平成30年6月

第774号

宇宙機最悪帯電プラズマ環境の国際標準化豊田和弘（九州工業大学）

宇宙機最悪帯電プラズマ環境の国際標準化豊田和弘（九州工業大学）

宇宙機の電位を見積もるためには宇宙機
1. はじめにはじめに1.の表面材料の帯電物性のような宇宙機側のデ表面材料の帯電物性のような宇宙機側のデー
1)

1997年の静止衛星TEMPO
2の放電事故1997 年 の 静 止 衛 星 TEMPO
2 の 放 電 事 故をタの他に、GEOプラズマ環境データが必要にー タ の 他 に 、GEO プ ラ ズ マ 環 境 デ ー タ が 必 要

きっかけに、宇宙機帯電放電に関する研究がをきっかけに、宇宙機帯電放電に関する研究なる。設計初期段階では最悪な帯電状態を生になる。設計初期段階では最悪な帯電状態を盛んになり、打ち上げ前には地上での帯電放が盛んになり、打ち上げ前には地上での帯電じるようなプラズマ環境を入力することが望生じるようなプラズマ環境を入力することが1）

電試験が行われるようになった。これに伴放電試験が行われるようになった。これに伴まれるが、どのようなプラズマ環境が最悪環望まれるが、どのようなプラズマ環境が最悪い、人工衛星搭載太陽電池パネルの帯電放電境であるかは定まっていない。そのため宇宙試験方法がISO-11221として日本から提案さ機の最悪帯電状態をもたらすプラズマ環境をれて国際標準化し、各国の研究機関で使用さISO_TC20（航空機及び宇宙）／SC14（宇宙れている。しかし、帯電プラズマ環境に関すシステム及び運用）／WG4（宇宙環境）にる国際標準は2012年の時点で存在しておられている。しかし、帯電プラズマ環境に関す提案し、国際標準として策定することを目指る 国 際 標 準 は 2012 年 の 時 点 で 存 在 し て お らず、平成24年度国際標準開発事業として宇宙際標準として策定することを目指した。
した。

い、人工衛星搭載太陽電池パネルの帯電放電
試 験 方 法 が ISO-11221 と し て 日 本 か ら 提 案 されて国際標準化し、各国の研究機関で使用さ環境であるかは定まっていない。そのため宇宙機の最悪帯電状態をもたらすプラズマ環境
を ISO_TC20(航 空 機 及 び 宇 宙 ） /SC14 (宇 宙 シス テ ム 及 び 運 用 )/WG4(宇 宙 環 境 )に 提 案 し 、国ず 、平 成 24 年 度 国 際 標 準 開 発 事 業 と し て 宇 宙
機帯電電位見積りに関する国際標準化を開始
機帯電電位見積りに関する国際標準化を開始した。

3. 国際標準の概要
国際標準の概要
3.

しここでは国際標準化活動の背景、概要と経た。

現 在 ま で に 様 々 な GEO プ ラ ズ マ 最 悪 環 境
現在までに様々なGEOプラズマ最悪環境が緯、また期待される効果について述べる。
ここでは国際標準化活動の背景、概要と経観測され発表されているが、プラズマ環境のが観測され発表されているが、プラズマ環境

緯、また期待される効果について述べる。

分布関数は電子と陽子それぞれに対して、以の分布関数は電子と陽子それぞれに対して、

2. 国際標準化活動の背景

下の式のようにダブルマクスウェル分布また
以下の式のようにダブルマクスウェル分布ま2.

宇宙機の設計初期段階で宇宙空間での帯電国際標準化活動の背景を見積もっておくことは放電事故を回避する宇宙機の設計初期段階で宇宙空間での帯ために重要である。宇宙機の帯電状態はその電を見積もっておくことは放電事故を回避す軌道によってことなり、それは軌道によりプはマクスウェル分布で表されている。

たはマクスウェル分布で表されている。
3/2

mf  v   
 2 

 n
 mv 2  mv 2 n21
exp  exp  

3/2
3/2
  kT1  2kT1   kT2  2kT2 n は 密 度 を 、T は 温 度 を 示 し て お り 、v は 荷ラズマ環境が異なることが原因である。低地るために重要である。宇宙機の帯電状態はそ

nは密度を、Tは温度を示しており、vは荷球軌道（LEO）では宇宙機の電位はプラズマの軌道によってことなり、それは軌道により電粒子の速度である。ダブルマクスウェル分

プラズマ環境が異なることが原因である。低環境ではなく発電電圧に依存する。そのため

布 の 場 合 は ２ つ の 密 度2つの温度で表現する。
、２つの温度で表現す
布の場合は2つの密度、

地 球 軌 道 （ LEO） で は 宇 宙 機 の 電 位 は プ ラ ズ
宇宙機は放電閾値以上の発電電圧にならないる。密度、温度が１つだけの環境はマクスウ
密度、温度が1つだけの環境はマクスウェル

マう
環境
発て
電い
電圧に依存する。
たよにで設は計なさくれる。一方、静止そ軌の道ェル分布である。
分布である。

電粒子の速度である。ダブルマクスウェル分（GEO）では宇宙機の発電電圧によらずプラめ宇宙機は放電閾値以上の発電電圧にならな

本標準化活動では、実際にこれまで人工衛本標準化活動では、実際にこれまで人工衛ズマ環境によって電位が決まる。そのため宇いように設計されている。一方、静止軌道星で計測されているプラズマ環境の中で、人星で計測されているプラズマ環境の中で、人宙機電位シミュレーションソフトで電位を見（ GEO） で は 宇 宙 機 の 発 電 電 圧 に よ ら ず プ ラ

