特許 7529198 減速装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-29

(45)【発行日】2024-08-06

(54)【発明の名称】減速装置

(51)【国際特許分類】

   B64G 1/40 20060101AFI20240730BHJP

   B64G 1/62 20060101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

B64G1/40 500

B64G1/62

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021043876

(22)【出願日】2021-03-17

(65)【公開番号】P2022143395

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2024-01-18

(73)【特許権者】

【識別番号】502178001

【氏名又は名称】学校法人梅村学園

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100218132

【弁理士】

【氏名又は名称】近田 暢朗

(72)【発明者】

【氏名】村中 崇信

(72)【発明者】

【氏名】上野 一磨

(72)【発明者】

【氏名】奥村 哲平

(72)【発明者】

【氏名】大川 恭志

【審査官】志水 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特許第７４３２１８７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特表２００９－５２８２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６５６５０４４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００２４００５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－２０５４８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｇ １／４０

Ｂ６４Ｇ １／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整可能な減速装置であって、
前記対象物に取り付けられるか、または前記対象物の一部を構成し、電気的に分離された複数の領域を含む第１の面を有する膜部材と、
前記膜部材と電気的に接続され、前記複数の領域のそれぞれを帯電させる帯電装置と、
前記帯電装置による前記複数の領域のそれぞれへの印加電圧を制御する制御装置と
を備える、減速装置。

【請求項2】

前記膜部材は、前記複数の領域のそれぞれを構成する複数の膜片を有している、請求項１に記載の減速装置。

【請求項3】

前記膜部材の姿勢を検出する姿勢検出装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記姿勢検出装置で検出した前記膜部材の姿勢に応じて前記帯電装置を制御する、請求項１または請求項２に記載の減速装置。

【請求項4】

前記膜部材は、前記第１の面と、前記第１の面と反対面の第２の面とを有し、
前記帯電装置は、前記第１の面と前記第２の面とを異なる電位に帯電可能であり、
前記制御装置は、前記第１の面を前記第２の面よりも所定の電位差だけ低い負電位に帯電させるように前記帯電装置を制御する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の減速装置。

【請求項5】

前記膜部材は、
前記第１の面を構成する導電性材料からなる第１導体と、
前記第２の面を構成する導電性材料からなる第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体との間に配置される導電性材料からなる第３導体と、
前記第１導体と前記第３導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第１不導体と、
前記第２導体と前記第３導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第２不導体と
を有している、請求項４に記載の減速装置。

【請求項6】

前記膜部材は、
前記第１の面を構成する導電性材料からなる第１導体と、
前記第２の面を構成する導電性材料からなる第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体と
を有している、請求項４に記載の減速装置。

【請求項7】

前記制御装置は、前記複数の領域のそれぞれを正電位に帯電させるように前記帯電装置を制御する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の減速装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整可能な減速装置に関する。

【背景技術】

【0002】

宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整するニーズは、様々に存在する。例えば、そのようなニーズは、スペースデブリと称される宇宙ゴミの除去や、人工衛星または惑星探査機の制御に見られる。スペースデブリについては、地球周回軌道上に数多く存在しており、スペースデブリを減速させ、保護すべき重要な衛星軌道から離脱させることが求められている。

【0003】

特許文献１には、スペースデブリを減速させるスペースデブリ低減装置が開示されている。このスペースデブリ低減装置は、円形又は多角形からなる膜部材あるいはガス圧封入可能なバルーンないしはエアーマット状の構造物からなる抗力増大装置を有する。このスペースデブリ低減装置は、スペースデブリに取り付けられ、抗力増大装置により微量の大気および太陽光輻射圧を受けて、スペースデブリを減速させ、その軌道を変更する。このようにしてスペースデブリを保護すべき重要な衛星軌道から離脱させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－２８５１３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

大気密度は、軌道高度が高くなるにつれて著しく低下する。例えば、大気密度は、高度４００ｋｍ～６００ｋｍに比べて高度１０００ｋｍ付近で１／５０～１／１００程度まで低下することが確認されている。従って、特許文献１のスペースデブリ低減装置では、軌道高度が高くなるにつれて大気から得られる抗力が低下し、十分な実行能力を得られないおそれがある。

【0006】

上記のような大気密度が十分でない軌道高度の領域では、電気的に中性な気体と、その一部が太陽紫外線によって電離した電離気体（イオンおよび電子）とが存在する。従って、大気密度の変化を詳細に確認すると、中性大気の密度は上記の通り高度が高くなるにつれて著しく低下するが、イオンの密度の減少はこれよりも少ない。換言すれば、大気密度が十分でない軌道高度の領域では、中性大気からの抗力を受けるよりもイオンからの抗力を受けることが有効である可能性がある。そのためには、例えば、特許文献１の膜部材を帯電させて膜部材の周囲にシース（電位勾配を有する電気的に中性でない空間電荷層）を形成し、シースを利用してイオンからの抗力を増大させることが考えられる。

【0007】

しかし、シースを利用してイオンからの抗力を増大させる場合においても、膜部材の姿勢によってはイオンから十分な抗力を得られないおそれがある。具体的には、膜部材の姿勢が進行方向に対して平行になるほど、イオンからの受圧面積が低下し、十分な抗力を得られないおそれがある。従って、膜部材の姿勢を好適に制御することが求められるが、具体的な手法については確立されていない。

