JP2021187213A - スペースデブリの軌道変更方法及びスペースデブリの軌道変更システム - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで宇宙空間におけるスペースデブリの軌道を変更する。【解決手段】スペースデブリの軌道変更方法は、宇宙空間に漂うスペースデブリを観測するステップと、観測したスペースデブリに対して、宇宙空間に設けられる照射衛星から集光された太陽光を照射するステップと、を備える。太陽光を照射するステップでは、地上に設けられる集光装置おいて集光した太陽光を、照射衛星において反射させることで、スペースデブリに照射する。スペースデブリを観測するステップでは、地上に設けられる観測装置によりスペースデブリを観測する。【選択図】図１

Description

本開示は、スペースデブリの軌道変更方法及びスペースデブリの軌道変更システムに関するものである。

宇宙空間に漂うスペースデブリは、一般的に、ロケットにより打ち上げられた捕捉装置により捕捉され、捕捉装置と共に地上へ向けて落下することで除去する方式が検討されている。また、スペースデブリを除去する方法として、特許文献１に示す方法がある。特許文献１では、観測ロケットに固定されたスラスターのノズルから、推進薬を燃焼させて燃焼ガスを噴射することで、目標高度においてガス雲を生成し、生成したガス雲によりスペースデブリを除去する方式が検討されている。

米国特許第１０３３６４７４号明細書

しかしながら、特許文献１では、スペースデブリを除去すべく、ガス雲を形成するために、ロケットを都度打ち上げる必要があることから、大きなコストがかかってしまう。

そこで、本開示は、低コストで宇宙空間におけるスペースデブリの軌道を変更することができるスペースデブリの軌道変更方法及びスペースデブリの軌道変更システムを提供することを課題とする。

本開示のスペースデブリの軌道変更方法は、宇宙空間に漂うスペースデブリを観測するステップと、観測した前記スペースデブリに対して、前記宇宙空間に設けられる照射衛星から集光された太陽光を照射するステップと、を備える。

本開示のスペースデブリの軌道変更システムは、太陽光を集光する集光装置と、宇宙空間に設けられ、観測された前記宇宙空間を漂うスペースデブリに対して、集光された前記太陽光を照射する照射衛星と、を備える。

本開示によれば、低コストで宇宙空間におけるスペースデブリの軌道を変更することができる。

図１は、本実施形態に係るスペースデブリの軌道変更方法に関する説明図である。 図２は、本実施形態に係るスペースデブリの軌道変更装置を示す図である。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
図１は、本実施形態に係るスペースデブリの軌道変更方法に関する説明図である。図２は、本実施形態に係るスペースデブリの軌道変更装置を示す図である。

（スペースデブリの軌道変更システム）
図１に示すように、本実施形態に係るスペースデブリの軌道変更システム１０は、地上に設けられる集光装置１１と、宇宙空間２に設けられる照射衛星１２と、を備えている。軌道変更システム１０には、外部の観測装置５が接続されている。観測装置５は、宇宙空間にあるスペースデブリＤを観測するものであり、スペースデブリＤを監視、捕捉することが可能となっている。観測装置５は、観測したスペースデブリＤの宇宙空間２における位置情報を、軌道変更システム１０へ出力する。

集光装置１１は、地上Ｇに設けられ、太陽光Ｌを集光する。集光装置１１は、太陽光Ｌを集光する集光ミラー１３を有する。集光ミラー１３は、例えば、凹面鏡である。なお、集光ミラー１３は、少なくとも１以上あればよく、例えば、単体の凹面鏡で太陽光Ｌを集光してもよいし、複数の平面鏡を凹状に配置して太陽光Ｌを集光してもよい。つまり、集光装置１１は、太陽光Ｌを集光可能な構成であれば、特に限定されない。集光装置１１は、集光ミラー１３において太陽光Ｌを集光するとともに、集光した太陽光Ｌを照射衛星１２へ向けて照射する。

