KAGAYA studio スペース重 力力波アンテナ DECIGO 計画 (53) ドラッグフリー制御 佐藤修 一,DECIGO ワーキンググループ 法政理理 工, 他 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海

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1 KAGAYA studio スペース重 力力波アンテナ DECIGO 計画 (53) ドラッグフリー制御 佐藤修 一,DECIGO ワーキンググループ 法政理理 工, 他 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

2 アウトライン! DECIGO pathfinder(dpf) の概要! ドラッグフリー制御システム! まとめ 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

3 DECIGO 予備概念念設計! 干渉計トポロジー! Differential FP interferometer! 冗 長性のための 3 基構成! ドラッグフリー制御された衛星! コンステレーション! 4 ユニット! オーバーラップ ユニット à 相関解析! セパレート ユニット à 高 角度度分解能 Arm length: Mirror diameter: Mirror mass: Laser wavelength: Laser power: Finesse: 1000 km 1 m 100 kg 532 nm 10 W 10 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

4 ロードマップ Fig. Kawamura, rev. SDS- 1/SWIM 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

5 DECIGO pathfinder (DPF)! DECIGO へ向けた最初の前哨衛星! DECIGO: 基線 長 1000km フォーメーションフライト! DPF: 基線 長 30cm 単独衛星! 衛星重量量 : ~ 350kg! 軌道 : 地球周回低軌道 高度度 500km ( 太陽同期極軌道 )! 打ち上げロケット : イプシロン F4? (M- V FO)! 小型科学衛星 プロジェクトへの応募予定 DECIGO DPF 1000km 30cm 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

6 ミッションステータス! 小型科学衛星シリーズ 5 年年に 3 機程度度を標準バス +M- V 後継機で 1 st mission (2013):SPRINT- A /EXCEED ひさき 2 nd mission (2015):SPRINT- B /ERG! イプシロン搭載宇宙科学ミッション 3 rd mission (~ 2019?):SPRINT- C? /TBD ミッション提案書 : 2014/2/28 提出 数ヶ 月で選定 見見込み SPRINT- A /EXCEED Spectroscopic Planet Observatory for Recognition of Interaction of Atmosphere SPRINT- B /ERG Exploration of Energization and Radiation in Geospace Next- generation Solid rocket booster (M- V FO) Fig. by JAXA 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

7 DPF 衛星概要 DPF Payload Size : 950mm cube Weight : 150kg Power : 130W Data Rate: 800kbps Mission thruster x12 Power Supply SpW Comm. Mission Thruster head Fig. Ando Stabilized. Laser source On- board Computer SPRINT Bus (ʻ Standard busʼ system) Size : 950x950x1100mm Weight : 200kg SAP : 960W Battery: 50AH Downlink : 2Mpbs DR: 1GByte 3N Thrusters x 4 SPRINT Bus system Bus thruster Solar Paddle Interferometer module 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

8 搭載ミッションモジュール / システム DPF Payload! 干渉計モジュール! 試験マスモジュール 試験マス ケージングフレーム レーザーセンサ 静電型センサー / アクチュエータ 試験マス固定機構 荷電制御システム! 入出射光学系 モノリシック光学系 PDH 制御系 WFS アラインメント制御 MMT! 構造 シールド系 支持構体 熱シールド 真空容器 / 排気系! 安定化レーザーモジュール Mission Thruster head Stabilized. Laser source On- board Computer Interferometer module! 姿勢 ドラッグフリー制御! 信号処理理 / 制御システム 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 SPRINT Bus system Bus thruster Solar Paddle SPRINT Bus (ʻ Standard busʼ system) Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

9 ドラッグフリー制御 ~概要 ~! ドラッグフリー制御! 試験 ( フリー ) マスに対する外乱の影響をなくす! 試験マスを基準に宇宙機を制御する! 制御の対象と 自由度度! 宇宙機 +2 試験マス! 並進 + 姿勢 : 剛体 6 自由度度! 全 18 自由度度! 原則的な制御の 方針! 差動変動 : 試験マスへフィードバック制御! 同相変動 : 宇宙機へフィードバック制御! 帯域別制御! センサー! 主 干渉計 : 光軸 方向! WFS: 試験マスの傾き! 静電センサー : 全 自由度度! 恒星センサー, 粗太陽センサー : 絶対姿勢 Fig. Moriwaki Fig. Moriwaki! アクチュエータ! 試験マス : 静電アクチュエータ! 宇宙機 : スラスタ 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

10 ドラッグフリー制御 ~制御設計の全体像 ~! DPF ミッション! 試験マスの位置姿勢制御! 宇宙機の位置姿勢制御 ドラッグフリー制御の本質! ミッションスラスタを装備 Mission Thruster head! 通常ミッション! 宇宙機の位置姿勢制御 : バスが担当! バススラスタ標準装備 Satellite Mission system! 宇宙機姿勢制御系との連携! ( 試験マスの位置姿勢制御 )! 宇宙機の位置姿勢制御! スラスタの統 一 or 切切り分け! 姿勢制御計算機の運 用, 切切り分け! バス系を巻き込んだ形でのシステム設計 Satellite Bus system Bus thruster 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

