JP2016068730A - デブリ除去装置及びデブリ除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】銛の射出時に生じる反力を低減することができるとともに、デブリを正確に捕獲することができる、デブリ除去装置及びデブリ除去方法を提供する。【解決手段】デブリ除去装置は、除去対象のデブリに接近可能に構成されたエンドマス２と、エンドマス２に切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置３と、デブリ捕獲装置３とエンドマス２とを連結するテザー４と、を備え、デブリ捕獲装置３は、デブリに貫入可能な銛３１と、銛３１を射出する射出装置３２と、デブリＸの表面に当接可能に配置されデブリの表面に対する銛３１の射出角度を調整するガイド部材３３と、射出装置３２に射出信号を送信するスイッチ３４と、備え、デブリに銛３１を貫入させた後、エンドマス２をデブリ捕獲装置３から切り離してテザー４を宇宙空間に放出するように構成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、デブリ除去装置及びデブリ除去方法に関し、特に、地球周回軌道上を周回している使用済みの衛星やロケット等の宇宙空間を漂流するデブリの除去に適したデブリ除去装置及びデブリ除去方法に関する。

現在、軌道上には、軍事衛星、通信衛星、科学衛星、観測衛星、航行衛星等、種々の目的の人工衛星が周回している。これらの人工衛星は、故障して機能しなくなったり、役目を終えて寿命に達したりした場合には、そのまま軌道上に放置され、デブリ（宇宙ごみ）となることが多い。また、人工衛星等の打ち上げに使用したロケット等の残骸もデブリとして軌道上に放置されている。現在、軌道上を周回しているデブリは、数千個以上にも及び、自然衝突により個数が増加する自己増殖の段階に突入しつつある。このデブリの自己増殖を避けるには、最低でも年間５個程度のデブリを除去する必要がある。デブリは、地球の引力に引き寄せられて、いずれ落下消滅することとなるが、自然落下には長い年月を要し、効率的ではない。そこで、かかるデブリを積極的に除去する方法が既に提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１に記載されたデブリ除去方法は、微量の大気及び太陽光輻射圧を受けるための受圧装置を円形又は多角形からなる膜材で構成し、すでに宇宙を周っている宇宙デブリあるいは今後打上げる宇宙機に紐を介して取り付けることにより、これら宇宙デブリあるいは使用終了後の宇宙機の地上への落下ないしは軌道変更により重要な軌道を保護するようにしたものである。また、特許文献２に記載されたデブリ除去方法は、デブリ除去装置によりターゲットデブリの運動を観測し、ターゲットデブリに向かって銛を打ち込み可能な捕獲位置及び捕獲姿勢を計算し、デブリ除去装置を計算により求めた捕獲位置及び捕獲姿勢まで移動させ、ターゲットデブリに銛を打ち込んだ後、ターゲットデブリを減速させるようにしたものである。

特開２０１０−２８５１３７号公報 国際公開第２０１３／０６５７９５号

上述した特許文献１及び特許文献２には、受圧装置をデブリに取り付ける方法として、デブリに銛（モリ）を打ち込む方法が提案されている。かかる銛を打ち込む方法は、遠方からデブリを捕獲できるという利点があるものの、銛をデブリに貫入させるために必要なエネルギーを、銛の射出時の運動エネルギーとして生成しなければならない。したがって、銛を射出する衛星に過大な反力を生じ、衛星を強度的に補強しなければならず、重量増加を招くこととなる。また、銛がデブリから逸れてしまったり、銛がデブリ表面で跳弾したり、銛がデブリを貫通したりして、デブリを正確に捕獲することができないという問題も生じ得る。

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、銛の射出時に生じる反力を低減することができるとともに、デブリを正確に捕獲することができる、デブリ除去装置及びデブリ除去方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、宇宙空間を漂流するデブリを捕獲して軌道上から除去するデブリ除去装置において、除去対象のデブリに接近可能に構成されたエンドマスと、該エンドマスに切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置と、該デブリ捕獲装置と前記エンドマスとを連結するテザーと、を備え、前記デブリ捕獲装置は、前記デブリに貫入可能な銛と、該銛を射出する射出装置と、前記デブリの表面に当接可能に配置され前記デブリの表面に対する前記銛の射出角度を調整するガイド部材と、前記射出装置に射出信号を送信するスイッチと、備え、前記デブリに前記銛を貫入させた後、前記エンドマスを前記デブリ捕獲装置から切り離して前記テザーを宇宙空間に放出する、ことを特徴とするデブリ除去装置が提供される。

前記デブリ捕獲装置は、前記銛の射出時又は前記デブリの表面への接触時に生じる衝撃を緩和する緩衝手段を有していてもよい。また、前記ガイド部材は、先端に配置された環状のリム部と、該リム部を支持するスポーク部と、を有していてもよい。

