JP2004098959A

JP2004098959A - スペースデブリ軌道変換用テザー装置

Info

Publication number: JP2004098959A
Application number: JP2002266335A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Nishida; 西田　信一郎; Toshimi Kawamoto; 河本　聡美
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP3809524B2

Abstract

【課題】ロボットアームと結合されてパワーの供給や信号の遣り取りを可能にし、投棄・回収する対象となる対象衛星を捕獲して一体となった状態で放出されるスペースデブリ軌道変換用テザー装置を提供する。
【解決手段】ロボットアームに設けられた把持機構４３によって、捕獲機構１０、取っ手２０及びテザー機構３０を備えたテザー装置１を把持する。把持機構４３が取っ手２０と結合することで、テザー装置１はロボットアームで操り可能であると共に、捕獲機構１０やテザー機構３０を駆動するためのパワーの供給やセンサ信号や制御用信号等の作業情報信号の遣り取りが可能になる。テザー３３の伸展が完了すると、把持機構４３と取っ手２０との結合が分離され、テザー装置１は対象衛星と一体に放出され、使い捨ての態様で使用される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、故障衛星や衛星残滓等の地球を周回するスペースデブリを投棄・回収するため、地球磁場とテザーとの間に作用する電磁気的な相互作用によってスペースデブリに軌道を変更する力を作用させるスペースデブリ軌道変換用テザー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地球の周回軌道を回っている衛星の中には、寿命やサービス提供期間が終了し、スペースデブリとして存在しているものがある。これらの大型のスペースデブリは、数が多くなれば、ミッションを遂行中の正常な宇宙ステーションや人工衛星にとって衝突等の危険が生じるので、周回軌道から離脱させて投棄・回収することが望まれている。人工衛星の周回軌道からの離脱については、従来、種々の方式が提案されているが、その中の一つとして、軌道を変えるべき対象衛星に付着された導電性のテザーを伸長して、テザーに生じる地球磁場との電磁気的な相互作用（エレクトロダイナミックテザーの原理）によって衛星に制動力を生じさせる方式が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
テザーに働く電磁気的な相互作用によって、投棄・回収すべき対象衛星に制動力を作用させる方式の概略が図７に模式的に示されている。以下に、その制動力発生原理について説明する。図７に示すように、投棄・回収すべき対象衛星５０から伸展されたアルミニウム等の導電性の線材で構成されたテザー３３の先端には、エミッタ装置（電子授受装置）３４が設けられている。エミッタ装置３４が地球周回軌道５５上に存在する周囲の電離粒子（プラズマ）と電子の遣り取りをすることにより、点線で示す擬似閉回路５６が構成される。テザー３３を伸展した状態の対象衛星５０が速度Ｖで周回する地球周回運動に伴って地球磁場による磁力線５７を横切ると、フレミングの右手の法則により、テザー３３上に起電力が生じる。テザー３３は導電性を有するため、この起電力によりテザー３３の電気抵抗に反比例した電流５８が図示の方向に流れる。電流５８が流れるテザー３３は、地球磁場によりフレミング左手の法則による力５９を受ける。この力５９の方向は、対象衛星５０の地球周回運動の方向と逆方向であるため、テザー３３に対して制動力として作用し、テザー３３を取り付けた対象衛星５０の地球周回速度Ｖを低減させる。対象衛星５０は、速度Ｖの低減によって徐々に周回高度が低下し、いずれ大気圏に突入して燃え尽きるか地球上に落下する。
【０００４】
