JP2021126908A - Space debris removal apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スペースデブリ除去装置に関する。 The present invention relates to a space debris removing device.
人工衛星打ち上げ時の使用済みロケットなどの宇宙ゴミ(スペースデブリ)は増加の一途をたどっており、現在軌道上に存在しているスペースデブリは1mm以上のもので1億を超えると予想されている。このようなスペースデブリ同士が衝突すれば新たに数百、数千のより小さなスペースデブリが発生し、指数関数的にスペースデブリが自己増殖する。そのため、スペースデブリを除去するための早急な対策が求められている。 Space debris (space debris) such as used rockets at the time of launching an artificial satellite is steadily increasing, and the space debris currently existing in orbit is expected to exceed 100 million with 1 mm or more. .. When such space debris collide with each other, hundreds or thousands of new smaller space debris are generated, and the space debris grows exponentially. Therefore, urgent measures are required to remove space debris.
特許文献1には、スペースデブリ除去装置が開示されている。このスペースデブリ除去装置は、円形又は多角形からなる膜部材あるいはガス圧封入可能なバルーンないしはエアーマット状の構造物からなる抗力増大装置を有する。このスペースデブリ除去装置は、スペースデブリに取り付けられ、抗力増大装置により微量の大気および太陽光輻射圧を受けて、スペースデブリの軌道を変更する。このようにしてスペースデブリを保護すべき重要な衛星軌道から離脱させる。 Patent Document 1 discloses a space debris removing device. This space debris removing device includes a drag force increasing device made of a circular or polygonal membrane member or a gas pressure-fillable balloon or air mat-like structure. This space debris removing device is attached to the space debris and receives a small amount of atmospheric and solar radiation pressure by the drag increasing device to change the trajectory of the space debris. In this way, space debris is separated from the important satellite orbits that should be protected.
しかしながら、軌道高度が高くなるにつれて大気密度が著しく低下するため、特許文献1のスペースデブリ除去装置では軌道高度が高くなるにつれて大気から得られる抗力が低下する。大気密度は、例えば高度400km〜600kmに比べて高度1000km付近で1/50〜1/100程度まで低下することが確認されている。従って、特許文献1のスペースデブリ除去装置では、そのような大気密度が十分でない軌道高度の領域では、十分な実行能力が得られないおそれがある。 However, since the atmospheric density decreases remarkably as the orbital altitude increases, the drag force obtained from the atmosphere decreases as the orbital altitude increases in the space debris removing device of Patent Document 1. It has been confirmed that the atmospheric density decreases to about 1/50 to 1/100 at an altitude of about 1000 km as compared with, for example, an altitude of 400 km to 600 km. Therefore, the space debris removing device of Patent Document 1 may not be able to obtain sufficient execution ability in the region of orbital altitude where the atmospheric density is not sufficient.
上記のような大気密度が十分でない軌道高度の領域では、電気的に中性な気体と、その一部が太陽紫外線によって電離した電離気体(イオンおよび電子)から構成される。従って、大気密度の変化を詳細に確認すると、中性大気の密度は上記の通り高度が高くになるにつれて著しく低下するが、イオン密度の減少はこれよりも少ないものとなっている。換言すれば、大気密度が十分でない軌道高度の領域では、中性大気からの抗力を受けるよりもイオンによる抗力を受けることが有効である可能性がある。そのためには、例えば、特許文献1の膜部材を帯電させて膜面周辺にシース(電位勾配を有する電気的に中性でない空間電荷層)を形成し、収集されたイオンがシース内で静電加速された結果、イオンからの抗力を増大させることができると考えられる。 In the above-mentioned region of orbital altitude where the atmospheric density is not sufficient, it is composed of an electrically neutral gas and an ionized gas (ion and electron) partly ionized by solar ultraviolet rays. Therefore, when the change in atmospheric density is confirmed in detail, the density of the neutral atmosphere decreases remarkably as the altitude increases as described above, but the decrease in ion density is less than this. In other words, in regions of orbital altitude where the atmospheric density is not sufficient, it may be more effective to receive drag from ions than to receive drag from the neutral atmosphere. For that purpose, for example, the membrane member of Patent Document 1 is charged to form a sheath (an electrically non-neutral space charge layer having a potential gradient) around the membrane surface, and the collected ions are electrostatically charged in the sheath. As a result of the acceleration, it is considered that the resistance force from the ion can be increased.
しかし、特許文献1の膜部材を帯電させる方法においても、膜部材に対する印加電圧の絶対値が増大すると、抗力を増大させることができないおそれがある。具体的には、膜部材に対する印加電圧の絶対値が増大すると、膜部材の周囲にシース(電位勾配を有する電気的に中性でない空間電荷層)が等方的に形成され、膜面の軌道運動速度相当で流れるイオンの流れ場において、上流側および下流側に向く膜部材の両面でイオン収集が発生し得る。即ち、イオンが膜部材の下流側面へと回り込むおそれがある。その結果、イオンと膜面との運動量交換が上流側面と下流側面で相殺してしまい、膜面の進行方向にイオンから十分な抗力を得られず、抗力を増大させることが現実的に困難となるおそれがある。 However, even in the method of charging the membrane member of Patent Document 1, if the absolute value of the voltage applied to the membrane member increases, the drag force may not be increased. Specifically, when the absolute value of the applied voltage to the membrane member increases, a sheath (an electrically non-neutral space charge layer having a potential gradient) is formed isotropically around the membrane member, and the orbit of the membrane surface. In the flow field of ions flowing at the equivalent of the motion velocity, ion collection can occur on both sides of the membrane member facing the upstream side and the downstream side. That is, there is a possibility that the ions wrap around to the downstream side surface of the membrane member. As a result, the momentum exchange between the ions and the membrane surface cancels out on the upstream side surface and the downstream side surface, and sufficient drag cannot be obtained from the ions in the traveling direction of the membrane surface, making it practically difficult to increase the drag. There is a risk of becoming.
