Wave Propagation Analysis and Shape Control System Development for Large-Sized Membrane Space Structures
| Project/Area Number |
21K14354
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Kyushu University (2022)
Japan Aerospace EXploration Agency (2021) |
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Principal Investigator |
高尾 勇輝 九州大学, 工学研究院, 学術研究員 (70896654)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
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| Keywords | 大型宇宙構造物 / 膜構造 / 波動 / 形状制御 / 有限要素解析 / 薄膜構造物 / 振動 / ソーラーセイル |
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| Outline of Research at the Start |
大型宇宙構造物の質量効率向上のためには，軽量かつ大面積な薄膜の活用が有効である．極めて柔軟な薄膜の形状を軌道上で管理するために，従来ではマストなどの支持構造物を用いて張力を印加し，変形を抑制する術が取られてきた．しかし100 mを超える超大型の膜構造では，張力や慣性力にマストが耐え切れず座屈してしまい，実現は難しい．そこで本研究は，薄膜の変形を許容する新たな形状管理方策として，波動制御によるアプローチを提案する．超大型膜が定在波を形成するまでの波動伝達特性に着目し，その力学構造を明らかする．さらに干渉波の形成による形状制御システムを開発し，実用化を目指したハードウェアレベルでの検討を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超大型の宇宙薄膜構造物の変形ダイナミクスを波動工学のアプローチから解明し、軌道上での能動的形態変化を可能とする形状制御システムの確立を目指すものである。1年目までに、宇宙薄膜構造物の波動伝播メカニズムを記述する理論体系の構築、および当該理論を適用した形状制御装置の小型試作機の開発を行った。以上の前提のもと、事業年度2年目となる本年度は以下の主要な研究実績を獲得した。
1) 前年度に構築した波動論をさらに詳細化し、超大型薄膜構造物を波動が伝播する過渡的な特性を解析的に明らかにした。特に、外部から作用する入力と応答の波形をスペクトル分解することで、連続体として無限の自由度を持つ波動伝達モードの入出力対応関係を数学的に記述することが可能となった。以上の波動伝播メカニズムに関して、大きな空間分解能を設定した有限要素解析を実施し、本研究で構築した理論が極めて計算コストの大きな有限要素解析を代替する強力な手段となり得ることを示した。
2) 以上の波動論を応用し、超大型宇宙薄膜構造物の能動的形態変化を実現する形状制御理論を構築した。薄膜構造物が連続体であるのに対して、その形状制御のためにはアクチュエータを離散的に配置する必要があり、この連続・離散の乖離を旧来の理論で記述することは極めて困難であった。本研究では、多点同時加振によって発生する波動の重ね合わせにより、定常状態で形成される波形の解析的表現を導出することで、特定の振動波形を励起するための制御則を導出した。
3) 前年度に製作した試作機による地上試験結果を踏まえて、本格的な宇宙利用を想定した形状制御装置の開発を行った。大型宇宙構造物は、打ち上げ時には折りたたみ収納し、軌道上で展開を行うので、このための収納・展開機構が必要となる。この収納・展開に加えて形状制御の機能も複合した機構を新規開発し、その基本性能の検証を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以上の通り、本年度は超大型宇宙薄膜構造物の波動伝播メカニズムを解明する理論体系を確立し、これを応用して、能動的形態変化を可能とする形状制御理論に発展させた。さらに、昨年度までの成果物を拡張する形で形状制御システムのハードウェア開発も行った。以上の成果は研究計画に記載していた通りのものであり、順調に研究が進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は本事業の最終年度となっており、開発した形状制御システムを用いた地上実験および詳細評価を予定している。特に、地上では空気抵抗や重力の影響を排除できる環境として数メートル規模の試験が限界であるが、これを将来目標である数百メートル級の超大型薄膜構造物に還元するためには、数値解析との合わせ込みが必要となる。そこで、理論および実験から同定される波動伝達特性を組み込んだ高忠実度の構造シミュレータを開発し、超大型宇宙薄膜構造物の体系的な扱いを可能にする研究として完成させる。
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Report
(2 results)
Research Products
(7 results)
