JP2020189632A - 捕獲システム、宇宙航行体及び板状体 - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙空間における対象物を捕獲する捕獲システムにおいて、低コストでミッションの成功率を高める。【解決手段】宇宙空間における対象物Ｔを捕獲する捕獲システム１は、対象物Ｔに取り付けられ磁力で吸着される板状体１０と、板状体１０を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部２３を有する宇宙航行体２０と、を備える。宇宙航行体２０は、磁力を発生させる磁力発生部２３を有し、宇宙空間における対象物Ｔに取り付けられ磁力で吸着される板状体１０を、磁力発生部２３で発生させた磁力で吸着させることにより、対象物Ｔを捕獲することを可能とする。板状体１０は、宇宙空間における対象物Ｔが宇宙空間に打ち上げられる前に対象物Ｔに取り付けられ、宇宙航行体２０の磁力発生部２３で発生させた磁力で吸着されることにより、宇宙航行体２０が対象物Ｔを捕獲することを可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、捕獲システム、宇宙航行体及び板状体に関する。

現在、地球の周回軌道上には、過去に打ち上げられて任務を終えたり破損したりした人工衛星及びその破片やロケットの上段等の残骸が、スペースデブリ（以下、「デブリ」と称する。）として存在することが知られている。かかるデブリは、任務遂行中の正常な宇宙ステーションや人工衛星に衝突して危害を加える虞があることから、周回軌道から離脱させて焼却したり回収したりする技術が種々提案されている。

例えば、導電性テザー装置をデブリに取り付け、テザーに働く電磁気的な相互作用によってデブリを減速させるために、母機をデブリに接近させ、母機に搭載されたロボットアームによってデブリを捕獲する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、近年においては、テザーを宇宙空間に放出して展開させるために、母機をデブリに接近させ、母機に搭載されたデブリ捕獲装置からデブリに向けてテザー付きの銛を射出し、デブリに銛を貫入させる技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００４−９８９５９号公報 特開２０１６−６８７３０号公報

しかし、特許文献１に記載されたようなロボットアームによる捕獲技術は、ロボットアームが複雑な機構であるため、装置の質量や大きさが増大し、開発・製造や打ち上げコストが非常に高くなる。また、特許文献２に記載されたような銛による捕獲技術も、銛の射出機構が必要となりコストがかかる上に、一度銛の打ち込みに失敗した場合のやり直しができないため、ミッションの成功率が低くなる虞があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、宇宙空間における対象物を捕獲する捕獲システムにおいて、低コストでミッションの成功率を高めることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る捕獲システムは、宇宙空間における対象物を捕獲するものであって、対象物に取り付けられ磁力で吸着される板状体と、板状体を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部を有する宇宙航行体と、を備えるものである。また、本発明に係る宇宙航行体は、磁力を発生させる磁力発生部を有するものであって、宇宙空間における対象物に取り付けられ磁力で吸着される板状体を、磁力発生部で発生させた磁力で吸着させることにより、対象物を捕獲することを可能とするものである。さらに、本発明に係る板状体は、宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に対象物に取り付けられるものであって、宇宙航行体の磁力発生部で発生させた磁力で吸着されることにより、宇宙航行体が対象物を捕獲することを可能とするものである。

かかる構成を採用すると、宇宙空間における対象物に、磁力で吸着される板状体を予め取り付けておき、宇宙航行体の磁力発生部で発生させた磁力によってこの板状体を吸着させることにより、対象物を捕獲することができる。対象物に予め取り付けた板状体は電気的機械的構造を一切持たず、また、宇宙航行体の磁力発生部の機構も比較的簡易なものとなるため、開発・製造コストを格段に低減させることができる。

本発明に係る捕獲システムにおいて、板状部材と、板状部材の表面に設けられた磁性部と、を有する磁力発生部を採用することができる。この際、磁性部を、板状部材の周縁に沿って所定間隔で複数設けることができる。

