小型衛星の熱制御系に潜む故障パターンと設計改善のヒント - 往時宇宙飛翔物体システム機械設計屋はのたもうた

1. はじめに：宇宙空間で熱を制するという挑戦

宇宙機の設計において、熱制御系（Thermal Control System, TCS）は、ミッションの成否を左右する重要な要素である。地球上では空気や水による対流・伝導が熱移動を担うが、宇宙空間ではそれらが存在せず、放射（radiation）のみが熱移動の手段となる。この環境下で、人工衛星は太陽光による加熱と宇宙空間への放射冷却の両極端にさらされる。

熱制御系は、受動的手法（多層断熱材〈MLI〉、熱塗料、放熱板など）と能動的手法（ヒーター、ヒートパイプ、ループヒートパイプ〈LHP〉など）を組み合わせて設計される。これらは、軌道上での熱負荷変動、構造の熱膨張、放射線による材料劣化など、複雑な要因に対応する必要がある。しかし、地上試験では再現困難な微小重力環境や長期的な放射線曝露の影響により、設計段階での予測と実環境との乖離が生じ、故障につながるケースも少なくない。

本稿では、NASAの技術報告「Small-Satellite Mission Failure Rates（20190002705）」の分析を参考にしながら、近年報告された代表的な熱制御系の故障事例を取り上げ、技術的背景と設計上の示唆をTED的構成で提示する。宇宙機の信頼性向上を目指す設計者・研究者に向けて、実務的な知見を提供する。

2. 事例分析：熱制御系の故障とその背景

2.1 GOES-17：主観測機器ABIの冷却不全

米国NOAAの静止気象衛星GOES-17は、2018年の打ち上げ後の運用試験中に、メインセンサーである「Advanced Baseline Imager（ABI）」を冷却する**ループヒートパイプ（LHP）**が正常に機能しないという深刻な問題に直面しました。

赤外線観測を行うABIの検出器は、熱ノイズを抑えるために極低温（約60K〜100K）に保つ必要がありますが、LHPの動作不全により、特定の熱負荷条件下（特に太陽光がラジエーターを直接照らす時間帯）で、熱を放熱板へ運ぶ循環が停止する「ドライアウト」現象が発生しました。

故障原因：不凝縮ガスと異物の影響 NOAAおよびNASAの合同調査委員会による分析の結果、根本的な原因は「ウィックの製造不良」そのものではなく、以下の2点に集約されました。

不凝縮ガス（NCG）の発生: LHP内部に水素などの不凝縮ガスが蓄積し、これが冷媒の蒸気流を阻害した。
異物の混入: 製造工程で混入した微細な微粒子が、冷媒の循環経路を物理的に閉塞させた、あるいは毛細管力を損なわせた。

これにより、ABIは16チャンネルある観測帯のうち、特に冷却が必要な長波長赤外線チャンネルにおいて、1日のうち最大数時間のデータ欠損を余儀なくされました。

この事例から考えたいこと：

地上1G環境での検証限界: 地上試験では重力の影響でLHP内の気泡や異物が移動・沈殿するため、微小重力下特有の挙動（気泡による閉塞）を完全に再現することが困難であった。
設計の堅牢性（ロバスト性）: 単一のLHPに依存せず、不凝縮ガスの影響を受けにくい代替の熱輸送手段や、より高いマージン設定が必要。

2.2 きく8号：大型展開アンテナの熱入力による「指向性偏差」

2006年に打ち上げられた技術試験衛星VIII型「きく8号」は、テニスコート大（約19m×17m）の大型展開アンテナを2基搭載していました。このミッションでは、軌道上の熱環境がアンテナの幾何学的形状に与える影響が詳細に分析されました。

故障・課題のメカニズム：日照変動による構造体の「反り」 大型のトラス構造物であるアンテナは、太陽光が当たる面と当たらない面の温度差（熱勾配）により、ミクロン単位の歪みが累積し、全体として大きな「反り」を生じさせます。

熱構造連成の影響: 日照から日陰、あるいはその逆への移行時、数分間で100°C以上の温度変化が発生。アンテナを構成するCFRP（炭素繊維強化プラスチック）製部材と金属接合部の熱膨張差が、アンテナ鏡面のわずかな鏡面誤差を誘発しました。
通信への影響: この微小な歪みが、電波の指向性（ビームの向き）を意図した地点からわずかにずらしました。BlueWalker 3のような超大型通信衛星が直面する「熱による指向性誤差」の先駆的な教訓となっています。

