１９９０年代後半あたりに端を発する超小型衛星は、特にここ数年の宇宙ベンチャーの隆盛も相まって、爆発的に増えてきている。本稿では、超小型衛星の登場の背景と、それを可能にした技術について概観し、超小型衛星のこれまでの発展と今後の可能性について私見を述べたい。

１.超小型衛星の登場の背景

　日本の打ち上げた人工衛星の重量・サイズは、大型化の一途をたどってきた。図１に、１９７５年から２０００年ごろまでに日本が打ち上げた人工衛星の重量を示す。大きな人工衛星では、重量が３トン～４トン程度と、トラック並の重量・サイズのものも出てきていることが分かる。人工衛星の大型化は、機能・性能が向上している証左でもあるが、以下に示すように、歓迎されない側面もあることに注意が必要である。すなわち、開発費の高騰（一機数百億円規模）と開発期間の長期化（５年以上）により、失敗が許されず、保守的な設計を取らざるを得ず、そのため、十分な冗長系を組むなどの対応が必要となる。この傾向は、冗長系を組むことによりコストと開発期間がさらに増大し、さらに設計が保守的になってしまう、といったように加速する方向にフィードバックが働くため、大型化の傾向は加速度的に進行することとなる。また、設計が保守的になるということは、最新の技術を人工衛星に適用し技術革新を生み出すスピードが極めて遅くなってしまうということでもある。

図１　衛星の大型化傾向（東京大学 中須賀真一教授提供）

　このことを別の観点から見たのが図２である。横軸が人工衛星のシステムの規模や機能の数、性能などを表現しており、縦軸はその衛星のコスト・重量・開発期間などを表現している。通常の人工衛星の作り方では、ある衛星を作ってミッションが完了したら、もっと高度なミッションを実施したい、あるいはもっと高機能な衛星を作りたくなる。そうすると、衛星のサイズやコスト、開発期間などが増える。人工衛星に使われる技術にイノベーションが起こらない場合（従前の技術をベースに機能・性能を発展させる場合）、①のラインのように右肩上がりの曲線を描き、あるところでコストや重量の限界に到達してしまう。多少の技術的な発展があったとしても、①’のラインのように傾きが少し緩和されることはあっても、遅かれ早かれ限界に到達してしまう。これまでの宇宙開発は、ある面ではこのような傾向にあるか、いずれこのようになってしまうと考えられる。
　そこで求められるのは、①ないし①’のラインを大きく下に引き下げるようなイノベーションを起こすということである。ラインを引き下げるということは、同じような機能・ミッションの衛星を圧倒的に低コスト・軽量・短期開発で実施できるようにする、ということであり、小型化のイノベーションと呼んでいいだろう。ひとたびこのラインが②まで下がれば、その技術を前提に発展させることにより、従来はコストなどの制約で実現できなかった高度なミッションも制約の中で実現できるようになる。このようなイノベーションを起こす・導入する試みを継続的に実施していくことが、持続的に宇宙開発を発展させるためには重要であると著者は考えている。
　このような背景を踏まえて登場してきたのが、図１において右下、すなわち小型軽量化の方向を目指した小型衛星・超小型衛星である。重量が１００ｋｇから５００ｋｇぐらいの衛星が小型衛星と呼ばれ、５０ｋｇ程度以下の衛星を超小型衛星と呼ぶ。小型衛星であればおよそ数十億円、超小型衛星であれば数億円以内の開発コストが現在の相場である。