テザー装置によるロケットの上段装置を落下させる装置については、実験が実施されている。しかし、この装置は、予め、ロケットに取り付けた状態で打ち上げ、軌道上で伸展させる方式であった。故障衛星や衛星残滓の軌道を変更する目的でテザー装置を軌道上で対象衛星に取り付ける場合には、テザー装置の取り付け方法に課題があった。また、対象衛星を一旦捕獲した後にテザー装置をその対象衛星に取り付ける作業をする必要があり、ロボットアーム装置又は係留用の衛星着脱装置を用意する必要があった。また、専用の把手等を持たない対象衛星上に２箇所の結合部位を探す必要があった。
【０００５】
【非特許文献１】
中島　厚、外５名、「導電性テザーによる軌道変換技術」、第４３回宇宙科学技術連合講演会講演集、社団法人日本航空宇宙学会、１９９９年１０月、ｐ．８０７−８１２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、故障衛星や衛星残滓などのスペースデブリとなった対象衛星に対して、作業衛星からロボットアームの操作によってテザー装置を取り付け、対象衛星をテザー装置ごと除去・投棄する際に、テザー装置に求められる作業に必要なパワーの供給や情報の遣り取りをロボットアームを経由して得ることを可能にする点で解決すべき課題がある。
【０００７】
この発明の目的は、故障衛星や衛星残滓などのスペースデブリを対象とし、作業衛星からのロボットアームの操作によって対象衛星に取り付けることができるテザー装置であって、テザー装置に必要な作業をロボットアームを経由して行なうことにより、対象衛星をその対象軌道上から効率的に投棄・回収を行なうことができるスペースデブリ軌道変換用テザー装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置は、故障衛星や衛星残滓等のスペースデブリに取り付けられ、地球磁場との電磁気的な相互作用によって前記スペースデブリを軌道変更させる力を得る導電性のテザーを備えたスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記スペースデブリの構造部分を把持可能な捕獲機構、前記テザーを伸展させるテザー機構、及び作業衛星に備わるロボットアームと結合・分離可能であり且つ前記ロボットアームを経由して前記捕獲機構及び前記テザー機構との間でパワーの供給又は作業情報信号の遣取りが可能な取っ手を備えていることを特徴とする。
【０００９】
このスペースデブリ軌道変換用テザー装置によれば、ロボットアームが特にその先端部にてテザー装置に備わる取っ手に結合することで、ロボットアームの操作によってテザー装置を操ることが可能となると共に、捕獲機構及びテザー機構との間でエネルギーの供給又は作業情報信号の遣取りが可能となる。作業衛星が対象衛星の捕獲部位に対して向き合い且つロボットアームが届く範囲内の位置を占めたとき、ロボットアームを操作することでテザー装置を対象衛星の捕獲部位に接近させる。ロボットアームを経由して捕獲機構及びテザー機構に必要な動作をさせることができるので、捕獲機構がスペースデブリの構造部分を把持する動作を行う。その結果、ロボットアームは、テザー装置を介して対象衛星を捕獲することができる。その捕獲状態で、ロボットアームを経由してテザー機構を動作させることにより、テザー機構に備わるテザーを伸展させることができる。テザーの伸展作業が終了すると、ロボットアームは、取っ手との結合が解放され、テザー装置から分離される。テザー装置は、捕獲機構がスペースデブリの構造部分を把持したままの状態で使い捨てとして対象衛星と一体となって放出される。テザーと地球磁場との間で働く電磁気的な相互作用によって、スペースデブリに必要な軌道変換を生じさせることができる。
【００１０】
このスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記捕獲機構は前記構造部分を把持するために開閉可能な指と前記指を開閉させる指駆動部とを備えており、前記テザー機構は前記テザーが巻かれたドラムと前記ドラムから前記テザーを繰り出して伸展するテザー駆動部とを備えることができる。捕獲機構は、ロボットアームを経由して供給されるパワーや制御用の信号によって指駆動部が駆動され、指駆動部の駆動によって指が開閉され、閉じたときの指によって構造部分を把持する。テザー機構においても、ロボットアームを経由して供給されるパワーやロボットアームを経由して遣り取りされる作業情報信号によってテザー駆動部が駆動され、テザー駆動部によってテザーがドラムから繰り出される。
