SPICAミッション部焦点面観測装置（FPI）検討状況

SPICA関係者限定
フェアリング・口径問題
経緯とサイエンスインパクトについて
ＳＰＩＣＡタスクフォース第8回打ち合わせ
２００９年１０月２日
松原英雄
1
前回のＴＦ会議以降の経緯
2
その後の経緯
第7回タスクフォース会議(2009/8/18）「科学目標のいくつかが達
成困難となるが、やむを得ないのではないか。90％縮小の口径３
ｍを死守し、その上で科学検討を進める」
 第4回全体会合（2009/9/8)において、システム概念設計のベース
ラインを「H-IIA 5Sフェアリング搭載」とすることに。



11月末までにシステム全体仕様をまとめ、12月開始のＳＲＲに臨む
ため
光赤天連総会(2009/9/16)において、状況を説明。


事前に、高橋さんからＴＦメンバーの一部に説明会（その時の資料を
後ろに添付）
総会では時間が足りず、10月中旬の光赤天連シンポジウムで説明
の時間を設けることに
3
プログラム的課題
ロケット/フェアリング構成検討 (1/2)
＜参考＞
約4600
約φ3300
約φ3600
高さ約600
高さ約300
PSSに4S用のものを用い、
PAFに２３６０相当のものを
もちいた場合
H-IIB/5S-H
H-IIA/5S
4
光赤天連総会議事録の抜粋(1/4)

ＳＰＩＣＡタスクフォース（市川、一部コメント松原）



ＳＴＦではほぼ毎月のように会議、議論を進めている。光赤天連にはＳＰＩ
ＣＡに当初から関わっているメンバーもいるが、我々は光赤天連からのス
テアリング組織として計画に加わり、計画を支えている。最近の活動の主
な目的はこの秋の審査（system requirement review）のための準備。
続いてシステム定義審査が来年の秋に行われる。
現在のSPICA設計ベースラインは、口径は3.5mである。ただし、この場
合には、ロケットのフェアリングのサイズの関係から、H-IIAロケットではな
く、H-IIBロケットを用いる必要があることがわかった。
このため、計画当初の想定よりも、コストが大幅に増大することがわかっ
た。そこで、コスト削減案として、H-IIAロケットを用いる案の検討を開始し
た。この場合は、当初想定したフェアリングよりも小型のものを用いるた
め、望遠鏡の焦点距離を短くする、口径を縮小する、視野を狭くするなど
の可能性も検討しなければならない。ただし、その場合としても口径３ｍ
は確保するという方針である。
5
光赤天連総会議事録の抜粋(2/4)

口径が縮小された場合の科学的インパクトの検討を、タスクフォースとと
もに開始した。想定している２年の運用期間で、現在取り上げているすべ
ての科学的目標を達成することが困難と考えられ、見直しが必要である。

最終的な口径の決定は、科学的成果の観点、技術的な実現性、コストの
問題を含めて、総合的に行っていく。コミュニティからの積極的な意見を、
タスクフォースに寄せてほしい。
Q: ＥＳＡのロケットを使って挙げるのは？
A: 考えてきているが、コスト面で難しい。ESAのコストではアリアンのものは
入っていない。
Q: 星像サイズが大きくなる効果も考慮すると1.4倍以上の露出時間が必要
ではないのか。3mでのサイエンスはどういう所に重点を置いて議論して
いるのか？
6
光赤天連総会議事録の抜粋(3/4)
A: JWSTにはMIRIという中間赤外の装置があるが、暖かいので20μmより長
いところは無理。それこそがSPICAのコア波長帯であり、SPICAの「3mク
ラスで冷却した単一鏡」、という特徴を活かした中間・遠赤外の分光能力
がSPICAの「売り」である。
C: STFでの3mになったときのサイエンスの検討は始まったばかり。
C: ESAのCosmic VisionでSPICAは中型のクラスに入っている。現在６つ残
っていて、2つか3つが最終的に残る。 SPICAは国際協力でやっていると
いう売りがある。アメリカのBLISS分光器が乗る可能性もある。

観測装置グループを正式に立ち上げたいと考えている。来年のシステム
定義審査を通過するには、それまでに装置の計画書を用意することがど
うしても必要である。そのグループの公募を考えている。サイエンス・装
置の概念設計を提案してもらう。今月末に公募のアナウンスをしたい。
12月ころまでに中間赤外線カメラについては締め切り、来年4月までに中
間赤外分光装置・コロナグラフの締め切って、その後、装置仕様を確定、
来年秋予定の最終審査に備える。
7
光赤天連総会議事録の抜粋(4/4)

