スマート1

スマート1

SMART-1の想像図
ミッションタイプ	テクノロジー 月周回衛星
オペレーター	欧州宇宙機関
コスパーID	2003-043C
SATCAT番号	27949
Webサイト	スマート1
ミッション期間	2年11ヶ月6日6時間27分36秒
宇宙船の特性
メーカー	スウェーデン宇宙公社
打ち上げ質量	367キログラム（809ポンド）[1]
乾燥質量	287キログラム（633ポンド）
ミッション開始
発売日	2003 年 9 月 27 日、23:14:46  UTC [1] ( 2003-09-27UTC23:14:46Z )
ロケット	アリアン5G
発射場	クールー ELA-3
請負業者	アリアンスペース
ミッション終了
減衰日	2006 年 9 月 3 日、05:42:22  UTC ( 2006-09-03UTC05:42:23Z )
軌道パラメータ
参照システム	月中心主義
偏心	0.352054
ペリセレネ高度	2,205キロメートル（1,370マイル）
アポセレーネ高度	4,600キロメートル（2,900マイル）
傾斜	90.26度
期間	4.95時間
エポック	2005年7月18日 11:14:28 UTC
月周回衛星
軌道投入	2004年11月15日
衝突地点	南緯34°15′43″ 西経46°11′35″ / 南緯34.262° 西経46.193° / -34.262; -46.193 [2]
楽器 アミー 先進月面マイクロイメージング実験 D-CIXS 小型X線分光計のデモンストレーション EPDP 電気推進診断パッケージ ケイト KaバンドTT&C実験 お客様 Smart-1 赤外線分光計 スペード 宇宙船の電位、電子、ダスト実験 XSM X線太陽モニター
SMART-1ミッション の ESA レガシー バッジ

SMART-1は、月を周回した欧州宇宙機関の 衛星である。2003年9月27日23:14 UTCにフランス領ギアナのクールーにあるギアナ宇宙センターから打ち上げられた。「SMART - 1」は「Small Missions for Advanced Research in Technology-1」の略である。2006年9月3日（05:42 UTC）、SMART-1は月面に意図的に衝突し、ミッションを終えた。^[3]

SMART-1 は直径約 1 メートル (3.3 フィート) で、他の探査機に比べて軽量でした。打ち上げ時の質量は 367 kg (809 ポンド) で、そのうち 287 kg (633 ポンド) は非推進剤でした。

このロケットは、打ち上げ時に 150 バールの圧力で50リットルのタンクに収容された82 kg のキセノンガスを使用して、太陽電池式のホール効果スラスタ(Snecma PPS-1350 -G)によって推進された。イオンエンジンスラスタは、静電場を使用してキセノンをイオン化し、イオンを加速して、化学ロケットの最大値の 3 倍を超える 16.1 kN·s/kg (1,640 秒) の比推力を達成した。1 kg の推進剤 (宇宙船の全質量の 1/350 ～ 1/300) で、約 45 m/s のデルタ vが生成された。電気推進サブシステムの重量は 29 kg で、ピーク時の消費電力は 1,200 ワットであった。SMART-1 は、ESA の先端研究技術のための小型ミッション プログラムの最初のロケットであった。

ミッション開始時に 1850 W の能力を持つように作られた太陽電池アレイは、最大 1,190 W の電力をスラスタに供給することができ、公称推力 68 mN、したがって加速度 0.2 mm/s ^{2または 0.7 m/s/時 (つまり、加速度 0.00002} g未満) を実現しました。すべてのイオンエンジン駆動の航空機と同様に、軌道操作は短時間で行われるのではなく、非常にゆっくりと行われます。SMART-1 が月に向かって進んだ特定の軌道では、軌道の約 3 分の 1 から半分でスラスタの駆動が必要でした。地球から螺旋状に離れるときには、軌道の近地点部分でスラスタの駆動が行われました。ミッション終了時には、スラスタは次の能力を示していました。

