[論文レビュー] Solar sail propulsion: enabling new capabilities for heliophysics

Les Johnson, R. Young+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2010

Aerospace Engineering and Energy Systems参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、すでにTRL-6（飛行準備度80％）にある太陽 sail 推進技術を活用することで、太陽物理学ミッションの変革的実現が可能になると提言している。この技術は2010年太陽物理学調査で提示された科学的目標を支持する。論文では、太陽 sail によって可能になるミッション概念を提示し、現在の技術状態を詳述し、今後の科学主導型ミッションに向けた技術発展に必要な資金を特定している。

ABSTRACT

Solar sails can play a critical role in enabling solar and heliophysics missions. Solar sail technology within NASA is currently at 80% of TRL-6, suitable for an in-flight technology demonstration. It is conceivable that an initial demonstration could carry scientific payloads that, depending on the type of mission, are commensurate with the goals of the three study panels of the 2010 Heliophysics Survey. Follow-on solar sail missions, leveraging advances in solar sail technology to support Heliophysics Survey goals, would then be feasible. This white paper reports on a sampling of missions enabled by solar sails, the current state of the technology, and what funding is required to advance the current state of technology such that solar sails can enable these missions.

研究の動機と目的

• TRL-6に達した太陽 sail 技術が、科学主導型の太陽物理学ミッションを支援可能であることを示すこと。
• 2010年太陽物理学調査の目標と整合する太陽 sail 推進によって実現可能な具体的な太陽物理学ミッションを特定すること。
• 太陽 sail を技術実証から運用型科学ミッションへ移行させるために必要な資金および技術向上を概説すること。
• 初期の太陽 sail 飛行実証ミッションに科学ペイロードを統合する可能性を評価すること。
• 段階的な技術向上を活用して、後続ミッションの開発を支援すること。

提案手法

• TRL-6に達した既存の太陽 sail 技術を分析し、飛行実証に向けた成熟度を評価すること。
• 太陽 sail のダイナミクスを活用した、ハロ軌道での定位置保ちや太陽風モニタリングなど、特異な太陽物理学観測を実現するミッション概念を設計すること。
• 技術実証ミッションの段階で、科学機器を太陽 sail プラットフォームに統合する方法を評価すること。
• ラグランジュ点軌道や太陽連合監視など、太陽物理学に適した軌道に対して、太陽 sail の性能範囲を評価すること。
• 従来の推進方式では到達できない、戦略的観測ポイントでの持続的で推進力のある定位置保ちを実現するミッション・アーキテクチャをモデル化すること。
• 将来的な科学ミッションに向けた太陽 sail システムをTRL-8以上まで引き上げるための技術的ギャップと資金要件を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の化学推進または電気推進では実現不可能な、太陽 sail 推進によって達成可能な太陽物理学の科学的目標は何か？
• RQ2 太陽 sail 技術実証ミッションは、2010年太陽物理学調査の目標と整合する科学ペイロードをどのように統合できるか？
• RQ3 太陽 sail を技術検証段階から運用型科学ミッションへ移行させるために、どのような段階的技術向上と資金が必要か？
• RQ4 太陽 sail が提供する軌道・軌道力学的特性は、太陽物理学観測に特異な観測ポイントを実現するためにどのように寄与するか？
• RQ5 太陽 sail は、ラグランジュ点や太陽連合地点での長期間にわたる、推進力のある定位置保ちをどのように支援できるか？

主な発見

• 太陽 sail 技術はすでに TRL-6 に達しており、飛行実証ミッションの実施が可能であることを示している。
• 初期の太陽 sail 飛行実証ミッションは、2010年太陽物理学調査に関連する科学ペイロードを搭載可能であり、早期の科学的成果が得られる。
• 改良された太陽 sail 技術を活用した後続ミッションは、ラグランジュ点での持続的観測など、特異な太陽物理学的目標を達成できる。
• 現在の技術成熟度は、太陽 sail のダイナミクスを活用した新しい軌道運用を実現するミッション概念開発を支援できる。
• 将来的な信頼性の高い科学主導型太陽 sail ミッションを実現するためには、技術のさらなる発展に資金が必要である。
• 太陽 sail は、太陽物理学研究に不可欠な戦略的観測ポイントで、長期間にわたる低推力運用を可能にする推進能力を提供する。