照射衛星１２は、宇宙空間２に設けられ、観測装置５によって観測された宇宙空間２を漂うスペースデブリＤに対して、集光装置１１によって集光された太陽光Ｌを照射する。照射衛星１２は、ロケット等により事前に打ち上げられて、宇宙空間２に配置される。なお、照射衛星１２は、スペースデブリＤを軌道変更するために都度打ち上げられるものではない。

図２に示すように、照射衛星１２は、ミラー１４と、ミラー１４用のアクチュエータ１５と、集光部１６と、集光部１６用のアクチュエータ１７と、姿勢制御システム（ＲＣＳ／ＲＷ）１８と、加速度検出部２１と、姿勢角検出部２２と、姿勢角速度検出部２３と、制御部２５と、を有している。

ミラー１４は、集光された集光装置１１からの太陽光Ｌを反射する反射ミラーである。ミラー１４は、例えば、平面鏡である。なお、ミラー１４は、少なくとも１以上あればよく、太陽光Ｌを反射可能な構成であれば、特に限定されない。

アクチュエータ１５は、ミラー１４を動作させるものであり、例えば、ミラー１４の姿勢を調整する。アクチュエータ１５は、制御部２５に接続されており、制御部２５は、アクチュエータ１５を制御することで、ミラー１４の姿勢を制御する。つまり、制御部２５は、ミラー１４の姿勢を制御することで、スペースデブリＤへの太陽光Ｌの照射位置を調整する。

集光部１６は、集光装置１１からの太陽光Ｌを、スペースデブリＤの範囲に応じた集光となるように調整する。集光部１６は、例えば、集光範囲を調整可能な光学素子を用いて構成される。なお、集光部１６は、集光装置１１による集光の調整が可能であれば、省いてもよい。

また、集光部１６を集光装置１１として機能させることが可能であれば、地上Ｇの集光装置１１を省いてもよい。つまり、照射衛星１２は、集光装置が一体に設けられた集光照射衛星装置として機能させてもよい。この場合、照射衛星１２は、宇宙空間２において太陽光Ｌを集光し、スペースデブリＤに対して、集光した太陽光Ｌを照射する。

アクチュエータ１７は、集光部１６を動作させるものであり、例えば、集光部１６の集光状態を調整する。アクチュエータ１７は、制御部２５に接続されており、制御部２５は、アクチュエータ１７を制御することで、集光部１６の集光を制御する。つまり、制御部２５は、集光部１６の集光を制御することで、スペースデブリＤへの太陽光Ｌの集光範囲を調整する。

姿勢制御システム１８は、照射衛星１２の姿勢を制御するものであり、例えば、リアクションホイール（ＲＷ）が適用される。姿勢制御システム１８は、宇宙空間２中における照射衛星１２の姿勢を制御して、太陽光Ｌの照射方向を調整している。姿勢制御システム１８は、制御部２５に接続されており、照射衛星１２の姿勢が制御部２５によって制御されることで姿勢制御される。また、姿勢制御システム１８は、後述する加速度検出部２１、姿勢角検出部２２、姿勢角速度検出部２３の検出結果に基づいて、制御部２５による照射衛星１２の姿勢制御が実行される。

加速度検出部２１は、照射衛星１２に設けられ、照射衛星１２の加速度を検出するセンサとなっている。加速度検出部２１は、制御部２５に接続されており、検出した加速度を制御部２５へ向けて出力している。

姿勢角検出部２２は、照射衛星１２に設けられ、照射衛星１２の姿勢角を検出するセンサとなっている。姿勢角検出部２２は、制御部２５に接続されており、検出した姿勢角を制御部２５へ向けて出力している。

姿勢角速度検出部２３は、照射衛星１２に設けられ、照射衛星１２の姿勢角速度を検出するセンサとなっている。姿勢角速度検出部２３は、制御部２５に接続されており、検出した姿勢角速度を制御部２５へ向けて出力している。

制御部２５は、航法／誘導／姿勢制御演算部（以下、単に姿勢制御演算部という）３１と、ミラー制御部３２、地上通信部３３と、集光制御部３４とを含んでいる。制御部２５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の集積回路を含んでいる。

