| Project/Area Number |
22K14284
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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 21040:Control and system engineering-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
佐々木 貴広 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (00835168)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 宇宙デブリ除去 / 宇宙機システム / アストロダイナミクス / 制御工学 / 姿勢制御 / 軌道制御 / 平衡姿勢 / 電気推進 / 人工衛星 / デブリ除去 |
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| Outline of Research at the Start |
宇宙ゴミの増加抑制に有効である大型デブリ除去は、その持続的実施のために低コスト化が必要であり、小型衛星で実現できることが重要である。近年の電気推進の小型化や、空力トルクを打ち消す平衡姿勢といった新しい研究成果によって、小型衛星による大型デブリ除去が可能な世界が開かれつつある。
本研究では、大型デブリと結合後に劇的に変化する質量特性を推定し、小型電気推進や平衡姿勢を維持することで大気抵抗を積極的に利用し、不確かなモデル化誤差や軌道上外乱に対してロバストな誘導・制御則の設計手法を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙ゴミ(デブリ)の増加抑制に有効である大型デブリ除去は、その持続的実施のために低コスト化が必要であり、それには小型衛星で実現できることが重要である。しかし、除去対象の大型デブリは長期間宇宙に残存する高い軌道高度に存在するため、その高度を大きく落とし地球へ再突入廃棄させるエネルギー量は大きく、高い高度では大気が薄いがゆえに大気抵抗を利用したDrag Sail も利用できない。従って、小型衛星による実現には技術的に大きなハードルが存在していた。
しかし、近年の電気推進の小型化や、空力トルクを打ち消す平衡姿勢といった新しい研究成果によって、小型衛星による大型デブリ除去が可能な世界が開かれつつある。そこで本研究では、小型衛星で大型デブリの急速な降下 (除去)を実現するための電気推進と大気抵抗を用いた最適な姿勢経路を確立することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本年度は当初予定していた研究計画通り、分子流解析による厳密な空力計算を行い、データベース化することで、太陽パドルの回転に応じた最適なトルク平衡姿勢経路を計画した。また、高高度での電気推進を活用するフェーズと低高度での大気抵抗を活用するフェーズの切替高度について、消費推薬量、スラスタduty、運用期間といった様々なパラメータに対して最適化する手法を確立した。
これらの成果により、小型衛星による大型デブリ除去が実現可能となる高高度から低高度までの一気通貫した姿勢経路を導出することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は当初予定していた研究計画通り、1) 空力データベースを用いた太陽パドルの回転に応じた最適なトルク平衡姿勢経路計画、2) 高高度での電気推進を活用するフェーズと低高度での大気抵抗を活用するフェーズの最適なフェーズ切替高度を探索、に取り組んだ。
1) 空力データベースを用いて、太陽パドルの回転に応じて変化する空力トルクを計算し、空力トルクと重力傾斜トルクの釣り合い姿勢であるトルク平衡姿勢を導き、電力が最大となるような太陽パドル回転に沿った姿勢経路計画手法を確立した。そして、太陽パドルの回転を考慮しない場合と比べて、数値シミュレーションの結果により、その優位性を示すことができた。この結果は国際学会で発表し、その後投稿した国際学術誌にアクセプトされた。
2) 電気推進フェーズと大気抵抗フェーズの最適なフェーズ切替高度について、電力・推力・運用期間といった各種制約の中で最適化する枠組みを提案した。提案手法により、ミッションの特性に応じた太陽電池・推進系・フェーズ切替高度を求めることができ、この成果は国内学会で発表し、その後国内の学術誌へと投稿した。(現在査読中)
また、上記に加えて、大気密度モデルに誤差があった場合、外乱オブザーバを併用することで、正しい平衡姿勢へと更新できる手法を提案し、実運用上の課題の1つに対して、本研究を通し、解決することができた。これについても国内学会で発表し、その後国内の学術誌へと投稿した。(現在査読中)
上記より、当初予定していた研究課題に対して、実課題に沿った追加の課題を解決することができており、顕著な成果について学会・学術誌へとアウトプットもできていることから、進捗状況として期待以上であると考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、低高度の円軌道に対する大型デブリを対象とし、1) 空力データベースを用いた太陽パドルの回転に応じた最適なトルク平衡姿勢経路計画、2) 高高度での電気推進を活用するフェーズと低高度での大気抵抗を活用するフェーズの最適なフェーズ切替高度を探索、に取り組んだ。
来年度は、楕円軌道や静止軌道といったあらゆる軌道へのアクセスおよび小型衛星で実現可能な最適なデオービット手法について検討する。また、1つの小型衛星を用いて複数の大型デブリ除去を実施することを見据えて、運用期間およびΔV (燃料消費量)に対して最適化する手法を確立する。
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