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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Establishment of Prediction Method of Dynamics of Large Gossamer Multi-body Space Structures ans Understanting of Their Dynamics

Research Project

Project/Area Number 15H04204
Research InstitutionNihon University

Principal Investigator

宮崎 康行  日本大学, 理工学部, 教授 (30256812)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords展開宇宙構造物 / ゴッサマー構造物 / 柔軟多体動力学 / 構造保存解法 / 運動予測
Outline of Annual Research Achievements

H28年度当初の計画に基づき,以下の3つのテーマについて研究を実施した.
【テーマ1】解析コードNEDA3.0の完成とIKAROS2の設計・解析への適用:現有のエネルギ・モーメンタム法をベースとした構造保存型の非線形有限要素法に基づく並列解析コードNEDA2.0を大規模な並列化に対応させたコードNEDA3.0を作成した.このNEDA3.0の特徴は,並列計算ライブラリOpenMPIに対応した,構造領域分割型の並列コードであり,反復計算における感度マトリクスを近似すること,集中質量近似を施すことで,NEDA2.0(JAXAのソーラー電力セイル小型実証機IKAROSの解析に用いた)と比べて並列効率を各段に向上させたものである.これにより,IKAROS2の運動を現実的な時間で解析することが可能となった.ただし,IKAROS2への適用はまだできておらず,解析モデルを作成している段階である.
【テーマ2】自己展開膜面トラスとスピン展開膜の小規模地上試験の実施と相似則構築:当初計画通り,既に定式化済みの相似則の妥当性を実験的に検証し,スピン展開膜については,重要な相似条件を満たしていれば相似性が定性的に成り立つことを見出した.これにより,IKAROS2等,今後の大型スピン膜展開構造の地上実験の新たな方法を見出すことができた.また,これに加えて,自己展開膜面構造の設計法考え,それに基づいて4.4mトラスの展開実験,および,15mブームの伸展実験を実施した結果,展開・伸展は成功し,設計法が妥当であることを示した.
【テーマ3】経験的固有直交分解によるモデル低次元化手法の構築:当初計画通り,IKAROSの低次元化モデルを構築し,IKAROSのノミナル展開運動が10次程度のモードで表現できることを明らかにした.また,それぞれのモードが半径方向の展開スピン等,どのような運動に対応しているかを整理した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究で実施したテーマ1については,NEDA3.0をIKAROS2の設計・解析にまだ適用できていない点が,当初計画よりも遅れている.これは,解析コードにおける拘束条件の組み込み法を工夫し,汎用性のあるコードにする部分に時間を要したことにより,IKAROS2の解析モデルの作成が間に合わなかったためである.
テーマ2については,当初計画通り,相似則の実験検証を完了させただけでなく,相似条件を全て満たさずとも,相似性が定性的に満たされることを実験から見いだせたことは,当初計画以上の大きな成果である.実際,その相似条件とは重力に関する相似条件であり,地上実験では満足することが困難な条件であるため,相似則構築の大きな障壁となっていたが,H27年度の微小重力実験結果とH27,H28年度の地上実験結果とを比較することで,その相似条件の運動への感度が低いことを見いだせたことで,小規模モデルの地上実験の結果から実機の軌道上での運動を予測できることを示せたことは,重要な進展である.また,これだけでなく,バイコンベックスブームを用いた自己展開膜構造の設計法をまとめ,それに基づいて作成した4.4mモデルの展開実験と15mブームの伸展実験に成功したことは,当初計画以上の進展である.
テーマ3についても,当初計画を完了した.特に,IKAROSのモードを明らかにし,特に,主たるモード(運動に対する寄与率が高いモード)がどのような運動に対応しているかを見出すことができたことは,今後のIKAROS2等の設計に重要な指針を与えるものになる.実際,設計パラメータの変動に対するそれらのモードの寄与率の感度を調べることで,各設計パラメータの許容範囲を定量的に示すことができるようになる.
以上より,NEDA3.0のIKAROS2への適用を除いては,全て当初の計画以上に進展しており,総合的にみて,順調に進展している.

Strategy for Future Research Activity

本研究は,大型膜面やケーブルなどのゴッサマー構造と伸展ブームや宇宙機本体などの支持構造から成る大型ゴッサマー多体宇宙構造物の高速・高精度の運動解析理論の構築と,展開などの運動の予測法の確立,それによる運動の本質の理解を目的とし,次の3つのテーマを設定し,実施するものである.【テーマ1】解析コードNEDA3.0の完成とIKAROS2の設計・解析への適用,【テーマ2】自己展開膜面トラスとスピン展開膜の小規模地上実験の実施と相似則構築,【テーマ3】経験的固有直交分解によるモデル低次元化手法の構築.
これらのうち,テーマ1のIKAROS2の設計・解析への適用だけが遅れており,その他は既に完了し,かつ,当初予定以上の結果を得ている.そこで,今後は,テーマ1の完了に向けて集中的に研究を進める.実際,時間を要するのはIKAROS2の解析モデルの作成の部分であり,それは,モデルの妥当性確認を慎重に行う必要があるためであるので,この部分を迅速に行い,テーマ1を完了させる.
と同時に,テーマ2,3を進めていく中で新たに見出された研究課題,その中でも,特に,超小型衛星を用いた自己展開膜構造の宇宙実証方法の提案,拘束条件を考慮した低次元モデルの構築法,相似パラメータの展開運動に対する感度の理論的導出法,および,数値計算による相似則の検証法の構築を研究する.そして,これらを発展させた研究テーマをH30年度に基盤研究(A)や(S)に申請することを念頭に,次世代の先進宇宙構造物システムに関する研究会を立ち上げ,国内の宇宙構造物関連の構造力学・材料工学・制御工学・システム工学の研究者を集める.そこでは,科研費申請に関する議論を行うだけでなく,先進宇宙構造物システムの技術実証や宇宙科学ミッション,地球観測ミッション等への適用を具体的に検討し,それを通じて,今後のこの分野を先導する研究グループをつくる.

