小型衛星による大型宇宙デブリ除去を実現する電気推進と大気抵抗を利用した新制御手法

利用电力推进和大气阻力的新控制方法，利用小卫星清除大型空间碎片

• 批准号: 22K14284
• 负责人: 佐々木 貴広
• 金额: $ 2.08万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14284/
• 关键词: 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

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、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、1) 電気推進を用いた適応誘導・制御に関する研究、2) 空力データベースを用いたトルク平衡姿勢の安定性解析、の2つの課題に取り組んだ。これら2つの研究テーマから得られた成果により、高度400km以上の高高度における電気推進を用いたモデル誤差を考慮した軌道降下および、高度400km以下の低高度における大気抵抗を活用した軌道降下について、それぞれ小型衛星で実現可能な見込みを得ることができた。

清除大量碎屑，可有效抑制太空浪费的增加（碎屑），需要降低成本才能连续实施，并且重要的是要用小型卫星来实现它。但是，由于在很长一段时间内保留在太空中的高轨道高度处存在大碎片，因此可以大大减少可重新输入并丢弃到地球的能量量很大，并且由于大气在高海拔高度较薄，因此使用防空的拖曳帆，不能使用。因此，使用小型卫星实现它存在重大的技术障碍。但是，诸如最近的电推进的微型化以及取消空气动力扭矩的平衡态度之类的新研究结果开辟了一个世界，在该世界中，可以使用小卫星可以去除大碎片。因此，本研究的目的是估算质量特征，这些特征在与大碎片结合后发生巨大变化，从而通过估算小型电推进和保持平衡姿势来积极利用大气耐药性，并为指导和控制定律建立设计方法，这些定律可用于不确定的建模和内在干扰。为了实现上述目标，我们今年解决了两个问题，如最初计划的研究计划：1）使用电力推进的自适应指导和控制研究，以及2）使用空气动力学数据库对扭矩平衡姿势的稳定性分析。从这两个研究主题中获得的结果是通过小型卫星获得的，可以通过使用电动推进在400 km或更高的高海拔高度的电动推进方面来实现，以及使用空气阻力在400 km或更少的低海拔地区使用轨道下降。

项目成果

Adaptive Thrust Vector Control for Deorbiting Space Debris Using a Gimbaled Thruster

使用万向推进器使空间碎片脱离轨道的自适应推力矢量控制

• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of Evolving Space Activities
• 作者: Takahiro SASAKI;Hiroyuki OKAMOTO;Yu NAKAJIMA;Ryo NAKAMURA;Toru YAMAMOTO
• 通讯作者: Toru YAMAMOTO

Adaptive Control/Steering Design for Deorbiting Space Debris with Hybrid Actuators Configuration

具有混合执行器配置的空间碎片脱轨自适应控制/转向设计

• 发表时间: 2023
• 作者: T. Sasaki;R. Nakamura;T. Yamamoto
• 通讯作者: T. Yamamoto

Requirement Optimization of Proximity Operations for Active Debris Removal Missions Considering Both GNC and Capture System Constraints

考虑 GNC 和捕获系统约束的主动碎片清除任务的邻近操作需求优化

• 发表时间: 2023
• 作者: T. Sasaki;R. Nakamura;H. Okamoto;Y. Nakajima;T. Nishishita; N. Tanishima;H. Umeda;S. Takatsuki;T. Kobayashi
• 通讯作者: T. Kobayashi