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Research on in-space demonstration of ultra-lightweight deployable Origami array antenna

Research Project

Project/Area Number 20H00281
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

坂本 啓  東京工業大学, 工学院, 准教授 (40516001)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 戸村 崇  東京工業大学, 工学院, 助教 (10803992)
白根 篤史  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40825254)
岡田 健一  東京工業大学, 工学院, 教授 (70361772)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥46,280,000 (Direct Cost: ¥35,600,000、Indirect Cost: ¥10,680,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
Fiscal Year 2020: ¥26,130,000 (Direct Cost: ¥20,100,000、Indirect Cost: ¥6,030,000)
Keywords宇宙構造物 / 展開構造 / 膜構造 / 小型衛星 / アレーアンテナ / ビームフォーミング
Outline of Research at the Start

本研究は平織りの織物上にアンテナ素子を貼付し、折り紙技術を用いて極めてコンパクトに収納できる、これまでになく軽量・高収納率の宇宙用展開アレーアンテナを、電気的位相調整機能を持つアクティブアレーアンテナおよびリフレクトアレーアンテナをそれぞれ用いることで構造への精度要求を下げる、という独自のアプローチにより実現するものである。現状、基礎概念検証レベルにある技術を、本研究期間内で宇宙実証機搭載のレベルにまで引き上げる。本構想によれば、質量・収納容積を大幅に増加することなく従来より100倍以上の面積を持つ衛星搭載アンテナを構成でき、利得で20dB、通信距離では10倍の増加を期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は平織りの織物上にアンテナ素子を貼付し、折り紙技術を用いて極めてコンパクトに収納できる、これまでになく軽量・高収納率の宇宙用展開アレーアンテナを、電気的位相調整機能を持つアクティブアレーアンテナおよびリフレクトアレーアンテナをそれぞれ用いることで構造への精度要求を下げる独自のアプローチにより実現するものである。現状、基礎概念検証レベルにある技術を、本研究期間内で宇宙実証機搭載のレベルにまで引き上げる。これまでの衛星用アレーアンテナでは、アンテナ面の高い面精度要求から剛な支持構造が使用され軽量・小型化が阻害されてきた。本研究では、構造系と電気系の研究者が同一システムを同一拠点で基本原理解明から宇宙実証機への実装までを協業するコンカレントエンジニアリングを通じ、新たな解決を実現する。
2022年度は2つの課題に取り組んだ。(課題1)「折り紙ランダム面アレーアンテナ」の設計原理を体系的にまとめた。特に2点で貢献した。(1-1) 構造工学的課題解決:折り紙技術により高い収納率で収納でき、展開できる機構設計を達成し、力学的特性を解析的/実験的に解明した。(1-2) 電気工学的課題解決:平面上にないフレキシブルなアンテナ素子について、膜上で電気的に位相調整するシステムを実現した。(a) アクティブアレー、(b) リフレクティブアレー、の2つの開発を同時並行で進め、設計の方法論を示した。
(課題2) システム工学的課題解決:宇宙実証機を開発した。(a)アクティブアレーについては、JAXA革新的衛星技術実証3号機ミッションとして2022年10月に打ち上げられたが、打上げ失敗のため軌道上実験はできなかった。(b) リフレクトアレーについては50cm×50cmサイズのアンテナを展開する3Uキューブサットの開発を進めた。2022年9月に革新的衛星技術実証4号機への搭載衛星として採択された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

JAXA革新的衛星技術実証3号機ミッションに提案するアクティブフェーズドアレー無線機が、JAXA革新的衛星技術実証4号機ミッションに提案するリフレクトアレーアンテナ実証キューブサットが搭載されることとなり、研究が急激に加速した。2つの宇宙実証機会が得られたことで、参加する研究者が非常に密に活動を共にすることになり、当初の想定以上に研究が進捗した。なお革新的衛星技術実証3号機は打上げが失敗したが、本研究で開発したアクティブフェーズドアレー無線機は革新的衛星技術実証4号機において「再チャレンジ」が認められ、2つの宇宙実証が2025年初頭に実現できる見込みである。

Strategy for Future Research Activity

すでに打上げ機会を得られた宇宙実証においてミッションを成功させることに注力することで、確実に成果を得ることを目指す。これらの活動と並行して、2つの宇宙実証のさらにその後の宇宙実証機の提案をしていくことで、さらに研究を拡張することを行う。具体的には、(a) アクティブフェーズドアレーについては、膜全面に搭載する方法論を構築すること、(b) リフレクトアレーについては、さらに薄くしたアンテナ基板上で非平面度補償技術を実現すること、である。これらをまず地上検証モデルにより実現可能性を示し、次なる宇宙実証機会の公募に備える。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Deployment behavior of planar gossamer space structures made of plain-woven textile2022

    • Author(s)
      Kadonishi Shogo、Sakamoto Hiraku、Okuma Masaaki
    • Journal Title