本発明は、帯電型の膜部材を有するスペースデブリ除去装置において、抗力を増大させることを課題とする。 An object of the present invention is to increase drag in a space debris removing device having a charged film member.
本発明の第1の態様は、
地球を周回するスペースデブリに取り付けられ、前記スペースデブリの周回速度を低下させることにより前記スペースデブリの軌道を変更するスペースデブリ除去装置であって、
前記スペースデブリと対向する第1の面および前記第1の面と反対面の第2の面を有し、前記第1の面および前記第2の面を異なる電位に帯電可能な構造を有する膜部材と、
前記膜部材と電気的に接続され、前記第1の面が前記第2の面よりも所定の電位差だけ低くなる負電位になるように前記膜部材を帯電させる帯電装置と、
前記膜部材を前記スペースデブリに取り付ける取付装置と
を備える、スペースデブリ除去装置を提供する。
The first aspect of the present invention is
A space debris removal device that is attached to space debris that orbits the earth and changes the orbit of the space debris by reducing the orbital speed of the space debris.
A film having a first surface facing the space debris and a second surface opposite to the first surface, and having a structure capable of charging the first surface and the second surface to different potentials. Members and
A charging device that is electrically connected to the membrane member and charges the membrane member so that the first surface has a negative potential that is lower than that of the second surface by a predetermined potential difference.
Provided is a space debris removing device including an attachment device for attaching the film member to the space debris.
この構成によれば、膜部材の第1の面と第2の面に対して電位差を設けているため、シースが膜部材の周囲に等方的に形成されることを抑制できる。このとき、スペースデブリと対向する第1の面はイオン流の上流側の面(受圧側の面)となり、第2の面はイオン流の下流側の面となっている。従って、イオン流の上流側の第1の面におけるシースが拡大し、第1の面において正イオン(以下、単にイオンともいう。)を効率的に収集できるとともに、第2の面におけるシースが縮小し、イオンの第2の面への回り込みが抑制される。これにより、イオンの膜部材に対する運動量交換がイオン流の上流側(第1の面側)と下流側(第2の面側)で相殺することを抑制でき、イオンから十分な抗力を得ることができる。また、上記構成では、スペースデブリ除去装置に帯電装置が搭載されているため、外部から給電される必要なくスペースデブリ除去装置単体で上記のような抗力増大機能を達成できる。ここで、帯電装置は、例えば、単に電源であってもよいし、イオン源であってもよい。 According to this configuration, since the potential difference is provided between the first surface and the second surface of the film member, it is possible to prevent the sheath from being isotropically formed around the film member. At this time, the first surface facing the space debris is the surface on the upstream side of the ion flow (the surface on the pressure receiving side), and the second surface is the surface on the downstream side of the ion flow. Therefore, the sheath on the first surface on the upstream side of the ion flow expands, positive ions (hereinafter, also simply referred to as ions) can be efficiently collected on the first surface, and the sheath on the second surface shrinks. However, the wraparound of ions to the second surface is suppressed. As a result, it is possible to suppress the momentum exchange of ions with respect to the membrane member from canceling each other on the upstream side (first surface side) and the downstream side (second surface side) of the ion flow, and it is possible to obtain sufficient drag from the ions. can. Further, in the above configuration, since the charging device is mounted on the space debris removing device, the above-mentioned drag force increasing function can be achieved by the space debris removing device alone without the need to supply power from the outside. Here, the charging device may be, for example, simply a power source or an ion source.
本発明の第2の態様は、
地球を周回するスペースデブリに取り付けられ、前記スペースデブリの周回速度を低下させることにより前記スペースデブリの軌道を変更するスペースデブリ除去装置であって、
前記スペースデブリと対向する第1の面および前記第1の面と反対面の第2の面を有し、給電を受けて前記第1の面が前記第2の面よりも所定の電位差だけ低くなる負電位になるように帯電される膜部材と、
前記膜部材を前記スペースデブリに取り付ける取付装置と
を備える、スペースデブリ除去装置を提供する。
A second aspect of the present invention is
A space debris removal device that is attached to space debris that orbits the earth and changes the orbit of the space debris by reducing the orbital speed of the space debris.
It has a first surface facing the space debris and a second surface opposite to the first surface, and when power is supplied, the first surface is lower than the second surface by a predetermined potential difference. A film member that is charged so as to have a negative potential,
Provided is a space debris removing device including an attachment device for attaching the film member to the space debris.
