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CUTE-II 「 風見」

CUTE-II 「 風見」. 東京工業大学. ～機械宇宙システム専攻松永研究室～ 宮澤航，占部智之，居相政史，柏宗孝，山口伸斉，尾曲邦之， 浅見正，東ヶ崎優，森田幾太郎，矢部秀幸 ～基礎物理学専攻河合研究室～ 倉本祐輔，山本佳久. 目次. CUTE-II への道のり ミッション背景・意義（工学・理学） ミッション・概観 ミッション解析（工学・理学） バス機器設計 ミッションシーケンス まとめ. CUTE-II への道のり（1/2）. 2003年6月30日　東工大 CUTE-I 打ち上げ. CubeSat 打ち上げ. CUTE-I.

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CUTE-II 「 風見」

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Presentation Transcript

  1. CUTE-II 「風見」 東京工業大学 ～機械宇宙システム専攻松永研究室～ 宮澤航，占部智之，居相政史，柏宗孝，山口伸斉，尾曲邦之， 浅見正，東ヶ崎優，森田幾太郎，矢部秀幸 ～基礎物理学専攻河合研究室～ 倉本祐輔，山本佳久

  2. 目次 • CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  3. CUTE-IIへの道のり（1/2） 2003年6月30日　東工大CUTE-I 打ち上げ CubeSat打ち上げ CUTE-I ・大学主体の低コストで教育を主とするボトムアップ型宇宙開発の先駆け ・基本的な衛星バス機器開発技術，衛星運用技術の習得 技術の継承および新ミッションの提案

  4. Research-Oriented 今回のターゲット 学生主導における開発の実現性を十分に意識した規模 20cm×20cm×20cm，5kg 10cm×10cm×10cm，1kg “風鈴”の実現にむけての技術蓄積，技術実証の段階 CUTE-IIへの道のり（2/2） 第10回衛星設計コンテスト　「ガンマ線バースト観測衛星“風鈴”」 50cm×50cm×50cm，50kg Educational-Oriented

  5. なぜ数kg衛星なのか？ • 宇宙工学教育 • 学生主導により，ミッション企画，解析，設計，製作，試験，打上，運用など全ての衛星開発を極めて短期間かつ低コストで「実際に」行える • 実証試験機 • 商業として成立しにくいハイリスクな先端科学技術の実証試験機として大型衛星にフィードバックが可能となる．技術の橋渡し的存在． • 実利用機 • 高機能MEMS技術を駆使しながら超小型衛星ならではの実際に役立つミッションを実施できる魅力的な未開拓分野． 従来とは異なるミッション企画，設計開発方法，運用を必要とする将来有望な「人工衛星利用の新しいパラダイム」である

  6. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  7. 大型展開アンテナ ソーラーセイル 太陽発電衛星 （JAXA HPより） （NTT未来ねっと研究所 HPより） （惑星協会 HPより） 大型膜面展開技術 ・膜構造物の解析手法は確立していない 現状の課題 ・地上試験が困難 ・失敗の可能性が高く，実証機会が少ない 早期開発・実証の大学主導小型衛星では，ハイリスクでチャレンジングなミッションを遂行することが可能！！ 工学的ミッション背景（1/3） 1.大型膜面展開

  8. 荷電粒子密度分布の方向依存性が観測できるといった理学ミッションの実行に繋がる荷電粒子密度分布の方向依存性が観測できるといった理学ミッションの実行に繋がる 工学的ミッション背景（2/3） 2.簡単な姿勢制御方式 ・小型衛星では，使えるリソース（質量，体積，電力等）が特に少ない ・姿勢制御方式も可能な限り簡素な方式を採用することが望ましい 膜を使って何かできないだろうか？ 空力トルクを利用した受動的姿勢制御方式（風見安定姿勢制御方式）

  9. 工学的ミッション背景（3/3） 3. デブリ化防止 宇宙開発の敷居低下による ・小型衛星開発の活発化 　・打ち上げ機会の増加 スペースデブリ問題の深刻化 小型衛星を頻繁に打ち上げていくためには同時にデブリ防止策も含めて検討していくことが重要

