[論文レビュー] Exploring the Outer Solar System with Solar Sailing Smallsats on Fast-Transit Trajectories and In-Flight Autonomous Assembly of Advanced Science Payloads

Slava G. Turyshev, Henry Helvajian+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、太陽 sail で推進される小型衛星（<20 kg）を用いた画期的なミッションアーキテクチャを提案し、外太陽系への高速軌道（最大約10 AU/年）を実現することで、宇宙飛行中の自律的組立を介した高度な科学ペイロードの構築を可能にする。この手法により、モジュラーで冗長なシステムを活用し、低コストで頻繁に再構成可能な惑星科学ミッションが実現可能となり、機器の多様化とミッションの耐障害性が向上する。

ABSTRACT

We discuss the in-flight autonomous assembly as the means to build advanced planetary science payloads to explore the outer regions of the solar system. These payloads are robotically constructed from modular parts delivered by a group of smallsats (&lt; 20 kg) which are placed on fast solar system transfer trajectories while being accelerated by solar sail propulsion to velocities of ~10 AU/yr. This concept provides the planetary science community with inexpensive, frequent access to distant regions of the solar system with flexible, reconfigurable instruments and systems that are assembled in flight. It permits faster revisit times, rapid replenishment and technology insertions, longer mission capability with lower costs. It also increases the science capabilities of smallsats via the use of modular, redundant architectures and allows for proliferation of sensing instrumentation throughout the solar system.

研究の動機と目的

• 外太陽系への頻繁で低コストのアクセスを惑星科学ミッションに可能にする。
• 従来の小型衛星の制限を克服し、宇宙飛行中の組立を活用して高度で再構成可能な科学ペイロードを実現する。
• 太陽 sail を活用して高速度軌道（約10 AU/年）を実現し、外惑星への移動時間を短縮する。
• モジュラーで冗長なアーキテクチャを用いて、ミッションの耐久性と技術刷新サイクルを向上させる。
• 本アーキテクチャにより、太陽系全体にわたり分散的かつ多様化したセンシング能力を強化する。

提案手法

• 太陽 sail を装備した小型衛星（<20 kg）を用いて、外太陽系への高速軌道を実現する。
• 複数の小型衛星からモジュラーなペイロード部品を放出し、宇宙空間でロボットシステムを用いて自律的に組立を実施する。
• 宇宙空間での自律的ドッキングとマッチング技術を活用して、科学機器の組立を実現する。
• システムの耐障害性とミッション寿命の延長を図るため、モジュラーで冗長な機器アーキテクチャを設計する。
• 太陽 sail 推進を用いて、宇宙船を約10 AU/年の速度に加速させ、迅速な移動を実現する。
• 組立構造体に高度な計測機器を統合し、高精度な惑星科学測定を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽 sail で推進される小型衛星は、外太陽系への移動速度を約10 AU/年まで達成可能か？
• RQ2 モジュラーな小型衛星を用いた宇宙飛行中の自律的ペイロード組立は実現可能か？
• RQ3 モジュラーで冗長なアーキテクチャは、ミッションの耐障害性を向上させ、運用寿命を延長可能か？
• RQ4 宇宙飛行中の組立は、技術の迅速な統合とミッションの再構成をどのように可能にするか？
• RQ5 このアーキテクチャにより、太陽系全体にわたりセンシング能力を多様化させる可能性は何か？

主な発見

• 太陽 sail 推進を用いることで、最大約10 AU/年の速度で外太陽系への高速軌道ミッションを実現可能である。
• 宇宙飛行中の自律的組立により、小型衛星が運搬するモジュラー部品から高度で再構成可能な科学ペイロードを構築可能である。
• モジュラーで冗長なアーキテクチャは、従来の小型衛星の制限を超えるミッションの耐障害性と運用能力を顕著に向上させる。
• 本手法により、技術の迅速な統合とミッションの刷新サイクルが可能となり、頻繁で低コストな惑星科学ミッションが実現可能である。
• 複数の組立済みプラットフォームを用いた分散的・多様化したセンシングにより、太陽系全体における科学的帰属とカバー範囲が拡大する。
• 2023–2032年の十年計画調査で提唱されたように、本ミッションアーキテクチャは低コストでスケーラブルな今後の外太陽系探査の実現可能性を有する。