川口研究室

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2 川口研究室メンバー 多くの関係者との交流 川口教授をはじめとする JAXA 実務者から直接研究指導が受けられる 様々な大学 国々から集まる学生と多角的な視点から幅広い検討会ができる その他宇宙研内外の専門家との共同研究 交流 JAXA 職員 学生 教授川口淳一郎 ( はやぶさ元プロジェクトマネージャー ) 准教授川勝康弘 ( 総研大 ) 助教森治 (IKAROSプロジェクトマネージャー) 津田雄一佐伯孝尚秘書岡部和子大石真美 職員 山本高行澤田弘崇白澤洋次三桝裕也 D3 田中啓太元岡範純 Federico Zuiani イタリア出身 Marco Giancotti イタリア出身 D2 杉本理英 ( 総研大 ) 大野剛 D1 Sarli Bruno ブラジル出身 M2 松本純大谷翔池田沙織 ( 九州大 ) Lucas Bremond フランス出身地福亮 M1 中条俊大濱崎拓林直宏 Rivier Guillaume フランス出身菅野剛 ( 東海大 ) 2

3 活動 研究 軌道力学, 誘導 航法 プロジェクト 実際の JAXA プロジェクトに関わりながらノウハウを身に付け, 時には学生から提案をしていきます. 現在川口研では以下のプロジェクトに取り組んでいます. IKAROS 運用 実験 解析 次期ソーラーセイル, 木星 トロヤ群探査ミッションの検討 はやぶさ 2 関連研究会 その他実験プロジェクト 姿勢力学 制御 力学的観点によるサイエンス 研究成果を生かしたプロジェクト プロジェクトから得られる研究テーマ IKAROS 運用当番学生は運用メンバーに加わります. 宇宙探査 ( ソーラーセイル等 ) この他, 学生からの自発的なテーマ提案も募集しています. 試験 実験宇宙研の実験施設を利用して試験 実験を行います. 3

4 川口研学生の研究内容 4

5 研究 IKAROS やはやぶさから得られたデータの解析に関する研究 - フライトデータから得られた課題解決 将来のミッションを見据えた研究 - 次の探査ミッションの検討につなげる その他基礎研究等 - ミッションとは関係ない自由なもの ミッション系から基礎研究まで様々な分野に関連する研究ができる 5

6 姿勢運動ソーラーセイル スピン型ソーラーセイルの姿勢運動に基づいた膜面形状の解析 M1 中条 ソーラーセイルの姿勢運動と形状の関係の解析 ソーラーセイルの膜面は柔軟構造物である. 変形により太陽光圧トルクが変化するため, 姿勢制御のためには変形を管理する必要がある. 実際の IKAROS の姿勢履歴からも変形が起きていることがわかる. スピン運動による変形を解析し, それと太陽光圧トルクから決まる姿勢運動を実際のフライトデータと照合することで, 膜面変形の理論を考察する. このような姿勢運動をするときセイルはどのような形状か スピン運動によりセイルがこのような形状になるとき, どんな姿勢運動をするか 姿勢履歴の例 セイル形状のモデル化による解析 6

7 柔軟構造ソーラーセイル IKAROS の膜面展開に関する考察 D2 大野 IKAROS のセイル展開運動の構造的解析 IKAROS の 1 次展開,2 次展開における現象を解明する. IKAROS の 1 次展開では, モニタカメラ画像から 1 次展開後の十字形状が非対称になっていたことがわかっている. また 2 次展開では, 角度の狭いところから膜面が不連続に展開したと考えられている. これらは当初予想されていなかった現象であり,FEM による数値計算, および小型モデルを用いた真空槽実験によって原因を究明する. 1 次展開から 2 次展開の様子 7

