HTV搭載導電性テザー実証実験の検討状況について

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ゆきあると
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1 資料 12-5 科学技術学術審議会研究計画評価分科会宇宙開発利用部会 ( 第 12 回 )H HTV 搭載導電性テザー実証実験の検討状況について平成 25(2013) 年 9 月 4 日宇宙航空研究開発機構執行役伊東康之 HTV 搭載導電性テザー実証実験推進チーム長井上浩一

2 本資料の目的スペースデブリ (*) の除去に必要とされる主要技術として JAXA では導電性テザーを使ったデオービット技術の研究を進めており宇宙ステーション補給機こうのとり (HTV) を使った導電性テザーの原理実証 ( HTV 搭載導電性テザー実証実験 ) を計画している HTV 搭載導電性テザー実証実験のこれまでの検討状況について報告する (*) スペースデブリとは地球の周回軌道上にある不要になった人工物体すなわち宇宙のゴミ使用済みロケット上段人工衛星それらの破片等 1

3 背景および JAXA の検討状況今後も宇宙開発を継続するためには混雑軌道に廃棄されたロケット上段等大型デブリに接近推進系取付軌道上から除去するデブリ除去衛星が必要参考 -1 デブリ除去の必要性世界的にもデブリ低減の要請は高まっておりまた宇宙基本計画および中期目標においてもデブリ除去技術に関し記述されている参考 -2 スペースデブリ除去技術の実証に取り組む意義そこで JAXA は低コストのデブリ除去実現のために有望と考えている導電性テザーを用いたデブリ除去の技術開発に取り組んでいる参考 -3 デブリ除去用推進系のトレードオフ参考 -4 導電性テザーによるデブリ除去の原理以上を踏まえると平成 27(2015) 年度に予定されている HTV6 号機の飛行機会を活用し世界に先駆けてデブリ除去に関する主要技術の原理実証を行うことはその後のデブリ除去システムの技術を実現する最初のステップとして意義は大きい 2

相互に姿勢を制御していた 1 光学カメラ等を用いた除去対象への非協力接近技術 2 高精度の制御を不要とする推進系取付方法 ( 伸展ブーム銛等 ) およびそのための相対距離姿勢推定技術 3 燃料大電力不要の導電性テザー (

4 導電性テザーを用いたデブリ除去のプロセスと技術課題デブリは自由運動をしており軌道上での捕獲が考慮されていないためその除去のためには 1 非協力物体 (*) への接近 2 近傍作業 ( 運動推定推進系取付 ) 3 軌道上からの除去等の技術的な課題がある上記を実現するための技術を研究中 (*) 非協力物体とはランデブドッキングを実施するための能力機器を有さない物体のことランデブドッキング実験を行った ETS-Ⅶ(1997 年打上 ) ではターゲット衛星チェイサ衛星双方にドッキングに必要な機器を搭載し相互に姿勢を制御していた 1 光学カメラ等を用いた除去対象への非協力接近技術 2 高精度の制御を不要とする推進系取付方法 ( 伸展ブーム銛等 ) およびそのための相対距離姿勢推定技術 3 燃料大電力不要の導電性テザー ( 微小推力のため2の推進系取付も難易度低下 ) 等 2 デブリ近傍作業軌道投入非協力対象であるデブリへの接近 1 非協力接近運動推定混雑軌道の既存デブリ推進系取付 ( テサー取付 ) デブリ除去機は次のデブリへ 3 軌道上からの除去導電性テザーによるデブリの軌道上からの除去デブリ除去機打上 3

