JP5505829B2

JP5505829B2 - 宇宙デブリ低減装置

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Publication number: JP5505829B2
Application number: JP2009159290A
Authority: JP
Inventors: 啓佑小澤
Original assignee: 啓佑小澤
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: JP2010285137A

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＰａｔｅｎｔＮｏ：ＵＳ６，８３０，２２２Ｂ１，２００４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。

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。

米国特許ＵＳ６、８３０、２２２Ｂ１

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。

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。

宇宙デブリ回収のためには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た上で、こうした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。

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。

請求項１に係る第一発明は、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるための膜状の受圧装置とその補強部材からなる装置とこれに取付けた紐、あるいは、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるためのバルーンないしはエアーマット状の装置とそれに取付けた紐と、その紐の先端に取り付けた「モリ」で構成された装置で、これを宇宙機に搭載し宇宙デブリに接近したのち、「モリ」を宇宙デブリに打ち込むことにより「モリ」を宇宙デブリに紐を介して取付け後、紐でつながった膜状の受圧装置については、宇宙機から放出し、展開することにより受圧面積を広げ、バルーンないしはエアーマット状の装置は宇宙機から放出し、ガス圧を封入することにより展開し、受圧面積を広げ、これにより膜状の受圧装置あるいはバルーンないしはエアーマット状の装置が微量な大気あるいは太陽光輻射圧を受けて宇宙デブリ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ことを特徴とする宇宙デブリ低減装置である。
請求項２に係る第二発明は、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるための膜状の受圧装置とその補強部材からなる装置とこれに取付けた紐、あるいは、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるためのバルーンないしはエアーマット状の装置とそれに取付けた紐と、その紐の先端に取り付けた「クリップ」で構成された装置で、これを操作用ロボットアームを具備した宇宙機に搭載し、宇宙機が宇宙デブリに接近したのち、操作用ロボットアームを使用して「クリップ」を取出し、宇宙デブリの突起部に「クリップ」を取付け、把持させたのち、紐でつながった膜状の受圧装置については、宇宙機から放出し、展開することにより受圧面積を広げ、バルーンないしはエアーマット状の装置は宇宙機から放出し、ガス圧を封入することにより展開し、受圧面積を広げ、これにより膜状の受圧装置あるいはバルーンないしはエアーマット状の装置が微量な大気あるいは太陽光輻射圧を受けて宇宙デブリ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ことを特徴とする宇宙デブリ低減装置である。

前記の課題を解決するために、上記本発明は、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。

上記本発明は、前記と同じく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、高軌道において使用される。この装置は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。

上記本発明は、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（ＰａｔｅｎｔＮｏ：ＵＳ６，８３０，２２２Ｂ１，２００４年１２月１４日）を取得している。

上記本発明は、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。

特に第一発明は、上記のいずれか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。

特に第二発明は、上記のいずれか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。

第一発明および第二発明のいずれも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。

この発明の一実施形態を示ものである。本発明実施の他の形態を示すものである。本発明の実施に必要な取付機構を示すもので、モリによる打込み方式を示す。ロボットアームにより宇宙デブリの突起部を把持する方式を示す。太陽光輻射圧を受けて宇宙デブリの軌道を離脱させるための概念図である。保護すべき軌道８１０を周る宇宙デブリ１１が受圧装置２１で太陽７００からの輻射圧を受けることにより、この宇宙デブリの進行方向８２０に対し通過点１００１では、減速するように、１００３では加速するように宇宙デブリに力が働く。このことにより、１００３の位置では、宇宙デブリ１１は地球との高度を下げ、１００１の位置では高度が上がることとなり、結果として元々の宇宙デブリ１１の軌道８１０は別の軌道９００に変化し、保護すべき軌道８１０から離脱する。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

微量な大気または太陽光輻射圧を受けるための膜状の受圧装置とその補強部材からなる装置とこれに取付けた紐、あるいは、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるためのバルーンないしはエアーマット状の装置とそれに取付けた紐と、その紐の先端に取り付けた「モリ」で構成された装置で、これを宇宙機に搭載し宇宙デブリに接近したのち、「モリ」を宇宙デブリに打ち込むことにより「モリ」を宇宙デブリに紐を介して取付け後、紐でつながった膜状の受圧装置については、宇宙機から放出し、展開することにより受圧面積を広げ、バルーンないしはエアーマット状の装置は宇宙機から放出し、ガス圧を封入することにより展開し、受圧面積を広げ、これにより膜状の受圧装置あるいはバルーンないしはエアーマット状の装置が微量な大気あるいは太陽光輻射圧を受けて宇宙デブリ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ことを特徴とする宇宙デブリ低減装置。
微量な大気または太陽光輻射圧を受けるための膜状の受圧装置とその補強部材からなる装置とこれに取付けた紐、あるいは、微量な大気または太陽光輻射圧を受けるためのバルーンないしはエアーマット状の装置とそれに取付けた紐と、その紐の先端に取り付けた「クリップ」で構成された装置で、これを操作用ロボットアームを具備した宇宙機に搭載し、宇宙機が宇宙デブリに接近したのち、操作用ロボットアームを使用して「クリップ」を取出し、宇宙デブリの突起部に「クリップ」を取付け、把持させたのち、紐でつながった膜状の受圧装置については、宇宙機から放出し、展開することにより受圧面積を広げ、バルーンないしはエアーマット状の装置は宇宙機から放出し、ガス圧を封入することにより展開し、受圧面積を広げ、これにより膜状の受圧装置あるいはバルーンないしはエアーマット状の装置が微量な大気あるいは太陽光輻射圧を受けて宇宙デブリ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ことを特徴とする宇宙デブリ低減装置。