宇宙テザーミッション

数多くの宇宙テザーが宇宙ミッションに配備されています。^{[1]テザー衛星は、}テザー推進、潮汐安定化、軌道プラズマダイナミクス の研究など、さまざまな目的に使用できます。

ミッションはさまざまな程度の成功を収めましたが、いくつかは非常に成功しました。

テザー衛星は、ベース衛星、テザー、サブ衛星の 3 つの部分で構成されています。ベース衛星には、展開されるまでサブ衛星とテザーが含まれます。ベース衛星は別の基本衛星である場合もあれば、宇宙船、宇宙ステーション、または月である場合もあります。テザーは 2 つの衛星を接続したままにします。サブ衛星は、スプリング放出システム、遠心力、または重力勾配効果によってベースから解放されます。

テザーは、電気力学的推進、運動量交換、人工重力、センサーやアンテナの展開など、さまざまな用途に展開できます。テザーの展開の後には、位置保持フェーズ（特に目標状態が垂直システム方向の場合）が続き、展開システムが許可する場合は、引き込みが行われることもあります。^[要出典]

軌道維持段階と引き戻し段階では、特に大気の影響を考慮すると、安定性のために能動的な制御が必要です。単純化の仮定がない場合、ダイナミクスは、一連の常微分方程式と部分非線形方程式、非自律微分方程式、および連立微分方程式によって支配されるため、非常に困難になります。これらの条件により、考慮すべき動的問題のリストが作成されます。^[2]

• 宇宙ステーションとサブ衛星の3次元剛体力学（秤動運動）
• 有限質量のテザーの面内および面外の振動運動
• テザー接続点のベース衛星の質量中心からのオフセットと、オフセットの制御された変動
• テザーの横方向振動
• 外部からの力

1966 年、ジェミニ 11 号は 30 メートル (98 フィート) のテザーを展開し、0.00015 g の回転によって安定化されました。

テザー衛星システム1（TSS-1）は、1970年代初頭にスミソニアン天体物理観測所のマリオ・グロッシとパドヴァ大学のジュゼッペ・コロンボによってNASAとイタリア宇宙機関（ASI）によって提案されました。これはNASAとイタリア宇宙機関の共同プロジェクトであり、1992年7月31日から8月8日までスペースシャトルアトランティスに乗ってSTS-46中に飛行しました。^[3]

TSS-1 ミッションの目的は、重力勾配安定化のテザー概念を検証し、宇宙物理学とプラズマ電気力学を調査するための研究施設を提供することでした。このミッションでは、衛星が完全に展開されなかったものの、テザーシステムのダイナミクスに関するいくつかの側面が明らかになりました。衛星は 78 メートルで停止し、その障害が解決された後、展開は 256 メートル (840 フィート) の長さまで続きましたが、再び停止し、そこで作業は最終的に終了しました^[4] (提案された全長は 20,000 メートル (66,000 フィート) でした)。展開リール システムの最終段階の変更により、ボルトが突き出てしまい^[5]、展開メカニズムが詰まり、展開が完全に伸びるのを妨げました。この問題にもかかわらず、結果は、長い重力勾配安定化テザーの基本概念が健全であることを示しました。また、いくつかの短い展開ダイナミクスの問題を解決し、安全上の懸念を軽減し、衛星を長距離展開できることを明確に実証しました。^[2]

短いテザーの長さで到達した電圧と電流は、ほとんどの実験を実行するには低すぎました。しかし、低電圧測定が行われ、テザーによって誘発される力と電流の変化が記録されました。「リターンテザー」電流に関する新しい情報が収集されました。このミッションは1996年にTSS-1Rとして再飛行されました。^[6]

4年後、TSS-1の後継ミッションとして、TSS-1R衛星が1996年2月下旬にSTS-75ミッションでスペースシャトルコロンビア号から放出されました。^[6] TSS-1Rミッションの目的は、テザーを軌道船の20.7km上空に展開し、そこに留まってデータを収集することでした。TSS-1Rミッションは、宇宙プラズマ物理学の探究実験を行うことでした。予測によると、長い導電性テザーが地球の磁場を通過すると、テザーシステムに電流を流すEMFが生成されることが示されました。