前記デブリ捕獲装置は、前記銛の外周を覆うとともに前記銛の先端よりも前方に開口部が位置するように配置されたデブリ飛散防止手段を有していてもよい。さらに、前記スイッチは、前記デブリ飛散防止手段の先端に配置されていてもよい。また、前記銛は、前記デブリ内のガスを宇宙空間に放出するための流路を有していてもよい。

また、前記エンドマスは、前記射出装置を支持する支持手段を有していてもよい。また、前記エンドマスは、推進手段を有していてもよいし、推進手段を有する母機に搭載されていてもよい。

また、前記射出装置は、前記デブリの表面に対する前記銛の貫入深さを設定するストッパー機構を有していてもよい。

また、本発明によれば、宇宙空間を漂流するデブリを捕獲して軌道上から除去するデブリ除去方法において、除去対象のデブリに接近可能に構成されたエンドマスと、該エンドマスに切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置と、該デブリ捕獲装置と前記エンドマスとを連結するテザーと、を備えたデブリ除去装置を用い、前記デブリ捕獲装置を前記デブリに接近させる接近工程と、前記デブリ捕獲装置が前記デブリの表面に対して斜めに接近し、前記デブリ捕獲装置の一部が前記デブリの表面に当接し、該当接点を基準に前記デブリ捕獲装置の姿勢を補正する姿勢補正工程と、前記デブリ捕獲装置により前記デブリを捕獲する捕獲工程と、前記デブリ捕獲装置から前記エンドマスを離隔させて前記テザーを宇宙空間に放出するテザー展開工程と、を有することを特徴とするデブリ除去方法が提供される。

上述した本発明のデブリ除去装置及びデブリ除去方法によれば、銛を遠方より射出するのではなく、デブリ捕獲装置をデブリに接近させてガイド部材をデブリの表面に当接させることによって、銛の射出角度を調整し、デブリの表面に近接した位置から適正な射出角度で銛を射出するようにしたことから、デブリの射出時に必要な運動エネルギーを低減することができ、その反力を低減することができる。また、近接した位置で射出角度を調整してから銛を射出していることから、銛が逸れたり、跳弾したり、デブリを貫通したりする可能性を低減することができ、デブリを正確に捕獲することができる。

本発明の第一実施形態に係るデブリ除去装置を示す上面図であり、デブリ除去装置を母機に収容した状態を示している。 図１に示したデブリ除去装置が捕獲体勢に移行した状態を示している。 図１に示したデブリ除去装置のデブリ捕獲装置を示す部分側断面図である。 デブリ捕獲装置の動作を示す図であり、（ａ）は接近状態、（ｂ）は射出角度調整状態、（ｃ）は射出角度調整終了状態、を示している。 デブリ捕獲装置の動作を示す図であり、（ａ）は射出状態、（ｂ）はエンドマス切り離し状態、（ｃ）はテザー放出状態、を示している。 デブリ除去装置の動作を示す図であり、（ａ）は移動状態、（ｂ）は接近状態、（ｃ）は捕獲状態、を示している。 デブリ除去装置の動作を示す図であり、（ａ）は離脱状態、（ｂ）はテザー放出状態、を示している。 本発明の第二実施形態に係るデブリ除去装置を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、を示している。 本発明の他の実施形態に係るデブリ除去装置を示す図であり、（ａ）は第三実施形態、（ｂ）は第四実施形態、を示している。 本発明の第五実施形態に係るデブリ除去装置を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図１０を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係るデブリ除去装置を示す上面図であり、デブリ除去装置を母機に収容した状態を示している。図２は、図１に示したデブリ除去装置が捕獲体勢に移行した状態を示している。図３は、図１に示したデブリ除去装置のデブリ捕獲装置を示す部分側断面図である。

本発明の第一実施形態に係るデブリ除去装置１は、図１〜図３に示したように、宇宙空間を漂流するデブリを捕獲して軌道上から除去するデブリ除去装置であって、除去対象のデブリＸに接近可能に構成されたエンドマス２と、エンドマス２に切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置３と、デブリ捕獲装置３とエンドマス２とを連結するテザー４と、を備え、デブリ捕獲装置３は、デブリＸに貫入可能な銛３１と、銛３１を射出する射出装置３２と、デブリＸの表面に当接可能に配置されデブリＸの表面に対する銛３１の射出角度を調整するガイド部材３３と、射出装置３２に射出信号を送信するスイッチ３４と、備え、デブリＸに銛３１を貫入させた後、エンドマス２をデブリ捕獲装置３から切り離してテザー４を宇宙空間に放出するように構成されている。

