[論文レビュー] Ion Beam Shepherd for Contactless Space Debris Removal

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

Space Satellite Systems and Control参考文献 8被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、空間ゴミに焦点を当てた高エネルギーイオンビームを発射することで運動量を移譲し、脱軌道化する接触なしのアクティブデブリリムーブ手法「イオンビームシーラー（IBS）」を提案する。最新のイオンエンジンを用いることで、合計質量300 kg未満のIBSが約7か月で5トンのデブリを脱軌道化可能であり、低地球軌道（LEO）における大規模なデブリ低減の実現可能性を示している。

ABSTRACT

A novel concept for contactless active removal of large space debris is proposed exploiting the use of a high-speed targeted ion beam. The ion beam shepherd spacecraft (IBS) is equipped with an electric propulsion system generating a quasi-neutral plasma pointed against the space debris to remotely modify its orbit without physical contact with the latter. The beam shepherd must be equipped with a secondary propulsion system which counteracts the reaction force exerted by the ion beam hence keeping the distance between the space debris constant throughout the deorbit (or reorbit) process. A preliminary analysis of the concept is provided highlighting the expected performance and the main technologicals challenges. The concept has the potential of making large debris removal operations possible in the near future.

研究の動機と目的

• 混雑した低地球軌道（LEO）に存在する、増加する軌道デブリの脅威、特に大がかりで機能しない物体が連鎖的衝突効果を引き起こすリスクを軽減するため。
• ドッキングや物理的捕獲を伴わず、接触なしで安全かつ効率的に大規模なデブリ物体（例：1トン以上）を脱軌道化する手法を開発するため。
• 現在の電気推進技術を用いたイオンビームシーラー（IBS）宇宙機の性能とシステムレベルの実現可能性を評価するため。
• 現実的な制約下で、最小限の合計質量と最大の脱軌道化効率を実現するためのIBSシステム最適化のため。

提案手法

• IBSは、主にイオン推進系を用いて、高指向性かつ高速度のイオンビームを標的のデブリ物体に照射し、運動量を移譲することで軌道を変更する。
• デブリにかかる力は、ビームの運動量フラックスに基づき計算され、完全な吸収とスパッタリング効果の無視を仮定する。
• 2エンジン構成をモデル化：70％効率のイオンエンジンを2基用い、最適比推進力のためのイービング・シュトラウスラー特性速度に一致する最適化された排出速度を採用。
• 電力システムの単位質量（5 kg/kW）、構造質量（150 kg）、および推力プロファイル（一定の接線方向推力）の最適化により、システム質量を最小化する。
• 解析的モデルを用いて、1000 kmから300 kmの高度の円軌道にあるデブリの脱軌道時間と必要な質量を計算する。
• ビーム発散角が低い（<15°）と仮定し、現在のイオンエンジンで達成可能な水準であり、デブリから安全な距離で運用可能である。

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宇宙機は、物理的接触なしに大規模な宇宙デブリ（1トン以上）を効果的に脱軌道化できるか？
• RQ2 一定の接線方向推力下で、合計IBSシステム質量を最小限に抑えるために最適な比推進力と推力排出速度は何か？
• RQ3 与えられたIBSシステム構成下で、デブリ質量に応じて必要な脱軌道時間はどのように変化するか？
• RQ4 ビーム-ターゲットのアライメントを維持する上での主な技術的・物理的課題と、バックスキャッタードイオンの管理は何か？
• RQ5 ビームの圧力中心とデブリの重心とのずれが、姿勢ダイナミクスと運用上の安全性に与える影響は何か？

主な発見

• 5トンのデブリ物体は、合計質量300 kg未満のIBSを用いて、1000 kmから300 kmの高度まで約7か月で脱軌道化可能である。
• 最適な比推進力は、イービング・シュトラウスラー特性速度に一致する排出速度に対応し、特定の脱軌道タスクにおいて合計システム質量を最小化する。
• 構造質量150 kg、電力システム単位質量5 kg/kWを仮定した場合、5トンまでのデブリ質量に対しても、合計IBS質量は300 kg未満で維持可能である。
• 特にビーム発散角が小さい（<15°）イオンエンジンを用いることで、現在の電気推進ハードウェアと組み合わせて、安全で接触なしの運用が可能である。
• 非ノーマルな状態、例えばビームのずれやバックスキャッタードイオンの影響により、姿勢制御と汚染リスクの面で課題が生じ、さらなる研究が求められる。
• IBS概念は、特に高交通量の軌道領域に存在する大がかりで協調不能な物体に対して、有望でスケーラブルなアクティブデブリリムーブソリューションを提供する。