JP2010285137A - Space debris reducing apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、宇宙デブリの低減に用いる装置に関するものである。The present invention relates to an apparatus used for reducing space debris.
1957年に人類初の人工衛星が打上げられて以来、多数の宇宙デブリ(宇宙に漂う使用済みの衛星やロケットおよびそれらの破片を言う)が地球の周りに存在するようになっている。 Since the launch of the first man-made satellite in 1957, a large number of space debris (referred to as used satellites and rockets drifting in space and their fragments) have existed around the earth.
地表面高度数百kmから四万km程度の宇宙に存在する宇宙デブリは、その形状(弾道係数)や高度に応じて数十日から数百万年のあいだ地球の周りを回り続け、地球に落下する。 Space debris that exists in the universe with a surface altitude of several hundred to 40,000 km continues to travel around the earth for several tens of days to several million years, depending on its shape (ballistic coefficient) and altitude. Fall.
高度八百kmで百年から二百年程度、高度一千kmで約一千年、高度一千五百kmでは一万年程度、高度二万kmでは百万年程度、静止衛星高度(約三万六千km)では数百万年程度掛かって地球に落下する。 About 100 to 200 years at an altitude of 800 km, about 1000 years at an altitude of 1,000 km, about 10,000 years at an altitude of 1500 km, about 1 million years at an altitude of 20,000 km, In 16,000 km), it takes several million years and falls to the earth.
地球に落下するまでに長時間掛かる宇宙デブリは、それだけ他の使用中の宇宙機(打上げ前あるいは使用中の衛星やロケットを言う)との衝突あるいは宇宙デブリ同士が衝突する可能性が増し、こうした衝突が多数の宇宙デブリを新たに作り出す危険性はさらに増大する。 Space debris, which takes a long time to fall to the earth, increases the possibility of collision with other spacecraft in use (referred to as satellites and rockets before launch or in use) or space debris. The risk of a collision creating a large number of new space debris is further increased.
2008年時点で10cm以上の宇宙デブリは一万三千個から一万九千個程度存在すると言われている。 As of 2008, it is said that there are about 13,000 to 19,000 space debris over 10cm.
2009年2月に米国の衛星とロシアの衛星が軌道上で衝突し、新たに六百個から七百個の宇宙デブリが増加したと言われている。 It is said that in February 2009, US satellites and Russian satellites collided in orbit, resulting in an increase of six hundred to seven hundred space debris.
宇宙デブリを減らすには多額な費用が掛かるため、極力安価に宇宙デブリを低減する方策が望まれている。 Reducing space debris requires a large amount of money, and therefore a method for reducing space debris as much as possible is desired.
宇宙デブリを減少させるために、低軌道の宇宙機については使用終了時に自身の推進力を利用して軌道を低下させ、結果として25年程度の間に地球に落下できるようにすること、また静止衛星高度の宇宙機については、やはり使用終了時に自身の推進力を利用して、この高度から数百km上げるか、下げることによりこうした高度で使用中の他の宇宙機を保護するような国際標準の制定が検討されている。 In order to reduce space debris, low-orbit spacecrafts use their propulsive force at the end of use to lower their orbits, resulting in being able to fall to the Earth in about 25 years, and stationary For spacecraft with satellite altitude, an international standard that protects other spacecraft in use at these altitudes by using its propulsive force at the end of use and raising or lowering this altitude by several hundred kilometers. The establishment of is being considered.
米国では、バルーンを使用して宇宙機を減速させ、軌道を低下させる方法が発明され、特許(Patent No:US 6,830,222 B1,2004年12月14日)が取得されている。この特許は今後打上げる宇宙機にあらかじめバルーンを収納状態で取付け、宇宙機の使用終了後に宇宙に放出、展開するという特徴と、低軌道の宇宙に存在する微量な大気を受圧することを利用するという特徴がある。 In the United States, a method of decelerating a spacecraft using a balloon and lowering an orbit has been invented, and a patent (Patent No: US 6,830,222 B1, December 14, 2004) has been obtained. This patent uses the feature that a balloon will be installed in advance in a spacecraft to be launched in the future, and that it will be released and expanded into space after the spacecraft has been used, and that it will receive a small amount of air present in low-orbit space. There is a feature.
また前記の低軌道における微量な大気を利用するということとは別に、主要国の宇宙機関では太陽光の輻射圧を利用して、宇宙機の速度を上げ惑星間移動などに利用する研究が進んでいる。すなわち、太陽光輻射圧を利用することにより宇宙機の速度を変更させることができ、したがって軌道を変更することができる。 In addition to the use of a small amount of air in the low orbit mentioned above, research on the use of solar radiation to increase the speed of spacecraft at inter-planetary movements, etc., is taking place at space agencies in major countries. It is out. In other words, the speed of the spacecraft can be changed by using the solar radiation pressure, and therefore the trajectory can be changed.