この構成によれば、膜部材の第1の面と第2の面に対して電位差を設けているため、シースが膜部材の周囲に等方的に形成されることを抑制できる。このとき、スペースデブリと対向する第1の面はイオン流の上流側の面(受圧側の面)となり、第2の面はイオン流の下流側の面となっている。従って、イオン流の上流側の第1の面におけるシースが拡大し、第1の面において正イオン(以下、単にイオンともいう。)を効率的に収集できるとともに、第2の面におけるシースが縮小し、イオンの第2の面への回り込みが抑制される。これにより、イオンの膜部材に対する運動量交換がイオン流の上流側(第1の面側)と下流側(第2の面側)で相殺することを抑制でき、イオンから十分な抗力を得ることができる。また、上記構成では、スペースデブリ除去装置に帯電装置が搭載されていないため、上記第1の態様と比べて部品点数を削減できる。 According to this configuration, since the potential difference is provided between the first surface and the second surface of the film member, it is possible to prevent the sheath from being isotropically formed around the film member. At this time, the first surface facing the space debris is the surface on the upstream side of the ion flow (the surface on the pressure receiving side), and the second surface is the surface on the downstream side of the ion flow. Therefore, the sheath on the first surface on the upstream side of the ion flow expands, positive ions (hereinafter, also simply referred to as ions) can be efficiently collected on the first surface, and the sheath on the second surface shrinks. However, the wraparound of ions to the second surface is suppressed. As a result, it is possible to suppress the momentum exchange of ions with respect to the membrane member from canceling each other on the upstream side (first surface side) and the downstream side (second surface side) of the ion flow, and it is possible to obtain sufficient drag from the ions. can. Further, in the above configuration, since the space debris removing device is not equipped with the charging device, the number of parts can be reduced as compared with the first aspect.
前記膜部材および前記取付装置と機械的に接続され、推進機能を有する衛星本体をさらに備え、
前記取付装置は、所定の長さを有し、前記スペースデブリを捕獲するための捕獲機構を含んでもよい。
A satellite body mechanically connected to the membrane member and the mounting device and having a propulsion function is further provided.
The attachment device has a predetermined length and may include a capture mechanism for capturing the space debris.
この構成によれば、既に宇宙空間に存在するスペースデブリを積極的に除去できる。スペースデブリの除去には2種類の手法があるとされる。第1の手法が運用を終了した衛星やロケットの軌道からの自力離脱であるPMD(Post Mission Disposal)である。第2の手法が既に地球周回軌道上に存在するスペースデブリを取り除くADR(Active Debris Removal)である。前者のPMDは、衛星やロケットの打ち上げ前に上記スペースデブリ除去装置を予め搭載しておく必要があり、それらの運用の終了とともに上記スペースデブリ除去装置を展開する。しかし、後者のADRは、衛星やロケットの打ち上げ前に上記スペースデブリ除去装置を予め搭載しておく必要がなく、それらの運用の終了とともにスペースデブリとなった衛星やロケットの残骸を積極的に捕獲して除去することができる。ここで、上記の所定の長さとは、十分なイオン収集能力を発揮できる程度の長さであり、スペースデブリの大きさに応じて異なる。大型のスペースデブリ後方では、スペースデブリに近いほどスペースデブリの軌道速度に対して熱速度が相対的に遅いイオンの割合が低下する空間(イオンウェイク)が生じる。このイオンウェイクの領域に膜部材が位置すると、膜部材のイオン収集能力が低下する。従って、イオンウェイクの領域に膜部材が位置することを回避するために、膜部材をスペースデブリから一定以上離す必要がある。よって、取付装置には所定の長さが必要となる。例えば、ロケット上段部は直径約2m〜4m程度、高度700−1000kmの軌道速度が約7.5km/s、イオンのうち大きな運動量を持つ酸素イオンの熱速度が約1.1km/s程度であるため、上記所定の長さとしては最低でも10〜20m、好ましくは30m程度が想定される。 According to this configuration, space debris that already exists in outer space can be positively removed. It is said that there are two types of methods for removing space debris. The first method is PMD (Post Mission Disposal), which is a self-removal of satellites and rockets that have been discontinued from their orbits. The second method is ADR (Active Debris Removal), which removes space debris that already exists in the orbit around the earth. The former PMD needs to be equipped with the space debris removing device in advance before launching a satellite or a rocket, and the space debris removing device is deployed when the operation of the space debris removing device is completed. However, the latter ADR does not need to be equipped with the above space debris removal device in advance before launching the satellite or rocket, and actively captures the debris of the satellite or rocket that became space debris at the end of their operation. Can be removed. Here, the above-mentioned predetermined length is a length capable of exerting a sufficient ion collecting ability, and differs depending on the size of space debris. Behind the large space debris, a space (ion wake) is created in which the closer to the space debris, the lower the proportion of ions whose thermal velocity is relatively slow with respect to the orbital speed of the space debris. When the membrane member is located in this ion wake region, the ion collecting ability of the membrane member is reduced. Therefore, in order to avoid the film member from being located in the ion wake region, it is necessary to separate the film member from the space debris by a certain amount or more. Therefore, the mounting device needs to have a predetermined length. For example, the upper part of the rocket has a diameter of about 2 m to 4 m, an orbital velocity of about 700-1000 km at an altitude of about 7.5 km / s, and a thermal velocity of oxygen ions having a large momentum among the ions is about 1.1 km / s. Therefore, the predetermined length is assumed to be at least 10 to 20 m, preferably about 30 m.
