小型衛星における開発プロセスの効率化

Concept Development of a Design and Analysis System for Small Satellite Preliminary Design
based on a Standardized Design Approach
関川 賢一＊
Kenichi Sekikawa

衛星システム設計者あるいはペイロード設計者をユーザのターゲットとし、概念設計、基本設計フ
ェーズにおける設計評価解析を比較的簡単に実施することにより、設計コストを低減化することを目的とする衛星設計支援システムの概念検討を行った。衛星設計の中で一般的に最も多く設計変更が繰り返される概念／基本設計フェーズにおいて、設計変更を評価する解析をスムーズに行うことは設計コスト低減の重要なポイントである。この衛星設計支援システムでは、設計者は任意の衛星システムの設計を白紙の状態から開始するのではなく、目的とするミッションの要求に合致した「標準モデル」を選択することにより、ペイロード及び衛星システムの概念／基本設計を開始できる。標準モデルに対応する解析モデルも同時に作成されるため、設計変更に必要な評価解析も最低限の入力で行うことができる。本システムを導入することにより、概念／基本設計の大部分の作業を削減することができ、設計コストの低減が期待できる。
A design and analysis system is proposed to provide a quick and simple tool for designing anddynamic analysis of small satellites for preliminary design. It is based on a standardized design
approach, which saves effort in configuring a satellite, and constructing math models and performing
relevant analyses. The user generates math models for a satellite design based on the standardized
models instead of generating them from scratch. With this analysis system, the iterative process indesign cycles is accelerated, thus development cost in preliminary design phase is expected to bereduced. This paper refers to the concept development of the proposed system including some
optional capabilities desired to be added. System architecture, needs for a graphical user interface,
and user's manipulation steps with inputs and outputs are assessed.

1．まえがき星システムの簡素化により信頼性を向上させる設計が進んだことが主な要因であると思われる。さらに、設計及人類初の人工衛星スプートニク１号が1957年ソビエび製作コストの低減化の必要性によるところが大きいとト連邦（当時）により打ち上げられて以来、衛星及びそれ考えられる。このような状況を踏まえ、衛星の開発コスを利用した通信システムは現代の我々の日常生活においトを低減する設計支援システムを構築し提案する。てなくてはならないものとなった。これまでに打ち上げられた衛星の質量と大きさは、年々増加の傾向を保って

2．衛星設計支援システムの概念検討きた。通信衛星、科学衛星、観測衛星等は、高まる多様衛星設計支援システム（以下、「本システム」とする）な要求及び技術的チャレンジを満たすために、その衛星を提案するにあたり、衛星システム設計者あるいはペイシステムは複雑化し、巨大化してきた。しかし近年、衛ロード設計者をユーザのターゲットとし、概念設計、基星の特徴に変化が現れている。長期間の飛行を必要とす本設計フェーズにおける設計評価解析を比較的簡単に実る一部の惑星探査衛星、多数のミッション機器を搭載し施することにより、設計コストを低減化することを目的た大型衛星、技術試験衛星等は依然として大型、重量衛とする衛星設計支援システムの概念検討を行った。従来星の傾向を保つ一方、通信衛星、観測衛星、科学衛星はの設計手法では多くの場合、設計変更に必要な評価解析小型、軽量化の傾向を示すものが多くなっている。搭載を設計者とは別の解析者が行っていたため、円滑なリア機器の軽量化及び小型化の技術が進んだこと、また、衛ルタイムの作業が困難であった。衛星設計の中で一般的＊つくば事業部 第二技術部

MSS技報・Vol.1712に最も多く設計変更が繰り返される概念／基本設計フェより呼び出され、3Dモデラーに取り込まれる。図１にーズにおいて、設計変更を評価する解析をスムーズに行本システムの構成図を示す。

うことは設計コスト低減の重要なポイントである。本シ

筆者は本システムの実現性を検討するために標準モデ

ステムでは、設計者は任意の衛星システムの設計を白紙ルのサンプルを作成し、操作手順を構築した。さらに、の状態から開始するのではなく、目的とするミッション

vN4Wプログラムファイルを用いて図１に基づいたシスの要求に合致した「標準モデル」を選択することにより、テムのデモ版を作成し、解析モデルの作成、解析の実施、ペイロード及び衛星システムの概念／基本設計を開始で解析結果の表示が最低限の操作で迅速に行えることを確きる。標準モデルは各衛星サブシステム（熱、姿勢、電認した。また、標準モデルの候補を検討し、GUIのデザ力、通信、テレメトリ／コマンド、推進、ペイロード、インも提案した。詳細については、参考文献を参照され構造サブシステム）の機能を十分に備えたいわゆる最適たい。

化モデルである。また、標準モデルに対応する解析モデ
ルも同時に作成されるため、設計変更に必要な評価解析3．課題と今後の展開も最低限の入力で行うことができる。解析数学モデルは筆者はデモ版を試作することにより、一部の要素技術飛行実績のある衛星の実測データによりコリレーションやシステムの実現性を確認した。しかしながら、GUIとされているため、試験による評価の一部を省略することプログラムファイルのインターアクション及び標準モデができる。本システムを導入することにより、概念／基ルの作成さらにはコリレーションについては未実施であ