姿勢制御演算部３１は、加速度検出部２１、姿勢角検出部２２及び姿勢角速度検出部２３から検出結果を取得する。姿勢制御演算部３１は、取得した検出結果に基づいて、姿勢制御システム１８を制御することで、照射衛星１２の姿勢を制御する。

ミラー制御部３２は、アクチュエータ１５を制御し、ミラー１４の姿勢を調整することで、スペースデブリＤへの太陽光Ｌの照射位置を調整する。

地上通信部３３は、地上Ｇに設けられる観測装置５及び集光装置１１との間で通信を行う。地上通信部３３は、観測装置５から宇宙空間２におけるスペースデブリＤの位置情報を取得する。また、地上通信部３３は、集光装置１１から太陽光Ｌの集光に関する情報、例えば、照射方向に関する情報、集光倍率（集光力）に関する情報、光量に関する情報等を取得する。

集光制御部３４は、アクチュエータ１７を制御し、集光部１６の集光状態を調整することで、スペースデブリＤへの太陽光Ｌの集光範囲等を調整する。

上記のような軌道変更システム１０は、観測装置５からスペースデブリＤの宇宙空間２における位置情報を取得する。軌道変更システム１０は、集光装置１１により太陽光Ｌを集光し、集光した太陽光Ｌを照射衛星１２へ向けて照射する。軌道変更システム１０は、スペースデブリＤの位置情報を、照射衛星１２の地上通信部３３において取得する。照射衛星１２は、取得したスペースデブリＤの位置情報に基づいて、照射された太陽光ＬをスペースデブリＤへ向かって反射させる。このとき、照射衛星１２は、スペースデブリＤの位置情報に基づいて、姿勢制御演算部３１が姿勢制御システム１８を制御することで、太陽光Ｌの照射方向がスペースデブリＤへ向かう方向となるように、照射衛星１２の姿勢を制御する。また、照射衛星１２は、ミラー制御部３２によりアクチュエータ１５を介してミラー１４が制御されることで、太陽光ＬのスペースデブリＤへの照射位置を調整する。さらに、照射衛星１２は、集光制御部３４によりアクチュエータ１７を介して集光部１６が制御されることで、太陽光ＬのスペースデブリＤへの集光状態を調整する。

（スペースデブリの軌道変更方法）
次に、図１を参照して、スペースデブリの軌道変更システム１０を用いたスペースデブリの軌道変更方法について説明する。スペースデブリＤは、宇宙空間２に漂っている。

先ず、スペースデブリの軌道変更方法では、宇宙空間２に漂うスペースデブリＤを観測装置５により観測する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、観測装置５により観測されたスペースデブリＤの位置情報を、軌道変更システム１０が取得する。続いて、軌道変更方法では、観測したスペースデブリＤに対して、宇宙空間２に設けられる照射衛星１２から集光された太陽光Ｌを照射する（ステップＳ２）。具体的に、ステップＳ２では、集光装置１１おいて集光した太陽光Ｌを、照射衛星１２へ向けて照射し、照射衛星１２が太陽光Ｌを反射させることで、スペースデブリＤに太陽光Ｌを照射する。このとき、ステップＳ２では、スペースデブリＤの移動方向に対して、太陽光Ｌの照射方向が対向する方向となるように、太陽光Ｌが照射される。

宇宙空間２を漂うスペースデブリＤは、集光された太陽光Ｌが照射されることで、太陽光圧を受ける。スペースデブリＤは、太陽光圧により軌道変更される。軌道変更とは、スペースデブリＤの進行方向を変更するだけでなく、スペースデブリＤの減速も含む意である。スペースデブリＤの軌道を変更することで、他のスペースデブリＤとの衝突を回避したり、スペースデブリＤを減速することで、少なくとも一部を大気圏へ向かって落下させて除去したりする。以上により、スペースデブリの軌道変更方法では、軌道変更システム１０の照射衛星１２から照射された太陽光Ｌにより、宇宙空間２を漂うスペースデブリＤの軌道を変更する。