外部の人も積極的に関わってもらい、他の面で忙しい宇宙研の人たちを
支えるという意味合いもある。
Q: 結局3.5mの案は捨てたのか、捨ててないのか。
A: 現在の設計ベースラインは、あくまで口径3.5ｍである。ただし、コストの
観点からは、現状では難しいのは事実である。口径3.5ｍ実現のために
は、H-IIBロケットのコスト削減、ロケット打ち上げに関する国際協力など、
外的な状況を変化させることが必要である。
Q: 装置の提案を公募するということだがは、これまでに決まっている装置と
はどういう関係なのか。一からの提案ではなく、これまでの装置計画に準
拠してより検討を進め、計画書・提案書を出すということか？
A: その通り。「公募」という言葉は適当ではないかもしれないので、考えて
みる。
8
短期的スケジュール

5Sフェアリングに収納でき、かつFPIの光学系成立性も確認された新
しい望遠鏡パラメータを集中的にデザイン







現在たたき台作成中、10月中旬にコアメンバーで検討会
現実的に研磨・製作できるパラメータであること
システム検討（特にバス部）は、（単純縮小の）ＳＴＡ「暫定案」で進める。
１０月中に、口径縮小のサイエンスインパクトを見極めたうえで、ミッ
ション要求書を完成させる。光赤天連シンポジウムで、状況を詳しく説
明し、理解を求める。
口径縮小について、欧州サファリコンソーシアムとの十分な調整を行
うこと。また、米国・韓国にも明確に伝えること。
詳細検討の結果、3.0mを大きく割り込むことが分かった場合、HIIB+5SHとのトレード、海外ロケットによる打ち上げの可能性も含めて
コンセプトを見直すことになる。
12月～：ＳＲＲ開始
9
5Sフェアリングでの望遠鏡口径縮小を
最小にとどめる方策

システム全体での最適化

5-7月に集中的に作業を実施



望遠鏡単体での最適化

主鏡を短焦点化


バス部の短小化
PLMの短縮化、オフセット化
研磨技術の現実的な範囲で
FPIと組み合わせての最適化


視野を狭くすることにより有効口径を拡大
瞳を副鏡から主鏡に移動することにより有効口径を拡大


SAFARIに対するバッフル熱放射の影響を見積もる必要あり
新望遠鏡光学パラメータとFPI設計との整合性を確認

Total F number を保存する方向で検討
10
望遠鏡口径縮小のサイエンスへ
の影響について
11
口径縮小のサイエンスへの影響
（a）口径と天体検出限界の関係

望遠鏡の集光力と、天体の検出限界は反比例する。

PSFをNyquist samplingできる場合。Background-limit &
Read-noise limit 共に（by 和田＠STF#7）

3.0mの場合、3.5mの時の検出限界は1/0.73=1.4倍に悪
化する。
 従って、次に述べるコンヒュージョン限界と無関係な撮像・
分光観測では、観測時間（検出限界の２乗に比例して増
大）が、ほぼ現在の2倍必要となる。
 3.5mで検討した現在のMRDの各科学目標には、それぞ
れ実観測時間で、15－30日必要である。


全部で17 objectives  20day x 17 = 340 days overhead を
考えると、約2年の観測期間要求となっていた。
3.0mの場合、単純計算では約4年必要となるので要検討。
SRRでの審査を受け、科学目標・成功基準を見直す。
12
JWSTより＞１６mmで勝る
13
Herschelより１．５～２桁勝る
JWSTより＞２０mmで勝る
14
口径縮小のサイエンスへの影響
（b）コンヒュージョン限界(1/2)


望遠鏡の解像度は
回折限界で制限され
ているため、遠方の
暗い赤外線銀河（表
面密度が暗い程増
大）の重なり合いの
ために天体検出が
制限される。
（右図）口径が2.9m、
3.1m、3.3mの場合
に、3.5mに比べてコ
ンヒュージョン限界が
何倍になるか？
Takeuchi et al. 2009
in prep.
ADS-S AKARI90mm image
Shirahata et al. Matsuura et al.
15
口径縮小のサイエンスへの影響
（b）コンヒュージョン限界(2/2)