8 y [m] 惑星科学はやぶさ 重力モデルを介した小惑星形成に関わる研究 D3 元岡 小惑星の重力分布推定 研究背景 小惑星探査において 特に表面への降下 着陸時には探査機に高精度な誘導が要求される. しかし, 多くの小惑星はその内部に空隙を有するため 高精度な誘導を実現するためには重力ポテンシャルを推定しておく必要がある. 重力ポテンシャルを推定することが, 結果として内部構造を解く手がかりを与え, 小惑星形成の理解を深めることにつながる 例えば, 小惑星 イトカワ の空隙率は約 40% と推定されている 研究内容 本研究では, 周回を含む探査機の運動計測を実施しなくても重力ポテンシャルを推定できる手法を確立し, イトカワの内部構造を明らかにする. 本推定手法では 誕生から長い年月が経過した小惑星では表面形状がジオイド形状 ( ゼロ速度曲面 ) に沿うべきであるという考え方に基づき, 画像にて構築された小惑星表面上でのゼロ速度曲面値の分散を推定指標とし, 指標が最小となる内部構造を推定している 図小惑星イトカワ ( 写真元 :JAXA) zero-velocity z = 0 m Const 2 Core Surf x [m] 図小惑星イトカワの表面形状とポテンシャル面との関係 青線 : イトカワの表面形状 (Z=0 断面 ) 黒線 : 内部密度一定を仮定した場合のポテンシャル面 赤線 : 本推定手法によって推定した内部構造が作り出すポテンシャル面 8

9 軌道設計 Solar Sail Trajectory Design for Exploration of Asteroids from/to Space Port around L2 point M1 濱崎 ソーラーセイルを用いた小惑星往復探査軌道設計 はやぶさ による小惑星往復探査ミッションの成功と, IKAROS によるソーラーセイルの実証は, ソーラーセイルによる小惑星往復探査 の実現を予感させる 一方, 太陽 地球重力と遠心力とがつり合う点である L2 ラグランジュ点の周辺に宇宙港を建造し, ここで高推力推進 ( 化学推進等 ) から低推力推進 ( 電気推進, ソーラーセイル等 ) に 乗り換え をすることで, 地球 ~ 深宇宙間の効率的な輸送が可能になると考えられている 本研究では, 宇宙港 ソーラーセイルの利用を想定し, L2 点を出発 小惑星ランデブー L2 点に帰還というミッションの軌道を設計する Rendezvous Asteroid L2 Lagrange Point (Space Port) 9

10 姿勢, 軌道ソーラーセイル スピン型ソーラーセイルの姿勢ダイナミクスを利用した Δ VEGA 軌道における最適制御 M1 林 ソーラーセイルの姿勢運動と軌道運動の両方を考えた最適制御 スピン型ソーラーセイルの姿勢運動 ソーラーセイルは推力は小さいが燃料を消費せず推進できる. 太陽光圧トルクが働くスピン型宇宙機には姿勢ドリフト運動が誘起される. スピン型ソーラーセイルの軌道運動 ソーラーセイルの軌道制御は姿勢を制御することにより達成される. ΔVEGA は比較的小さな軌道変更で効率的に速度を増幅させる技術である. ΔVEGA の効果を最大にする最適姿勢制御法を解析的, 数値的に導く. 初期解 推力方向を最適化 最適解 姿勢ドリフト運動 Δ VEGA 軌道 ( 太陽地球固定座標系 ) 10

11 軌道設計ミッション設計 A Trajectory Optimization Strategy for a Multiple Rendezvous Mission with Trojan Asteroids M2 Brémond 小惑星探査ミッションの最適設計 次期ソーラーセイルによるトロヤ群探査で次々と多くの小惑星に ランデブーするときの最適な軌道設計をする. 設計解は無数にあるため, 計算量が多すぎる. 目標が動く場合の巡回セールスマン問題として考える, 最適ではない解はそう判断できた時点で即座に対象から外す. 最適シーケンスを求めるため, 大域的最適化 ( 進化的アルゴリズム + 分岐限定法 ), L4 点周りの運動の線形化により遷移コスト計算の速度を上げる. 計算量の低減 小惑星と探査機の軌道 11