今後打上げる宇宙機の全てについて使用終了時に地球上に落下させ、あるいは所定の軌道から離脱させるようにするためには、衛星のみならず打上げ用の上段ロケットについてそれぞれ制御機能を持たせ、かつこれに必要な推進剤を搭載して打上げることが必要になる。 In order to make all the spacecrafts to be launched in the future fall on the earth at the end of use or depart from a predetermined orbit, not only the satellites but also the upper rockets for launching each have a control function. It is necessary to mount the propellant necessary for launching.
しかしながら、全ての衛星や上段ロケットなどに軌道変更に必要な制御機能を持たせ、かつ必要な推進剤を搭載することは困難で、前記は不可能である。また仮に前記の対策を施したとしても、衛星によっては十数年使用し終了するものなど多くあり、この間の故障で軌道を変更することが困難になる可能性があり、この場合は宇宙デブリとして放置されることになる。 However, it is difficult to provide all satellites, upper rockets, and the like with a control function necessary for changing orbits and to install necessary propellants. Even if the above countermeasures are taken, there are many satellites that have been used for over a decade or so, and it may be difficult to change the orbit due to a failure during this period. It will be left unattended.
宇宙デブリ回収のため新たな宇宙機を打上げ、宇宙デブリにドッキングなどさせて、この宇宙機の制御機能や推進剤を使って宇宙デブリを落下させ、あるいは軌道を変更させることが考えられるが、これには多額の費用が必要になる。 It is conceivable to launch a new spacecraft for space debris recovery, dock it to space debris, etc., drop the space debris using this spacecraft's control function or propellant, or change the orbit. Requires a lot of money.
そこで本発明は、すでに宇宙を回っている宇宙デブリに対しては、安価なデブリ低減装置複数台を一機の宇宙機に搭載し、一度の打上げで多数の宇宙デブリにこの装置の取付けを行い、安価に宇宙デブリを減らそうというものである。また今後打上げる宇宙機については、安価な材料で作成した宇宙デブリ低減装置をあらかじめ搭載し、使用終了時にこの装置を放出・展開させこれに働く力を利用して地球に落下させ、ないしは軌道を変更させるというものである。 Therefore, according to the present invention, for space debris already in space, multiple inexpensive debris reduction devices are mounted on one spacecraft, and this device is attached to many space debris in one launch. It is intended to reduce space debris at low cost. As for spacecraft to be launched in the future, a space debris reduction device made of inexpensive materials will be installed in advance, and when the use is completed, this device will be released and deployed, and it will fall to the earth using the force that acts on it, or orbit It is to change.
前記の課題を解決するために、第一発明は、膜材からなる受圧装置とその補強部材と紐とで構成された装置で、これを別の宇宙機に搭載し、宇宙デブリに接近・取付けることにより、受圧装置が微量な大気を受けて、低軌道の宇宙デブリを減速させ地球へ落下するまでの期間を短縮させるものである。この装置は打上時の収納性を良くするために折り畳み可能なものとする。またこの装置は今後打上げる宇宙機にあらかじめ折り畳み状態で取付けておき、宇宙機の使用終了時にこの装置を放出、展開させることにより、この宇宙機が地球に落下するまでの期間を短縮することもできる。 In order to solve the above-mentioned problems, the first invention is a device constituted by a pressure receiving device made of a membrane material, a reinforcing member thereof, and a string, which is mounted on another spacecraft, and approaches and attaches to space debris. As a result, the pressure receiving device receives a small amount of air, and decelerates the low-orbit space debris to shorten the period until it falls to the earth. This device shall be foldable in order to improve the stowability upon launching. In addition, this device can be attached to the spacecraft that will be launched in the future in a folded state, and the device will be released and deployed at the end of use of the spacecraft, thereby shortening the period until the spacecraft falls to the earth. it can.
第二発明は、前記と同じく膜材からなる受圧装置などからなり、高軌道において使用するもので、この装置を別の宇宙機に搭載し、高軌道の宇宙デブリに接近・取付けることにより、受圧装置が太陽光輻射圧を受けて、宇宙デブリを加速、減速させて軌道を変えさせ、結果として保護すべき軌道から宇宙デブリを離脱させるものである。この装置は打上時の収納性を確保するために折り畳み可能なものとする。またこの装置は今後打上げる宇宙機にあらかじめ折り畳み状態で取付けておき、使用終了時にこの装置を放出、展開させることにより、この宇宙機を保護すべき軌道から離脱させることを可能にするものである。 The second invention consists of a pressure receiving device made of a membrane material as described above, and is used in a high orbit. By mounting this device on another spacecraft and approaching / attaching to a high orbit space debris, The device receives solar radiation pressure and accelerates or decelerates the space debris to change the orbit, resulting in the space debris leaving the orbit to be protected. This device is assumed to be foldable in order to ensure storage at the time of launch. In addition, this device is attached to the spacecraft to be launched in the future in a folded state, and when the device is used, the device is released and deployed, so that this spacecraft can be removed from the orbit to be protected. .
