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HOME > 研究 > 研究紹介 > 機械工学専攻|山田 克彦 教授
機械工学専攻「次世代宇宙機のための姿勢制御・軌道設計」
新しい姿勢制御装置のアルゴリズムを開発 人工衛星が編隊飛行する高度な軌道を設計 機械工学専攻 山田 克彦 教授

多様化・高度化する宇宙機のミッション

究極のフロンティアと呼ばれる世界がある。宇宙と深海だ。その一方の宇宙を開拓し、利用するための道具が「宇宙機」と呼ばれる人工衛星や惑星探査機、宇宙ステーションなどの機械システムだ。それらは多様化・高度化するミッションを遂行すべく、絶えず進化している。

観測衛星を例にとろう。1世代前までの観測衛星は、地球周回軌道を回りながら、常に地球方向を向き、真下を撮影していればよかった。現在でもそうした観測が主流ではあるが、観測衛星も進化している。目的地点の真上に衛星が来るのを待って撮影するのではなく、衛星自身が自らアクティブに向きを変え、目的地点を狙って観測しようという段階に入っているのだ。自然災害が発生した場合など、いち早く被災地の状況を把握することが適切な救援・復旧活動につながる。また、たとえばスカイツリーのような高い建築物などを撮影する場合、真上からだけでなく、通過前から通過後まで撮影することで立体的な観測が可能になり、得られる情報量は飛躍的に高まる。

目的地点を正確に狙うには、地球の自転も計算に入れなければならない。地形の変化も加味しなければならない。高速で飛行しながら、そうしたコントロールを行うことはアクロバティックといってもいいだろう。しかも、宇宙空間には支点となる足場がない。姿勢制御技術の研究は、実に奥が深いのだ。

宇宙機の新しいアクチュエータとしてコントロール・モーメント・ジャイロ(CMG)の制御アルゴリズムを研究。CMGは角運動量交換型の姿勢制御装置で、大きな出力トルクが得られるため、宇宙機の姿勢を素早く変えられる。 実験装置は研究室のメンバーが設計・製作。CMGも大学内の工場で組み上げられたオリジナルだ。最近では3Dプリンタを使って部品をつくることもある。
新しいアクチュエータが不可能だった姿勢制御を可能に

山田研究室のメインテーマのひとつは、こうした宇宙機の姿勢制御を実現する上で鍵となる、アクチュエータを用いた姿勢制御アルゴリズムの研究開発だ。

「複雑な姿勢制御が実現できるようになってきた要因としては、アクチュエータの技術革新によるところが大きいですね。目的地点の上空近傍を通過する非常に短い時間の中で、パッパッパッと衛星の向きを切り替えられる、そんな能力を持ったアクチュエータが具体化してきたのです。それが、我々が研究対象としているコントロール・モーメント・ジャイロ(CMG)です」。

従来からあるアクチュエータは、「リアクションホイール」といって、内蔵のホイールを回転させ、そこで発生する反力を利用した装置だ。対してCMGは、角運動量の向きを変えるもので、回転するホイールの回転軸(ジンバル軸)の方向を変化させることで大トルクを発生させる装置だ。地球ゴマというジャイロ効果を体験できる科学玩具で遊んだことのある人は、高速で回転しているものの回転軸を変えようとすると、以外に大きな抵抗があることを経験しているのではないだろうか。CMGはトルクが大きいため、宇宙機の姿勢を素早く変えることができ(つまり角加速度が大きい)、大型の宇宙機の姿勢制御にも適している。

数値シミュレーションと実験でアルゴリズムを開発

CMGには、ジンバル軸を1個持つシングルジンバルCMG、2個持つダブルジンバルCMG、さらにリアクションホイールの機能を合わせ持った可変速ダブルジンバルCMGなど複数のタイプがあるが、それぞれにメリットとデメリットがあり、宇宙機の仕様やミッションに従って最適の解を見出さなければならない。

「可変速ダブルジンバルCMGを使えばxyzの3軸方向にトルクを出せるので、1台で姿勢制御ができそうですが、装置の構造は複雑だし、1方向だけトルクが小さいのであまり実用的ではありません。規模の大きな国際宇宙ステーションにはダブルジンバルCMGが4台搭載されていて、8方向の自由度があるのですが、これは1、2台故障しても制御が可能なように冗長性を持たせているためです」。

研究室では、CMGの種類や数の異なるバリエーションひとつひとつについて、姿勢制御の数値シミュレーションを行い、圧縮空気で浮上させることで宇宙空間を再現できる実験装置で検証。CMGには、ジンバル角の組み合わせによってはトルクを出せない方向が存在する「特異点問題」も立ちはだかっているが、研究室のメンバーたちは、世界標準となり得るような、理想的なアルゴルリズム開発をめざして姿勢制御に挑戦している。

人工衛星の編隊飛行を実現する軌道を設計

山田研究室のもうひとつのテーマが宇宙機の軌道設計だ。

近年、注目されている宇宙機の軌道設計に「フォーメーションフライト」がある。これは、複数の人工衛星が、まるで糸で結ばれたかのように付かず離れず、一定の相対関係を保ちながら編隊飛行をすること。最も簡単なものは同一軌道に等間隔で複数の衛星を配置したフォーメーション。複数の衛星がぐるぐると円周を描くような編隊飛行を円フォーメーションという。このフォーメーションフライト、実はそれぞれの人工衛星はそれぞれの軌道を周回しているだけなのだが、その周期が等しければ衛星間の相対距離は一定範囲に収まり、外見上、編隊飛行に見えるというわけだ。

だが、相対距離は一定に保たれるため、反射鏡と検出器の機能を分担し、長焦点の望遠鏡を宇宙空間に浮かべるという利用も考えられ、プロジェクトも動き出している。

このように、宇宙機がそれぞれのミッションを遂行するためには最適な軌道を割り出す必要があり、山田研究室では、数値シミュレーションを用いて様々なミッションを想定した軌道を検討している。

「最適な軌道には、いかに速く、少ない燃料で軌道に到達できるか。あるいは太陽や月の引力といった外乱や地球の重力のひずみによる軌道の乱れを考慮した軌道制御まで視野にいれなければなりません」。

宇宙スケールで機械を思い通りにコントロール

姿勢と軌道。宇宙機の制御を研究することには、どんな魅力があるのだろう。山田教授は言う。

「もちろん宇宙への憧れや神秘もあるのですが、当研究室の場合、力学的な対象(宇宙機)があって、それを自在にコントロール(制御)したいというモチベーションが強いように思います。つまり我々は制御理論そのものをやっているわけではなく、制御理論を力学的な対象に適用することがメインのテーマとなります。我々が頼りにするのは、力学です。しかも、空気や摩擦の影響を無視できる宇宙空間は、力学モデルが忠実に従う世界であり、数学で説明がつく世界。物理現象を力学と数学の力を借りて理解し、その法則を適用することで何ができるかを追究するところに醍醐味があります」。

機械を思い通りに動かす。それも宇宙スケールで。他ではできない研究がここにある。

機械工学専攻|山田 克彦 教授

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