宇宙デブリ捕獲技術における銛（もり）機構の結合条件の検討

近年、使用済みの人工衛星やロケットの上段部等同士の衝突による宇宙デブリの増加が問題視されており、既に稼働中の人工衛星や国際宇宙ステーション等の運用に影響が出ています。デブリの衝突及び増加を未然に防ぐため、世界各地でデブリ除去手法の研究が進められています。渡部研究室では、日本刀の技術を応用した宇宙デブリ捕獲用銛機構（以降、“銛もり”と呼ぶ）の検討がなされています。これは宇宙デブリを銛で捕獲する試みであり、効率良く捕獲するため日本刀の技術に着目したものです。私の研究目的は、目標との結合性能に優れた銛を開発するため、結合について体系化を行うことで今後の銛の形状の方向性や研究課題を明らかにすることです。本研究の動機は、コロナ禍故に実験を行えないものもありましたが、それ以上に先行研究を実験が行えない分より深く掘り下げたいと考えたからです。

まず、銛に求められる要求を言語化する。次に銛の結合条件を言語化し、どの条件を満たせば結合が成立するか否かを調べる。最後に、検討した結合条件を基に先行研究の銛を評価し、今後の銛開発の指針を設ける。

銛に求められる要求を以下に示す。次に、銛の結合条件について述べる。銛と目標との結合の可否は、貫入深さと結合条件の2つから判断する。
貫入深さと結合条件の様子を図1、図2に示す。

カエシ結合は機構的な結合で、グリッピング結合は摩擦力による結合である。銛が結合するためには、目標に“貫入”し、かつ“カエシ結合”が成立しなくてはならない。
次に、カエシ結合の条件を述べる。カエシ結合が成立するにあたり、カエシまたは目標が変形することで機構的結合をすることが解った。
また、カエシの向きによって結合条件が異なることが解った。外カエシ、内カエシの場合で結合する際の条件を以下に示す。
外カエシの場合内カエシの場合カエシ結合の例として、内カエシ二又型銛のカエシ結合を挙げる。図3に二又型銛の貫入の様子を示す。

ここで、二又型銛のカエシ結合の式は、と記述できる。そこから、先行研究である二又型銛、短刀型銛、クサビ型銛の銛を評価したところ、二又型銛が結合性能において最も優れていることが解った。一方、短刀型銛とクサビ型銛はカエシが塑性変形してしまい、外カエシの場合の結合条件を満たしておらずカエシ結合が成立していなかった。

現状、渡部研究室内では二又型銛が最も優れているという結論に至ったが、課題も多く残されている。
まず、銛の斜め貫入実験を行い、銛の貫入可能な迎え角の域と貫入エネルギーの関係を調べる必要がある。また、現在の形状では二次デブリが発生してしまうため、それを防ぐ形状を検討しなくてはならない。最後に、設計時に用いる、銛の梁の弾性変形量δ_bを導出する必要がある。