SAFARIの波長では、口径に対する依存性はほぼ集
光力の差で決まる程度となっている。
しかし銀河のスペクトルエネルギー分布や進化効果
の大きいMIRACLEの波長では、非常に深刻な影響
が出ている。
これは、いくつかの科学目標において想定しているコ
ンヒュージョン限界の無バイアスサーベイを行う場合
に深刻な影響を及ぼす

波長20mmで約2倍悪化すると



検出できる天体までの（光度）距離が√2=1．4倍短くなる。ある
いは、同じ距離で、2倍明るいものしか見えなくなる。
 赤方偏移３の宇宙まで探査できていたのが、２までしかできな
くなる。また、
 サーベイできる宇宙の共動体積が、21.5=約3分の1になる。
16
17
SPICA関係者限定
複写不可・転送不可
SPICA概念設計フェーズ
第4回全体会合資料からの抜粋編集
2009年9月15日
SPICAプリプロジェクトチーム
中川貴雄・髙橋伸宏
プロジェクト状況: 日本

JAXAプリプロジェクトとして、概念検討を
進めている (July '08 – '09)
コミュニティの窓口として、光天連SPICAタスク
フォース活躍中(市川（東北大）委員長）
 SPICA科学会議を開催 (6/1, 2 @ 東京大学）


‘09年度SRR、’10年度SDR、
‘11年度プロジェクト移行を目指している
19
プロジェクト状況:欧州

ESAにおいて Assessment Phase Study を実施した
(Nov. '07 – Aug. '09)

ESAの役割



望遠鏡、地上局、User Support, SAFARI I/F Management
SAFARI Consortium が、観測機器SAFARIの検討を
進めている。

PI が英国（RAL)からオランダ (SRON) に変更

SPICA科学国際会議を開催 (Jul. 6-8, '09 @ Oxford Univ. UK)
２段階のCosmic Vision Down Selectionを実施中
 1st. Selection: Sep. '09-Feb. '10
 Final Selection: Nov. '11
20
プロジェクト状況:米国・韓国

米国との協力 (JPL)


焦点面観測機器BLISS
NASAから study のためのAO発布


正式には Astrophysics Decadal Survey の結果待ち
韓国との協力

FPCに関して、NAOJとともに参加
21
国際協力体制

JAXA SPICA team: System Integration
Telescope
JAXA
Integration

FPI : SAFARI
FPI:MIRs＋SCI
ESA
I/F Management

（test @<10K）


Science Advisory Committee
Joint System Engineering Team
SPICA Steering Committee
ESA
SAFARI Consortium
System Integration
Manufacturing
JAXA
Subsystem
Integrator

FPI:BLISS

NASA
Team(TBD)
FPI:FPC



Japanese
Group
Korean
Team
(TBD)
NAOJ
(TBD)
（test @ 80K）
European
Teams
Japanese
Teams
※ FPI : Focal Plane Instrument
SAFARI : SPICA Far-Infrared Instrument
MIRs : Mid Infrared Instruments (MIRACLE,MIRMES,MIRHES)
BLISS : Background-Limited Infrared-Submikimeter Spectrograph
FPC : Focal Plane finding Camera
22
SPICAの全体スケジュールについて
Calendar Year
Fiscal Year in Japanese Era
Fiscal Year
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
H19
H20
H21
H22
H23
H24
H25
H26
H27
H28
H29
H30
H31
H32
H33
H34
FY2007 FY2008 FY2009 FY2010 FY2011 FY2012 FY2013 FY2014 FY2015 FY2016 FY2017 FY2018 FY2019 FY2020 FY2021 FY2022
Pre-Project Approval Review
2008.5.12
Project Approval Review
Launch
Approved
Phase Ａ
JAXA
MDR
Phase B
SRR
Phase C
CDR
PDR
SDR
Phase D
System Acceptance
Review
2008.3.12
Concept
Studies
Phase
Concept
Development
Phase
Project
Fomulation
Phase
Preliminary
Design
Phase
Final
Design
Phase
Phase E
LRR
Launch
Operations
Phase
Production and Testing
Phase
Phase F
Initial
Mission
Operations
Phase
Nominal
Mission
Operations
Phase
Extended
Mission
Operations
Phase
STA Delivery
CV
Down Selection
CV
Selection
CV
Final Selection
PDR
CDR
System Acceptance
Review
ESA
Assessment
Phase (0/A)