エンドマス２は、自身の重力やスラスタ等の推進力を利用してテザー４を宇宙空間で展開するための質量体である。また、エンドマス２は、デブリ捕獲装置３の制御装置やテザー４を収容する容器として利用してもよい。例えば、図３に示したように、テザー４は、コイル状に巻かれてエンドマス２内に収容されており、エンドマス２は、テザー４を外部に引き出すためのテザー放出口２ａを有している。

また、エンドマス２は、テザー４の展開時に方向や姿勢を制御するための推進手段２１（例えば、スラスタ等）を有していてもよい。エンドマス２の表面には、デブリ捕獲装置３に電力を供給するための太陽光発電装置（電力源）を構成する太陽電池パネル２２が配置されていてもよい。なお、推進手段２１や電力源は、図示した構成に限定されるものではなく、必要に応じて省略することもできる。

デブリ除去装置１は、例えば、図１に示したように、小型衛星等の母機５に搭載されて移動される。母機５は、例えば、図１及び図２に示したように、スラスタ等の推進手段５１、電力を供給する太陽電池パドル５２、デブリ除去装置１を把持して操作するロボットアーム５３と、エンドマス２を固定するための固定部５４（例えば、開口部）と、を有している。このように、推進手段５１を有する母機５にデブリ除去装置１（エンドマス２）を搭載することにより、デブリ除去装置１の推進手段や大型の電力源を省略することができ、デブリ除去装置１の簡素化及び軽量化を図ることができる。なお、デブリ除去装置１は、例えば、母機５の上面及び下面に２台ずつ配置（合計４台）されるが、かかる台数に限定されるものではない。

また、エンドマス２は、後端部にロボットアーム５３が把持するための把手部２３を有している。把手部２３は、ロボットアーム５３が把持可能な形状であれば、図示した形状に限定されるものではない。母機５は、デブリＸの捕獲作業に移行するまでは、図１に示したように、デブリ除去装置１を表面に固定して収容した状態で移動する。そして、除去対象のデブリＸに接近し、捕獲作業に移行する際には、図２に示したように、ロボットアーム５３によりエンドマス２を母機５の表面から引き離し、ロボットアーム５３を真っ直ぐに正面に向けることによって、デブリ除去装置１の先端（銛３１の射出方向）を正面に向けた状態で位置決めを行う。

デブリ捕獲装置３は、図３に示したように、銛３１、射出装置３２、ガイド部材３３及びスイッチ３４に加え、エンドマス２のテザー放出口２ａに接続される略筒状のケーシング３５と、ケーシング３５内に収容されたコイルスプリング３６と、ケーシング３５をテザー放出口２ａに固定するためのロック手段３７と、射出装置３２とケーシング３５との間に配置される緩衝手段３８と、を有している。

ケーシング３５は、テザー放出口２ａの端面に当接可能な径を有し、後端部が開口されている。また、コイルスプリング３６の後端は、テザー放出口２ａの端面に当接し、コイルスプリング３６は、圧縮された状態でケーシング３５内に収容されている。ロック手段３７は、テザー放出口２ａの先端に形成された環状の突起に係合可能なフック３７ａと、フック３７ａを拘束するワイヤ３７ｂと、ワイヤ３７ｂを切断するワイヤカッタ３７ｃと、を有している。なお、ロック手段３７の形状や構成は単なる一例であり、図示した形状や構成に限定されるものではない。

ワイヤ３７ｂは、フック３７ａがテザー放出口２ａに係合した状態を維持するようにフック３７ａに接続されている。デブリ捕獲装置３からエンドマス２を切り離したい際に、ワイヤカッタ３７ｃによりワイヤ３７ｂを切断し、フック３７ａの拘束を解除する。フック３７ａの拘束を解除すると、コイルスプリング３６の付勢力により、テザー放出口２ａが押し出され、フック３７ａがテザー放出口２ａから離脱するとともに、エンドマス２がデブリ捕獲装置３から離隔する。

射出装置３２は、銛３１の移動方向を規制するシリンダ３２ａと、シリンダ３２ａに挿通されたピストン３２ｂと、シリンダ３２ａの後端に配置された複数のパイロ弁３２ｃと、デブリＸの表面に対する銛３１の貫入深さを設定するストッパー機構３２ｄと、を有している。パイロ弁３２ｃは、スイッチ３４から射出信号を受信するとシリンダ３２ａ内にガスを放出し、ピストン３２ｂを押し出す。かかる射出装置３２の構成は、単なる一例であり、パイロ弁３２ｃは単数であってもよいし、他の火工品を用いた構成であってもよいし、電動モータを用いた構成であってもよい。

