2020 Fiscal Year Annual Research Report
Integrated control system for coupled orbit-attitude-structure dynamics of actively deformable solar sails
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20J01938
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
高尾 勇輝 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特別研究員(PD) (70896654)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ソーラーセイル / 振動解析 / 軌道設計 / 大域的最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請書記載の内容に基づき、大枠として以下に示す2つの成果を獲得した。
A) 本研究が扱う可変構造ソーラーセイルの起点となる、柔軟薄膜構造物の変形ダイナミクスに関する基礎理論の構築を行った。任意の荷重を受ける薄膜の応答変形を記述するにあたり、空間方向に拡張した単位インパルス応答関数（IRF）の解析的表現を獲得した。これにより、セイルに太陽光圧などの外部入力が作用した際の過渡応答を、この拡張IRFとの畳み込み（Duhamel）積分によって瞬時に計算することが可能となった。さらに拡張IRFのフーリエ変換は、任意の入出力位置関係における周波数伝達関数を与え、これによって制御システムとしてのソーラーセイルの構造特性の全容が明らかになった。
B) 軌道・姿勢・構造ダイナミクス統合型制御システムを実現するにあたり、必然的に高次元の設計変数を扱う必要性が生じる。このような大規模問題に対応するために、Meta-Heuristicアプローチを導入したグローバル最適化プログラムの開発を行った。マルチスレッド環境において、ランダム生成された多数の個体群からスレッドごとのチャンピオンデータを抽出し、変異を加えつつ並列的に進化させることで、膨大な解空間の効率的な全域探索を行うというものである。開発した軌道設計ツールは、所属研究機関で進行中の深宇宙探査計画に実際に適用することで、その有効性を検証した。この計画は、ソーラーセイルと電気推進の同時利用という多次元の入力変数を持ち、さらに複数回の天体スイングバイを経て目標へ到達するという複雑なシーケンスで構成されるため、一般にその最適化は大変難しいものとなる。このような大規模問題に対しても、本ツールによって大域的最適解を半自動的に導くことが可能であることが示せた。
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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
当初の研究計画では、採用1年目となる2020年度は、1)軌道・姿勢運動の連成効果を反映したソーラーセイルの振動論の解明、および、2)連成ダイナミクスの統合的制御手法の開発、を行う予定であった。これらのうち、1)については研究実績のA)に対応しており、任意荷重を受ける薄膜の過渡応答を解析的に記述する枠組みを構築できたことから、想定の通りに成果を得ることができたといえる。2)については、新型コロナウイルスの影響で実験設備の利用制限並びに実験系の開発遅延を余儀なくされたため、計画を変更し、当初は2021年度に実施予定であった、グローバル最適な軌道設計に先行して着手した。その結果、実績として国際会議での発表や海外誌へ投稿できるだけの成果が得られている。また、本項目は他の項目と並行して進めることが可能であるため、研究計画の順序を変更したことによる支障はない。以上を踏まえ、予期せぬ計画変更はあったものの、研究計画全体としての進捗は順調であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
採用2年目となる2021年度は、当初1年目に実施予定であった、連成力学系の制御理論に関する研究と、その地上実証実験について重点的に行う。1年目に確立した、任意荷重を受けるソーラーセイルの変形理論を用いて、太陽光圧を介して連成する軌道・姿勢・構造ダイナミクスの連立方程式を立式する。さらに、構造への入力によって連成系の同時制御を行う方策の検討を行う。以上で完成する統合型制御システムの妥当性については、1m級真空チェンバを用いて実験的に検証する。超小型衛星に搭載可能な実ハードウェアを想定した制御装置を開発し、セイルの回転数や荷重条件などの様々なパラメータに対して多面的に機能確認を行う。
次に、上記で構築される軌道・姿勢・構造の連成方程式を、1年目の実績B)で開発した軌道最適化ツールに組み込むことで、本研究の主目的である可変構造ソーラーセイルとしての軌道設計手法が確立される。ここで得られるリファレンス軌道に対して、さらにロバスト制御の考えを適用することで、構造変形に起因するシステム不確定性をも考慮した、ロバスト・最適な誘導則へと昇華する。以上により、可変構造ソーラーセイルによる完全燃料フリーの宇宙航行理論が完成する。
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