前記膜部材は、
前記第1の面を構成する導電性材料からなる第1導体と、
前記第2の面を構成する導電性材料からなる第2導体と、
前記第1導体と前記第2導体との間に配置される導電性材料からなる第3導体と、
前記第1導体と前記第3導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第1不導体と、
前記第2導体と前記第3導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第2不導体と
を備えてもよい。
The membrane member is
A first conductor made of a conductive material constituting the first surface and
A second conductor made of a conductive material constituting the second surface, and
A third conductor made of a conductive material arranged between the first conductor and the second conductor,
A first non-conductor made of an insulator material or a dielectric material arranged between the first conductor and the third conductor,
A second non-conductor made of an insulator material or a dielectric material arranged between the second conductor and the third conductor may be provided.
この構成によれば、膜部材が5層構造によって構成され、具体的に第1の面および第2の面に対して所定の電位差を設けることができる。特に中央に第3導体が配置されることで、第1導体および第2導体に対して第3導体からの電位差をそれぞれ正確に与えることができる。 According to this configuration, the film member is composed of a five-layer structure, and a predetermined potential difference can be specifically provided with respect to the first surface and the second surface. In particular, by arranging the third conductor in the center, the potential difference from the third conductor can be accurately given to the first conductor and the second conductor, respectively.
前記膜部材は、
前記第1の面を構成する導電性材料からなる第1導体と、
前記第2の面を構成する導電性材料からなる第2導体と、
前記第1導体と前記第2導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体と
を備えてもよい。
The membrane member is
A first conductor made of a conductive material constituting the first surface and
A second conductor made of a conductive material constituting the second surface, and
A non-conductor made of an insulator material or a dielectric material arranged between the first conductor and the second conductor may be provided.
この構成によれば、膜部材が3層構造によって構成され、具体的に第1の面および第2の面に対して所定の電位差を設けることができる。一般に、膜部材は宇宙空間で展開されるまでは折り畳まれた状態で収納されることが想定される。従って、膜部材が多層になるほど部材や電気的な結線や配線が増え、収納が困難となり、結線や配線の不具合などを防止するための取り扱いが困難となるおそれがある。そのため、膜部材を3層に構成することで、構造を単純化し、取り扱いを容易にすることができる。 According to this configuration, the film member is composed of a three-layer structure, and a predetermined potential difference can be specifically provided with respect to the first surface and the second surface. Generally, it is assumed that the membrane member is stored in a folded state until it is deployed in outer space. Therefore, as the number of film members increases, the number of members and electrical connections and wiring increases, which makes it difficult to store the film members and may make it difficult to handle them in order to prevent problems with the connections and wiring. Therefore, by forming the film member into three layers, the structure can be simplified and the handling can be facilitated.
前記所定の電位差は、10V〜1000Vであってもよい。ただし、前記第1の面の電位は−10V以下に(負側に大きく)設定されることが望ましい。 The predetermined potential difference may be 10V to 1000V. However, it is desirable that the potential of the first surface is set to −10 V or less (larger on the negative side).
この構成によれば、シースが膜部材の周囲に等方的に形成されることを抑制できるとともに、第1の面においてイオンを効率的に収集できるシースを形成できる。また、シース内でイオンを十分静電加速し増速することができる。換言すれば、10V未満の電位差では第1の面においてイオンを効率的に収集できる大きさのシースを形成できず、また、第1の面の電位が−10Vより大きく(負側に小さく)設定された場合は、シース内でイオンは静電加速するが増速は十分とは言えない。1000V以上の電位差では膜面に流入する電子もしくはイオン電流による電力消費が大となり、本システムが消費電力の観点から非効率となるおそれがある。 According to this configuration, it is possible to prevent the sheath from being formed isotropically around the membrane member, and it is possible to form a sheath capable of efficiently collecting ions on the first surface. In addition, the ions can be sufficiently electrostatically accelerated and accelerated in the sheath. In other words, with a potential difference of less than 10V, it is not possible to form a sheath large enough to efficiently collect ions on the first surface, and the potential on the first surface is set to be greater than -10V (smaller on the negative side). If so, the ions are electrostatically accelerated in the sheath, but the acceleration is not sufficient. If the potential difference is 1000 V or more, the power consumption due to the electron or ion current flowing into the film surface becomes large, and this system may become inefficient from the viewpoint of power consumption.
