(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙用装置の外面に取り付けられる捕獲プレートであって、
基板と、
前記基板の表面に設けられ、宇宙空間において粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置の前記接着部が接着し得るように構成された表面処理層と、
前記基板の裏面に設けられた磁性層と、
を備える、捕獲プレート。
【請求項２】
宇宙用装置の外面に取り付けられる捕獲プレートであって、
基板と、
前記基板の表面に設けられ、宇宙空間において粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置の前記接着部が接着し得るように構成された表面処理層と、
を備え、
前記表面処理層は、金属酸化物被膜により形成される、
捕獲プレート。
【請求項３】
前記表面処理層は、金属酸化物被膜により形成される、
請求項１に記載の捕獲プレート。
【請求項４】
前記表面処理層は、前記基板にマーク又は色を付すように構成されている、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の捕獲プレート。
【請求項５】
前記表面処理層は、光を反射し得るように構成されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の捕獲プレート。
【請求項６】
前記捕獲プレートは、複数の片に分割されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の捕獲プレート。
【請求項７】
前記捕獲プレートは、前記宇宙用装置の最大慣性主軸上に取り付けられる、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の捕獲プレート。
【請求項８】
前記捕獲プレートは、前記宇宙用装置と前記捕獲装置の接着位置を規定するためのガイド構造を備える、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の捕獲プレート。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の捕獲プレートが取り付けられた、宇宙用装置。
【請求項１０】
宇宙空間において、請求項１〜８のいずれか一項に記載の捕獲プレートが取り付けられた宇宙用装置に、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置を接近させることと、
前記宇宙用装置の前記捕獲プレートに前記捕獲装置の前記接着部を接着させることと、
を含む、宇宙用装置の捕獲方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、捕獲プレート、宇宙用装置及び捕獲方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙空間において「ドッキング」という技術は非常にニーズが高い。ドッキング技術とは、宇宙空間で２つの物体を合体させ固定させる技術である。ドッキング技術は、国際宇宙ステーションに補給船をドッキングするのに使われているが、今後は軌道上でサービスを行ったり、宇宙で不要となった衛星を捕獲するためにドッキングが必要になる。
【０００３】
他方で、ドッキングメカニズムは非常に難しい。これは、ドッキング時に非常に精密な制御が必要となるため、少しでも位置がずれると、対象物が反動により離反してしまうからである。また、一般にドッキングにはモーターやギア等の駆動系が必要であり、これらの駆動系の故障率が高い。さらに、捕獲側と対象物側の双方に重い機構が必要となる。これまでに検討されているドッキング技術としては、例えば特許文献１に記載の技術が提案されている。
【０００４】
複雑なドッキング技術を必要とせず、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置により、対象物を捕獲する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２３７４４３号公報
【特許文献２】特開２０１５−１７４６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