磁性部としては、永久磁石を採用することができる。このようにすると、比較的低いコストで磁力発生部を構成することができる。また、磁性部として、通電により磁力を発生させる電磁石を採用してもよい。このようにすると、例えば磁力発生部と板状体との吸着状態が不適切であるような場合に、電磁石への通電を停止して一時的に磁力をなくすことにより、不適切な吸着状態を解消することができる。その後、必要に応じて電磁石への通電を再開することにより、磁力発生部と板状体との吸着を再度実現させることができる。

本発明に係る捕獲システムにおいて、本体と、本体に対して突出・引込可能に設けられる棒状部材と、を有する宇宙航行体を採用することができる。かかる場合において、磁力発生部を、棒状部材の先端に取り付けることができる。

かかる構成を採用すると、宇宙航行体の本体に対して突出・引込可能に設けられた棒状部材の先端に磁力発生部が取り付けられているため、対象物を捕獲する際には、宇宙航行体の本体から棒状部材を対象物の板状体へと突出させて、磁力発生部を板状体へと近付けることができる。一方、宇宙航行体が宇宙を航行する際には、棒状部材を本体内に引き込むことができるため、対象物の他の部分（アンテナ、ノズル、太陽電池等の板状体とは異なる部分）と棒状部材とが干渉することを防ぐことができる。また、宇宙航行体に設けられた棒状部材の先端（磁力発生部）で最初に対象物に接触することにより、宇宙航行体全体の荷重が対象物に作用することを防ぐことができる。従って、対象物への影響を最小限に留めることができる。

本発明に係る捕獲システムにおいて、板状体は、磁性材料で構成された部分を有することができる。磁性材料としては、鉄、ニッケル、パーマロイ、鋼等を採用することができる。

本発明によれば、宇宙空間におけるデブリ等の対象物を捕獲する捕獲システムにおいて、低コストでミッションの成功率を高めることが可能となる。

本発明の実施形態に係る捕獲システムの全体構成を説明するための構成図である。 本発明の実施形態に係る捕獲システムを構成する板状体の平面図である。 図２に示す板状体の内部構造を説明するための構造図である。 本発明の実施形態に係る捕獲システムを構成する宇宙航行体の斜視図である。 図４に示す宇宙航行体の棒状部材を本体に引き込んだ状態を示す斜視図である。 図４に示す宇宙航行体の磁力発生部の正面図である。 図４に示す宇宙航行体の磁力発生部の変形例の正面図である。 本発明の他の実施形態に係る板状体の平面図である。 磁性体（（Ａ）は短冊状、（Ｂ）は略正方形状）の内部に発生する反磁場を説明するための説明図である。 磁性体内部の磁路を説明するための説明図である。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

まず、図１〜図７を用いて、本発明の実施形態に係る捕獲システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る捕獲システム１は、宇宙空間における対象物（例えばデブリ）Ｔを捕獲するためのものであって、図１に示すように、対象物Ｔに取り付けられる板状体１０と、板状体１０を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部２３（後述）を有する宇宙航行体２０と、を備えている。

板状体１０は、図２及び図３に示すように、平面視円形状を呈し所定の厚さを有する板状の部材であって、対象物Ｔの所定部位（例えば平坦な部位）に予め取り付けられている。

本実施形態における板状体１０は、図３に示すように、アルミニウムで構成された中央部分１１と、鉄で構成された周辺部分１２と、を有しており、磁性材料である鉄で構成された周辺部分１２が宇宙航行体２０の磁力発生部２１に吸着されるようになっている。なお、鉄に代えて、他の磁性材料（例えば、ニッケル、パーマロイ、鋼等）で周辺部分１２を構成することもできる。また、中央部分１１及び周辺部分１２の双方を鉄等の磁性材料で構成してもよい。板状体１０の面積は、宇宙航行体２０の磁力発生部２３の面積と略同一に（又は磁力発生部２３の面積よりも若干大きく）設定することができる。