  • Research Products

    (18 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Verification of the Similarity Rules for Spin Deployment Membrane in the ground experiment2017

    • Author(s)
      Yuki Tatematsu, Tomohiro Suzuki, Masahiko Yamazaki, Yasuyuki Miyazaki
    • Journal Title

      Proceedings of 4th AIAA Spacecraft Structures Conference, AIAA SciTech Forum

      Volume: 1 Pages: 1-9

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2514/6.2017-1114

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Membrane Deployment de-orbit System by convex tapes2017

    • Author(s)
      Noboru Tada, Shota Inoue, Yasuyuki Miyazaki, Masahiko Yamazaki
    • Journal Title

      Proceedings of 4th AIAA Spacecraft Structures Conference, AIAA SciTech Forum

      Volume: 1 Pages: 1-11

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2514/6.2017-0619

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Deployment Dynamics of Self-Deployable Truss Structure Consisting of Bi-convex booms2017

    • Author(s)
      Akihiro Tamura, Shota Inoue, masahiko Yamazaki, Yasuyuki Miyazaki
    • Journal Title

      Proceedings of 4th AIAA Spacecraft Structures Conference, AIAA SciTech Forum

      Volume: 1 Pages: 1-10

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.2514/6.2017-0175

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 剛体及び剛体拘束系への構造保存型 ANCF の適用2016

    • Author(s)
      菅野宏伸, 宮崎康行
    • Organizer
      第 25 回スペース・エンジニアリング・コンファレンス
    • Place of Presentation
      ホテル亀福(山口県山口市)
    • Year and Date
      2016-12-21 – 2016-12-22
  • [Presentation] ハブに巻き付けられたコンベックステープの剥離条件2016

    • Author(s)
      福永桃子, 宮崎康行
    • Organizer
      第 25 回スペース・エンジニアリング・コンファレンス
    • Place of Presentation
      ホテル亀福(山口県山口市)
    • Year and Date
      2016-12-21 – 2016-12-22
  • [Presentation] Membrane Deployment Deorbit System by Convex Tapes2016

    • Author(s)
      Noboru Tada, Shota Inoue, Yasuyuki Miyazaki
    • Organizer
      Deorbit Device Competition
    • Place of Presentation
      Hotel Longoz (Varna, Bulgaria)
    • Year and Date
      2016-10-17 – 2016-10-23
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微小重力環境下実験を用いた遠心力展開膜面の展開挙動相似則の検証2016

    • Author(s)
      立松 裕基, 鈴木 智大, 山崎 政彦, 宮崎 康行
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] 微小重力環境下でのインフレータブルチューブの伸展挙動解析2016

    • Author(s)
      山田諭, 丸木悠暉, 山崎政彦, 宮崎康行
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] コンベックステープを用いた膜面展開型デオービット機構の開発2016

    • Author(s)
      多田 伸, 宮崎 康行
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] 三次元自己展開トラスの概念と微小重力下における展開特性2016

    • Author(s)
      河原林 大思, 宮崎 康行
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] 微小重力下における自己展開トラス構造の展開挙動2016

    • Author(s)
      田村 明寛, 井上 翔太, 宮崎 康行
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] 航空機パラボリックフライトによる宇宙展開構造物の微小重力環境実験2016

    • Author(s)
      山崎 政彦, 立松 裕基, 田村 明寛, 多田 伸, 山田 諭, 河原林 大思, 鈴木智大, 宮崎 康行, 坂本 啓
    • Organizer
      第60回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道函館市函館アリーナ(北海道函館市)
    • Year and Date
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [Presentation] Similarity Rules for Spin Deployment Membrane2016

    • Author(s)
      Yuki Tatematsu, Tomohiro Suzuki, Masahiko Yamazaki , Yasuyuki Miyazaki
    • Organizer
      8th Asian Conference on Multibody Dynamics
    • Place of Presentation
      金沢都ホテル(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-10
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Report on Microgravity Experiments of Self-Deployable Truss Structure Consisting of BCON Booms2016

    • Author(s)
      Shota Inoue, Akihiro Tamura, Daishi Kawarabayashi, Dan Hyodo, Yasuyuki Miyazaki
    • Organizer
      8th Asian Conference on Multibody Dynamics
    • Place of Presentation
      金沢都ホテル(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-10
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 大型ゴッサマー多体宇宙構造物の運動予測法の確立と運動の理解

    • URL

      http://forth.aero.cst.nihon-u.ac.jp/research_GMD.html

  • [Remarks] 日本大学宇宙構造物システム研究室 発表等

    • URL

      http://forth.aero.cst.nihon-u.ac.jp/publication.html

  • [Remarks] 日本大学研究者情報システム

    • URL

      http://kenkyu-web.cin.nihon-u.ac.jp/Profiles/42/0004156/profile.html

  • [Remarks] 日本大学宇宙構造物システム研究室ホームページ

    • URL

      http://forth.aero.cst.nihon-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2018-01-16  

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