宇宙空間において２つの物体を粘着剤によって構成される接着部で接着するという技術は、複雑な機構を必要としないことから、軌道上で所定のサービスを提供したり、宇宙で不要となった衛星を捕獲するためのドッキング技術として有望視されている。しかしながら、対象物となる衛星の表面はアンテナやセンサーなど、凹凸があることと、ＭＬＩ(Multi  Layer Insulation)という熱制御のための膜がついていることもあるため、１００％確実に捕獲できるわけではない。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、宇宙空間において、宇宙用装置の外面の構造や材質にかかわらず、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置による、宇宙用装置の捕獲性を向上させることができる手段及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、宇宙空間において、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置による、宇宙用装置の捕獲性を向上させるため、宇宙用装置に捕獲プレートを設けることが有用であることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明の一態様は、宇宙用装置に取り付けられる捕獲プレートであって、宇宙空間において粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置が宇宙用装置に接着する部位に取り付けられる、捕獲プレートである。このように、宇宙用装置に捕獲プレートを取り付けることにより、宇宙用装置の外面の構造や材質にかかわらず、宇宙用装置の捕獲プレートに捕獲装置の接着部を簡易かつ確実に接着させることができる。
【００１０】
例えば、捕獲プレートは、単一の材料により構成される。接着部に対する接着性の高い材料を選択することにより、単一の材料であっても、宇宙用装置の捕獲性を向上させることができる。
【００１１】
好ましくは、捕獲プレートは、基板と、基板上に設けられた表面処理層とを備える。これにより、単一の材料のみを用いる場合と比べて、捕獲に有用な様々な機能を捕獲プレートに付与することができる。
【００１２】
例えば、表面処理層は、接着部に対する基板の接着性を高めるように構成されている。これにより、単一の材料を用いる場合と比べて、接着部に対する基板の接着性を高めることができる。
【００１３】
例えば、表面処理層は、基板にマーク又は色を付すように構成されている。捕獲プレートにマークが付されていることにより、宇宙用装置の回転速度を検出できる。宇宙用装置が廃棄物、すなわちデブリになった場合、回転する。回転速度の検出は、デブリとなった宇宙用装置を捕獲する場合に有効となる。また、捕獲プレートに色を付すことにより、宇宙用装置の熱制御を行うことができる。
【００１４】
例えば、表面処理層は、光を反射し得るように構成されている。これにより、表面処理層からの太陽光の反射光を検出することで、捕獲プレートの位置、ひいては、宇宙用装置の位置を特定することができる。
【００１５】
捕獲プレートは、複数の片に分割されていてもよい。これにより、宇宙用装置の表面にセンサー等の構造物が存在する場合において、これら構造物を避けるように捕獲プレートを構成する複数の片を配置することが可能となる。
【００１６】
好ましくは、捕獲プレートは、宇宙用装置の最大慣性主軸上に取り付けられる。宇宙空間において、宇宙用装置の回転は３つの慣性主軸周りに複雑な動きをするが、やがては最大慣性主軸を中心に回ることとなる。このため、最大慣性主軸上にプレートが設置されていると、宇宙用装置の捕獲が容易となる。
【００１７】
捕獲プレートは、宇宙用装置と捕獲装置の接着位置を規定するためのガイド構造を備えていてもよい。これにより、宇宙用装置と捕獲装置の接着位置の位置精度を高めることができる。
【００１８】
本発明の他の態様は、上述した捕獲プレートが取り付けられた、宇宙用装置である。このような捕獲プレートが取り付けられた宇宙用装置は、捕獲装置により捕獲して、様々な処理を行うことが可能となる。
【００１９】
本発明の他の態様は、宇宙空間において、捕獲プレートが取り付けられた宇宙用装置に、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置を接近させることと、宇宙用装置の捕獲プレートに捕獲装置の接着部を接着させることと、を含む、宇宙用装置の捕獲方法である。これにより、捕獲装置により簡易に宇宙用装置をドッキングさせて捕獲することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、宇宙空間において、宇宙用装置の外面の構造や材質にかかわらず、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置による、宇宙用装置の捕獲性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る捕獲プレートの一例の構成を示す平面図である。
【図２】本実施形態に係る捕獲プレートの一例の断面図である。
【図３】リン酸アルマイトからなる表面処理層の拡大断面図である。
【図４】捕獲プレートに設けられるガイド構造の一例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る宇宙用装置の概略構成を示す図である。
