宇宙飛行士は腕を振るだけで方向転換できますが、腕のない衛星はどうでしょうか?

2021年12月9日、「宇宙教師」の翟志剛、王亜平、葉光復が中国の宇宙ステーションで若者たちに素晴らしい宇宙科学の授業を行った。中国の宇宙飛行士が宇宙で講演を行うのは8年ぶりだ。

３人の宇宙飛行士は、宇宙空間で回転したり、水の玉を咲かせたりする実験を実演し、微小重力環境下での宇宙飛行士の特異な生活の一端を見せてくれた。

宇宙教育ライブ放送

（写真提供：新華社B局）

パート1

宇宙で方向転換するのはなぜ難しいのでしょうか?それはすべて角運動量に関することだ

地上では非常に一般的なことのように見える旋回が、宇宙ではなぜそれほど難しいのでしょうか?

これは実際には角運動量保存の原理の効果です。角運動量は、物体の回転を表すパラメータです。一般的に、物体の質量が大きいほど回転速度は速くなり、回転半径が大きいほど角運動量が大きくなります。角運動量保存則とは、物体が回転するときに、その物体に外力が作用していないか、ねじり力の合計が 0 であれば、その角運動量は変化しないことを意味します。

人が宇宙空間に浮遊しているとき、初期の角運動量は 0 です (つまり、静止しており回転していません)。外部の物体の助けなしに体をひねって向きを変えることはできません。宇宙飛行士の葉光復氏の実験の試みはこれを証明しており、地上にいる私たちは地面の力を利用して自分自身を回転させることができる。

宇宙飛行士の葉光復は宇宙回転実験中に上半身を回転させて回転しようとしたが、失敗した。

（写真提供：新華社B局）

この試みには細かい点がありました。葉光甫が上半身を回転させようとすると、下半身は自動的に反対方向に回転しました。これは、上半身が回転すると角運動量が発生し、下半身は自動的に反対方向に角運動量を発生させ、上半身の回転によって発生した角運動量を相殺して保存則を実現するためです。しかしその後、腰椎と腰の筋肉の限界により、上半身は回転し続けることができず（結局、人間は上半身と下半身を切り離して別々に回転させることはできない）、その試みは失敗に終わった。

これにより、新たなアイデアが生まれます。あらゆる角度で自由に回転できる体の部分を見つけ、それを回転させて角運動量を生み出すだけで済みます。すると、物体本体は反対の角運動量を発生させて回転します。そこで葉光甫は腕を振ってうまく向きを変えることに成功しました（同様に、太ももを振って円を描くこともできますが、難しすぎるかもしれません）。

宇宙飛行士の葉光復は右腕を振り回そうとし、見事に方向転換した。

（写真提供：新華社B局）

パート2

宇宙飛行士は「方向転換」の問題にも直面している

宇宙飛行士だけでなく、宇宙を飛ぶ衛星も「旋回」の問題を解決する必要があります。彼らの状況は宇宙飛行士の状況に似ています。他に頼るものがないのに、衛星はどうやって自律操縦を実現できるのでしょうか?この時点で、前回の宇宙講義で説明したジャイロ軸安定性から得られる単一スピン安定性はもはや十分ではありません。

シングルスピン安定化は、初期の人工衛星で使用されていた姿勢制御方法です。衛星全体を直接回転させることにより、衛星の姿勢を安定させます。しかし、宇宙ミッションの拡大に伴い、単一のスピン安定化姿勢制御方式では、地球方位や高精度方位のニーズに対応できなくなっています。

東方紅1号衛星は姿勢制御方式としてシングルスピン安定化を採用している。

（写真提供：中国航空宇宙博物館）

問題よりも解決策の方が常に多く、科学者たちはすぐに二重スピン安定化の姿勢制御法を考案しました。人間の身体には限界があり、上半身と下半身を別々に回転させることはできませんが、衛星は人間が作ったものなので、「上半身と下半身が分離した」衛星を作ることができます。そうすれば問題は解決するのではないでしょうか？

