40] [45]}
• ベンションズのナノサット上段。^[46]
• ナモ/アンドーヤ ノーススター（10kg（22ポンド）のペイロードを搭載した極軌道対応ロケット） ^[47]
• 2013年4月現在^{[アップデート]}、ガーベイ・スペースクラフト（現ベクター・ローンチ）は、プロスペクター18弾道ロケット技術を、10kg（22ポンド）のペイロードを250km（160マイル）の軌道に打ち上げることができる軌道ナノ衛星打ち上げロケットへと進化させている。^[27]
• ジェネレーション・オービットは、ナノサットと50kg未満のマイクロサットの両方を低地球軌道に打ち上げる空中発射ロケットを開発している。^[40]

実際のNSの起動:

• NASAは2013年4月21日にスマートフォンをベースにした3機の衛星を打ち上げた。2機はPhoneSat 1.0仕様を採用し、3機目はPhoneSat 2.0のベータ版を採用した^[48]。
• ISROは2016年6月22日にFlock-2Pプログラムの一環として14機の超小型衛星を打ち上げた。うち2機はインドの大学向け、12機は米国向けである。この打ち上げはPSLV-C34ミッションの一環として行われた。
• ISROは2017年2月15日に103機の超小型衛星を打ち上げた。この打ち上げはPSLV-C37ミッションの一環として行われた。^[49]

「ピコ衛星」または「ピコサット」（ PicoSATシリーズの超小型衛星と混同しないように）という用語は、通常、湿質量が0.1〜1 kg（0.22〜2.2ポンド）の人工衛星に適用されますが、^{[9] [10]、}打ち上げ質量が1 kg未満の衛星を指すために使用されることもあります。^[2]また、これらのタイプの設計および提案された設計では、通常、複数のピコ衛星が連携して、または編隊を組んで動作します（「スウォーム」という用語が適用される場合もあります）。一部の設計では、地上のコントローラーとの通信や、ピコ衛星の打ち上げとドッキングのために、より大きな「母」衛星が必要です。

ピコ衛星は、 DIYキットビルダーにとって新しい選択肢として浮上しています。ピコ衛星は現在、0.1～1kg（0.22～2.2ポンド）の全範囲で市販されています。ソーダ缶ほどの大きさの1kg未満のピコ衛星ペイロードの打ち上げ機会は現在、12,000～18,000ドルで利用可能です。^[50]

「フェムト衛星」または「フェムトサット」という用語は、通常、湿質量が100 g（3.5オンス）未満の人工衛星に適用されます。^{[2] [9] [10]}ピコ衛星と同様に、一部の設計では、地上の管制官との通信のために、より大きな「母」衛星が必要です。

2011年5月、スペースシャトルエンデバー号の最終ミッションで、3機のプロトタイプ「チップ衛星」がISSに打ち上げられた。これらは試験のため、ISSの外部プラットフォームである国際宇宙ステーション材料実験（MISSE-8）に取り付けられた。 ^[51] 2014年4月、ナノ衛星キックサットがファルコン9ロケットで打ち上げられ、104機のフェムト衛星サイズのチップサット、通称「スプライト」を放出する予定だった。^{[52] [53]しかし、搭載時計の故障により時間通りに展開を完了することができず、展開機構は2014年5月14日に}5グラムのフェムト衛星を展開しないまま大気圏に再突入した。^[54] サムサットは、2010年代後半にフェムト衛星を打ち上げることを計画している別のプロジェクトである。^[55] ThumbSatは2017年にCubeCatと超小型衛星を最大1000機打ち上げる契約を締結したと発表した。^{[56] [更新が必要]}

2019年3月、キューブサットKickSat-2は「チップサット」と呼ばれる105個のフェムトサットを地球軌道上に打ち上げた。チップサットの重量はそれぞれ4グラムだった。衛星は3日間テストされ、その後大気圏に再突入して燃え尽きた。^{[57] [58]}

小型衛星には通常、革新的な推進力、姿勢制御、通信、計算システムが必要です。

大型の衛星は通常、推進と姿勢制御にモノプロペラントまたはバイプロペラント燃焼システムを使用します。これらのシステムは複雑で、熱を放散するために表面積に対して最小限の体積が必要です。これらのシステムは大型の小型衛星で使用される場合がありますが、他のマイクロ/ナノサットでは、電気推進、圧縮ガス、ブタンや二酸化炭素などの気化可能な液体、またはシンプルで安価でスケーラブルなその他の革新的な推進システムを使用する必要があります。

小型衛星は、UHF、VHF、Sバンド、Xバンドの従来の無線システムを使用できますが、大型衛星に比べて最新の技術を使用して小型化されることがよくあります。ナノサットや小型マイクロサットなどの極小衛星には、大型の従来の無線トランスポンダに必要な電源や質量が不足している可能性があり、レーザー受信機、アンテナアレイ、衛星間通信ネットワークなど、さまざまな小型または革新的な通信システムが提案されています。これらのうち、実際に実証されたものはほとんどありません。

電子機器は、宇宙環境（真空、微小重力、極度の温度、放射線被曝）に耐えられるよう、厳格にテストおよび改造され、「宇宙での使用に耐えられる」ようにする必要があります。小型衛星は、テスト費用を抑えながら新しいハードウェアをテストする機会を提供します。さらに、ミッション全体のコストリスクははるかに低いため、リスクをあまり許容しない、はるかに大規模で費用のかかるミッションで使用されるものよりも、最新ではあるが宇宙で実証されていない技術をマイクロサットやナノサットに組み込むことができます。

小型衛星は地上レーダーで追跡することが難しいため、他の衛星や有人宇宙船と衝突するかどうかを予測することは困難である。米国連邦通信委員会は、安全上の理由で少なくとも1つの小型衛星の打ち上げ要請を拒否した。^[59]

• ナノサテライトとキューブサットのデータベース
• ニュースペースインデックス
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