【0008】

本発明は、膜部材を有する減速装置において、膜部材の姿勢を制御することにより宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、
宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整可能な減速装置であって、
前記対象物に取り付けられるか、または前記対象物の一部を構成し、電気的に分離された複数の領域を含む第１の面を有する膜部材と、
前記膜部材と電気的に接続され、前記複数の領域のそれぞれを帯電させる帯電装置と、
前記帯電装置による前記複数の領域のそれぞれへの印加電圧を制御する制御装置と
を備える、減速装置を提供する。

【0010】

この構成によれば、膜部材の複数の領域のそれぞれに対して印加する電圧を調整することにより、膜部材の複数の領域のそれぞれがイオンから受ける抗力を調整できる。従って、膜部材の姿勢を制御できる。膜部材の姿勢を制御できることにより、対象物の減速率を調整できる。ここで、対象物は、宇宙空間で移動するものを広く意味し、例えばスペースデブリ、人工衛星、または惑星探査機などであり得る。

【0011】

前記膜部材は、前記複数の領域のそれぞれを構成する複数の膜片を有してもよい。

【0012】

この構成によれば、複数の膜片のそれぞれが構造的に互いに分離しているため、複数の膜片の一部が損傷しても、その他が連れて損傷して全体として機能しなくなることを抑制できる。

【0013】

前記減速装置は、前記膜部材の姿勢を検出する姿勢検出装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記姿勢検出装置で検出した前記膜部材の姿勢に応じて前記帯電装置を制御してもよい。

【0014】

この構成によれば、膜部材の姿勢を好適に制御できる。詳細には、第１の面上の電圧印加位置と印可電圧の制御によって、イオン流から受ける「力の発生位置」と「力の大きさ」を可変させ、第１の面の重心に対するトルクを制御し、膜部材の姿勢を制御できる。また、当該制御を時間的に累積することで、第１の面がイオン流から受ける総トルクを制御できる。例えば、膜部材の第１の面の姿勢が進行方向に対して垂直でない場合、膜部材の第１の面の姿勢が進行方向に対して垂直になるように制御してもよい。これにより、膜部材がイオンから受ける抗力を増大でき、対象物の減速率を増加できる。また、膜部材の第１の面の姿勢が進行方向に対して垂直に近い場合、膜部材の第１の面の姿勢を進行方向に対して平行になるように制御してもよい。これにより、膜部材がイオンから受ける抗力を減少でき、対象物の減速率を減少できる。

【0015】

前記膜部材は、前記第１の面と、前記第１の面と反対面の第２の面とを有し、
前記帯電装置は、前記第１の面と前記第２の面とを異なる電位に帯電可能であり、
前記制御装置は、前記第１の面を前記第２の面よりも所定の電位差だけ低い負電位に帯電させるように前記帯電装置を制御してもよい。

【0016】

この構成によれば、膜部材の第１の面と第２の面に対して所定の電位差を設けているため、シースが膜部材の周囲に等方的に形成されることを抑制できる。ここでは、第１の面はイオン流の上流側の面（受圧側の面）として配置され、第２の面はイオン流の下流側の面として配置される。これにより、第１の面においてイオンを効率的に収集できるとともに第２の面へのイオンの回り込みを抑制できる。従って、イオンの膜部材に対する運動量交換がイオン流の上流側（第１の面側）と下流側（第２の面側）で相殺することを抑制でき、イオンから十分な抗力を得ることができる。ここで、所定の電位差とは、上記イオンの第２の面への回り込みを効果的に抑制できる程度の値である。例えば、所定の電位差は、１０Ｖ～１０００Ｖであってもよい。また、負電位とは、宇宙空間における基準電位に対する相対電位であり得る。宇宙空間では、測定や設定の容易さから、減速装置（例えば衛星本体）自体の電位を基準電位とし、当該基準電位に対して相対的に負になる電位を負電位とする場合がある。

【0017】

前記膜部材は、
前記第１の面を構成する導電性材料からなる第１導体と、
前記第２の面を構成する導電性材料からなる第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体との間に配置される導電性材料からなる第３導体と、
前記第１導体と前記第３導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第１不導体と、
前記第２導体と前記第３導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第２不導体と
を有してもよい。

【0018】

この構成によれば、膜部材が５層構造によって構成され、具体的に第１の面および第２の面に対して所定の電位差を設けることができる。特に中央に第３導体が配置されることで、第１導体および第２導体に対して第３導体からの電位差をそれぞれ正確に与えることができる。

【0019】

前記膜部材は、
前記第１の面を構成する導電性材料からなる第１導体と、
前記第２の面を構成する導電性材料からなる第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体との間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体と
を有してもよい。

【0020】

この構成によれば、膜部材が３層構造によって構成され、具体的に第１の面および第２の面に対して所定の電位差を設けることができる。一般に、膜部材は宇宙空間で展開されるまでは折り畳まれた状態で収納されることが想定される。収納に際しては、膜部材が多層になるほど電気的な結線や配線が増えるため、結線や配線の不具合を防止するための取り扱いが困難となるおそれがある。そのため、膜部材を３層に構成することで、構造を単純化し、取り扱いを容易にすることが有効である。

【0021】

前記制御装置は、前記複数の領域のそれぞれを正電位に帯電させるように前記帯電装置を制御してもよい。

【0022】

この構成によれば、複数の領域のそれぞれが正電位に帯電されるため、膜部材でイオンを反発させることによりイオンから抗力を受けることができる。ここで、正電位とは、上記のように、宇宙空間における基準電位に対する相対電位であり得る。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、膜部材を有する減速装置において、膜部材の姿勢を制御することにより宇宙空間で移動する対象物の減速率を調整できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の第１実施形態に係る減速装置の概略構成図。

