Wave Propagation Analysis and Shape Control System Development for Large-Sized Membrane Space Structures

大型膜空间结构波传播分析与形状控制系统开发

• 批准号: 21K14354
• 负责人: 高尾 勇輝
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyushu University (2022)Japan Aerospace EXploration Agency (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14354/
• 关键词: 大型宇宙構造物; 膜構造; 波動; 形状制御; 有限要素解析; 薄膜構造物; 振動; ソーラーセイル

本研究は、超大型の宇宙薄膜構造物の変形ダイナミクスを波動工学のアプローチから解明し、軌道上での能動的形態変化を可能とする形状制御システムの確立を目指すものである。1年目までに、宇宙薄膜構造物の波動伝播メカニズムを記述する理論体系の構築、および当該理論を適用した形状制御装置の小型試作機の開発を行った。以上の前提のもと、事業年度2年目となる本年度は以下の主要な研究実績を獲得した。1) 前年度に構築した波動論をさらに詳細化し、超大型薄膜構造物を波動が伝播する過渡的な特性を解析的に明らかにした。特に、外部から作用する入力と応答の波形をスペクトル分解することで、連続体として無限の自由度を持つ波動伝達モードの入出力対応関係を数学的に記述することが可能となった。以上の波動伝播メカニズムに関して、大きな空間分解能を設定した有限要素解析を実施し、本研究で構築した理論が極めて計算コストの大きな有限要素解析を代替する強力な手段となり得ることを示した。2) 以上の波動論を応用し、超大型宇宙薄膜構造物の能動的形態変化を実現する形状制御理論を構築した。薄膜構造物が連続体であるのに対して、その形状制御のためにはアクチュエータを離散的に配置する必要があり、この連続・離散の乖離を旧来の理論で記述することは極めて困難であった。本研究では、多点同時加振によって発生する波動の重ね合わせにより、定常状態で形成される波形の解析的表現を導出することで、特定の振動波形を励起するための制御則を導出した。3) 前年度に製作した試作機による地上試験結果を踏まえて、本格的な宇宙利用を想定した形状制御装置の開発を行った。大型宇宙構造物は、打ち上げ時には折りたたみ収納し、軌道上で展開を行うので、このための収納・展開機構が必要となる。この収納・展開に加えて形状制御の機能も複合した機構を新規開発し、その基本性能の検証を行った。

This study aims to provide guidance for the establishment of shape control systems for ultra-large cosmic thin film structures by means of ratiometric engineering, and the possibility of dynamic morphological transformation on orbits. In this paper, we describe the theoretical system of the ratio of thin film structures in the universe, and develop a small test machine for shape control when the theory is applied. For the year ended 31 December 2014, the following major research results were achieved: 1)In the past year, the ratio theory of ultra-large thin film structures has been analyzed in detail. Special, external force, response waveform, decomposition, linkage, infinite degree of freedom, ratio, mathematical description of the relationship between input force and response This study demonstrates that the theory of finite element analysis can be used to construct a powerful method for calculating the ratio of finite element analysis. 2)The above theory is applied to construct a shape control theory for the dynamic morphological transformation of ultra-large cosmic thin film structures. The structure of thin film is very difficult to describe in theory. In this study, the ratio of vibration excitation to multi-point excitation is derived, and the behavior of waveform analysis in steady state is derived. 3)In the past year, the test machine was produced, and the results of the ground test were set. The development of the shape control device was carried out according to the universal utilization of this type. Large cosmic structures are required to be deployed in orbit. The new design and development of the new structure and the basic performance of the new structure are carried out.

项目成果

形状制御方法

形状控制方法

• 发表时间: 2022