Definition
Phase (A/B1)
Implementation Phase (B2,C/D)
望遠鏡納入１年遅れ→打上げを2017年から
２０１８年に変更の必要がある

ただし、各種レビュー、FM着手は従来案とおり

望遠鏡製造に時間が必要
23
第3回全体会合のフォローアップ

焦点面観測機器(FPI)のオプション扱い
について




SPICAプリプロジェクトとしては、FPI
のうち、コロナグラフとBLISSをオプシ
ョン扱いとする考えに変更はない。
対ESAとしては、コロナグラフを
含め、BLISSを除く形でMDDをまとめ
た。ただし、BLISSはオプション候補と
して残し、候補から外したわけではな
い。
BLISSに関しては、米国内でStudyの
ためのAOが発出されている。
FPI全体の選定については、ミッショ
ン系検討状況の中で報告予定。
FPI
名称
PI
（チームの所属）
対ESAの扱い
プリプロでの扱い
MIRACLE
日本
（ISAS・東大・
名大）
ベースライン
ベースライン
MIRMES
日本（ISAS・東大）
ベースライン
ベースライン
MIRHES
日本（ISAS・東大）
ベースライン
ベースライン
SCI
日本（ISAS）
ベースライン
オプション
SAFARI
欧州
（日本も参加）
ベースライン
ベースライン
FPC
韓国
（NAOJも参加）
ベースライン
ベースライン
BLISS
米国
オプション
オプション
24
第3回全体会合のフォローアップ

H-IIA＋5Sでの実現性に対するMHIへの確認状況

MHIと打ち合わせを開催し、SRRまでに必要な事項について
初期検討の契約を行うこととした

SRRまでに必要な事項


H-IIA204＋5Sでの打上げ能力 (衛星質量の算出)
フェアリング包絡域 (衛星搭載領域の拡大)
25
コスト削減案の検討

現在の設計ベースライン：口径3.5m

5S-Hフェアリングを前提



5S-Hフェアリングは、H-IIBのみの対応であることが
判明 → コスト増大
ヨーロッパのCosmic Vision のベースライン
上記のベースラインに加えて、コスト削減案
の検討も開始
H-IIA + 5S フェアリングを前提
 口径の若干の縮小が必要

26
ロケットコンフィギュレーションの変遷
時間軸
プロジェクト準備審査
2009年1月
第2回全体会合
第3回全体会合
第4回全体会合
H-IIA+5S-Hを想定
（H-IIA204を想定し、オプションとして
H-IIA202の可能性を検討すると報告した）
↓
実現不可能
↓
代案
→ 海外ロケットについても検討
H-IIB＋5S-H　あるいは　H-IIA+5S
↓
H-IIB＋5S-Hをベースラインとして設定 → H-IIA＋5S縮小案を集中的に検討
↓
↓
プロジェクト資金増額の打診を行うが、
増額によりプロジェクト実現が困難にな
実現性の見通しを得る
ることが見込まれる
↓
H-IIA＋5Sへの変更を提案
↓
打上げコンフィギュレーション変更に対
する調整状況について報告し、今後の
方針を決める予定
※第4回全体会合の結果として、検討のベースラインをH-IIA＋5Sに変更したが、
H-IIA＋5Sでの実現性と来年2月のCV選定結果が出るまでは対外的にはH-IIB＋5S-Hとする
27
H-IIA＋5S 検討の経緯




2008年7月4日
SPICAプリプロジェクト化
2008年7月9日
輸送本部にコンタクト
2008年9月9日
第1回目の輸送本部との打合せ開催
2009年1月13日
SPICA打上げロケットの検討会議
 H-IIAロケット＋5S-Hフェアリングの使用不可と判断


2009年3月10日
第2回目の輸送本部との打合せ開催
2009年3月17日
SPICA概念設計フェーズ第2回全体会議
 H-IIB＋5S-Hをベースラインとして提示


2009年4月23日
5Sフェアリング収納案検討会
2009年4月28日
5Sフェアリング収納案検討会II
2009年5月12日
5Sフェアリング収納案検討会III
2009年5月22日
第3回目の輸送本部との打合せ開催
2009年5月25日
5Sフェアリング収納案検討会IV
2009年6月3日
5Sフェアリング収納案検討会V
 H-IIA＋5Sでの実現性の目途を得た