なお、照射衛星１２は、観測装置５により観測されたスペースデブリＤの位置情報に基づいてスペースデブリＤを探索する探索部を、さらに備えていてもよい。探索部は、スペースデブリＤの位置情報をより精度よく観測するために、スペースデブリＤを探索するものである。探索部は、例えば、レーダまたは光学望遠鏡等である。照射衛星１２に探索部を備える場合、スペースデブリの軌道変更方法では、ステップＳ１の実行後、観測したスペースデブリＤを照射衛星１２により探索するステップを実行する。そして、ステップＳ２では、照射衛星１２により探索したスペースデブリＤの位置情報に基づいて、集光された太陽光ＬをスペースデブリＤへ向けて照射する。

また、照射衛星１２が、集光照射衛星装置として機能する場合、スペースデブリの軌道変更方法のステップＳ２では、照射衛星１２において太陽光Ｌを集光し、集光した太陽光ＬをスペースデブリＤに照射する。

また、照射衛星１２と集光装置１１とが別体である場合、集光装置１１を宇宙空間２に設けてもよい。つまり、集光装置１１を集光衛星とすることで、軌道変更システム１０を、複数の衛星を用いて集光及び照射を行う構成としてもよい。

以上のように、実施形態に記載のスペースデブリの軌道変更方法及びスペースデブリの軌道変更システム１０は、例えば、以下のように把握される。

第１の態様に係るスペースデブリの軌道変更方法は、宇宙空間２に漂うスペースデブリＤを観測するステップＳ１と、観測した前記スペースデブリＤに対して、前記宇宙空間２に設けられる照射衛星１２から集光された太陽光Ｌを照射するステップＳ２と、を備える。

この構成によれば、スペースデブリＤに対して太陽光Ｌを照射して、宇宙空間２においてスペースデブリＤの軌道を変更することができる。このとき、スペースデブリＤの軌道を変更するために、ロケットを都度打ち上げる必要がないため、低コストで宇宙空間２におけるスペースデブリＤの軌道を変更することができる。

第２の態様として、前記太陽光Ｌを照射するステップＳ２では、地上に設けられる集光装置１１において集光した前記太陽光Ｌを、前記照射衛星１２において反射させることで、前記スペースデブリＤに照射する。

この構成によれば、太陽光Ｌを地上で集光することができるため、照射衛星１２に集光するための構成を設ける必要がない分、照射衛星１２を簡易な構成とすることができる。

第３の態様として、前記太陽光Ｌを照射するステップＳ２では、前記照射衛星１２において前記太陽光Ｌを集光し、集光した前記太陽光Ｌを前記スペースデブリＤに照射する。

この構成によれば、太陽光Ｌを宇宙空間２で集光して照射することができるため、地上に太陽光Ｌを集光するための集光装置を設ける必要がない。

第４の態様として、前記スペースデブリＤを観測するステップＳ２では、地上に設けられる観測装置５により前記スペースデブリＤを観測する。

この構成によれば、地上の観測装置５からスペースデブリＤを観測して、スペースデブリＤの位置情報を取得することができる。

第５の態様として、前記スペースデブリＤを観測するステップＳ１の実行後、観測した前記スペースデブリＤを前記照射衛星１２により探索するステップを、さらに備え、前記太陽光Ｌを照射するステップＳ２では、前記照射衛星１２により探索した前記スペースデブリＤに対して、集光された太陽光Ｌを照射する。

この構成によれば、観測されたスペースデブリＤを探索することで、より精度よくスペースデブリＤの位置情報を取得することができる。

第６の態様に係るスペースデブリの軌道変更システム１０は、太陽光Ｌを集光する集光装置１１と、宇宙空間２に設けられ、観測された前記宇宙空間２を漂うスペースデブリＤに対して、集光された前記太陽光Ｌを照射する照射衛星１２と、を備える。

