川口研究室メンバー 多くの関係者との交流 川口教授をはじめとするJAXA実務者から直接 研究指導が受けられる 様々な大学、国々から集まる学生と多角的な 視点から幅広い検討会ができる その他宇宙研内外の専門家との共同研究・交流 学生 JAXA職員 教授 川口 淳一郎（はやぶさ元プロジェクトマネージャー） 准教授 川勝 康弘（総研大） 助教 森 治（IKAROSプロジェクトマネージャー） 津田 雄一 佐伯 孝尚 岡部 和子 大石 真美 秘書 職員 山本 高行 澤田 弘崇 白澤 洋次 三桝 裕也 D3 田中 啓太 元岡 範純 Federico Zuiani Marco Giancotti ※イタリア出身 ※イタリア出身 D2 杉本 理英（総研大） 大野 剛 D1 Sarli Bruno ※ブラジル出身 M2 松本 純 大谷 翔 池田 沙織（九州大） Lucas Bremond ※フランス出身 地福 亮 M1 中条 俊大 濱崎 拓 林 直宏 Rivier Guillaume ※フランス出身 菅野 剛（東海大） 2 活動 研究 プロジェクト 軌道力学，誘導・航法 実際のJAXAプロジェクトに関わりながらノウハウを身に付け， 時には学生から提案をしていきます． 現在川口研では以下のプロジェクトに取り組んでいます． ・IKAROS運用・実験・解析 ・次期ソーラーセイル，木星・トロヤ群探査ミッションの検討 ・はやぶさ２関連研究会 ・その他実験プロジェクト 姿勢力学・制御 力学的観点による サイエンス 研究成果を生かした プロジェクト IKAROS運用 当番学生は運用 メンバーに加わります． プロジェクトから 得られる研究テーマ 宇宙探査 （ソーラーセイル等） ※この他，学生からの自発的なテーマ提案も募集しています． 試験・実験 宇宙研の実験施設を 利用して試験・実験を行います． 3 川口研学生の研究内容 4 研究 ・IKAROSやはやぶさから得られたデータの解析に関する研究 -フライトデータから得られた課題解決 ・将来のミッションを見据えた研究 -次の探査ミッションの検討につなげる ・その他基礎研究等 -ミッションとは関係ない自由なもの ミッション系から 基礎研究まで 様々な分野に 関連する研究が できる 5 スピン型ソーラーセイルの 姿勢運動に基づいた膜面形状の解析 姿勢運動 ソーラーセイル M1 中条 ソーラーセイルの姿勢運動と形状の関係の解析 ソーラーセイルの膜面は柔軟構造物である． 変形により太陽光圧トルクが変化するため，姿勢制御のためには変形を管理する必要がある． 実際のIKAROSの姿勢履歴からも変形が起きていることがわかる． スピン運動による変形を解析し，それと太陽光圧トルクから決まる姿勢運動を 実際のフライトデータと照合することで，膜面変形の理論を考察する． このような姿勢運動をするとき セイルはどのような形状か 姿勢履歴の例 スピン運動によりセイルがこの ような形状になるとき， どんな姿勢運動をするか セイル形状のモデル化による解析 6 柔軟構造 ソーラーセイル IKAROSの膜面展開に関する考察 D2 大野 IKAROSのセイル展開運動の構造的解析 IKAROSの1次展開，2次展開における現象を解明する． IKAROSの1次展開では，モニタカメラ画像から1次展開後の十字形状が非対称になっていた ことがわかっている． また2次展開では，角度の狭いところから膜面が不連続に展開したと考えられている． これらは当初予想されていなかった現象であり，FEMによる数値計算，および小型モデルを 用いた真空槽実験によって原因を究明する． 1次展開から2次展開の様子 7 惑星科学 はやぶさ 重力モデルを介した小惑星形成に関わる研究 D3 元岡 小惑星の重力分布推定 研究背景 • 小惑星探査において、特に表面への降下・着陸時には探査機 に高精度な誘導が要求される． • しかし，多くの小惑星はその内部に空隙を有するため、高精度 な誘導を実現するためには重力ポテンシャルを推定しておく必 要がある．重力ポテンシャルを推定することが, 結果として内部 構造を解く手がかりを与え，小惑星形成の理解を深めることに つながる。 – 例えば，小惑星「イトカワ」の空隙率は約40%と推定され ている。 図 小惑星イトカワ（写真元：JAXA） zero-velocity z = 0 m 200 Const 2 Core Surf 150 100 研究内容 • • 本研究では, 周回を含む探査機の運動計測を実施しなくても重 力ポテンシャルを推定できる手法を確立し, イトカワの内部構 造を明らかにする． 本推定手法では、誕生から長い年月が経過した小惑星では表 面形状がジオイド形状（ゼロ速度曲面）に沿うべきであるという 考え方に基づき，画像にて構築された小惑星表面上でのゼロ 速度曲面値の分散を推定指標とし，指標が最小となる内部構 造を推定している． y [m] 50 0 -50 -100 -150 -200 -300 -200 -100 0 100 200 300 x [m] 図 小惑星イトカワの表面形状と ポテンシャル面との関係 • 青線：イトカワの表面形状（Z=0断面） • 黒線：内部密度一定を仮定した場合の ポテンシャル面 • 赤線：本推定手法によって推定した内 部構造が作り出すポテンシャル面 8 軌道設計 Solar Sail Trajectory Design for Exploration of Asteroids from/to Space Port around L2 point M1 濱崎 ソーラーセイルを用いた小惑星往復探査軌道設計 • • • 「はやぶさ」による小惑星往復探査ミ ッションの成功と，「IKAROS」によるソ ーラーセイルの実証は，“ソーラーセ イルによる小惑星往復探査”の実現 を予感させる 一方，太陽・地球重力と遠心力とが つり合う点であるL2ラグランジュ点の 周辺に宇宙港を建造し，ここで高推 力推進（化学推進等）から低推力推 進（電気推進，ソーラーセイル等）に “乗り換え”をすることで，地球～深 宇宙間の効率的な輸送が可能にな ると考えられている 本研究では，宇宙港・ソーラーセイル の利用を想定し， L2点を出発 ⇒ 小惑星ランデブー ⇒ L2点に帰還 というミッションの軌道を設計する Rendezvous Asteroid L2 Lagrange Point (Space Port) 9 姿勢，軌道 ソーラーセイル スピン型ソーラーセイルの姿勢ダイナミクスを利用した Δ VEGA軌道における最適制御 M1 林 ソーラーセイルの姿勢運動と軌道運動の両方を考えた最適制御 スピン型ソーラーセイルの姿勢運動 ・ソーラーセイルは推力は小さいが燃料を消費せず推進できる． ・太陽光圧トルクが働くスピン型宇宙機には姿勢ドリフト運動が誘起される． スピン型ソーラーセイルの軌道運動 ・ソーラーセイルの軌道制御は姿勢を制御することにより達成される． ・ΔVEGAは比較的小さな軌道変更で効率的に速度を増幅させる技術である． ΔVEGAの効果を最大にする最適姿勢制御法を解析的，数値的に導く． 初期解 推力方向を最適化 最適解 姿勢ドリフト運動 Δ VEGA軌道(太陽地球固定座標系) 10 軌道設計 ミッション設計 A Trajectory Optimization Strategy for a Multiple Rendezvous Mission with Trojan Asteroids M2 Brémond 小惑星探査ミッションの最適設計 次期ソーラーセイルによるトロヤ群探査で次々と多くの小惑星に ランデブーするときの最適な軌道設計をする． 設計解は無数にあるため，計算量が多すぎる． 目標が動く場合の巡回セールスマン問題として考える， 最適ではない解はそう判断できた時点で即座に対象から外す． 最適シーケンスを求めるため，大域的最適化 （進化的アルゴリズム+分岐限定法）， L4点周りの運動の線形化により遷移コスト計算の速度を上げる． 計算量の低減 小惑星と探査機の軌道 11 姿勢，軌道 ソーラーセイル ソーラーセイル運動の小惑星付近での平衡解 D3 Giancotti 小惑星付近でのソーラーセイルの運動解析 ソーラーセイルは太陽光圧による力で推進する． セイルの向きだけを調整することで，その力で他のすべての力（重力・慣性力）を相殺すれば， 宇宙機は一定の位置を保つことができる．