JP2010069973A - Space debris removal method and its device - Google Patents

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Kazuhiro Toyoda
和弘 豊田
Moyu Cho
孟佑 趙
Yasunori Furukawa
泰規 古川
Hirokazu Masui
博一 増井
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Kyushu Institute of Technology NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a space debris removal method and its device descending a fine particle of the space debris existing in an earth low orbit of the cosmos space by the force of an electric field, making the fine particle rushing into an atmosphere and burning it. <P>SOLUTION: The space debris removal method and its device enlarge a mesh-like charged body 5 becoming a mesh-like electrode 5e positively biased into a plasma existing in the earth low orbit 8 and charge the debris 1, i.e., the fine particle of 1 mm or less flying to a periphery of the mesh-like electrode 5e to negative by an electron e accelerated on the periphery of the mesh-like electrode 5e. In the method and the device, the debris 1 is decelerated by the force of the electric field of the mesh-like electrode 5e, the orbit of the debris 1 is descended, and the debris 1 is made rushing into the atmosphere 3 to be burned. The mesh-like charged body 5 is applied to a pulse form in the plasma to constitute it to the mesh-like electrode 5e. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は,例えば,宇宙に浮遊する微粒子や宇宙ごみであるスペースデブリを極軌道から除去するスペースデブリ除去方法及びその装置に関する。   The present invention relates to a space debris removal method and an apparatus for removing space debris, for example, fine particles floating in space or space debris from a polar orbit.

近年,宇宙ステーションの建設,人工衛星の打ち上げ等で地球の周辺の宇宙空間には,人工衛星の破片,剥がれた塗装,人工衛星から遊離した微粒子等の人工物体であるスペースデブリによってかなり汚れが進んでおり,これらのスペースデブリについて大きな問題になっている。デブリは,破片という意味であり,スペースデブリは,有用な役割を果たさない宇宙空間,特に地球表面から2000km以内の領域の地球低軌道で飛来している人工物体である。スペースデブリは,平均速度が10km/secという高速で地球低軌道を周回しているので,このような高速なスペースデブリが人工衛星,打ち上げられる宇宙ロケット,宇宙での作業者等の物体に衝突すると,その破壊エネルギーは大きく,物体に容易に孔をあける等の損傷を与えることは明らかであり,人工衛星や宇宙ロケット等に重大な事故,致命的なダメージ等を起こすことが問題視され始めている。また,現在ではスペースデブリの観測能力は,直径約10cm以下のものに対してはレーザーによる観測や光学的観測等の追跡システムでは,スペースデブリが小さ過ぎて追跡キャッチできず,そのような微粒子のスペースデブリによる事故等の発生を未然に回避することができないのが現状である。   In recent years, due to the construction of a space station, the launch of an artificial satellite, etc., the outer space around the earth is considerably contaminated by space debris, which are artificial objects such as artificial satellite fragments, peeled paint, and fine particles released from the satellite. This is a big problem for these space debris. Debris means debris, and space debris is an artificial object flying in low earth orbit in outer space that does not play a useful role, particularly in a region within 2000 km from the surface of the earth. Space debris orbits in low earth orbit at an average speed of 10 km / sec. When such a high-speed space debris collides with an object such as an artificial satellite, a launched space rocket, or a worker in space. The destruction energy is large, and it is clear that damages such as easily drilling holes are made in objects, and serious accidents and fatal damages are starting to be seen as problems in artificial satellites and space rockets. . At present, space debris observation capability is less than about 10 cm in diameter, and tracking systems such as laser observation and optical observation cannot track and catch such particles because the space debris is too small. At present, the occurrence of accidents due to space debris cannot be avoided in advance.

現在,スペースデブリの除去方法として,人工衛星にバンパーを取り付けて人工衛星がスペースデブリとダイレクトに衝突するのを防いだり,人工衛星そのものの製作にあたってデブリが発生し難い加工を施したりする対策が行われているが,デブリが発生しないように人工衛星を作製することは技術的に非常に困難な状況であり,また,使用済みの人工衛星が宇宙ごみになること等を避けることができない現状である。これらのスペースデブリ除去装置のうち典型的なものとして,ホイップル・バンパーが知られている。該ホイップル・バンパーは,宇宙船の外側に,薄い金属板を置く構造になっているので,デブリはまず金属板に衝突することになり,金属板にはデブリの衝突で孔が開くが,デブリも衝突で粉々になったり,消滅したりするので,衝突エネルギーを分散でき,外壁に与えるダメージを軽減することができるというものである。   Currently, as a method for removing space debris, measures are taken to attach bumpers to the satellites to prevent the satellites from directly colliding with the space debris, or to apply processing that is difficult to generate debris when manufacturing the satellites themselves. However, it is technically difficult to make an artificial satellite so that debris does not occur, and it is impossible to avoid the fact that a used artificial satellite becomes space waste. is there. A typical whipple bumper is known among these space debris removal devices. The whipple bumper has a structure in which a thin metal plate is placed outside the spacecraft. Therefore, debris first collides with the metal plate, and a hole is opened in the metal plate by the collision of debris. Also, since it breaks up or disappears due to the collision, the collision energy can be dispersed and the damage to the outer wall can be reduced.

また,有人宇宙活動中の宇宙飛行士に衝突する虞のあるスペースデブリを粉砕するデブリ粉砕衛星が知られている。該デブリ粉砕衛星は,矩形フレームの内側全面に,スペースデブリを衝突,貫通させることにより粉砕できる薄肉の金属板を宇宙軌道に展開させて取り付け,各コーナー部にガスジェット装置を設ける。ガスジェット装置を制御して金属板の位置と姿勢を調整するバス機器を備える。地球周回軌道の外周側となるフレームの端部に姿勢安定用マストを取り付ける。各ガスジェット装置を制御することにより金属板の位置と姿勢を調整して,金属板を地球周回軌道上の宇宙機の進行方向の前側にて,有人宇宙活動を予定している区画の前面を覆うように位置させて用いる。飛来するスペースデブリを予め金属板に衝突させて貫通させることにより粉砕し,サイズを小さくさせる(例えば,特許文献1参照)。   Also known is a debris crushing satellite that crushes space debris that may collide with astronauts in manned space activities. In the debris grinding satellite, a thin metal plate that can be crushed by colliding and penetrating space debris is spread over the entire inner surface of a rectangular frame and installed in a space orbit, and a gas jet device is provided at each corner. A bus device is provided that controls the gas jet device to adjust the position and posture of the metal plate. Attach a posture stabilization mast to the end of the frame on the outer circumference of the Earth orbit. The position and attitude of the metal plate are adjusted by controlling each gas jet device, and the metal plate is placed in front of the spacecraft in the orbit around the earth in front of the space where manned space activity is scheduled. Used so as to cover. The flying space debris collides with a metal plate in advance and is pulverized to reduce the size (see, for example, Patent Document 1).

また,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が知られている。該スペースデブリ軌道変換用テザー装置は,ロボットアームに設けられた把持機構によって,捕獲機構,取っ手及びテザー機構を備えたテザー装置を把持する。把持機構が取っ手と結合することで,テザー装置はロボットアームで操り可能であると共に,捕獲機構やテザー機構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。テザーの伸展が完了すると,把持機構と取っ手との結合が分離され,把持機構を備えたテザー装置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(例えば,特許文献2参照)。
特開2002−2599号公報 特開2004−98959号公報
Also known is a space debris trajectory conversion tether device that is connected to a robot arm to enable power supply and signal exchange, and capture and release the target satellites to be dumped and collected. ing. The space debris trajectory conversion tether device grips a tether device including a capture mechanism, a handle, and a tether mechanism by a gripping mechanism provided on a robot arm. When the gripping mechanism is coupled to the handle, the tether device can be operated by the robot arm, and power supply for driving the capture mechanism and the tether mechanism and exchange of work information signals such as sensor signals and control signals can be performed. It becomes possible. When the extension of the tether is completed, the coupling between the gripping mechanism and the handle is separated, and the tether device provided with the gripping mechanism is released integrally with the target satellite and used in a disposable manner (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2599 JP 2004-98959 A

ところで,スペースデブリは放置しておけば,自然に無くなるということはなく,例えば,11年周期で起きる太陽活動の極大期によって,地球低軌道である高度200km〜500kmの宇宙空間にあるスペースデブリの約30%が除去されている。しかしながら,現在では,上記のような自然現象によるスペースデブリの除去では,増殖するスペースデブリに対しては充分でなく,全ての軌道におけるスペースデブリの数は年々常に増え続けており,従って,スペースデブリを,人為的に軌道上から取り除くことが必要になっているのが現状である。   By the way, if the space debris is left unattended, it will not disappear naturally. For example, the space debris in the space of the altitude of 200 km to 500 km, which is a low earth orbit, due to the maximum period of solar activity that occurs every 11 years. About 30% has been removed. However, at present, removal of space debris due to natural phenomena as described above is not sufficient for the proliferation of space debris, and the number of space debris in all orbits is constantly increasing year by year. It is necessary to artificially remove this from the orbit.