【００１１】
指を開閉させる捕獲機構とテザーを繰り出して伸展させるテザー機構とを備えたスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記取っ手は、前記取っ手と結合状態にある前記ロボットアームとの間で、前記指駆動部と前記テザー駆動部とに前記パワーとしての電力を供給可能な電気コネクタを備えている。取っ手に備わる電気コネクタは、ロボットアームとの間で結合状態にあるときに接続するので、電気コネクタを通じて捕獲機構の指駆動部とテザー機構のテザー駆動部とに電力を供給し、電動モータに出力として指駆動部とテザー駆動部とに必要な動作をさせることができる。
【００１２】
指を開閉させる捕獲機構とテザーを繰り出して伸展させるテザー機構とを備えたスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記取っ手は、前記取っ手と結合状態にある前記ロボットアームとの間で、前記指駆動部に前記ロボットアームに備わるアクチュエータからの駆動力を伝達可能な機械コネクタを備えている。取っ手に備わる機械コネクタは、ロボットアームとの間で結合状態にあるときに接続するので、ロボットアームに備わるアクチュエータから捕獲機構の指駆動部を駆動することができる。なお、テザー機構のテザー駆動部については、指駆動部と同様にロボットアームに備わるアクチュエータから機械コネクタを通じて駆動してもよく、また、取っ手とロボットアームとが結合状態にあるときに接続する電気コネクタを通じて供給される電力によって動作させてもよい。
【００１３】
指を開閉させる捕獲機構とテザーを繰り出して伸展させるテザー機構とを備えたスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記取っ手は、前記作業情報信号として前記指駆動部と前記テザー駆動部とを駆動するためのセンサ信号又は制御用信号を遣り取り可能である信号用コネクタを備えることができる。取っ手とロボットアームとが結合状態にあるときに信号用コネクタが接続されるので、信号用コネクタを通じて、作業情報信号として、指駆動部とテザー駆動部とを駆動するためのセンサ信号又は制御用信号の遣り取りが可能であるので、指駆動部とテザー駆動部と対して必要な捕獲動作やテザー繰り出し動作をさせることができる。
【００１４】
このスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記テザー装置は、前記作業衛星に複数個搭載されており、前記ロボットアームによって個々に取り出し可能である。作業衛星に複数個搭載することにより、一つの作業衛星で複数個の対象衛星を投棄・回収することが可能である。テザー装置を作業衛星に搭載するとき、捕獲機構を利用して、作業衛星の構造部分を把持した状態に置くことができる。ロボットアームは、取り出すべきテザー装置の取っ手に結合したとき、捕獲機構を作動することで作業衛星の構造部分から分離させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて、この発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置の実施例を説明する。図１はこの発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置の一実施例を示す縦断模式面、図２は図１に示すスペースデブリ軌道変換用テザー装置がロボットアームの先端部と結合し、捕獲機構が対象衛星の構造部分を捕獲した状態を示す縦断模式面である。
【００１６】