ピストン３２ｂの先端には、銛３１が接続されている。銛３１は、デブリＸに貫入可能な径を有するロッド状の部品であり、先端部に複数の返し部３１ａを有している。返し部３１ａを有することにより、デブリＸに貫入した銛３１の抜けを抑制することができる。なお、銛３１の先端部は尖っていてもよいし、穴あけパンチや切削具の先端のような形状を有していてもよい。

ストッパー機構３２ｄは、例えば、シリンダ３２ａの先端に形成された壁面部３２ｅと、ピストン３２ｂの後端に形成された拡径部３２ｆと、により構成される。かかる構成により、銛３１が射出装置３２から射出された場合であっても、ピストン３２ｂの拡径部３２ｆをシリンダ３２ａの壁面部３２ｅに係止させることができ、銛３１が射出装置３２から分離して飛び出さないようにすることができる。すなわち、壁面部３２ｅと拡径部３２ｆとの距離によって銛３１の射出距離を規定することができ、デブリＸの表面に対する銛３１の貫入深さを設定することができる。なお、拡径部３２ｆの位置はピストン３２ｂの後端に限定されるものではなく、銛３１の設定したい貫入深さに合わせてピストン３２ｂの中間部に形成するようにしてもよい。

また、銛３１の先端からピストン３２ｂに渡って、ガス抜き用の流路３１ｂを形成するようにしてもよい。流路３１ｂは、銛３１及びピストン３２ｂの軸心に沿って形成された後、ピストン３２ｂの中間部で側面に向かって折れ曲がるように形成される。かかる構成により、デブリＸの内部に何らかのガスが滞留していた場合であっても、銛３１をデブリＸに貫入させることにより、流路３１ｂを介してデブリＸ内のガスを宇宙空間に放出することができ、デブリＸの爆発や火災等の事故の発生を抑制することができる。なお、流路３１ｂは、必要に応じて省略することができる。

また、デブリ捕獲装置３は、銛３１の外周を覆うとともに銛３１の先端よりも前方に開口部（先端部３９ａ）が位置するように配置されたデブリ飛散防止手段（例えば、ベローズ３９）を有していてもよい。ベローズ３９は、例えば、銅製の蛇腹を有する弾性体であり、銛３１の延伸方向に伸縮可能に構成されている。ベローズ３９の後端部３９ｂは底部を有し、底部を銛３１に接続することによって後端部３９ｂが封止されている。なお、デブリ飛散防止手段は、図示したベローズ３９に限定されるものではなく、スポンジのような弾性体により構成されていてもよい。

したがって、デブリＸに銛３１を貫入させると、ベローズ３９の先端部３９ａは、デブリＸの表面に留まり、銛３１の移動に伴ってベローズ３９の後端部３９ｂが移動し、ベローズ３９は圧縮される。すなわち、銛３１のデブリＸへの貫入により、ベローズ３９はデブリＸの表面に押し付けられ、密閉空間を形成する。その結果、銛３１の貫入時に生じるデブリＸの破片等の飛散を抑制することができ、新たなデブリの発生を抑制することができる。なお、ガス抜き用の流路３１ｂは、ベローズ３９内にガスを放出しないように、ベローズ３９よりも後端側まで延設することが好ましい。

ベローズ３９の先端部３９ａには、スイッチ３４が配置されている。スイッチ３４は、ベローズ３９の開口部を形成する縁部に複数配置されている。例えば、ベローズ３９の先端部３９ａが、デブリＸの表面に正対した状態を検知するためには、少なくとも３個以上のスイッチ３４を配置することが好ましい。このように、ベローズ３９の先端部３９ａにスイッチ３４を配置することにより、ベローズ３９がデブリＸの表面に正対した状態を検知することができ、この状態で銛３１をデブリＸに貫入させることにより、銛３１の射出角度を適正な範囲内に調整することができるとともに、密閉空間を容易に形成することができる。

スイッチ３４は、ベローズ３９の先端部３９ａがデブリＸの表面に当接した状態を検出する部品である。スイッチ３４は、いわゆるマイクロスイッチであり、感圧式であってもよいし、通電式であってもよい。スイッチ３４は、ケーブル（図示せず）を介して射出装置３２のパイロ弁３２ｃに接続されている。そして、ベローズ３９の先端部３９ａがデブリＸの表面に当接すると、スイッチ３４はパイロ弁３２ｃに射出信号を送信する。なお、スイッチ３４の配置場所は、ベローズ３９の先端に限定されるものではなく、ガイド部材３３の先端に配置してもよいし、デブリ捕獲装置３に支持された専用のガイド部材の先端に配置するようにしてもよい。