【図６】本実施形態の捕獲プレートを備える宇宙用装置を捕獲する側のシステム構成図である。
【図７】本実施形態に係る捕獲装置の概略構成を示す図である。
【図８】本実施形態に係る捕獲方法のフローチャートである。
【図９】本実施形態に係る捕獲方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。上述したように、本発明者は、宇宙空間において、粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置による、宇宙用装置の捕獲性を向上させるため、宇宙用装置に捕獲プレートを設けることが有用であることを見出した。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る捕獲プレートの一例の平面図であり、図２は、本実施形態に係る捕獲プレートの一例の断面図である。
【００２４】
捕獲プレート１は、宇宙用装置に取り付けられるものである。捕獲プレート１は、宇宙空間において粘着剤によって構成される接着部を備えた捕獲装置が宇宙用装置に接着する部位に取り付けられる。宇宙用装置とは、宇宙空間にて使用される装置であれば特に限定はなく、衛星やロケット等が挙げられる。
【００２５】
捕獲プレート１の厚さは、数百μｍ〜数ｍｍであり、例えば１ｍｍ程度である。図１に示す例では、捕獲プレート１は円盤状であるが、矩形状であってもよい。捕獲プレート１の径は数十ｃｍであり、例えば２００ｍｍ程度である。
【００２６】
捕獲プレート１は、基板１０を備える。基板１０は、軽量性、剛性、接着部に対する接着性、宇宙空間耐性に優れる材料からなることが好ましい。捕獲プレート１は、衛星等の宇宙用装置に取り付けられることから、軽量であることが求められ、５０ｇ〜１００ｇ程度であることが好ましい。宇宙空間耐性としては、宇宙における温度変化に対する耐性、宇宙の真空度に対する耐性、取り付け対象となる衛星の熱制御に影響を与えないことが挙げられる。このような材料としては、例えば、金属や金属セラミックス複合材料が挙げられ、より詳細には、アルミニウム、ステンレス、マグネシウム、チタン、銅、アルミニウム／Ｓｉ複合材料等が挙げられる。なお、捕獲プレート１は、単一の材料からなる基板１０のみにより構成されていてもよい。接着部に対する接着性の高い材料を選択することにより、単一の材料であっても、宇宙用装置の捕獲性を向上させることができる。
【００２７】
本実施形態では、捕獲プレート１は、基板１０と、基板１０上に設けられた表面処理層１１とを有する。これにより、単一の材料のみを用いる場合と比べて、捕獲に有用な様々な機能を捕獲プレートに付与することができる。
【００２８】
図１に示す例では、表面処理層１１は、２つの表面処理層１１ａ，１１ｂを備える。
【００２９】
表面処理層１１ａは、接着部に対する基板の接着性を高めるように構成されている。これにより、単一の材料を用いる場合と比べて、接着部に対する基板の接着性を高めることができる。例えば、基板としてアルミニウムを用いた場合、基板の接着性を高めるための表面処理層１１ａとして、リン酸アルマイトを用いることができる。リン酸アルマイトとは、電解質溶液としてリン酸を用いて基板１０を陽極酸化することにより基板１０表面に生じた金属酸化物皮膜をいう。ただし、基板として他の材料を用いた場合には、この材料の接着性を高める処理を適宜用いればよい。
【００３０】
図３は、リン酸アルマイトからなる表面処理層１１ａの拡大断面図である。リン酸アルマイトは、比較的大きな孔径をもつ無数の孔１１ｃを備え、孔径は、例えば１００〜１５０ｎｍである。これにより捕獲装置の接着部の粘着剤が孔１１ｃに入り込みやすくなり、接着部と捕獲プレート１の接着性を向上できる。
【００３１】
表面処理層１１ｂは、基板にマーク又は色を付すように構成されている。図１では、中心にロゴを備える十字状のマークが設けられているが、ロゴはなくてもよく、マークは十字状でなくてもよい。捕獲プレート１にマークが付されていることにより、宇宙用装置の回転速度を検出できる。宇宙用装置が廃棄物、すなわちデブリになった場合、回転する。回転速度の検出は、デブリとなった宇宙用装置を捕獲する場合に有効となる。また、捕獲プレートに色を付すことにより、宇宙用装置の種類（例えば、人工衛星やロケット）に適した熱制御を行うことができる。例えば、基板としてアルミニウムを用いる場合、基板にマークや色を付すための表面処理層１１ｂとして、硫酸アルマイト処理を用いることができる。他に、耐食性を高めたり金属疲労強度を損なわないようにするために、クロム酸アルマイト、ほう硫酸アルマイト、酒石酸アルマイトを用いることができる。
【００３２】
なお、表面処理層１１は、表面処理層１１ａ，１１ｂと異なり、光を反射し得るように構成された表面処理層であってもよい。これにより、表面処理層からの太陽光の反射光を検出すれば、捕獲プレートの位置、ひいては、宇宙用装置の位置を特定することができる。光を反射する表面処理装置を形成する場合には、鏡面処理が好ましく用いられる。