本発明によれば、帯電型の膜部材を有するスペースデブリ除去装置において、膜部材を複数電位に帯電させるため、抗力を増大させることができる。 According to the present invention, in a space debris removing device having a charged type film member, the film member is charged to a plurality of potentials, so that the drag force can be increased.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るスペースデブリ除去装置1の概略構成図である。本実施形態のスペースデブリ除去装置1は、地球を周回するスペースデブリ2に取り付けられ、スペースデブリ2の周回速度を低下させることによりスペースデブリ2の軌道を変更する。これにより、スペースデブリ2を地上へと落下させるなどして人工衛星等に使用される重要な軌道を保護する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the space debris removing device 1 according to the first embodiment of the present invention. The space debris removing device 1 of the present embodiment is attached to the
図1では、スペースデブリ2の進行方向が矢印A1で示されている。スペースデブリ除去装置1から見れば、矢印A1とは反対方向にイオン流が相対的に流れている。また、破線円で示されるスペースデブリ除去装置1の一部が拡大して示されている。
In FIG. 1, the traveling direction of the
本実施形態のスペースデブリ除去装置1は、衛星本体10と、膜部材20と、帯電装置30と、取付装置40とを備える。
The space debris removing device 1 of the present embodiment includes a satellite
衛星本体10は、膜部材20および取付装置40と機械的に接続され、推進機能を有している。詳細を図示しないが、推進機能は、イオンエンジンなどの公知の機構によって達成され得る。
The
膜部材20は、スペースデブリ2に向かって凸形状を有する概ね半球殻状ないし傘状である。膜部材20は、後述するようにイオン流から抗力を受けてスペースデブリ2の周回速度を低下させる。
The
図2は、膜部材20の一部の断面図である。膜部材20は、以下のように複数電位に帯電可能な構造を有している。膜部材20は、スペースデブリ2と対向する第1の面21aおよび第1の面21aと反対面の第2の面22aを有している。第1の面21aおよび第2の面22aは、互いに異なる電位に帯電可能な構造となっている。具体的には、膜部材20は、第1の面21aを構成する導電性材料からなる第1導体21と、第2の面22aを構成する導電性材料からなる第2導体22と、第1導体21と第2導体22との間に配置される導電性材料からなる第3導体23とを備える。また、膜部材20は、第1導体21と第3導体23との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第1不導体24と、第2導体22と第3導体23との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第2不導体25とを備える。本実施形態では、第1不導体24および第2不導体25は、ともにポリイミドからなる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of the
帯電装置30は、電源31を含む。電源31は、膜部材20と電気的に接続されている。詳細には、電源31の負極が第1導体21に電気的に接続され、電源31の正極が第2導体22に電気的に接続されている。第3導体23は接地部10に接続されているが、これは第3導体23が衛星本体10に電気的に接続されていることを示す。従って、ここでは、接地部10と衛星本体10とを同じ参照符号で示している。宇宙空間では、衛星本体10の電位は必ずしもゼロではなく、衛星本体10の周囲環境によって衛星本体10の電位は変動する。従って、接地部10の電位は、衛星本体10が存在する位置におけるいわゆる宇宙機電位を示す。本実施形態では、帯電装置30によって、第1の面21aが第2の面22aよりも所定の電位差だけ低くなる負電位に帯電される。ここでの宇宙機電位は、宇宙空間における宇宙機(衛星本体10)の基準電位と考える。
The charging
代替的には、電源31は、イオン源に置換されてもよい。イオン源は、宇宙空間に正および/または負のイオンを放出することにより、自身の基準電位をはじめの状態から放出イオンの電荷と逆電位に変動させることができる。この原理により、イオン源の基準電位に接続された膜部材20を前述のように複数電位に帯電させることができる。この場合、電源31と置換されたイオン源の少なくともひとつは接地部10と電気的に浮動である必要がある。ここでは、上記のようなイオン源による膜部材20への帯電態様も電気的な接続に含む。また、イオン源を使用する場合、イオンを放出する反作用力を、スペースデブリ2に接近するための推進力またはスペースデブリ2を減速させるための抗力として活用することもできる。
Alternatively, the
第1導体21(第1の面21a)と第2導体22(第2の面22a)との間の上記所定の電位差は、好ましくは、10V〜1000Vと設定され、より好ましくは、100V〜1000Vと設定される。また、好ましくは、第1導体21(第1の面21a)の電位は−10V以下と(負側に大きく)設定され、より好ましくは−100V以下と(負側に大きく)設定される。なお、ここでの−10V以下または−100V以下の電位は、上記宇宙機電位を基準とする電位である。当該電位差および電位によれば、シースが膜部材20の周囲に等方的に形成されることを抑制できるとともに、第1の面21aにおいてイオンを効率的に収集できるシースを形成できる。また、シース内でイオンを十分静電加速し増速することができる。換言すれば、10V未満の電位差では第1の面21aにおいてイオンを効率的に収集できる大きさのシースを形成できず、また、第1の面の電位が−10Vより大きく(負側に小さく)設定された場合は、シース内でイオンは静電加速するが増速は十分とは言えない。1000V以上の電位差では膜面に流入する電子もしくはイオン電流による電力消費が大となり、本システムが消費電力の観点から非効率となるおそれがある。
The predetermined potential difference between the first conductor 21 (
