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スペースデブリへのランデブ技術の研究

研究の概要

スペースデブリを除去するにあたって、デブリへの安全かつ確実なランデブ(接近)技術が必要となります。JAXAでは宇宙ステーション補給船「こうのとり」の開発を通じて、宇宙空間を飛行するターゲットに対するランデブ技術を培ってきました。 デブリへの接近でもこれらの技術を応用しています。しかし、宇宙ステーションはランデブされることを前提に、いくつものリフレクタや通信機器が取り付けられており、姿勢も制御されているため、ランデブするにあたって有利な条件が整っていました。 一方で、デブリは運用を終了した人工衛星やロケットとなるため、姿勢制御能力は失われており、接近する際の助けとなるようなリフレクタや通信機は搭載されていません。そのためデブリは正確な位置や姿勢を検出することが難しく、 またデブリ捕獲宇宙機は回転しているデブリに対して接近し捕獲する必要があります。これらの課題を解決するために、研究を進めています。

まず、デブリの位置を正確に把握できない問題については2つのアプローチで研究を取り組んでいます。
1つ目のアプローチはデブリを光学カメラで撮像し、画像処理でその位置・姿勢を推定し、またレーザーセンサ等を組み合わせることによって高精度かつ安定的に位置・姿勢を取得できるようにしています。
2つ目のアプローチとしては正確に位置を把握できないことを前提に、捕獲衛星でトラブルが生じたとしてもデブリと衝突する可能性の低い軌道を設計しています。有力な軌道例を図1、2に示します。

図1 スパイラル軌道
図2 V-barホッピング軌道

次に捕獲対象のデブリが回転していて捕獲が困難であることに対する対処方針としては、回転を非接触で減速させる方法を研究しています。具体的には図3に示すように、デブリに対してスラスタのプルームを照射することによって、 デブリの回転が止まる方向にデブリを押すことを検討しています。プルームが押す力・トルクは流体力学をコンピュータで解き、計算しています。

図3 スラスタ噴射によるデブリの回転静止化

研究実績

発表論文
  • Naomi Murakami, Toru Yamamoto, “Rendezvous Strategy for the Active Debris Removal Missions”, Space Debris Workshop, 2016.
  • Toru Yamamoto, Naomi Murakami, Yu Nakajima, Koji Yamanaka, “Navigation and Trajectory Design for Japanese Active Debris Removal Mission”, 24th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD), Laurel, Maryland, 2014.
  • I. Takahashi, H. Kato, T. Yamamoto, M. Hayashi, S. Kawamoto, and H. Takahashi, “Motion Estimation of Axial Symmetry Object for Active Debris Removal Mission”, i-SAIRAS2018.
  • D. Hirano, H. Kato, and T. Saito, “Deep Learning based Pose Estimation in Space”, i-SAIRAS2018.
  • Yu Nakajima, Shinji Mitani, Hiroumi Tani, Naomi Murakami, Toru Yamamoto, and Koji Yamanaka, "Detumbling Space Debris via Thruster Plume Impingement", AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference, AIAA SPACE Forum, AIAA 2016-5660, 2016.
  • Yu Nakajima, Hiroumi Tani, Toru Yamamoto, Naomi Murakami, Shinji Mitani, and Koji Yamanaka, "Contactless Space Debris Detumbling: A Database Approach Based on Computational Fluid Dynamics", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 41, No. 9 (2018), pp. 1906-1918, June 26, 2018.