      Acta Astronautica

      Volume: 190 Pages: 334-341

    • DOI

      10.1016/j.actaastro.2021.09.037

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Proof-of-Concept on Misalignment Compensation for 5.8-GHz-Band Reflectarray Antennas by Varactor Diodes2021

    • Author(s)
      Omoto Keisuke、Tomura Takashi、Sakamoto Hiraku
    • Journal Title

      IEEE Access

      Volume: 9 Pages: 54101-54108

    • DOI

      10.1109/access.2021.3071090

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Compact Packaging of Planar Gossamer Space Structures Using Textile Membranes2021

    • Author(s)
      KADONISHI Shogo、SAKAMOTO Hiraku、OKUMA Masaaki
    • Journal Title

      TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES, AEROSPACE TECHNOLOGY JAPAN

      Volume: 19 Issue: 2 Pages: 245-251

    • DOI

      10.2322/tastj.19.245

    • NAID

      130007994901

    • ISSN
      1884-0485
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Two-Layer Pop-Up Origami Deployable Membrance Reflectarray Antenna Stowed in 1U CubeSat2022

    • Author(s)
      T. Tomura, H. Sakamoto, Y. Takeda, G. Nakayama, T. Yanagi, M. Moritani, S. Koike, Y. Takeda, S. Tamura, K. Nagai, S. Kanamaru
    • Organizer
      Small Satellite Conference, No. SSC22-WKVI-05, Utah State University, Logan, UT
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal Control of Array Antenna Transmitters Attached on Space Membrane Structures2022

    • Author(s)
      Y. Takeda, S. Takeda, S. Koike, M. Fujita, Y. Takahashi, M. Moritani, H. Hagiwara, D. You, A. Shirane, H. Sakamoto
    • Organizer
      33rd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Revival and Successive Operation of 3U CubeSat OrigamiSat-1 with Multifunctional Deployable Membrane2022

    • Author(s)
      S. Koike, M. Moritani, M. Ishiwata, S. Tamura, K. Nagai, H. Sakamoto, H. Nakanishi, T. Tomura, H. Furuya, A. Watanabe
    • Organizer
      33rd International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 超小型人工衛星の開発手法と信頼性の相関事例分析2021

    • Author(s)
      森谷元喜, 坂本啓, 大熊政明
    • Organizer
      第30回スペース・エンジニアリング・コンファレンスSEC'21
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 多機能膜面構造上の半導体デバイスの放射線対策の提案・評価2021

    • Author(s)
      森谷元喜, 高橋勇多, 萩原春妃, 安藤優汰, 武田真司, 白根篤史, 坂本啓
    • Organizer
      第65回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 折り紙技術を用いた展開式・非平面膜面アレーアンテナの宇宙実証2021

    • Author(s)
      坂本啓, 戸村崇, 白根篤史, 岡田健一
    • Organizer
      第65回宇宙科学技術連合講演会, 日本航空宇宙学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 飛び出す絵本の機構を用いた宇宙展開膜面アレーアンテナ構造の提案2021

    • Author(s)
      田村真也, 坂本啓, 戸村崇
    • Organizer
      2021年度年次大会, 日本航空宇宙学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] On-Orbit Demonstration of Innovative Multifunctional Membrane Structure for Ultra-Lightweight Solar Arrays and Array Antennas by 3U CubeSat OrigamiSat-12021

    • Author(s)
      H. Sakamoto, H. Furuya, H. Nakanishi, A. Watanabe, N. Kawabata, T. Hori, H. Ito, T. Kuratomi, Y. Shimoda, N. Hidaka, K. Watanabe
    • Organizer
      Small Satellite Conference
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase Adjustment Algorithm for Deformation Compensation of Nonflat Reflectarray Antenna2021

    • Author(s)
      M. Kato, H. Sakamoto, T. Tomura, M. Okuma
    • Organizer
      International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2020)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非平面アレーアンテナ平面度補償のための位相調整アルゴリズムの検討2020

    • Author(s)
      加藤雅己, 坂本啓, 戸村崇, 大熊政明
    • Organizer
      第64回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] アレーアンテナを搭載した織物展開構造の熱設計2020

    • Author(s)
      嶋田有登, 坂本啓, 大熊政明
    • Organizer
      第64回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 多機能展開膜実証3UキューブサットOrigamiSat-1の成果と発展2020

    • Author(s)
      坂本啓, 中西洋喜
    • Organizer
      第64回宇宙科学技術連合講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 反射位相制御によるリフレクトアレーアンテナの非平面度補償2020

    • Author(s)
      戸村崇, 大本圭祐, 坂本啓
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Simulation of a 5.8-GHz-band active reflectarray for non-flat structures2020

    • Author(s)
      T. Tomura, K. Omoto, H. Sakamoto
    • Organizer
      IEEE Int. Symp. Antennas Propag. (AP-S)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 多機能展開膜実証3Uキューブサット OrigamiSat-12020

    • Author(s)
      坂本啓
    • Organizer
      宇宙航空研究開発機構革新的衛星技術実証ワークショップ2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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