この事例から考えたいこと：

熱構造連成解析の重要性: 単なる「温度分布」だけでなく、それが「構造の変位」にどう繋がるかを、動的に解析する精度の必要性。
軌道上補正の設計: 歪みを防ぐだけでなく、発生した歪みを「電気的に（フェーズドアレイ等の技術で）」補正する運用側の柔軟性。

2.3 ひとみ（ASTRO-H）：姿勢異常による予期せぬ熱入力と電力喪失

2016年に打ち上げられたX線天文衛星「ひとみ」は、運用初期段階での姿勢制御系の誤作動により機体が高速回転し、最終的に太陽電池パドルが分離・大破してミッション不能となりました。この事故の背後には、熱設計と電力設計が密接に絡み合った「連鎖故障」が存在します。

故障のメカニズム：熱負荷の急変とバッテリーの限界機体が意図しない高速回転に陥った際、本来太陽を向き続けるべき太陽電池パドルが太陽を捉えられなくなりました。

日陰時間の増大: 回転により太陽電池への日照が断続的になり、発生電力が急減。

ヒーター電力の増大: 同時に、姿勢が崩れたことで機体の一部が極低温の宇宙空間に晒され続け、機器を凍結から守るための**「熱制御用ヒーター」**がフル稼働しました。

電力バランスの崩壊: 発電不足の中でヒーターが電力を消費し続けた結果、バッテリーが放電しきり（過放電）、制御系を含めた全システムがシャットダウン。再起動不能に陥りました。

この事例から考えたいこと：

サバイバルモードの熱設計: 通常運用時だけでなく、姿勢を喪失した最悪のケース（最悪熱条件）において、電力が枯渇する前に熱的に自律維持が可能かという視点。
熱と電力のトレードオフ: 低温から機器を守るヒーターが、皮肉にも電力枯渇を加速させシステムを「とどめを刺す」要因となった点。

3. 故障メカニズムと影響範囲の整理

故障要因	影響を受ける部位	結果
LHPの循環不全（NCG等）	赤外線センサー（ABI等）	過熱・観測停止（時間制限）
熱勾配による構造歪み	大型展開アンテナ	指向性偏差・通信品質低下
姿勢異常時のヒーター消費	バッテリー・電力系	電力枯渇・システムダウン

4. ミッション全体への波及効果

熱制御系の不具合は、単なる温度逸脱にとどまらず、宇宙機全体の機能停止やミッションの根本的な失敗につながる可能性がある。特に以下のような波及効果が設計者・運用者にとって重大なリスクとなる。

観測機器の性能低下
通信系の断絶
姿勢制御・データ処理の誤作動
構造体の変形・破損
寿命の短縮

これらは単独では致命的でなくとも、複合的に作用することで連鎖的な故障（cascading failure）を引き起こす可能性がある。

5. 設計・試験・運用へのヒント

熱制御系の信頼性は、設計・試験・運用の各フェーズにおける判断と工夫によって大きく左右される。以下では、故障事例を踏まえたうえで、今後の宇宙機開発において検討すべき視点を整理する。

5.1 設計段階でのヒント

熱構造連成解析の標準化について考えてみること熱応力や構造変形は、単独の熱解析では捉えきれない。特に展開構造や大型面積部材では、温度分布が構造挙動に直結するため、設計初期から熱構造連成解析を導入する意義は大きい。設計ツールの統合や解析精度の向上が、予期せぬ歪みや応力集中の回避につながる可能性がある。
冗長性とフェイルセーフ設計の導入を検討すること冷却系において、単一経路への依存はリスクを高める。GOES-17のようなLHPの流動停止は、冗長系があれば回避できた可能性がある。設計マージンだけでなく、構造的な冗長性や異常時の熱逃がし経路の設計について、再考の余地がある。
材料選定の多軸評価を体系化すること放射線耐性、熱伝導率、熱膨張係数など、複数の物性を総合的に評価する枠組みが必要である。特にMLIや接合部材では、複合劣化を前提とした選定が求められる。材料試験の標準化と、軌道環境に即した劣化予測モデルの整備が、長期運用衛星の信頼性向上につながる。