図２　小型化のイノベーションが可能にする宇宙開発の持続的な発展

２.超小型衛星の研究開発の取り組み

　著者らの研究グループは、２０００年ごろから超小型衛星の研究開発に取り組んでいる。本節では、我々の成果を中心にこれまでの国内における超小型衛星の研究開発の取り組みについて概観するとともに、海外での取り組み状況についても紹介する。　
　図３に、東京大学の著者らの研究グループがこれまでに開発し打ち上げてきた超小型衛星を、そのミッションと打ち上げ年（西暦）と合わせて示す。これまでに８機の衛星を開発し、７機の打ち上げ・運用に成功してきた（１機は開発を完了し、打ち上げ待ちの状態 ※２０１７年時点）。最初に開発したのが、１０ｃｍ立方、重量１ｋｇの CubeSat（キューブサット）と呼ばれる超小型衛星である（図４）。当時、このような極めて小さな人工衛星の研究開発が大学を中心に世界中で取り組まれつつあり、２００３年に打ち上げた我々の CubeSat（名前は “ XI - IV ” （サイ・フォー）が世界初の打ち上げ・運用に成功した CubeSat となった。この衛星開発プロジェクトでは、大学レベルの研究費の範囲で実施するという制約から、高コストな宇宙用の高信頼性部品は使用できず、民生の電子部品を組み合わせて衛星を作る必要があった。宇宙環境で動作可能なことを部品レベルで自ら検討・検証するとともに、衛星全体のシステムレベルでもサバイバビリティーを極力高めるための設計上の工夫（後述）を行う必要があった。また、大学の研究室に所属する衛星設計初心者の大学生・大学院生が中心となって開発する体制であったため、衛星開発の「常識」をほとんど知らない状態から、どのような試験を実施すればよいか、どのような設計なら宇宙で動作するのか、宇宙用ではない部品で作った衛星の生存率を高めるためにどのような工夫ができるのか［１］、など一から試行錯誤しながら衛星を作り上げていった。このような苦労をして作り上げた CubeSat は、当時珍しかった相乗り打ち上げ機会を幸運にも得ることができ、ロシアのロケット（ROCKOT）にて２００３年６月３０日に打ち上げられた。衛星の管制（電波を介して衛星に指令を送信したり衛星の健康状態や観測データを受信すること）は、東京大学の研究室の建物の屋上に設置したアンテナを介して実施し、打ち上げ後の衛星の健康状態を確認することができた。衛星に搭載した小形の地球撮影用のカメラも正常に動作し、図５に示すような画像を打ち上げから１３年以上経過した現在も継続的に取得できている。　