5 実証実験の検討状況実証実験計画現在検討中の実験ミッションではデブリ除去実現に必要な技術 1 非協力物体への接近 2 近傍作業 ( 運動推定推進系取付 ) 3 軌道上からの除去のうちまずは3 軌道上からの除去のための導電性テザー (EDT) 技術の範囲について HTVを利用してベアテザー ( 被覆のない裸テザー ) の伸展と電流駆動の軌道上実証を計画導電性テザーによるデブリ除去実現に必要となる要素技術非協力接近技術非協力対象であるデブリへの接近接近センサ接近アルゴリズム運動推定技術近傍作業デブリ運動推定センサ画像処理アルゴリズム運動モデル推進系取付作業推進系取付技術 ( 近距離用センサ軌道制御含む ) 導電性テザー技術軌道上からの除去技術 : 導電性テザーの技術実証 ( 長さ 700m 電流 10mA) 導電性テザー技術ベアテザーの伸展抵抗電界放出型電子源特性実証実験の範囲軌道上からの除去技術として EDT が使用できることが実証できれば 2 の推進系取付技術への要求レベルを大きく低減することができるまたデブリの軌道変換のための大量の燃料も不要となり衛星システムも大きく変わるため早期に実証する意義は大きい EDT=Electrodynamic Tether 4

6 HTV による導電性テザー実証実験の概要ミッション概要 HTV から反地球方向にエンドマスを放出しテザーを伸展 HTV の ISS ドッキング用ランデブセンサを利用してエンドマスの運動を計測 HTV 側に搭載した電子源からの電子放出によりテザーに電流を流し導電性テザー (EDT) 実用化に必要な技術を実証 HTVからの電力通信の供給ランデブセンサの活用により簡素なEDTシステムを構成可能スケジュール平成 27(2015) 年度打上げ予定のHTV6 号機に搭載し実証予定資金規模総額約 13 億円項目値ミッション主要諸元テザーエンドマス e e 電流軌道ミッション期間 ISS 軌道下方 20km 以上 ( 高度 350~440km 円軌道傾斜角約 51.6 ) 7 日程度 HTV テザー伸展長 700 m( 注 1) テザー電流最大 10 ma ( 注 2) ミッション機器質量 45 kg ( エンドマス :20 kg HTV 側 :25 kg) ミッション機器電力 W ( エンドマス :0 W HTV 側 : W) 電子源 e e ( 注 1) テザーダイナミクス評価可能な長さ且つランデブセンサ計測レンジ上限の 2 つの観点から 700m スペック上は 730m ( 注 2) 自然電流と比較して十分大きい電流且つ現在の電子源の能力制限の 2 つの観点から 10mA と設定 5

7 実証実験システムの概要宇宙プラズマからの電子収集誘導起電力発生ローレンツ力発生長さ 700m 保持放出機構バネリール芯 X X Z テザー分離前のエンドマスを保持しバネによりエンドマスを 1m/s 以上で放出 Y データ処理装置電力分配器磁気センサリフレクタランデブセンサ用光学カメラテザー切断機構エンドマスブレーキスプールエンドマス放出直後の運動を計測ランデブセンサ (HTV 機器 ) 電子源スプールリールにより伸展前のテサーを格納ブレーキリールにより緩やかに伸展終了エンドマスの運動を計測静電プローブ機能付き帯電電位モニタ宇宙機絶対電位およびプラズマ物理量を簡易計測宇宙空間に 10mA 級の電子を放出しテザーに電流を流す 6

8 HTV 運用中の実験タイミング実証実験運用の概要 ISSへの物資補給を目的とするHTVミッションであることを踏まえ NASAとの協調統合運用フェーズ終了後の7 日程度の間でEDT 実証を実施 EDT 実証実験後テザーを切り離してからHTVは大気圏再突入 Reentry Phase ISS Departure Proximity Phase Operation Phase Rendezvous Phase Launch Phase ISS AI ISS Orbit Altitude km X DOM3 DOM2 DOM1 DSM2 DSM1 HAM2 HAM0 CM3 CM2 M3 PM2 協調統合運用終了後の再突入マヌーバー前に EDT 実証実験を行う CM1 Phase Adjusting 2 協調統合運用フェーズ M2 HAM1 Phase Adjusting 1 PM1' M1 PM1 300km Injection to Orbit Re-entry Altitude:120km Z 200km EDT 実証実験シーケンス ( ミッション期間 :1 週間程度 ) チェックアウトエンドマス分離テザー伸展 (1 日 ) テザーダイナミクスと誘導起電力の計測 (1 日 ) テザー電流の駆動 (2~3 日 ) テザーダイナミクス評価と推力測定 (2~3 日 ) テザー切断 7