図1を参照して、取付装置40は、所定の長さを有し、スペースデブリ2を捕獲するための捕獲機構41を有する。
With reference to FIG. 1, the
捕獲機構41は、スペースデブリ2に打ち込まれる銛41aと、スペースデブリ2に打ち込むために銛41aを射出する射出装置41bと、銛41aおよび射出装置41bを繋ぐテザー41cとを含む。このような捕獲機構41は、ADR(Active Debris Removal)に特有である。
The
上記構成を有するスペースデブリ除去装置1は、衛星本体10の推進機能によってスペースデブリ2に接近し、射出装置41bからテザー41cの付いた銛41aを射出し、スペースデブリ2に銛41aを打ち込んで捕獲する。次いで、膜部材20を展開し、スペースデブリ2の周回速度を低下させることによりスペースデブリ2の軌道を変更する。従って、本実施形態のスペースデブリ除去装置1は、ADR対応のものといえる。
The space debris removing device 1 having the above configuration approaches the
大型のスペースデブリ2の後方では、スペースデブリ2に近いほどスペースデブリの軌道速度に対し熱速度が相対的に遅いイオンの割合が低下する空間(イオンウェイク)が生じる。このイオンウェイクの領域に膜部材20が位置すると、膜部材20のイオン収集能力が低下するおそれがある。従って、イオンウェイクの領域に膜部材20が位置することを回避するためにテザー41cには所定の長さが必要となる。例えば、スペースデブリ2として、運用を終了したロケットの上段部が想定される。その場合、ロケット上段部は直径約2m〜4m程度、高度700−1000kmの軌道速度が約7.5km/s、イオンのうち大きな運動量を持つ酸素イオンの熱速度が約1.1km/s程度であるため、上記所定の長さとしては最低でも10〜20m、好ましくは30m程度が想定される。
Behind the
本実施形態では、捕獲機構41が銛41aを含む例を示しているが、捕獲機構41の捕獲態様は銛41aを使用するものに限定されない。代替的には、ロボットアームなどのその他の態様の捕獲器具を使用してもよい。
In the present embodiment, an example in which the
図3,4を比較参照して、単電位型の膜部材200と、複数電位型の膜部材20との差を説明する。なお、説明を簡単にするため、膜部材20の形状は平板状としている。
The difference between the single-potential
図3は、本実施形態とは異なる単電位型の膜部材200を使用した場合のシースSmの形状を示している。図4は、本実施形態と同じ複数電位型の膜部材20を使用した場合のシースSmの形状を示している。図3,4のシースSmは、イオンを収集する領域を示している。
FIG. 3 shows the shape of the sheath Sm when a single-potential
まず、図3を参照して、単電位型の膜部材200では、シースSmが膜部材200の周囲に等方的(概ね球体状)に形成されている。このような等方的なシースSmでは、スペースデブリ2と対向する第1の面210だけでなく、第1の面210と反対面の第2の面220においてもイオンが収集される。結果として、イオン流A2の回り込みが発生し、イオンの運動量交換がイオン流A2の上流側(第1の面21a側)と下流側(第2の面22a側)で相殺し、イオンから十分な抗力を得ることができないおそれがある。
First, with reference to FIG. 3, in the single-potential
次に、図4を参照して、複数電位型の膜部材20では、第1の面21a側にのみイオン収集に実効的に寄与するシースSm(この場合はイオンシース)が形成されている。換言すれば、第2の面22aにおけるシースは、第2の面22aの電位が空間電位と同等となる場合は、図3の状態から大きく縮小してイオン収集に実効的に寄与しない。そのため、イオンの運動量交換がイオン流A2の上流側(第1の面21a側)と下流側(第2の面22a側)で相殺することを抑制でき、第1の面21aにおいてのみイオンを収集し、第1の面21aにおいてのみ抗力を受けることができる。なお、図4では、破線にて第2の面22aの正の電位に基づく領域Sp(この場合は電子シース)も示されている。当該領域Spでは、イオンの収集が抑制され、即ちイオン流A2の回り込みが抑制される。
Next, referring to FIG. 4, in the multi-potential
本実施形態のスペースデブリ除去装置1によれば、膜部材20の第1の面21aと第2の面22aに対して電位差を設けているため、シースが膜部材20の周囲に等方的に形成されることを抑制できる。このとき、スペースデブリ2と対向する第1の面21aはイオン流の上流側の面(受圧側の面)となり、第2の面22aはイオン流の下流側の面となっている。従って、イオン流の上流側の第1の面21aにおけるシースが拡大し、第1の面においてイオンを効率的に収集できるとともに、第2の面22aにおけるシースが縮小し、イオンの第2の面22aへの回り込みが抑制される。また、第1の面21aにおけるシース内ではイオンが静電加速により大きく増速し抗力増大に寄与する(図4におけるイオン流A2参照)。なお、本実施形態では第2の面22aにおいてシースSmが縮小するだけなく、正の電位に基づく領域Spが形成されている。これにより、イオンの膜部材20に対する運動量交換がイオン流の上流側(第1の面21a側)と下流側(第2の面22a側)で相殺することを抑制でき、イオンから十分な抗力を得ることができる。また、上記構成では、スペースデブリ除去装置1に帯電装置30が搭載されているため、外部から給電される必要なくスペースデブリ除去装置1単体で上記のような抗力増大機能を達成できる。
According to the space debris removing device 1 of the present embodiment, since the potential difference is provided between the
また、膜部材20が5層構造によって構成されているので、具体的に第1の面21aおよび第2の面22aに対して所定の電位差を設けることができる。特に中央に第3導体23が配置されることで、第1導体21および第2導体22に対して第3導体23からの電位差をそれぞれ正確に与えることができる。
Further, since the
本実施形態のスペースデブリ除去装置1には、様々な変形例が考えられる。 Various modifications can be considered for the space debris removing device 1 of the present embodiment.