また、ベローズ３９の外周には、ガイド部材３３が配置されている。ガイド部材３３は、例えば、先端に配置された環状のリム部３３ａと、リム部３３ａを支持するスポーク部３３ｂと、を有し、先端側が拡径した略円錐形状の外形を有している。リム部３３ａの径は、ベローズ３９よりも大きく形成されている。スポーク部３３ｂの後端部は、例えば、射出装置３２のシリンダ３２ａに接続される。

したがって、デブリ捕獲装置３がデブリＸの表面に対して斜めに接近した場合には、最初にガイド部材３３のリム部３３ａがデブリＸの表面に当接することとなる。そして、そのままデブリ捕獲装置３をデブリＸに接近させると、ガイド部材３３は、最初の当接点を基準にしてリム部３３ａの全体がデブリＸの表面に当接するように姿勢が制御される。すなわち、ガイド部材３３は、デブリ捕獲装置３の自動調芯機構として作用し、銛３１の射出角度を調整することができる。

エンドマス２に収容されたテザー４は、テザー放出口２ａ及びケーシング３５を通過して、射出装置３２（シリンダ３２ａ）の後端部に接続されている。射出装置３２（シリンダ３２ａ）とケーシング３５との間には、銛３１の射出時に生じる衝撃を緩和する緩衝手段３８（例えば、ルーズスプリング）が配置されていてもよい。かかる緩衝手段３８を配置することにより、パイロ弁３２ｃを点火して銛３１を射出した際に生じる反力を緩衝手段３８で吸収することができる。なお、緩衝手段３８は、ルーズスプリングに限定されるものではなく、ゴムのような弾性体であってもよい。

テザー４は、銛３１をデブリＸに貫入させた後、エンドマス２を切り離すことによって宇宙空間に放出され展開される。テザー４は導電性を有し、テザー４に流れる電流とテザー４が展開される磁場との関係からテザー４にローレンツ力が作用する。その結果、テザー４は、例えば、デブリＸの進行方向と反対方向に引っ張られることとなり、デブリＸを減速させることができる。なお、図示しないが、テザーを逆方向（例えば、地球から遠ざかる方向）に伸展させることにより、デブリＸを進行方向に引っ張って加速させ、デブリＸの軌道を上昇させることにより、混雑軌道から除去するようにしてもよい。

次に、デブリ捕獲装置３の動作について、図４（ａ）〜図５（ｃ）を参照しつつ説明する。ここで、図４は、デブリ捕獲装置の動作を示す図であり、（ａ）は接近状態、（ｂ）は射出角度調整状態、（ｃ）は射出角度調整終了状態、を示している。図５は、デブリ捕獲装置の動作を示す図であり、（ａ）は射出状態、（ｂ）はエンドマス切り離し状態、（ｃ）はテザー放出状態、を示している。

図４（ａ）に示したように、エンドマス２に接続された状態のデブリ捕獲装置３は、エンドマス２とともにデブリＸに接近される。デブリ捕獲装置３が、デブリＸの表面に対して略垂直な状態を維持したまま接近した場合には、図４（ｃ）に示したように、スイッチ３４がデブリＸの表面に当接し、射出信号が発信される。

それに対して、図４（ｂ）に示したように、デブリ捕獲装置３が、デブリＸの表面に対して斜めに接近した場合には、ガイド部材３３のリム部３３ａがデブリＸの表面に当接することとなる。そして、そのままデブリ捕獲装置３をデブリＸにゆっくり接近させると、ガイド部材３３は、リム部３３ａの当接点を基準にデブリ捕獲装置３の姿勢を補正する。最終的に、デブリ捕獲装置３は、図４（ｃ）に示したように、デブリＸの表面に対して略垂直な状態となるように補正される。

図４（ｃ）に示したように、スイッチ３４がデブリＸの表面に当接すると、射出信号が射出装置３２（パイロ弁３２ｃ）に送信され、パイロ弁３２ｃからシリンダ３２ａ内にガスが放出され、ピストン３２ｂがシリンダ３２ａに沿って押し出される。かかる動作により、銛３１が射出装置３２から射出され、図５（ａ）に示したように、銛３１がデブリＸに貫入する。このとき、銛３１はストッパー機構３２ｄにより、貫入深さが設定されており、射出装置３２から分離して飛び出すことがないように構成されている。

このとき、ベローズ３９は、デブリＸの表面と銛３１との相対移動により、デブリＸの表面に押し付けられて圧縮される。したがって、ベローズ３９により、銛３１の貫入部の周囲に密閉空間を形成することができ、銛３１の貫入時に生じる破片等の飛散を抑制することができる。また、デブリＸ内にガスが滞留している場合には、流路３１ｂにより宇宙空間に放出される。なお、銛３１の射出時における反力は、緩衝手段３８により吸収される。