また,スペースデブリが互いに又は人工衛星に衝突すると,それにより新たなデブリが生じる。デブリの空間密度が,ある臨界値を超えると,衝突によって生成されたデブリが連鎖的に次の衝突を起こすことによってデブリが自己増殖する。一旦,宇宙においてデブリが自己増殖を開始すると,加速度的にデブリの数が増え,やがてロケットを打ち上げてもデブリによって遮られ,最終的には人類は地球から宇宙へ出て行けず,宇宙開発ができなくなるという事態が発生すると危惧されている。   Also, when space debris collides with each other or a satellite, new debris is generated thereby. When the debris spatial density exceeds a certain critical value, the debris generated by the collision causes the next collision in a chain, and the debris self-proliferates. Once debris starts self-replication in the universe, the number of debris increases at an accelerated rate, and even if a rocket is launched, it will be blocked by the debris. It is feared that it will be impossible.

この発明の目的は,上記の課題を解決することであり,宇宙空間のプラズマ環境を利用し,微小デブリ即ち宇宙に存在する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ,デブリの速度を減速させる向きに電界の力を働かせて,デブリの高度を意図的に降下させ,デブリを大気圏に突入させてデブリを焼却除去することであり,特に,デブリの直径10cm以下のものに焦点を当ててデブリの除去を行う方法及び装置を提供することであり,宇宙空間に巨大な網目状の網状帯電体を拡げ,網状帯電体を正バイアスして網状電極に変換してその周辺に電子シース即ち負のシース領域を形成し,そこに飛び込んでくるデブリを一気に負のシース領域により負に帯電させ,デブリが網状電極を通過する時に電界の力によりデブリの運動エネルギーを打ち消して減速させ,その後,デブリが高度を落して大気圏に突入すれば,大気抵抗との摩擦により焼却する宇宙プラズマを利用したスペースデブリ除去方法及びその装置を提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem, in order to use a plasma environment in outer space to negatively charge fine debris, that is, space debris of fine particles existing in the space, and to reduce the speed of debris. This is to intentionally lower the height of the debris by applying the force of the electric field, and to inject and remove the debris into the atmosphere. In particular, the debris removal is focused on debris with a diameter of 10 cm or less. A large net-like net-like charged body is expanded in outer space, the net-type charged body is positively biased to be converted into a net-like electrode, and an electron sheath, that is, a negative sheath region around it. The debris that jumps into it is charged negatively by the negative sheath region at once, and the kinetic energy of the debris is canceled by the force of the electric field when the debris passes through the mesh electrode. Decelerating Te, then if enter the atmosphere debris dropped altitude, it is to provide a space debris removal method and apparatus utilizing a space plasma incineration by friction with the atmospheric drag.

この発明は,地球低軌道に存在する真空プラズマ中に網状帯電体を拡開して配置し,前記網状帯電体を正バイアスして網状電極に構成し,前記網状電極の周辺における加速された電子によって前記網状電極の周辺に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ,前記網状電極の電界の力によって前記スペースデブリを減速させて前記スペースデブリの軌道を降下させ,前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去方法に関する。   In the present invention, a net-like charged body is expanded and arranged in a vacuum plasma existing in a low earth orbit, the net-like charged body is positively biased to form a net-like electrode, and accelerated electrons around the net-like electrode are arranged. The space debris of fine particles flying around the mesh electrode is negatively charged, and the space debris is decelerated by the force of the electric field of the mesh electrode to lower the orbit of the space debris, and the space debris enters the atmosphere. It is related with the space debris removal method characterized by making it incinerate.

このスペースデブリ除去方法は,正にバイアスした前記網状電極の周辺には電子シースが形成され,前記電子シース内へと飛来した前記スペースデブリが前記負に帯電させられるものである。また,このスペースデブリ除去方法において,前記網状帯電体は,前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成される。更に,このスペースデブリ除去方法において,前記スペースデブリは,直径1mm以下の微粒子に特に有効に作用するものである。   In this space debris removal method, an electron sheath is formed around the positively biased mesh electrode, and the space debris flying into the electron sheath is negatively charged. In this space debris removal method, the mesh charged body is applied in pulses in the plasma to form the mesh electrode. Furthermore, in this space debris removal method, the space debris acts particularly effectively on fine particles having a diameter of 1 mm or less.

また,この発明は,地球低軌道に存在する真空プラズマ中に拡げられた網状帯電体,前記網状帯電体をプラズマ電位に対して正バイアスさせるため前記網状帯電体に結線して電圧を印加する電源装置,及び前記電源装置を収納して前記電源装置をアースする人工衛星を備え,前記電源装置を付勢して前記網状帯電体を正バイアスさせて網状電極に構成し,前記網状電極の周辺に電子シースを形成し,前記電子シース内に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ,負に帯電した前記スペースデブリを前記網状電極の電界の力によって減速させて軌道を降下させ,前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去装置に関する。   The present invention also provides a network charged body spread in a vacuum plasma existing in a low earth orbit, and a power supply for connecting the network charged body and applying a voltage to positively bias the network charged body with respect to a plasma potential. And an artificial satellite for housing the power supply device and grounding the power supply device, and energizing the power supply device to positively bias the reticulated charged body to form a reticulated electrode, around the reticulated electrode An electron sheath is formed, and the space debris of the fine particles flying into the electron sheath is negatively charged. The negatively charged space debris is decelerated by the force of the electric field of the mesh electrode to lower the trajectory. It is related with the space debris removal apparatus characterized by injecting into the atmosphere and incinerating.

このスペースデブリ除去装置において,前記網状帯電体は,前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成される。また,このスペースデブリ除去装置において,前記スペースデブリは,直径1mm以下の微粒子に特に有効に作用するものである。更に,前記網状帯電体は,前記人工衛星によって前記地球低軌道に打ち上げられて前記地球低軌道において1km〜数km四方に拡開される。   In this space debris removal apparatus, the mesh-like charged body is applied in pulses in the plasma to constitute the mesh-like electrode. Moreover, in this space debris removal apparatus, the space debris acts particularly effectively on fine particles having a diameter of 1 mm or less. Furthermore, the net-like charged body is launched into the low earth orbit by the artificial satellite and is expanded to 1 km to several km square in the low earth orbit.