12 姿勢, 軌道ソーラーセイル ソーラーセイル運動の小惑星付近での平衡解 D3 Giancotti 小惑星付近でのソーラーセイルの運動解析 ソーラーセイルは太陽光圧による力で推進する. セイルの向きだけを調整することで, その力で他のすべての力 ( 重力 慣性力 ) を相殺すれば, 宇宙機は一定の位置を保つことができる. これを平衡解と呼ぶ. 小惑星付近での諸平衡解を求め, どれが実際のミッションで使えそうなものを検討. 実現可能な平衡解は小さな小惑星と限られた角度でしか存在しないことがわかった. 小惑星 平衡解セイルの向き 12

13 軌道設計 天体間飛行の変動回転座標系における表現とその応用 M2 松本 新しい座標系の定義による新しい軌道設計手法電気推進の連続的な低推力により作られる軌道は, 一般に左図のようなスパイラルの形状となる. このままでは直感的な軌道設計が出来ないため, 本研究では, 座標系角速度が宇宙機の状態量によって定まる特殊な回転座標系を定義し, スパイラル軌道を右図のようにシンプルに表現できるようにした. この座標系上で, 連続推進による天体間飛行の軌道設計を, 数値最適化手法に寄らずに解析的に行っている. 従来のスパイラル軌道形状が 非常にシンプルな形状で表現される 慣性座標系変動回転座標系 13

14 分散制御技術利用 宇宙機用リソース制約付き分散化制御の地上利用実証 M2 大谷 宇宙用技術として確立されたリソース制約付き分散化制御の地上利用実用性を 理論的 実験的に実証し, 宇宙用技術の広範的な利用を提案する. 宇宙用 温度調整用ヒータ制御 各機器の緊急度に応じて限られた電力 ( リソース制約 ) を効率的に配分 各機器はそれぞれ小型制御器を有し 情報はネットワークを介して共有される ( 分散化制御 ) 分散化システムによる熱制御の実験 地上用 電車運行システム 複数電車が共通の電力源から電力を得る 配分は各運行フェーズに基づく一次モータ駆動系ダイナミクスを考慮し 最適化される 実機実験として 小型電動電車を用いる 小型電動電車 (HO ゲージ ) 地上技術への応用 8.0W 小型制御器 (PIC) ヒータ 宇宙機用ピーク抑制制御システムの導入により 目標値を達成した上で電力消費ピーク抑制に成功 5.5W 14

15 学会発表 国内学会 - アストロダイナミクスシンポジウム (7 月 ) - 宇宙科学技術連合講演会 (11 月 ) 国際学会 (M2 以上は多数参加 ) - AAS( 米 ) - ISSFD - International Astronautical Congress (2012 年はナポリにて開催,2014 年はトロントで開催予定 ) - ISTS (ISTS2013, 名古屋にて開催予定 ) 積み上げた研究成果を世界の舞台で披露 多数の過去受賞実績 国内外の宇宙分野従事者と交流するチャンス M2 松本が ISCOPS2012 にて Student Award を受賞 15

16 プロジェクト紹介 16

17 プロジェクト概要 (IKAROS) ミニマム フルサクセス ( 半年で全て達成 世界初 ) 膜面展開 : スピン型で14m 14m 膜面を展開 薄膜太陽電池発電 : 薄膜太陽電池の実証に成功 分離カメラ撮像 加速実証 : 展開後 IKAROS 膜面全体図を撮影 : 光圧による加速 延長ミッション : 次期ソーラーセイルに向けて ( 全て達成 ) 低スピン運用 逆スピン運用 誘導航法実験 : 低い回転数での膜の挙動を調べる : 膜面挙動 姿勢運動を調べる : 光圧を積極的に用いた軌道制御 2010 年 5 月に打ち上げ後, 予定ミッション全てを達成し, 現在もさらに挑戦的なミッションを継続中. 17