第三発明は、バルーンと紐とで構成された装置で、これを別の宇宙機に搭載し、宇宙デブリに接近・取付けることにより、バルーンが微量な大気を受けて、低軌道の宇宙デブリを減速させ地球へ落下するまでの期間を短縮させるものである。この装置は打上時の収納性を良くするために折り畳み可能なものとする。なお、この装置を今後打上げる宇宙機にあらかじめ折り畳み状態で取付けておき、使用終了時にこの装置を放出、展開させることにより、この宇宙機が地球に落下するまでの期間を短縮できるようにすることについては、すでに米国において他者が特許(Patent No:US6,830,222 B1,2004年12月14日)を取得している。 The third invention is a device composed of a balloon and a string. This device is mounted on another spacecraft, and close to and attached to the space debris. It shortens the period until it slows down and falls to the earth. This device shall be foldable in order to improve the stowability upon launching. By attaching this device to a spacecraft to be launched in the future in a folded state, and releasing and deploying this device when it is finished in use, it is possible to shorten the period until this spacecraft falls to the earth. For others, patents (Patent No: US 6,830,222 B1, December 14, 2004) have already been obtained in the United States.
第四発明は、前記と同じくバルーンを使用するものであるが、高軌道において使用するもので、この装置を別の宇宙機に搭載し、高軌道の宇宙デブリに接近・取付けることにより、バルーンが太陽光輻射圧を受けて、宇宙デブリを加速、減速させて軌道を変えさせ、結果として保護すべき軌道から宇宙デブリを離脱させるものである。この装置は打上時の収納性を確保するために折り畳み可能なものとする。 The fourth invention uses a balloon in the same way as described above, but is used in a high orbit. By mounting this device on another spacecraft and approaching / attaching to a high-orbit space debris, the balloon is In response to the solar radiation pressure, the space debris is accelerated and decelerated to change the orbit, and as a result, the space debris is removed from the orbit to be protected. This device is assumed to be foldable in order to ensure storage at the time of launch.
第五発明は、第一発明、第二発明および第三発明ならびに第四発明の装置を宇宙デブリに取付けるための機構で、別の宇宙機に搭載し、宇宙デブリに接近し、宇宙デブリの外側部に「モリ」を打込むことにより折り畳んだ状態の受圧装置あるいはバルーンを紐を介して宇宙デブリに取付けるものである。本発明によるモリで打込む方法は宇宙デブリと宇宙機をドッキングさせる必要がなく、容易である。 The fifth invention is a mechanism for attaching the apparatus of the first invention, the second invention, the third invention and the fourth invention to the space debris, mounted on another spacecraft, approaching the space debris, and outside the space debris. The pressure receiving device or balloon in a folded state is attached to the space debris via a string by driving “moly” into the part. The method of driving with a memory according to the present invention does not require the space debris and the spacecraft to be docked, and is easy.
第六発明は、第五発明の別の形態で、第一発明、第二発明および第三発明ならびに第四発明の装置を宇宙デブリに取付けるための機構で、別の宇宙機に搭載し、宇宙デブリに接近し、操作用ロボットアームを使用して「クリップ」を取出し、このクリップが宇宙デブリの突起部を把持することにより折り畳んだ状態の受圧装置あるいはバルーンを紐を介して宇宙デブリに取付けるものである。本発明によるクリップで把持する方法は宇宙デブリと宇宙機をドッキングさせる必要がなく、容易である。 The sixth invention is another form of the fifth invention, which is a mechanism for mounting the devices of the first invention, the second invention, the third invention, and the fourth invention to the space debris. Attaching the pressure receiving device or balloon to the space debris through a string, approaching the debris, taking out the “clip” using the robot arm for operation, and holding the protrusion of the space debris. It is. The method of gripping with the clip according to the present invention does not require the space debris and the spacecraft to be docked, and is easy.
第一発明、第二発明、第三発明および第四発明のいずれも第五発明ないしは第六発明と組合わせることにより宇宙デブリをなるべく短期間に地上に落下させるか、あるいは宇宙機にとって重要な軌道から宇宙デブリを離脱させることにより宇宙デブリを低減することが可能となり、使用中の宇宙機および今後打上げる宇宙機との衝突を極力回避することが可能となる。 Any of the first invention, the second invention, the third invention, and the fourth invention can be combined with the fifth invention or the sixth invention to cause the space debris to fall to the ground in as short a time as possible, or a trajectory important for the spacecraft. It is possible to reduce the space debris by detaching the space debris from the spacecraft, and to avoid collision with the spacecraft in use and the spacecraft to be launched in the future as much as possible.