この発明による宇宙プラズマを利用してスペースデブリ除去方法及びその装置は,上記のように構成されているので,直径1mm以下,例えば,直径10μm〜1mmの微粒子であるスペースデブリを網状電極を通過させることによって,スペースデブリの軌道を降下方向に変更させてスペースデブリを大気圏に突入させて大気との摩擦熱によって焼却することができる。網状帯電体が1km四方に拡開する小型のものであれば,適宜に数個を地球低軌道に配置すればよく,数km四方に拡開する大型のものであれば,1機でも充分にスペースデブリを除去することができる。また,このスペースデブリ除去装置は,網状帯電体とそれを帯電させる電源装置から成る簡単な構造であり,それによる電界の力でスペースデブリの軌道を降下した軌道に変更させるのみの簡潔な装置であり,また,網状電極が降下して大気圏に突入すれば,それ自体が焼却され,長期間の宇宙のごみになることもない。また,電源装置としては,太陽電池による電力を利用することも可能であり,ランニングコストも低減できる。   Since the space debris removal method and apparatus using space plasma according to the present invention are configured as described above, the space debris, which are fine particles having a diameter of 1 mm or less, for example, 10 μm to 1 mm in diameter, are passed through the mesh electrode. As a result, the orbit of the space debris can be changed in the descending direction, the space debris can enter the atmosphere, and can be incinerated by frictional heat with the atmosphere. If the net-like charged body is a small one that expands to 1 km square, several pieces should be arranged in low earth orbit as appropriate, and if it is a large one that spreads to several km square, one machine is enough. Space debris can be removed. This space debris removal device is a simple structure consisting of a net-like charged body and a power supply device for charging it, and is a simple device that only changes the orbit of the space debris to a lowered orbit by the electric field force. Yes, if the mesh electrode descends and enters the atmosphere, it itself will be incinerated and will not become long-term space debris. Moreover, as a power supply device, it is possible to use electric power from a solar cell, and the running cost can be reduced.

以下,図面を参照して,この発明による宇宙プラズマを利用してスペースデブリ除去方法及びその装置を説明する。まず,この発明の技術的思想の原理を図1,図2及び図3を参照して説明する。このスペースデブリ除去方法及びその装置は,宇宙空間のプラズマ環境における電子シース即ち負のシース領域2を利用して10cm以下,特に直径1mm以下のサイズの微小なスペースデブリ1(以下,デブリ1という)を負に帯電させ,帯電したデブリ1cの速度を減速させる向きに電界の力Fを働かせることによって,デブリ1cの高度を意図的に降下させ,デブリ1cを大気圏3に突入させるものである。   Hereinafter, a space debris removal method and apparatus using space plasma according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of the technical idea of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2 and FIG. This space debris removal method and its apparatus is a small space debris 1 (hereinafter referred to as debris 1) having a size of 10 cm or less, particularly 1 mm or less in diameter, using an electron sheath, that is, a negative sheath region 2 in a plasma environment in outer space. Is negatively charged, and the altitude of the debris 1c is intentionally lowered by causing the force F of the electric field to act in a direction that decelerates the speed of the charged debris 1c, thereby causing the debris 1c to enter the atmosphere 3.

図1には,この発明によるスペースデブリ除去装置の原理を示す概念図が示されている。図2には,デブリ1の帯電原理及びデブリ減速の概念図が示されている。
地球4の上空である地球低軌道8における宇宙環境6ではプラズマ環境となっている。プラズマとは,原子や分子から電子が離れて,イオンと電子が混在した状態を指す。
図1に示すように,400〜2000kmの地球低軌道8の宇宙空間に人工衛星23を用いて1km又は数km四方に拡開できる巨大な網状帯電体5を打ち上げ,網状帯電体5を宇宙空間,特に極軌道で拡開する。拡開された網状帯電体5に対して,太陽電池,蓄電池等の電源装置7を用いて正の電圧に印加することによって網状電極5eを構成される。スペースデブリであるデブリ1を地球低軌道8から除去するには,網状帯電体5に高電圧を印加して網状電極5eに構成する必要があるが,プラズマ中では網状帯電体5を定常的に印加することができないので,ここでは,パルス状に印加する必要がある。また,網状帯電体5を正バイアスに印加するため,網状帯電体5を電源装置7のプラス極に結線するが,電源装置7のマイナス極を人工衛星23に結線し,即ち人工衛星23をアースとして利用する。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of the space debris removal apparatus according to the present invention. FIG. 2 shows a conceptual diagram of the charging principle and debris deceleration of the debris 1.
The space environment 6 in the low earth orbit 8 above the earth 4 is a plasma environment. Plasma refers to a state where electrons are separated from atoms and molecules and ions and electrons are mixed.
As shown in FIG. 1, a giant reticulated charged body 5 that can be expanded to 1 km or several km square using an artificial satellite 23 is launched into a space of 400 to 2000 km in low Earth orbit 8 and the reticulated charged body 5 is , Especially in polar orbits. A reticulated electrode 5e is configured by applying a positive voltage to the expanded reticulated charged body 5 using a power supply device 7 such as a solar battery or a storage battery. In order to remove the debris 1 which is space debris from the Earth's low orbit 8, it is necessary to apply a high voltage to the mesh charging body 5 to form the mesh electrode 5e. Since it cannot be applied, it is necessary to apply it in a pulse form here. Further, in order to apply the reticulated charged body 5 to a positive bias, the reticulated charged body 5 is connected to the positive pole of the power supply device 7, but the negative pole of the power supply device 7 is connected to the artificial satellite 23, that is, the artificial satellite 23 is grounded. Use as

網状帯電体5が正に帯電すると,網状帯電体5が網状電極5eになって網状電極5eの周辺領域の電子eとイオンの均衡が崩れ,網状電極5eは電子eを引き付ける。それによって,網状電極5eの回りでは電子eが支配的となり,電子シース即ち負のシース領域2を形成する。負のシース領域2に電荷の持たない導体球であるスペースデブリ即ちデブリ1が飛び込んでくると,網状電極5eの左側(図2)では,必ず導体表面と空間電位との間には電位差が生じ,デブリ1の電位は周辺プラズマから集める電流がゼロとなるように決まる。デブリ1の導体表面の電位は,空間電位に対して負に沈むため,一気にデブリ1を負に帯電させる。帯電したデブリ1cが網状電極5eを通過した後,右側(図2)では網状電極5eに向って加速される電子群によってできる電界が生じ,電子eにはその逆方向に力Fが働き,そのため負に帯電したデブリ1cは運動エネルギーが打ち消されて減速されることになる。   When the net-like charged body 5 is positively charged, the net-like charged body 5 becomes the net-like electrode 5e, and the balance between electrons e and ions in the peripheral region of the net-like electrode 5e is lost, and the net-like electrode 5e attracts the electrons e. As a result, the electrons e dominate around the mesh electrode 5 e to form an electron sheath, that is, a negative sheath region 2. When space debris, that is, debris 1, which is a conductor sphere having no electric charge, jumps into the negative sheath region 2, there is always a potential difference between the conductor surface and the space potential on the left side of the mesh electrode 5 e (FIG. 2). The potential of the debris 1 is determined so that the current collected from the peripheral plasma becomes zero. Since the potential of the conductor surface of the debris 1 sinks negative with respect to the space potential, the debris 1 is negatively charged at once. After the charged debris 1c passes through the mesh electrode 5e, an electric field generated by an electron group accelerated toward the mesh electrode 5e is generated on the right side (FIG. 2), and a force F acts on the electron e in the opposite direction. The negatively charged debris 1c is decelerated because the kinetic energy is canceled out.

図3には,帯電したデブリ1cが大気圏への突入する概念図が示されている。デブリ1は,高度400〜600kmを約10km/secで周回しているが,バイアスされた網状電極5eを通過することによって負に帯電し,負に帯電したデブリ1cは電界の力Fを受けて運動エネルギーが打ち消されて減速されると,帯電したデブリ1cは,高度を降下して大気圏3に突入し,大気抵抗との摩擦によって燃え尽きて焼却される。   FIG. 3 shows a conceptual diagram in which the charged debris 1c enters the atmosphere. The debris 1 circulates at an altitude of 400 to 600 km at about 10 km / sec. However, the debris 1 is negatively charged by passing through the biased mesh electrode 5e, and the negatively charged debris 1c receives the force F of the electric field. When the kinetic energy is canceled and decelerated, the charged debris 1c descends altitude and enters the atmosphere 3 and is burned out and incinerated by friction with the atmospheric resistance.

