自己組立する三角モジュールが次世代の巨大観測施設を変える
ロケットの打ち上げ能力が向上する一方で、宇宙機器の規模を制限する要因が依然として存在する。それがフェアリング（ロケット本体を覆う保護カバー）のサイズだ。この物理的な制約により、通信アレイや電力衛星といった大型構造物を軌道上に展開することが難しくなっている。南京航空航天大学と北京理工大学の研究者らが発表した新しい研究は、この課題に対して、自己調整可能な展開式モジュールという革新的な解決策を提案している。
従来技術の限界を乗り越える設計
現在、宇宙機器の展開には通常、メジャーのように巻き取ることができるカーボンファイバー製の剛性ブームが使用されている。ところが実際の環境では、このシステムはほぼ完璧に展開されることがない。複数のモジュールを組み立てる際には、数ミリメートルの誤差でさえミッション全体の失敗につながりかねない。
研究チームが開発したシステムは、三つの六角形コーナーポッドをカーボンファイバーロッドで接続した構造をしている。重要な点は、各コーナーポッドにスプールとスラスタ（推進装置）が搭載されていることだ。ステッパーモーターでスプールを駆動することで、各モジュールはカーボンファイバーロッドの長さをコマンドで調整できる。これにより、モジュールは接続対象の構造体に合わせてサイズを変更できるだけでなく、制御フィードバックループから得られるわずかな調整により、計画された構造パターンにぴったり適合することが可能になる。
実験で98パーセント以上の補正を実現
モジュール配置の操作に活躍するのがスラスター装置だ。各コーナーポッドに搭載されたコールドガススラスターは、中央制御システムに接続され、モジュールを前後に移動させたり、回転させて目標の回転速度に合わせたりできる。スラスターでモジュールが十分に接近すると、各ポッドに埋め込まれた永久磁石が引き力を発生させ、最後の数センチメートルの距離で強力に吸着する。
理論上の有効性を検証するために、研究者らは複雑な数学的枠組みの開発に取り組んだ。剛性のあるコーナー部と柔軟なカーボンファイバーアームを組み合わせ、さらに推進剤を消費するにつれて変化する質量を考慮した動的制御方程式を立式する必要があったためだ。
実際の検証は、花崗岩板の上に精密なエアベアリングを使用したシステムで行われた。このセットアップは天井に設置したカメラで常にポッドの位置を追跡し、その座標をリアルタイムで制御アルゴリズムにフィードバックする。リアルタイム調整が無効だった場合、製造上の欠陥やカーボンファイバーの曲がりによる撓みにより、磁石ラッチがうまく作動せず、組立に失敗した。「アクティブモーフィング制御」を有効にすると、コントローラーはブーム長さと位置誤差を98パーセント以上補正でき、磁石が正確にロックする状態に達した。
この研究は宇宙における自律的な大型構造物組立への第一歩を示す。やがて複数のモジュールからなる自律型スウォームが電力プラットフォームや深宇宙観測施設をはじめとする様々な施設を軌道上で組み立てる時代がくるとみられる。
出典: Universe Today