【００３３】
捕獲プレート１は、一枚の基板上に表面処理層１１ａ，１１ｂが形成されたものであってもよい。あるいは、捕獲プレート１は、表面処理層１１ａが形成された基板の片と、表面処理層１１ｂが形成された基板の片とを合体させたものであってもよい。また、図１では、表面処理層１１として、表面処理層１１ａ，１１ｂの組合せを例示したが、上述した表面処理層のうちの少なくともいずれかを含んでいればよく、他の表面処理層の組合せであってもよい。
【００３４】
捕獲プレート１は、宇宙用装置と捕獲装置の接着位置を規定するためのガイド構造を備えていてもよい。これにより、宇宙用装置と捕獲装置の接着位置の精度を向上させることができる。
【００３５】
図４は、ガイド構造の一例を示す図である。図４に示すように、基板１０の裏面、すなわち、表面処理層１１と反対側の面に、ガイド構造としての磁性層１２が設けられている。磁性層１２は、磁性粉により構成される。磁性層１２の材料としては、鉄、コバルト等が挙げられる。この場合、捕獲装置の接着部の一部に磁石を設けておくことにより、宇宙用装置と捕獲装置の接着位置を規定することができる。また、接着部と捕獲プレート１の接着強度を向上させることができる。
【００３６】
なお、ガイド構造の限定はなく、他の構造を採用することもできる。例えば、捕獲プレート１の表面に突起物等を設けておき、捕獲装置の接着部が正しい位置で接着するようにガイドすることもできる。
【００３７】
図１に戻ると、捕獲プレート１の外縁には、複数の取り付け孔１４が設けられている。取り付け孔１４は、例えばねじ穴からなる。これにより、ねじを用いて捕獲プレート１が宇宙用装置に取り付けられる。
【００３８】
図１に示す例では、捕獲プレート１は１つの片又は複数の片が合体されて構成されているが、捕獲プレート１は、複数の片に分割されていてもよい。これにより、宇宙用装置の表面にセンサー等の構造物が存在する場合において、これら構造物を避けるように捕獲プレートを構成する複数の片を配置することが可能となる。
【００３９】
図５は、本実施形態に係る捕獲プレート１を備える宇宙用装置２の概略構成を示す図である。
【００４０】
図５に示すように、宇宙用装置２の外面の一部に捕獲プレート１が取り付けられる。捕獲プレート１は、宇宙用装置２が宇宙空間に打ち上げられる前に取り付けられる。これにより、宇宙空間において宇宙用装置２の破棄や、軌道の修正が必要となった場合、後述する捕獲装置を用いた宇宙用装置２の捕獲が容易になる。
【００４１】
好ましくは、宇宙用装置２の最大慣性主軸上に捕獲プレート１が取り付けられている。宇宙空間において、宇宙用装置の回転は３つの慣性主軸周りに複雑な動きをするが、やがては最大慣性主軸を中心に回ることとなる。このため、最大慣性主軸上にプレートが設置されていると、宇宙用装置の捕獲が容易となる。さらに好ましくは、宇宙用装置２の最大慣性主軸が捕獲プレート１の中心を貫くように、捕獲プレート１が取り付けられる。
【００４２】
本実施形態に係る宇宙用装置２によれば、捕獲装置により捕獲して、様々な処理を行うことが可能となる。これにより、後述するように、宇宙空間において、廃棄、軌道修正、軌道保持等の処理が可能となる。
【００４３】
図６は、本実施形態の捕獲プレート１を備える宇宙用装置２を捕獲する捕獲システム構成図である。図７は、捕獲装置の概略構成を示す図である。
【００４４】
捕獲システムは、宇宙空間に打ち上げられる捕獲装置１００と、捕獲装置１００を対象物となる宇宙用装置２まで誘導する誘導制御部３００と、を備えている。
【００４５】
捕獲装置１００は、ロケット等の宇宙航行体に取り付けられ宇宙空間に打ち上げられるように構成されている。捕獲装置１００は、宇宙空間に存在する対象物に接着する接着部１１０と、推進力を得るための推進部１２０と、を有しており、接着部１１０で対象物に接着して推進部１２０で移動することにより対象物を所定の目標位置へと運搬するように機能するものである。対象物を運搬する際には捕獲装置１００が対象物を押すようにして運搬することが好ましいが、対象物を引くように運搬してもよい。接着部１１０としては、対象物の衝撃を吸収しつつ粘着性を有し、宇宙環境と対象物との温度差に耐えることができ、かつ、捕獲装置１００の本体に熱を伝えないような粘着剤を採用することが好ましい。このような粘着剤としては、シリコーン粘着剤が好ましく用いられる。なお、粘着剤はシリコーン粘着剤に限られるものではなく、他の粘着剤を採用してもよい。また、このような粘着剤とともに、対象物を把持する機械的な把持機構を設けることにより、捕獲装置１００による対象物の捕捉をアシストすることもできる。推進部１２０としては、固体燃料スラスタ、小型イオンスラスタ、デジタルスラスタ等を採用することができる。
【００４６】
