名古屋大学 - 航空宇宙機運動システム工学研究グループ

研究の概要

宇宙機力学からの視点によるユニークな能力の獲得と利用拡大を目指す

超小型衛星の特徴を生かすには通常サイズの衛星による従来手法をただ小型化するだけではなく、小型になるほど影響が大きくなる①現象を見出し②応用する事による、超小型ならではのユニークな能力の獲得が必要になると考えています。本グループでは宇宙機が小型になるほど宇宙環境の影響を大きく受ける傾向にある事に注目し、この宇宙環境を宇宙システムの制御に応用して少ないリソースで高機能な超小型衛星バスシステムの構築を目指します。さらに、これら超小型衛星ならではの技術を駆使した宇宙利用に関する研究を進めます。

宇宙環境が宇宙機の姿勢・軌道に与える影響の解明と応用

(超)小型宇宙機が大きな影響を受ける宇宙環境(特に磁場と宇宙プラズマ)に注目して、超小型宇宙機のa.能力とb.利用の拡大を目指します。特に超小型宇宙機の姿勢軌道制御能力の獲得・改善による宇宙利用拡大を狙います。その他、宇宙システムの研究を実施します(C&DH、熱構造、通信、宇宙システム設計、宇宙利用など)。また、検討のみに終わるのではなく実際に宇宙システムの設計と開発を実施し、提案手法についての宇宙実証にも挑戦したいと考えています。

宇宙機の軌道制御

磁気プラズマデオービット

姿勢制御用磁気トルカを軌道制御に応用する　

増加し続けるスペースデブリを抑制するため、運用を終了した低軌道人工衛星は、25年以内にデオービット（地球大気圏への再突入）をしなければならないという国際的ルールが定められています。これは近年需要が増加している超小型衛星でも例外ではありませんが、超小型衛星は質量や体積、電力消費に厳しい制約を持つため、軌道制御能力を持たず、この25年ルールを満たすことができないという問題がありました。そこでこの問題に対する解決策として、既存の衛星搭載機器を用いた手法である、「姿勢制御用磁気トルカを用いた磁気プラズマデオービット」を提案しています。この手法は、小型衛星の姿勢制御で標準的に利用されている磁気トルカと低軌道上に存在する宇宙プラズマの干渉により、抗力を発生させるものです．。本研究では、この磁気プラズマデオービットにより衛星の軌道がどのように変化するのか、また、磁気トルカを制御することによりデオービット時間を短縮することができないかについて検討をしています。また、このプラズマ抗力を衛星の編隊飛行の形成や維持に使用できないかについても検討を進めています。

宇宙機の姿勢制御

惑星間磁場を活用した姿勢変更

近年、より小型の宇宙探査機が提案され検討が進んでいます。本研究では惑星間磁場に着目し宇宙機の磁気モーメントと作用させて、姿勢を変更したり角運動量を管理する手法について検討しています。

形状異方性による磁気トルク

小型衛星の受ける磁気の力を明らかにする　

慣性モーメントが小さな小型衛星では磁気トルクをはじめとする宇宙環境トルクからより大きな影響を受けると考えられます。特に衛星コンポーネントに含まれる磁性体の形状異方性により生じる磁気トルクに注目しています。これは地球磁場により励起される磁気モーメントから生じ、非対称性の高い形状の磁性体ほど大きくなります。これまで磁気トルクは残留磁気モーメントにより生じるものがよく検討されてきましたが、この形状異方性による効果も大きいことが分かり、姿勢制御精度を劣化させる可能性があることが分かりました。この形状異方性により生じる磁気トルクの解明により、小型衛星の姿勢決定・制御精度の向上を目指します。

宇宙システム

自律的な画像認識による効率的なリモートセンシング　

国土管理、森林管理、水資源管理、食料安全保障といった様々な目的で、人工衛星によるリモートセンシングが幅広く利用されています。このような状況において特に可視光におけるリモートセンシングにおいて雲といった障害物を避けつつ広い領域の情報を効率的に取得できる手法が必要となります。本研究では、自律的な画像認識により観測目標を認識し効率的なリモートセンシングを達成することを目的としています。本研究では雲の検知のためにCNN（Convolutional Neural Network）を用い、観測目標を直接検知するのではなく観測を妨げる雲を検知することでアルゴリズムを軽量化し、人工衛星の計算速度が遅い搭載計算機に実装可能としました。次に得られた雲情報と軌道情報を合わせることにより観測目標を検知することを検討しました。特に今回の姿勢変更では磁気アクチュエータより生成した磁気モーメントと地球磁場を作用させて行うことを考え、構築したアルゴリズムを小型衛星に実装し、軌道上実証の準備を進めました。本研究は、公益財団法人 JKA 2022年度機械振興補助事業研究補助「2022年度　衛星リモートセンシングを目的としたリアルタイム軌道上画像認識に基づく自律的姿勢制御補助事業」の支援を受け実施したものです。

CubeSat級超小型衛星での軌道・姿勢制御能力を高めた衛星間通信　

複数機の小型の衛星の協調動作による地球観測など新たな宇宙利用のため、CubeSat級の超小型衛星において自律的な衛星間通信の手法の構築が求められています。従来、CubeSat級サイズの衛星ではその小さいスケールゆえに制御機器の搭載が困難なことがあります。本研究では、従来、外乱として扱われてきた小型の衛星ほど影響が大きな宇宙環境にて生じる力を利用し、軌道・姿勢を自律的に決定し衛星間通信のためのアンテナ方向を制御する手法の構築を進めています。本研究は、公益財団法人 JKA 2023年度機械振興補助事業研究補助「2023年度 CubeSat級超小型衛星での軌道・姿勢制御自律化による衛星間通信の開発研究補助事業」の支援を受け実施したものです。

宇宙環境力を用いた宇宙膜構造の新たな姿勢制御手法　

電磁力を用いて宇宙膜構造を展開・姿勢変更する　

宇宙膜構造の展開や姿勢変更について電磁力を用いた新たな手法を検討しています。提案手法では銅フィルムを膜構造に配置し、フープ応力や宇宙環境磁場とのローレンツ力を用いて膜構造を展開、姿勢変更します。電流を変化させることにより展開力を調整することや、姿勢を変更することができます。宇宙膜構造に新たな機能を持たせることも検討しています。

磁気ドッキングシステム

小型宇宙機の多数機運用を容易に　

近年、多数の小型宇宙機を一つのシステムとして運用する際の重要な一つの技術として衛星のドッキングが挙げられます。質量やスペースの制約が厳しい小型衛星においてドッキングを達成するために、シンプルな磁石や磁性体を用いて誘導、結合把持、分離を1つのコンポーネントで達成できないか検討しています。より容易に複数宇宙機を用いたミッションの達成を目指しています。

修士・学士論文

地球低軌道衛星における磁性体形状異方性に注目した受動的姿勢制御,　長尾茉奈
超小型衛星における宇宙プラズマ抗力を用いたデオービット,　松澤真司
地球低軌道における環境磁場を用いた宇宙膜構造物の展開,　山田裕己