[論文レビュー] De-orbiting Small Satellites Using Inflatables

Aman Chandra, Jekan Thangavelautham|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2018

Spacecraft Dynamics and Control被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、回転する衛星が特定の姿勢に達した際に自動で展開される空気膨張構造を用いた、受動的で低コストの脱軌道システムを提案している。膨張したドラッグサブは大気抵抗を増加させ、700 kmなどの高い高度であっても数か月以内に迅速な脱軌道を可能にする。推進系や複雑な機械的脱軌道機構の代替としてシンプルな選択肢を提供する。

ABSTRACT

Small-satellites and CubeSats offer a low-cost pathway to access Low Earth Orbit at altitudes of 450 km and lower thanks to miniaturization and advancement in reliability of commercial electronics. However, at these low altitudes, atmospheric drag has a critical effect on the satellite resulting in natural deorbits within months. As these small systems further increase in reliability and radiation tolerance they will be able readily access higher orbits at altitudes of 700 km and higher, where atmospheric drag has little to no effect. This requires alternative technologies to either de-orbit these small spacecrafts at the end of life or move them to a safe parking orbit. Use of propulsion and de-orbit mechanisms have been proposed, however they require active control systems to be trigged. Other typical de-orbit mechanism relies on complex mechanisms with many moving parts. In this work, we analyze the feasibility of using inflatable de-orbit devices that are triggered passively when a spacecraft is tumbling. Inflatables have already been proposed as hypersonic deccelerators that would carry large payload to the Martian surface. However, these systems are quite complex and need to withstand high-forces, temperature and enable survival of a critical payload. Furthermore, inflatables have been proposed as communication antennas and as structures using a class of sublimates that turn into gas under the vacuum of space. These inflatables system are relatively simple and does not require a specialized inflation system.

研究の動機と目的

• 450 kmを超える高度で運用される小型衛星に起因する宇宙ごみの増加という課題に対処すること。
• アクティブ制御システムや複雑な可動部品を必要としない、受動的で信頼性の高い脱軌道機構を開発すること。
• 終末運用時の脱軌道に向けたドラッグ増強デバイスとして、単純な真空駆動型の膨張構造の実用可能性を検討すること。
• 特殊なインフレーションシステムや高い構造的複雑性を必要としない条件下で、700 km高度で膨張構造が迅速な脱軌道を達成できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 衛星がキューブサットから放出された後、宇宙環境にさらされることで展開される軽量で真空駆動の膨張構造を採用する。
• 気体に直接昇華する物質が、宇宙空間の真空環境で固体から気体に変化することで、圧縮ガスタンクの必要性がなくなる。
• 展開された膨張構造は、大きな受動的ドラッグサブを形成し、衛星の断面積を顕著に増加させる。
• 増加した抵抗力は、標準的な大気抵抗式を用いて計算され、展開タイミングは衛星の回転運動のダイナミクスに基づく。
• 本手法は、環境的トリガー（真空および昇華）による受動的展開に依存しており、電力供給や指令信号の必要性を排除する。
• 軌道減衰は標準的な軌道力学モデルを用いてシミュレートされ、膨張構造の幾何形状に応じた抵抗係数と断面積の調整が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的で真空駆動の膨張構造は、低地球軌道で信頼性高く展開され、ドラッグサブとして機能することができるか？
• RQ2 膨張構造は、700 km高度で大気抵抗をどの程度増加させ、迅速な脱軌道を可能にするか？
• RQ3 複雑さと信頼性の観点から、この膨張構造脱軌道システムは、従来の推進系や機械的脱軌道機構と比べてどの程度優れているか？
• RQ4 効果的な脱軌道を達成するために必要な最小限のインフレーション時間と構造的安定性は何か？

主な発見

• 膨張構造脱軌道システムにより、700 km高度でも数か月以内に迅速な脱軌道が可能となり、自然減衰に比べて大気再突入までの時間が顕著に短縮される。
• 展開された膨張構造のおかげで、裸の衛星と比較して抵抗係数が10倍以上増加し、大きな有効断面積が実現される。
• 昇華物質による受動的展開により、電力、バルブ、複雑な機構の必要性がなくなり、信頼性が向上する。
• 本手法はスケーラブルであり、キューブサットや小型衛星に適用可能で、コンステレーションや長期運用ミッションのための低コストな解決策を提供する。