TSS-1Rは（5時間かけて）19.7km（12.2マイル）まで展開されたが、そのときテザーが切れた。この破断は絶縁体の破断箇所からの放電によるものと考えられた。^[7]

テザーの展開は完全に伸びる前に終了したが、達成された伸びは、数多くの科学的推測を検証するのに十分な長さであった。これらの発見には、運動起電力^[8] 、衛星電位^[9] 、軌道船電位^[10]、テザーの電流^[11]、テザーの抵抗変化^[12] 、高電荷球状衛星の周囲の荷電粒子分布^[13]、および周囲電場^[8]の測定が含まれていた。さらに、重要な発見は、球状エンドマス上の異なる電位での電流収集に関するものである。テザー上で測定された電流は、以前の数値モデル^[14]の予測を最大 3 倍も上回った。これらの結果のより詳細な説明は、Thompson ら^{[15]に記載されている}。シャトルの電子充電とそれが電流収集に与える影響のモデル化^[11]、および物体と周囲のプラズマとの相互作用、ならびに電力の生成が改善された。 ^[16]

2番目のミッションであるTSS-2は、上層大気の実験にテザーコンセプトを使用するように提案されていましたが、^[17]飛行することはありませんでした。^[18]

より長いテザー システムも、運用上 (ヨーヨー デスピン システムとして) およびテザーの概念とダイナミクスをテストするように設計されたミッションの両方で、衛星ミッションで使用されています。

短いテザーシステムは、衛星やロボット宇宙探査機でよく使用されています。最も有名なのは、テザーが「ヨーヨーデスピン」機構で使用されていることです。これは、固体ロケットの噴射モーターの点火中に探査機が回転し、飛行中に回転を解除する必要があるシステムでよく使用されます。^[19]この機構では、長いケーブルの端にある重りが、回転する衛星の本体から離れた場所に配置されます。ケーブルが切断されると、スピンの角運動量のほとんどまたはすべてが、切断された重りに伝達されます。例として、NASAの ドーンミッションの第3段階では、12メートル（39フィート）のケーブルにそれぞれ1.44 kg（3.2ポンド）の重りが2つ配置されていました。^[20]

1993 年と 1994 年に、NASA は「小型展開システム」(SEDS) を使用して 3 つのミッションを開始しました。SEDS では、使用済みのデルタII の第 2 段ロケットに取り付けられた 20 km (12 マイル) (SEDS-1 および SEDS-2) および 500 メートル (1,600 フィート) (PMG) のテザーを展開しました。この 3 つの実験は、軌道上での長いテザーの初めての成功した飛行であり、機械的および電気力学的テザーの動作を実証しました。

長いテザーシステムの最初の完全に成功した軌道飛行試験はSEDS-1であり、これは展開のみの単純な小型展開システムを試験した。テザーは垂直に振られ、1周後に切断された。これにより、ペイロードとテザーはグアムからメキシコ沖の再突入軌道に乗せられた。再突入は十分に正確で、事前に配置されていた観測者がペイロードの再突入と燃焼をビデオ撮影することができた。^[21]

SEDS-2は、1994年3月9日にデルタ（GPSブロック2衛星とともに）で打ち上げられた。フィードバックブレーキにより、展開後のスイングは4°に制限された。ペイロードは、バッテリーが切れるまで8時間データを返した。この間、テザーのトルクにより4rpmまで回転した。テザーは展開から3.7日後に切断された。ペイロードは（予想通り）数時間以内に再突入したが、デルタ端の7.2km（4.5マイル）の長さは、1994年5月7日の再突入まで切断されることなく残った。テザーは、太陽に照らされ、暗い空を背景にすると、肉眼で簡単に見ることができる物体だった。^[21]

これらの実験では、テザーモデルが検証され、テザーを使用して再突入機を再突入軌道に下向きに展開できることが実証されました。^[22]