板状体１０の中央部分１１には、宇宙航行体２０の接近ナビゲーション用のマーカー１３を設けることができる。マーカー１３は、ある幾何パターンを示すものであり、例えば、３個以上の丸を所定のパターンで複数配置することができる。マーカー１３は、光を反射可能な材料（例えば、ガラスビーズ、鏡等）から形成されており、宇宙航行体２０から照射された光を宇宙航行体２０の方向に反射させるものである。板状体１０の位置及び動きの特定を可能にするために、マーカー１３は、少なくとも３個設けられることが好ましい。なお、吸着時における板状体１０の損傷を防ぐために、板状体１０の表面に特定の加工を施すことができる。

宇宙航行体２０は、ロケットに取り付けられて宇宙空間に打ち上げられた後、ロケットから分離して宇宙空間を自律的に移動できるように構成されており、図４に示すように、略直方体状の本体２１と、本体２１に対して突出・引込可能に設けられる略円筒状の棒状部材２２と、を有している。宇宙航行体２０は、打ち上げられるときや宇宙空間を移動するときは、図５に示すように、棒状部材２２が本体２１内に引き込まれた状態とされる。

宇宙航行体２０の棒状部材２２の先端には、対象物Ｔに取り付けられた板状体１０を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部２３が取り付けられている。磁力発生部２３は、図６に示すように、平面視円形状を呈する板状部材２３ａと、板状部材２３ａの表面に設けられた磁性部２３ｂと、を有している。本実施形態においては、図６に示すように、平面視円形状の永久磁石を磁性部２３ｂとして採用しており、この永久磁石を板状部材２３ａの周縁に沿って所定間隔で複数設けている。磁力発生部２３によって発生させる磁力は、板状体１０を吸着させることができる値（例えば４Ｎ）に設定されている。

宇宙航行体２０は、図６に示すように、板状体１０の中央部分に取り付けられたマーカー１３等を、宇宙航行体２０のカメラ２４等によって認識することで、接近の際のナビゲーションを容易にすることができる。

なお、宇宙航行体２０においては、磁性部２３ｂの一個当たりの面積や、磁性部２３ｂの位置及び個数等を適宜変更することができる。例えば、図６に示すように比較的面積の大きい磁性部２３ｂを設ける代わりに、図７に示すように比較的面積の小さい磁性部２３ｂを多数設けることもできる。

次に、本発明の実施形態に係る捕獲システム１を用いて対象物Ｔを捕獲する方法について説明する。

まず、対象物Ｔに向けて宇宙航行体２０を移動させる。この際、宇宙航行体２０は、カメラ２４による撮像をしながら、対象物Ｔに取り付けられた板状体１０の探索を行う。板状体１０の探索は、投光機から照射された光を板状体１０の表面に取り付けられたマーカー１３の表面で反射させ、その光をカメラ２４によりとらえ、演算部がそれを認識すること等を経て完了する。板状体１０の表面の複数のマーカー１３のパターンを認識することから得られる情報等により、対象物Ｔの相対位置及び相対姿勢を認識することで、宇宙航行体２０は、対象物Ｔに接近するように移動することができる。

次いで、対象物Ｔと宇宙航行体２０との間の距離が所定値以下になった時点で、宇宙航行体２０の棒状部材２２を本体２１から対象物Ｔの板状体１０へと突出させる。そして、宇宙航行体２０の棒状部材２２の先端に取り付けられた磁力発生部２３で発生させた磁力により、対象物Ｔに予め取り付けられた板状体１０を吸着させる。続いて、宇宙航行体２０の棒状部材２２を本体２１側に引き込むことにより、宇宙航行体２０に対して対象物Ｔを近付けて捕獲する。