図３　東京大学におけるこれまでの超小型衛星開発の取り組み

図４　１０ｃｍ立方，１ｋｇの超小型衛星 CubeSat （２００３年打ち上げ）

図５　CubeSat の撮影した地球画像の例

　２００３年の CubeSat 初号機の成功以降、より実用的なミッションを実施できるようになることを目指し、超小型衛星の機能・性能向上に取り組んできた。２００５年には、宇宙放射線耐性が期待される新型太陽電池の宇宙実証のために２機目の CubeSat “ XI - V ” を打ち上げ、実験データの取得に成功した［１］。２００９年には、わずか８ｋｇの衛星で地上分解能２０ｍの地表面撮像を実現するための伸展望遠鏡機構をもった超小型衛星 PRISM（愛称「ひとみ」）を打ち上げ、ミッションに成功した［２］。高い姿勢制御性能が求められる宇宙科学ミッションのための３０ｋｇ程度の超小型衛星、Nano - JASMINE の開発も行った（現在、打ち上げ待ち ※２０１７年時点）。
　その後は、これまでは学生中心の開発体制で工学教育も大きな目的となっていた超小型衛星を、より実用化するための試みとして、内閣府最先端研究開発支援プログラムの支援を受けて「日本発のほどよし信頼性工学を導入した超小型衛星による新しい宇宙開発・利用パラダイムの構築」プロジェクト（通称：ほどよしプロジェクト）をスタートした。ほどよしプロジェクトでは、実用レベルの性能・信頼性を持った超小型衛星を実現するために、高性能で小型の機器開発、システマティックな開発手法の構築、衛星搭載機器やソフトウェアの標準化などに取り組んだ。その中でも特に意識されたのが、敢えて適切なレベルの信頼性に抑えて衛星を作るという、「ほどよし信頼性工学」の考え方であり、それにより、実用レベルの性能・信頼性を求めつつも、必要以上に高コスト・長期開発にならないような開発手法を追求した。また、本プロジェクトを通じて、５０ｋｇ級の超小型衛星搭載機器のラインアップ（計算機、電力制御装置、姿勢制御用のセンサ・アクチュエータ、イオンスラスタなど）が整備され、これらの機器を用いて設計・製造された「ほどよし３号」「ほどよし４号」の両衛星が、数ｍの地表分解能の地球観測画像の取得に成功し、超小型衛星が実用的なミッションを実施可能であることを実証することができた［３］。
　東京大学以外の国内の状況としては、２００３年の東京大学および東京工業大学が実現した世界初の CubeSat 成功を皮切りに、大学の研究室を中心に超小型衛星の研究開発の流れが大きくなってきており、２００３年にNPO法人として設立された大学宇宙工学コンソーシアム（University Space Engineering Consortium, UNISEC）の元で５０の大学・高専が超小型衛星やロケットの研究開発を精力的に進めてきている。２０１５年末時点で、４０機近くの超小型衛星がこれまでに打ち上げられている（図６）。
　世界に目を向けると、特にここ数年で爆発的に超小型衛星の打ち上げ数が増えてきている。
　図７は Space Works 社が調べた、５０ｋｇ以内の超小型衛星のこれまでの打ち上げ数の実績と今後の打ち上げ数の予測である。２００３年に世界で初めての CubeSat が打ち上がってからかなりの時間遅れがあるものの、２０１３年ごろから急激に増えてきている。この増加の一端を担っているのが、多数の超小型衛星を打ち上げてコンステレーションを構成しようという計画である。例えば、衛星通信用の衛星を多数打ち上げて地球の全表面をカバーしようという計画があるが、このようなアプリケーションは、低コストで短期間に作ることが出来る超小型衛星ならではの使い方である。同様のコンステレーションを作る計画が世界中で複数立ち上がっており、超小型衛星がようやくビジネスとして花開こうとしている段階に来ている。