後続の実験であるプラズマモータージェネレーター（PMG）では、SEDS展開装置を使用して500メートルのテザーを展開し、電気力学的テザーの動作を実証しました。^{[21] [22]}

PMGは、宇宙船と電離層の間に低インピーダンスの双極電流を供給する中空陰極アセンブリ（HCA）の能力をテストするために計画された。さらに、このミッション構成は、軌道エネルギーを電気に変換することで、発電機だけでなく軌道ブーストモーターとしても機能することを示すことも期待されていた。テザーは、長さ500メートルの絶縁された18ゲージ銅線であった。^[21]

このミッションは、デルタ II ロケットの副次的ペイロードとして 1993 年 6 月 26 日に打ち上げられました。実験全体は約 7 時間続きました。その間、電流は完全に可逆的であり、したがって電力を生成し、軌道をブーストするモードが可能であることが実証されました。中空陰極は、電流を周囲のプラズマと接続するための低電力の方法を提供することができました。これは、HC が電子収集および放出能力を実証したことを意味します。^[23]

テザー物理および生存実験 (TiPS) は、1996 年に米国海軍研究所のプロジェクトとして開始され、長さ 4,000 メートルのテザーが組み込まれました。2 つのテザー物体は「ラルフ」と「ノートン」と呼ばれました。TiPS は地上から双眼鏡や望遠鏡で見ることができ、アマチュア天文学者が偶然に発見することもありました。テザーは 2006 年 7 月に破断しました。^[24]この長期統計データ ポイントは、SEDS-2 ミッション後に J. キャロルが発表したデブリ モデルや、ミュンヘン工科大学の D. サバスによる地上テストと一致しています。他の地上テストに基づく TiPS の最大 2 年間の生存予測は、過度に悲観的であることが判明しています (例: McBride/Taylor、Penson)。それに伴う SEDS-2 の早期打ち切りは、おそらく上段のデブリの衝突に関連する異常事態と見なす必要があります。^[24]

先進テザー実験 (ATEx) は、TiPS 実験の後継として海軍宇宙技術センターによって設計および構築されました。ATEx はSTEX (宇宙技術実験) ミッションの一部として飛行しました。ATEx は、6 km (3.7 マイル) の長さに展開することを意図したポリエチレン テザーで接続された 2 つの端の質量を持ち、新しいテザー展開スキーム、新しいテザー材料、アクティブ制御、および生存性をテストすることを目的としていました。ATEx は 1999 年 1 月 16 日に展開され、わずか 22 m のテザーを展開した後、18 分後に終了しました。テザーが予想される離脱角度から外れ始めた場合に STEX を保護するように設計された自動保護システムによって投棄がトリガーされましたが、^[25]これは最終的にテザーの過度のたるみが原因でした。^[26]展開の失敗の結果、ATEx の目標はどれも達成されませんでした。^[27]

1997年、欧州宇宙機関は、約200kg（440ポンド）の若手技術者衛星（YES）を35km（22マイル）の二重鎖テザーでGTOに打ち上げ、テザーシステムをスイング展開することで惑星間速度に近い速度で探査機を軌道から外す計画を立てた。^[28]達成された軌道はテザー実験の当初の計画とは異なり、安全上の考慮からテザーは展開されなかった。^[28]

YESの10年後、後継機であるYoung Engineers' Satellite 2 (YES2)が打ち上げられた。^[29] YES2は学生が製作した36kgのテザー衛星で、ESAのFoton-M3微小重力ミッションの一部であった。YES2衛星は32kmのテザーを使用して小型再突入カプセル「Fotino」を軌道から外した。^{[30] [31] [32]} YES2衛星は2007年9月14日にバイコヌールから打ち上げられた。カプセルの通信システムが故障し、カプセルは失われたが、展開テレメトリによると、テザーは最大長まで展開され、カプセルは計画どおりに軌道から外れたと思われる。Fotinoはカザフスタンの着陸地点に向かう軌道に投入されたが、信号は受信されなかったと計算されている。カプセルは回収されなかった。^[28]