銛３１をデブリＸに貫入することにより、デブリ捕獲装置３によってデブリＸを捕獲することができる。次に、デブリＸを減速させる必要がある。そこで、図５（ｂ）に示したように、ロック手段３７のワイヤ３７ｂを切断する。ワイヤ３７ｂを切断するとフック３７ａの拘束が解除されることから、ケーシング３５内に収容されたコイルスプリング３６の付勢力によって、エンドマス２が宇宙空間に向かって押し出される。そして、図５（ｃ）に示したように、エンドマス２は、デブリ捕獲装置３から離隔し、テザー４が宇宙空間に放出され展開される。

次に、デブリ除去装置１の動作について、図６（ａ）〜図７（ｂ）を参照しつつ説明する。ここで、図６は、デブリ除去装置の動作を示す図であり、（ａ）は移動状態、（ｂ）は接近状態、（ｃ）は捕獲状態、を示している。図７は、デブリ除去装置の動作を示す図であり、（ａ）は離脱状態、（ｂ）はテザー放出状態、を示している。

図６（ａ）に示したように、デブリ捕獲装置３は、母機５に搭載された状態で除去対象であるデブリＸの近くまで移動される。デブリＸは、不規則なタンブリング運動をしながら周回軌道上を周回している。母機５は、例えば、デブリＸの周回軌道よりも低い位置に投入され、推進手段５１を使用してデブリＸに接近しつつ遠心力により徐々に周回軌道上に接近する。

母機５がデブリＸの周回軌道上に投入されると、図６（ｂ）に示したように、母機５は、ロボットアーム５３を操作してエンドマス２及びデブリ捕獲装置３を母機５から切り離し、デブリ捕獲装置３を母機５の正面に位置決めする。

捕獲体勢に入った母機５は、ＧＰＳ等を使用して、自己の位置とデブリＸの位置を把握しながら移動する。このとき、ＣＣＤカメラやレーザレーダ等の観測器によりデブリＸを観測し、デブリＸの運動モデルを推定し、銛３１の打ち込み位置を計算するようにしてもよい。そして、図６（ｃ）に示したように、母機５をデブリＸに接近させて、銛３１の打ち込み位置にデブリ捕獲装置３の先端を当接させる。なお、デブリ捕獲装置３の先端をデブリＸの表面に当接させる際は、上述したロボットアーム５３を使用してもよいし、デブリＸの近接距離からデブリ捕獲装置３をエンドマス２から射出して当接させるようにしてもよい。

デブリ捕獲装置３の先端がデブリＸの表面に当接すると、図５（ａ）に示したように、銛３１が射出され、デブリＸが捕獲される。デブリＸを捕獲した後、母機５は、ロボットアーム５３を操作して、図７（ａ）に示したように、デブリ除去装置１（エンドマス２）を切り離して離脱する。母機５は、次の除去対象である別のデブリに向かって移動する。

母機５から切り離されたデブリ除去装置１は、図５（ｂ）及び（ｃ）に示したように、デブリ捕獲装置３からエンドマス２を切り離し、テザー４を宇宙空間に放出して展開する。このとき、エンドマス２が推進手段２１を有する場合には、推進手段２１を利用することにより、テザー４の展開方向や姿勢を制御することができる。

上述したように、除去対象のデブリＸに接近可能に構成されたエンドマス２と、エンドマス２に切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置３と、デブリ捕獲装置３とエンドマス２とを連結するテザー４と、を備えたデブリ除去装置１を用いることにより、デブリ捕獲装置３をデブリＸに接近させる接近工程と、デブリ捕獲装置３がデブリＸの表面に対して斜めに接近し、デブリ捕獲装置３の一部（ガイド部材３３）がデブリＸの表面に当接し、当接点を基準にデブリ捕獲装置３の姿勢を補正する姿勢補正工程と、デブリ捕獲装置３によりデブリＸを捕獲する捕獲工程と、デブリ捕獲装置３からエンドマス２を離隔させてテザー４を宇宙空間に放出するテザー展開工程と、を有するデブリ除去方法を容易に実施することができる。

したがって、本実施形態に係るデブリ除去装置１及びデブリ除去方法によれば、銛３１を遠方より射出するのではなく、デブリ捕獲装置３をデブリＸに接近させてガイド部材３３をデブリＸの表面に当接させることによって、銛３１の射出角度を調整し、デブリＸの表面に近接した位置から適正な射出角度で銛３１を射出するようにしたことから、デブリＸの射出時に必要な運動エネルギーを低減することができ、その反力を低減することができる。

また、近接した位置で射出角度を調整してから銛３１を射出していることから、銛３１が逸れたり、跳弾したり、デブリＸを貫通したりする可能性を低減することができ、デブリＸを正確に捕獲することができる。また、確実に銛３１をデブリＸに貫入させることができることから、銛３１がデブリＸに貫入したか否かを観測するステップや観測手段を省略することもできる。