工衛星が最も帯電する環境を提供することが工衛星が最も帯電する環境を提供することが宇宙機の電位を見積もるためには宇宙機のめ、最悪環境だと考えてられていたプラズマ積もる必要がある。
ズマ環境によって電位が決まる。そのため宇宙機電位シミュレーションソフトで電位を見積もる必要がある。

目的である。この最悪帯電環境を選定するた目的である。この最悪帯電環境を選定するため、最悪環境だと考えてられていたプラズマ環境をリストアップし、複数の宇宙機電位帯1トピックス

フトで同様の結果を得ることができ、ラウンドロビン解析へ進むことができた。
（3）東京で国内外から専門家を集めワークショップを開催した。ここでラウンドロ
ビン解析のモデル、プラズマ環境を決定した。またISO草稿の目次について議論し、決定することができた。
4.2. 平成25年度の活動
2 回 目 の ワ ー ク シ ョ ッ プ を 開 催 し、
図1

帯電解析に用いられた衛星モデル

MUSCAT、NASCAP-2k、SPIS、COULOMB-2によるラウンドロビン解析を行うことを決定

環境をリストアップし、複数の宇宙機電位帯した。ISO草稿の作成を行った。

電解析ソフトで計算して最悪環境を決定した。用いたソフトはMUSCAT、NASCAP-2k、4.3. 平成26年度の活動

SPIS、COULOMB-2の4つの帯電解析ソフト（1）平成26年4月に新業務項目提案（NWIP：に入力し、同じ衛星モデル（図1）を使ってNew Work Item Proposal）を提出し、投ラウンドロビン解析を行った。

票の結果、新規プロジェクトとして平成2）

26年7 月にNP 19923として登録された。
太陽光は太陽電池パネルに垂直に照射されプロジェクトにはエキスパートが最低4ており、太陽光ありの場合、なしの場合で解カ国から参加する必要があり難しい所析が行われた。その結果、絶縁体と導体の間であったが、これまでのワークショップで電位差が一番大きくなるプラズマ環境を最で呼びかけていたこともあり、日本、ア悪環境として提案した。宇宙機帯電で最も事

メリカ、ロシア、中国からエキスパート

故が発生しやすいのは太陽電池パネル上でのが入りNPとして認められることとなっ放電であり、太陽電池セルのカバーガラスとた。

衛星構体電位に近い太陽電池との間で電位差が大きくなることで放電が発生することにな（2）WG4国際会議でCDへ移行することが認められた。
（3）3回目のワークショップを開催した。

る。

こ こ で MUSCAT、NASCAP-2k、SPIS、
4. 活動の経緯

COULOMB-2によるラウンドロビン解析

4.1. 平成24年度の活動の結果が出揃い、最悪帯電プラズマ環境（1）宇宙プラズマ環境調査を行った。

を決定した。またISO草稿の作成を行っ（2）帯電解析ソフトによるワーストケースた。の評価を行うため、あらかじめNASCAP2kで計算されていた衛星モデル、プラズ
マ環境を用いてMUSCATを使って計算を行った。これにより2つの帯電解析ソ2

平成30年6月

図2第774号

第3回ワークショップ

4.4. 平成27年度以降の活動（1）CDCを行って得られたコメントをCDに反映した。
（2）CD投票の結果、平成28年4月にDISへ移行することが認められた。

6. おわりに
本標準化活動は、経済産業省の国際標準開発事業として、平成24年度から平成26年度まで3年間の支援を受けて行われ、平成29年5月に無事IS 19923として国際標準化することが（3）DIS投票の結果、FDIS投票を行うことできた。これは毎年国内外から専門家を招いになり、得られたコメントを草稿に反映てワークショップを計3回開催することがでさせた。

きたことが大きく、海外の意見を草稿に反映（4）FDIS投票の結果、平成29年5月3日付
けでIS 19923“Space environment（naturalすることでスムーズに標準化まで進めることができたと考える。

and artificial）-- Plasma environments for

ま た 日 本 航 空 宇 宙 工 業 会 の 皆 様、国 内

generation of worst case electrical potential

WG4委員長および委員の皆様のご協力無く

differences for spacecraft”が成立した。

しては標準化を成し遂げることは困難であり、この場を借りて感謝を申し上げたい。

5. 本国際標準に期待される効果
また、衛星の帯電状態のワーストケースを参考文献

正しく評価する事で、起こり得る放電事象に

1）Katz, I. , Davis, V.A. and Snder, D.B. ：備えることができ、地上帯電放電試験で確認“Mechanism for Spacecraft Charging Initiatedを行うことで衛星の不具合削減に大きく寄与

Destruction of Solar Arrays in GEO”, AIAAすることができる。この結果、衛星の信頼性

98-1002, 36th Aerospace Sci. Meeting（1998）が向上し、利用拡大につながることにより宇2）K. Toyoda and D.C. Ferguson,“Spacecraft宙産業の発展に寄与する。

potential estimation in worst caseenvironment,”13th Spacecraft Charging
Technology Conference, 2014.
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