以上説明した実施形態に係る捕獲システム１においては、宇宙空間における対象物Ｔに、磁力で吸着される板状体１０を予め取り付けておき、宇宙航行体２０の磁力発生部２３で発生させた磁力によって板状体１０を吸着させることにより、対象物Ｔを捕獲することができる。対象物Ｔに予め取り付けた板状体１０は電気的機械的構造を一切持たず、また、宇宙航行体２０の磁力発生部２３の機構も比較的簡易なものとなるため、開発・製造コストを格段に低減させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る捕獲システム１においては、磁性部２３ｂとして永久磁石を採用しているため、比較的低いコストで磁力発生部２３を構成することができる。

また、以上説明した実施形態に係る捕獲システム１においては、宇宙航行体２０の本体２１に対して突出・引込可能に設けられた棒状部材２２の先端に磁力発生部２３が取り付けられているため、対象物Ｔを捕獲する際には、宇宙航行体２０の本体２１から棒状部材２２を対象物Ｔの板状体１０へと突出させて、磁力発生部２３を板状体１０へと近付けることができる。一方、宇宙航行体２０が宇宙を航行する際には、棒状部材２２を本体２１内に引き込むことができるため、対象物Ｔの他の部分（アンテナ、ノズル、太陽電池等の板状体１０とは異なる部分）と棒状部材２２とが干渉することを防ぐことができる。また、宇宙航行体２０に設けられた棒状部材２２の先端（磁力発生部２３）で最初に対象物Ｔに接触することにより、宇宙航行体２０全体の荷重が対象物Ｔに作用することを防ぐことができる。従って、対象物Ｔへの影響を最小限に留めることができる。

なお、本実施形態においては、図３に示すように、平面視円形状を呈する板状体１０を採用し、その円環状の周辺部分１２を磁性材料で構成した例を示したが、板状体１０の形状や磁性材料で構成される部分（磁性体）の形状はこれに限られるものではない。例えば、図８に示すように平面視矩形状の板状体１４（着色されている部分）を磁性材料で構成し、その板状体１４に小型の略正方形状の孔１５を複数開けることにより、(i)外磁場による分極に起因した磁気モーメントの生成を低減しつつ、(ii)捕獲に必要な吸着力を維持すること、を可能とした磁性板状体１０Ａを得ることができる。

対象物Ｔが運用されるとき及び対象物Ｔが宇宙航行体２０によって捕獲されるときの双方において、板状体が対象物Ｔに与える姿勢外乱（対象物Ｔの姿勢に作用する外力）を最小限に抑えることが求められる。磁性材料を含む板状体は、それ自体が着磁して磁気モーメントを有する。その結果、板状体と外磁場との電磁力的な相互作用により、対象物Ｔに残留磁気トルクを発生させ、対象物Ｔの姿勢制御に対して好ましくない外乱力となってしまう。残留磁気トルクは磁性材料が少ないほど低くなるが、対象物Ｔの捕獲を容易にするためには、磁性材料は多いほど良い。図８に示すような形状の磁性板状体１０Ａを採用することによって、この相反する要求を満たすことができる。

以下、図８に示すような形状の磁性板状体１０Ａを採用することにより、上記の相反する要求を満たす（(i)外磁場による分極に起因した磁気モーメントの生成を低減しつつ、(ii)捕獲に必要な吸着力を維持する）ことができる理由について説明する。

図９（Ａ）に示すように外磁場Ｂが短冊状の磁性体に印加された場合、磁性体の端面には磁化（分極磁化）が発生する。この分極磁化により、磁性体内部には反磁場Ｂ´が発生する。磁性体内部では、このＢとＢ´が重畳することによりゼロ磁場になった時点で磁性体の分極が収束し定常状態になる。図９（Ａ）に示すような短冊状の磁性体においては、端面間の距離が長いことからＢ´は弱くなるため、結果として、端面に大きな磁化が誘発されることとなる（つまり反磁場係数が小さい）。これに対し、図９（Ｂ）に示すような略正方形状の磁性体を採用した場合には、端面間の距離が短いため、端面に発生した磁化による磁場Ｂ´が強くなり、分極が進まないうちに磁性体内部がゼロ磁場になることから分極磁化が少なくなる（つまり反磁場係数が大きい）。従って、できるだけ分極磁化を弱くするには、図９（Ｂ）に示すように端面間の距離が短い磁性体を組み合わせる方が効果的である。