18 学生のプロジェクト参加 (IKAROS) 事前設計 解析 試験 膜面の構造 光学特性実験 接着剤等の材料の選定 材料強度試験 実物大セイルの試験製作 各種の膜面展開実験 膜面巻きつけ試験 膜展開シーケンスの検証 姿勢制御ロジックの設計 開発 製作段階 搭載デバイスの製作 試験 セイルの折りたたみ セイルの巻きつけ 各環境試験の補佐 推進系の性能試験 搭載ソフトウェア開発 ミッション系の電気試験 打ち上げ 運用 実際の運用の補佐 運用計画策定のための解析 運用支援ツールの開発 データ解析 膜面展開挙動の解析 搭載カメラ画像による膜面形状の解析 太陽光圧による姿勢変化の解析 ミッションにおけるほぼ全ての領域に川口研学生が関わっています 18

19 学生のプロジェクト参加 (IKAROS) 冬眠 探索運用 昨年冬,IKAROS の太陽角, 太陽距離が共に増加した結果, 発生電力が徐々に低下し, この発生電力が IKAROS の消費電力を下回ったため,IKAROS は 2012 年 1 月 6 日までに, 冬眠モード ( 搭載機器シャットダウン ) へ移行. IKAROS の姿勢 軌道予測から,2012 年 6 月 ~10 月の期間に発生電力が回復し, 冬眠モードから復旧する見通しとなっていたため, 2 月から探索運用を開始 年 9 月に発見 ( 行方不明になった探査機を再発見することは珍しい事例 ). 通信ができているときのスペアナ ( スペクトラムアナライザ ) IKAROS はソーラーセイルであるため, 太陽光圧による姿勢や軌道の変化が大きい. そのため運動予測も難しく, 探索ははやぶさとは違ったソーラーセイルならではの難しさがあった. 臼田局

20 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト 次期ソーラー電力セイル IKAROS プロジェクトで得られた技術 知見を応用して, 新しいソーラー電力セイルによる木星圏探査が考えられている. IKAROS とは異なること, 新しいこと 木星トロヤ群小惑星帯のランデブー探査を行うため, 木星軌道 ( 太陽距離 5AU 程度 ) においてイオンエンジンを駆動する. ミッション期間が非常に長い. 太陽光が弱くイオンエンジン駆動のための電力確保が難しい. セイルの大部分に太陽電池を敷き詰めたソーラー電力セイルである. 面積が 1 辺 50m 以上の大型セイルである. 地球 L4 - これにより大面積で発電することで木星軌道においても十分な電力を得て, イオンエンジンを駆動する. メインベルト小惑星帯 L5 木星 長期のミッションに耐える材料 構造を採用する. 木星トロヤ群小惑星帯 20

21 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト セイル製作部会 木星 トロヤ群探査に向けて実際に次期ソーラーセイルの試作に向けて動く. 川口研の学生が製作に大きくかかわっている. - デバイスの配置, 寸法の検討 - テザーユニットの製作 - セイル巻きつけ方式の検討 - セイルの剛性の解析 テザーユニット ( 本体とセイルを接続するテザー ) セイル巻きつけ実験 次期セイルは一辺が 50m 以上 (IKAROS の 4 倍程度 ) なので, 本体に巻きつけるときに内外周差を考慮しなければいけない. 膜を実際に使って巻きつけに関する理論構築のための実験を行っている. 巻きつけ実験の様子 21

22 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト プロジェクトの一環として検討されている計画 木星 トロヤ群小惑星サンプルリターン計画 ソーラーセイルにより木星の L4 点, トロヤ群に行き, 小惑星のサンプルを回収し地球に戻ってくる. 川口研の学生が積極的にミッション検討にかかわっている. 打ち上げ セイル展開 地球スイングバイ サンプル回収 地球帰還 巡航中の科学観測 木星トロヤ群小惑星ランデブー観測 今年度学生が担当した検討事項 - 軌道設計 - 姿勢制御方式 - タッチダウン方式 - 燃料計算 22