  10. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  11. 理学的ミッション背景（1/3） 検出器 東工大発小型観測衛星「風鈴」 • 新センサー（APD）搭載 ⇒次世代大型X線衛星（XEUS、NeXT)　 でAPD搭載検討中 新センサー（APD） 早期動作実証必要！ XEUS

  12. オーロラ帯 SAA (南大西洋異常帯） 放射線帯 理学的ミッション背景（2/3） 粒子探査 • 低エネルギー荷電粒子探査 ⇒SAA（南大西洋異常帯）も探査 • SAA以外の荷電粒子異常帯 γ線バースト観測衛星HETE-Ⅱ偶然発見！ SAAを含む軌道荷電粒子探査

  13. 理学的ミッション背景（3/3） ミッション意義 • SAA含む低エネルギー荷電粒子計測 • 世界初宇宙で放射線検出器APDの動作実証 • 次世代X線衛星（NeXT、XEUS)への足がかり

  14. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  15. CUTE-II ミッション CUTE-II「風見」　5大ミッション • APDの動作実証（理） • 超小型衛星による膜面展開技術の実証（工） • 空力トルクを利用した風見安定姿勢制御方式の確立（工） • SAA, オーロラ帯の低エネルギー電子陽子密度分布観測（理） • 大気抵抗を利用した大気圏再突入によるデブリ化防止（工） 赤：実証試験，青：実利用 超小型衛星で実現する理工学融合ミッション

  16. CUTE-II概観 ロケット分離時 膜展開時 面積：5.15m2厚さ：12.5mm 200mm 200mm 200mm 質量 5kg 太陽電池パドル展開時 2.3m

  17. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  18. ミッション解析（1/4）膜展開 12個のラッチ機構を2本のナイロン線で固定 ニクロム線を加熱し，ナイロン線を焼き切ってすべてのラッチ機構の拘束同時に解くことで同時分離を実現！ 収納部 拡大図 ラッチ機構

  19. ミッション解析（1/4）膜展開 ステムビーム （STEM:Storable Tubular Extendible Member） 拘束を外すと歪みエネルギが解放されて円筒形状に戻る

  20. 解析結果 衛星姿勢運動は安定！ ミッション解析（2/4）姿勢安定 風見姿勢安定解析 • 解析条件 外乱トルク（大気抵抗・重力傾度トルク）は膜展開後，軌道高度300kmを周回中として計算 局所垂直水平座標系（LVLH座標系）に対する衛星姿勢の安定性について解析 座標系定義

  21. 軌道高度が低下し， 大気圏に突入 ミッション解析（3/4）再突入 ・最後は自ら大気圏再突入を行う自己処理型衛星 大気抵抗

  22. ミッション解析（3/4）再突入 軌道高度の変化（展開前） 弾道係数：0.44 軌道高度はほとんど変化しない

  23. 高度350kmからは2年程度で再突入が可能 ミッション解析（3/4）再突入 軌道高度の変化（展開後） 弾道係数：0.44 弾道係数：32.1

  24. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  25. ミッション解析（4/4）観測 SAA観測の困難 106 • 荷電粒子多数存在 104 ～108cts/s(<30keV) 従来の検出器では… 102 • 雑音レベルが高い • 時間応答悪い 106cts/s/cm2 (@E>40keV) さらに小サイズである必要あり！ これまでに無い新しい検出器が必要！

  26. 9cm APD 2.5cm ミッション解析（4/4）観測 Avalanche Photodiode(APD) • 高性能 • 非常に小さく、消費電力小 重量 : ~2g 電力 : ~数mｗ 衛星の制約 　　　　　全体でタバコ1.5箱、1.5W

  27. ノイズレベル等価的1/G低下 時間応答が良い　　～10１０cts/s (＠岸本et al.1998) 光 － + e or p なだれ増幅 E e ミッション解析（4/4）観測 APDの利点 p n- n n+ • 内部で信号増幅 (増幅率G＝４0～100倍） － + ＞ 108cts/s（<30keV@SAA)

