NASAのSwift望遠鏡救出宇宙船、ホイール故障で制御不能に

NASAの科学的に最もかけがえのない天文台の1つを救うために送り込まれた宇宙船が現在、姿勢制御システムの大部分が機能不全に陥った状態で軌道を回転している。そして、そのスピンを止めるために使用している電気推進器は、5億ドル（約820億円、1ドル=164円換算）のSwift望遠鏡を安全な高度まで押し上げるために使用されるはずだったものだ。前例のない9か月の開発スプリントを経てわずか4週間前に打ち上げられた、NASAのニール・ゲーレルス・スウィフト天文台のための民間救出ミッションは、週末にハードウェアの連鎖的な故障に見舞われた。これにより、Katalyst Space Technologiesは、3000万ドル（約49億2000万円）のミッションがまだ成功できるかどうかを判断するために奔走している。

■Swiftは2年間落下を続けており、LINKが唯一の解決策だった

NASAは火曜日（7月28日）の公式ブログ投稿で、Katalystのサービス宇宙船「LINK」が週末に制御不能に陥り、地上チームとの断続的な通信ブラックアウトを引き起こしたことを認めた。予備調査により、宇宙船の3基のリアクションホイールのうち2基が完全に故障し、コールドガススラスターシステムが部分的な機能喪失を被ったことが明らかになった。リアクションホイールは、推進剤を消費せずに宇宙船の向きを制御するジャイロスコープのフライホイールであり、コールドガススラスターは、ロボットによる捕獲を試みる前の最後の最も正確な数センチメートルの接近に必要な精密指向システムである。両システムの喪失は、宇宙空間で触れられることを想定して設計されていない天文台に安全に接近し、つかむためにLINKが最も必要としている機能に直撃している。

2004年11月に打ち上げられたSwiftは、ニール・ゲーレルス・スウィフト天文台のミッションページが説明しているように、宇宙で最もエネルギーの高い爆発であるガンマ線バーストの研究に22年近くを費やし、他の稼働中の天文台では再現できない迅速な多波長追跡観測を提供してきた。Swift救出ミッションに関するWikipediaの記事によると、2024年の太陽極大期前後の活発な太陽活動により地球の上層大気が膨張し、地球低軌道上の物体に対する抗力が強まり、ミッションプランナーの予想をはるかに超えてSwiftの軌道減衰が加速した。Swiftは独自の推進システムを搭載していないため、自らの軌道を修正することができない。介入がなければ、2026年末までに制御不能な状態で地球の大気圏に再突入すると予測されている。

2025年9月24日のNASAのニュースリリースで確認されているように、NASAは2025年9月、救出作戦を実施するため、独立した宇宙飛行の実績がない2020年設立のアリゾナ州フラッグスタッフのスタートアップ企業Katalyst Space Technologiesに、3000万ドルのスモールビジネス・イノベーション・リサーチ（SBIR）フェーズIII契約を授与した。同等のミッションが通常24か月を要するのに対し、契約締結から打ち上げまで9か月という意図的に野心的なスケジュールだった。契約発表当時、NASA天体物理学部門の暫定ディレクターであるショーン・ドマガル・ゴールドマンは、「Swiftの軌道減衰の速さを考えると、我々は時間との戦いの中にいる」と述べていた。

LINKは2026年7月3日、マーシャル諸島のクェゼリン環礁上空でノースロップ・グラマンのStargazer L-1011航空機の腹部から空中発射された同社のペガサスXLロケットに搭載されて打ち上げられた。これは同ロケットの46回目にして最後の飛行だった。このミッションはまた、無人で、かつ元々サービスを受けるように設計されていない政府の衛星を、民間のロボット宇宙船が捕獲しようとする史上初の試みでもあった。

■軌道上でのスピンがミッションに与える代償

LINKが現在直面している技術的状況は、当初見えたものよりも悪化している。なぜなら、治療法そのものが治療薬を消費しているからだ。

TechTimesの打ち上げ当日のLINKのイオンスラスターに関する報道が説明しているように、LINKの3基のホール効果スラスターはそれぞれ、電場と磁場を用いてキセノン推進剤をイオン化し、プラズマを秒速15〜30キロメートル（約9.3〜18.6マイル）という、化学ロケットよりもはるかに高い排気速度まで加速させる。この効率性により、1キログラムのキセノンは、1キログラムの化学推進剤よりもはるかに大きく宇宙船を動かすことができる。しかし、Gunter's Space PageのLINK宇宙船の仕様によると、LINKが搭載しているキセノンは合計で約60キログラム（132ポンド）にすぎない。この予算は、LINKの現在の軌道からSwiftの位置への移動、LINKとSwiftを結合したスタックを約400キロメートル（249マイル）の高度から3か月の連続噴射で約600キロメートル（373マイル）まで押し上げること、そしてミッション後の軌道離脱を実行するという3つの目的を達成するために設定されていた。LINKのスラスターが生み出す推力はミリニュートン単位で測定され、数か月にわたって速度変化を蓄積するには十分だが、何かを素早く行うには不十分である。