次に、本発明の他の実施形態に係るデブリ除去装置１について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。ここで、図８は、本発明の第二実施形態に係るデブリ除去装置を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、を示している。図９は、本発明の他の実施形態に係るデブリ除去装置を示す図であり、（ａ）は第三実施形態、（ｂ）は第四実施形態、を示している。図１０は、本発明の第五実施形態に係るデブリ除去装置を示す側面図である。なお、上述した第一実施形態に係るデブリ除去装置１と同じ構成部品については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図８（ａ）及び（ｂ）に示した第二実施形態は、エンドマス２が射出装置３２を支持する支持手段２４を有するものである。支持手段２４は、ヒンジ２４ｃを介して回動可能にエンドマス２に接続されたフレーム２４ａと、射出装置３２を支持するようにフレーム２４ａの先端部を拘束する拘束手段２４ｂと、を有している。

フレーム２４ａは、図８（ｂ）に示したように、例えば、Ａ字形状を有している。一対のフレーム２４ａを対向する位置に配置して、それぞれの脚部をエンドマス２に接続することにより、射出装置３２を挟持することができる。拘束手段２４ｂは、例えば、一対のフレーム２４ａの先端部を射出装置３２（具体的には、シリンダ３２ａ）に当接するように拘束するワイヤと、ワイヤを切断するワイヤカッタと、により構成される。なお、フレーム２４ａの形状や拘束手段２４ｂの構成は、単なる一例であり、図示した形状や構成に限定されるものではない。

射出装置３２とケーシング３５との間には、緩衝手段３８が配置されているだけであり、無重力の宇宙空間ではその位置を保持することができる。しかしながら、地上で取り扱う場合には射出装置３２に重力が作用し、打ち上げ時には射出装置３２に加速度が作用することから、デブリ捕獲装置３の先端部が傾倒しやすい。そこで、上述した支持手段２４を配置することにより、地上での取り扱い時や打ち上げ時であっても、デブリ捕獲装置３の傾倒を抑制することができる。

支持手段２４は、例えば、図６（ｂ）に示した接近状態の段階で、ワイヤを切断して、図８（ａ）において一点鎖線で示したように、フレーム２４ａを退避させる。なお、図示しないが、ヒンジ２４ｃ又は拘束部にフレーム２４ａを退避させる方向に付勢するスプリングを配置するようにしてもよい。また、エンドマス２の表面に形成された突起２５は、図１に示した母機５にエンドマス２を固定するための部品の一例である。例えば、突起２５は、母機５の表面に形成された開口部である固定部５４に挿通され把持手段により拘束される。

図９（ａ）に示した第三実施形態は、デブリ捕獲装置３がデブリＸの表面への接触時に生じる衝撃を緩和する緩衝手段６を有するものである。緩衝手段６は、例えば、エンドマス２のテザー放出口２ａの中間部に配置される。緩衝手段６は、例えば、テザー放出口２ａを前後に二分割した分割体を接続するリンク機構により構成される。ここでは、二本のリンクにより構成される緩衝手段６を図示しているが、リンクの本数は図示した本数に限定されるものではない。また、緩衝手段６は、リンク機構に替えて、スプリングやゴム等の弾性体やベローズ等の部品を利用したものであってもよい。

第三実施形態に係るデブリ除去装置１によれば、例えば、図６（ｂ）に示した接近状態の段階でフレーム２４ａを退避させ、図６（ｃ）に示したように、デブリ捕獲装置３をデブリＸに当接させる際に生じる衝撃を緩衝手段６により吸収することができる。

図９（ｂ）に示した第四実施形態は、エンドマス２がデブリ捕獲装置３を移動させるための推進手段２１′を有するものである。かかる第四実施形態によれば、デブリ除去装置１を母機５に搭載させることなく、単機でデブリＸの除去作業を行うことができる。したがって、除去対象のデブリＸが一つの場合や次の除去対象のデブリＸまでの距離が離れている場合であっても効率よく作業することができる。

かかる第四実施形態では、推進手段２１′を利用してデブリ捕獲装置３をデブリＸに接近させる必要があることから、エンドマス２は、電力源を構成する太陽電池パドル２６を有していることが好ましい。なお、図示しないが、図９（ａ）に示した緩衝手段６をエンドマス２とデブリ捕獲装置３との間に配置するようにしてもよい。