こうのとり統合テザー実験（KITE）は、 2016年12月に宇宙航空研究開発機構（JAXA）によって打ち上げられた日本の宇宙ステーション補給機（HTV）6号機のテザー技術のテストでした。2016年1月27日に国際宇宙ステーションから切り離された後、700メートル（2,300フィート）の電気力学的テザーを展開する予定でしたが、故障によりテザーは展開されませんでした。^[33] 機体は展開されずに大気圏で燃え尽きました。^{[34]この実験では、}カーボンナノチューブ電界放出カソード の実証に成功しました。^[33]

CubeSatは小型で低コストの衛星で、通常は他のミッションの補助的なペイロードとして打ち上げられ、学生プロジェクトとして構築、運用されることが多い。いくつかの CubeSat ミッションではテザーの展開が試みられたが、これまでのところ成功していない。

マルチアプリケーション サバイバル テザー(MAST) は、1 km のテザーを備えた 1 kg の CubeSat モジュール 3 つを打ち上げました。CubeSat モジュールのうち 2 つ (「Ted」と「Ralph」) は展開されたテザーの端部質量として意図され、3 つ目 (「Gadget」) はテザーを上下に移動するクライマーとして機能しました。実験では、損傷に強いように設計されたマルチラインの「Hoytether」を使用しました。MAST 実験の目的は、微小隕石/デブリ軌道環境における宇宙テザーの生存性に関する軌道上データを取得すること、宇宙船のテザー形成と回転テザー システムのダイナミクスを研究すること、および運動量交換テザーの概念を実証することでした。^[35]実験ハードウェアは、NASA中小企業技術移転（STTR）の協力の下、テザーズ・アンリミテッド社とスタンフォード大学の間で設計され、TUIがテザー、テザー展開装置、テザー検査サブシステム、衛星航空電子機器、ソフトウェアを開発し、スタンフォード大学の学生が大学のキューブサットプログラムの一環として衛星構造を開発し、航空電子機器の設計を支援しました。

2007年4月、MASTはドニエプルロケットの二次ペイロードとして98°、647 km × 782 km（402 mi × 486 mi）の軌道に打ち上げられた。実験チームは「ガジェット」小型衛星とは通信したが、「テッド」と呼ばれるテザー展開型小型衛星とは通信できなかった。^[36]テザー展開装置との通信が確立されていなくても衛星が分離するようにシステムは設計されていたが、システムは完全には展開しなかった。レーダー測定によると、テザーはわずか1メートルしか展開されていなかった。^{[37] [38]}

日本の香川大学の香川衛星開発プロジェクトによって開発された宇宙テザー自律ロボット衛星（STARSまたはKukai ）ミッションは、2009年1月23日に、 GOSATも打ち上げられたH-IIAフライト15に搭載されたCubeSat二次ペイロードとして打ち上げられました。^[39]打ち上げ後、衛星はKUKAIと命名され、「Ku」と「Kai」の2つのサブ衛星で構成され、^[40] 5メートル（16フィート）のテザーで接続されました。ロケットから分離され、計画された軌道に転送されましたが、「テザーリール機構の打ち上げロックのトラブルのため」、テザーは数センチメートルの長さしか展開されませんでした。^[41]

後継衛星STARS-II ^[42]は、ステンレス鋼とアルミニウムの極細ワイヤで作られた300メートル（980フィート）の電気力学的テザーを飛ばすように設計された9キログラム（20ポンド）の衛星でした。^[43]このプログラムの目的の1つは、スペースデブリの軌道離脱の可能性のある技術を実証することでした。^{[44]このミッションは、} H-2Aロケットの二次ペイロードとして2014年2月27日に打ち上げられ、2か月後の2014年4月26日に再突入しました。実験は部分的にしか成功せず、テザーの展開は確認できませんでした。軌道は50日間で350キロメートル（220マイル）から280キロメートル（170マイル）に低下しましたが、これは同じミッションで打ち上げられた他のキューブサットよりもかなり速く、テザーが展開して抗力が増加したことを間接的に示しています。しかし、地上から望遠鏡で衛星を撮影すると、衛星は2つの物体ではなく1つの点として映った。実験者は、これはテザーが伸びたものの、反発によって絡まったためではないかと示唆している。^[45]