LINKのスピンを止めるためにスラスターを噴射するたびに、その60キログラムの予算が枯渇していく。NASAの7月28日の最新情報によると、チームは電気推進スラスターを使用して「今後数日かけて」スピンを止める作業を進めている。回転する宇宙船のスピンを止めるための数日間のスラスター噴射は、すでに余裕のない機体にとって、決して少なくない推進剤の消費である。キセノンの予備がどれだけ消費されたかはまだ分かっていない。Katalystは現在の推進剤予算を公に明らかにしておらず、同社もNASAも安定化の取り組みにどれだけの推進剤が必要になるかを述べていない。

このギャップは非常に重要である。ミッションの機体質量に関するWikipediaの記述で確認されているように、Swiftの重量は約1,470キログラム（3,240ポンド）、LINKの重量は425キログラム（937ポンド）である。LINKは、減衰する軌道から安全な高度まで、自身の質量の3.5倍の宇宙船を押し上げなければならない。LINKがSwiftに到達する前に、スピン安定化のためにキセノン予備のかなりの部分がすでに燃焼されてしまった場合、ここから先すべてが完璧に進んだとしても、ミッションが完全な軌道上昇を完了できるかどうかは未解決の問題となる。

■リアクションホイールの仕組みと、2基喪失の深刻さ

Satsearchの宇宙船姿勢制御システムの概要が説明しているように、リアクションホイールは宇宙船本体内部の電気モーターに結合されたフライホイールである。ホイールの回転を速めたり遅くしたりすることで、モーターは宇宙船に角運動量を伝達し、反対方向に回転させる。推進剤は消費されず、外部トルクも必要ない。完全な3軸姿勢制御には、互いに直交する軸に沿って配置された少なくとも3基のリアクションホイールが必要である。LINKにはちょうど3基搭載されており、冗長な4基目はなかった。

3基のうち2基が故障したとき、LINKは精密な方向制御の主要な手段を失った。残されたのは、1基の稼働するリアクションホイール、部分的に機能するコールドガススラスター、そして近接運用が要求する精密な姿勢制御用には設計されていない電気推進スラスターだった。当時NBC Newsが報じたように、NASAのケプラー宇宙望遠鏡は2013年5月に2基目のリアクションホイールの故障に見舞われ、その結果として本来の科学ミッションを失ったが、エンジニアたちは後に太陽放射圧を利用した創造的な回避策を考案した。ケプラーの課題は、遠くの星を安定して指向することだった。LINKの課題はそれよりもはるかに要求が厳しい。3次元での機動、至近距離での物体への接近、そして最終的にロボットアームでそれをつかむこと。これらはすべて、ケプラーが必要としたよりもはるかに精密で動的な姿勢制御を必要とする。

加圧された不活性ガスをノズルから噴射して小さく正確な推進力を生み出すコールドガススラスターシステムは、Swiftへの最終接近時の精密指向を担うサブシステムである。このシステムの部分的な喪失でさえ、ランデブー中にLINKが最も必要とするまさにその能力、つまり天文台をつかむために手を伸ばす瞬間の最後の数センチメートルの制御を低下させる。

■触れられることを想定していない宇宙船を掴むLINKのアーム

ハードウェアが故障する前から、ランデブーの課題はすでに並外れたものだった。Swiftは2000年代初頭に製造され、サービス用のインターフェース、ドッキングポート、グラップルフィクスチャ（把持具）を備えていない。捕獲メカニズムに関するWikipediaの記述によると、Katalystのエンジニアは、打ち上げ前の地上の写真をもとにNASAやノースロップ・グラマンと協議し、2004年11月の打ち上げ前の地上処理中に天文台を固定するために使用された小さな金属製の縁である、Swiftの地上取り扱い用輸送フランジを唯一の実用的な取り付けポイントとして特定した。

LINKの3本のロボットアームは、「スプリット・スチュワート・プラットフォーム」並列マニピュレーター設計を採用している。これは、精密ロボット工学やモーションシミュレーターで一般的な6自由度のヘキサポッドアーキテクチャである。各アームには、精密な測距のためのLiDARセンサーと3自由度のグリッパーが装備されている。ハッブル宇宙望遠鏡のサービスミッションでの過去の経験から、20年以上軌道上にある宇宙船の多層断熱材は脆くなり、接触すると粉々になる可能性があり、それが天文台に損傷を与える恐れがあることが分かっている。Swiftは22年近く軌道上にある。