これを平衡解と呼ぶ． 小惑星付近での諸平衡解を求め，どれが実際のミッションで使えそうなものを検討． 実現可能な平衡解は小さな小惑星と限られた角度でしか存在しないことがわかった． 小惑星 平衡解 セイルの向き 12 軌道設計 天体間飛行の変動回転座標系における表現とその応用 M2 松本 新しい座標系の定義による新しい軌道設計手法 電気推進の連続的な低推力により作られる軌道は, 一般に左図のようなスパイラルの形状となる. このままでは直感的な軌道設計が出来ないため, 本研究では, 座標系角速度が 宇宙機の状態量によって定まる特殊な回転座標系を定義し, スパイラル軌道を右図のように シンプルに表現できるようにした. この座標系上で, 連続推進による天体間飛行の軌道設計を, 数値最適化手法に寄らずに解析的に行っている. 従来のスパイラル軌道形状が… 非常にシンプルな形状で表現される 慣性座標系 変動回転座標系 13 分散制御 技術利用 宇宙機用リソース制約付き分散化制御の地上利用実証 M2 大谷 宇宙用技術として確立されたリソース制約付き分散化制御 の地上利用実用性を 理論的・実験的に実証し，宇宙用技術の広範的な利用を提案する． 【宇宙用】 温度調整用ヒータ制御 各機器の緊急度に応じて限られた電力 （リソース制約）を効率的に配分 各機器はそれぞれ小型制御器を有し、 情報はネットワークを介して共有される （分散化制御） 【地上用】 電車運行システム 複数電車が共通の電力源から電力を得る。 配分は各運行フェーズに基づく一次モータ 駆動系ダイナミクスを考慮し、最適化される。 実機実験として、小型電動電車を用いる。 分散化システム による熱制御の実験 小型電動電車（HOゲージ） 地上技術 への応用 8.0W 宇宙機用ピーク抑制制御システムの 導入により、目標値を達成した上で 電力消費ピーク抑制に成功 小型制御器 （PIC） ヒータ 5.5W 14 学会発表 国内学会 - アストロダイナミクスシンポジウム（7月） - 宇宙科学技術連合講演会（11月） 国際学会（M2以上は多数参加） - AAS（米） - ISSFD - International Astronautical Congress (2012年はナポリにて開催，2014年はトロントで開催 予定） - ISTS (ISTS2013,名古屋にて開催予定） 積み上げた研究成果を世界の舞台で披露 多数の過去受賞実績 国内外の宇宙分野従事者と交流するチャンス M2松本がISCOPS2012にて Student Awardを受賞 15 プロジェクト紹介 16 プロジェクト概要（IKAROS） ミニマム、フルサクセス（半年で全て達成、世界初） ・膜面展開 : スピン型で14m×14m膜面を展開 ・薄膜太陽電池発電 : 薄膜太陽電池の実証に成功 ・分離カメラ撮像 : 展開後IKAROS膜面全体図を撮影 ・加速実証 : 光圧による加速 延長ミッション: 次期ソーラーセイルに向けて（全て達成） ・低スピン運用 ： 低い回転数での膜の挙動を調べる ・逆スピン運用 ： 膜面挙動・姿勢運動を調べる ・誘導航法実験 : 光圧を積極的に用いた軌道制御 2010年5月に打ち上げ後，予定ミッション全てを達成し， 現在もさらに挑戦的なミッションを継続中． 17 学生のプロジェクト参加（IKAROS） 事前設計・解析・試験 開発・製作段階 膜面の構造・光学特性実験 接着剤等の材料の選定 材料強度試験 実物大セイルの試験製作 各種の膜面展開実験 膜面巻きつけ試験 膜展開シーケンスの検証 姿勢制御ロジックの設計 搭載デバイスの製作・試験 セイルの折りたたみ セイルの巻きつけ 各環境試験の補佐 推進系の性能試験 搭載ソフトウェア開発 ミッション系の電気試験 打ち上げ・運用 データ解析 実際の運用の補佐 運用計画策定のための解析 運用支援ツールの開発 膜面展開挙動の解析 搭載カメラ画像による 膜面形状の解析 太陽光圧による姿勢変化の解析 ミッションにおけるほぼ全ての領域に川口研学生が関わっています 18 学生のプロジェクト参加（IKAROS） 冬眠 ・ 探索運用 昨年冬，IKAROSの太陽角，太陽距離が共に増加した結果， 発生電力が徐々に低下し，この発生電力がIKAROSの消費電力を 下回ったため，IKAROSは2012年1月6日までに， 冬眠モード（搭載機器シャットダウン）へ移行． IKAROSの姿勢・軌道予測から，2012年6月～10月の期間に 発生電力が回復し，冬眠モードから復旧する見通しとなっていたため， 2月から探索運用を開始． 