衛星はプラットフォームとローターの 2 つの部分に分かれており、これらはベアリングで接続されています。方向付けが必要なペイロードはプラットフォーム上に配置され、衛星のその他の補助システムはローター内に配置されます。動作中、ローター自体は回転し、プラットフォームはモーターを介して反対方向に回転し、回転停止を実現します。この姿勢制御方法は、一般的に通信衛星でよく使用されます。衛星に搭載された通信アンテナは、二重スピン安定化により地上指向性を実現できます。

風雲2号衛星は二重スピン安定化装置を採用している

（写真提供：国立衛星気象センター）

パート3

ダブルスピン安定化は長期的な解決策ではないため、依然として「腕のスイング」に頼らざるを得ない。

デュアルスピン安定化はうまく機能しますが、時間の経過とともに欠点が露呈します。プラットフォームが比較的小さいため、搭載できる荷重も小さくなります。さらに、二重スピン安定化装置を備えた衛星の場合、太陽電池は衛星の表面にしか設置できないため、太陽エネルギーの利用効率が低くなり、衛星の電力も低くなります。この「方向転換」方法は最適な解決策ではないようで、科学者たちは新しいアイデアを思いつきました。

腕を振るのと同じように、元の巨大なローターの代わりに、回転して角運動量を提供できるコンポーネントがあれば、主要部分であるプラットフォームを制御下で回転させることができます。これが固定バイアス運動量3軸安定姿勢制御の原理です。この姿勢制御方式を採用した衛星には、内部にバイアス運動量ホイールが搭載されています。動作中、運動量ホイールは回転し続け、一定の角運動量を「保持」します。宇宙飛行士が腕の振りの速度を調整して体の回転速度を調整するのと同じように、衛星プラットフォームは必要に応じて運動量ホイールと角運動量を交換することができ、それによって地球や他の天体の方向やその他の姿勢制御要件を達成します。

運動量ホイールの機能は、アームが本体の外側にあるのに対し、運動量ホイールは衛星プラットフォームの内部に収納できることを除けば、アームと本体との間で角運動量を交換して姿勢を制御する機能と類似しています。

（画像出典：動画のスクリーンショットを元に著者が作成）

この方法はさらに拡張可能で、運動量ホイールの数を増やして合理的に配置することで、衛星が回転方向と姿勢制御のために任意の 3 次元方向に「自由な」角運動量を生成できるようになります。この方式は制御精度を大幅に向上させ、衛星の柔軟性を高めるため、さまざまな衛星の姿勢制御サブシステムに広く使用されています。

ATS-6は「3軸安定化」姿勢制御方式を採用した初の衛星です。

(画像提供: NASA)

宇宙の微小重力環境では、地上では当たり前に思える多くのものが違って見えるでしょう。「方向転換」のように一見些細なことのように見えるものにも、衛星の姿勢制御に関する基本原理が含まれています。

宇宙の「ありふれた」外見の下には、私たちが発見し、探求するのを待っている未知のものがまだたくさん隠されていると私は信じています。

謝辞:

本論文の科学的レビューにご協力いただいた中国科学院国家宇宙科学センター複雑宇宙システム電子情報技術重点実験室の Gao Dong 准研究員に感謝の意を表します。

参考文献:

[1] 包妙琴我が国のスピン安定通信衛星の4つの開発計画の比較[J]。中国宇宙科学技術、1992(02):30–37。

[2] 李青中国の静止気象衛星の進歩[J]。スペースリターンとリモートセンシング、2001(01):13–19。

[3] 呂建廷、馬光復、宋斌。バイアスモーメントホイール制御衛星の姿勢制御[J]。制御工学、2007(06):569-571+575.

[4] 張仁偉衛星軌道姿勢力学と制御[M]。初版。北京：北京航空航天大学出版局、1998年。

制作：中国科学普及協会