• スラスター稼働時間: 5000時間
• キセノンスループット: 82 kg
• 総インパルス: 1.2 MN-s
• 合計ΔV: 3.9 km/s

非常に安価で比較的小型の宇宙船を建造するという欧州宇宙機関の戦略の一環として、SMART-1の総コストは比較的少額の1億1千万ユーロ（約1億7千万米ドル）でした。SMART-1は、ESAに代わってスウェーデン宇宙公社によって設計および開発されました。宇宙船の組み立てはリンシェーピングのサーブスペースによって行われました。宇宙船のテストはスウェーデン宇宙公社が指揮し、サーブスペースが実行しました。宇宙船が月の運用軌道に到達するまで、ESAのプロジェクトマネージャーはジュゼッペ・ラッカでした。その後、科学フェーズではゲルハルト・シュヴェームが彼に代わりました。スウェーデン宇宙公社のプロジェクトマネージャーはピーター・ラスマンでした。主任プロジェクト科学者はバーナード・フォイングでした。準備フェーズの地上セグメントマネージャーはマイク・マッケイ、宇宙船運用マネージャーはオクタビオ・カミーノでした。

先進月面マイクロイメージャー実験は、月面を撮影するための小型カラーカメラでした。750、900、950 nmの3つのフィルターを備えたCCDカメラは、平均ピクセル解像度80 m（約260フィート）の画像を撮影することができました。カメラの重量は2.1 kg（約4.5ポンド）、消費電力は9ワットでした。^[4]

小型X線分光計の実証実験は、月面の化学元素を識別するためのX線望遠鏡でした。電子殻と太陽風粒子の相互作用によって生成された結晶化合物のX線蛍光（XRF）を検出し、3つの主要成分であるマグネシウム、シリコン、アルミニウムの存在量を測定しました。鉄、カルシウム、チタンの検出は太陽活動に依存していました。X線の検出範囲は0.5～10keVでした。分光計とXSM（後述）を合わせた重量は5.2kgで、消費電力は18ワットでした。

X 線太陽モニターは、 D-CIXS 測定を補完するために太陽の変動を研究しました。

スマート1赤外線分光計は、オリビンと輝石の鉱物スペクトルを識別するための赤外線分光計でした。256チャンネルで0.93〜2.4μmの波長を検出しました。パッケージの重量は2.3kg、消費電力は4.1ワットでした。^[5]

電気推進診断パッケージは、SMART-1の新しい推進システムに関するデータを収集するためのものでした。パッケージの重量は0.8kgで、消費電力は1.8ワットでした。^[6]

宇宙船の電位、電子、およびダスト実験。この実験の重量は 0.8 kg、消費電力は 1.8 ワットでした。その機能は、ラングミュア プローブまたは電界プローブとして、宇宙船の周囲のプラズマの特性と密度を測定することでした。SPEDE は、宇宙船のイオン エンジンの放出と、月が太陽風に残す「航跡」を観測しました。損傷を防ぐためにシャットダウンする必要がある他のほとんどの機器とは異なり、SPEDE は、放射線帯内や、 2003 年のハロウィーンの太陽嵐などの太陽嵐の中でも測定を続けることができました。^{[7] [8]この実験は}フィンランド気象研究所によって構築され、その名前は、有名なフィンランドの映画俳優、映画プロデューサー、発明家であるSpede Pasanenのニックネームと同じ頭字語になるように意図的に選ばれました。SPEDE 用に開発されたアルゴリズムは、後にESA の着陸機Philaeで使用されました。^[8]

Ka_バンドTT&C (遠隔測定、追跡、制御) 実験。この実験の重量は 6.2 kg、消費電力は 26 ワットでした。Ka バンド トランスポンダーは、BepiColombo の無線科学調査を実行し、電気推進システムの動的パフォーマンスを監視するための前身として設計されました。