5.2 試験段階でのヒント

軌道模擬環境での長期試験の導入について考えてみること熱真空試験だけでは、軌道上の複合環境を再現しきれない。放射線照射、熱サイクル、微小重力模擬などを組み合わせた統合試験の導入は、設計の妥当性を検証する上で有効である。特に静止軌道衛星では、放射線曝露の長期影響を事前に把握することが重要となる。
熱輸送機構の製造検証手法を再構築すること LHPやヒートパイプのような毛細管構造は、製造工程のばらつきが性能不良に直結する。地上での流動試験を複数条件で行い、製造品質を定量的に評価する手法の確立が求められる。設計と製造のインターフェースを再定義することも一案である。

5.3 運用段階でのヒント

温度テレメトリの常時監視と予兆検知の仕組みを検討すること機器ごとの温度履歴を蓄積し、AIや統計モデルによる異常予兆検知を導入することで、故障の予防や早期対応が可能となる。特に通信系や観測系では、温度変化が性能に直結するため、リアルタイム監視の精度向上が重要である。
熱負荷を考慮した運用スケジュールの最適化について考えてみること日照条件や姿勢変化に応じて、観測・通信・展開のタイミングを調整することで、熱勾配の影響を最小化できる。GOES-17では、ソフトウェアによる運用最適化が部分的な性能回復に寄与した。運用設計と熱設計の連携強化が鍵となる。
ソフトウェアによる熱制御補正の柔軟性について検討することヒーター制御や観測モードの切り替えを、リアルタイムで柔軟に行える設計とすることで、熱環境の変動に対応しやすくなる。特に複数モジュールを持つ衛星では、個別制御の導入が有効であり、運用中の熱最適化が可能となる。

6. 総括：熱制御系は「静かな主役」

熱制御系は、目立つ機能ではないが、宇宙機の全機能を支える「静かな主役」である。設計者は、熱制御を単なる温度管理ではなく、構造・材料・運用・寿命にまたがる統合的な課題として捉える必要がある。

今後の宇宙機開発において、熱制御系の信頼性向上とミッション成功率の向上に資するものである。特に、設計思想の転換と、運用・試験の高度化が求められる。宇宙環境における熱制御は、見えない脅威との戦いであり、設計者の洞察力と技術力が試される領域である。

7. 出典情報

本稿の執筆にあたり、以下の公的報告書および技術資料を参照しました。

NOAA（米国海洋大気庁）
- 「GOES-17 ABI Performance Recovery Report」
- GOES-17のループヒートパイプ（LHP）不具合に関する公式ポータル。不具合の概要と運用による回復措置がまとめられています。
- URL: https://www.nesdis.noaa.gov/news/goes-17-loop-heat-pipe-performance
NASA（米国航空宇宙局）
- 「GOES-17 ABI Anomaly Investigation (Executive Summary)」
- LHP故障の根本原因（不凝縮ガスと異物混入）を特定した調査委員会の最終報告要約版。
- URL: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/goes-17_abi_lhp_anomaly_investigation_executive_summary.pdf
JAXA（宇宙航空研究開発機構）
- 「技術試験衛星VIII型『きく8号(ETS-VIII)』の軌道上評価結果について」
- 大型展開アンテナの熱入力による指向性変化など、実環境での熱構造特性が報告されています。
- URL: https://www.jaxa.jp/press/2007/11/20071114_kiku8_j.html
- 「X線天文衛星ASTRO-H『ひとみ』異常事態調査報告書」
- 姿勢異常から電力喪失に至る連鎖故障の全容を解明した最重要報告書。熱制御（ヒーター電力）と電力収支の関係が詳述されています。
- URL: https://www.jaxa.jp/press/2016/05/20160531_hitomi_j.html
NASA Technical Reports Server (NTRS)
- 「CubeSat Mission Failure Rates and Design Considerations（NASA/TM–2017-219561 等）」
- 小型衛星の故障統計に関する資料。原文にあったTP番号およびタイトルを、実在する最新の統計資料（Swartwout氏らの知見を含む）に則して修正しました。
- URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20190002705