本設計の大部分の作業を削減することができ、設計コスる。前者については、vN4WのAPI（ 外部プログラムイトの低減が期待できる。標準モデルの役割は大きく分けンタフェース）機能を用いれば可能であるが、後者の標て２つある。一つは、ユーザが試験に頼らずに設計を評

準モデルの作成とコリレーションについては課題が残る。

価できる信頼性の高い解析結果を提供すること。つまり、標準モデルを作成するには、衛星システムの設計を最適トレードスタディを行う毎に試験を行わずとも、設計を化／簡素化することが必要であり、このためには評価できることである。もう一つは、ユーザのデザイン

Multifunctional Structures（MFS：多目的構造材料）及スペースを広げるために、多様な標準モデルを用意するびCOTS（民生品）の導入が必須であろう。また、各サブことである。

システムが最適化された衛星システムを構築し、さらに、本システムは、衛星サブシステムのうち構造サブシス

飛行実績のある衛星の設計データ及び試験データを取得

テムに特化した。他のサブシステムは標準モデルとしてし、解析数学モデルをコリレーションすることは最重要最適化されていると仮定した。ユーザは標準ペイロード課題である。ここで、コリレーションを自動的に行えるの形状（円筒形、箱型、サポート構造あり／なし等）、寸モジュールをシステムに付加することは、ユーザにとっ法、材料を決定した後、ミッション要求に合致した標準て大きな利点になるはずである。

化衛星バスと結合することにより衛星システムを構築す

筆者はコリレーションをある程度システム化することる。解析に必要な構造数学モデルも同時に作成される。

が可能と考える。試験（Modal Survey Test）
を正しく行

さらに、実施する解析項目を選び、必要なパラメータをい、コリレーションに供することのできる質のよい試験

入力することにより、最も一般的な構造解析を実施し、データさえ取得してしまえば、既存の要素技術を統合すペイロード等の主要なコンポーネントにおける振動環境ることにより、これを達成する手法が考えられる。

等を迅速に評価することができる。
本システムのターゲットユーザが解析者ではなく設計者であることを踏まえ、汎用構造解析プログラム
MSC.visualNASTRAN for Windows（vN4W）をベース

UserにGUIを用いたユーザインタフェースを検討した。ユー

Graphical User Interface

ザにより入力されたパラメータはGUIを介し、プログラムファイルと呼ばれるいわゆるマクロファイルに渡されStandardized
Math Models

Program Fileる。プログラムファイルはvN4Wの操作コマンドの集合であり、3Dモデラー、ソルバー、ポストプロセッサの3D Modeler

各モジュールを操作することによりあらかじめ用意されSolver

Postprocessor

Systemた手順を実行する。同様に解析モデルを作成し、解析及び結果表示を行う。標準モデルはプログラムファイルに13

図１

システム構成Transfer
Function
Synthesis

User
Graphical User Interface
Standardized
Math ModelsAutomated MathModel Correlation

EffectiveMass

Program File

3D Modeler

SolverKinetic EnergyDistribution

Strain EnergyDistribution

MAC

図２

Postprocessor

SystemModalSurvey Test

自動コリレーションを含むシステム構成

Effective mass（ 有効質量）、モード直交性（MAC：ある。もうそろそろ、本システムのようなシステムが確

Modal Assurance Criteria）、Kinetic energy（運動エネ

立されてもいいころではないだろうか。技術的課題は依ルギー）、Strain Energy Distribution（歪エネルギー分

然残っているが、それはいつの時代もそうである。それ布）、伝達関数合成（Transfer Function Synthesis）のキを乗り越えて前進するのがエンジニアである。

ーワードによって表される手法を組み合わせることによ

参考文献

り、大部分のコリレーションを自動的に行うシステムを構築できると考えられる。システムの概念を図２に示す。

盧

Sekikawa, Kenichi, "Concept Development of a

ただし、コリレーションする際に必要な各部の剛性あるDynamic Analysis System for Small Satellite

いは質量分布等の修正範囲が現実的なプロパティでなくPreliminary Design based on a Standardizedてはならないことには注意が必要である。例えば、あるDesign Approach", Thesis for Master of Science in

箇所の剛性を10倍に修正すれば試験データとよく一致す

Aerospace Engineering at Florida Institute ofるというコリレーションは現実的でないことは明らかでTechnology, Melbourne FL, December, 2004ある。
4．むすび
本システムのような設計／開発コストを低減する目的のシステムを構築することは、様々な製造業界で試行錯誤が繰り返されている。しかしながら、期待される効果が得られ、実用化が成功した例は少なくとも筆者の知る限りでは見当たらない。自動車などは外観のデザインが商品価値の大きな部分を占めるゆえに、設計を標準化すること自体がナンセンスであるのかもしれない。航空宇宙業界では必ずしもそうではない。衛星について言及すれば、人類は50年ほど、我が国では35年ほどの歴史がMSS技報・Vol.17

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