例えば、帯電装置30および衛星本体10は、スペースデブリ除去装置1に必須の構成ではない。即ち、膜部材20および取付装置40のみをパッケージ化してスペースデブリ除去装置1としてもよく、衛星本体10および帯電装置30は外部装置としてもよい。このようにして、既存の衛星にパッケージ化したスペースデブリ除去装置1を追加的に搭載することもできる。
For example, the charging
図5は、図2の変形例における膜部材20の一部の断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a part of the
図5に示す変形例において、膜部材20は、上記実施形態と同様に、スペースデブリ2と対向する第1の面26aおよび第1の面26aと反対面の第2の面27aを有している。第1の面26aおよび第2の面27aは、互いに異なる電位に帯電可能な構造となっている。具体的には、膜部材20は、第1の面26aを構成する導電性材料からなる第1導体26と、第2の面27aを構成する導電性材料からなる第2導体27と、第1導体26と第2導体27との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体28とを備える。本変形例では、不導体28は、ポリイミドからなる。
In the modified example shown in FIG. 5, the
帯電装置30においては、電源31の負極が第1導体26に電気的に接続され、電源31の正極が第2導体27に電気的に接続されている。図5では、第1導体26および第2導体27は、ともに接地部(衛星本体)10に電気的に接続されていないが、図6に示す別の変形例のように第2導体27を接地部(衛星本体)10に電気的に接続してもよい。いずれの場合でも、帯電装置30により、第1の面26aが第2の面27aよりも所定の電位差だけ低くなる負電位に帯電可能である。これにより、膜部材20が上記実施形態と同様に複数電位に帯電される。
In the charging
図7は、図1の膜部材20の変形例を示すスペースデブリ除去装置1の概略構成図である。図7では、図1と同様にスペースデブリ2の進行方向が矢印A1で示されている。スペースデブリ除去装置1から見れば、矢印A1とは反対方向にイオン流が相対的に流れている。また、破線円で示されるスペースデブリ除去装置1の一部が拡大して示されている。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the space debris removing device 1 showing a modified example of the
図7に示す変形例において、膜部材20は、平坦な板状である。正面視(スペースデブリ2と対向する面視)における膜部材20の形状は、例えば、正方形、長方形、その他の多角形、または円形などであり得る。また、その他の構造は、図1に示す上記実施形態と同様である。このように、膜部材20の形状は、特段限定されない。
In the modified example shown in FIG. 7, the
図8は、図7の帯電装置30の変形例を示す膜部材20の正面図である。なお、図8の例では、膜部材20の正面視の形状を正方形としている。
FIG. 8 is a front view of the
図8に示す変形例において、帯電装置30は、太陽電池32を含む。太陽電池32は、斜線部で示されており、膜部材20の4つの縁部20a〜20dに取り付けられている。換言すると、太陽電池32は、膜部材20の中央部20eには設けられていない。
In the modification shown in FIG. 8, the charging
図8に示す変形例では、膜部材20において、太陽電池32の部分は帯電させておらず、太陽電池32の部分を除く中央部20eを帯電させている。
In the modified example shown in FIG. 8, in the
本変形例によれば、太陽電池32を利用するため、帯電装置30の耐用年数を長く確保できる。また、帯電装置30を膜部材20とともに構成でき、帯電装置30を膜部材20とともに収納できるため取り扱いが容易となる。
According to this modification, since the
(第2実施形態)
図9に示す第2実施形態のスペースデブリ除去装置1は、PMD(Post Mission Disposal)対応のものである。以下で説明する構成以外は、第1実施形態のADR対応のスペースデブリ除去装置1の構成と実質的に同じであり得る。従って、第1実施形態にて示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する場合がある。
(Second Embodiment)
The space debris removing device 1 of the second embodiment shown in FIG. 9 is compatible with PMD (Post Mission Disposal). Except for the configuration described below, the configuration may be substantially the same as the configuration of the ADR-compatible space debris removing device 1 of the first embodiment. Therefore, the same parts as those shown in the first embodiment may be designated by the same reference numerals and the description thereof may be omitted.
