[論文レビュー] Project Lyra: Catching 1I/'Oumuamua -- Using Laser Sailcraft in 2030

Adam Hibberd, Andreas M. Hein|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2020

Maritime and Coastal Archaeology参考文献 41被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2030年の打ち上げを想定し、縮小版のBreakthrough Starshotレーザー配列を活用して、レーザー帆で帆船を300 km/s（約0.001c）まで加速させ、恒星間オブジェクト1I/'Oumuamuaを捉えるレーザー帆ミッションを提案する。軌道シミュレーションの結果、最小440日間の飛行時間となり、82 AUを超える距離で交会が実現可能であり、化学推進ミッションに比べて高速かつスケーラブルな代替手段を提供する。

ABSTRACT

Discovered in October 2017, the interstellar object designated 1I/'Oumuamua was the first such object to be observed travelling through our solar system. 1I/'Oumuamua has other characteristics never seen before in a celestial body and in-situ observations and measurements would be of extraordinary scientific value. Previous studies have demonstrated the viability of spacecraft trajectories to 'Oumuamua using chemical propulsion with a Solar Oberth burn at a perihelion as low as a few solar radii. In addition to chemical propulsion, there is also the possibility of missions involving light sails accelerated by the radiation pressure of a laser beam from a laser located on Earth. Based on a scaled-down Breakthrough Starshot beaming infrastructure, interplanetary missions and missions to the outer solar system have been proposed using lower sailcraft speeds of 0.001c relaxing the laser power requirements (3-30 GW for 1-100 kg spacecraft) and various other mission constraints. This paper uses the OITS trajectory simulation tool, which assumes an impulsive $Δ$V increment, to analyze the trajectories which might be followed by a sailcraft to 'Oumuamua, with a launch in the year 2030 and assuming it has already been accelerated to a maximum speed of 300km/s (approx. 0.001c) by the laser. A minimum flight duration of 440 days for a launch in July 2030 is found. The intercept would take place beyond 82 AU. We conclude that the possibility of launching a large number of spacecraft and reaching 1I much faster than chemical propulsion would circumvent several disadvantages of previously proposed mission architectures.

研究の動機と目的

• 1I/'Oumuamua、すなわち最初に観測された恒星間オブジェクトへのレーザー帆ミッションの実現可能性を評価すること。
• 長時間の飛行時間と高いΔv要件といった化学推進ミッションの限界を克服すること。
• 深宇宙の恒星間オブジェクトへのマッチングに適した、縮小版のBreakthrough Starshotレーザーインfra構造の性能を評価すること。
• インパルスΔv軌道モデルを用いて、2030年の打ち上げを想定した最適な打ち上げ窓とミッション期間を特定すること。
• 従来の化学推進に比べ、レーザー帆技術がより高速かつスケーラブルなミッションを可能にすることを示すこと。

提案手法

• インパルスΔv maneuverを伴う帆船軌道をモデル化するために、OITS軌道シミュレーションツールを用いる。
• 縮小版のBreakthrough Starshotアーキテクチャに準拠し、打ち上げ前に300 km/s（0.001c）の初速度にレーザー推進で加速することを仮定する。
• 2030年の打ち上げ窓を想定し、1I/'Oumuamuaへの交会軌道を焦点にしたミッションプロファイルをモデル化する。
• 軌道力学の原則を適用して、82 AUを超える距離で最小飛行時間と交会地点を計算する。
• 帆船質量（1–100 kg）、レーザー出力（3–30 GW）、太陽系の力学的ダイナミクスといったミッション制約を検討する。
• Δvと飛行時間の指標を用いて、化学推進の代替手段と比較してミッション性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2030年7月に打ち上げたレーザー帆宇宙船が1I/'Oumuamuaに到達するための最小飛行時間はどのくらいか？
• RQ2 縮小版のレーザー推進システムは、82 AUを超える距離で実現可能な時間枠内に、1I/'Oumuamuaに到達するのに十分な速度を達成できるか？
• RQ3 恒星間オブジェクトへのマッチングにおいて、レーザー帆推進は化学推進に比べて飛行時間とΔv要件の点でどのように異なるか？
• RQ4 2030年のミッションにおいて、レーザー帆宇宙船を用いて1I/'Oumuamuaに到達するための最適な打ち上げ窓と軌道パラメータは何か？
• RQ5 複数の帆船を用いることで、ミッション成功確率の向上とリスク低減にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 2030年の打ち上げを想定し、初速度300 km/sを前提とした場合、1I/'Oumuamuaに到達するための最小飛行時間は440日間である。
• 交会は82 AUを超える距離で発生し、海王星の軌道をはるかに超えており、ミッションの深宇宙的性質を裏付けている。
• レーザー帆推進により、440日間という飛行時間でミッションを実現可能であり、化学推進の代替手段に比べて著しく高速である。
• ミッション構造はスケーラブルであり、3–30 GWの低出力レーザーを用いて1–100 kgのペイロードを複数の帆船で運用可能である。
• 軌道シミュレーションにより、航行中における推進力なしに初期レーザーインパルスのみで1I/'Oumuamuaへのマッチングが可能であることが確認された。
• この手法により、高コストの推進剤質量と長時間の転送時間といった化学推進の主な欠点を回避し、0.001cまで急速に加速可能である。