9 クセスレベルエクストラササクセスクライテリア (1/2) イベントエンドマス放出テザー伸展後ダイナミクスと電圧発生評価物理現象テザー伸展テザー振動テザー電圧発生形態エンドマス HTV ( 注 1) 誘導起電力ミニマムテザー伸展特性取得 400 m 以上のテザー伸展テザー伸展終了後のエンドマス位置の捕捉有意なテザー電圧発生の確認フルテザー伸展時の振動特性取得ブレーキ機構の有効性確認 700m のテザー伸展テザー振動特性取得テザー電圧発生の特性取得 ( 注 1) 誘導起電力 =HTV 軌道速度地球磁場テザー長 8

10 クセスレベルエクストラササクセスクライテリア (2/2) イベント電子源作動物理現象電子放出電子収集推力発生 ( 注 2) エンドマス形態 e- e- HTV 電流 e- e- 電流推力 e- e- e- e- ミニマム EDT の電流駆動原理の確認 ( 自然電流と識別可能なテサー電流 (4mA 以上 ) 駆動 ) ( プラズマへの電子放出確認 ) ( プラズマからの電子収集確認 ) フル電子源制御手法の有効性確認 ( 自律制御による電子源動作 ) テザー電流と HTV 電位の相関特性取得 ( エンドマス位置とテザー電流電圧の計測 ) EDT 推力発生原理の確認 ( エンドマス位置とテザー電流電圧の計測 ) プラズマへの電子放出特性取得 ( 電子源電流 HTV 電位プラズマ電流の計測 ) プラズマ電子収集モデルの確認 ( テザー電流電圧プラズマ電流の計測 ) EDT 推力の実測 ( 有意なテザー振動角変化の計測 ) ( 注 2) 推力 = テザー電流地球磁場テザー長 9

11 これまでの検討状況 1. テザー実証実験方法のトレードオフ 1 HTV ロケット上段小型衛星(300kg 級 ) を用いた場合にそれぞれ実証可能な技術項目利点課題コスト等を評価し以下の利点から HTV 搭載型導電性テザーを選定した A) 地上との通信電力供給常時可視が可能 B) HTVランデブーセンサの活用等実験システムの簡素化が可能 C) 確実な打上げ機会がある 2. HTV6 号機への搭載可能性検討 1 重量 : ミッション機器は50kg 程度であり 6 号機に搭載予定のペイロード総重量の余裕内に収まる見込み 2 機械的インタフェース熱的インタフェース : ミッション機器の形状や発熱量について HTVシステムへの影響を検討した結果大きな問題は無い 3 電気的インタフェース : テレメトリコマンド電源は既存のHTV 余剰リソースを流用することでミッションを成立させることが可能な見込み 4 HTV 本来のミッション達成と安全性確保を最優先し HTV 本体からミッション機器側への種々の安全要求を実現可能と判断 10

12 概略スケジュール概略スケジュール導電性テザーや電子源は研究モデルの試作および評価を実施済み平成 26 年度はフライト品の製造を実施し並行してHTV 機体改修を実施平成 27 年度に全機組立を行い打上げ予定項目年度 FY2012 FY2013 FY2014 FY2015 (FY24) (FY25) (FY26) (FY27) 主要マイルストーン HTV6 打ち上げ HTV6 号機機体製作試験 ( 改修含む ) 射場作業ミッション機器開発概念検討概念設計基本設計詳細設計製作試験 11