  28. ミッション解析（4/4）観測 観測系の設計 バイアス電源 Analog Modules, 521-1-M　… APD Buffer/Gain amp (LM6365) FPGA （Altera, MAX7000) 工学側へ cp cp Current Amp (LM6365) comparator（AD53519) 総電力:～1.5W-1.6Wサイズ：９cm×6cm×3cm

  29. 打ち上げ軌道 最適なのは，高度350～460kmの宇宙ステーション軌道だが今回の衛星の実証試験部分に関しては，どういった軌道でも対応可能．

  30. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  31. バス機器設計 • 姿勢決定・制御系 • C&DH系 • 通信系 • 電源系 • 構造系 • 分離機構

  32. （1）姿勢決定・制御系 太陽センサ 姿勢決定精度 ジャイロ 5 deg以下 加速度センサ 磁気センサ 姿勢安定精度 風見安定 磁気トルカ 3.75 deg/sec以下 各軸1本×3 ・基本的に風見安定制御で姿勢は安定維持 ・ロール軸周りに生じる回転についても磁気トルカで制御可能 理学ミッションからの要求を実現

  33. （2）通信系 ・通信周波数帯UHF (DL)　　VHF (UL) ・通信速度　9600bps (FM)　12wps (CW) マージン 4.83dBW（FM）3.64dBW（CW）

  34. （2）通信系 地上局分布 地上局として東工大およびHETE-2のGCN（GRB Coordinates Network）を想定する 1日あたり9173 sec の通信時間，1.4 MB の通信量を確保

  35. （3）C&DH系 メモリ保存データ量 15.7 Mbyte / day ・MPU SH3 SH7709A（133MHz）・メモリSDRAM 32MB　× 3 (冗長)最大2日間，全てのHKデータをストア可能・OSHKデータのファイル管理にeCosを使用 地上局との通信容量　　1.4 Mbyte / dayHKデータは地上からのコマンドに応じてダウンリンク

  36. （4）電源系 最大消費電力8W 太陽電池セル Multi - Junction型 GaAs（効率 27.7%，発生電力 15.6W） バッテリー リチウムイオン2次電池（2直列，並列6ユニット），電力量44.8Wh 制御方式 PPT方式

  37. （5）構造系 1.膜の収納方法

  38. （5）構造系 磁気トルカ APD 全質量4.76kg CCDカメラ

  39. （6）分離機構 H-IIAロケットからの分離 CUTE-Iで使用実績のある超小型衛星用分離機構　 （東工大 松永研究室 開発） CUTE-I 回路ボックス 分離機構

  40. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  41. ミッションシーケンス 3.アンテナ，パドル展開 2.ロケットから分離 4.初期動作，APD動作確認 5.膜面展開 8.大気圏再突入 6.風見安定姿勢制御 1.打ち上げ 7荷電粒子観測 （JAXA　HPより）

  42. 開発スケジュール

  43. CUTE-IIへの道のり • ミッション背景・意義（工学・理学） • ミッション・概観 • ミッション解析（工学・理学） • バス機器設計 • ミッションシーケンス • まとめ

  44. 机上の空論ではない衛星の設計を今後も進め，実際の打ち上げ機会を確保すべく，開発を進めていく！机上の空論ではない衛星の設計を今後も進め，実際の打ち上げ機会を確保すべく，開発を進めていく！ まとめ 超小型衛星CUTE-II「風見」の設計を行った CUTE-II「風見」　5大ミッション • APDの動作実証（理） • 超小型衛星による膜面展開技術の実証（工） • 空力トルクを利用した風見安定姿勢制御方式の確立（工） • SAA, オーロラ帯の低エネルギー電子陽子密度分布観測（理） • 大気抵抗を利用した大気圏再突入によるデブリ化防止（工） 赤：実証試験，青：実利用

  45. END 東京工業大学

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