JP5572879B2 - 宇宙空間を移動する惑星の土壌サンプルの容器を捕捉する方法 - Google Patents

Description

本発明は宇宙空間を移動する惑星の土壌サンプルの容器を、やはり宇宙空間を移動する探査機により捕捉するための方法に関する。

ＮＡＳＡやＥＳＡの宇宙飛行のような、現在計画されている様々な宇宙飛行は、惑星の土壌サンプルを採取し、それらを地球に戻すことを想定している。これらの宇宙飛行の幾つかは、例えば２０１０年頃に計画された、ヨーロッパの「火星サンプル帰還」"Ｍａｒｓ Ｓａｍｐｌｅ Ｒｅｔｕｒｎ"（火星からのサンプル採取）プログラムのように、既に日程計画を組まれている。

多数の研究がこの主題に対して行われており、宇宙機関はシナリオを確立し、それによれば惑星の土壌から採取され、地球への輸送用に容器に詰められたサンプルは、関係する惑星から打上げロケットにより軌道に置かれ、地球からやはりこの軌道に置かれた探査機は、この容器を地球に戻すために回収する役目を負っている。容器を軌道に置く打ち上げロケットと、それを捕捉し地球に運ぶ役目の探査機との間の役割分離は、（良く知られている軌道力学の法則により）軌道内の質量の移動効率によって課される。その結果、軌道におけるそれら容器内のサンプル捕捉の決定的局面が不可避だということになる。ここで、これまでに軌道における惑星の土壌サンプルを捕捉するための単純なシステムは提案されていない。

全ての既知のシステムは、サンプルの容器が非常に重く複雑である（それは従って遠隔制御手段、推進装置等を含む必要があろう）か、又は受動のタイプであるという仮定に基づいている。探査機を捕捉するメカニズムはそれゆえ、折り畳めない構造を伴って非常にかさばり、それは探査機が複雑な運動をすることを必要とする。さらに、これらのシーケンスは無重力下での長期にわたる動作手順を含み、非常に大きな寸法の装置を伴うため、地上で対応する過程のシーケンスをシミュレーションし、それらを検証することは一般に困難である。重くて複雑な容器の場合は、次の１０年間にわたりそれを保持している既知の宇宙飛行は無いため、一般的に排除されている。

本発明の主題は、宇宙空間を移動する惑星の土壌サンプルの容器を、やはり宇宙空間を移動する探査機により捕捉するための方法であり、この方法は出来る限り単純で最も安価な手段と共に、実施が容易でなければならない。

本発明による方法は、探査機が容器の軌道上で容器から数ｍの距離にあり、探査機の受け入れ面が容器に向けられているとき、容器の角速度を減らしてそれを捕捉に好適な方向に向けるための、第１の制御された磁場が探査機の機上で生成され、そして探査機が容器により近づいている間にこれらの速度が無視できるほどになり、前記探査機が正しい向きに位置するとき、探査機に対する容器の引き付け過程が、その磁力線が探査機の捕捉領域に向かって集中する、別の磁場を用いて始められることを特徴とする。

本発明の別の特徴によれば、制御及び引き付けのため用いられる容器側の磁場は、探査機が磁力計を使ってその姿勢を検出可能にするために使用される。

本発明は制限されない例として取り上げられ、添付図により例証される実施形態の詳細な記述を読むことにより、より良く理解されるであろう。

本発明の方法を実施するシステムの単純化されたブロック図である。 図１のシステムを用いて、本発明による方法を実施する幾つかのステップを示すブロック図である。 図１のシステムを用いて、本発明による方法を実施する幾つかのステップを示すブロック図である。 図１のシステムを用いて、本発明による方法を実施する幾つかのステップを示すブロック図である。

図１は本発明の方法を実施するための主な手段を図式的に示す。これらの手段は、惑星（例えば惑星である火星）からの土壌サンプルを以前に回収した容器１がこの惑星周りの軌道に置かれ、そして以前に地球から打ち上げられてこの容器１と同じ軌道に置かれている回収探査機２に近い（例えば数十ｍ）瞬間において表わされている。探査機２は、容器１を収容できる任意の適切な宇宙飛行体（人工衛星、軌道に置かれる特定の飛行体など）であってよい。

純粋に受動的な容器１は、とりわけ採取されたサンプルを閉じ込める本体３、（図示されていない）ある距離でその姿勢を自動的に決定するために使用され得る装置、及び適切な場合は、無線通信手段及び電気エネルギー源を備える。本発明の有利な実施形態によれば、この姿勢決定装置は磁石、望ましくは永久磁石である。そのような永久磁石は磁力計で姿勢を決定することと、探査機により生成される磁場との相互作用による制御との双方に用いられ得る。本体３の一面の上に、今回の場合は円錐である、探査機のドッキングを補助する装置４が固定されている。一般に、この装置４は探査機と容器との間に一対にされる形のあらゆるシステムであってもよいが、しかしながら単純化のため、今後は説明の中で、この装置４を示すために用語「円錐」（"ｃｏｎｅ"）が使用されるであろう。この容器が軌道にあるとき、それは自分自身で回転（「スピン」と呼ばれる運動）し、不規則な動きを有する。

