[論文レビュー] The High Inclination Solar Mission

K. Kobayashi, Les Johnson+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 25被引用数 9

ひとこと要約

High Inclination Solar Mission (HISM) は、Solar Cruiserミッションの技術を活用して、75°を超える太陽系赤道面傾斜角を達成する太陽 sail 駆動型宇宙船の概念を提唱する。0.26 mm/s² の特徴的加速度を用いた6.7年間で60°の傾斜角に到達する可能性を示し、遠隔および直接観測機器を用いて太陽とホリオスフィアの極域を画期的な観測が可能となる。

ABSTRACT

The High Inclination Solar Mission (HISM) is a concept for an out-of-the-ecliptic mission for observing the Sun and the heliosphere. The mission profile is largely based on the Solar Polar Imager concept: initially spiraling in to a 0.48 AU ecliptic orbit, then increasing the orbital inclination at a rate of $\sim 10$ degrees per year, ultimately reaching a heliographic inclination of $>$75 degrees. The orbital profile is achieved using solar sails derived from the technology currently being developed for the Solar Cruiser mission, currently under development. HISM remote sensing instruments comprise an imaging spectropolarimeter (Doppler imager / magnetograph) and a visible light coronagraph. The in-situ instruments include a Faraday cup, an ion composition spectrometer, and magnetometers. Plasma wave measurements are made with electrical antennas and high speed magnetometers. The $7,000\,\mathrm{m}^2$ sail used in the mission assessment is a direct extension of the 4-quadrant $1,666\,\mathrm{m}^2$ Solar Cruiser design and employs the same type of high strength composite boom, deployment mechanism, and membrane technology. The sail system modelled is spun (~1 rpm) to assure required boom characteristics with margin. The spacecraft bus features a fine-pointing 3-axis stabilized instrument platform that allows full science observations as soon as the spacecraft reaches a solar distance of 0.48 AU.

研究の動機と目的

• 黄道面を越えて持続的な高傾斜角太陽観測を実現するための実現可能なミッション概念を開発すること。
• Solar Cruiserミッションの太陽 sail 技術を活用し、低推力・燃料なしの軌道挿入および傾斜角変更を可能とすること。
• 従来のミッションでは到達できなかった地点から、太陽の極域およびホリオスフィアの遠隔測定と直接測定を可能とすること。
• 現実的な sail 特性と軌道最適化を用いて、ミッション性能と技術成熟度を評価すること。
• 現在または近い将来の太陽 sail 技術を用いて、75°の傾斜角を合理的な期間内に達成できることを実証すること。

提案手法

• 1,666 m² の Solar Cruiser 設計を基盤として、7,000 m² の太陽 sail を採用し、高強度複合ボンベおよび膜技術を用いる。
• 地球（C3 = 0）から 0.48 AU まで 2.6 年間の内向きスパイラルを実施し、最適な推力発生のための可変コーン角を用いる。
• 0.48 AU に到達後、一定の太陽距離を維持しながら傾斜角を増加させる「クランキング」段階に移行し、固定 35.3° コーン角と 270° クロック角を用いて横方向推力を最大化する。
• スパイラル段階およびクランキング段階の両方の軌道を、sail 特徴的加速度（Ac）に基づく最小時間軌道モデルを用いて別々に最適化した。
• 遠隔測定機器のための 2 アーキューミニットの指向精度と 7 アーキューヒューリング/秒の安定性を達成するため、3軸安定化で高精度指向が可能な機器プラットフォームを搭載する。
• 質量見積もりと特徴的加速度は、部品レベルの分析から導出され、ベースライン設計では 240 kg の乾燥質量と 0.26 mm/s² の Ac（余裕を含む）が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在または近い将来の技術を用いて、太陽 sail ミッションが75°を超える太陽系赤道面傾斜角を達成可能か？
• RQ2 太陽 sail 推進を用いて、0.48 AU に到達し、高傾斜角を達成するのに必要な最小時間はどのくらいか？
• RQ3 sail 特徴的加速度が、高傾斜角太陽ミッションのミッション期間および軌道性能に与える影響は？
• RQ4 7,000 m² の sail は、高太陽緯度での長期間の科学運用に十分な推力と安定性を提供可能か？
• RQ5 高精度の遠隔測定および直接測定を実現する科学ペイロードのための質量および電力要件は？

主な発見

• HISMミッションは、0.26 mm/s² の特徴的加速度、240 kg の乾燥質量、7,000 m² の sail 面積を用いて、8.0 年間で太陽系赤道面傾斜角 75° を達成可能である。
• ベースライン設計（Ac = 0.26 mm/s²）では、0.48 AU への内向きスパイラル段階が 2.2 年間で実現され、軌道最適化結果と整合的である。
• Ac = 0.26 mm/s² の場合、60° の傾斜角は 6.7 年間で到達可能であり、余裕を含む場合（Ac = 0.22 mm/s²）は 7.9 年間で到達可能であり、10 年間以内に実現可能であることを示した。
• 3軸安定化された機器プラットフォームにより、2 アーキューミニットの指向精度と 7 アーキューヒューリング/秒の安定性が達成され、高精度な遠隔測定が可能となった。
• 搭載された推進剤が存在しないため、ミッションの寿命は部品の耐久性と資金の有無に依存するだけであり、推進剤の消耗による制限はない。
• 7,000 m² の sail は、Solar Cruiser 設計の直接的な拡張であり、同じボンベ、展開および膜技術を用いるため、スケーラビリティが裏付けられた。