白石 浩章

地震観測は地球や惑星の内部構造を高い分解能で探査できる手段である.本稿は地下深部の高温環境や惑星表面の低温・高放射線環境など,極限環境における観測をめざした地震計開発について述べる.レーザ干渉計測を用いることにより,高い精度を維持したまま極限環境において動作できることが特徴である.プロトタイプを用いた性能評価では,1mHz〜5Hzの帯域で地上のLow Noise Modelの振動レベルが検知できる雑音性能であることを確認した.仮に火星表面に設置できれば,火星大気によって励起される常時自由振動の予想レベルを検知可能で,その固有周波数から火星のコアに対する制約が得られるかもしれない.

多点ネットワークを構成して火星表層環境および内部構造を観測するペネトレータミッションを提案する.現在の火星内部で生じているダイナミクスを反映する地震活動度と熱的状態を調査するとともに,地球型惑星の分化過程を反映する地殻-上部マントル構造と固体内部から表層および大気層への物質輸送過程に関する知見を得ることを目的とする.ペネトレータモジュールは突入速度300m/secで火星表層下2〜3mに潜り込むプローブ本体に,耐熱シールドと空力減速機構の役割をする膜面展開型柔構造エアロシェルを統合することで小型軽量なシステムを構成する.周回衛星から分離された4機のペネトレータは,火成活動の可能性が指摘されるElysium地域に最大300km間隔のネットワークを構成して地震観測や熱流量観測を行う.一方,柔構造エアロシェルには圧力計,温度計,磁力計,カメラを搭載して大気突入時のモニタリングを行う.

2007年2月にLUNAR-A計画が中止となってから4年が過ぎた.その間もペネトレータの開発を続け,最後の試験と臨んだ2010年8月のペネトレータの貫入衝撃認定試験にて耐衝撃技術の確立を無事確認することができた.LUNAR-A計画の中止の際に日本惑星科学会にはペネトレータ技術の有用性と計画中止後の開発継続を訴えていただいた.本報告書ではペネトレータを用いた月内部構造探査計画であったLUNAR-Aの中止の後,衝撃耐性技術の確立迄のペネトレータ開発の経緯を紹介する.また,本報告をもってペネトレータの開発に期待を寄せ辛抱強く応援していただいた日本惑星科学会の皆様への感謝の念を伝える.

弾性波による月内部構造の探査は残された月の起源,進化の謎にせまる上で最も効果的な手法の一つである.アポロミッションで得られた月震データから地殻-マントル境界やマントル速度構造など重要な知見が得られた.しかし月震データのクオリティーは十分なものではなく,走時データには研究者間の読み取りにばらつきがあり,結果が左右されている部分が多い.また,層境界を一意に同定できるほど波線の分布も十分ではない.アポロデータは現在もなお解析が続けられており,コアの存在などが示唆されているが確定的な証拠となるのは困難と考えられる.より広域のネットワーク観測や表層付近の散乱の影響を除去できる帯域での新たなる月震観測が切望され,その実現にむけた開発が始まっている.

Lunar Imaging Camera (LIC) is a small, compact and lightweight monochromatic imager designed and developed for LUNAR-A, Japanese lunar mission. The scientific objectives of the camera address impact cratering, tectonic processes, volcanic features, and optical properties of the regolith surface.The image sensor is a linear CCD and is aligned with the spin axis of the spacecraft, which orbits the Moon at altitudes of 200-300 km. The two-dimensional image is taken using the spin motion of the spacecraft. The total field of view (FOV) of the camera is 360°(around the spin axis)×14.6°(along the CCD-array). LIC obtains an image in one spin. The angular resolution of the camera is about 20 arcsec/pixel at a spin rate of 3 rpm. The spatial resolution is about 25 m/pixels at the surface when the altitude is 250 km. The spin axis of the LUNAR-A approximately points toward the Sun, therefore, LIC can take images of the lunar surface with highly oblique illumination conditions near the terminator. A series of pre-flight tests of LIC was performed. In those tests, the hardware performance and the functions of LIC were verified and the data for radiometric and geometric corrections were obtained. This paper outlines the scientific objective, characteristics of LIC, the procedure and the results of the pre-flight tests and the operation plan of LIC.

A hard landing probe "penetrator" has been thought to be a very useful tool for planetary exploration, because it provides cost-effective capability of deploying scientific instruments on planetary surface and subsurface. But development of the penetrator for planetary exploration requires better understanding penetration dynamics in geological materials. The present paper describes some experimental results on the penetrator dynamics obtained during the course of the development of the LUNAR-A penetrator. Special emphasis is placed on understanding the effect of the oblique incidence and the attack angle of the penetrator on penetration depth and a final attitude at the rest position. Many impact experiments into a simulated lunar surface material are made using penetrators 30 mm in diameter, and the penetration characteristics (penetration path length and inflection angle) are investigated as functions of impact velocity, penetrator shape, impact angle and attack angle. The results indicate that the torque applied to the penetrator in cases of the impact with a finite attack angle changes the penetration characteristics significantly. The experimental data also suggests that the impact angle does not have a substantial effect on penetration path length and that the truncation of the nose tip from a conical nose is efficient to stabilize the penetration orientation.

The accelerometer onboard LUNAR-A penetrator is developed to estimate the depth of emplacement and information on the physical properties of the lunar regolith. The decceleration record is also indispensable to design the structure of the outer case of lunar penetrator and to investigate quantitatively the shock-resistant capacity for the payload instruments. Investigation of several kinds of sensors' performance and improvement of the data acquisition system are made in order to design the most suitable accelerometer and its electronics for LUNAR-A penetrator. Using the piezoelectric type sensor with annular shear mode, the acceleration profiles with the sufficient accuracy are obtained under the actual flight conditions.