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スペースデブリの捕獲技術の研究

研究の概要

寿命を終えたり故障した宇宙機はスペースデブリとなり、他の運用中の衛星と衝突する可能性があるため、安全な宇宙活動を進めるリスクとなっています。スペースデブリの捕獲技術を獲得することによって、そのリスクを低減することはもとより、 将来的には軌道上での宇宙機の「リサイクル」の実現を視野に入れることができます。

大型スペースデブリの捕獲技術は宇宙ステーション補給機「こうのとり」等で技術開発されたランデブドッキング技術の応用になりますが、以下の比較項目に見られるように、新たな技術課題を有しています。

  1. 従来ランデブ対象はターゲットマーカを具備しているのに対し、スペースデブリの捕獲ではそれがないために、画像処理等を行って捕獲対象との相対位置を検出しなければならない。
  2. 従来ランデブドッキング対象はドッキングポートを有しているのに対し、スペースデブリの捕獲ではそれがない。
  3. 従来ランデブドッキング対象は国際宇宙ステーションなど制御されている宇宙機であるのに対し、大型スペースデブリは制御不能であり、回転していることが想定される。

そこで、JAXAではスペースデブリへのランデブ技術の研究を進めると同時に、捕獲機構、および、捕獲制御方法の研究を行っています。
開発中の捕獲機構(図1)は、大型スペースデブリが共通して有しているロケット/衛星分離時の金属アダプタ(Payload Adapter Fitting / PAF)、および、 円筒形のロケットエンジンノズルを把持することができます(図2:ロケット上段を捕獲する場合の捕獲箇所)。
この捕獲機構の特徴としては、腱駆動を行っており、高伸展率と質量削減を実現しています。また、その捕獲機構はスペースデブリと剛結合します。その理由は捕獲後に大型デブリ除去を地球上の狙った場所に落下させる制御を掛けるためです。 その他にも力覚制御や接触状態推定の研究やバックアップの捕獲機構の検討を実施しています。

図1 捕獲機構(伸展前/後)
図2 スペースデブリの捕獲箇所~ロケット上段の場合

研究実績

発表論文
  • Nobutaka Tanishima, Daichi Hirano, Tsumaki Toshimichi, Hiroki Kato, " Concept and Mechanism of the Tendon Actuated Versatile Debris Gripper", in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), 2017, pp. 2129-2135.
  • Daichi Hirano, Hiroki Kato, Tatsuhiko Saito, "Online Path Planning and Compliance Control of Space Robot for Capturing Tumbling Large Object", in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018.
  • Hiroki Kato, Daichi Hirano, Jun Ota, "Collision-based Contact Mode Estimation for Dynamic Rigid Body Capture", in Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Brisbane, 2018, pp. 881-888.
  • Daichi Hirano, Yu Nakajima, Hiroki Kato, Takahiro Nozaki and Kouhei Ohnishi, “Reaction Force Observer for a Free-Floating Robot”, in Proceedings of International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS), Madrid, 2018, pp. 881-888.
  • K. Shibasaki, W. Oobayashi, et. al.. “Conceptual study of Mechanical and Sensing System for Debris Capturing for PAF”, Proceedings of the 7th Space Debris Workshop, JAXA, pp.271-288, 2016.
  • T. Mataki, Y. Akahoshi, T. Koura, Y. Kitazawa, K. Shimamura, T. Izumiyama, K. Hashimoto, S. Kawamoto, J. Aoyama, T. Fukuta, “Evaluation of Harpoon Tips for Debris Capture”, Trans. JSASS Space Tech. Japan Vol. 14 (2016) Issue ists30 Pages Pr_33-Pr_37.
特許(公開)
件 名 出願人 出願日 番 号
デバイス固定装置および
これを備えるデバイス
JAXA・川崎重工業 2013年5月20日 特開2014-228025
スペースデブリ捕獲装置及び
スペースデブリ除去装置
IHI・JAXA 2017年1月20日 特開2018-114932
ロボット、把持システム JAXA 2017年5月26日 特願2017-104821
接触モード推定装置 JAXA 2018年5月18日 特願2018-096291