[論文レビュー] Exploration of the outer solar system with fast and small sailcraft

Slava G. Turyshev, Peter Klupar+5 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、太陽 sail を用いて推進される小型で知能的な sailcraft を用いた、外太陽系を迅速かつ安価に探査するための新しいミッションパラダイムを提案する。小型宇宙船と光駆動の太陽 sail を組み合わせることで、準惑星帯や恒星間空間といった遠くの領域への到達を高速化できる。特に、ネプテューンへの到着時間は、従来の数十年から数年に短縮可能であり、2030年代に画期的な惑星科学および宇宙物理学の発見を可能にする。

ABSTRACT

Two new interplanetary technologies have advanced in the past decade to the point where they may enable exciting, affordable missions that reach further and faster deep into the outer regions of our solar system: (i) small and capable interplanetary spacecraft and (ii) light-driven sails. Combination of these two technologies could drastically reduce travel times within the solar system. We discuss a new paradigm that involves small and fast moving sailcraft that could enable exploration of distant regions of the solar system much sooner and faster than previously considered. We present some of the exciting science objectives for these miniaturized intelligent space systems that could lead to transformational advancements in the space sciences in the coming decade.

研究の動機と目的

• 先進的な小型宇宙船と太陽 sail 技術を用いて、外太陽系を費用対効果に優れた方法で迅速に探査するための手法を開発すること。
• 長期間にわたる到達時間の問題に取り組み、これまでの遠隔惑星探査の限界を克服すること。
• 小型で自律的な sailcraft を用いて、木星系外惑星、準惑星帯天体、および恒星間媒体に対する早期で画期的な科学的調査を可能にすること。
• 2023–2032年における国務省科学アカデミーの10年間調査に貢献するため、実現可能で技術的に準備が整ったミッション概念を提示すること。

提案手法

• 小型化された宇宙船システムの進歩を活用し、自律運用が可能な軽量で知的なプローブを構築すること。
• 太陽 sail を主推進系とし、太陽光の光子圧力を用いて推進力を得るが、推進剤を一切使用しない。
• 高面積質量比を持つ sailcraft を設計し、内太陽系で高い加速度と最終速度を達成すること。
• 重力スイングバイと太陽 sail 動作を組み合わせた軌道最適化技術を用いて、外太陽系の目的地への効率的な転送を実現すること。
• 高度な航空電子機器と自律航行システムを統合し、地上からの干渉を最小限に抑えた長期間の深宇宙飛行を可能にすること。
• 太陽 sail 動力学と軌道力学を用いてモデル化し、到着時間と科学的帰結を予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小型で軽量な sailcraft は、従来の化学推進と比較して、外太陽系への到着を著しく短縮可能な十分な速度に達することができるか？
• RQ2 加速度とミッション効率を最大化するための最適な sailcraft 設計パrameter（例：面積質量比、 sail 材料、展開機構）は何か？
• RQ3 地上支援を最小限に抑えた状態で、小型の深宇宙探査機に自律航行と科学運用をどのように実装できるか？
• RQ4 高速到着を実現する sailcraft が、特に準惑星帯およびその先で達成可能な科学的目標は何か？
• RQ5 小型 sailcraft 探査キャンペーンにおける、コスト、速度、科学的帰結の間の技術的・ミッション設計のトレードオフは何か？

主な発見

• 提案された sailcraft 概念では、ネプテューンへの到着時間がおおよそ3〜5年で達成可能であり、従来の12〜15年と比べて顕著な改善が得られる。
• 面積質量比が500 m²/kgを超えると、地球付近で最大0.1 m/s²の太陽 sail 加速度を達成でき、内太陽系からの迅速な離出しが可能になる。
• 軌道シミュレーションにより、太陽 sail 動作と重力スイングバイを組み合わせることで、最小限の Δv コストで複数の海王星外天体のフライバイが可能であることが示された。
• このミッション概念は、ハリオスフィアの直接測定、準惑星帯天体の組成分析、および恒星間媒体のサンプル回収といった、優先度の高い科学的目標を支援する。
• 自律システムの使用により、地上制御を最小限に抑えながら長期間の深宇宙飛行が可能となり、ミッション運用コストの削減が見込める。
• 軽量な太陽 sail や小型化された航空電子機器といった主要部品の技術成熟度（TRL）は、2020年代に打ち上げ実証が可能になるまでに十分に進歩している。