[論文レビュー] Attitude Control of the Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1)

Ravi Teja Nallapu, Saumil Shah+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Astro and Planetary Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、小惑星の微小重力環境を模擬するため、最大4 rpmで回転する3UキューブサットAOSAT 1のア装制御システムの設計を提示する。研究では、破砕されたミンチテクタイトが引き起こす内部質量のずれによるデタブリング性能と安定性を分析し、惑星科学分野における低コストの宇宙飛行機内遠心分離実験施設のための堅牢な制御技術を示している。

ABSTRACT

Exploration of asteroids and small-bodies can provide valuable insight into the origins of the solar system, into the origins of Earth and the origins of the building blocks of life. However, the low-gravity and unknown surface conditions of asteroids presents a daunting challenge for surface exploration, manipulation and for resource processing. This has resulted in the loss of several landers or shortened missions. Fundamental studies are required to obtain better readings of the material surface properties and physical models of these small bodies. The Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1) is a CubeSat centrifuge laboratory that spins at up to 4 rpm to simulate the milligravity conditions of sub 1 km asteroids. Such a laboratory will help to de-risk development and testing of landing and resource processing technology for asteroids. Inside the laboratory are crushed meteorites, the remains of asteroids. The laboratory is equipped with cameras and actuators to perform a series of science experiments to better understand material properties and asteroid surface physics. These results will help to improve our physics models of asteroids. The CubeSat has been designed to be low-cost and contains 3-axis magnetorquers and a single reaction-wheel to induce spin. In our work, we first analyze how the attitude control system will de-tumble the spacecraft after deployment. Further analysis has been conducted to analyze the impact and stability of the attitude control system to shifting mass (crushed meteorites) inside the spacecraft as its spinning in its centrifuge mode. AOSAT 1 will be the first in a series of low-cost CubeSat centrifuges that will be launched setting the stage for a larger, permanent, on-orbit centrifuge laboratory for experiments in planetary science, life sciences and manufacturing.

研究の動機と目的

• 小惑星の微小重力環境を模擬することを目的とした3UキューブサットAOSAT 1の低コストで信頼性の高いア装制御システムの開発。
• 打ち上げ後の軌道展開後に3軸マグネトルーサーとリアクションホイールを用いたデタブリング性能の分析。
• 遠心分離実験中の破砕ミンチテクタイトの移動に起因する内部質量のずれが、ア装制御システムの安定性に与える影響の評価。
• 小惑星着陸および資源処理技術のリスク低減を通じて、将来的な宇宙飛行機内遠心分離実験施設の実現。
• 微小重力シミュレーションを用いた小惑星表面物理学および物性の基礎的研究を支援。

提案手法

• ア装制御システムは、スピンアップに単一のリアクションホイール、デタブリングおよびモーメントの飽和解除に3軸マグネトルーサーを採用する。
• システムは、宇宙機のスピンレートを制御し、ア装安定性を維持するために比例積分微分（PID）制御則を用いる。
• 遠心分離実験中の破砕ミンチテクタイトに起因する内部質量のずれを考慮した宇宙機の動的モデルを構築する。
• 線形化された運動方程式を用いて安定性解析を行い、質量分布の変化に伴うシステム応答を評価する。
• 展開後、磁気トルク制御からリアクションホイール制御への移行を可能にするデタブリングモードを制御アーキテクチャに統合する。
• シミュレーションと解析的モデルを用いて、現実的な摂動および質量のずれシナリオ下での制御性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マグネトルーサーを用いたデタブリング制御システムは、軌道展開後のAOSAT 1の安定化にどの程度効果的か？
• RQ2 遠心分離実験中の破砕ミンチテクタイトに起因する内部質量のずれが、ア装制御システムの安定性に与える影響は何か？
• RQ3 内部の不規則な摂動が存在する中で、リアクションホイールは最大4 rpmの安定したスピンレートを維持するためにどのように寄与するか？
• RQ4 回転する遠心分離装置と宇宙機全体のア装制御システムとの間の動的結合効果は何か？
• RQ5 マグネトルーサーとリアクションホイールの併用による制御システムは、現実的な質量のずれ条件下でも長期にわたり安定性を維持できるか？

主な発見

• ア装制御システムは、マグネトルーサーとリアクションホイール制御を用いて数圏内でのデタブリングを成功裏に達成した。
• シミュレーションおよび安定性解析により、破砕ミンチテクタイトに起因する内部質量のずれがあっても、最大4 rpmのスピンが安定して維持された。
• 線形化された動的モデルは、制御システムが変化する質量分布下でも安定しており、制御能力の著しい損失は認められなかった。
• リアクションホイールは、遠心分離実験中の正確なスピンレート制御を維持するのに十分な制御能力を有していた。
• マグネトルーサーと単一のリアクションホイールの統合により、回転するキューブサットプラットフォーム向けの低コストで信頼性の高いア装制御ソリューションが実現された。
• 本研究は、低コストで小型のサット用遠心分離実験施設において、単一のリアクションホイールによるスピン制御の実現可能性を確認した。