一方、磁石による吸着を強めるには、磁性体に対して垂直な方向からの磁石による磁場を、磁性体内部で磁性体に平行な方向に曲げ、さらに磁石側に回流させる磁路を確保する必要がある。図１０に示すように磁性体Ａと磁性体Ａ´が分離していては、磁路の確保ができないためにこれらを結合する必要が出てくる。

上記の相反する要求（(i)外磁場による分極に起因した磁気モーメントの生成を低減しつつ、(ii)捕獲に必要な吸着力を維持すること）を満たすために、図８に示すように、略正方形状の孔１５を千鳥状に配置した（すなわち、孔１５を上下左右に複数個ずつ配置し、左右方向においては孔１５を一直線状に並べる一方、上下方向においては孔１５を一直線状ではなく隣接する孔１５の左右方向における位置をずらした状態で並べた）磁性板状体１０Ａが有効である。このような形状を採用することにより、磁性板状体１０Ａに対して垂直な方向からの磁石による磁路を確保し、かつ、磁性板状体１０Ａの上下左右方向からの外磁場による分極を妨げるように反磁場係数を大きくすることができる。また、（略正方形状の部分ではなく）枠部分１４を磁性材料で構成することにより、磁性板状体１０Ａの板厚を厚くする（例えば０．６ｍｍ程度とする）ことができるため、磁石の吸着力を向上させることが可能になる。

また、本実施形態においては、磁力発生部２３を構成する磁性部２３ｂとして永久磁石を採用した例を示したが、永久磁石に代えて、通電により磁力を発生させる電磁石を採用することもできる。このようにすると、例えば磁力発生部２３と板状体１０との吸着状態が不適切であるような場合に、電磁石への通電を停止して一時的に磁力をなくすことにより、不適切な吸着状態を解消することができる。その後、必要に応じて電磁石への通電を再開することにより、磁力発生部２３と板状体１０との吸着を再度実現させることができる。

また、電磁石と永久磁石と組み合わせることにより、通電により永久磁石の磁力を消去することができる。このようにすると、吸着状態において連続的な電力を要せず、また磁力発生部２３と板状体１０とが不適切な吸着状態となった場合に、短時間の通電により解消することができる。その後、必要に応じて電磁石への通電を再開することにより、磁力発生部２３と板状体１０との吸着を再度実現させることができる。

また、本実施形態においては、対象物Ｔに取り付けられる板状体１０の平面形状を円形状としたが、板状体１０の平面形状は円形状に限られるものではなく、例えば多角形状（三角形状、四角形状、六角形状等）でもよい。宇宙航行体２０の磁力発生部２３の板状部材２３ａの平面形状も円形状に限られるものではなく、例えば多角形状とすることができる。また、宇宙航行体２０の形状も略直方体状に限られるものではなく、例えば略円柱状とすることができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

