Active Shape Control of Membrane Space Structures via Distributed Input Utilizing Solar Radiation Pressure

利用太阳辐射压力通过分布式输入对膜空间结构进行主动形状控制

基本信息

批准号：
18J11615
负责人：
高尾勇輝
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，スピンによる遠心力で展開される宇宙膜面構造物に対して，その形状を軌道上でアクティブに制御する方策を与えるものである．前年度は，膜面の変形ダイナミクスの解析的モデルを用いて，構造特性の解析と形状制御システムの構築を行った．これを踏まえて，本年度の研究では，以下に挙げる３つの主要な成果を獲得した．1) 連続体である膜面を多数の粒子で近似する数値解法を用いて，多様な条件下における形状制御のシミュレーションを実施した．有限時間内における粒子分布の推移や振幅スペクトルを観測することで，形状制御の精度や安定性に関する定量的な評価を行った．特に，制御に用いる振動モード毎に異なる特徴があることが分かり，本研究が提案する制御システムの特性を体系的にまとめることができた．2) 直径１ｍ級の大型真空チェンバーを用いて，形状制御の地上実験を実施した．これまでの研究で構築した制御モデルに基づいて，制御装置のハードウェア設計・製作，および制御ソフトウェアの開発・実装を行った．実験では，チェンバー内でポリイミド膜を回転させ，設計した制御則に基づく入力を与え，デプスカメラを用いたリアルタイム形状測定を行った．実験結果は数値解析の結果と良く整合しており，提案手法の妥当性を実証することができたといえる．3) 本研究が扱うアクティブ形状制御手法を応用して，ソーラーセイルの軌道・姿勢運動の同時制御を実現する枠組みを考案した．ソーラーセイルを変形可能な立体構造物に拡張することで，従来と比較して自由度の高いミッション設計が可能となる．この事実を立証するため，リファレンスミッションを設定し，ミッション要求に合わせた軌道設計と最適制御則を導出を行った．本研究の意義は，無限の自由度を持つ宇宙機の軌道・姿勢・構造ダイナミクスを，太陽光圧という単一のリソースで制御することを可能にした点にある．

这项研究提供了一种主动控制轨道上空间膜结构形状的方法，这些结构是通过自旋产生的离心力展开的。去年，我们使用膜表面变形动力学分析模型来分析结构特性并构建形状控制系统。基于此，今年的研究取得了以下三项主要成果。 1) 我们使用数值方法对各种条件下的形状控制进行了模拟，该数值方法近似于具有大量颗粒的连续体薄膜表面。通过观察有限时间内颗粒分布和振幅谱的转变，定量评估形状控制的准确性和稳定性。特别是，我们发现用于控制的每种振动模式都有不同的特征，我们能够系统地总结本研究中提出的控制系统的特征。 2）利用直径1 m的大型真空室进行地面形状控制实验。基于前期研究构建的控制模型，设计并制作了控制装置的硬件，开发并实现了控制软件。在实验中，我们在室内旋转聚酰亚胺薄膜，根据设计的控制律施加输入，并使用深度相机实时测量其形状。实验结果与数值分析结果吻合较好，可以说验证了所提方法的有效性。 3）通过应用本研究中处理的主动形状控制方法，我们设计了一个实现太阳帆轨道和姿态运动同步控制的框架。通过将太阳帆扩展为可变形的三维结构，可以比以前更高自由度地设计任务。为了证明这一事实，我们设置了参考任务，并推导了满足任务要求的轨道设计和最优控制律。这项研究的意义在于，它使得使用单一资源：太阳压力来控制具有无限自由度的航天器的轨道、姿态和结构动力学成为可能。

项目成果

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Active Shape Control of Spinning Solar Sails by Exciting Static Waves: Experimental Study Under Vacuum Environment

激发静波主动控制旋转太阳帆形状：真空环境下的实验研究

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yuki Takao; Masanori Matsushita; Nobukatsu Okuizumi; Yasutaka Sato; Osamu Mori; Jun'ichiro Kawaguchi
通讯作者：
Jun'ichiro Kawaguchi

Self-Excited Oscillation of Spinning Solar Sails Utilizing Solar Radiation Pressure

利用太阳辐射压力旋转太阳帆的自激振荡