探査機２は主として、その形状が円錐４の形状を補う円錐７がその自由端に取り付けられる、マスト６がそれに固定される本体５を備え、すなわちこれら２つの円錐は頂点において同じ角度を有する。例えば実質的に矩形の平行六面体の形を有する本体５は、それぞれ互いに直角なその３つの面上に、探査機の寸法に応じて典型的には１ｍ×１ｍ又は１ｍ×２ｍの表面積である、出来る限り多い表面積を各々が画定する、フラットコイル８、９、１０を備える。変形として、よりコンパクトなコイルが、等価な磁気モーメントを放出する良好な透磁率の棒に対して使用される。これらのコイルは、その公称値が例えば約５０〜１００Ａ・ｍ^２である制御された磁場を生み出す。ライダー（Ｌｉｄａｒ）（又は類似の検出装置、例えばカメラ又は、容器が高周波送信器を含む場合には高周波センサー）の送信／受信望遠鏡１１、及び磁力計１２は円錐７として本体５の同じ面、すなわちここで我々が前面と呼ぶ、容器１の方に向けられるべきその面の上に固定される。望遠鏡１１の光軸はマスト６に平行に向けられており、その「視界」の円錐は１１Ａの照号を付けられる。磁力計１２は３つの互いに直角な軸に従って、宇宙空間で姿勢測定を実施可能なタイプである。

本体５はまた、その前面を容器１に対して正確に向けるために、６つの自由度（回転における３自由度及び並進における３自由度）に従って、探査機２の姿勢及び位置の変更を可能にする、（図示されていない）例えば化学型の補助推進装置を含む。

図１が容器１及び探査機２を、磁力計１２が相手を容易に検出できるように、それらが互いに少し遠く離れ過ぎている瞬間において図式的に表わしている一方で、図２は容器が探査機から数ｍ（例えば３〜５ｍ）の距離にあるときの、それらの各位置を図式的に表わしている。そのような距離において、容器はライダーの望遠鏡１１の「視界の円錐」（"ｃｏｎｅ ｏｆ ｖｉｓｉｏｎ"）１１Ａの中にあり、磁力計は容器１の永久磁石により生成される、例えば約４０Ａ．ｍ^２の磁場を効果的に取得し始めることができる。この状況において、ライダーが容器１の存在を検出すると直ちに、磁力計１２が作動して容器のスピンによる回転、又はより正確には、この容器内に収納されている永久磁石のスピンによる回転のパラメータを決定する。コイル８〜１０はそのとき、このスピンの値を減衰させるために、（測定されたスピンの値の関数である）これらのコイルの電流を制御するように、定められたシーケンスに従って作動する。探査機‐容器の相対位置はライダー又はカメラで測定され、探査機の機上に搭載された（図示されていない）推進装置により修正される。容器の慣性マトリックスは、その磁気モーメントを中間の慣性軸及び、容器の捕捉装置の対称軸に芯合わせするように方向付けられ、それは２軸を伴う抵抗トルクで、３軸上の運動を減衰させることを可能にする。

容器のスピンによる回転速度が十分に減衰されると（一般に<１°／秒）直ちに、角速度を減衰させるための初期段階として、磁気モーメント及び調整されたモーメントを制御する固定されたバイアス電流が、同時にコイル８〜１０に加えられる。この減衰のおかげで、容器の磁石の磁気モーメントは（図３参照、地球の磁場に揃えられるコンパスの針のやり方で）分極磁場１４に揃えられる。円錐４の軸は、そのとき実際には円錐７の軸と同じである。容器の位置制御は、低い接近速度で従来の手段（化学的推進）を用いて行われる。

容器が探査機から短距離（図４参照、例えば約２０ｃｍ〜１ｍ）に到着すると、（図示されていない）特定のコイルは、その磁力線１５が探査機の捕捉領域に向かって集中する別の磁場を用いて、探査機に対する容器の引き付け過程を始めるために制御される。容器の円錐４は次に探査機の円錐７をカバーする。容器と探査機との間の距離が減少するに従っての磁気吸引力の増加は、それが探査機上の容器のあらゆるバウンドを防止するように、前記特定のコイルの電流を自動制御することにより有利に抑制される。

容器の円錐４が円錐７と接触すると直ちに、該容器を探査機の内部に移動するように手段、例えば（図示されていない）機械的手段が作動する。

Claims (8)

1. 宇宙空間を移動する惑星の土壌サンプルの容器を、やはり宇宙空間を移動する探査機により捕捉するための方法であって、
   前記探査機（２）が前記容器（４）の軌道上で前記容器から数ｍの距離にあり、前記探査機の受け入れ面（９）が前記容器に向けられているとき、前記容器の角速度を減らしてそれを捕捉に好適な方向に向けるための、第１の制御された磁場が前記探査機の機上で生成され、そして前記探査機が前記容器により近づいている間にこれらの速度が無視できるほどになり、前記探査機が正しい向きに位置するとき、前記探査機に対する前記容器の引き付け過程が、その磁力線が前記探査機の捕捉領域に向かって集中する、別の磁場を用いて始められることを特徴とする方法。
2. 前記探査機が磁力計（１２）を使ってその姿勢を検出可能にするため、制御及び引き付けのために用いられる前記容器側の前記磁場が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第１の磁場が約５０〜１００Ａ・ｍ^２の公称値を有することを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記探査機が次のセンサー：ライダー（１１）、カメラ、又は高周波センサーのうちの少なくとも１つを用いて、前記容器の近接を検出することを特徴とする、請求項１、２、あるいは３に記載の方法。
5. 前記探査機が６つの自由度に従ってその姿勢の変更を可能にする、補助の推進装置を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記容器を引き付ける過程が、前記容器と前記探査機との間の距離が約２０ｃｍ〜１ｍになると直ちに開始されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 引き付ける過程が、前記探査機上における前記容器のあらゆるバウンドを防止するように、コイル（８〜１０）の電流を自動制御する段階を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記容器が前記探査機と接触すると直ちに、前記探査機の内部に前記容器を移動するために手段が作動することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

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