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システムデザイン学部 航空宇宙システム工学科
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地球周辺の宇宙環境を保全せよ
限界にきている地球周辺の宇宙ゴミ問題
1957年に、旧ソビエト連邦が世界初の人工衛星「スプートニク」を打ち上げてから半世紀以上が経過しました。その間に打ち上げられて地球の周りを回っている人工衛星の多くは、すでに寿命を過ぎ「宇宙デブリ（宇宙ゴミ）」となっています。宇宙デブリには寿命を終えた人工衛星のほか、ロケットの2段目や人為的に破壊された人工衛星の破片などが含まれています。
人工衛星は太陽電池で発電し地球と通信を行いますが、姿勢を適切な方向に向けないと発電や通信が行えなくなり、設計寿命よりも早く宇宙デブリになってしまう危険があります。宇宙デブリを増やさないためには、人工衛星の寿命を長くし、打ち上げる個数を減らす必要があります。また、宇宙デブリが多く漂う軌道は、地球観測に適した太陽同期軌道と呼ばれ利用価値が高い軌道なので、宇宙デブリを除去することが求められています。
宇宙機の姿勢・軌道を効率よく制御する最適制御
人工衛星などの宇宙機の姿勢を希望の方向に向けたり、軌道を維持・変化させたりする際、使用する燃料が少ない方が長寿命化に、また短い時間で同じ動きが実現できれば時間短縮につながります。このように、できるだけ少ない燃料や時間で宇宙機に「希望の動きを実現する方法」の研究分野を「最適制御工学」と呼びます。
一部が壊れても大丈夫 1＋1＝3になる制御
宇宙機の姿勢を効率よく安定して制御するには、3つの軸まわりに制御する必要があり、通常は3個の姿勢制御アクチュエータが必要です。しかし、姿勢変化は単純な足し算では表せない非線形な形をしているので、実は2個の姿勢制御アクチュエータで3つの軸まわりの制御が可能なことがわかっており「劣駆動制御」と呼ばれています。このことは、アクチュエータの一部が故障しても、ミッション継続を可能とする制御ができ、宇宙デブリになるのを防げることを意味します。このようなアクチュエータの一部が故障しても機能を損なわないようにするための制御方法の研究も行なわれています。
宇宙ゴミ除去で期待される「導電性テザーシステム」とは？
導電性テザーシステムの研究開発
宇宙デブリ（宇宙ゴミ）を掃除するためのシステムの1つとして期待されているのが、「導電性テザーシステム」です。導電性テザーシステムとは、「テザー」と呼ばれる長い紐状の物体を衛星から展開し、電気を流して地球磁場との間のローレンツ力（荷電粒子が磁場中を運動するとき磁場により受ける力）を発生させて、軌道変更のための力を得ることをめざしたシステムです。テザーの先端で大型宇宙デブリを捕獲し、地球大気圏に投棄して宇宙デブリを除去することが考えられており、世界の宇宙開発研究機関や大学において、さまざまな計画・検討が進められています。
テザーの制御は容易ではない！
長いテザーの先端を宇宙デブリにランデブー（接近）させ捕獲することができれば、宇宙デブリ捕獲用の衛星をわざわざ宇宙デブリにランデブーさせて捕獲する必要がなくなり、展開するテザーが長くなればなるほど広い範囲の宇宙デブリを除去できることにつながります。しかし、テザーは紐のようなものなので、引っ張ることはできても、押すことはできません。また、地球を周回するシステムからテザーを展開すると、「重力」「遠心力」のほかに「コリオリ力（回転系の上で運動する物体が進行方向に対して受ける直角横向きの力）」が作用し、展開する速度方向と90°異なる方向に力が作用します。さらに、テザーは振り子や弦のように振動もします。このような性質を有するテザーにおいて展開速度を制御し先端を宇宙デブリにランデブーさせることは、導電性テザーシステムを宇宙デブリ除去システムとして実現する上で重要な課題の1つです。
実は制御しないで済むのがベストな制御
モノを動かすためには、駆動部・エネルギーが必要ですが、ベストな制御は実は制御しないでもモノが希望の動きをするような作りや状態にすることなのです。つまり、モノそのものに自然に備わった動きをできるだけうまく利用した制御方法を考えることが、駆動部・エネルギー削減のために重要なことなのです。
高校生・受験生の皆さんへのメッセージ
「モノ」を思い通りに動かすためには、モノがどういうふうに動くかを想像できる素養、すなわち「力学」をよく知らなければなりません。そのためには、物理と数学が必要になります。また、実際にモノを制御するためには計算機が必要です。物理・数学・計算機を使って自動的に自分の思い通りにモノを動かせたときの楽しさを、ぜひとも味わってもらいたいと思います。
夢ナビ編集部監修
