Effective search strategy for uncorrelated targets for long-term sustainability of outer space activities

• Project/Area Number: 23K20265
• Project/Area Number (Other): 20H02355 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 花田 俊也 九州大学, 工学研究院, 教授 (30264089)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 宇宙活動 / 長期的持続可能性 / 宇宙ごみ / 光学観測 / 持続可能性 / スペースデブリ

Outline of Research at the Start

内部エネルギーの解放に起因する破砕は余剰燃料が爆発するロケット上段機体だけでなく、充電池が破裂する人工衛星でも発生する。ロケット上段機体の爆発破砕と人工衛星の破裂破砕とでは、発生する破片の物理特性が異なると考えられるが、前者の数学モデルしか存在しない。本研究では人工衛星の縮尺模型を用いて実験・分析することで、発生する破片の物理特性を記述する数学モデルを新たに提案する。さらに、この数学モデルを実際に充電池が破裂した人工衛星に適用し、観測と比較することで数学モデルを改良する。

Outline of Annual Research Achievements

ロシア放送衛星EKRAN 2の破壊モード（衛星本体内部に配置された充電池が破裂したことで発生したガス・破片等が衛星本体を内部から完全に破壊したと考えるよりは、衛星本体外側に配置された充電池が破裂したことで発生したガス・破片等が衛星本体を外部から推したために付属物が衛星本体から分離したと考えるのが妥当であること）を検証するために、研究代表者が保有するペガスス天体観測室を使用してロシア放送衛星EKRAN 2の本体と破片の観測を続け、データを蓄積することに専念した。また、ロシア放送衛星EKRAN 2と同じバスを有するEKRANシリーズ17機も同様の破壊モードで破砕している可能性があり、その場合はロシア放送衛星EKRAN 2の本体・破片と同様の光度曲線が得られるかもしれない。逆に、破砕していない場合は正常な形状での光度曲線を得ることができる。そのため、これらの光度曲線を観測し、EKRAN2の本体・破片と比較・検証することに努めた。その結果、EKRAN 2の本体と二つの破片（国際標識1977-092Hと1977-092K）の光度曲線を取得でき、EKRAN 2（国際標識1977-092A）は変光周期が約1分程度であるのに比して、国際標識1977-092Hの変光周期は約10秒程度で、かつ、半周期毎に極大を有する光度曲線であることから表裏で光学特性が異なる平板状の物体であると推測でき、また、国際標識1977-092Kの変光はその周期を特定するのが難しいほど激しいことがわかった。一方、EKRAN 3（国際標識1979-015A）、EKRAN 8（国際標識1982-009A）及びEKRAN 13（国際標識1984-090A）の光度曲線も取得でき、EKRAN 3は約20秒毎に極大となる光度曲線であり、また、EKRAN 8とEKRAN 13の変更周期は長く、100秒以上であることがわかった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和５年度までの観測によって、ロシア放送衛星EKRAN 2の本体・破片は露光時間2秒の間でも著しく変光していることがわかったので、動画を撮影するために口径8インチ、絞りf/2.0の明るい鏡筒を別途導入して、光度曲線の取得にも努める予定であったが、その光学望遠鏡を使うためには、毎回、準備として可動式の三脚と赤道儀を持ち出して調整する必要があり、観測する度に時間をかなり要する。そこで、ペガスス天体観測室付近に赤道儀用ピラー脚を定置することで赤道儀の調整に要する時間を短縮するため、赤道儀用ピラー脚の設置を本学に要望した。しかし、本学が赤道儀用ピラー脚の設置を了承したのは令和６年１２月末であったため、また、業者の対応が遅く、年度内の設置を断念した。
一方、静止軌道領域の宇宙物体を対象としているため、東経131度付近を通過するときしか観測することができない上、天気と研究代表者の都合に恵まれず、ロシア放送衛星EKRAN 2の本体・破片及びロシア放送衛星EKRAN 2と同じバスを有するEKRANシリーズ17機の観測機会に恵まれなかった。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に続き、ロシア放送衛星EKRAN 2の破壊モード（衛星本体内部に配置された充電池が破裂したことで発生したガス・破片等が衛星本体を内部から完全に破壊したと考えるよりは、衛星本体外側に配置された充電池が破裂したことで発生したガス・破片等が衛星本体を外部から推したために付属物が衛星本体から分離したと考えるのが妥当であること）を検証するために、研究代表者が保有するペガスス天体観測室を使用してロシア放送衛星EKRAN 2の本体と破片並びにロシア放送衛星EKRAN 2と同じバスを有するEKRANシリーズ17機の観測を続け、光度曲線データを蓄積することに専念する。昨年度導入した、口径8インチ、絞りf/2.0の明るい鏡筒を研究協力者（名城大学）に譲渡し、本学とは別の場所でも光度曲線を取得できるようにする。また、東京大学木曽観測所シュミット望遠鏡用モザイクCMOSカメラによる可視光広視野動画サーベイ（トモエゴゼン）のデータとペガスス天体観測室及び名城大学での観測とを比較・検証する。最後に、破砕事象ごとの差異（破砕デブリの起源に対する軌道周期や軌道傾斜角の変化量など）を表すパラメータを組み込むことができる階層ベイズモデルに基づいて、ロシア放送衛星EKRAN 2の破壊モードを記述できるようにNASA標準破砕モデルを拡張できないか検討する。