図１に示すスペースデブリ軌道変換用テザー装置１は、投棄・回収のため軌道変換される対象となる対象衛星５０（図３参照）の対象部位５１を把持するための捕獲機構１０と、作業衛星４０（図３参照）に備わるロボットアーム４１の先端部４２に設けられている把持機構４３によって把持される取っ手２０と、捕獲機構１０に取り付けられ且つ地球磁場との電磁気的相互作用によって対象衛星５０に軌道変換力を作用させるテザー３３を伸展可能に保持するテザー機構３０とを備えている。対象部位５１は、例えば、対象衛星５０のＰＡＦインターフェイス部のような構造部分とすることが、確実な把持を得る観点で好ましい。
【００１７】
捕獲機構１０は、全体としてボックス状又は円筒体状のケーシング１５で覆われており、内部には、主に、Ｖ字型のガイド部１１と、例えば４本の指１２（図１、図２においては、そのうち２本の指１２ａ、１２ｂのみを示す）と、歯車伝動機構やその後続のラック・ピニオンのような動力伝達・変換機構１３と、電動モータ及び回転角度センサで構成されるアクチュエータ１４とを備えている。電動モータを駆動することによるアクチュエータ１４からの回転出力が動力伝達・変換機構１３で伝達・変換され、指１２の開閉動作が行なわれる。指１２は、基部１６においてケーシング１５に枢着されており、ケーシング１５に形成されているスリットを通して外部に延びている。
【００１８】
取っ手２０は、捕獲機構１０の背面、即ちＶ字型のガイド部１１や指１２が設けられる側とは反対側の面に取り付けられており、後方に向かって凹部２２となっている。ロボットアーム４１の把持機構４３は、凹部２２に嵌合することで取っ手２０を把持することにより、テザー装置１と結合することができる。取っ手２０には、電気コネクタ２１，２１が凹部２２内に現れた状態に配置されている。電気コネクタ２１，２１は、ロボットアーム４１の把持機構４３が凹部２２に嵌合した状態で、把持機構４３側のコネクタ４４，４４と結合され、ロボットアーム４１からパワー（電力）の供給を受けたり、テザー装置１とロボットアーム４１との間でセンサ信号や制御用信号等の作業情報信号の遣り取りを行なうことができる。
【００１９】
テザー機構３０は、導電性のテザー３３とそれを巻き付けて収納するドラム３１、ドラム３１に巻き取られているテザー３３を伸展するために繰り出し作用を奏する駆動部３２、周囲のプラズマと電子の遣り取りをするエミッタ装置３４から構成されている。駆動部３２は、電気コネクタ２１から電力の供給を受けて駆動される電動モータ３２ａと、電動モータ３２ａの回転出力によって駆動され且つテザー３３を挟み込んで伸展力を与えるローラ３２ｂとを備えている。
【００２０】
次に、図３〜図６を参照しつつ、テザー装置１の使用形態について述べる。図３〜図６は、テザー装置１の作業状態を順を追って説明する模式図である。本発明によるテザー装置１は、軌道上に打ち上げられた作業衛星４０において、複数個搭載されている。投棄すべき対象衛星５０が生じた場合には、作業衛星４０は、対象衛星５０を探索し接近して、対象衛星５０の運動計測を行なう。対象衛星５０は、通常、安定のため相当の速度で回転している。作業衛星４０は、対象衛星５０に発射物を発射し、対象衛星５０の角運動量を減衰する。作業衛星４０は、その後のフライアラウンドで対象衛星５０の捕獲に好適な向きに回り込み、更に、ロボットアーム４１の動作により対象衛星５０の捕獲に好適な対象部位５１の近傍に最終接近し、その位置でテザー装置１の捕獲機構１０を位置決めする。
【００２１】
図３は、作業衛星上のホルダに収容されたこの発明によるテザー装置を作業衛星に備わるロボットアームによって把持しようとする様子を示す模式図である。作業衛星４０が対象衛星５０に接近したとき、図３に示すように、作業衛星４０は、自らのロボットアーム４１の把持機構４３（エンドエフェクタ）によって、搭載している複数個のテザー装置１の一つを取っ手２０において把持する。取っ手２０側に備わる電気コネクタ２１とロボットアーム４１の把持機構４３側に備わる電気コネクタ４４とが接続することにより、ロボットアーム４１を経由して電動モータ等のアクチュエータが作動可能となり、テザー装置１と作業衛星４０との間で作業情報信号が遣り取り可能なスタンバイ状態となる。
【００２２】