11 ドラッグフリー制御 ~制御設計の全体像 ~! 運 用モード ( ドラッグフリー制御 )! スラスタを 用いたフルドラッグフリー制御! 自由度度を限ったドラッグフリー制御! スラスタを 用いない姿勢制御 受動安定姿勢 Mission Thruster head! 衛星機体 姿勢と外部擾乱! 太陽輻輻射圧! 大気抵抗! 地球重 力力場 Satellite Mission system! ミッションスラスタの制約! 連続推進による連続制御! 発 生する 力力と持続時間の制約! 100uN+10uN! ミッション期間 1 年年?! 低雑 音特性 :10-6 N/rHz Satellite Bus system Bus thruster 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

12 ドラッグフリー制御 ~ミッション 目的の整理理 ~! DECIGO で必要とされる技術の実証! レーザー 干渉計による軌道上精密計測技術! ( 長基線の精密フォーメーションフライト技術 )! 宇宙 地球の観測! 重 力力波観測 銀河系内のブラックホール連星合体! 地球重 力力場観測 Air density Year 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Year Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

13 ドラッグフリー制御 ~ミッションパラメータの変更更 ~! 軌道 高度度の 自由度度 500km に拘らない! 太陽輻輻射圧 : 変わらない! 空 力力抵抗 :650km で 1 桁落落ちる! 重 力力傾度度トルク :650km で 10% 程度度の変化! 600km で空 力力トルクは 支配的でなくなる! 機体形状 飛翔姿勢の 自由度度! SPRINT バス : 概ね堅持! SAP の形状 取り付け 方法! 空 力力安定 用フィンの形状 取り付け Air density Year 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 NEC Year Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

14 ドラッグフリー制御 ~受動姿勢制御 ~! 空 力力安定性! 衛星重 心と空 力力中 心の位置関係! 風 見見鶏 の尾を 長くのばす! フィンをつけて復復元トルクを得る! SAP に関する 大気摩擦抵抗の相殺 Air drag! 太陽輻輻射圧安定! SAP にキャント 角を設け復復元 力力を得る! SAP の取り付け位置の最適化! 引きずり効果の相殺! キャント 角の最適化! 復復元 力力と発電 力力のトレードオフ Solar radiation drag Air drag Solar radiation drag NEC 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

15 ドラッグフリー制御 ~受動姿勢不不安定 ~ NEC! 空 力力安定性 成 立立! 太陽輻輻射圧安定性 成 立立 1.5E05 1.0E05 +_2 ((Z DPF):1.0[m] ((Y DPF):1.0[m] :20[deg] *Y DPF,Z DPF SAP:20[deg] 5.0E06! 重 力力傾度度安定性 成 立立しない! ノミナル姿勢は不不安定平衡点! 重 力力傾度度トルクを空 力力トルクで回復復できない [Nm] 0.0E E06 x y z 1.0E05 1.5E y DPF z DPF x DPF 1.5E05 1.0E05 _2 (Z DPF):1.0[m] (Y DPF):1.0[m] :20[deg] *Y DPF,Z DPF SAP:20[deg] * 5.0E06 0.0E+00 [Nm] 5.0E06 1.0E05 x y z 1.5E05 2.0E05 2.5E05 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 3.0E05 NEC y DPF z DPF x DPF Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

16 ドラッグフリー制御 ~受動姿勢安定 ( 案 ) ~! 空 力力フィンの変更更! 空 力力フィンのトルクアーム伸展! カウンターウェイトとして質量量分布の改善! 空 力力フィン以外はオリジナル機体形状 飛翔姿勢! 受動安定性 成 立立! 重 力力傾斜トルクが 支配的でなくなる! 残留留姿勢誤差 3 度度程度度 NEC 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

17 ドラッグフリー制御 ~受動姿勢安定 ( 案 ) ~! GOCE- like 機体形状! 筒状機体形状! SAP はボディーマウント 非展開! 機体 長 手 方向が地 心 方向! 受動姿勢安定性! 太陽輻輻射圧安定性 : 成 立立 (SAP のキャントによる )! 重 力力傾度度安定 : 成 立立 ( 飛翔姿勢による )! 機体剛性! オリジナル機体 :SAP の固有振動数 ~数 Hz! GOCE- like 機体 : 低次 4 モードについて 30Hz 程度度以上! 検討項 目! 空 力力安定性 : 未成 立立 要検討 ( 軌道 高度度, カウンターフィン )! イプシロンでの軌道投 入可能性! SPRINT バスとの成 立立性! システム成 立立性 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

18 ドラッグフリー制御 ~進 行行中および今後の検討項 目 ~! 飛翔姿勢と受動安定性の検討! ミッションパラメターの検討 : 軌道 高度度 飛翔姿勢! 受動安定となる機体形状 飛翔姿勢! ミッション成 立立性検証のためのシステム検討! 全 自由度度時系列列シミュレーション! スラスタ制御実験 NEC 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

19 まとめ! DPF ミッションステータス! 小型科学衛星 3 号機にミッション提案書応募 (2014/2/28)! ドラッグフリー制御系の検討! 受動安定性の成 立立性検討! 機体 姿勢変更更 ( 案 ) 検討! 今後 進 行行中の検討項 目! 飛翔姿勢と受動安定性の検討! ミッション成 立立性検証のためのシステム検討! 全 自由度度時系列列シミュレーション! スラスタ制御実験 日本物理理学会 (2014) 第 69 回年年次 大会 Barcelona, 28 Mar 東海 大湘南キャンパス June, 2008

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