＜付記＞
条項１
宇宙空間における対象物を捕獲する捕獲システムであって、
前記対象物に取り付けられ磁力で吸着される板状体と、
前記板状体を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部を有する宇宙航行体と、
を備える、捕獲システム。
条項２
前記磁力発生部は、板状部材と、前記板状部材の表面に設けられた磁性部と、を有する、条項１に記載の捕獲システム。
条項３
前記磁性部は、前記板状部材の周縁に沿って所定間隔で複数設けられている、条項２に記載の捕獲システム。
条項４
前記磁性部は、永久磁石である、条項２又は３に記載の捕獲システム。
条項５
前記磁性部は、通電により磁力を発生させる電磁石である、条項２又は３に記載の捕獲システム。
条項６
前記宇宙航行体は、本体と、前記本体に対して突出・引込可能に設けられる棒状部材と、を有し、
前記磁力発生部は、前記棒状部材の先端に取り付けられている、条項１から５の何れか一項に記載の捕獲システム。
条項７
前記板状体は、磁性材料で構成された部分を有する、条項１から６の何れか一項に記載の捕獲システム。
条項８
前記磁性材料は、鉄、ニッケル、パーマロイ又は鋼である、条項７に記載の捕獲システム。
条項９
磁力を発生させる磁力発生部を有する宇宙航行体であって、
宇宙空間における対象物に取り付けられ磁力で吸着される板状体を、前記磁力発生部で発生させた磁力で吸着させることにより、前記対象物を捕獲することを可能とする、宇宙航行体。
条項１０
宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に前記対象物に取り付けられる板状体であって、
宇宙航行体の磁力発生部で発生させた磁力で吸着されることにより、前記宇宙航行体が前記対象物を捕獲することを可能とする、板状体。

１…捕獲システム
１０…板状体
１１…中央部分
１２…周辺部分（磁性材料で構成された部分）
１３…マーカー
２０…宇宙航行体
２１…本体
２２…棒状部材
２３…磁力発生部
２３ａ…板状部材
２３ｂ…磁性部
２４…カメラ
Ｔ…対象物

Claims (15)

1. 宇宙空間における対象物が宇宙空間に打ち上げられる前に前記対象物に取り付けられる板状体であって、
   宇宙航行体の接近ナビゲーション用のマーカーが設けられている、板状体。
2. 前記マーカーは、光を反射可能な材料から形成されており、前記宇宙航行体から照射された光を前記宇宙航行体の方向に反射させるものである、請求項１に記載の板状体。
3. 前記マーカーは、ガラスビーズ又は鏡から形成されている、請求項２に記載の板状体。
4. 前記マーカーは、少なくとも３個設けられている、請求項１から３の何れか一項に記載の板状体。
5. 前記マーカーは、ある幾何パターンを示すものである、請求項１から４の何れか一項に記載の板状体。
6. 前記マーカーは、丸を所定のパターンで複数配置したものである、請求項５に記載の板状体。
7. 磁性材料で構成された部分を有する、請求項１から６の何れか一項に記載の板状体。
8. 周辺部分と中央部分とを有し、
   前記周辺部分は、前記磁性材料で構成された部分であり、
   前記中央部分には、前記マーカーが設けられている、請求項７に記載の板状体。
9. 前記磁性材料は、鉄、ニッケル、パーマロイ又は鋼である、請求項７又は８に記載の板状体。
10. 宇宙空間における対象物を捕獲する捕獲システムであって、
    請求項７から９の何れか一項に記載の板状体と、
    前記板状体を吸着させる磁力を発生させる磁力発生部を有する宇宙航行体と、
    を備える、捕獲システム。
11. 前記磁力発生部は、板状部材と、前記板状部材の表面に設けられた磁性部と、を有する、請求項１０に記載の捕獲システム。
12. 前記磁性部は、永久磁石である、請求項１１に記載の捕獲システム。
13. 前記磁性部は、通電により磁力を発生させる電磁石である、請求項１１に記載の捕獲システム。
14. 前記宇宙航行体は、本体と、前記本体に対して突出・引込可能に設けられる棒状部材と、を有し、
    前記磁力発生部は、前記棒状部材の先端に取り付けられている、請求項１０から１３の何れか一項に記載の捕獲システム。
15. 磁力を発生させる磁力発生部を有する宇宙航行体であって、
    請求項７から９の何れか一項に記載の板状体を、前記磁力発生部で発生させた磁力で吸着させることにより、前記対象物を捕獲することを可能とする、宇宙航行体。