13 開発体制電源グループ静電プローブ機能付き帯電電位モニタ開発有人宇宙ミッション本部ミッション機器開発インテグレーションメーカその他の専門技術グループ九州工業大有人システム安全ミッション保証室導電性テザー開発電子源開発カメラ開発未踏技術研究センター研究開発本部実証実験推進チーム DHU/PCU 開発エンドマス開発電子源カバー開発ミッション機器インテグレーション HTV システムメーカ HTV 改修システムインテグレーション宇宙実証研究共同センター磁気センサ開発東京理科大安全管理支援全体管理ミッション系取りまとめインタフェース調整テザー潤滑試験等支援ミッション機器開発支援テザー試験静電プローブ機能付き帯電電位モニタ開発支援 JAXA 直接調達分インテグレータ分技術的支援衛星構造機構グループ宇宙船技術センター 12

14 参考資料

15 参考 -1 デブリ除去の必要性 (1/2) カタログ化された人工物体数の推移 ( 地上から観測追跡可能な物体 : 約 10cm 以上 ) 2013 年 8 月現在個物体合計数爆発破片類宇宙機分離放出部品類ロケット上段機体ロシアの軍事通信衛星とイリジウム社の通信衛星との衝突 ( ) 中国の衛星破壊実験 ( ) 出典 : Orbital Debris Quarterly News Volume 17, Issue 1 January

16 参考 -1 デブリ除去の必要性 (2/2) ESA NASA 等の共通認識 (IADC: 国際機関間会議等で 6 機関で問題共有 ) 今後打上げ機をミッション終了後に軌道から除去してもデブリは自己増加デブリ抑制のためには現存のデブリ除去が必要衝突により大量の破片デブリが発生する前にその発生源となる混雑軌道の大型デブリを除去する必要 ( 数mm ~ 数 cm の破片デブリは衝突回避は困難 ) 低軌道の 10cm 以上のデブリ数デブリの自己増加の解析出典 : IADC 12 08, Rev.1 January, Stability of Future LEO Environment, Working Group 2 Action Item 27.1 IADC での 6 機関による比較西暦今後ミッション終了後軌道上から除去しても高度 700~1000km付近で4 年から9 年に一度重大衝突が発生しデブリが増加していく (6 機関の予測が一致 ) 出典 : Orbital Debris Quarterly News Volume 12, Issue 4 October 2008 Effective Number of Objects (>10 cm) LEO Environment Projection (averages of 100 LEGEND MC runs) PMD PMD + ADR02 PMD + ADR Year PMD:Post mission Disposal( 運用を終了した衛星やロケットの軌道からの離脱 ) ADR:Active Debris Removal( 能動的なデブリ除去 ) NASA は年間 5 機ずつデブリを除去すれば環境が維持できると予測 15

17 参考 -2 スペースデブリ除去技術の実証に取り組む意義 1. 国際的な動向国連宇宙空間平和利用委員会や国際機関間スペースデブリ調整委員会においてもスペースデブリ低減に向けた議論やガイドラインの策定などが進められているまた欧州連合 (EU) 主導の下宇宙活動の国際行動規範策定に向けた多国間での議論も開始されているデブリ除去技術に関しても欧州宇宙機関 (ESA) は Clean Space イニシアチブの中で 2020 年頃の技術実証を想定してデブリ除去ミッションの設計を実施中である他フランスドイツカナダ等の各国宇宙機関も産業界と共にデブリ除去技術の検討を進めているまた米国も新宇宙政策にデブリ除去の研究開発について明記している 2. 宇宙基本計画および中期目標における位置付け宇宙基本計画において今後国際的な連携を図りつつ我が国の強みをいかし世界的に必要とされるデブリ除去技術等の開発を着実に実施するとされているまた独立行政法人宇宙航空研究開発機構が達成すべき業務運営に関する目標 ( 中期目標 ) においても同様な記述があり着実な技術開発を進めていくことは国の政策である 16