3番目のSTARSミッションであるSTARS-Cキューブサットは、直径0.4 mm（0.016インチ）の100 m（330フィート）のアラミド繊維テザーを母衛星と娘衛星の間に展開するように設計された2Uキューブサットでした。キューブサットは静岡大学のチームによって設計されました。衛星の質量は2.66 kg（5.9ポンド）です。^{[46] [47]} 2016年12月9日に国際宇宙ステーションのJEM小型衛星軌道展開装置から打ち上げられ、2018年3月2日に再突入しました。しかし、太陽電池パネルの展開に失敗したためか信号品質が断続的で、テザー展開に関するデータは得られませんでした。軌道抵抗測定からの推定によると、テザーは約30メートルの長さに展開されたことが示唆されています。^[48]

ESTCube-1は、 2013年に打ち上げられたエストニアの軌道上で電気帆をテストするミッションである。遠心展開を使用してテザーを展開するように設計されていたが、テザーは展開に失敗した。^[49]

テザー電気推進キューブサット実験（TEPCE）は、海軍研究所の電気力学的テザー実験であり、「トリプルキューブサット」構成に基づいていました。^[50]これは2012年までに構築され、2013年に打ち上げられる予定でしたが、^{[51]最終的には2019年6月に}ファルコンヘビーでSTP-2打ち上げ^[52]の一部として二次ペイロードとして打ち上げられました。テザーは2019年11月に展開され、テザーの軌道上の電気力学的力を検出しました。^[53] TEPCEは、1kmの長さの編組テープ導電性テザーの展開を開始するために、間にSTACER ^[54]スプリングを備えた2つのほぼ同じエンドマスを使用しました。パッシブブレーキを使用して速度を下げ、展開終了時に反動を減らしました。衛星は、どちらの方向にも電気力学的電流を駆動することを目的としていました。この衛星は、軌道を1日数キロメートル上下させたり、秤動状態を変えたり、軌道面を変えたり、積極的に操縦したりできるように設計されていた。^[55] 11月17日の減衰率の大きな変化は、その日にテザーが展開され、2020年2月1日に発生した急速な再突入につながったことを示唆している。^[56]

ミシガン大学のミニチュアテザー電気力学実験（MiTEE）は、10〜30メートル（33〜98フィート）の異なる長さのテザーに沿った電流を測定するように設計されたキューブサット実験です。^[57]これは、宇宙環境で衛星の電気力学テザーをテストするために、3Uキューブサットから約8cm×8cm×2cm（3.15インチ×3.15インチ×0.79インチ）のサブサテライトを展開することを目的としていました。

2015年、NASAはMiTEEを大学キューブサット宇宙ミッション候補に選定し^[58]、プロジェクトは飛行用のハードウェアを無事に納品した^{[59] 。}

2021年1月、MiTEE-1はヴァージン・オービットのLauncherOne試験飛行で宇宙に打ち上げられた。^{[60] [61]}

協力型高高度ロケットガン実験 (CHARGE) 2 は、日本と NASA が共同で開発し、電流収集とその他の現象を観測しました。主な目的は、電子放出期間中のペイロードの充電電流と戻り電流を測定することでした。副次的な目的は、低出力電子ビーム源の直流およびパルス発射に関連するプラズマプロセスに関連していました。1985 年 12 月 14 日、CHARGE ミッションはニューメキシコ州ホワイトサンズミサイル実験場で打ち上げられました。 ^[62]結果は、中性ガスを意図的に乱されていない宇宙プラズマに放出することで、正に帯電した車両の電子電流収集能力を高めることができることを示しました。さらに、中性ガスまたはアルゴンガスを正にバイアスされたプラットフォームを取り囲む乱されていないプラズマ領域に放出すると、電子電流収集が強化されることが観察されました。これは、ガスの一部がイオン化され、局所的なプラズマ密度が増加し、したがって戻り電流のレベルが上昇したためです。^[9]