Research Products

• [Presentation] Investigation into Fragmentation of the Russian EKRAN 2 Spacecraft (2024)
  • Author(s): Toshiya Hanada
  • Organizer: 45th COSPAR Scientific Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ロシア放送衛星 EKRAN シリーズの光学観測とその考察 (2024)
  • Author(s): 奥平 清明
  • Organizer: 第68回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Examination of acceleration and debris characteristics of a Mock-up Satellite due to an Explosion (2024)
  • Author(s): Hidehiro Hata
  • Organizer: 第11回スペースデブリワークショップ
• [Presentation] Investigation into Fragmentation of the Russian EKRAN 2 Spacecraft (2023)
  • Author(s): Nagisa INOKUCHI, Hidehiro HATA, Kumi NITTA, and Toshiya HANADA
  • Organizer: The 34th International Symposium on Space Technology and Science, Kurume-Fukuoka, June 3-9, 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ロシア放送衛星EKRAN 2破砕破片の光学観測とその考察 (2023)
  • Author(s): 奥平清明，花田俊也，中島健介，吉村康広
  • Organizer: 日本航空宇宙学会西部支部講演会
• [Presentation] Tomo-e Gozenの観測データからみる静止軌道帯の宇宙デブリ環境 (2022)
  • Author(s): 高橋雄文
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 模擬人工衛星の爆発破砕実験方法に関する基礎研究 (2022)
  • Author(s): 井ノ口凪紗
  • Organizer: 第66回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] ロシア放送衛星 EKRAN 2の破壊モードについて (2022)
  • Author(s): 花田俊也
  • Organizer: 日本航空宇宙学会西部支部講演会(2022)
• [Presentation] 内部爆発エネルギーによる衛星破壊への影響評価 (2022)
  • Author(s): 波多英寛
  • Organizer: 日本航空宇宙学会西部支部講演会(2022)
• [Presentation] 模擬衛星を用いた爆発源位置による影響評価と実例による考察 (2022)
  • Author(s): 波多英寛
  • Organizer: 第１０回JAXAスペースデブリワークショップ
• [Presentation] BATTERY EXPLOSION FRAGMENTATION TEST OF A MOCK-UP SATELLITE (2022)
  • Author(s): Nagisa INOKUCHI
  • Organizer: Hypervelocity Impact Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of Orbit Propagation Error (2022)
  • Author(s): Kazunobu Takahashi
  • Organizer: The 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球影の再現性が軌道計算に与える影響 (2021)
  • Author(s): 高橋雄文
  • Organizer: 第65回宇宙科学技術連合講演会