この構成によれば、スペースデブリＤに対して太陽光Ｌを照射して、宇宙空間２においてスペースデブリＤの軌道を変更することができる。このとき、スペースデブリＤの軌道を変更するために、ロケットを都度打ち上げる必要がないため、低コストで宇宙空間２におけるスペースデブリＤの軌道を変更することができる。

第７の態様として、前記集光装置１１は、地上に設けられるとともに、集光した前記太陽光Ｌを前記照射衛星１２へ向けて照射し、前記照射衛星１２は、前記集光装置１１から照射された前記太陽光Ｌを反射して、前記スペースデブリＤに対して、集光された前記太陽光Ｌを照射する。

この構成によれば、太陽光Ｌを地上で集光することができるため、照射衛星１２と集光装置１１と分離することができ、照射衛星１２を簡易な構成とすることができる。

第８の態様として、前記集光装置１１は、前記照射衛星１２と一体に設けられた、集光照射衛星装置であり、前記集光照射衛星装置は、前記宇宙空間２において前記太陽光Ｌを集光し、前記スペースデブリＤに対して、集光した前記太陽光Ｌを照射する。

この構成によれば、集光装置１１と照射衛星１２と一体にすることができるため、システム構成を簡易な構成とすることができる。

第９の態様として、前記集光装置１１は、少なくとも１以上のミラー１４を有する。

この構成によれば、１以上のミラー１４で集光することができるため、太陽光Ｌを集光するための形態について限定されず、汎用性の高いものとすることができる。

２ 宇宙空間
５ 観測装置
１０ スペースデブリの軌道変更システム
１１ 集光装置
１２ 照射衛星
１３ 集光ミラー
１４ ミラー
１５ アクチュエータ
１６ 集光部
１７ アクチュエータ
１８ 姿勢制御システム
２５ 制御部
Ｄ スペースデブリ
Ｇ 地上
Ｌ 太陽光

Claims (9)

1. 宇宙空間に漂うスペースデブリを観測するステップと、
   観測した前記スペースデブリに対して、前記宇宙空間に設けられる照射衛星から集光された太陽光を照射するステップと、を備えるスペースデブリの軌道変更方法。
2. 前記太陽光を照射するステップでは、地上に設けられる集光装置において集光した前記太陽光を、前記照射衛星において反射させることで、前記スペースデブリに照射する請求項１に記載のスペースデブリの軌道変更方法。
3. 前記太陽光を照射するステップでは、前記照射衛星において前記太陽光を集光し、集光した前記太陽光を前記スペースデブリに照射する請求項１に記載のスペースデブリの軌道変更方法。
4. 前記スペースデブリを観測するステップでは、地上に設けられる観測装置により前記スペースデブリを観測する請求項１から３のいずれか１項に記載のスペースデブリの軌道変更方法。
5. 前記スペースデブリを観測するステップの実行後、観測した前記スペースデブリを前記照射衛星により探索するステップを、さらに備え、
   前記太陽光を照射するステップでは、前記照射衛星により探索した前記スペースデブリに対して、集光された太陽光を照射する請求項１から４のいずれか１項に記載のスペースデブリの軌道変更方法。
6. 太陽光を集光する集光装置と、
   宇宙空間に設けられ、観測された前記宇宙空間を漂うスペースデブリに対して、集光された前記太陽光を照射する照射衛星と、を備えるスペースデブリの軌道変更システム。
7. 前記集光装置は、地上に設けられるとともに、集光した前記太陽光を前記照射衛星へ向けて照射し、
   前記照射衛星は、前記集光装置から照射された前記太陽光を反射して、前記スペースデブリに対して、集光された前記太陽光を照射する請求項６に記載のスペースデブリの軌道変更システム。
8. 前記集光装置は、前記照射衛星と一体に設けられた、集光照射衛星装置であり、
   前記集光照射衛星装置は、前記宇宙空間において前記太陽光を集光し、前記スペースデブリに対して、集光した前記太陽光を照射する請求項６に記載のスペースデブリの軌道変更システム。
9. 前記集光装置は、少なくとも１以上のミラーを有する請求項６から８のいずれか１項に記載のスペースデブリの軌道変更システム。

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