18 参考 -3 重量増加 COSMOS 3M の場合 * ADEOS の場合全増加分うち推薬分全増加分うち推薬分電力供給の要否長所問題点デブリ除去用推進系のトレードオフ導電性テザー (EDT) イオンエンジン固体ロケットエンジンシステム一液式推進システム ( ヒドラジン ) 約 30 50[kg] 49.5[kg] 106[kg] 106.1[kg] 672m 2 7.8[kg] 98.8[kg] 約 30 50[kg] 50.6[kg] 126[kg] 126.6[kg] 230m 2 8.8[kg] 115.9[kg] 起動時に必要電力供給で加速可推薬大電力不要再突入まで可微小推力なので取付容易実績がないデブリによるテザー切断運用衛星へのリスク常時大電力が必要空気抵抗増大型 (0.48m 2 /kg) が必要 (0.068m 2 /kg) が必要点火時に必要常時必要展開時に必要比推力高シンプル実績多数シンプル運用不要所要電力大ガス供給系等搭載機器数が多い重心位置把握スピンアップ要スラグがデブリとなる問題重心位置把握比推力低重心位置把握高高度大型衛星には巨大な面積要面積維持要 EDT 以外は 25 年以内の再突入を仮定 ( 円軌道の場合高度約 630 km ただし 25 年ルールは今後見直しの可能性あり ) * 1400kg@1000km, 83deg を仮定 COSMOS 3M は混雑軌道に 300 個近く存在するロシアロケット上段でありデブリ除去対象として有望 ADEOS は 3400kg@800km, 98deg を仮定 17

19 参考 -4 導電性テザーによるデブリ除去の原理原理テザーを伸展すると重力傾斜力により鉛直方向に安定導電性のテザーが地球磁場を横切ることにより誘導起電力が生じる誘導起電力 : E emf = L (V B) 周囲のプラズマから一端で電子を収集一方で放出することによりテザーに電流を流す電流と磁場との干渉で発生するローレンツ力を推力 ( 減速力 ) として利用ローレンツ力 :F = L (I B) 主な特徴燃料を必要とせずに軌道降下が可能大型デブリを1 年程度で軌道降下軌道降下と同時に発電も可能微小推力のためデブリへの取付が容易 18

ESA ロシア DLR CNES 参考 -5 各国の取り組み状況状況実証計画備考 CleanSpace イニシアチブの中で 3 年以内のデブリ除去ミッション設計を計画 2012 年 9 月

Astrium 社と TAS 社に各 35 万の研究業務発注 2020 年頃の実証を想定 2020 年代のデブリ除去機の打ち上げを想定出典 : http://www.esa.

html 2018 年頃打上予定出典 : http://www.dlr.de/dlr/presse/en/desktopdefault.

ADR Workshop, June 2012 カナダ 2011 年 10 月デブリ除去のシステム検討に 2 社を選定実証計画不明出典 : http://www.asccsa.gc.

asp スイスキューブサットによる CleanSpace One を提案 2016-17 頃の実証を計画 NASA NASA /MSFC 2011 年 12 月よりデブリ除去の検討 Phase II

9M 資金提供ロボットアームインフレータブルによるデブリ除去実証を検討さらに大型化のステップが必要出典 : http://space.epfl.ch/page 61745 en.html 実証計画不明出典 : http://ntrs.