図６　UNISEC に所属する大学・高専の打ち上げた超小型衛星（２０１５年末現在）

図７　５０ｋｇ以下の超小型衛星の打ち上げ数の実績と将来予測

３.超小型衛星を可能にした工学技術とは？

　ここでは、こうした超小型衛星の爆発的な増加を生んだ要因は何なのか、人工衛星の超小型化を可能にした技術・考え方は何なのか、整理してみたい。
　図２にも示したように、超小型衛星というのは、既存のラインを大幅に下に引き下げること、すなわち、同種の機能・性能を持つ人工衛星を圧倒的に小型・軽量にすることに成功した。２章で紹介したように、超小型衛星が登場した当初は非常に機能・性能が限られていて人工衛星としては「取るに足らない」レベルであったが、そこを基点に技術を発展させていき、低コストで多数機打ち上げられるという特徴も利用して、今ではかなり高度なミッションも実現できるようになってきたわけである。
　このような超小型化・低コスト化の成功要因は何なのか、著者は次のように理解している。一言でいうと、民生の最先端のエレクトロニクス、つまり、いわゆる宇宙用ではない技術を、「うまく」導入したことが鍵である。「うまく」導入したというのがポイントで、単に衛星に使ってみるといことではなく、宇宙で使うために様々な工夫をしている。その工夫の１つが、部品の宇宙環境耐性についての考え方を従来とは変えているということである。従来の人工衛星では、部品単体として放射線耐性を確保するために、宇宙用の高価な部品でシステムを構成することが基本であったが、民生品をベースとする超小型衛星では、部品単体としての放射線耐性は十分には期待できないため、システムレベルの設計で工夫している。例えば、ＣＰＵ間の相互監視システムを設けることにより、放射線起因の一時的な誤動作から復帰できるようにする設計や、放射線起因で発生する過電流を防止する電源保護回路の設計など、放射線による異常を発生させないのではなく、確率的に発生したとしてもシステムが死なないような工夫をするわけである。ただし、確率的な現象ではなく、放射線によって部品が劣化して故障してしまうトータルドーズ効果に対しては、全ての部品の耐性を検証した上で衛星に使用する必要がある。もう一つの工夫は、部品やシステムの信頼性をどのように確保するかという考え方の転換である。従来の衛星システムの作り方は、システム全体の故障確率を一定レベル以下に抑えるために、宇宙用の高信頼性部品を使用し、部品単体の偶発的な故障確率を極めて低く抑える、という考え方である。一方で、超小型衛星では、衛星の故障は必ずしも偶発的に発生する類の事象に限定されず、設計不良、すなわち、部品の使われ方がよくないために部品の故障を発生させてしまう事象も比較的高い確率で発生してしまう、という考え方に則っている。特に、今までにないような新しいミッションを実施するような場合はその傾向は顕著であると考えられる。その場合、部品の品質を確保して偶発的な不具合発生確率をいかに抑えたとしても、ある程度の確率で設計不良に起因して衛星が故障してしまうことが予想される。このような設計不良を無くすべく地上の技術者が徹底的に検討したとしても、打ち上げてみて初めて気付く問題もある。超小型衛星では、民生品を使用することで、部品の信頼性はほどほどのレベルに抑え、小型・軽量・低コストに衛星を作り、打ち上げ回数を稼ぐことで、設計不良の発覚・改善・再トライのサイクルを早く回すことを重視している。例えば、宇宙用部品のようにロット単位で部品の品質を保証することはせず、使用する部品単体の健全性を十分に地上試験で確認することで初期不良品が紛れ込むことだけを防ぎ、初期不良除去後の偶発故障発生の確率には目をつぶるという大胆な方針をとることもある。
　このように民生品をうまく導入することにより、衛星全体のコストを例えば数億円以内に下げることができると、よりリスクを許容した設計が可能になり、新しい技術に挑戦する障壁も下がることが期待される。そうすると、そこで得られた成果がさらに次の衛星のコストを下げるという好循環が生まれるだろう。そして、超小型衛星で十分に実証された最先端技術が、将来的には従来の（保守的な設計をとらざるを得ない）大きな衛星にも使われるようになり、大型衛星の機能・性能の向上につながるなど、超小型衛星の成果が宇宙開発全体に広く波及していくことが期待される。

４.超小型衛星の新しい挑戦

　ここでは、今後超小型衛星がどのような方向に伸びていくか、あるいはどのような方向に伸ばしていこうと著者自身が考えているかを紹介したい。
　これまで東京大学では図３に挙げたような地球周回の超小型衛星を開発し、実用化に向けて取り組んできた。次のステップは、超小型衛星の活動領域を拡大すること、すなわち、地球周回軌道を脱出し深宇宙探査することであろう。
　そこで東京大学が、JAXA（宇宙航空研究開発機構）と共同で開発したのが、超小型探査機 PROCYON（プロキオン）である。２０１４年１２月に、小惑星探査機はやぶさ２との相乗りで打ち上げられ（図８）、世界で初めて５０ｋｇ級という非常に小さい規模で本格的な機能を持った深宇宙探査機を実現することに成功した。PROCYON のミッションは、５０ｋｇ級の超小型深宇宙探査機のバス（基本機能）を実証することを主軸としつつ、これが実現できた暁には、地球を遠隔で観測する科学ミッションや、より高度な探査技術の実証（例えば、GaN（窒化ガリウム）半導体を用いた世界最高効率のＸ帯通信用アンプの実証など）も狙っていた。最終的には、搭載した超小型イオンスラスタを駆動し、地球の重力を利用して軌道を変更するスイングバイ技術を用いて小惑星に到達する軌道に投入し、小惑星を通過する際に至近距離から観測することまで狙っていた（図９）。PROCYON は、打ち上げに成功した後、順調にバス機能の確認を完了させ、主ミッションであるバス技術の実証に成功した。その後、小惑星への航行を目指してイオンスラスタを運転中にスラスタのトラブルにより所定の軌道への投入が困難となり小惑星への到達は断念したものの、高効率アンプの実証、高精度軌道決定実験、理学観測ミッションなどにも成功し、５０ｋｇ級の低コスト・小型軽量な深宇宙探査手段を世界で初めて実現することに成功した［４］。
　PROCYON の成功を受けて、さらなる挑戦として東京大学とJAXAが共同で現在取り組んでいるのが、探査機をさらに小型化し、CubeSat 級の超小型探査機を実現することである。１０×２０×３０ｃｍの６Ｕ CubeSat と呼ばれる規格（１Ｕは１０×１０×１０ｃｍの CubeSat の基本サイズである）の非常に小さな探査機で、EQUULEUS（エクレウス）という名前の探査機を開発している（図１０）。米国NASAが開発中のロケット「SLS（Space Launch System）」の初号機に２０１８年に相乗りして打ち上げ予定である［５］。地球と月の重力が均衡するラグランジュ点と呼ばれる場所へ飛行し、そこから地球と月、および月に飛来する小天体を遠隔で観測することが EQUULEUS のミッションである。PROCYON の実現と前後して、世界では、NASAジェット推進研究所（JPL）などを中心に、CubeSat 級の深宇宙探査機の研究開発が行われてきており、日本としても PROCYON で得た優位性を活かし、探査機の小型化の競争に参画しているところである。