次に,プラズマ中で電圧を印加した網状電極5eの作る電子シースにより,デブリ1が何ボルトまで負に帯電するか否かを検証するため,浮遊電位測定試験を行った。
プラズマ中にある網状帯電体5に正電位を印加して網状電極5eを形成し,その近傍の浮遊電位を測定した。浮遊電位は,デブリ1の宇宙空間に対する電位であり,電流が0となる電圧が浮遊電位である。デブリが持つ電荷量(Q)は,空間電位(Vspece )とデブリの電位(浮遊電位,Vfloating)との差によって決まる。
Q=4πε0 a(Vspece −Vfloating
浮遊電位測定試験としては,プローブ16を用いて計測し,表面電位計22を用いてプローブ16の表面電位を計測することによって,その電位がデブリ1の電位とみなすことができるので,ここでは表面電位測定試験ということができる。
帯電したデブリ1cの表面上で電荷密度をσ.その面積をAとすると,数1で表される。
Next, a floating potential measurement test was performed in order to verify how many volts the debris 1 was negatively charged with an electronic sheath formed by a mesh electrode 5e to which a voltage was applied in plasma.
A positive potential was applied to the reticulated charged body 5 in the plasma to form a reticulated electrode 5e, and the floating potential in the vicinity thereof was measured. The floating potential is the potential with respect to the outer space of the debris 1, and the voltage at which the current becomes zero is the floating potential. The amount of charge (Q) possessed by debris is determined by the difference between the space potential (V spece ) and the debris potential (floating potential, V floating ).
Q = 4πε 0 a (V spece -V floating )
In the floating potential measurement test, the surface potential of the probe 16 can be regarded as the potential of the debris 1 by measuring with the probe 16 and measuring the surface potential of the probe 16 with the surface potential meter 22. It can be called an electric potential measurement test.
The charge density on the surface of the charged debris 1c is σ. Assuming that area is A, it is expressed by Equation 1.

Figure 2010069973
数1の式は,電荷密度の時間変化分とその面積の積が正味の電流値となることを示している。浮遊電位は電流値のバランスで決まり,Inet =0となる時の電位が浮遊電位となる。
Figure 2010069973
Equation 1 shows that the product of the change in charge density over time and its area is the net current value. Floating potential is determined by the balance of the current value, the potential at the time of the I net = 0 serving as a floating potential.

実用的なプラズマの中には,イオン,電子以外が中性ではあるが,電子が励起軌道に移動した原子分子や,基底状態のままのガス分子も含めれる。通常の気体は,基本的に電気を通さない絶縁体であるが,電離が生じてプラズマ状態になると,原子に束縛されない自由電子が含まれるので,電圧を加える軽い電子が身軽に動いて電流が流れ,電気を通すようになる。気体の温度を上げていくと,電離した成分が増加し,超高温ではほとんどの原子が電離して電離度の高いプラズマになる。通常,プラズマでは,電子とイオンとの間で運動速度に差が生じ,プラズマから飛び出す粒子は,イオンより電子の方が多くなるため,プラズマ全体としては,正の電位となる。この電位を空間電位及びプラズマ電位という。   Practical plasma includes neutral molecules other than ions and electrons, but also includes atomic molecules in which electrons have moved to the excitation orbit and gas molecules in the ground state. A normal gas is basically an insulator that does not conduct electricity. However, when ionization occurs and a plasma state occurs, free electrons that are not bound to atoms are included, so light electrons that apply voltage move easily and current flows. Flow and conduct electricity. As the temperature of the gas increases, the ionized components increase, and at very high temperatures, most atoms are ionized, resulting in a plasma with a high degree of ionization. Usually, in plasma, a difference in the speed of movement occurs between electrons and ions, and particles that jump out of the plasma have more electrons than ions, so the plasma as a whole has a positive potential. This potential is called a space potential and a plasma potential.

空間電位は,プラズマの種々の条件により異なるが,数V〜100V程度になる。電流が0となる電圧が浮遊電位であるが,イオンと電子の運動速度に違いから,プラズマが正の電圧にフローティングしていることを示している。また,電子温度は,プラズマ中の電子のエネルギー分布に対応する温度を指す。プラズマ中では,電子が電界に加速され,ガス粒子に衝突し,電子を叩き出すというプロセスで放電が維持されることから,電子温度とイオン温度は異なることがある。イオン温度は,プラズマ中のイオンのエネルギー分布に対応する温度を指す。ここで,プラズマ密度は,電子密度,イオン密度,即ち,単位体積あたり荷電粒子の個数のことであり,測定方法によりバラツキが生じ,ラングミュア・プローブ(16,21)の場合は多価イオンが複数のイオンとカウントされてしまう。   The space potential varies depending on various conditions of the plasma, but is about several V to 100V. The voltage at which the current becomes 0 is a floating potential, but the plasma is floating at a positive voltage due to the difference in the movement speed of ions and electrons. The electron temperature refers to the temperature corresponding to the energy distribution of electrons in the plasma. In plasma, electrons are accelerated by an electric field, collide with gas particles, and discharge is maintained by the process of knocking out electrons, so the electron temperature and ion temperature may be different. Ion temperature refers to the temperature corresponding to the energy distribution of ions in the plasma. Here, the plasma density is the electron density, ion density, that is, the number of charged particles per unit volume, and varies depending on the measurement method. In the case of the Langmuir probe (16, 21), a plurality of multiply charged ions are present. It will be counted as an ion.

次に,図4及び図5に示すような表面電位測定装置を用いて表面電位測定試験を行った。この実験では,極軌道模擬チャンバー10内の中央に金属板20(ここでは網状帯電体5)を配置し,その前に置いたプローブ16への表面電位の電位への影響を見る。ここで,金属板20としての網状帯電体5が極軌道模擬チャンバー10内でX−Yステージ24の上方に配置されている。網状帯電体5には,電源装置7のプラス電極に制限抵抗14に結線され,電源装置7のマイナス電極はアースされている。図中,符号15は,デジタルマルチメータである。電源装置7に網状帯電体5を正バイアスするように結線した場合に,電気的に中性なプラズマ中の電子eとイオンの均衡が崩れ,電子eが網状電極5eに引き寄せられ,負のシース領域2が形成される。負のシース領域2にプローブ16があると,負に帯電するので,バイアスする電圧の大きさと測定電位との関係を実験により検証する。また,イオンは弾かれ,シース領域2に入ってくることができなくなる。そこに,電圧をかけた際に表面電位の測定に用いたプローブ16を浮かせて測定した際に,その電位の変化を調べることにし,従って浮遊電位が測定できることになる。   Next, a surface potential measurement test was performed using a surface potential measuring apparatus as shown in FIGS. In this experiment, a metal plate 20 (reticulated charging body 5 in this case) is arranged in the center of the polar orbit simulation chamber 10, and the influence of the surface potential on the probe 16 placed in front of the metal plate 20 is observed. Here, the net-like charged body 5 as the metal plate 20 is disposed above the XY stage 24 in the polar orbit simulation chamber 10. The net-like charged body 5 is connected to the plus electrode of the power supply device 7 to the limiting resistor 14 and the minus electrode of the power supply device 7 is grounded. In the figure, reference numeral 15 denotes a digital multimeter. When the reticulated charged body 5 is connected to the power supply device 7 so as to be positively biased, the balance between the electrons e and ions in the electrically neutral plasma is lost, and the electrons e are attracted to the reticulated electrode 5e, resulting in a negative sheath. Region 2 is formed. If the probe 16 is present in the negative sheath region 2, it is negatively charged, so the relationship between the magnitude of the bias voltage and the measured potential is verified by experiment. Further, the ions are repelled and cannot enter the sheath region 2. Then, when the probe 16 used for measuring the surface potential is floated when the voltage is applied, the change in the potential is examined, so that the floating potential can be measured.