28
5Sフェアリングの検討フロー
5Sフェアリング収納性検討
（１）H-IIAマニュアルから拡張した
エンベロープ（次図参照）を
使用
前提条件
検討事項
（２）バッフルの傾斜角を20°から5°に変更
（３）メイントラス高さを1220mmから1120mmに短縮
（４）バス部高さを1500mmから1300mmに短縮
（５）フェアリング直胴部下
300+100mmを活用
ケース①
望遠鏡口径を縮小する
（90%案・85%案・80%案）
ケース②
ケース①からさらに
搭載位置をオフセットさせる
ケース⑤
バス部の高さを1300mmから
さらに短くする、
あるいは直胴部下をさらに活用
ケース③
M1-M2の焦点面距離を300mm
短くする
さらに望遠鏡口径を縮小する
（90%案・85%案）
ケース④
ケース③からさらに
搭載位置をオフセットさせる
ケース⑥
シールドを
展開あるいは伸展させる
ミッション要求を満たし、実現可能性のある案は
ケース②の85%縮小とケース③の85%縮小
ケース④の90%縮小はシールド部分の干渉があるが
検討の余地は残っている
29
ロケットコンフィギュレーションを決めるために

ロケットコンフィギュレーションを決定でき
ないのは、それぞれに課題があるから



H-IIB＋5S-Hに決定できない理由はコスト増による
プロジェクト実現が困難になると予測されるため
H-IIA＋5Sに決定できない理由は望遠鏡を縮小する
必要があるから
ロケットコンフィギュレーションを決めるため
に、それぞれの課題から考察を行う
30
H-IIB＋5S-Hの課題

打上げコスト増加に伴うプロジェクト化困難

コストだけの問題ならば増額分を他から補充す
れば問題は解決する





衛星開発費削減により、打ち上げコスト増分を捻出
国際協力により打上げコスト増分を捻出
サイエンスコミュニティを通じて、JAXA外の予算確保
一般企業からの資金援助
実現は困難
H-IIB打上げ実績不足

9月11日の打上げ結果で懸念はある程度減る
31
H-IIA＋5Sの課題

望遠鏡縮小に伴い、サイエンス要求を満たせなく
なる可能性がある


H-IIAロケットの打上げ能力不足の可能性


SPICAサイエンティストにて検討中 → 10月中目標
MHIに検討依頼中 → 10月末回答
フェアリング包絡域縮小に伴う、衛星設計が困難
になる



MHIに包絡域拡大について検討依頼中 → 10月末回答
衛星システムメーカーとPLM担当メーカーに搭載性に
ついて検討依頼中
コスト増減について要確認 → 10月末回答

衛星コストが増となれば本末転倒
32
今後の作業方針案

現在の急務はミッション部の仕様を固めること
→ スケジュールキープを前提とすると期限は2009年11月末！
(最終的なリミットはICS-STA・ICS-FPIを2010年1月末に制定すること)

望遠鏡口径










光学メーカーと協力の上、研磨実現性などを考慮して望遠鏡パラメータ案を設定する
M1-M２距離
望遠鏡筒形状
質量特性
バス部とのI/F
冷凍機の擾乱対策
IOB設計
FPI設計
FPI選定(コロナグラフ・BLISS)
etc.
33
SRR の目的

総合システム要求の妥当性を審査する。





あらかじめ定義されたミッション要求との整合がとれていること。
プログラム要求及び各種制約条件が十分考慮＊されていること。
システムの実現性検討（概念設計）の結果を踏まえ、システムの実現性が
十分考慮＊された要求となっていること。
総合システム要求に対する検証方針の妥当性を審査する。
計画決定フェーズに向けた技術的準備が完了していることを判断する。



資金、スケジュール等を含め、ミッション実現性が十分確保＊されていること
。
技術的リスクが識別され、これに対する解決策が十分に検討＊されている
こと。
技術マネジメント計画が適切に立案されていること。
＊ SPICAにおいての判断基準は、RFPを発出できるレベルにあるかと
いうこととする。
34
SRRの準備状況判断
総合システム要求は、ミッション要求と整合性がと
れているか？
 システムの実現性は高いか？


クリティカルな技術の実現性の目処はたっているか？





焦点面観測機器
冷却系
姿勢制御系
試験方法
システムとしての整合性がとれているか？


システムとしての整合性
各サブシステム間の整合性
35

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