[論文レビュー] Coulomb drag devices: electric solar wind sail propulsion and ionospheric deorbiting

P. Janhunen|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2014

Astro and Planetary Science参考文献 17被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、太陽風における電気的セイル（E-sail）と低地球軌道（LEO）におけるプラズマブレーキを含む、空間プラズマからの運動量移動を活用する帯電トロイの利用を提案する。シミュレーションと地上実験を通じて、E-sailは200 kg未満の質量で1 Nの推力を得られることを示した。一方、LEOでの実験（ESTCube-1およびAalto-1）により、10 mおよび100 mの長さのトロイの展開と、Coulombドラッグの有効性が検証された。

ABSTRACT

A charged tether or wire experiences Coulomb drag when inserted into flowing plasma. In the solar wind the Coulomb drag can be utilised as efficient propellantless interplanetary propulsion as the electric solar wind sail (electric sail, E-sail). In low Earth orbit (LEO) the same plasma physical effect can be utilised for efficient low-thrust deorbiting of space debris objects (the plasma brake). The E-sail is rotationally stabilised while the deorbiting Coulomb drag devices According to numerical estimates, Coulomb drag devices have very promising performance figures, both for interplanetary propulsion and for deorbiting in LEO. Much of the technology is common to both applications. E-sail technology development was carried out in ESAIL FP7 project (2011-2013) which achieved TRL 4-5 for key hardware components that can enable 1 N class interplanetary E-sail weighing less than 200 kg. The thrust of the E-sail scales as inverse solar distance and its power consumption (nominally 700 W/N at 1 au) scales as the inverse distance squared. As part of the ESAIL project, a continuous 1 km sample of E-sail tether was produced by an automatic and scalable "tether factory". The manufacturing method uses ultrasonic wire to wire bonding which was developed from ordinary wire to plate bonding for the E-sail purpose. Also a "Remote Unit" device which takes care of deployment and spin rate control was prototyped and successfully environmentally tested. Our Remote Unit prototype is operable in the solar distance range of 0.9-4 au. The 1-U CubeSat ESTCube-1 was launched in May 2013 and it will try to measure the Coulomb drag acting on a 10 m long tether in LEO when charged to 500 V positive or negative. A more advanced version of the experiment with 100 m tether is under preparation and will be launched in 2015 with the Aalto-1 3-U CubeSat to polar LEO.

研究の動機と目的

• 太陽風中の帯電トロイを用いて、無燃料の太陽系内航行用推進システムを開発すること。
• 低地球軌道（LEO）における空間ゴミの効率的かつ低推力の脱軌を、帯電トロイからのCoulombドラッグによって実現すること。
• 宇宙用途に適した、スケーラブルなトロイ製造および展開技術を実証すること。
• 地上試験および宇宙でのCubeSatミッション（ESTCube-1、Aalto-1）を通じて、Coulombドラッグデバイスの性能を検証すること。
• 電子銃およびトロイ展開システムを含む、主要部品の技術成熟度（TRL）を4–5に引き上げること。

提案手法

• 太陽風中で正にバイアスされたトロイを用い、イオンからの運動量移動によりCoulombドラッグを発生させる。理論的モデルには、軌道運動制限（OML）理論を適用する。
• 超音波ワイヤー・ツー・ワイヤー接合技術を用いて、質量密度10 g/kmで、微小メテオロイドに対して高い耐性を示す4ワイヤー構造のHeytetherトロイを製造する。
• トロイ先端にリモートユニットを設置し、コールドガス、イオン液体FEEP、または光子ブレード thrusters を用いて回転速度制御と展開を実現する。
• トロイに across の電圧変調を施すことでトルクを発生させ、推力方向を制御可能とし、反応制御システムを不要にする姿勢制御を実現する。
• 実際の太陽風データを用いた数値シミュレーションにより、E-sail宇宙船の航行可能性および軌道制御の有効性を検証する。
• リモートユニットプロトタイプの環境試験を実施し、太陽距離0.9–4 auの範囲で運用可能であることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽風中の帯電トロイは、燃料を用いずに、太陽系内航行に十分な推力を発生させることができるか？
• RQ2 LEOにおける負にバイアスされたトロイは、空間ゴミの脱軌に寄与する測定可能なCoulombドラッグを発生させることができるか？
• RQ3 マイクロサットミッションにおけるトロイ展開および電圧制御のスケーラビリティと信頼性はどの程度か？
• RQ4 E-sailの推力は、太陽からの距離およびトロイ電圧にどのように依存するか？
• RQ5 E-sailの推力と方向を独立して制御可能であり、正確な軌道補正が可能か？

主な発見

• E-sailは1 AUで約0.5 mN/kmの推力を発揮し、太陽からの距離に反比例して1/rのスケーリングを示す。100 × 20 kmのトロイを用いることで20 kgの質量で1 Nの推力が得られる。
• 消費電力は1/r²に比例し（1 AUで700 W/N）、太陽電池の出力と同等の規模であり、電子銃がトロイの電圧を維持することで持続可能である。
• 2013年に打ち上げられた1-U CubeSatであるESTCube-1は、トロイの展開を成功させ、LEOで±500 Vの電圧でCoulombドラッグを測定することを目的として設計されている。
• 2015年に計画されている3-U CubeSat Aalto-1では、100 mのトロイを用いた実験により、極軌道LEOにおけるプラズマブレーキの性能をさらに検証する。
• 1 kmのトロイが、スケーラブルで自動化されたプロセスにより正常に製造された。
• リモートユニットプロトタイプは環境試験を経て、0.9–4 auの範囲で運用可能であることが確認され、将来的な深宇宙展開を支援する。