極軌道模擬チャンバー10は,プラズマ環境を模擬することができる真空チャンバーである。極軌道模擬チャンバー10は,ステンレス製で直径1.0m,奥行き1.2mの円筒形状である。極軌道模擬チャンバー10の排気には,粗引き用ロータリーポンプを用い,極軌道模擬チャンバー10内を10-5Pa〜10-3Pa程度にした。極軌道模擬チャンバー10内のプラズマ密度,電子温度測定は内部に設けられた直径3cmの球状のプローブ21(ラングミュア・プローブ)を用いた。極軌道模擬チャンバー10内は,プラズマ発生器12でプラズマ状態に形成される。 The polar orbit simulation chamber 10 is a vacuum chamber that can simulate a plasma environment. The polar orbit simulation chamber 10 is made of stainless steel and has a cylindrical shape with a diameter of 1.0 m and a depth of 1.2 m. For the exhaust of the polar orbit simulation chamber 10, a roughing rotary pump was used, and the inside of the polar orbit simulation chamber 10 was set to about 10 −5 Pa to 10 −3 Pa. The plasma density and electron temperature in the polar orbit simulation chamber 10 were measured using a spherical probe 21 (Langmuir probe) having a diameter of 3 cm. The polar orbit simulation chamber 10 is formed into a plasma state by a plasma generator 12.

実験サンプルとして,金属板20(10×10cm)と金属ネットである網状帯電体5(10×10cm)を用いて,サンプルを真空チャンバー10内に釣糸で固定し,0Vから100Vずつ電圧を上げ,網状帯電体5を正にバイアスさせて網状電極5eにする。その際,金属板20の前に距離1cmの位置に配置されたプローブ21より表面電位を測定する。プローブ21は,最初に金属板20からの距離1cmの位置から始め,1cmずつ金属板20から離して行き,その地点でのプローブ21の表面電位を測定し,その変化を見ていく。表面電位計22を用いてプローブ21の表面電位の測定を行う。プローブ21の表面電位を測定することによって浮遊電位を測定できるものである。また,極軌道模擬チャンバー10内のプラズマ環境をソースメータ17により測定し,測定値をパソコン18に取り込む。IRカメラ13により外から極軌道模擬チャンバー10内を窓ガラス越しに撮影した。   As an experimental sample, using a metal plate 20 (10 × 10 cm) and a net-like charged body 5 (10 × 10 cm) which is a metal net, the sample is fixed in a vacuum chamber 10 with a fishing line, and the voltage is increased from 0 V to 100 V in steps. The reticulated charged body 5 is positively biased to form a reticulated electrode 5e. At that time, the surface potential is measured from the probe 21 arranged at a distance of 1 cm in front of the metal plate 20. The probe 21 starts from a position 1 cm away from the metal plate 20 and moves away from the metal plate 20 by 1 cm, measures the surface potential of the probe 21 at that point, and observes the change. The surface potential of the probe 21 is measured using the surface potential meter 22. The floating potential can be measured by measuring the surface potential of the probe 21. Further, the plasma environment in the polar orbit simulation chamber 10 is measured by the source meter 17 and the measured value is taken into the personal computer 18. The inside of the polar orbit simulation chamber 10 was photographed from the outside through the window glass by the IR camera 13.

図6は,表面電位測定の結果を示すグラフである。図6において,縦軸はプローブ21での測定電位Vを示し,横軸は電圧の印加された金属板20からの測定距離mmを示している。図6において,印加された電圧は,○:0V,×:50V,◇:100V,□:150V,△:200Vである。プローブ21は,10mm以内では,徐々に電圧が上昇している。10以上の測定距離になると,電圧は穏やかに下がって行き,一定電圧に落ち着いている。その落ち着いた電圧は,シース中の浮遊電位であると考えられる。網状帯電体5の近傍では,空間電位は印加電圧近くまで高くなっていると考えられるので,銅粉末には空間電位と浮遊電位の差だけの電圧がかかり,空間電位に対して負に帯電しているということができる。また,金属板20へのバイアスを上げるに従い空間電位が上がっている。これは,網状帯電体5に正の電圧を印加し,電圧を上げていくと,シース領域2が拡大していく。シース領域2が拡大するにつれてプライム空間中から引き付ける電子の量が増加するので,本来プラズマ空間中は中性に保たれていたものがその均衡が崩れ,全体的にイオンの数が次第に多くなっていくために起きるものと考えられる。また,測定プローブを網状帯電体5からの距離を変えていく過程で,目視で網状帯電体5の直前までいくと,シース領域2の白い霧状のものが見え難くなったり,遠ざけると見えるようになったりしており,網状帯電体5の前で動かしていた測定用プローブが網状帯電体5の作り出すシース環境2を大きな影響を及ぼしていた。
以上のことより,デブリ1が負のシース領域2を通過することによって,負に帯電することが確認できる。
FIG. 6 is a graph showing the results of surface potential measurement. In FIG. 6, the vertical axis represents the measurement potential V at the probe 21, and the horizontal axis represents the measurement distance mm from the metal plate 20 to which a voltage is applied. In FIG. 6, the applied voltages are ◯: 0 V, x: 50 V, ◇: 100 V, □: 150 V, Δ: 200 V. The voltage of the probe 21 gradually increases within 10 mm. When the measurement distance is 10 or more, the voltage gradually decreases and settles to a constant voltage. The settled voltage is thought to be the floating potential in the sheath. Since the space potential is considered to be close to the applied voltage in the vicinity of the reticulated charged body 5, a voltage corresponding to the difference between the space potential and the floating potential is applied to the copper powder, and the space potential is negatively charged. It can be said that Further, the spatial potential increases as the bias to the metal plate 20 is increased. This is because when a positive voltage is applied to the mesh charging body 5 and the voltage is increased, the sheath region 2 is expanded. As the sheath region 2 expands, the amount of electrons attracted from the prime space increases, so that what was originally kept neutral in the plasma space is lost, and the overall number of ions gradually increases. It is thought that it happens to go. Further, in the process of changing the distance of the measurement probe from the mesh charged body 5, it is difficult to see the white mist in the sheath region 2 when it is visually observed just before the mesh charged body 5, or it is visible when it is moved away. The measurement probe that was moved in front of the mesh charged body 5 had a great influence on the sheath environment 2 created by the mesh charged body 5.
From the above, it can be confirmed that the debris 1 is negatively charged by passing through the negative sheath region 2.

−実施例−
次に,地球低軌道のプラズマ環境を模擬することができる極軌道模擬チャンバー(LEOチャンバー)10を用いて,デブリ1である銅粉末1Pの粉末帯電落下試験を行った。 図7及び図8に示すように,極軌道模擬チャンバー10は,ステンレス製で直径1.0m,奥行き1.2mの円筒形状である。極軌道模擬チャンバー10の排気には,ターボ分子ポンプを用い,ガス流量0.4sccmでプラズマ源を動作させ,背圧1×10-2Pa程度まで真空状態にした。また,極軌道模擬チャンバー10内のプラズマ密度,電子温度測定は,極軌道模擬チャンバー10の内部に設けた直径5cmの円盤状のプローブ16(ラングミュア・プローブ)を用いた。
-Example-
Next, using a polar orbit simulation chamber (LEO chamber) 10 capable of simulating a low earth orbit plasma environment, a powder charge drop test of copper powder 1P as debris 1 was performed. As shown in FIGS. 7 and 8, the polar orbit simulation chamber 10 is made of stainless steel and has a cylindrical shape with a diameter of 1.0 m and a depth of 1.2 m. To evacuate the polar orbit simulation chamber 10, a turbo molecular pump was used, and the plasma source was operated at a gas flow rate of 0.4 sccm, and the back pressure was reduced to about 1 × 10 −2 Pa. The plasma density and electron temperature in the polar orbit simulation chamber 10 were measured using a disk-shaped probe 16 (Langmuir probe) having a diameter of 5 cm provided inside the polar orbit simulation chamber 10.