【図2】衛星本体および膜部材の正面図。

【図3】図２の衛星本体と膜部材の変形例を示す正面図。

【図4】複数の領域を示す膜部材の正面図。

【図5】姿勢制御を示す膜部材の側面図。

【図6】姿勢制御を示す膜部材の正面図。

【図7】別の姿勢制御を示す膜部材の斜視図。

【図8】別の姿勢制御を示す膜部材の正面図。

【図9】膜部材が自転する場合の姿勢制御を示す膜部材の第１側面図。

【図10】膜部材が自転する場合の姿勢制御を示す膜部材の第２側面図。

【図11】膜部材の変形例を示す断面図。

【図12】単層構造の膜部材周囲のシースを示す模式図。

【図13】複層構造の膜部材周囲のシースを示す模式図。

【図14】図１１の膜部材の変形例を示す断面図。

【図15】図１１の膜部材の他の変形例を示す断面図。

【図16】対象物の進行方向の前方に減速装置を設置した場合の概略構成図。

【図17】第２実施形態に係る減速装置の概略構成図。

【図18】第２実施形態に係る減速装置の変形例を示す対象物の側面図。

【図19】膜部材を正電位に帯電させた場合のシースを示す模式図。

【図20】膜部材の変形例を示す正面図。

【図21】膜部材の変形例を示す側面図。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0026】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る減速装置１の概略構成図である。

【0027】

本実施形態の減速装置１は、地球を周回するスペースデブリ２（宇宙空間で移動する対象物の一例）に取り付けられ、スペースデブリ２の減速率を調整する。例えば、減速装置１によってスペースデブリ２の周回速度を低下させることによりスペースデブリ２の軌道を変更することができる。これにより、スペースデブリ２を地上へと落下させるなどして人工衛星等に使用される重要な軌道を保護できる。また、地球周回軌道上のスペースデブリの位置は概ね把握されているため、減速装置１が取り付けられたスペースデブリ２が他のスペースデブリに衝突しそうであれば減速率を調整して衝突を回避することもできる。これにより、スペースデブリ２が複数の小片となって除去が困難になることを防止できる。

【0028】

図１では、スペースデブリ２の進行方向が矢印Ａ１で示されている。減速装置１から見れば、矢印Ａ１とは反対方向にイオン流が相対的に流れている。また、破線円で示される減速装置１の一部が拡大して示されている。

【0029】

本実施形態の減速装置１は、衛星本体１０と、膜部材２０と、帯電装置３０と、取付装置４０とを備えている。

【0030】

図２は、衛星本体１０および膜部材２０の正面図である。

【0031】

衛星本体１０は、推進機能を有している。詳細な説明は省略するが、推進機能は、イオンエンジンなどの公知の機構によって達成され得る。衛星本体１０は膜部材２０と直接的に接続されており、衛星本体１０と膜部材２０との相対的な位置関係は固定されている。また、衛星本体１０は、詳細を後述するように帯電装置３０を制御する制御装置１１（図１参照）を搭載している。

【0032】

膜部材２０は、薄膜状である。本実施形態では、膜部材２０は、正面から見ると正方形である。膜部材２０は、イオン流からの受圧面となる第１の面２０ａと、第１の面２０ａと反対面の第２の面２０ｂとを有している。膜部材２０は、正方形の対角線に沿って設けられたフレーム２１を有している。フレーム２１により、膜部材２０の展開状態が維持され、イオン流から効率的に受圧できる。フレーム２１は折り畳み可能な構造を有し、膜部材２０の展開前には折り畳まれた状態とされていてもよい。なお、膜部材２０の形状は、特に正方形に限定されず任意の形状であり得る。

【0033】

図３は、図２の衛星本体１０と膜部材２０の変形例を示す正面図である。

【0034】

衛星本体１０と膜部材２０の接続態様は、図２に示すものに限定されず、例えば支持部材２２を介して剛に接続されてもよい。支持部材２２は、所定の長さを有する柱状の部材である。支持部材２２によって衛星本体１０と膜部材２０との間の距離を所定の長さに保つことによって、膜部材２０がイオンから受圧する面積を大きく確保できる。

【0035】

図１を参照して、帯電装置３０は、電圧を印加するための電源３１および電気配線などを含んでいる。電源３１は、電気配線を介して膜部材２０と電気的に接続されている。帯電装置３０は、後述するように、膜部材２０の第１の面２０ａに設けられた複数の領域Ｒのそれぞれを異なる電位に帯電させることができる。代替的には、電源３１は、同様の帯電機能を有するイオン源に置換されてもよい。

【0036】

取付装置４０は、スペースデブリ２を捕獲するための捕獲機構４１を有する。

【0037】

捕獲機構４１は、スペースデブリ２を把持する把持部４１ａと、スペースデブリ２を把持するように把持部４１ａを射出する射出装置４１ｂと、把持部４１ａおよび射出装置４１ｂを繋ぐ所定の長さのテザー４１ｃとを含む。このような捕獲機構４１は、既に地球周回軌道上に存在するスペースデブリを取り除くＡＤＲ(Active Debris Removal)に特有である。なお、運用を終了した衛星やロケットの軌道からの自力離脱であるＰＭＤ(Post Mission Disposal)については第２実施形態で説明する。