23 実験プロジェクト 推進系微小重力実験 IKAROS では燃焼を伴わない 気液平衡スラスタ が世界で初めて実証された. 気液平衡スラスタ高圧のフロンをタンクに入れることで液体として保持し, バルブを開くことで気化したフロンを噴射する, スプレーのようなスラスタ. 推薬がヒドラジンと比べて, 燃焼しない, 有毒ではないことで, システムが簡単に構成できるという特徴があり, サブペイロードや小型衛星への搭載に特に適している. 落下塔 しかし, 宇宙空間の無重力環境下ではタンク内の気相と液相が地上でのように簡単には分離しない. そこでうまく分離させるために工夫が施されており, それらシステム全体の研究, 開発の一環として微小重力実験がある. 実験装置を高さ 50 メートルの落下塔から自由落下させることで, 数秒間微小重力環境を与えることができる. その間にスラスタを作動させることで宇宙空間を模擬して実験ができる. 制御系装置 落下させる実験装置カプセル 23

24 プロジェクト はやぶさ 年打ち上げ予定 24

25

26 川口研での一年間 一部紹介 新入生歓迎会四月 ( ) 春夏秋冬 入学後は アストロに向けて研究 発表準備 イカロス運用研修 プロジェクト参加 本郷授業 できることはたくさん 新しい環境で駆け抜けるように時間が過ぎていきます. M1 学会デビュー. 川口研学生は基本的に全員参加です. アストロダイナミクスシンポジウム七月 ( ) 宇宙研特別公開七月 ( ) 夏休み 一般の来訪者に日頃の活動を紹介します. 今年はイカロスファンからたくさんの励ましの言葉や土産をいただきました. 川口研学生は 研究室旅行 企業インターン 海外バックパック ひたすら研究 実験プロジェクトの準備 帰省 etc 過ごし方は様々 国際宇宙会議 [IAC]( 十月 ) 世界最大の宇宙学会. 修士課程の一つの目標にしてみてはどうでしょうか. 修士二年輪講会十一月 ( ) 宇宙科学技術連合講演会十一月 ( ) 忘年会十二月 ( ) 年末 年始休暇 修士一年輪講会一月 ( ) 追い出しコンパ三月 ( ) そろそろ研究にも慣れてきた頃, 来年度学会に向けて論文投稿したり, 就活をしたりする時期です. 26

27 川口研の特徴 ( 先輩の声 ) 研究 複数の JAXA 職員から直接アドバイスがもらえる. 飛翔データを利用した研究開発ができる. 学会発表の機会が多い. 自発的なテーマ選定ができる. 実験の機会も多く, ソフト ハード両方のスキルが身につく. 限られた時間の中で効率よく研究を進める要の良さが身につく. 優しい職員が多い. 生活 イベントが盛り沢山. 三段ベットがあり研究開発に没頭できる. 研究室メンバー, スタッフが和気あいあいとして仲が良い. 留学生が多く, 語学が鍛えられ異文化に触れられる ( 特に最近国際化が進んでいる ). 先輩方が優秀で優しい. プロジェクト システム系なので多岐に渡る宇宙開発の側面に触れられる 多面的な知識が得られる. 管制室, 風洞や構造棟, 振動試験室など幅広く施設を利用できる. 実際の運用に参加することができる. 世界的に話題性のあるミッションに関われる. 長時間の会議に対する耐性が養われる. 関係者の方々は優しい人が多い. その他 取材機会が多く, 時々テレビに出られる. 民間企業や外部教授とのつながりが強い. プロジェクトメンバーが若く, エネルギーがある. 多角的な視点から活発に議論できる. 研究室の居心地がいい ( 大体常に人がいるのがその証拠 ). 27

28 川口研連絡先 少しでも川口研究室に興味をお持ちの方は 説明会後 A 棟 3 階 1330 室川口研究室 にぜひお越しください. 学生室電話番号 : また後日見学希望の方は下記メールにて事前にご連絡ください. メールにてご質問のある方は 中条俊大 (chujo.toshihiro@ac.jaxa.jp) までご連絡ください. 正門方向 今ここの 2 階 川口研究室 28

29 その他参考 川口研究室 HP イカロス君 Twitter IKAROS Blog IKAROS 専門チャンネル 29

30 最後に 私たちと充実した研究川口研メンバーがIKAROS, プロジェクトライフを送りましょうジャンパーを着てお待ちしております.. 是非お越しください! 30

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