デブリ1としての模擬サンプルとして銅粉末1Pを用いた。銅粉末1Pは,粒径50μmを使用した。また,網状帯電体5としては,例えば,アルミニウム,亜鉛,鉄等の金属材料,帯電性合成樹脂等の材料,例えば,線径0.3mmの帯電体で網状帯電体5に形成されている。まず,銅粉末1Pからなるデブリ1を負に帯電させるには,網状帯電体5に対して電源装置7によって正の電圧を印加して網状電極5eにし,網状電極5eの前をデブリ1が通過させることによって,デブリ1が帯電する。網状電極5eによる電界の力によって,帯電したデブリ1cが電界の力で網状電極5e側に引き寄せられて軌道を変更するか否かを検証した。
図9には,漏斗状の粉末落下装置9から投下した銅粉末1Pが負のシース領域2を通過して負に帯電し,帯電した銅粉末1Pが電界の力を受けて降下軌跡が移動し,次いで銅粉末1Pが区画された受け皿11に収容される状態が示されている。ここでは,受け皿11は,1列〜15列まで区画されている。漏斗状の粉末落下装置9から銅粉末1Pを落下させた場合には,銅粉末1Pに変位が発生しない場合には,左側から7列の受け皿11に大半が落下するように設定されている。
Copper powder 1P was used as a simulation sample as debris 1. As the copper powder 1P, a particle size of 50 μm was used. Further, as the net-like charged body 5, for example, a metal material such as aluminum, zinc, or iron, a material such as a chargeable synthetic resin, for example, a charge body having a wire diameter of 0.3 mm, is formed on the net-like charged body 5. First, in order to negatively charge the debris 1 made of the copper powder 1P, a positive voltage is applied to the reticulated charging body 5 by the power supply device 7 to form the reticulated electrode 5e, and the debris 1 passes in front of the reticulated electrode 5e. As a result, the debris 1 is charged. It was verified whether or not the charged debris 1c is attracted to the mesh electrode 5e side by the force of the electric field by the mesh electrode 5e to change the trajectory.
In FIG. 9, the copper powder 1P dropped from the funnel-shaped powder dropping device 9 passes through the negative sheath region 2 and is negatively charged, and the descending locus moves as the charged copper powder 1P receives the force of the electric field. Then, the state in which the copper powder 1P is accommodated in the receiving tray 11 partitioned is shown. Here, the tray 11 is divided into 1 to 15 rows. When the copper powder 1P is dropped from the funnel-shaped powder dropping device 9, when no displacement occurs in the copper powder 1P, most of the copper powder 1P is set to fall on the seven rows of trays 11 from the left side.

粉末帯電落下試験の実験方法及び原理は,次のとおりである。
極軌道模擬チャンバー10内に,サイズ10×10cmの金属製網(網状帯電体)を垂直方向に配置し,網状帯電体5をバイアスできるように,網状帯電体5に電源装置7を制限抵抗14を通じて配線した。網状帯電体5の上方に設置した漏斗状の粉末落下装置9からデブリ1のサンプルとして用意した銅粉末1Pを振動モータ19の振動により落下させた。今回は粒径100μのデブリ1のサンプルとして,銅粉末(粒径:100μ)を用いた。また,網状帯電体5の下方には落下分布を回収できたうちの質量の割合から落下の分布を見るため,区画列としてコ字形の金属製受け皿11を網状帯電体5の下方に配設した。受け皿11は,サイズが1.3×7×1(cm)のものを縦に3列,横に15列並べた。粉末落下装置9は,アルミ板を容器9Cに曲げ,極軌道模擬チャンバー10に固定したブラケット(図示せず)に容器9Cを取り付け,電子天秤で測定した銅粉末1Pを容器9cに入れた。容器9Cには,振動モータ19を取り付け,振動モータ19の作動で,容器9cに入れた銅粉末をある程度一定量ずつ落下させた。振動モータ19の振動により,粉末落下装置9から落下した銅粉末1Pは,容器9Cの先端に取り付けたロート9Rを通過して網状帯電体5の網状電極5eへと落下して行く。受け皿11におちた銅粉末1Pの量を電子天秤で測定し,銅粉末1Pの落下領域の分布を測定した。
The experimental method and principle of the powder drop test are as follows.
In the polar orbit simulation chamber 10, a metal net (mesh charged body) having a size of 10 × 10 cm is arranged in the vertical direction so that the net charged body 5 can be biased. Wired through. Copper powder 1P prepared as a sample of debris 1 was dropped by a vibration of a vibration motor 19 from a funnel-shaped powder dropping device 9 installed above the net-like charged body 5. This time, copper powder (particle size: 100 μ) was used as a sample of debris 1 having a particle size of 100 μ. In addition, a U-shaped metal tray 11 is arranged below the net-like charged body 5 as a partition row in order to see the fall distribution from the ratio of the mass of the fall distribution recovered below the net-like charged body 5. . The tray 11 has a size of 1.3 × 7 × 1 (cm) arranged in three rows vertically and fifteen rows horizontally. In the powder dropping device 9, the aluminum plate was bent into the container 9C, the container 9C was attached to a bracket (not shown) fixed to the polar orbit simulation chamber 10, and the copper powder 1P measured with an electronic balance was put into the container 9c. A vibration motor 19 is attached to the container 9C, and the operation of the vibration motor 19 causes the copper powder contained in the container 9c to drop by a certain amount. Due to the vibration of the vibration motor 19, the copper powder 1 </ b> P dropped from the powder dropping device 9 passes through the funnel 9 </ b> R attached to the tip of the container 9 </ b> C and drops to the mesh electrode 5 e of the mesh charger 5. The amount of copper powder 1P placed on the tray 11 was measured with an electronic balance, and the distribution of the falling region of the copper powder 1P was measured.

測定分布の評価方法は,次のとおりである。
測定結果は,受け皿11の各列に溜まる銅粉末1Pの量を測定した。その分布の変化を調べる際に,正規分布表を利用してその評価を行った。結果を示す図10のグラフは,横軸に列番号を示し,縦軸に回収された銅粉末の全体量に対しての各列の割合の平均値を示した。また,標準偏差を1σとし,エラーバーとしてグラフに示した。但し,測定回数が3回に満たないものについてはエラーバーを表示していない。図10には,正規分布表の標準偏差曲線が示されている。図10において,X:真値,XM:平均値,Xi :i番目の測定値を示す。Δは平均値の平均誤差,γは個々の測定の確率誤差,σは個々の測定の標準偏差,εi はi番目の測定誤差,及びυはi番目の測定値の残差を示している。
The evaluation method for the measurement distribution is as follows.
As a measurement result, the amount of the copper powder 1P accumulated in each row of the tray 11 was measured. When examining the change of the distribution, we evaluated it using the normal distribution table. In the graph of FIG. 10 showing the results, the horizontal axis indicates the column number, and the vertical axis indicates the average value of the ratio of each column with respect to the total amount of the collected copper powder. Also, the standard deviation is 1σ, and the error bar is shown in the graph. However, the error bar is not displayed for the number of measurements less than 3. FIG. 10 shows a standard deviation curve of a normal distribution table. In FIG. 10, X: true value, XM: average value, X i : i-th measured value. Δ is the average error of the average value, γ is the probability error of each measurement, σ is the standard deviation of each measurement, ε i is the i-th measurement error, and υ is the residual of the i-th measurement value .

1.圧力別の比較の測定結果は,次のとおりである。
プラズマ発生器12を作動せず即ちプラズマを点火せずに極軌道模擬チャンバー10内がプラズマ状態になっておらず,網状帯電体5に電圧を印加しないバイアス無し状態で,極軌道模擬チャンバー10内の圧力を変えて,1.3Paのケース(図11の○)を8回,4.0×10-4Paのケース(図11の□)を5回行った。その測定結果を図11に示す。
圧力を変化させて測定を行ったが,僅かに6列目の銅粉末の量が増加していただけであり,大きな違いが無いことが確認できた。また,測定結果も大きな誤差が無く,安定した結果を示した。圧力別による測定分布の結果は,互いに標準偏差σ以内に位置していた。ここでは,測定回数が少なかったが,圧力の低い方が中央の領域にまとまって落下すると考えられる。即ち,極軌道模擬チャンバー10内がプラズマ状態でなく,バイアス無しの場合には,粉末落下装置9から落下した銅粉末1Pは,大半が真下に落下しており,銅粉末1Pには変位力が働いていないことが確認できた。
1. The measurement results of the comparison by pressure are as follows.
The plasma generator 12 is not operated, that is, the plasma is not ignited and the polar orbit simulation chamber 10 is not in a plasma state, and no voltage is applied to the reticulated charged body 5 without bias. The case of 1.3 Pa (◯ in FIG. 11) was performed 8 times, and the case of 4.0 × 10 −4 Pa (□ in FIG. 11) was performed 5 times. The measurement results are shown in FIG.
Although the measurement was performed while changing the pressure, the amount of copper powder in the sixth row was only slightly increased, and it was confirmed that there was no significant difference. In addition, the measurement results were stable with no significant errors. The measurement distribution results by pressure were within the standard deviation σ. Here, the number of measurements was small, but the lower pressure is considered to fall together in the central area. That is, when the inside of the polar orbit simulation chamber 10 is not in a plasma state and there is no bias, most of the copper powder 1P dropped from the powder dropping device 9 falls directly below, and the copper powder 1P has a displacement force. I confirmed that I was not working.

