[論文レビュー] Ion Beam Shepherd for Asteroid Deflection

Claudio Bombardelli, J. Peláez|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Astro and Planetary Science参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、小惑星の表面に高エネルギーイオンビームを照射することで運動量を移譲し、軌道を変更する接触なしの小惑星回避手法「イオンビーム・シーラー（IBS）」を提案する。IBSは重力トレイサーと比較して宇宙船質量を10倍以上軽量化し、近接浮上を不要とし制御を簡素化する。近い将来の技術または最新の推進システムを用いた実現可能なミッション設計が可能である。

ABSTRACT

We present a novel concept to impart a continuous thrust to an Earth threatening asteroid from a hovering spacecraft without need for physical attachment nor gravitational interaction with the asteroid. The concept involves an ion thruster placed at a distance of a few asteroid diameters directing a stream of quasi-neutral plasma against the asteroid surface resulting into a net transferred momentum. As the transmitted force is independent of the asteroid mass and size the method allows deflecting subkilometer asteroids with a spacecraft much lighter when compared to a gravity tractor spacecraft of equal deflection capability. The finding could make low-cost asteroid deflection missions possible in the coming years.

研究の動機と目的

• 小惑星回避のための重力トレイサー概念における高い宇宙船質量と制御の複雑さに対処すること。
• 物理的接触を回避しミッションリスクを低減する接触なしの回避手法を開発すること。
• 重力トレイサーと比較して、イオンビーム推進の小惑星回避における質量効率と実現可能性を評価すること。
• IBS構造における異なるイオンエンジンおよび電源システムの構成の間での性能トレードオフを特定すること。
• 現在のまたは近い将来の電気推進技術を用いた短期間での実証ミッションの可能性を評価すること。

提案手法

• IBS宇宙船は、主イオンエンジンを用いて小惑星表面に高速度・低発散のイオンビームを照射し、運動量を移譲することで軌道を変更する。
• 同じ宇宙船に搭載された二次エンジンが反動力を相殺し、小惑星からの一定距離を維持する安定な位置を保つ。
• 安全な浮上距離の上限は $ d_{\text{max}} \backsimeq \frac{s}{2\sin\varphi} $ で与えられ、ここで $ s $ は小惑星の短径、$ \varphi $ はビームの半頂点角である。
• 運動量移譲は完全非弾性衝突を仮定し、スプラッタ効果は無視する。ビーム発散と指向誤差は損失要因とみなす。
• 宇宙船質量は、 propellant 質量、電源システム質量（比電力密度 $ \alpha $）、構造質量を組み合わせ、比衝撃と推力効率を主なパrameterとして計算する。
• 性能は、200m径の小惑星に対して1年間で $ \Delta V = 1.9 \times 10^{-3} \, \text{m/s} $ の変位を達成するという標準的な回避ベンチマークを用いて重力トレイサーと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンビーム・シーラー概念は、小惑星回避において重力トレイサーと比較してどの程度質量効率が優れているか？
• RQ2 小惑星表面を完全に被覆するための最大安全距離はどの程度か？衝突リスクを回避できるか？
• RQ3 異なるイオンエンジン効率と比衝撃が、宇宙船総質量および推進剤消費量にどのように影響するか？
• RQ4 ビーム発散と指向誤差がIBSシステムにおける運動量損失に占める相対的寄与度はどの程度か？
• RQ5 IBS概念は、現在のまたは近い将来の電気推進技術を用いて、実現可能な短期間の実証ミッションを可能にするか？

主な発見

• IBS概念は、同じ回避性能を達成する場合、重力トレイサーと比較して必要な宇宙船質量を1桁以上削減する。
• 200m径の小惑星に対して、1年間で $ 1.9 \times 10^{-3} \, \text{m/s} $ の軌道変位を達成するには、近い将来の推進技術（IBS1）を用いることで、宇宙船質量が1トン未満で可能である。
• 最新技術（IBS2）を用いれば、宇宙船質量は依然として2トン未満に抑えられ、重力トレイサーの20トンと比較して顕著な低質量化が達成される。
• IBS宇宙船と小惑星との間の相互重力は無視できる大きさであり、小惑星径の2倍の距離で、ビーム推力の1％未満にとどまる。
• IBS1設計では、80％の推力効率と10,000秒の比衝撃を達成し、$ \alpha = 5 \, \text{kg/kW} $ の条件下で1年間のミッションに最適な性能を発揮する。
• IBS1はIBS2と比較して、推進剤消費量と電源要件が顕著に低く抑えられ、推進剤消費量は100kg未満、電源要件は100kW未満で実現可能である。