2012年9月に発見 （行方不明になった探査機を再発見することは珍しい事例）． 通信ができているときのスペアナ （スペクトラムアナライザ） IKAROSはソーラーセイルであるため， 太陽光圧による姿勢や軌道の変化が大きい． そのため運動予測も難しく， 探索ははやぶさとは違ったソーラーセイルならではの難しさがあった． 臼田局 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト 次期ソーラー電力セイル IKAROSプロジェクトで得られた技術・知見を応用して， 新しいソーラー電力セイルによる木星圏探査が考えられている． IKAROSとは異なること，新しいこと ・木星トロヤ群小惑星帯のランデブー探査を行うため， 木星軌道（太陽距離5AU程度）においてイオンエンジンを駆動する． ⇒ミッション期間が非常に長い． 太陽光が弱くイオンエンジン駆動のための電力確保が難しい． ・セイルの大部分に太陽電池を敷き詰めたソーラー電力セイルである． 地球 L4 ・面積が1辺50m以上の大型セイルである． -これにより大面積で発電することで木星軌道においても 十分な電力を得て，イオンエンジンを駆動する． 木星 メインベルト 小惑星帯 L5 ・長期のミッションに耐える材料・構造を採用する． 木星トロヤ群小惑星帯 20 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト セイル製作部会 木星・トロヤ群探査に向けて実際に次期ソーラーセイルの試作に向けて動く． 川口研の学生が製作に大きくかかわっている． - デバイスの配置，寸法の検討 - テザーユニットの製作 - セイル巻きつけ方式の検討 - セイルの剛性の解析 テザーユニット （本体とセイルを接続するテザー） セイル巻きつけ実験 次期セイルは一辺が50m以上（IKAROSの4倍程度）なので， 本体に巻きつけるときに内外周差を考慮しなければいけない． 膜を実際に使って巻きつけに関する理論構築のための 実験を行っている． 巻きつけ実験の様子 21 次期ソーラー電力セイル関連プロジェクト プロジェクトの一環として検討されている計画 木星・トロヤ群小惑星サンプルリターン計画 ソーラーセイルにより木星のL4点，トロヤ群に行き， 小惑星のサンプルを回収し地球に戻ってくる． 川口研の学生が積極的にミッション検討にかかわっている． 木星トロヤ群小惑星 ランデブー観測 サンプル回収・ 地球帰還 今年度学生が担当した 検討事項 - 軌道設計 - 姿勢制御方式 打ち上げ・ セイル展開 地球スイングバイ 巡航中の科学観測 - タッチダウン方式 - 燃料計算 22 実験プロジェクト 推進系微小重力実験 IKAROSでは燃焼を伴わない「気液平衡スラスタ」が 世界で初めて実証された． 気液平衡スラスタ 高圧のフロンをタンクに入れることで液体として保持し，バルブを 開くことで気化したフロンを噴射する，スプレーのようなスラスタ． 推薬がヒドラジンと比べて，燃焼しない，有毒ではないことで， システムが簡単に構成できるという特徴があり，サブペイロードや 小型衛星への搭載に特に適している． 落下塔 しかし，宇宙空間の無重力環境下ではタンク内の気相と液相が 地上でのように簡単には分離しない． そこでうまく分離させるために工夫が施されており， それらシステム全体の研究，開発の一環として微小重力実験がある． 実験装置を高さ50メートルの落下塔から自由落下させることで， 数秒間微小重力環境を与えることができる． その間にスラスタを作動させることで宇宙空間を模擬して実験ができる． 