本実施形態のスペースデブリ除去装置1は、第1実施形態とは異なり、衛星本体10(図1参照)や捕獲機構41(図1参照)を有していない。本実施形態では、取付装置40は、スペースデブリ2を膜部材20に直接固定する固定具42を含む。代替的には、取付装置40は、図1に示すようなテザー41cを含み、テザー41cを介してスペースデブリ2と膜部材20を機械的に接続してもよい。
Unlike the first embodiment, the space debris removing device 1 of the present embodiment does not have the satellite main body 10 (see FIG. 1) or the capture mechanism 41 (see FIG. 1). In the present embodiment, the mounting
本実施形態のスペースデブリ除去装置1は、衛星やロケットの打ち上げ前に衛星やロケットに予め搭載される。そして、それらの運用の終了とともにスペースデブリ除去装置1が展開される。従って、除去対象となる衛星やロケットの残骸を宇宙空間で捕獲する必要がなく、除去対象の確実な除去を期待できる。なお、固定具42は衛星やロケットの打ち上げ前にスペースデブリ2となり得る部材と膜部材20とを予め固定しおいてもよいし、衛星やロケットの運用終了とともにスペースデブリ2となり得る部材と膜部材20とを固定してもよい。
The space debris removing device 1 of the present embodiment is mounted on the satellite or rocket in advance before the launch of the satellite or rocket. Then, the space debris removing device 1 is deployed at the end of those operations. Therefore, it is not necessary to capture the debris of the satellite or rocket to be removed in outer space, and reliable removal of the removal target can be expected. The
以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 Although specific embodiments of the present invention and variations thereof have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
例えば、上記第1,2実施形態において、第2の面22a,27a(即ち第2導体22,27)を第1の面21a,26a(即ち第1導体21,26)よりも小さく形成してもよい。また、第2の面22a,27a(即ち第2導体22,27)に対してスリットや切り欠きなどを設けてもよい。これらにより、シースの等方的な形成が一層抑制され得る。
For example, in the first and second embodiments, the
1 スペースデブリ除去装置
2 スペースデブリ
10 衛星本体(接地部)
20 膜部材
20a〜20d 縁部
20e 中央部
21 第1導体
21a 第1の面
22 第2導体
22a 第2の面
23 第3導体
24 第1不導体
25 第2不導体
26 第1導体
26a 第1の面
27 第2導体
27a 第2の面
28 不導体
30 帯電装置
31 電源
32 太陽電池
40 取付装置
41 捕獲機構
41a 銛
41b 射出装置
41c テザー
42 固定具
200 膜部材
210 第1の面
220 第2の面
1 Space
20
Claims (7)
前記スペースデブリと対向する第1の面および前記第1の面と反対面の第2の面を有し、前記第1の面および前記第2の面を異なる電位に帯電可能な構造を有する膜部材と、
前記膜部材と電気的に接続され、前記第1の面が前記第2の面よりも所定の電位差だけ低くなる負電位になるように前記膜部材を帯電させる帯電装置と、
前記膜部材を前記スペースデブリに取り付ける取付装置と
を備える、スペースデブリ除去装置。 A space debris removal device that is attached to space debris that orbits the earth and changes the orbit of the space debris by reducing the orbital speed of the space debris.
A film having a first surface facing the space debris and a second surface opposite to the first surface, and having a structure capable of charging the first surface and the second surface to different potentials. Members and
A charging device that is electrically connected to the membrane member and charges the membrane member so that the first surface has a negative potential that is lower than that of the second surface by a predetermined potential difference.
A space debris removing device including an attachment device for attaching the film member to the space debris.
前記スペースデブリと対向する第1の面および前記第1の面と反対面の第2の面を有し、給電を受けて前記第1の面が前記第2の面よりも所定の電位差だけ低くなる負電位になるように帯電される膜部材と、
前記膜部材を前記スペースデブリに取り付ける取付装置と
を備える、スペースデブリ除去装置。 A space debris removal device that is attached to space debris that orbits the earth and changes the orbit of the space debris by reducing the orbital speed of the space debris.
It has a first surface facing the space debris and a second surface opposite to the first surface, and when power is supplied, the first surface is lower than the second surface by a predetermined potential difference. A film member that is charged so as to have a negative potential,
A space debris removing device including an attachment device for attaching the film member to the space debris.
前記取付装置は、所定の長さを有し、前記スペースデブリを捕獲するための捕獲機構を含む、請求項1または請求項2に記載のスペースデブリ除去装置。 A satellite body mechanically connected to the membrane member and the mounting device and having a propulsion function is further provided.
The space debris removing device according to claim 1 or 2, wherein the mounting device has a predetermined length and includes a capturing mechanism for capturing the space debris.
前記第1の面を構成する導電性材料からなる第1導体と、
前記第2の面を構成する導電性材料からなる第2導体と、
前記第1導体と前記第2導体との間に配置される導電性材料からなる第3導体と、
前記第1導体と前記第3導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第1不導体と、
前記第2導体と前記第3導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第2不導体と
を備える、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスペースデブリ除去装置。 The membrane member is
A first conductor made of a conductive material constituting the first surface and
A second conductor made of a conductive material constituting the second surface, and
A third conductor made of a conductive material arranged between the first conductor and the second conductor,
A first non-conductor made of an insulator material or a dielectric material arranged between the first conductor and the third conductor,
The space debris according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second non-conductor made of an insulator material or a dielectric material arranged between the second conductor and the third conductor. Removal device.
前記第1の面を構成する導電性材料からなる第1導体と、
前記第2の面を構成する導電性材料からなる第2導体と、
前記第1導体と前記第2導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体と
を備える、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスペースデブリ除去装置。 The membrane member is
A first conductor made of a conductive material constituting the first surface and
A second conductor made of a conductive material constituting the second surface, and
The space debris removing device according to any one of claims 1 to 3, further comprising an insulator material or a non-conductor made of a dielectric material arranged between the first conductor and the second conductor. ..
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