宇宙環境エネルギーを利用した 宇宙システムの実現を目指して 京都大学生存圏研究所スペースグループ 宇宙圏航行システム工学分野 山川研究室福原始 UNISEC WORKSHOP 2009 @ 慶應義塾大学 11/28-29
テーマは宇宙の環境とエネルギー NASA 太陽からのエネルギー 太陽光 太陽風 太陽がどのように地球近傍の環境へ影響しているか? 太陽と地球が形成する環境を利用して新たな推進システム 軌道を考えることはできないか? 太陽光をもっと電気エネルギーとして利用できないか? NASA
活動概要 プラズマ環境の観測器開発 小型化 太陽エネルギーを利用した推進システム開発 帯電衛星の軌道制御 ソーラーセイル軌道ダイナミクス 宇宙太陽発電所の実現に向けた無線電力伝送システムの開発
プラズマ環境の観測器開発 太陽風 ( 超音速プラズマ流 ) 太陽風と地球磁場が相互作用 磁気圏が形成 地球磁気圏の構造 [Copyright NASA/ISTP] 宇宙空間は希薄なプラズマで満たされている 太陽系 : 太陽風と惑星固有磁場 磁気圏銀河系 : 星間物質と惑星間磁場 ヘリオスフィア プラズマ粒子たち 衝突 ではなく 電磁場 = プラズマ波動を介して運動エネルギーを交換 波動粒子相互作用 プラズマやプラズマ波動を観測する 宇宙電磁環境計測
宇宙電磁環境計測 計測の意義プラズマ波動を観測 解析することで プラズマ粒子間のエネルギ授受 プラズマ波動の励起メカニズム (c) SOHO (ESA & NASA) 太陽活動と地球周辺の電磁気学的な物理現象との関係 などがわかる 宇宙天気予報 電子機器の損傷 通信障害 宇宙飛行士の健康被害などの悪影響の軽減 計測の手法 科学衛星による その場観測 電磁場センサー電場 : ダイポールアンテナ磁場 : ループアンテナ 衛星に搭載する観測器 = プラズマ波動観測器 波形捕捉受信器 スペクトル観測器 GEOTAIL(1992), かぐや (2007) にも搭載 プラズマ計測 : 静電分析器 質量分析器など
波動粒子相互作用の直接観測 独立している プラズマ粒子計測 プラズマ波動観測 背景磁場計測 を組み合わせ協調させて 波動粒子相互作用を衛星機上で直接観測する 波動粒子相互作用解析器 : WPIA (Wave-Particle Interaction Analyzer) CPU を用いる Software WPIA 2013~4 年 ERG に搭載 FPGA による One-Chip WPIA 2020 年ごろ SCOPE 搭載予定
プラズマ波動観測器の小型化 高感度 低雑音の観測器が必要 入力部の低雑音化 高感度 良好な S/N (0~100kHz) 6 成分の連続的な観測 (Ex, Ey, Ez, Bx, By, Bz) アナログ回路 SPT:Ez WPT:Ey WPT:Ex 10MHz-30MHz LPF/BPF 10MHz-30MHz LPF/BPF 300Hz/20kHz/100kHz LPF 30Hz LPF 30Hz LPF 90MHz S/H A/D 90MHz S/H A/D 900Hz/60kHz/300kHz S/H 900Hz/60kHz/300kHz 300Hz/20kHz/100kHz LPF S/H 900Hz/60kHz/300kHz 300Hz/20kHz/100kHz LPF S/H MPX MPX A/D A/D FPGA- DDC FIFO EFD OCXO HFA WFC/OFA(E) FPGA SpW SpW O-WPIA MDP DHU 市販の部品を使用 デジタル回路の小型化は実現アナログ回路の極端な小型化は困難 市販の部品調達自体が困難になることも SC B x B y B z 30Hz LPF LPF 300Hz/10kHz LPF 300Hz/10kHz LPF 300Hz/10kHz S/H 900Hz/30kHz S/H 900Hz/30kHz S/H 900Hz/30kHz MPX WFC/OFA(B) A/D FIFO ASIC 技術によるアナログ回路の小型化 ASIC: Application Specific Integrated Circuit - アナログ ASIC の設計とレイアウトを行う ベアチップ (3mm x 3mm) 製造プロセス : TSMC 0.25um Mixed signal 設計ツール : VDEC (VDEC: VLSI Design and Education Center) 提供