図１０に示した第五実施形態は、図１に示したロボットアーム５３を長く形成し、母機５の中心線Ｌａから外れた位置にデブリ除去装置１を位置決めできるようにしたものである。デブリ除去装置１は、例えば、図示したように、中心線Ｌｂが母機５の中心線Ｌａと平行となるように位置決めされる。かかる第五実施形態によれば、銛３１の打ち込み位置に母機５が接近できない場合であっても、デブリ除去装置１を銛３１の打ち込み位置に適した位置に配置することができる。なお、ロボットアーム５３は、図示した構成に限定されるものではなく、例えば、図２に示した状態と図１０に示した状態との両方に対応できるように、伸縮機構を有していてもよい。

また、かかる第五実施形態では、ロボットアーム５３を屈曲させることにより、ロボットアーム５３を緩衝手段６として使用することもできる。また、図９（ａ）に示した第三実施形態や図９（ｂ）に示した第四実施形態に係るデブリ除去装置１において、緩衝手段６のアームを図１０に示したロボットアーム５３のように長く形成することにより、エンドマス２の中心線から外れた位置にデブリ捕獲装置３を位置決めすることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ デブリ除去装置
２ エンドマス
２ａ テザー放出口
３ デブリ捕獲装置
４ テザー
５ 母機
６ 緩衝手段
２１，２１′ 推進手段
２２ 太陽電池パネル
２３ 把手部
２４ 支持手段
２４ａ フレーム
２４ｂ 拘束手段
２４ｃ ヒンジ
２５ 突起
２６ 太陽電池パドル
３１ 銛
３１ａ 返し部
３１ｂ 流路
３２ 射出装置
３２ａ シリンダ
３２ｂ ピストン
３２ｃ パイロ弁
３２ｄ ストッパー機構
３２ｅ 壁面部
３２ｆ 拡径部
３３ ガイド部材
３３ａ リム部
３３ｂ スポーク部
３４ スイッチ
３５ ケーシング
３６ コイルスプリング
３７ ロック手段
３７ａ フック
３７ｂ ワイヤ
３７ｃ ワイヤカッタ
３８ 緩衝手段
３９ ベローズ
３９ａ 先端部
３９ｂ 後端部
５１ 推進手段
５２ 太陽電池パドル
５３ ロボットアーム
５４ 固定部

Claims (10)

1. 宇宙空間を漂流するデブリを捕獲して軌道上から除去するデブリ除去装置において、
   除去対象のデブリに接近可能に構成されたエンドマスと、
   該エンドマスに切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置と、
   該デブリ捕獲装置と前記エンドマスとを連結するテザーと、を備え、
   前記デブリ捕獲装置は、前記デブリに貫入可能な銛と、該銛を射出する射出装置と、前記デブリの表面に当接可能に配置され前記デブリの表面に対する前記銛の射出角度を調整するガイド部材と、前記射出装置に射出信号を送信するスイッチと、備え、
   前記デブリに前記銛を貫入させた後、前記エンドマスを前記デブリ捕獲装置から切り離して前記テザーを宇宙空間に放出する、
   ことを特徴とするデブリ除去装置。
2. 前記デブリ捕獲装置は、前記銛の射出時又は前記デブリの表面への接触時に生じる衝撃を緩和する緩衝手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
3. 前記ガイド部材は、先端に配置された環状のリム部と、該リム部を支持するスポーク部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
4. 前記デブリ捕獲装置は、前記銛の外周を覆うとともに前記銛の先端よりも前方に開口部が位置するように配置されたデブリ飛散防止手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
5. 前記スイッチは、前記デブリ飛散防止手段の先端に配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載のデブリ除去装置。
6. 前記銛は、前記デブリ内のガスを宇宙空間に放出するための流路を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
7. 前記エンドマスは、前記射出装置を支持する支持手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
8. 前記エンドマスは、推進手段を有する又は推進手段を有する母機に搭載されている、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
9. 前記射出装置は、前記デブリの表面に対する前記銛の貫入深さを設定するストッパー機構を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のデブリ除去装置。
10. 宇宙空間を漂流するデブリを捕獲して軌道上から除去するデブリ除去方法において、
    除去対象のデブリに接近可能に構成されたエンドマスと、該エンドマスに切り離し可能に搭載されたデブリ捕獲装置と、該デブリ捕獲装置と前記エンドマスとを連結するテザーと、を備えたデブリ除去装置を用い、
    前記デブリ捕獲装置を前記デブリに接近させる接近工程と、
    前記デブリ捕獲装置が前記デブリの表面に対して斜めに接近し、前記デブリ捕獲装置の一部が前記デブリの表面に当接し、該当接点を基準に前記デブリ捕獲装置の姿勢を補正する姿勢補正工程と、
    前記デブリ捕獲装置により前記デブリを捕獲する捕獲工程と、
    前記デブリ捕獲装置から前記エンドマスを離隔させて前記テザーを宇宙空間に放出するテザー展開工程と、
    を有することを特徴とするデブリ除去方法。