Integrated control system for coupled orbit-attitude-structure dynamics of actively deformable solar sails

主动变形太阳帆轨道-姿态-结构耦合动力学集成控制系统

基本信息

批准号：
20J01938
负责人：
高尾勇輝
金额：
$ 3.33万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、太陽光の輻射圧を受けて推進力を生むソーラーセイルに変形機能を持たせ、連成する軌道・姿勢・構造ダイナミクスの統合制御による新しい宇宙航行システムを実現するものである。昨年度までに、A) 連成力学系の解明と統合制御モデルの構築、B) 大域的軌道最適化に基づく宇宙航行論の確立、という2つの主要研究成果を獲得した。研究計画に従い、本年度はC) 実ミッションへの応用研究、を重点的に実施した。所属研究機関であるJAXA宇宙科学研究所では、小惑星探査機はやぶさ２の後継にあたる次世代小天体サンプルリターンミッションの検討が行われている。本ミッションでは、目標天体までのペイロード輸送を担う往還機（親機）と、サンプル採取などの探査を行う着陸機（子機）の複数機構成をコンセプトとしている。本研究では、小天体における科学をさらに充実させるためのオプションとして、変形可能なソーラーセイルを装備した孫機の搭載を提案している。低高度の小天体周回軌道に投入することで、高解像度のグローバルマッピングや地下レーダー探査といった活用が期待される。はじめに、ソーラーセイルのアクティブ変形による周回軌道制御の検討を行った。周回軌道として有名なターミネータ軌道を対象に、軌道投入誤差がある場合はいずれ小天体へ落下してしまうが、本研究が提案する可変構造ソーラーセイルを用いて長期的な軌道維持が可能であることを示した。続いて、複数のソーラーセイル孫機を展開することによる小天体コンステレーションの検討も行った。ソーラーセイルなどの膜構造と相性の良い平面型フェーズドアレイアンテナを用いて、電波航法による軌道決定も組み込んだ実践的なコンステレーション形成のための解析を行った。以上の通り、申請書に記載した研究計画に従い可変構造ソーラーセイルによる宇宙航行システムを確立し、その幅広い応用可能性についても示すことができた。

这项研究旨在通过在太阳帆上添加变形功能来响应太阳辐射压力而产生推进力，通过耦合轨道、姿态和结构动力学的集成控制来创建一种新的空间导航系统。截至去年，我们已取得两项重大研究成果：一）耦合动力系统阐明及集成控制模型构建；二）基于全球轨道优化的空间导航理论建立。按照研究计划，今年我们的重点是C）实际任务的应用研究。我所属的日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宇宙航空科学研究所目前正在考虑接替隼鸟2号小行星探测器的下一代小型天体样本返回任务。该任务的概念是采用多飞行器配置：将有效载荷运送到目标天体的返回飞行器（主飞行器）和进行采样等探索的着陆器（子飞行器）。在这项研究中，我们建议安装一台配备可变形太阳帆的孙机器，作为进一步加强小天体科学研究的一种选择。通过将其放置在低空围绕小天体的轨道上，预计将用于高分辨率全球测绘和地下雷达勘探。首先，我们研究了利用太阳帆主动变形的轨道控制。以终结者轨道为目标，也就是著名的轨道，如果出现轨道插入误差，最终会落入一个小天体，但利用在这项研究表明。接下来，我们还考虑通过部署多个太阳帆后代来创建一个小天体星座。使用与太阳帆等膜结构兼容的平面相控阵天线，我们对实际星座形成进行了分析，其中还结合了无线电导航的轨道确定。如上所述，我们能够根据申请中所述的研究计划建立使用变结构太阳帆的空间导航系统，并展示其广泛的潜在应用。

项目成果

期刊论文数量（16）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Deep Space Exploration Missions by a Micro Solar Sail Using Hybrid Propulsion

使用混合推进的微型太阳帆进行深空探索任务

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yuki Takao; Toshihiro Chujo
通讯作者：
Toshihiro Chujo

Delta-V Earth-Gravity-Assist Trajectories with Hybrid Solar Electric-Photonic Propulsion

采用混合太阳能电光子推进的 Delta-V 地球重力辅助轨迹

DOI：
10.2514/1.g006136
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yuki Takao; Tochihiro Chujo
通讯作者：
Tochihiro Chujo

スピン型ソーラーセイル形状制御装置の開発状況

自旋式太阳帆形状控制装置的发展现状

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
高尾勇輝;森治;渡邊秋人;武井祥平;江川主民;藤井樹里
通讯作者：
藤井樹里

ソーラーセイルを用いた自律飛行型ターゲットマーカの研究開発

利用太阳帆自主飞行目标标记器的研发

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
高尾勇輝;森治;渡邊秋人;武井祥平;江川主民;藤井樹里;楠本哲也;杉原アフマッド清志;大木優介;菊地翔太
通讯作者：
菊地翔太

Active Shape Control of Membrane Structures Using Spin-Synchronous Vibrations

利用自旋同步振动对膜结构进行主动形状控制

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yuki Takao; Osamu Mori; Masanori Matsushita; Nobukatsu Okuizumi; Yasutaka Satou; Jun'ichiro Kawaguchi
通讯作者：
Jun'ichiro Kawaguchi