衛星を積み重ねるのですか? 「一矢百星」は夢ではありません！

最初の人工衛星が誕生して以来、衛星の形状は単純なものから複雑なものへ、球形や円筒形から角柱や多面体へと、継続的に進化してきました。近年開発されている積み重ね可能なフラットパネル衛星は、いずれも人々にシンプルさを感じさせます。では、スタック可能な衛星プラットフォームとは何でしょうか。また、なぜこの設計を使用する必要があるのでしょうか。詳しく見てみましょう。

▲積み重ねられた「スターリンク」衛星

スタッカブルフラットパネル衛星プラットフォームとは何ですか?

名前が示すように、スタッカブルフラットパネル衛星プラットフォームは、フラットでオープンな構成で設計された衛星です。従来の衛星プラットフォームは通常、長方形や円筒形などの 3 次元形状です。従来の衛星プラットフォームをデスクトップ コンピューターと比較すると、積み重ね可能なフラット パネル衛星プラットフォームはノートブック コンピューターまたはタブレット コンピューターです。形状がシンプルでレイアウトがコンパクトなため、「組立ライン」方式で大量生産することが容易です。これらは、従来の衛星設計コンセプトに革命的なイノベーションをもたらし、画期的で変革的な技術です。彼らは徐々に、我が国の航空宇宙産業における新たな品質生産性の開発にとって重要な原動力になりつつあります。

▲ フラットパネル衛星

上海衛星工学研究所は、積み重ね可能なフラットパネル衛星プラットフォームを開発した中国で最も初期の研究開発機関の 1 つです。平面配置の積層衛星支持構造技術、分散型積層衛星のロック解除および分離技術、積層衛星クラスターの衝突防止分散技術において画期的な進歩を遂げました。現在、2種類の衛星群がこのプラットフォームを採用し、試作開発段階に入っています。開発課題が増加するにつれ、上海衛星工学研究所はモジュール設計と大量生産を通じて開発サイクルをさらに短縮し、生産効率を向上させ、緊急課題や突発的な需要にも迅速に対応していきます。

衛星ではなぜ積み重ね可能なフラットパネル設計が採用されているのでしょうか?

衛星は運搬ロケットによって宇宙に打ち上げられます。キャリアロケットのフェアリング内のスペースは狭く、搭載できる衛星の数も限られています。したがって、従来の 3 次元衛星プラットフォームでは、通常、一度に打ち上げられる衛星は 1 基または少数に限られます。積み重ね可能なフラットパネル衛星は、打ち上げロケットのフェアリング内にフラットパネルのようにコンパクトに積み重ねることができます。合理的な宇宙レイアウト設計により、1 つのロケットに数十、数百の衛星を搭載することができ、「1 つのロケットで 100 個の衛星」という打ち上げモードが可能になります。我が国と米国はともに、数万基の衛星からなる衛星群を構築する計画を提案しています。積み重ね可能なフラットパネル衛星プラットフォームの出現は、衛星打ち上げ効率の質的な飛躍をもたらし、我が国の衛星ネットワーク構築計画を強力に推進するだろう。

▲「スターリンク」衛星、1回の打ち上げで60基の衛星を打ち上げる

積み重ね可能なフラットパネル衛星プラットフォームは、衛星開発コストにも変化をもたらしました。プラットフォームの設計は、自動化された製造と組み立ての利便性を十分に考慮し、成熟した国産部品の使用を優先し、多くの民間企業が製品サプライチェーンに参加するよう呼びかけ、サプライヤーがトヨタの在庫ゼロ生産モデルを学ぶことを奨励しています。大量生産とライン組立により、衛星1機の開発コストは数百万元から数千万元レベルにまで削減され、より多くの企業が衛星開発に参加し、大規模な衛星ネットワーク構築に共同で貢献できるようになります。

積み重ねられた衛星はどのようにして打ち上げロケットに接続されるのでしょうか?