【0038】

上記構成を有する減速装置１は、衛星本体１０の推進機能によってスペースデブリ２に接近し、射出装置４１ｂからテザー４１ｃの付いた把持部４１ａを射出し、スペースデブリ２を把持して捕獲する。次いで、膜部材２０を展開し、スペースデブリ２の周回速度を低下させることによりスペースデブリ２の軌道を変更する。従って、本実施形態の減速装置１は、ＡＤＲ対応のものといえる。

【0039】

大型のスペースデブリ２の後方では、スペースデブリ２に近いほどスペースデブリの軌道速度に対し熱速度が相対的に遅いイオンの割合が低下する空間（イオンウェイク）が生じる。このイオンウェイクの領域に膜部材２０が位置すると、膜部材２０のイオン収集能力が低下するおそれがある。従って、イオンウェイクの領域に膜部材２０が位置することを回避するためにテザー４１ｃには所定の長さが必要となる。例えば、スペースデブリ２として、運用を終了したロケットの上段部が想定される。その場合、ロケット上段部は直径約２ｍ～４ｍ程度、高度７００～１０００ｋｍの軌道速度が約７．５ｋｍ／ｓ、イオンのうち大きな運動量を持つ酸素イオンの熱速度が約１．１ｋｍ／ｓ程度であるため、所定の長さとしては１０～２０ｍ、好ましくは３０ｍ程度が想定される。

【0040】

本実施形態では、捕獲機構４１が把持部４１ａを含む例を示しているが、捕獲機構４１の捕獲態様は把持部４１ａを使用するものに限定されない。また、テザー４１ｃは、柔軟な紐状でなくてもよく、例えば一定程度の剛性を有する構造物であってもよい。

【0041】

図４は、複数の領域Ｒを示す膜部材２０の正面図である。図示を明瞭にするため、符号２３，３２，３３および符号Ｒは一部のみに付されている。これは、以降の図でも同様である。また、図４では、二点鎖線円で示される膜部材２０の一部が拡大して示されている。

【0042】

膜部材２０の第１の面２０ａは、電気的に分離された複数の領域Ｒを含んでいる。本実施形態では、膜部材２０は、第１の面２０ａにおいて複数の領域Ｒのそれぞれを構成する複数の膜片２３を有している。複数の膜片２３は、絶縁性を有する薄い絶縁シート２４に保持されている。図示の例では、複数の膜片２３が、受圧面となる第１の面２０ａと、第１の面２０ａとは反対面の第２の面２０ｂ（図１参照）とを構成している。即ち、複数の膜片２３は、絶縁シート２４を貫通して配置されている。複数の膜片２３は、第１の面２０ａを構成する導体面と、第２の面２０ｂを構成する導体面とを有し、それぞれ異なる電位に印加できるようになっている。詳細については、図１１，１４，１５等を用いて後述するが、第１の面２０ａを構成する導体面と第２の面２０ｂを構成する導体面とに対してそれぞれ電気ケーブル（図示せず）を配線し、それぞれ異なる電位に印加できるようにしてもよい。また、複数の膜片２３のそれぞれの間の距離ｄ（即ち絶縁部の幅ｄ）は、沿面放電を防止できる程度に設計される。複数の膜片２３のそれぞれは、絶縁シート２４を縫製することによって図示のように連結されてもよいし、絶縁性の接着を使用して連結されてもよい。

【0043】

本実施形態では、複数の膜片２３は、図４において縦９個×横９個の合計８１個の膜片からなる。ただし、複数の膜片２３を構成する膜片の数や配置は特に限定されない。また、本実施形態では、複数の膜片２３のそれぞれは正方形である。ただし、複数の膜片２３のそれぞれの形状についてもイオン流から受圧可能な形状であればよく、特に限定されない。なお、本実施形態では、膜部材２０が複数の膜片２３を有する構成を例示しているが、膜部材２０は１枚の膜からなってもよい。この場合、複数の領域Ｒが１枚の膜上で電気的に分離される。

【0044】

複数の膜片２３（即ち複数の領域Ｒ）のそれぞれは、帯電装置３０によって帯電される。図示の例では、複数の膜片２３のそれぞれに対して、電気配線として、主ホット線３２（破線参照）および副ホット線３３（一点鎖線参照）が取り付けられている。主ホット線３２および副ホット線３３は、帯電装置３０と電気的に接続されている。即ち、複数の膜片２３のそれぞれは、主ホット線３２（破線参照）と、副ホット線３３（一点鎖線参照）とを通じて異なる電位に帯電可能となっている。なお、当該給電構造は複数の膜片２３を構成する冗長系設計の一例であり、他の構造や冗長系設計以外の構造が採用されてもよい。

【0045】

制御装置１１は、帯電装置３０による複数の膜片２３（即ち複数の領域Ｒ）のそれぞれへの印加電圧を制御する。制御装置１１は、例えば、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアと、それらに実装されたソフトウェアとにより構成されている。

【0046】

本実施形態では、膜部材２０の姿勢を検出する姿勢検出装置１２が設けられている。姿勢検出装置１２は、例えばジャイロセンサなどの公知の角度検出器であり得る。本実施形態では、姿勢検出装置１２は、衛星本体１０に搭載されている。衛星本体１０と膜部材２０は直接的ないし支持部材２２を介して剛に接続されているため、衛星本体１０の姿勢を検出することにより膜部材２０の姿勢を検出できる。代替的には、姿勢検出装置１２は、膜部材２０に直接的に取り付けられてもよい。また、姿勢検出装置１２は、必須の構成でなく、必要に応じて省略され得る。