OEDIPUS (「電離層プラズマの電界分布の観測 - 独自の戦略」) は、オーロラの弱い電界を測定するための二重プローブとして回転する導電性テザーを使用する 2 つの観測ロケット実験で構成されていました。これらは、ブラック ブラント3 段観測ロケットを使用して打ち上げられました。OEDIPUS A は、1989 年 1 月 30 日にノルウェーのアンドーヤから打ち上げられました。テザー ペイロードは、回転するテザーで接続された、質量が 84 kg と 131 kg の 2 つの回転するサブペイロードで構成されていました。この飛行により、当時の宇宙における電気力学的テザーの長さの記録である 958 m (3,143 フィート) が樹立されました。^[63]テザーは直径0.85mm（0.033インチ）のテフロンコーティングされた錫銅撚線で、前方のサブペイロードにあるスプール型リールから展開された。^[要出典]

OEDIPUS Cは、1995年11月6日にアラスカ州フェアバンクス北部のポーカーフラット研究場からブラックブラントXII探査ロケットで打ち上げられた。飛行は843km（524マイル）の高度に到達し、OEDIPUS-Aで使用されたのと同じタイプのテザーを1,174m（3,852フィート）の長さまで展開した。この実験には、多体力学の解析と回転するテザー構成の制御のための理論を導き、シミュレーションとアニメーションソフトウェアを開発するテザーダイナミクス実験、弾道索付き宇宙船と科学調査のためのダイナミクスと制御の専門知識の提供、ペイロードの姿勢安定化スキームの開発とOEDIPUS Cペイロード開発のサポート、飛行中のダイナミクスデータの取得と飛行前シミュレーションとの比較が含まれていた。^[63]

2010年8月31日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）がスポンサーとなった「テザー技術ロケット実験」（T-REX）と呼ばれる宇宙テザー実験が、日本の内之浦宇宙空間観測所から観測ロケットS-520-25号機で打ち上げられ、最高高度309km（192マイル）に到達した。T-Rexは、神奈川工科大学/日本大学が率いる国際チームによって開発されたもので、新しいタイプの電気力学的テザー（EDT）をテストするものである。300m（980フィート）のテープテザーは予定通り展開され、展開のビデオが地上に送信された。テザーの展開が成功したこと、および宇宙環境での中空陰極の高速点火が検証された。^[64]

この実験では、「折り畳み式フラットテザー展開システム」が実証された。この教育実験では、初めての裸のテープテザー展開が行われた（つまり、絶縁体なしで、テザー自体が陽極として機能し、電子を集める）。全長300メートル（980フィート）のテザーのうち130メートル（430フィート）は、強力なバネによる射出に続いて、慣性だけで駆動され、摩擦によって制限される消火ホーススタイルで展開された。展開の正確な差分GPSデータが記録され、エンドマスからビデオが撮影された。^[65]

宇宙搭載型電気力学的テザーのむき出し部分を電子収集装置として使用することは、特定の電気力学的テザー用途におけるエンドボディ電子コレクターの有望な代替手段として提案されている^{[66] 。むき出しテザーのコンセプトは、NASAの推進小型展開システム（ProSEDS）ミッション中に最初にテストされる予定だった。 [67]}このミッションはNASAのスペースシャトルコロンビア号の事故によりキャンセルされたが^[68]、このコンセプトは将来的に実行される可能性がある。^[69]

エレクトロダイナミックデブリエリミネーター（EDDE）は、軌道上の大型デブリを軌道から外したり収集したりするための手頃なシステムとして2012年に提案されました。^[51]テザーはマイクロメロイドの衝突に耐えられるように平らになっており、大型の太陽電池パネルを搭載する予定です。

• Stone, Nobie H (2016)。「TSS ミッションから得られた独自の成果と教訓」。第 5 回宇宙テザーに関する国際会議– NTRS 経由。