制御系装置 落下させる 実験装置カプセル 23 プロジェクト はやぶさ2 2014年打ち上げ予定 24 川口研での一年間 春 入学後は… 夏 休 み 年 末 ・ 年 始 休 暇 追 い 出 し コ ン パ 三 月 ) 修 士 一 年 輪 講 会 一 月 ( 忘 年 会 十 二 月 ( ) 宇 宙 科 学 技 術 連 合 講 演 会 十 一 月 ( そろそろ研究にも慣れて きた頃，来年度学会に向 けて論文投稿したり，就 活をしたりする時期です． ) ( ) M1学会デビュー． 川口研学生は基本 的に全員参加です． 一般の来訪者に日 頃の活動を紹介しま す．今年はイカロス ファンからたくさんの 励ましの言葉や土産 をいただきました． ) ) 十 月 修 士 二 年 輪 講 会 十 一 月 冬 ) ) 川口研学生は… ・研究室旅行 ・企業インターン ・海外バックパック ・ひたすら研究 ・実験プロジェクト の準備 ・帰省 etc…過ごし方は様々 国 際 宇 宙 会 議 ( 宇 宙 研 特 別 公 開 七 月 ( ) できることはたくさん。新 しい環境で駆け抜ける ように時間が過ぎていき ます． ア ス ト ロ ダ イ ナ ミ ク ス シ ン ポ ジ ウ ム 七 月 秋 ( ・アストロに向けて 研究・発表準備 ・イカロス運用研修 ・プロジェクト参加 ・本郷授業 夏 [IAC]( ( 新 入 生 歓 迎 会 四 月 ※一部紹介 世界最大の宇宙 学会．修士課程 の一つの目標に してみてはどうで しょうか． 26 川口研の特徴（先輩の声） 研究 プロジェクト ・複数のJAXA職員から直接アドバイスがもらえる． ・システム系なので多岐に渡る宇宙開発の側面 に触れられる。多面的な知識が得られる． ・飛翔データを利用した研究開発ができる． ・学会発表の機会が多い． ・自発的なテーマ選定ができる． ・実験の機会も多く，ソフト・ハード両方のスキル が身につく． ・限られた時間の中で効率よく研究を進める要 の良さが身につく． ・管制室，風洞や構造棟，振動試験室など幅広く 施設を利用できる． ・実際の運用に参加することができる． ・世界的に話題性のあるミッションに関われる． ・長時間の会議に対する耐性が養われる． ・ 関係者の方々は優しい人が多い． ・優しい職員が多い． 生活 その他 ・イベントが盛り沢山． ・取材機会が多く，時々テレビに出られる． ・三段ベットがあり研究開発に没頭できる． ・民間企業や外部教授とのつながりが強い． ・研究室メンバー，スタッフが和気あいあいとして 仲が良い． ・プロジェクトメンバーが若く，エネルギーがある． ・留学生が多く，語学が鍛えられ異文化に触れら れる（特に最近国際化が進んでいる）． ・研究室の居心地がいい（大体常に人がいるの がその証拠）． ・多角的な視点から活発に議論できる． ・先輩方が優秀で優しい． 27 川口研連絡先 少しでも川口研究室に興味をお持ちの方は… 説明会後 「A棟3階1330室 川口研究室」 にぜひお越しください． 学生室電話番号：050-3362-3042 また後日見学希望の方は下記メールにて事前にご連絡ください． メールにてご質問のある方は… 中条 俊大（[email protected]）までご連絡ください． 正門方向 川口研究室 今ここの2階 28 その他参考 川口研究室HP イカロス君 Twitter http://www.hayabusa.isas.ac.jp/kawalab/ http://twitter.com/#!/ikaroskun IKAROS Blog http://www.isas.jaxa.jp/home/IKAROS-blog/ IKAROS専門チャンネル http://www.jspec.jaxa.jp/ikaros_channel/ 29 最後に 川口研メンバーがIKAROSジャンパーを着てお待ちしております. 私たちと充実した研究，プロジェクトライフを送りましょう. 是非お越しください！ 30
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