【0047】

図５は、姿勢制御を示す膜部材２０の側面図である。また、図６は、姿勢制御を示す膜部材２０の正面図である。図５，６において、Ｘ軸は第１の面２０ａに対して垂直な軸を示し、Ｙ，Ｚ軸はＸ軸に垂直で膜部材２０の正方形の各辺に平行で互いに直交する軸を示している。これは以降の図でも同様である。

【0048】

図１，５，６を合わせて参照して、制御装置１１は、姿勢検出装置１２で検出した膜部材２０の姿勢に応じて帯電装置３０を制御する。本実施形態では、イオン流Ａ２に対する膜部材２０の姿勢を好適に制御する。なお、イオン流Ａ２は、スペースデブリ２の進行方向Ａ１（図１参照）と反対方向に流れるイオンを示している。

【0049】

図５，６の例では、膜部材２０は、イオン流Ａ２に対して垂直に配置されておらず、イオン流Ａ２に対してＺ軸まわりに傾いて配置されている。このような場合、複数の領域Ｒのうち、イオン流Ａ２の上流側に位置する領域に対して負電位を印加し、その他の領域には印加しない。図示の例では、最も上流側に位置する９つの領域(斜線部参照）に対して負電位を印加し、複数の領域Ｒのうちその他の領域には印加しないものとしている。また、第２の面２０ｂに対しては、全体を正電位に印加する。イオンは負電位に帯電された領域（斜線部参照）にて収集され、膜部材２０は当該領域(斜線部参照)でイオンから強く受圧して抗力を受ける。これにより、膜部材２０にはＺ軸まわりの回転力が生じ（矢印Ａ３参照）、膜部材２０をイオン流Ａ２に対して垂直に配置できる。その後、制御装置１１は、上記印加を解除する。なお、このとき、膜部材２０と衛星本体１０は剛に接続されているため、膜部材２０だけでなく衛星本体１０もイオン流Ａ２に対して垂直に配置できる。

【0050】

図７は、別の姿勢制御を示す膜部材２０の斜視図である。また、図８は、別の姿勢制御を示す膜部材２０の正面図である。

【0051】

図７，８の例では、膜部材２０が、イオン流Ａ２に対して垂直に配置されておらず、Ｙ軸まわりおよびＺ軸まわりに傾いて配置されている。このような場合、図８に示すように、複数の領域Ｒのうち、イオン流Ａ２の上流側に位置する２４個の領域(斜線部参照）に対して負電位を印加し、その他の領域には印加しない。また、第２の面２０ｂに対しては、全体を正電位に印加する。これにより、上記と同様に当該領域（斜線部参照）においてイオンから強く受圧して抗力を受け、膜部材２０にはＹ軸まわりおよびＺ軸まわりの回転力が生じ（矢印Ａ３参照）、膜部材２０をイオン流Ａ２に対して垂直に配置できる。

【0052】

図９は、膜部材２０が自転する場合の姿勢制御を示す膜部材２０の第１側面図である。図１０は、膜部材２０が自転する場合の姿勢制御を示す膜部材２０の第２側面図であり、図９から一定時間経過後の状態を示している。

【0053】

図９，１０の例では、膜部材２０がＺ軸まわりに自転している（矢印Ａ４参照）。この場合、自転方向Ａ４に対して前方側の第１の面２０ａを負電位に帯電させ、後方側の第２の面２０ｂを正電位に帯電させる。特に図示の例では、第１の面２０ａの複数の領域ＲのうちＹ方向の一端部に位置する領域のみ（斜線部参照）を負電位に帯電させている。第２の面２０ｂは全体を正電位に帯電させる。これにより、上記と同様に当該領域（斜線部参照）においてイオンから強く受圧して抗力を受け、膜部材２０にはＺ軸まわりの回転力が生じ（矢印Ａ３参照）、膜部材２０の自転を弱めることができ、最終的に膜部材２０をイオン流Ａ２に対して垂直に配置できる。なお、このとき、膜部材２０と衛星本体１０は剛に接続されているため、膜部材２０だけでなく衛星本体１０もイオン流Ａ２に対して垂直に配置できる。

【0054】

本実施形態の減速装置１によれば、以下の作用効果を奏する。

【0055】

膜部材２０の複数の領域Ｒのそれぞれに対して印加する電圧を調整することにより、膜部材２０の複数の領域Ｒのそれぞれがイオンから受ける抗力を調整できる。従って、膜部材２０の姿勢を制御できる。膜部材２０の姿勢を制御できることにより、スペースデブリ２の減速率を調整できる。

【0056】

また、膜部材２０が複数の膜片２３を有し、複数の膜片２３のそれぞれが構造的に互いに分離しているため、複数の膜片２３の一部が損傷しても、その他が連れて損傷して全体として機能しなくなることを抑制できる。代替的には、複数の領域Ｒは、電気的には分離されるが構造的には分離されなくてもよい。例えば、１枚のシート上に、導電性を有する複数の領域Ｒと、複数の領域Ｒのそれぞれを電気的に分離するように絶縁性を有する領域とを設けてもよい。