次に、図４は、この発明によるテザー装置を用いた対象衛星の捕獲の様子を示す模式図である。図４に示すように、ロボットアーム４１が対象衛星５０に伸びることで、把持機構４３で連結したテザー装置１は対象部位５１に接近する。対象部位５１は、対象衛星５０に備わるブーム構造やロケットとの結合部のリング構造などの挟み易い部位である。ロボットアーム４１を操作してテザー装置１を対象部位５１に更に接近させると、テザー装置１のＶ字型のガイド部１１が対象部位５１に当接するので、テザー装置１が対象部位５１に対して位置案内される。対象部位５１がＶ字型のガイド部１１の最奥部に嵌入した時に、ロボットアーム４１経由の指令によってアクチュエータ１４が作動し、捕獲機構１０の指１２が閉動作をすることにより、捕獲機構１０が対象部位５１を把持する。以上の動作によって、作業衛星４０は、ロボットアーム４１及びテザー装置１を介して対象衛星５０を捕獲する。捕獲機構１０による対象部位５１の捕獲に失敗するときには、開動作で指１２を開いた後、再トライする。
【００２３】
次に、捕獲機構１０によって対象部位５１を捕獲した状態で、テザー機構３０が所定の方向に向くように対象衛星５０の方向を自衛星の姿勢変更及びロボットアームの姿勢変更により設定する。例えば、対象衛星の軌道高度を下げる方向へ投棄するためには、モータ３２ａの駆動によってドラム３１からテザー３３を繰り出し、図５に示すように、テザー機構３０から先端にエミッタ装置３４を付けたテザー３３を下方（地球中心方向）へ伸展する。テザー３３を伸展した後、図６に示すように、ロボットアーム４１の把持機構４３から取っ手２０を解放・分離することにより、対象衛星５０をテザー装置１ごと投棄する。地球磁場との公知の電磁相互作用によって、テザー装置１には制動力が作用し、対象衛星５０は、徐々に軌道高度を低下して、最終的には大気圏に突入する。
【００２４】
複数のテザー装置１を作業衛星４０上のホルダへ収納・保持する場合には、ホルダにテザー装置１の指１２で把持可能な、対象衛星５０の対象部位５１と同様の構造部分を設けておき、テザー装置１がその構造部分を把持することによって実現できる。ロボットアーム４１で一つのテザー装置１を取り出すときには、ロボットアーム４１の把持機構４３でそのテザー装置１の取っ手２０を把持し、ロボットアーム４１を経由して捕獲機構１０による作業衛星４０の構造部分の捕獲を解除すればよい。
【００２５】
図示の実施例では、指１２の駆動機構であるアクチュエータ１４及びテザー機構３０の駆動部３２をテザー装置１に内蔵し、ロボットアーム４１の把持機構４３からは、電力及び駆動指令の信号のみを受け取る、という構成を採用していたが、指１２の駆動のためのアクチュエータ１４をテザー装置１に内蔵せずに、把持機構４３に駆動源を配設し、把持機構４３と指１２との間をソケットレンチのような機械コネクタ（継ぎ手）を介して連結して、駆動源の駆動力を指１２に伝達させてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
この発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置は、上記のように、故障衛星や衛星残滓などのスペースデブリとなった対象衛星に対して、作業衛星からロボットアームの操作によってテザー装置を対象衛星に取り付けて、テザー装置に求められる作業に必要なパワーの供給や情報の遣り取りをロボットアームを経由して得ることを可能にし、更に、テザー伸展後、ロボットアームによる把持を解除した状態で使用するので、対象衛星をその対象軌道上からテザー装置ごと効率的に投棄・回収をすることができる。即ち、このテザー装置によれば、ロボットアームが対象衛星の捕獲をすると同時にテザー装置の対象衛星への取り付けを行なうことができるので、対象衛星の自衛星への係留作業やテザー装置の対象衛星への結合作業が不要となる。また、ロボットアーム経由で作業衛星側からテザー装置にパワーを供給したり作業情報信号を遣り取りすることが可能となる。これは、難度の高い作業を減らすことに有効であり、作業の信頼性の向上に有効である。更に、このテザー装置は、テザー伸展後、ロボットアームによる結合が分離されるので、分離後は投棄・回収される対象衛星を把持したままの使い捨ての態様で使用することができる。更にまた、このテザー装置によれば、対象衛星の把持は１箇所だけとなり、複数のアームでの持ち替えや係留ポートへの取付けやその分離作業も不要である。軌道上の作業衛星にこのテザー装置を複数個搭載することにより、複数のスペースデブリを順次投棄することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置の一実施例を示す縦断模式面である。