図８　はやぶさ２と相乗りで打ち上げられた PROCYON

図９　PROCYON のミッションシーケンスの概要

図１０　超小型 CubeSat 型探査機 EQUULEUS

５.まとめ

　本稿では、ここ数年で爆発的に数が増えてきている超小型衛星について、その登場の背景を紹介するとともに、日本および海外での発展の経緯について主に著者らの研究グループの活動を中心に紹介した。超小型衛星の登場を可能にした大きな要因の一つは、地上の民生品の圧倒的な小型化と、それを人工衛星に適用し宇宙環境できちんと機能させるためのシステム設計技術である。超小型衛星の登場によって、より低コストに、より高頻度に宇宙ミッションの実施が可能になりつつあり、その成果がさらに将来の挑戦的な宇宙ミッションを可能にするという好循環が起こることが今後期待される。
　超小型衛星はこれまで地球周回軌道上でのミッションで爆発的な発展を遂げてきたが、超小型衛星にとっての今後のフロンティアは、地球周回軌道を脱出した深宇宙探査ミッションがひとつの方向性であると著者らは考えている。２０１４年に東京大学とJAXAが開発し打ち上げた超小型探査機 PROCYON は、世界で初めて５０ｋｇ級という非常に小さい規模で本格的な機能を持った深宇宙探査機を実現することに成功した。PROCYON の実現と前後して、世界では、さらに小さい CubeSat 級の深宇宙探査機の研究開発が行われてきている。日本としても PROCYON で得た優位性を活かし、探査機の小型化の競争に参画しているところであり、深宇宙を多数の超小型探査機が航行するような世界の実現に少しでも貢献していきたい。

参考文献
［1］ Funase, R., et al., “Development of COTS-based Pico-Satellite Bus and Its Application to Quick and Low Cost On-orbit Demonstration of Novel Space Technology”, Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Space Technology Japan, Vol.6, pp.1-9,2008.
［2］ Tanaka, T., et al., “The Operation Results of Earth Image Acquisition Using Extensible Flexible Optical Telescope of “PRISM””, 27th International Symposium on Space Technology and Science, 2009-n-15, Tsukuba, Japan, July 2009.
［3］ Aoyanagi, Y., et al., “Result of Hodoyoshi-3 and -4 Earth Observation Missions”, 30th International Symposium on Space Technology and Science, 2015-n-06, Kobe, Japan, July 2015.
［4］ Funase, R., et al., “One-year Deep Space Flight Results ofthe World’s First Full-scale 50-kg-class Deep Space Probe PROCYON and Its Future Prospects”, SSC16-III-05, 30thAnnual AIAA/USU Conference on Small Satellite, Utah, USA, August 2016.
［5］ “International Partners Provide Science Satellites for America’s Space Launch System Maiden Flight”, NASA, accessed November 25, 2016, http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=48761