【0057】

また、減速装置１が姿勢検出装置１２を有しているため、膜部材２０の姿勢を好適に制御できる。詳細には、第１の面２０ａ上の電圧印加位置と印可電圧の制御によって、イオン流Ａ２から受ける「力の発生位置」と「力の大きさ」を可変させ、第１の面２０ａの重心に対するトルクを制御し、膜部材２０の姿勢を制御できる。また、当該制御を時間的に累積することで、第１の面２０ａがイオン流Ａ２から受ける総トルクを制御できる。なお、図５～１０では、膜部材２０をイオン流Ａ２に対して垂直に配置するための姿勢制御を例に説明したが、同様の原理により、膜部材２０をイオン流Ａ２に対して平行に配置する姿勢制御も実現できる。さらに言えば、膜部材２０のイオン流Ａ２に対する姿勢は、垂直または平行に限らず、傾斜した姿勢などの任意の姿勢に制御することもできる。従って、膜部材２０の姿勢に応じてスペースデブリ２の減速率を容易に調整できる。

【0058】

図１１は、膜部材２０の変形例を示す断面図である。

【0059】

本変形例では、上記実施形態と異なり、絶縁シート２４（図４参照）が設けられておらず、複数の膜片２３のそれぞれが複層構造を有するとともに互いに連結されている。膜部材２０は、上記と同様に、第１の面２０ａと、第１の面２０ａと反対面の第２の面２０ｂとを有している。絶縁シート２４（図４参照）が設けられていないことから、第１の面２０ａだけでなく第２の面２０ｂもまた、複数の膜片２３によって構成される。なお、図１１では、複数の膜片２３の１つが模式的に示されている。

【0060】

本変形例の膜部材２０は、第１の面２０ａおよび第２の面２０ｂにおいて複数電位に帯電可能な構造を有している。即ち、第１の面２０ａおよび第２の面２０ｂは、帯電装置３０によって互いに異なる電位に帯電可能となっている。

【0061】

本変形例の膜部材２０は、第１の面２０ａを構成する導電性材料からなる第１導体２３ａと、第２の面２０ｂを構成する導電性材料からなる第２導体２３ｂと、第１導体２３ａと第２導体２３ｂとの間に配置される導電性材料からなる第３導体２３ｃとを備える。また、膜部材２０は、第１導体２３ａと第３導体２３ｃとの間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第１不導体２３ｄと、第２導体２３ｂと第３導体２３ｃとの間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる第２不導体２３ｅとを備える。本実施形態では、第１不導体２３ｄおよび第２不導体２３ｅは、ともにポリイミドからなる。ただし、第１不導体２３ｄおよび第２不導体２３ｅの材料は絶縁体材料または誘電体材料であれば特段限定されない。

【0062】

本変形例では、電源３１の負極が第１導体２３ａに電気的に接続され、電源３１の正極が第２導体２３ｂに電気的に接続されている。第３導体２３ｃは接地部１０に接続されているが、これは第３導体２３ｃが衛星本体１０に電気的に接続されていることを示す。従って、ここでは、接地部１０と衛星本体１０とを同じ参照符号で示している。宇宙空間では、衛星本体１０の電位は必ずしもゼロではなく、衛星本体１０の周囲環境によって衛星本体１０の電位は変動する。従って、接地部１０の電位は、衛星本体１０が存在する位置におけるいわゆる宇宙機電位（基準電位）を示す。本実施形態では、帯電装置３０によって、第１の面２０ａが第２の面２０ｂよりも所定の電位差だけ低くなる負電位に帯電される。ここでの負電位は、当該基準電位に対する相対的な電位であり得る。

【0063】

第１導体２３ａ（第１の面２０ａ）と第２導体２３ｂ（第２の面２０ｂ）との間の上記所定の電位差は、好ましくは、１０Ｖ～１０００Ｖと設定され、より好ましくは、１００Ｖ～１０００Ｖと設定される。また、好ましくは、第１導体２３ａ（第１の面２０ａ）の電位は－１０Ｖ以下と（負側に大きく）設定され、より好ましくは－１００Ｖ以下と（負側に大きく）設定される。なお、ここでの－１０Ｖ以下または－１００Ｖ以下の電位は、上記宇宙機電位を基準とする電位である。当該電位差および電位によれば、シースが膜部材２０の周囲に等方的に形成されることを抑制できるとともに、第１の面２０ａにおいてイオンを効率的に収集できるシースを形成できる。また、シース内でイオンを十分静電加速し増速することができる。換言すれば、１０Ｖ未満の電位差では第１の面２０ａにおいてイオンを効率的に収集できる大きさのシースを形成できず、また、第１の面２０ａの電位が－１０Ｖより大きく（負側に小さく）設定された場合は、シース内でイオンは静電加速するが増速は十分とは言えない。１０００Ｖ以上の電位差では膜面に流入する電子もしくはイオン電流による電力消費が大となり、本システムが消費電力の観点から非効率となるおそれがある。また、印加可能な物理的上限電圧は、第１不導体２３ｄおよび第２不導体２３ｅの絶縁破壊電圧で設計されてもよい。

【0064】

図１２，１３を比較参照して、単層構造の膜部材２００と、複層構造の膜部材２０との差を説明する。

【0065】

図１２は、本変形例（図１１参照）とは異なる単層構造の膜部材２００を使用した場合のシースＳｍの形状を示している。図１３は、本変形例（図１１参照）と同じ複層構造の膜部材２０を使用した場合のシースＳｍの形状を示している。シースＳｍは、イオンを収集する領域を示している。

【0066】

図１２を参照して、単層構造の膜部材２００では、シースＳｍが膜部材２００の周囲に等方的（概ね球体状）に形成されている。このような等方的なシースＳｍでは、第１の面２００ａだけでなく、第１の面２００ａと反対面の第２の面２００ｂにおいてもイオンが収集される。結果として、イオン流Ａ２の回り込みが発生し、イオンの運動量交換がイオン流Ａ２の上流側（第１の面２０ａ側）と下流側（第２の面２０ｂ側）で相殺し、イオン流Ａ２から受ける抗力が低減されるおそれがある。