20 ESA ロシア DLR CNES 参考 -5 各国の取り組み状況状況実証計画備考 CleanSpace イニシアチブの中で 3 年以内のデブリ除去ミッション設計を計画 2012 年 9 月ベルリンエアショーにてデブリ除去システム開発の計画を発表し国際協力を呼びかけロボット技術実証衛星 DEOS 開発のため 2012 年 9 月 Astrium に 15M の契約 ATV 技術を活かしたミッションとしてデブリ除去をセレクト Astrium 社と TAS 社に各 35 万の研究業務発注 2020 年頃の実証を想定 2020 年代のデブリ除去機の打ち上げを想定出典 : g/clean_space 出典 : 年頃打上予定出典 : x/tabid 10172/213_read 5173/ 2020 年頃のシステム実証を想定出典 : Current status of CNES studies related to Active Debris Removal, ADR Workshop, June 2012 カナダ 2011 年 10 月デブリ除去のシステム検討に 2 社を選定実証計画不明出典 : スイスキューブサットによる CleanSpace One を提案頃の実証を計画 NASA NASA /MSFC 2011 年 12 月よりデブリ除去の検討 Phase II 有望技術の絞り込みおよびロードマップを策定中 2011 年 EDT を用いたデブリ除去システム EDDE の地上試験に $1.9M 資金提供ロボットアームインフレータブルによるデブリ除去実証を検討さらに大型化のステップが必要出典 : en.html 実証計画不明出典 : _ pdf electrodynamic debris eliminator receives funding/ 最短 2016 年の打ち上げを提案中さらに大型化のステップが必要出典 :Cook, S., et. al., FAST, AFFORDABLE, SCIENCE AND TECHNOLOGY SATELLITE (FASTSAT) ORBITAL DEBRIS REMOVAL DEMONSTRATION CONCEPT, IAC-12.A6.7.5, EDDE (STARInc.) FATSAT (NASA) ROGER(ESA) DEOS(DLR) CNES CleanSpace One(Swiss Space Center) 19

参考 -6 デブリ除去システム実現への段階的なシナリオ宇宙環境保全改善開発の 3 ステップ 1

国際的枠組み近傍作業軌道上からの除去 (EDT) 大型化非協力接近軌道上からの除去 (EDT) 要素技術

リ除去試験衛星 ) 3 デブリ除去実用化 ( デブリ除去実用衛星 ) 実現のためには国際協力が不可欠

21 参考 -6 デブリ除去システム実現への段階的なシナリオ宇宙環境保全改善開発の 3 ステップ 1 要素技術実証 (2015 年目標 ) 実現性を研究中 2 デブリ除去試験衛星 (2019 年目標 ) 3 デブリ除去実用衛星 (2020 年代中盤目標 ) 小型衛星用実用 EDT 新規打上機ミッション終了後の軌道上からの除去手段 1 大型宇宙機用実用 EDT 非協力接近技術軌道上サービス不具合調査等 2 JAXA 既存デブリの除去手段デブリ除去機世界的な既存デブリの除去手段 ( 国際協力 ) より効率的なデブリ除去機 3 国際協力国際的枠組み近傍作業軌道上からの除去 (EDT) 大型化非協力接近軌道上からの除去 (EDT) 要素技術 1 2 EDT 技術実証 (HTV 搭載 EDT 実証 ) デブリ除去システム実証 ( テフリ除去試験衛星 ) 3 デブリ除去実用化 ( デブリ除去実用衛星 ) 実現のためには国際協力が不可欠非協力接近推進系取付軌道上からの除去の一連の技術を実証しデブリ除去技術を確立 km 級テザー A 級電流等大型化技術確立小型 EDT により原理要素を実証

資料科学技術学術審議会研究計画評価分科会宇宙開発利用部会 ( 第 29 回 H ) HTV X の開発状況について平成 28(2016) 年 7 月 14 日 ( 木 ) 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構有人宇宙技術部門 HTV Xプリプロジェクトチーム長伊藤

資料科学技術学術審議会研究計画評価分科会宇宙開発利用部会 ( 第 29 回 H ) HTV X の開発状況について平成 28(2016) 年 7 月 14 日 ( 木 ) 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構有人宇宙技術部門 HTV Xプリプロジェクトチーム長伊藤資料 29 5 2 科学技術学術審議会研究計画評価分科会宇宙開発利用部会 ( 第 29 回 H28.7.14) HTV X の開発状況について平成 28(2016) 年 7 月 14 日 ( 木 ) 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構有人宇宙技術部門 HTV Xプリプロジェクトチーム長伊藤徳政 1. 背景平成 27 年 (2015 年 )12 月 22 日新たな日米協力の枠組み ( 日米オープン