1 チップアナログ回路レイアウト アンテナ 電磁場計 6 成分 アンプ / フィルタを通った電磁場計 6 成分 ディジタル回路
Monitor system for Space Electromagnetic Environments (MSEE) Monitor System for space Electromagnetic Environment 宇宙電磁環境モニターシステム センサーノード ターゲット領域に無作為に飛散させ プラズマ波動の様子をモニターする ~Max. 1km 特徴 : プラズマ波動の多点観測 簡易で安価なシステム Sensor network in space 観測対象 : 人工擾乱 自然由来の物理現象の空間的な拡がり
センサーノードと回路 GPS 受信機 USB- シリアル変換モジュール プログラム書込回路 CPU:dsPIC ロジック IC Analog ASIC 手軽フラックスゲート サイズ : 7cm 角 観測周波数帯域 : < 100 khz レベル変換 ダイナミックレンジ調整 時間分解能 : 数秒 姿勢 & 軌道制御しない信号処理 制御を行う回路のブレッドボードモデル 通信 : 無線 LAN ( アドホック通信 ) 電源 : 乾電池 (6.0 V) 寿命 : 数時間小型太陽センサ地球センサ ノード間距離 : ~ 1 km 情報求ム!
活動概要 プラズマ環境の観測器開発 小型化 太陽エネルギーを利用した推進システム開発 帯電衛星の軌道制御 ソーラーセイル軌道ダイナミクス 宇宙太陽発電所の実現に向けた無線電力伝送システムの開発
磁気セイル / 磁気プラズマセイル 宇宙推進システム 化学推進 電気推進など 深宇宙探査においては 高効率かつ高速での推進が可能なシステムが必要になる 新たな推進システム太陽風の運動量を推力に変換 宇宙機 太陽風 磁気セイル 磁気プラズマセイル 宇宙機から少量のプラズマを噴射し 磁気圏を拡大させ磁気セイルよりも高い推力を得る 推力 磁気圏 (JAXA)
磁気セイル実現に向けて 数値計算による推力の解析 m 宇宙機太陽風 超伝導コイルを用いた実験系の構築宇宙機から一定の磁場を発生させる電気抵抗が0( あるいは非常に小さい ) 超伝導コイルを用いなければならない 電源系とコイルの励磁を行う回路の設計 超伝導コイルを用いた場合の推力発生メカニズムの実証 電子数密度分布 個 /m 3 m 磁気圏が形成されていることがわかる 磁気圏形状から宇宙機に働く推力を求める 超伝導コイル実験装置
活動概要 プラズマ環境の観測器開発 小型化 太陽エネルギーを利用した推進システム開発 帯電による衛星の軌道制御 ソーラーセイル軌道ダイナミクス 宇宙太陽発電所の実現に向けた無線電力伝送システムの開発
帯電による衛星の軌道制御 クーロン力 複数の帯電した衛星 相互にクーロン力が働く ローレンツ力 帯電 地球磁場によるローレンツ力が働く 非帯電 ターゲット衛星 ( 非帯電 ) 地球と帯電衛星の間にはたらくローレンツ力を考える場合の座標系 軌道傾斜角の違いによるチェイサー衛星の軌道変化
ソーラーセイルによる軌道ダイナミクス 太陽輻射圧を考慮したソーラーセイルの非線形軌道力学 太陽風動圧を考慮した磁気セイルの軌道ダイナミクス 地球 http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap030308.html 宇宙機の描く楕円軌道の向きを大きく変化させることができる
活動概要 プラズマ環境の観測器開発 小型化 太陽エネルギーを利用した推進システム開発 帯電衛星の軌道制御 ソーラーセイル軌道ダイナミクス 宇宙太陽発電所の実現に向けた無線電力伝送システムの開発
宇宙太陽発電所の実現に向けた 無線電力電送システムの開発 太陽光発電 数十 m 飛行船からの無線電力電送 2009 年 3 月 無線電力電送 レーザー マイクロ波 約 36000km マイクロ波 LED 宇宙太陽発電所のイメージ図
ありがとうございました 京都大学生存圏研究所宇宙圏航行システム工学分野山川研究室修士 2 年福原始 fukuhara@rish.kyoto-u.ac.jp