2.網状帯電体5の有無の比較の測定結果は,次のとおりである。
網状帯電体5を設置しないケースを1回行い,圧力1.3Paの測定結果との比較を行った。測定結果を図12に示す。
網状帯電体5を設置しないケース(図12の□)と設置したケース(図12の○)とを比較すると,網状帯電体5を設置しなかったケースは,5列目,6列目が大きく増加しており,7列目以降の列は全ての列において僅かだが減少しているのが確認できた。網状帯電体5があることにより,網状帯電体5の左側の領域が遮られていることが分かる。
2. The measurement results of the comparison of the presence or absence of the reticulated charged body 5 are as follows.
The case where the net-like charged body 5 was not installed was performed once and compared with the measurement result at a pressure of 1.3 Pa. The measurement results are shown in FIG.
Comparing the case (□ in FIG. 12) where the net-like charged body 5 is not installed with the case (◯ in FIG. 12) where the net-like charged body 5 is installed, the cases where the net-like charged body 5 is not installed are large in the fifth and sixth rows. It was confirmed that the number of columns after the seventh column was slightly decreased in all columns. It can be seen that the area on the left side of the net-like charged body 5 is blocked by the presence of the net-like charged body 5.

3.網状帯電体5に電圧を印加して網状電極5eに構成したケースと印加していないケースの比較は,次のとおりである。
制限抵抗14と電源装置7の仕様の関係上,115Vのケースと,150Vのケースとの2種の電圧を網状帯電体5にかけた。
115Vの正の電圧を印加するケースを2回,150Vの正の電圧を印加するケースを3回行った。ここでは,より圧力の低い状態での測定結果を基準とし,その測定結果を示した。
網状帯電体5に正の115Vの電圧を印加した場合の測定分布結果を図13に示した。 網状帯電体5に正の150Vのケースについては,電界の降下があったと考えられる結果は3回中1回のみであった。原因としては,網状帯電体5に150Vの大きな電圧を印加することによって網状帯電体5が曲がってしまい,僅かに角度がかわってしまったためと考えられる。網状帯電体5に正の150Vの電圧を印加した場合の測定分布結果を図14に示した。
図13及び図14から分かるように,網状帯電体5に電圧を印加した場合と,網状帯電体5に電圧を印加していない場合とで6列目に差が出ていることが分かる。このことは,電圧を印加して網状帯電体5を網状電極5eにして,その付近を負のシース領域2を形成した場合に,負のシース領域2を銅粉末1Pを通過させると,電界の力で銅粉末1Pが落下方向を変位して移動することが確認できた。
即ち,受け皿11の区画の6列目の量が増加し,7列目,8列目が僅かに減少している。7列目,8列目の減少分が6列目に移動したと考えられ,銅粉末が負に帯電し,電界の力で落下する軌道が変わったためと思料される。その他の列については,大きな違いはなかった。115Vと150Vとの双方のケースで,エラーバーは標準偏差σを確率99.73%である3σを上回っており,明らかに変化していると評価できる。
また,電圧の高い方の150Vのケースでは,115Vのケースに比較して,電圧6列目の差がより顕著に現れている。銅粉末1Pの帯電量は,Q=4πε0 aVで表せ,帯電量は電圧の大きさに比例し,更に電界の力は,電圧の事情に比例するためであると,確認できた。
3. A comparison between a case where a voltage is applied to the net-like charged body 5 and a case where the voltage is applied to the net-like electrode 5e and a case where the voltage is not applied are as follows.
Due to the relationship between the specifications of the limiting resistor 14 and the power supply device 7, two types of voltages, a 115 V case and a 150 V case, were applied to the mesh charger 5.
The case of applying a positive voltage of 115 V was performed twice, and the case of applying a positive voltage of 150 V was performed three times. Here, the measurement results are shown based on the measurement results in a lower pressure state.
FIG. 13 shows the result of measurement distribution when a positive voltage of 115 V is applied to the net charger 5. In the case of the positive 150V in the net-like charged body 5, the result considered that the electric field dropped was only one out of three times. The cause is considered to be that the reticulated charged body 5 is bent by applying a large voltage of 150 V to the reticulated charged body 5, and the angle is slightly changed. FIG. 14 shows a measurement distribution result when a positive voltage of 150 V is applied to the net-like charged body 5.
As can be seen from FIG. 13 and FIG. 14, it can be seen that there is a difference in the sixth column between when the voltage is applied to the mesh charger 5 and when no voltage is applied to the mesh charger 5. This is because, when a voltage is applied to make the net-like charged body 5 the net-like electrode 5e and the negative sheath region 2 is formed in the vicinity thereof, if the copper powder 1P is passed through the negative sheath region 2, It was confirmed that the copper powder 1P moved by displacing the dropping direction by force.
That is, the amount of the sixth row of the section of the tray 11 is increased, and the seventh and eighth rows are slightly decreased. The decrease in the 7th and 8th rows is thought to have moved to the 6th row, which is thought to be because the copper powder was negatively charged and the trajectory of falling due to the electric field force changed. There was no significant difference for the other columns. In both cases of 115V and 150V, the error bar exceeds the standard deviation σ, which is 3σ with a probability of 99.73%, and can be evaluated as clearly changing.
Further, in the case of the higher voltage of 150V, the difference in the sixth voltage column appears more prominently than in the case of 115V. It was confirmed that the charge amount of the copper powder 1P can be expressed by Q = 4πε 0 aV, the charge amount is proportional to the magnitude of the voltage, and further the electric field force is proportional to the voltage situation.

4.プラズマ点火時に電圧を印加しないケースについては,次のとおりである。
プラズマを点火した状態で,電圧を印加していないケースを1回行った。その測定結果を,図15に示した。
プラズマを点火しないで,電圧も印加しなかった時に比べ,わずかに6列目の増加が見られるが,電圧を印加した時ほどの変化ではなかった。
4). The case where no voltage is applied during plasma ignition is as follows.
The case where no voltage was applied with the plasma ignited was performed once. The measurement results are shown in FIG.
Compared to when the plasma was not ignited and no voltage was applied, a slight increase in the sixth row was observed, but the change was not as great as when the voltage was applied.

銅粉末1Pの移動距離からの帯電量の見積りについては,次のとおりある。
上記の実施例では,電圧の印加前後の7列目と6列目との比較から,7列目の減少分が6列目の増加分となって現れていると思料される。ここでは,1列分のずれである1.3cmの移動距離であった場合の帯電量について,銅粉末1Pの移動距離から見積もった。
The estimation of the charge amount from the moving distance of the copper powder 1P is as follows.
In the above-described embodiment, it is considered that the decrease in the seventh column appears as the increase in the sixth column from the comparison between the seventh column and the sixth column before and after the voltage application. Here, the charge amount in the case of a moving distance of 1.3 cm, which is a shift for one row, was estimated from the moving distance of the copper powder 1P.