この発明の一実施形態を、図1に示す。
受圧装置21は円形又は多角形からなる膜材であり、これに宇宙空間で展開状態を維持できるように受圧装置補強部材211で補強したものである。この受圧装置補強部材211には紐23を取付け、この紐23の片方の先端に図3に示す取付機構A31または図4の取付機構B32を取付け、これら取付機構を介して宇宙デブリ11に取り付け、その後受圧装置21を展開する。One embodiment of the present invention is shown in FIG.
The
本発明実施の他の形態を図2に示す。
バルーン22は膜材であり、このバルーン22の一端を紐23で結合し、片方の先端に図3に示す取付機構A31または図4に示す取付機構B32のいずれかを取付け、これら取付機構を介してバルーン22を宇宙デブリ12に取付ける、その後バルーン22にガスを封入し、展開する。バルーンに代えて、ガス圧封入可能なエアーマット状のものにすることも可能である。Another embodiment of the present invention is shown in FIG.
The
本発明の実施に必要な収納、取付機構の一形態を図3に示す。
本取付機構A31は、「モリ打込み方式」で、折り畳んだ状態の「受圧装置および紐(収納状態)」51あるいは折り畳み状態のバルーン22を紐23を介して宇宙デブリA11に取付けるものである。宇宙機A14に搭載した「取付機構A収納・射出機構」61に収納した取付機構A31を射出し、宇宙デブリA11の外側部にモリを打込み、その後受圧装置21あるいはバルーン22を展開する。FIG. 3 shows an embodiment of a storage and attachment mechanism necessary for implementing the present invention.
This attachment mechanism A31 is a “moly driving method” for attaching the folded “pressure receiving device and string (stored state)” 51 or the folded
本発明の実施に必要な収納、取付機構の他の形態を図4に示す。
本取付機構B32は、「クリップ把持方式」で、折り畳んだ状態の「受圧装置および紐(収納状態)」51あるいは折り畳み状態のバルーン22を紐23を介して宇宙デブリA13に取付けるものである。宇宙機B15の「受圧装置、紐および取付機構B収納装置」43に収納した取付機構B32をロボットアームを使用して取出し、宇宙デブリC13の突起部131を把持することにより折り畳んだ状態の「受圧装置および紐(収納状態)」51あるいはバルーン22を紐23を介して宇宙デブリB13に取付け、その後受圧装置21あるいはバルーン22を展開する。FIG. 4 shows another form of the storage and mounting mechanism necessary for the implementation of the present invention.
This attachment mechanism B32 is a “clip gripping method” for attaching the folded “pressure receiving device and string (stored state)” 51 or the folded
本発明の実施に必要な収納、取付機構の他の形態を図5に示す。
本「取付機構C」33は、「固定取付具」で、今後打上げる「宇宙機C」16に折り畳んだ状態の「受圧装置および紐(収納状態)」51あるいはバルーン22を紐23を介して取付けるものである。宇宙機C16の使用終了時に、この「受圧装置および紐(収納状態)」51あるいはバルーン22を押出し、展開する。FIG. 5 shows another embodiment of the storage and mounting mechanism necessary for carrying out the present invention.
This “attachment mechanism C” 33 is a “fixed attachment”, and the “pressure receiving device and string (storage state)” 51 or the
11 宇宙デブリA
12 宇宙デブリB
13 宇宙デブリC
131 宇宙デブリC突起部
14 宇宙機A
15 宇宙機B
16 宇宙機C
21 受圧装置
211 受圧装置補強部材
22 バルーン
23 紐
31 取付機構A
32 取付機構B
33 取付機構C
41 受圧装置および紐収納装置A
42 受圧装置および紐収納装置B
43 受圧装置、紐および取付機構B収納装置
51 受圧装置および紐(収納状態)
61 取付機構A収納・射出機構
62 取付機構B操作用ロボットアーム
700 太陽
710 地球公転軌道
800 地球
810 宇宙デブリの軌道変更前の軌道
820 宇宙デブリの進行方向
900 宇宙デブリの軌道変更後の軌道
1001 宇宙デブリの通過点
1002 宇宙デブリの通過点
1003 宇宙デブリの通過点
1004 宇宙デブリの通過点11 Space Debris A
12 Space Debris B
13 Space Debris C
131 Space
15 Spacecraft B
16 Spacecraft C
21
32 Mounting mechanism B
33 Mounting mechanism C
41 Pressure receiving device and string storage device A
42 Pressure receiving device and string storage device B
43 pressure receiving device, string and attachment mechanism
61 Mounting mechanism A storage /
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