【0067】

図１３を参照して、複層構造の膜部材２０では、第１の面２０ａ側にのみイオン収集に実効的に寄与するシースＳｍ（この場合はイオンシース）が形成されている。換言すれば、第２の面２０ｂにおけるシースは、第２の面２０ｂの電位が空間電位と同等となる場合は、図１２の状態から大きく縮小してイオン収集に実効的に寄与しない。そのため、イオンの運動量交換がイオン流Ａ２の上流側（第１の面２０ａ側）と下流側（第２の面２０ｂ側）で相殺することを抑制でき、第１の面２０ａにおいてのみイオンを収集し、第１の面２０ａにおいてのみ抗力を受けることができる。なお、図１３では、破線にて第２の面２０ｂの正の電位に基づく領域Ｓｐ（この場合は電子シース）も示されている。当該領域Ｓｐでは、イオンの収集が抑制され、即ちイオン流Ａ２の回り込みが抑制される。

【0068】

本変形例によれば、膜部材２０が５層構造によって構成され、具体的に第１の面２０ａおよび第２の面２０ｂに対して所定の電位差を設けることができる。特に中央に第３導体２３ｃが配置されることで、第１導体２３ａおよび第２導体２３ｂに対して第３導体２３ｃからの電位差をそれぞれ正確に与えることができる。

【0069】

図１４は、図１１の膜部材２０の変形例を示す断面図である。図１４では、複数の膜片２３の１つが模式的に示されている。

【0070】

本変形例では、膜部材２０は、絶縁シートが設けられておらず、複数の膜片２３のそれぞれが複層構造を有するとともに互いに連結されている。膜部材２０は、第１の面２０ａと、第１の面２０ａと反対面の第２の面２０ｂとを有している。本変形例においても絶縁シートが設けられていないことから、第１の面２０ａだけでなく第２の面２０ｂもまた、複数の膜片２３によって構成されている。

【0071】

本変形例の膜部材２０は、第１の面２０ａと第２の面２０ｂにおいて複数電位に帯電可能な構造を有している。即ち、第１の面２０ａおよび第２の面２０ｂは、帯電装置３０によって互いに異なる電位に帯電可能となっている。

【0072】

膜部材２０は、第１の面２０ａを構成する導電性材料からなる第１導体２３ｆと、第２の面２０ｂを構成する導電性材料からなる第２導体２３ｇと、第１導体２３ｆと第２導体２３ｇとの間に配置される絶縁体材料または誘電体材料からなる不導体２３ｈとを備える。本変形例では、不導体２３ｈは、ポリイミドからなる。ただし、不導体２３ｈの材料は絶縁体材料または誘電体材料であれば特段限定されない。

【0073】

帯電装置３０においては、電源３１の負極が第１導体２３ｆに電気的に接続され、電源３１の正極が第２導体２３ｇに電気的に接続されている。図１４では、第１導体２３ｆおよび第２導体２３ｇは、ともに接地部（衛星本体）１０に電気的に接続されていないが、図１５に示す別の変形例のように第２導体２３ｇを接地部（衛星本体）１０に電気的に接続してもよい。いずれの場合でも、帯電装置３０により、第１の面２０ａが第２の面２０ｂよりも所定の電位差だけ低くなる負電位に帯電可能である。これにより、膜部材２０が上記と同様に複数電位に帯電される。

【0074】

本変形例によれば、膜部材２０が３層構造によって構成され、具体的に第１の面２０ａおよび第２の面２０ｂに対して所定の電位差を設けることができる。一般に、膜部材２０は宇宙空間で展開されるまでは折り畳まれた状態で収納されることが想定される。収納に際しては、膜部材２０が多層になるほど電気的な結線や配線が増えるため、結線や配線の不具合を防止するための取り扱いが困難となるおそれがある。そのため、膜部材２０を３層に構成することで、構造を単純化し、取り扱いを容易にすることが有効である。

【0075】

図１６は、スペースデブリ２の進行方向Ａ１の前方に減速装置１を設置した場合の概略構成図である。

【0076】

図１６の例では、上記実施形態におけるテザー４１ｃ（図１参照）が支持部材４１ｄに置換されている。支持部材４１ｄは、所定の長さを有する柱状の部材であり、スペースデブリ２と減速装置１とを剛に接続している。従って、膜部材２０がイオン流から抗力を受けた際にスペースデブリ２と膜部材２０との距離が縮まらないようになっている。

【0077】

減速装置１の構造および作用効果については、上記実施形態と同様である。従って、減速装置１は、スペースデブリ２の前方または後方のいずれにおいても、同様の原理で膜部材２０の姿勢制御を実行することにより、スペースデブリ２の減速率を調整できる。

【0078】

（第２実施形態）
図１７に示す第２実施形態の減速装置１は、ＰＭＤ対応のものである。本実施形態では、第１実施形態にて示した構成と同じ部分については説明を省略する場合がある。

【0079】

本実施形態の減速装置１は、第１実施形態とは異なり、衛星本体１０（図１参照）や捕獲機構４１（図１参照）を有していない。本実施形態では、取付装置４０は、スペースデブリ２を膜部材２０に直接固定する固定具４２を含む。代替的には、取付装置４０は、図１に示すようなテザー４１ｃを含んでもよく、テザー４１ｃを介してスペースデブリ２と膜部材２０を機械的に接続してもよい。