SMART-1は、2003年9月27日にフランス領ギアナのギアナ宇宙センターからアリアン5ロケットでInsat 3EおよびeBird 1とともに打ち上げられました。42分後、7,035×42,223kmの静止トランスファー軌道に放出されました。そこから太陽電気一次推進（SEPP）を使用して、13か月かけて徐々に螺旋状に外向きに進んでいきました。

軌道は、spaceref.com で 2004 年 10 月 26 日まで見ることができ、その時点での軌道は 179,718 × 305,214 km でした。その日、289 回目のエンジンパルスの後、SEPP は総飛行時間 8,000 時間のうち約 3,648 時間の総稼働時間を蓄積しており、したがって総ミッションの半分弱でした。約 58.8 kg のキセノンを消費し、2,737 m/s のデルタ v を生み出しました (キセノン 1 kg あたり 46.5 m/s、稼働時間 1 時間あたり 0.75 m/s)。11 月 15 日に再び電源が投入され、計画された 4.5 日間の燃焼で完全に月周回軌道に入りました。2005 年 2 月まで電気スラスタを使用して減速し、月面から 300 ～ 3,000 km 上空の最終軌道に到達しました。^[9] 推進システムによって実証されたミッション終了時の性能は上記の通りである。

2004年11月2日の最後の近地点通過後^[10]、 11月11日に地球-月間L1ラグランジュ点を通過して月の重力の影響_が 支配的な領域に入り、11月15日17時48分UTに月軌道の最初の近日点を通過した。その日の接触軌道は6,704 × 53,208 km、^[11]公転周期は129時間であったが、実際の軌道はわずか89時間で完了した。これは、エンジンの燃焼が軌道に与える重大な影響を示しており、接触軌道の意味を示している。接触軌道とは、その瞬間に推力を含むすべての摂動が停止した場合に宇宙船が移動する軌道である。

ESAは2005年2月15日にSMART-1のミッションを2006年8月まで1年間延長すると発表した。この日付は後に地球からのさらなる科学的観測を可能にするために2006年9月3日に変更された。^[12]

SMART-1 は、予定通り、2006 年 9 月 3 日 05:42:22 UTCに月面に衝突し、ミッションを終えました。約 2,000 m/s (4,500 mph) で移動した SMART-1 は、地球の地上望遠鏡で見える衝突を起こしました。これにより、隕石の衝突をシミュレートするデータが得られるだけでなく、水氷などの地中の物質を分光分析にかけることができるのではないかと期待されています。

ESAは当初、衝突は34°24′S 46°12′W / 34.4°S 46.2°W / -34.4; -46.2で発生したと推定した。^[13] 2017年に、衝突地点はルナー・リコネッサンス・オービターのデータから34°15′43″S 46°11′35″W / 34.262°S 46.193°W / -34.262; -46.193 と特定された。^[2]衝突当時、月は南北アメリカと太平洋の一部では見えていたが、ヨーロッパ、アフリカ、西アジアでは見えなかった。

このプロジェクトでは、ESAの水星探査計画「ベピコロンボ」など他のミッションにも活用されるデータとノウハウが生み出されました。

• 2003年9月27日: SMART-1がアリアン5ロケットによってクールーの欧州宇宙港から打ち上げられた。
• 2004 年 6 月 17 日: SMART-1 は、後に月のクローズアップ写真に使用されるカメラで地球のテスト画像を撮影しました。ヨーロッパとアフリカの一部が写っています。これは 5 月 21 日に AMIE カメラで撮影されました。
• 2004 年 11 月 2 日:地球軌道の最後の近地点。
• 2004 年 11 月 15 日:月軌道の最初の近月。
• 2005年1月15日:クリシウム海でカルシウムが検出されました。
• 2005 年 1 月 26 日: 月面の初のクローズアップ写真が送信されました。
• 2005年2月27日: 約5時間の軌道周期で月を周回する最終軌道に到達。
• 2005 年 4 月 15 日: PELの検索が開始されます。
• 2006年9月3日: 2,890回目の周回中に月面に衝突し、ミッション終了。^[14]