上記の銅粉末落下試験を総括すると,次の結論を得ることができる。
網状帯電体5に対して電源装置7によって電圧を印加し,網状帯電体5を網状電極5eに形成することができる。網状電極5eによって形成されるシース中にデブリ1となる銅粉末1Pを通過させて,デブリ1を負に帯電させることができる。負に帯電したデブリ1cは,網状電極5eによる電界の力によって網状電極5eに引き寄せられ,軌道を変更させることができることが確認できた。
Summarizing the above copper powder drop test, the following conclusions can be obtained.
A voltage is applied to the net-like charged body 5 by the power supply device 7, and the net-like charged body 5 can be formed on the net-like electrode 5e. The debris 1 can be negatively charged by passing the copper powder 1P that becomes the debris 1 through the sheath formed by the mesh electrode 5e. It was confirmed that the negatively charged debris 1c was attracted to the mesh electrode 5e by the electric field force of the mesh electrode 5e, and the trajectory could be changed.

このスペースデブリ除去方法及びその装置では,1年間に除去できるデブリの数は1km2 の網状帯電体5を高度400kmに配置した場合には,デブリ1の直径を100μmとすると,年間で10,000個焼却することが計算上可能であることが分かった。 In this space debris removal method and apparatus, the number of debris that can be removed in one year is 10,000 km per year assuming that the diameter of the debris 1 is 100 μm when the network charged body 5 of 1 km 2 is arranged at an altitude of 400 km. It was found that it is possible to incinerate individual pieces.

この発明によるスペースデブリ除去方法及びその装置は,宇宙空間に浮遊するスペースデブリを除去する方法及び装置に適用でき,本発明を達成するための必要な機器,例えば,網状帯電体,人工衛星,電源装置等の機器を製作する産業分野において適用できる。   The method and apparatus for removing space debris according to the present invention can be applied to a method and apparatus for removing space debris floating in outer space. Necessary equipment for achieving the present invention, for example, a charged net, an artificial satellite, a power source, etc. It can be applied in the industrial field of manufacturing equipment such as devices.

この発明によるスペースデブリ除去装置の原理を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the principle of the space debris removal apparatus by this invention. デブリの帯電原理及びデブリ減速の概念図である。It is a conceptual diagram of the debris charging principle and debris deceleration. デブリの大気圏への突入の概念図である。It is a conceptual diagram of the entry of debris into the atmosphere. 表面電位測定装置を示す概略図である。It is the schematic which shows a surface potential measuring apparatus. 極軌道模擬チャンバー内の配置を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows arrangement | positioning in a polar orbit simulation chamber. 表面電位測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows a surface potential measurement result. この発明によるスペースデブリ除去装置を模擬した極軌道模擬チャンバーを用いて実験した概略図である。It is the schematic which experimented using the polar orbit simulation chamber which simulated the space debris removal apparatus by this invention. 極軌道模擬チャンバー内の配置図を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the layout in a polar orbit simulation chamber. 漏斗状の粉末落下装置,デブリである銅粉末,負のシース領域,及び区画受け皿の関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the funnel-shaped powder dropping apparatus, the copper powder which is a debris, a negative sheath area | region, and a division tray. 標準偏差曲線を示すグラフである。It is a graph which shows a standard deviation curve. 圧力別の銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the fall field of copper powder according to pressure. 網状帯電体を配置の有無による銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the fall area | region of the copper powder by the presence or absence of arrangement | positioning of a net-like charged body. 網状帯電体に115Vの電圧を印加したケースと印加していないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the fall area | region of the copper powder in the case where the voltage of 115V is applied to the net-like charged body, and the case where it is not applied. 網状帯電体に150Vの電圧を印加したケースと印加していないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the fall area | region of the copper powder in the case where the voltage of 150V is applied to the net-like charged body, and the case where it is not applied. プラズマ点火時に電圧を印加しないケースにおける銅粉末の落下領域の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the fall area | region of the copper powder in the case where a voltage is not applied at the time of plasma ignition.

符号の説明Explanation of symbols

1 デブリ
1c 帯電したデブリ
2 負のシース領域
3 大気圏
4 地球
5 網状帯電体
5e 網状電極
7 電源装置
8 地球低軌道
23 人工衛星
e 電子
F 電界の力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Debris 1c Charged debris 2 Negative sheath area | region 3 Atmosphere 4 The earth 5 Reticulated charged object 5e Reticulated electrode 7 Power supply device 8 Low earth orbit 23 Artificial satellite e Electron F Electric field force

Claims (8)

地球低軌道に存在する真空プラズマ中に網状帯電体を拡開して配置し,前記網状帯電体を正バイアスして網状電極に構成し,前記網状電極の周辺における加速された電子によって前記網状電極の周辺に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ,前記網状電極の電界の力によって前記スペースデブリを減速させて前記スペースデブリの軌道を降下させ,前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去方法。 A reticulated charged body is expanded and arranged in a vacuum plasma existing in a low earth orbit, and the reticulated charged body is positively biased to form a reticulated electrode, and the reticulated electrode is formed by accelerated electrons around the reticulated electrode. The space debris of fine particles flying around the space is negatively charged, the space debris is decelerated by the force of the electric field of the mesh electrode, the orbit of the space debris is lowered, and the space debris enters the atmosphere and is incinerated. A method for removing space debris. 正にバイアスした前記網状電極の周辺には電子シースが形成され,前記電子シース内へと飛来した前記スペースデブリが前記負に帯電させられることを特徴とする請求項1に記載のスペースデブリ除去方法。 2. The space debris removal method according to claim 1, wherein an electron sheath is formed around the positively biased mesh electrode, and the space debris flying into the electron sheath is negatively charged. . 前記網状帯電体は,前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載のスペースデブリ除去方法。 The space debris removal method according to claim 1 or 2, wherein the net-like charged body is applied to the net-like electrode by being applied in pulses in the plasma. 前記スペースデブリは,1mm以下の微粒子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のスペースデブリ除去方法。 The space debris removal method according to any one of claims 1 to 3, wherein the space debris are fine particles of 1 mm or less. 地球低軌道に存在する真空プラズマ中に拡げられた網状帯電体,前記網状帯電体をプラズマ電位に対して正バイアスさせるため前記網状帯電体に結線して電圧を印加する電源装置,及び前記電源装置を収納して前記電源装置をアースする人工衛星を備え,前記電源装置を付勢して前記網状帯電体を正バイアスさせて網状電極に構成し,前記網状電極の周辺に電子シースを形成し,前記電子シース内に飛来する微粒子のスペースデブリを負に帯電させ,負に帯電した前記スペースデブリを前記網状電極の電界の力によって減速させて軌道を降下させ,前記スペースデブリを大気圏に突入させて焼却することを特徴とするスペースデブリ除去装置。 Reticulated charged body spread in vacuum plasma existing in low earth orbit, power supply apparatus for connecting and applying voltage to reticulated charged body for positively biasing reticulated charged body with respect to plasma potential, and said power supply apparatus An artificial satellite for grounding the power supply device and energizing the power supply device to positively bias the mesh charged body to form a mesh electrode, forming an electronic sheath around the mesh electrode, The space debris of fine particles flying into the electronic sheath is negatively charged, the negatively charged space debris is decelerated by the force of the electric field of the mesh electrode, the trajectory is lowered, and the space debris enters the atmosphere. Space debris removal device characterized by incineration. 前記網状帯電体は,前記プラズマ中でパルス状に印加されて前記網状電極に構成されることを特徴とする請求項5に記載のスペースデブリ除去装置。 6. The space debris removal apparatus according to claim 5, wherein the net-like charged body is applied to the net-like electrode by being applied in pulses in the plasma. 前記スペースデブリは,1mm以下の微粒子であることを特徴とする請求項5又は6に記載のスペースデブリ除去装置。 The space debris removal apparatus according to claim 5 or 6, wherein the space debris is fine particles of 1 mm or less. 前記網状帯電体は,前記人工衛星によって前記地球低軌道に打ち上げられて前記地球低軌道において1km〜数km四方に拡開されることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のスペースデブリ除去装置。 The net-like charged body is launched into the Earth's low orbit by the artificial satellite and is expanded to 1 km to several km square in the earth's low orbit. Space debris removal device.
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