接近時、両チームは捕獲の試みを開始する前に、数十メートルの距離で数週間にわたるフライバイ調査を行い、フランジに障害物がないことを確認しなければならない。Swiftは「準備はされていないが協力的」と表現されており、姿勢制御能力を維持し、接近を支援することができる。しかし、LINKの姿勢制御の低下により、現在その振り付けは著しく複雑になっている。

■残された時間はどれくらいか

Swiftの軌道減衰には絶対的な下限がある。Wikipediaのミッション記事の技術仕様で確認されているように、天文台の高度が約300キロメートル（186マイル）を下回ると、大気抗力が非常に強くなり、LINKのミリニュートン級スラスターを連続噴射しても、LINKとSwiftを結合したスタックは高度を上げるよりも早く高度を失うことになり、軌道上昇は物理的に不可能になる。6月中旬時点のモデリングでは、Swiftは少なくとも2026年10月までこの閾値を超えて留まると予測されていた。これは以前の予測よりも3〜4か月長い。その主な理由は、NASAがSwiftの科学運用の停止を発表した2月以降、Swiftの運用チームが抗力を最小限に抑える姿勢で天文台を稼働させているためである。

バーストアラート望遠鏡やX線・紫外線望遠鏡を含むSwiftの科学機器は、大気に対する断面積を最小限にするために2月以降採用されている姿勢のため、現在も停止されたままである。軌道上昇が成功して初めて、これらは復旧する。

このミッションにおいて時間は再生不可能である。スピンの安定化とトラブルシューティングに1週間費やすごとに、LINKの運用準備完了とSwiftの最低運用高度の間のウィンドウは狭まっていく。

■まだ前進する道はあるのか？

Katalystは諦めていない。同社はLINKのミッションページで、「ミッションは引き続きアクティブである」と述べている。「これらの変更があっても、LINKにはSwiftとのランデブーに向けた実行可能な道があると我々は信じ続けている」。NASAの7月28日のブログ投稿は計画を次のように説明している。スピンが停止し、安定した姿勢が再確立されたら、KatalystはLINKの誘導・ナビゲーション・制御システムを更新して劣化した構成に対応させ、その後、両組織はSwiftへの安全な接近が達成可能かどうかを共同で評価する。

LINKが主要な姿勢制御システムの3分の2の喪失をソフトウェアで補えるかどうかは、未解決の技術的課題である。民間の衛星オペレーターは、非対称なスラスター噴射や型破りな運用モードを利用して、姿勢制御が低下した宇宙船の寿命を延ばすことが時折あるが、そうした回避策は通常、安定したステーションキーピング（軌道保持）に役立つものであり、ランデブーが必要とする動的で近接した機動には役立たない。

NASAゴダード宇宙飛行センターのSwift主任研究員であるブラッド・センコは今年初め、Scientific Americanに対し、その潜在的なメリットについて次のように語っている。「もし成功すれば、科学的利益は計り知れません。まるで新しいミッションのようですが、ゼロから何かを作って飛ばすのに実際にどれくらいの費用がかかるかを考えれば、ほんのわずかな費用でそれを手に入れることができるのです」

■NASAが失うもの、そして業界が証明すべきこと

賭けられているものはSwiftだけにとどまらない。Scientific Americanのより広範な影響に関する報道が説明しているように、LINKミッションは、民間のロボット宇宙船がサービスを受けるように設計されていない衛星にサービスを提供できることの証明として構想された。この能力が実証されれば、現在軌道上にありサービス提供の規定がない何百もの科学、気象、防衛、通信衛星の寿命を延ばす道が開かれることになる。

ノースロップ・グラマンのMission Extension Vehicleによるインテルサット衛星での成功や、アストロスケールのELSA-dによるデブリ捕獲実証など、過去の民間によるサービス提供の成功は、専用に構築されたドッキングインターフェースや、協力的な宇宙船オペレーターと合意した磁気捕獲メカニズムに依存していた。元の地上取り扱い用の写真だけを頼りに、宇宙船の即席の取り付けポイントをつかむというLINKの任務は、難易度のカテゴリーが異なる。

2024年3月のArs Technicaの報道で確認されているように、NASAは2024年、独自の衛星サービス旗艦プログラムであったOSAM-1をキャンセルした後、民間アプローチへと方針を転換した。OSAM-1は管理可能な実証プログラムから数十億ドルのコスト超過へと膨れ上がり、一度も飛行することなくキャンセルされた。3000万ドルのLINK契約は、伝統的な政府のプログラム管理が失敗したところで、無駄のない民間の実行が成功するかもしれないという賭けを表していた。Katalystはすでに、民間および防衛衛星の顧客にサービスを提供するため、2027年の打ち上げに向けて次世代のマルチミッションサービス宇宙船「NEXUS」を計画しており、その取り組みに向けて1200万ドル（約19億6800万円）を調達している。ランデブー前のミッション失敗は、資金調達と、民間サービス提供の前提全体を支える規制上の信頼の両方を複雑にするだろう。

