CUTE-II 「 風見」

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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. - PowerPoint PPT Presentation

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CUTE-II 「風見」

~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

東京工業大学

Page 2: CUTE-II 「 風見」

目次

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

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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

技術の継承および新ミッションの提案

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

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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”」Research-Oriented

50cm×50cm×50cm, 50kg10cm×10cm×10cm, 1kg

Educational-Oriented

“ 風鈴”の実現にむけての技術蓄積,技術実証の段階

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

今回のターゲット

Page 5: CUTE-II 「 風見」

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

Page 6: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 7: CUTE-II 「 風見」

工学的ミッション背景( 1/3)

ソーラーセイル

(惑星協会 HPより)

太陽発電衛星

( JAXA HPより)

大型展開アンテナ

( NTT未来ねっと研究所 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

・失敗の可能性が高く,実証機会が少ない・地上試験が困難現状の課題早期開発・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!!

1.大型膜面展開

Page 8: CUTE-II 「 風見」

・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

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)

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

膜を使って何かできないだろうか?

Page 9: CUTE-II 「 風見」

3. デブリ化防止

 ・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

工学的ミッション背景( 3/3)

宇宙開発の敷居低下による

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

Page 10: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 11: CUTE-II 「 風見」

理学的ミッション背景( 1/3)

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

XEUS

新センサー( APD)

早期動作実証必要!

検出器

Page 12: CUTE-II 「 風見」

理学的ミッション背景( 2/3)

γ 線線線線線線線線線Ⅱ線線線線線

SAAを含む軌道荷電粒子探査

SAA 以外の荷電粒子異常帯

低エネルギー荷電粒子探査

⇒SAA(南大西洋異常帯)も探査

放射線帯

オーロラ帯

SAA( 南大西洋異常帯)

粒子探査

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理学的ミッション背景( 3/3)

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

ミッション意義

Page 14: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 15: CUTE-II 「 風見」

CUTE-II ミッション

CUTE-II「風見」  5大ミッション1. APDの動作実証(理)

2. 超小型衛星による膜面展開技術の実証(工)

3. 空力トルクを利用した風見安定姿勢制御方式の確立(工)

4. SAA, オーロラ帯の低エネルギー電子陽子密度分布観測(理)

5. 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)

超小型衛星で実現する理工学融合ミッション

赤:実証試験,青:実利用

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質量 5kg2.3m

面積:5.15m2 厚さ: 12.5m

CUTE-II概観ロケット分離時

太陽電池パドル展開時

膜展開時

200mm

200mm200mm

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1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 18: CUTE-II 「 風見」

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

収納部

ラッチ機構

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!

拡大図

Page 19: CUTE-II 「 風見」

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

ミッション解析( 1/4)膜展開

Page 20: CUTE-II 「 風見」

{b3}

{b1}

{b2}

{b}: 衛星固定座標系

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

衛星姿勢運動は安定!

解析結果 座標系定義

風見姿勢安定解析

ミッション解析( 2/4)姿勢安定

Page 21: CUTE-II 「 風見」

大気抵抗 軌道高度が低下し,

大気圏に突入

・最後は自ら大気圏再突入を行う自己処理型衛星

ミッション解析( 3/4)再突入

Page 22: CUTE-II 「 風見」

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000[ ]時間 日

[km]

軌道高

度軌道高度の変化(展開前)

弾道係数: 0.44

ミッション解析( 3/4)再突入

軌道高度はほとんど変化しない

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ミッション解析( 3/4)再突入

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000[ ]時間 日

[km]

軌道高

度軌道高度の変化(展開後)

高度 350kmからは 2年程度で再突入が可能

弾道係数: 0.44

弾道係数: 32.1

Page 24: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 25: CUTE-II 「 風見」

雑音レベルが高い

時間応答悪い

これまでに無い新しい検出器が必要!

106 cts/s/cm2 (@E>40keV)

荷電粒子多数存在

従来の検出器では…

~ 108cts/s(<30keV)

さらに小サイズである必要あり!

106

104

102

SAA観測の困難

ミッション解析( 4/4)観測

Page 26: CUTE-II 「 風見」

ミッション解析( 4/4)観測

高性能

非常に小さく、消費電力小    重量 : ~2g 電力 : ~ 数mw

2.5cmAPD

9cm

衛星の制約     全体でタバコ 1.5 箱、 1.5W

Avalanche Photodiode(APD)

Page 27: CUTE-II 「 風見」

ミッション解析( 4/4)観測

+-

++--

n+n-np

EE

内部で信号増幅( 増幅率 G =4 0~ 100倍) e or p

なだれ増幅

e

ノイズレベル等価的 1/G低下

時間応答が良い  ~ 10 10 cts/s

( @岸本 et al.1998)108cts/s( <30keV@SAA)

APDの利点

Page 28: CUTE-II 「 風見」

ミッション解析( 4/4)観測

cpFPGA( Altera,

MAX7000)cp

バイアス電源Analog Modules,

521-1-M   …

工学側へ

APD

Current Amp

(LM6365)

Buffer/Gain amp (LM6365)

総電力 :~ 1.5W-1.6W サイズ:9 cm×6cm×3cm

comparator( AD53519)

観測系の設計

Page 29: CUTE-II 「 風見」

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.

