赤外天文衛星用V-groove式熱シールドに関する研究: 効率的な放射冷却構造の検討と実験的検証

摘要

赤外天文衛星は赤外線を観測することで惑星系の形成の過程に迫ることができるため，これまで多くが打ち上げられてきた．ここでFig.1に示すように，赤外天文衛星は数μm～数100μmの波長域を観測する一方で，約300Kである望遠鏡自身の黒体放射が観測のノイズになるという問題がある．そこで，赤外天文衛星は望遠鏡を極低温に冷却することによりこのノイズを除去している．従来ではこの冷却方法として，液体ヘリウムを用いた寒剤冷却が用いられてきたが，搭載する液体ヘリウムの量が観測寿命を決定してしまうことや，タンクが大きく搭載できる望遠鏡の大きさが制限されるなどの課題があった．例としてFig.2に2006年に打ち上げられた赤外天文衛星「あかり」の衛星概要図を示すが，タンクが衛星の大部分を占めていることがわかる．そこで，近年新たな冷却方法として提案されているのが，V-groove式熱シールドを用いた放射冷却である．放射冷却とは3Kという宇宙空間を利用して望遠鏡の冷却を行う方法であり，電力を使わないため観測の長寿命化が期待される．これまでに2009年に打ち上げられた宇宙マイクロ波背景方放射観測衛星Planckに初めてV-groove式熱シールドが搭載され，機械式冷凍機との併用により観測の長寿命化を達成した．また，今後打ち上げが予定されている二つの赤外天文衛星JWSTとSPICAにもその搭載が予定されているが，日本が打ち上げた赤外天文衛星では未だ搭載実績が無い．赤外天文衛星は，衛星の基本機能を担うバス部と，実際に赤外線の観測を行うミッション部により構成されるが，バス部は内部機器の許容温度の制限から300Kに保つ必要がある一方で，望遠鏡は極低温に冷却する必要がある．V-groove式熱シールドは，バス部から望遠鏡に伝わるふく射伝熱を多層構造にすることにより断熱し，かっV字にして宇宙空間へ積極的に放熱することにより低減している．このときの望遠鏡への熱入力量はV-groove式熱シールドの構造によって決定されるが，効率的に望遠鏡への熱入力を低減するような構造の検討方法及びその実験的な性能評価は報告されていない．そこで本研究では，このV-groove式熱シールド構造の検討を熱ふく射解析によって行い，実際にモデルを作製しその効果について実験的な検証を行ったので報告する．