Smart-1 の運用は、宇宙船運用マネージャーのオクタビオ・カミーノ氏の指揮の下、ドイツのダルムシュタットにある ESA 欧州宇宙運用センター ESOC から実施されました。

Smart-1 の地上セグメントは、ESA におけるインフラストラクチャの再利用の良い例です。Rosetta、Mars Express、Venus Express のフライト ダイナミクス インフラストラクチャとデータ配布システム (DDS)。汎用ミッション コントロール システム ソフトウェア SCOS 2000 と、ESA でのミッションの運用に使用される汎用インターフェイス要素のセット。

CCSDS TLM および TC 標準の使用により、ESA 追跡ネットワーク (ESTRACK) の 7 つの異なる端末とドイツのヴァイルハイム (DLR) をコスト効率よくカスタマイズできるようになりました。

Smart-1専用に開発されたコンポーネントは、シミュレータ、電気的地上支援装置（EGSE）装置から派生​​したハードウェアとソフトウェアの組み合わせ、MOIS（Wayback Machineに2019年8月3日にアーカイブ）から開発されたミッション計画システムと自動化システム（この最後のものはEnvisat用に実装されたプロトタイプに基づく）、およびMUSTと呼ばれるエンジニアリングツールスイートであった。この最後のツールにより、Smart-1のエンジニアはインターネットを介して異常調査を行うことができ、ESAでは携帯電話やPDAを使用して宇宙船TLMを監視し、SMSを介して宇宙船のアラームを受信する先駆者となった。^[15] ミッションコントロールチームは、フライトコントロールチームFCTの7人のエンジニア、2〜5人のフライトダイナミクスエンジニア、1〜2人のデータシステムエンジニアで構成されていた。ほとんどのESAミッションとは異なり、宇宙船コントローラー（SPACON）は存在せず、すべての操作とミッション計画活動はFCTによって行われた。ミッションの最初の 3 か月間の主な懸念は、太陽電池アレイとスタートラッカー CCD の劣化を最小限に抑えるために、できるだけ早く放射線帯を離れることだった。

最初のそして最も重大な問題は、最初の公転後に発生しました。搭載されているエラー検出および修正 (EDAC) アルゴリズムの障害により、各軌道で冗長コンピュータへの自動切り替えがトリガーされ、数回の再起動が発生し、近点を通過するたびに宇宙船が SAFE モードになったのです。宇宙船のテレメトリの分析により、EDAC 割り込みルーチンに放射線によって引き起こされた問題が直接示されました。^[16]

この期間中に発生したその他の異常は、環境問題、特にスタートラッカーの高放射線量、搭載ソフトウェアの異常の組み合わせであった。リードソロモンエンコーディングはデータレートの切り替え後に破損し、無効にする必要があった。これは地上での運用方法の手順と変更によって克服された。スタートラッカーは地球脱出中に頻繁に問題を起こし、電気推進（EP）の中断を引き起こした。^[17]これらはすべて、いくつかのソフトウェアパッチで解決された。

EP は、放射線によるシャットダウンに敏感でした。この現象はオプトカプラ シングル イベント トランジェント (OSET) として識別され、最初に LEOP でカソード B を使用した最初の点火中に見られ、アノード電流の急激な低下が EP のシャットダウンを引き起こす「フレーム アウト」アラーム ビットをトリガーするという特徴がありました。問題は、放射線によるオプトカプラの敏感さであると特定されました。このようなイベントからの回復は、スラスタを再起動することでした。これは、オンボード ソフトウェア パッチ (OBSW) が開発され、これを検出してスラスタの自動再起動を開始するまで、数か月間手動で行われていました。その影響は、地上局が宇宙船を追跡するために使用する軌道予測計算と、その後の軌道修正に限定されていました。

さまざまな異常と電気推進の推力の頻繁な中断により、地上局のサポートが増加し、迅速に対応しなければならない飛行運用チームの残業が発生しました。特に宇宙船がSAFEモードにあることがわかったときは、回復に時間がかかることがありました。^[18]全体として、当初計画されていた4日ごとに8時間のパスを実行することが妨げられました。

