[論文レビュー] Rendezvous Mission for Interstellar Objects Using a Solar Sail-based Statite Concept

Richard Linares, Damon Landau+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2020

Spacecraft Dynamics and Control参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、太陽風圧力を用いて静止する（ステータイトと呼ばれる）太陽 sail を用いた宇宙機が、'Oumuamua や Borisov のようなインターステラルオブジェクト（ISO）への迅速かつ燃料を一切使用しないランデブーを可能にすることを提案している。ステータイトは太陽に対して固定位置を保ち、帆の制御により軌道を調整できることから、短い予備時間（数か月）でさえも、高速で移動する ISO に追いつくために必要な高Δv（速度変化）を実現する。

ABSTRACT

Using the "statite," or static-satelite, concept -- an artificial satellite capable of hovering in place using a solar sail -- this work proposes to create a dynamic orbital slingshot in anticipation of Interstellar Objects (ISOs) passing through our solar system. The existence of these ISOs offers a unique scientific opportunity to answer fundamental scientific questions about the origin of solar system volatiles, the compositions of exo-solar systems, and the transfer rates of material between solar systems. However, due to their high heliocentric velocities and relatively short lead time, it may be extremely difficult to visit ISOs with current satellite propulsion systems. This work investigates the statite concept as applied to ISO missions and demonstrates potential configurations for optimal ISO flyby and rendezvous missions.

研究の動機と目的

• 高い日心速度と短い発見から接近までの時間窓を有するインターステラルオブジェクト（ISO）を追跡する課題に対処すること。
• 従来の化学推進システムでは達成が難しい、ISO に対する迅速かつ迅速な惑星間ランデブーを実現すること。
• 太陽 sail を用いたステータイトを用いることで、大規模な燃料質量を必要とせずに、ISO へのフィーバイおよびランデブーミッションを実現可能であることを示すこと。
• ISO の接近方向を網羅的にカバーできる最適なステータイトコンステレーションの配置を調査すること。
• 太陽電気推進と太陽 sail 制御の併用が、ランデブー能力とミッションの柔軟性をどのように向上させるかを評価すること。

提案手法

• 太陽重力と太陽放射圧力のバランスを保つことで、任意の日心距離に静止可能なステータイト概念を活用する。
• 力のバランス式を適用：重力 = 太陽放射圧力。ステータイトの静止に必要な臨界的な面積質量比は 0.625 m²/g である。
• ステータイトからの放出後、太陽 sail の制御により自由落下または制御された日心軌道を生成するための軌道設計をモデル化する。
• 既知の2つの ISO である 'Oumuamua（2017年）と Borisov（2019年）を対象に、ランデブーおよびフィーバイミッションのシミュレーションを行い、飛行時間とΔv要件を評価する。
• 1 AU のステータイトを基準として、太陽 sail の展開と向きの制御により達成可能な速度変化を計算し、迅速な軌道転送を可能にする。
• エネルギーベースの推定（例：ステータイトの脱出速度）を用いてミッション性能を評価し、最大で年間 25 AU までの速度に達する可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽 sail を用いたステータイトは、4〜16か月の予備時間でのみ、ISO に追いつくのに十分なΔvを達成できるか？
• RQ2 ISO の双曲軌道の軌道幾何学的配置が、ステータイトからのランデブーの可能性と飛行時間にどのように影響するか？
• RQ3 潜在的な ISO の接近方向を網羅的にカバーできる最適なステータイトコンステレーションの配置は何か？
• RQ4 太陽電気推進の追加が、ステータイトベースの ISO ランデブーミッションの性能と柔軟性をどのように向上させるか？
• RQ5 ステータイトの燃料を一切使用しない推進能力が、高精度な低推力による高精度な速度のインターステラルオブジェクトの追跡をどれほど迅速に可能にするか？

主な発見

• ステータイトの概念により、太陽風圧力を太陽重力とバランスさせることで、任意の日心距離に静止可能であり、必要な面積質量比は 0.625 m²/g である。
• 'Oumuamua に対しては、1 AU に位置するステータイトから出発したランデブーは、飛行時間約1.5年で実現可能であったが、Borisov は軌道幾何学的要因によりより長期間を要した。
• ステータイトは燃料を一切使用せず、高Δv（例：1 AU で年間 187 km/s）を達成できるため、高精度な速度の ISO 追跡に最適である。
• 軌道解析の結果、ステータイトは静止状態で角運動量がゼロのため、赤道面外の軌道でもランデブーが可能であることが示された。
• この方法により、'Oumuamua はその双曲軌道の漸近線との整合性が良好なため、Borisov よりもステータイトからのランデブーが容易であることが示された。
• エネルギーベースの推定では、太陽に向かって自由落下し、その後帆を用いて速度を維持するステータイトは、最大で年間 25 AU の速度に達する可能性があり、ヴォイジャー1号の 3.6 AU/年 よりもはるかに高い。