また、捕獲装置１００は、自己の位置及び姿勢を制御するための自律制御部１３０をさらに有している。自律制御部１３０としては、ジャイロセンサやＧＰＳで検出した姿勢角のずれや位置ずれを修正するための修正用スラスタを制御するスラスタコントローラ等を採用することができる。
【００４７】
誘導制御部３００は、地上に設置した基地局に設けられており、所定の通信手段を用いて捕獲装置１００を移動させて、対象物に接近させるものである。
【００４８】
次に、図８のフローチャートを用いて、本実施形態に係る捕獲方法について説明する。
【００４９】
まず、捕獲装置１００を宇宙航行体に取り付けて打ち上げ、捕獲装置１００を対象となる宇宙用装置に接近移動させる（誘導工程：Ｓ１）。誘導工程Ｓ１においては、例えばＧＰＳ航法を用いて、対象となるスペースデブリの比較的近く（例えばスペースデブリから数ｋｍの位置）まで捕獲装置１００を移動させ、スタートラッカ等を用いてスペースデブリから数十ｍから百ｍの位置まで捕獲装置１００を接近させ、さらに、光学カメラ等により数ｍの位置まで捕獲装置１００を接近させる、等の方法を採用することができる。
【００５０】
次いで、図９に示すように、自律制御部１３０で捕獲装置１００の姿勢及び位置を制御しつつ、宇宙用装置２の捕獲プレート１に捕獲装置１００の接着部１１０を接着させる（接着工程：Ｓ２）。これにより、宇宙用装置２と捕獲装置１００がドッキングする（図９）。
【００５１】
その後、宇宙用装置２に対して所定の処理が実行される（処理工程：Ｓ３）。この処理の内容は、宇宙用装置２の捕獲の目的により異なる。
【００５２】
宇宙用装置２がスペースデブリの場合であって、捕獲の目的がスペースデブリの除去の場合、捕獲装置１００を大気圏に向けて移動させることにより、スペースデブリを大気圏に向けて運搬する。これにより、スペースデブリを大気圏に突入させて、焼却処分することができる。なお、捕獲装置１００は、スペースデブリとともに焼却されて使い捨てられることとなる。
【００５３】
宇宙用装置２が人工衛星の場合であって、捕獲の目的が人工衛星の軌道修正の場合には、捕獲装置１００を現在の第一の軌道とは異なる第二の軌道に向けて移動させることにより、人工衛星を第二の軌道に向けて運搬する。これにより、人工衛星を第一の軌道から第二の軌道へと移動させることができる。なお、捕獲装置１００については、人工衛星に接着させた状態のまま人工衛星と共存させることができる。
【００５４】
宇宙用装置２が人工衛星の場合であって、捕獲の目的が人工衛星の軌道保持の場合には、捕獲装置１００を接着させた人工衛星の静止軌道上の位置を保持するように捕獲装置１００の推進部１２０を制御する。これにより、人工衛星の静止軌道上の位置を保持（軌道保持）することができる。この場合も、捕獲装置１００を人工衛星に接着させ人工衛星と共存させることができる。
【００５５】
以上のようにして、宇宙用装置２に対して所定の処理が実行される。ただし、捕獲後の処理の内容に限定はなく、その他の処理を採用してもよい。また、所定の処理（運搬や軌道保持）を終えた後に捕獲装置を対象物から離脱させるための構成を採用することもできる。
【００５６】
なお、デブリ除去の場合には、誘導工程Ｓ１と接着工程Ｓ２との間に、スペースデブリの形状及び／又は回転状態を把握するデブリ状態把握工程を実施することもできる。かかる工程を採用すると、捕獲装置１００が最終的なアプローチを行い、より確実な接着が可能となる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態に係る捕獲方法によれば、宇宙空間において、粘着剤によって構成される接着部１１０を備えた捕獲装置１００により、宇宙用装置２を簡易かつ確実に捕獲することができる。
【００５８】
なお、複数の捕獲装置１００を搭載しておき、複数の対象物にマルチランデブー（マルチドッキング）して、対象物を捕獲するごとに捕獲装置１００を切り離しても良い
【００５９】
なお、上述した捕獲プレート１を用いた捕獲方法は、さらなる別の捕獲方法と組み合わせてもよい。例えば、接着部１１０と捕獲プレート１とを用いて、一旦宇宙用装置２に捕獲装置１００を合体させた後、その後さらに別の機械的なドッキングシステムを使用してもよい。これにより、燃料補給やデータトランスファー、修理などの軌道上サービスを提供することができる。
【００６０】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００６１】
１…捕獲プレート
２…宇宙用装置
１０…基板
１１，１１ａ，１１ｂ…表面処理層
１１ｃ…孔
１２…磁性層
１４…取り付け孔
１００…捕獲装置
１１０…接着部
１２０…推進部
１３０…自律制御部
３００…誘導制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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