【図２】図１に示すスペースデブリ軌道変換用テザー装置がロボットアームの先端部と結合し、対象衛星の構造部分を捕獲した状態を示す縦断模式面である。
【図３】作業衛星上に収容されたこの発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置を作業衛星に備わるロボットアームによって把持しようとする様子を示す模式図である。
【図４】この発明によるスペースデブリ軌道変換用テザー装置を用いた対象衛星の捕獲の様子を示す模式図である。
【図５】対象衛星を把持したこの発明によるテザー装置におけるテザーの伸長を説明する模式図である。
【図６】対象衛星を把持したこの発明によるテザー装置のロボットアームの把持機構からの分離を説明する模式図である。
【図７】テザーによる衛星の軌道変換の原理を示す模式図である。
【符号の説明】
１　テザー装置
１０　捕獲機構　　　　　　　　　　　１１　ガイド部
１２　指　　　　　　　　　　　　　　１３　動力伝達・変換機構
１４　アクチュエータ
２０　取っ手　　　　　　　　　　　　２１　電気コネクタ
２２　凹部
３０　テザー機構　　　　　　　　　　３１　ドラム
３２　駆動部　　　　　　　　　　　　３３　テザー
３４　エミッタ装置
４０　作業衛星　　　　　　　　　　　４１　ロボットアーム
４２　先端部　　　　　　　　　　　　４３　把持機構
４４　コネクタ
５０　対象衛星　　　　　　　　　　　５１　対象部位

Claims

故障衛星や衛星残滓等のスペースデブリに取り付けられ、地球磁場との電磁気的な相互作用によって前記スペースデブリを軌道変更させる力を得る導電性のテザーを備えたスペースデブリ軌道変換用テザー装置において、前記スペースデブリの構造部分を把持可能な捕獲機構、前記テザーを伸展可能に保持するテザー機構、及び作業衛星に備わるロボットアームと結合・分離可能であり且つ前記ロボットアームを経由して前記捕獲機構及び前記テザー機構との間でパワーの供給又は作業情報信号の遣取りが可能な取っ手を備えていることを特徴とするスペースデブリ軌道変換用テザー装置。
前記捕獲機構は前記構造部分を把持するために開閉可能な指と前記指を開閉させる指駆動部とを備えており、前記テザー機構は前記テザーが巻かれたドラムと前記ドラムから前記テザーを繰り出して伸展するテザー駆動部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のスペースデブリ軌道変換用テザー装置。
前記取っ手は、前記取っ手と結合状態にある前記ロボットアームとの間で、前記指駆動部と前記テザー駆動部とに前記パワーとしての電力を供給可能な電気コネクタを備えていることを特徴とする請求項２に記載のスペースデブリ軌道変換用テザー装置。
前記取っ手は、前記取っ手と結合状態にある前記ロボットアームとの間で、前記指駆動部に前記ロボットアームに備わるアクチュエータからの駆動力を伝達可能な機械コネクタを備えていることを特徴とする請求項２に記載のスペースデブリ軌道変換用テザー装置。
前記取っ手は、前記作業情報信号として前記指駆動部と前記テザー駆動部とを駆動するためのセンサ信号又は制御用信号を遣り取り可能である信号用コネクタを備えていることを特徴とする請求項２に記載のスペースデブリ軌道変換用テザー装置。
前記テザー装置は、前記作業衛星において、前記ロボットアームによって個々に取り出し可能に複数個搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のスペースデブリ軌道変換用テザー装置。