注目すべきことに、このミッションは、46回の飛行を経て現在退役したロケット、ペガサスXLで飛行する最後のミッションだった。その歴史的な脚注は、軌道上の危機によって追い越されてしまった。

■今後の展開

エンジニアたちは今後数日間、キセノン電気推進スラスターを使用してLINKのスピンを止める試みに費やすとみられる。それがうまくいけば、劣化したハードウェア構成のためのソフトウェアベースの誘導・ナビゲーション・制御のアップデートが開発・テストされ、その後NASAとKatalystがランデブーの試みに進むかどうかを共同で決定する。Swiftへの接近は、少なくとも数週間先のことになる。

状況は流動的である。ゴー/ノーゴーの決定のタイムラインは発表されていない。NASAはハードウェアの故障を確認した以外、公にはほとんど何も語っていない。一方、Swiftはゆっくりとした降下を続けており、それを止めるために必要なキセノン燃料は、救出機を正しい方向に向かわせ続けるために費やされている。

■注目ポイントQ&A

●NASAのSwift望遠鏡救出ミッションに何が起きましたか？

NASAの老朽化したSwift天文台の軌道を上げるために2026年7月3日に打ち上げられたKatalyst Space Technologiesのサービス宇宙船「LINK」が、7月26日から27日の週末にかけて方向制御を失いました。宇宙船の指向を制御するジャイロスコープ装置である3基のリアクションホイールのうち2基が故障し、コールドガスによる精密制御スラスターも部分的に機能を喪失しました。LINKはスピンし始め、地上チームとの信頼できる通信を一時的に失いました。NASAは7月28日の公式ブログ投稿でこの故障を認めました。

●2基のリアクションホイールが故障しても、LINKは軌道上昇を完了できますか？

可能性はありますが、技術的な課題は重大です。LINKは現在、スピンを止めるためにキセノン電気推進スラスター（Swiftの軌道を3か月かけて上げるために予算化されていたのと同じスラスター）を使用しています。Gunter's Space Pageの仕様によると、宇宙船は合計で約60キログラム（132ポンド）のキセノン推進剤を搭載しており、スピン安定化のためにスラスターを噴射するたびに、1,470キログラム（3,240ポンド）のSwift天文台をより安全な高度に押し上げるために利用できる量が減少します。KatalystがLINKを安定させ、劣化した姿勢システムのためのソフトウェアの回避策を開発できれば、NASAとKatalystは安全なランデブーの試みが可能かどうかを共同で評価します。同社はミッションは引き続きアクティブであると述べています。

●Swiftは何をしており、なぜそれほど重要なのでしょうか？

ニール・ゲーレルス・スウィフト天文台のミッションページに詳述されているように、Swiftは宇宙で最もエネルギーの高い爆発であるガンマ線バーストを検出し、研究しています。検出から数秒以内にX線、紫外線、光学機器をバーストに集中させるために素早く向きを変えることができ、イベントが薄れるにつれて失われてしまうデータを捉えます。その迅速な対応能力はかけがえのないものであり、現在計画されている後継ミッションでそれを再現できるものはありません。Scientific Americanのミッションに関する報道によると、チリのヴェラ・C・ルービン天文台やNASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡などのサーベイ望遠鏡が、即時の追跡観測を必要とするはるかに多くの突発的なイベントを特定し始めるにつれて、その重要性は高まることになります。

●LINKがミッションを完了できない場合、どうなりますか？

軌道上昇が成功しなければ、Swiftの軌道は減衰し続けます。ミッションの臨界高度閾値に関するWikipediaの記述が説明しているように、高度が約300キロメートル（186マイル）を下回ると、ブーストを試みている間のLINKとSwiftを結合した機体にかかる複合的な抗力が、LINKのミリニュートン級スラスターが克服できる力を上回り、推進剤が満タンであっても軌道上昇は物理的に不可能になります。6月中旬時点のモデリングでは、Swiftは少なくとも2026年10月までその閾値を超えて留まると予測されていましたが、そのウィンドウは毎週狭まっています。介入がなければ、Swiftは2026年末までに地球の大気圏に再突入すると予想されており、22年間の継続的な科学運用を終了し、現在のところ代替手段のない時間領域天体物理学に空白を残すことになります。

元記事: NASA’s Swift Telescope Rescue Craft Spins Out of Control After Wheel Failures