【0080】

本実施形態の減速装置１は、スペースデブリ２として衛星やロケットの残骸を対象とする。減速装置１は、衛星やロケットの打ち上げ前に衛星やロケットに予め搭載され、それらの運用の終了とともに展開される。

【0081】

減速装置１の作用効果については、第１実施形態と同様であり、複数の領域Ｒの少なくとも一部を帯電させることにより膜部材２０の姿勢を制御し、スペースデブリ２の減速率を調整できる。

【0082】

本実施形態によれば、スペースデブリ２を宇宙空間で捕獲する必要がなく、スペースデブリ２の確実な減速率調整を期待できる。

【0083】

図１８は、第２実施形態に係る減速装置１の変形例を示すスペースデブリ２の側面図である。

【0084】

本変形例では、スペースデブリ２の一部が膜部材２０となっている。図示の例では、スペースデブリ２としてロケットの残骸が示されており、当該スペースデブリ２の側面が膜部材２０となっている。

【0085】

本変形例の減速装置１の作用効果についても、上記と同様であり、複数の領域Ｒの一部を帯電させることにより膜部材２０の姿勢を制御し、スペースデブリ２の減速率を調整できる。

【0086】

図１９は、膜部材２０を正電位に帯電させた場合のシースを示す模式図である。

【0087】

制御装置１１は、膜部材２０の姿勢制御のために、複数の領域Ｒのそれぞれを正電位に帯電させるように帯電装置３０を制御してもよい。これにより、正電位に基づく領域Ｓｐ（この場合は電子シース）が膜部材２０の複数の領域Ｒのそれぞれに対して形成され、当該領域Ｓｐに対してイオン流Ａ２が反発することにより抗力を得られる。従って、図５～１０に示すように、複数の領域Ｒの一部を帯電させて膜部材２０の姿勢を制御できる。

【0088】

従って、膜部材２０の第１の面２０ａの複数の領域Ｒのそれぞれは、負電位に帯電させるだけでなく、正電位に帯電させてもイオンから抗力を得ることができる。

【0089】

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態ないし変形例の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

【0090】

また、例えば、図２０，２１を参照して、膜部材２０は、相対的に大きな基部２５と、基部２５上に積層された相対的に小さな積層部２６とを有してもよい。基部２５は、２つの導体２５ａ，２５ｂと、２つの導体２５ａ，２５ｂの間に配置された不導体（絶縁体）２５ｃとを有している。２つの導体２５ａ，２５ｂおよび不導体２５ｃは、膜部材２０の正面から見て同じ大きさの正方形である。積層部２６は、導体２６ａと、不導体（絶縁体）２６ｂとを有している。導体２６ａおよび不導体２６ｂは膜部材２０の正面から見て同じ大きさの長方形である。導体２６ａの長辺は導体２５ａの一辺と同程度の長さであり、導体２６ａは導体２５ａの一辺に沿って配置されている。導体２６ａは、不導体２６ｂを介して導体２５ａに取り付けられている。導体２５ａ、導体２５ｂ、および導体２６ａには、電源３１を介して異なる電圧を印加できる。特に導体２６ａへの印加電圧は可変に構成されている。導体２５ａおよび導体２６ａは複数の領域Ｒを含む第１の面２０ａを構成し、導体２５ｂは第２の面２０ｂを構成している。例えば、第１の面２０ａは負電位に設定され、第２の面２０ｂは正電位に設定される。本変形例のように、複数の領域Ｒは、同一平面上に設けられなくてもよく、積層された２つ以上の平面に設けられてもよい。

【0091】

また、例えば、第２の面２０ｂの一部を導体で構成し、当該導体部分の面積を第１の面２０ａや第２の面２０ｂの全体面積よりも小さくしてもよい。これにより、第１の面２０ａと第２の面２０ｂとの電位を所望の値に維持し易くし得る。また、第２の面２０ｂについても、第１の面２０ａと同様に、複数の領域に分割して電位を印加してもよい。

【0092】

また、減速装置１の用途としてスペースデブリ２の減速率調整を例示したが、減速装置１の用途は他にも様々に考えられる。例えば、減速装置１は、人工衛星や惑星探査機などを対象物とし、人工衛星や惑星探査機などの減速率調整に使用されてもよい。

【符号の説明】

【0093】

１ 減速装置
２ スペースデブリ（対象物）
１０ 衛星本体（接地部）
１１ 制御装置
１２ 姿勢検出装置
２０ 膜部材
２０ａ 第１の面
２０ｂ 第２の面
２１ フレーム
２２ 支持部材
２３ 複数の膜片
２３ａ 第１導体
２３ｂ 第２導体
２３ｃ 第３導体
２３ｄ 第１不導体
２３ｅ 第２不導体
２３ｆ 第１導体
２３ｇ 第２導体
２３ｈ 不導体
２４ 絶縁シート
２５ 基部
２５ａ，２５ｂ 導体
２５ｃ 不導体
２６ 積層部
２６ａ 導体
２６ｂ 不導体
３０ 帯電装置
３１ 電源
３２ 主ホット線
３３ 副ホット線
４０ 取付装置
４１ 捕獲機構
４１ａ 把持部
４１ｂ 射出装置
４１ｃ テザー
４１ｄ 支持部材
４２ 固定具
２００ 膜部材
２００ａ 第１の面
２００ｂ 第２の面
Ｒ 複数の領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】