従来、複数の衛星が 1 つのロケットで打ち上げられます。それらのほとんどは、中央のサポート チューブを介してキャリア フェアリングに取り付けられます。つまり、キャリアが用意した中央支持管に複数の衛星が別々に設置されることになります。この衛星とロケットの接続方法には、明らかな欠点が 2 つあります。まず、中央支持チューブの存在によりフェアリングのスペースが占有され、1回の打ち上げで収容できる衛星の数が減少し、衛星群ネットワークの効率に影響を及ぼします。 2 つ目は、中央支持チューブの設置方法により衛星クラスターの重心の高さが上がり、衛星が打ち上げ段階でより厳しい機械的条件に耐えられるようになることです。

▲スターロケット接続方式は中央の荷重支持シリンダーを使用する

▲センターベアリングシリンダーを使用しないスターロケット接続方式

打ち上げフェアリングのスペース利用率を向上させ、衛星クラスターの重心の高さを下げるために、積み重ね可能なフラットパネル衛星は、搭載された接続スリーブを介して直接接続され、プルロッドによって締め付けられ、各層に2つの衛星がある多層レイアウトを形成します。最下層の衛星は、搭載接続スリーブを介して衛星ロケット接続リング上に設置され、打ち上げロケットとの接続を実現します。

▲ 積層型衛星群の模式図

平坦化された構成によって機械的特性はどのように向上するのでしょうか?

積層衛星の接続方法は、構造強度と剛性の設計に困難をもたらします。積み重ねられた衛星クラスターには、サポート用の接続スリーブが底部に 4 つだけあり、サポート ポイント間のスパンは 3 m 近くあります。衛星1機あたりの重量は100キログラムを超えるため、固有振動数が低くなります。単一の衛星ペイロードの機械的環境も理想的ではありません。さらに、接続スリーブと衛星構造との接続領域は小さく、接続部の剛性と強度も構造設計の主な難しさの 1 つです。

▲ 積層型衛星群の模式図

これらの困難に対処するために、衛星構造では、キャビンパネルの位置と数量の構成を計画する上でトポロジー最適化手法が使用され、軽量のハニカムサンドイッチパネルや高比弾性率、高比強度のグリッド金属構造が使用され、構造全体の剛性と強度が向上します。局所構造については、詳細な設計とシミュレーションを実施し、高強度材料や制振材料を使用することで強度向上と振動エネルギーの吸収を図っています。

積み重ねられた衛星は打ち上げ後にどのように分離されるのでしょうか?

積み重ねられた衛星は、打ち上げ時にプルロッドとロック装置によって押し付けられ、下部のアダプタによって打ち上げ機に取り付けられます。軌道に打ち上げられた後、衛星クラスターが回転して軌道上で安定すると、衛星クラスターの上部にあるロック装置のロックが解除され、空気を排出し続けるため、プルロッドとロック装置が外側に急速にスイングし、衛星クラスターとキャリア間の拘束接続が解除されます。

▲ 軌道上でロック解除される積み重ね可能なフラットパネル衛星クラスターの概略図

衛星群が搬送ロケットから分離すると、衛星間の拘束も解除され、スピンロック解除により衛星間の分離が実現されます。各衛星の重心はロック解除の瞬間の速度に沿って慣性運動を行う必要があり、衛星本体はロック解除の瞬間に一定の角速度を維持して回転します。 1 層内の 2 つの衛星を例にとると、衛星間の軌道上分離プロセスは次のようになります。シミュレーション解析により、衝突リスクが最大となる状態における衛星の相対的な位置関係と速度を計算し、それに応じて衛星構成のサイズと質量中心の位置を最適化できるため、衛星クラスターの分離時の衝突リスクを効果的に低減できます。

▲ 積み重ね可能なフラットパネル衛星クラスターの軌道上分離の概略図

スタッキング可能なフラットパネル衛星プラットフォームは、通信、観測、科学研究などさまざまな分野で大きな発展の可能性を示していますが、中国ではまだ研究と検証の段階にあり、製品の成熟度と信頼性は今後も向上し続けるでしょう。国家の計画と需要に後押しされて、積み重ね可能なフラットパネル衛星プラットフォームは将来急速に登場し、衛星の「組立ライン」製造工場を現実のものにし、社会に貢献し、世界の航空宇宙産業の発展に革新と活力を注入するでしょう。