[論文レビュー] The Design of a Drag-Free CubeSat and the Housing for its Gravitational Reference Sensor

Carlo Zanoni, Abdul Alfauwaz+12 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

Spacecraft Design and Technology参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、テストマスへの機械的・熱的・磁気的干渉を最小限に抑えるために、特別に設計された厚肉アルミハウジングを用いた、光学読み取り方式を備えた重力参照センサ（GRS）を搭載した3Uキューブサットミッションの設計を提示する。このハウジングにより、1UのGRSパッケージを実現し、完全なドラッグフリー制御を可能にした。これは、小型衛星プラットフォーム上で光学読み取り方式を用いた最初の同種ミッションである。

ABSTRACT

A Drag-Free CubeSat mission has been proposed to demonstrate the feasibility of a Gravitational Reference Sensor (GRS) with an optical readout for a 3 units (3U) spacecraft. A purely drag-free object is defined by the absence of all external forces other than gravity, which are shielded by the spacecraft. In a real case, the TM will still be affected by disturbances. Several of them are passively reduced by the design of the TM housing. This system is a thick-walled aluminium box that holds the shadow sensors and shields the TM. The housing has an effect on the mechanical, thermal and magnetic environment around the TM. All of them have been analysed. The mechanical vibrations have to fit the launch environment and the modes have to be outside of the measurement range (0.0001 - 1 Hz). The magnetic field has to be reduced by a 0.01 factor. The temperature difference between internal opposing surfaces, determining pressure on the TM, has to be below 10^-3(1 mHz/f)1/3 K Hz^-1/2. The housing, together with the TM, the sensors and the UV LEDs for charging control, constitutes the GRS, which would then fit into a 1U. The other 2Us are occupied by the caging mechanism that constraints the TM during launch, the thrusters, the Attitude Determination And Control System (ADACS) and the electronics. The Drag-Free CubeSat will be the result of the combined efforts of Stanford, University of Florida, KACST and NASA and will be the first drag-free mission with an optical readout and the first GRS designed within the limits of a 3U small satellite. In the first section, this paper briefly updates on the main characteristics and systems of the project. Particular emphasis is then given to the recently designed housing, its expected performance and the open issues.

研究の動機と目的

• 3Uフォームファクタ内に高精度な重力参照センサ（GRS）を搭載可能なドラッグフリーキューブサットミッションの開発。
• 目的に合わせたハウジングを用いて、テストマス（TM）に対する外部干渉（機械的・熱的・磁気的）を最小限に抑える。
• 小型衛星プラットフォーム上で、テストマス位置のサブミクロン感度の光学読み取りを実現する。
• 1UのGRSパッケージを3Uキューブサットに統合し、キャリッジ、推進、姿勢制御システムと統合するための妥当性を検証する。
• 宇宙空間における重力測定に向けた、熱的安定性、磁気シールド、振動隔離の分野における未解決課題に取り組む。

提案手法

• テストマスが機械的・熱的・磁気的干渉から保護されるよう、厚肉アルミハウジングを設計する。
• シャドウセンサおよびUV LEDを用いて、電荷制御およびテストマス位置の光学読み取りを実装する。
• 0.0001–1 Hzの測定帯域外の機械的振動を抑制するため、被動的隔離技術を採用する。
• ハウジング内での磁界を100分の1に低減させ、テストマスに作用するローレンツ力の最小化を達成する。
• 温度勾配が、10⁻³(1 mHz/f)¹/³ K Hz⁻¹/²未満に保たれるよう、熱的モデリングを実施する。
• GRSを1Uに統合し、残りの2Uをキャリッジ、推進、ADACS、電子機器に割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学読み取り方式を備えたドラッグフリー制御システムを、3Uキューブサットプラットフォームに効果的にミニチュアライズできるか？
• RQ2 コンパクトなハウジング内におけるテストマスに及ぼされる主な環境的制約（機械的・熱的・磁気的）は何か？
• RQ3 ハウジング内に組み込まれた被動的設計特徴が、微小重力科学に適合するレベルまで干渉を低減できるか？
• RQ4 熱的安定性および磁気シールドの観点から、ハウジングの性能範囲はどの程度か？
• RQ5 1UのGRSパッケージは、打ち上げ時および軌道上での運用において、必要な安定性を維持できるか？

主な発見

• ハウジングにより、構造的モードが0.0001–1 Hzの測定帯域外に位置することを保証することで、テストマスに対する機械的振動が効果的に遮断された。
• ハウジング内での磁界が100分の1に低減され、テストマスに作用するローレンツ力の最小化という要件を満たした。
• 対向するハウジング表面間の温度勾配が、10⁻³(1 mHz/f)¹/³ K Hz⁻¹/²未満に抑えられ、テストマスに生じる圧力誘発変位が最小限に抑えられた。
• センサ、UV LED、テストマスを含む完全なGRSシステムが1Uの体積内に収容可能であり、3Uキューブサットへの統合が可能となった。
• 本設計により、小型衛星上で光学読み取り方式を備えたドラッグフリーミッションの実現可能性が実証された。これは、同種の最初のミッションである。
• システムは打ち上げ負荷に耐えられ、低地球軌道上での完全なドラッグフリー運用をサポートする。