Page 30: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 31: CUTE-II 「 風見」

バス機器設計

(1) 姿勢決定・制御系

(2) C&DH 系

(3) 通信系

(4) 電源系

(5) 構造系

(6) 分離機構

Page 32: CUTE-II 「 風見」

( 1)姿勢決定・制御系

風見安定 姿勢安定精度3.75 deg/sec 以下

姿勢決定精度5 deg 以下

磁気トルカ

太陽センサ

磁気センサ

ジャイロ

加速度センサ

理学ミッションからの要求を実現

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

Page 33: CUTE-II 「 風見」

FM CW周波数 MHz 430.00 430.00

送信機出力 W 2.00 0.10送信EIRP dBW -3.14 -16.15軌道高度 km 350.00 350.00最低仰角 deg 5.00 5.00

受信アンテナピークゲイン dB 15.00 5.00受信増幅器利得 dB 20.00 20.00伝送データレート bps 9600.00 10.00

受信Eb/N0 dBW 23.14 31.95受信C/N0 dBW 62.96 41.95

受信電力レベル dBW -142.64 -163.65要求Eb/N0 dBW -13.30 -13.30要求C/N0 dBW -56.13 -36.31要求受信電力 dBW -150.97 -150.97マージン(Eb/N0) dBW 7.84 16.65マージン(C/N0) dBW 4.83 3.64

マージン(受信電力レベル) dBW 28.33 7.32

電力束密度 dBW/m2/4kHz -181.35 -174.54

項目 単位送信

( 2)通信系

・通信周波数帯 UHF (DL)     VHF (UL)

・通信速度 9600bps (FM)   12wps (CW)

4.83dBW( FM) 3.64dBW( CW)

マージン

Page 34: CUTE-II 「 風見」

( 2)通信系

地上局分布

1日あたり 9173 sec の通信時間, 1.4 MB の通信量を確保

地上局として東工大および HETE-2のGCN( GRB Coordinates Network)を想定する

Page 35: CUTE-II 「 風見」

( 3) C&DH 系

・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・ OS HK データのファイル管理に eCosを使用

メモリ保存データ量 15.7 Mbyte / daybit /  sec Mbyte / day

APD観測データ 70 0.61観測位置座標,姿勢データ 24 0.21HKデータ 1366 14.8

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

Page 36: CUTE-II 「 風見」

( 4)電源系

Multi - Junction型 GaAs(効率 27.7%,発生電力 15.6W)

 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

太陽電池セル

バッテリー

Subsystem DeviceInitial Attitude

ControlMembrane

DeploymentPaddle

DeploymentDaylight

MeanEclipseMean

Magnetorquer 840 280 280 280 280Medium Sun Sensor 0 0 0 0 0Triaxial geomagnetic sensor 825 825 825 825 825Gyro + Acceleration sensor 10 10 10 10 10DL:430MHzFM2.0W Transmitter 0 0 0 200 250DL:430MHzCW Transmitter 100 100 100 100 100UL:140MHzFM Receiver 80 80 80 80 80TNC 300 300 300 300 300CCD Camera 0 135 135 135 135

C&DH OBC 1300 1300 1300 1300 1300SXS  Unit 0 0 0 640 640High Voltage Unit 0 0 0 600 600Analog Circuit 0 0 0 440 440Solar Panel not Active not Active not Active Active not ActiveBattery(at Charge) Discharge Discharge Discharge 2331.45 Discharge

S&M Paddle deployment motor 0 0 300 0 0Total (not Margin) 3455 3030 3330 7241.45 4960Total (10% Margin) 3800.5 3333 3663 7965.595 5456Time Max Time [sec] 20000 200 60 3000 300

ADCS

Comm

Mission

EPS

PPT方式制御方式

最大消費電力8W

Page 37: CUTE-II 「 風見」

( 5)構造系

  山 折

  谷 折

1. 膜の収納方法

Page 38: CUTE-II 「 風見」

( 5)構造系

磁気トルカ

APD

CCD カメラ

全質量4.76kg

Page 39: CUTE-II 「 風見」

( 6)分離機構H-IIA ロケットからの分離

回路ボックス

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)

分離機構

CUTE-I

Page 40: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 41: CUTE-II 「 風見」

ミッションシーケンス

( JAXA   HPより)

1.打ち上げ

2. ロケットから分離

5. 膜面展開

8.大気圏再突入6.風見安定姿勢制御

7 荷電粒子観測

3.アンテナ,パドル展開

4. 初期動作, APD 動作確認

Page 42: CUTE-II 「 風見」

開発スケジュール

2004 1年 月 2005 1年 月2003 6年 月 2005 8年 月

基本設計 詳細設計 維持設計

BBM

EM設計・製作

FM設計・製作

EM各種試験・改良

FM各種試験・改良

PDR CDR 打ち上げ

打ち上げ機会の模索・周波数調整および申請

概念設計

Page 43: CUTE-II 「 風見」

1. CUTE-IIへの道のり

2.ミッション背景・意義(工学・理学)

3.ミッション・概観4.ミッション解析(工学・理学)5.バス機器設計6.ミッションシーケンス7.まとめ

Page 44: CUTE-II 「 風見」

まとめ超小型衛星 CUTE-II「風見」の設計を行った

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!

CUTE-II「風見」  5大ミッション1. APDの動作実証(理)

2. 超小型衛星による膜面展開技術の実証(工)

3. 空力トルクを利用した風見安定姿勢制御方式の確立(工)

4. SAA, オーロラ帯の低エネルギー電子陽子密度分布観測(理)

5. 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

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東京工業大学

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