このミッションでは、ESTRACK ネットワークの予備容量の使用について交渉しました。このコンセプトにより、追加コストなしでネットワーク カバレッジを約 8 倍に拡大できましたが、予期しないオーバーヘッドと競合が発生しました。最終的には、ミッションの初期段階で宇宙船との交信がさらに可能になり、月相での科学研究が大幅に増加しました。この段階では、搭載機器とその操作の大幅な再構成が必要でした。ESOC の飛行制御チームによって設計され、スウェーデン宇宙公社によって短期間で実装されたこの変更には、月での運用のための飛行制御手順 FOP の一部を書き直す必要がありました。

月の満ち欠け中の運用は高度に自動化され、飛行力学の指向は「メニュー駆動型」となり、98%以上のコマンドがミッション計画システムMPSによって生成されるようになった。MPSシステムをMOISエグゼキューター^[16]と呼ばれるものに拡張したものが、スマート1自動化システムとなった。これにより、ミッションの終盤に向けて70%のパスを無人で運用できるようになり、ESAで最初の運用可能な「宇宙船自動化システム」の検証が可能になった。^[19]

このミッションは、打ち上げ後3か月で放射線帯の影響から抜け出し、11か月かけて螺旋状に進み、共鳴を利用して月に捕獲され、巡航段階ですべての機器の試運転と操作が行われ、電気推進の運用に必要なナビゲーションと操作手順が最適化されるなど、すべての目的を達成しました。^[20]月での電気推進の効率的な運用により、軌道半径の縮小が可能になり、科学的な運用に役立ち、このミッションをさらに1年間延長することができました。

作戦の詳細な時系列は文献^{[16]に記載されている。}

• 打ち上げおよび初期軌道段階: 2003 年 9 月 27 日に打ち上げられ、初期軌道は 7,029 x 42,263 km でした。
• ヴァン・アレン・ベルトからの脱出: 近地点半径を上げるための継続的な推力戦略。脱出段階は 2003 年 12 月 22 日までに完了し、軌道は 20000 x 63427 km です。
• 地球脱出クルーズ: 遠地点半径を上げるためだけに近地点を回ります。
• 月の共鳴と捕捉: 月の共鳴による軌道補助。2004 年 11 月 15 日、地球から 310,000 km、月から 90,000 km の位置で月を捕捉。
• 月面降下: 軌道を下げるために使用される推力、運用軌道 2,200 x 4,600 km。
• 月の科学: 2006 年 9 月に寿命が終了するまで、月軌道を最適化するために 2005 年 9 月に 1 か月間の再ブースト フェーズによってのみ中断されました。
• 軌道再ブースト: 2006 年 6 月/7 月に姿勢スラスタを使用して衝突日時を調整します。
• 月面衝突: 2006 年 7 月から 2006 年 9 月 3 日の衝突までの運用。

運用の観点から見た完全なミッションフェーズは、さまざまなサブシステムのパフォーマンスを含め、 ^{[21]に文書化されています。}

• 月面上の人工物のリスト

一般的な

• Kaydash V.、Kreslavsky M.、Shkuratov Yu.、Gerasimenko S.、Pinet P.、Chevrel S.、Josset J.-L.、Beauvivre S.、Almeida M.、Foing B. (2007)。「SMART-1 AMIEデータによる選択された月面サイトの測光特性」。月惑星科学、XXXVIII、要約1535、[2]。

ウィキメディア・コモンズには、SMART-1 に関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• ESA SMART-1 科学ウェブサイト
• NASA太陽系探査機SMART-1のミッションプロファイル
• スマート1号の衝突観測
• セルビアの科学ポータル Viva fizika の SMART 1 2007 年 9 月 28 日アーカイブ、Wayback Machineより
• SMART-1、月面のヨーロッパ