微小推力測定装置の開発 1B03 ○萩原啓司（東海大学・院），與那嶺仁（東海大学・院），大塩裕也（総合研究大学院大学），佐藤博紀（総合研究大学院大学），堀澤秀之（東海大学・工），船木一幸(JAXA/ISAS) Development of very low thrust measurement system Keiji Hagiwara, Hitoshi Yonamine, (Department of Aeronautics and Astronautics, Tokai University) Yuya Oshio, Hiroki Sato (The Graduate University for Advanced Studies) Hideyuki Horisawa (Department of Aeronautics and Astronautics, Tokai University), Ikkou Hunaki (JAXA/ISAS) Key Words: Micro-plasmajet Thruster, low power CW laser thruster Abstract To estimate the thrust characteristics of a low-power CW laser thruster, a single-wire torsion balance thrust stand was developed. Here, to suppress the displacement of the target during the thrust generation, a PID control system was also developed. As a result, suppression of the displacement of the target was achieved and its position on the focal point of the focusing lens was successfully kept. Moreover, from the control signal, the thrust force could be estimated. Some preliminary thrust characteristics were also obtained. 1. はじめに推力計測システムの構築 2. 近年の宇宙開発におけるキーワードは大型化と小 2.1. 捩り振り子式スラストスタンド型化である．ミッションの要求の高度化によって衛我々が目標とする推進機の推力オーダーは数～十星はこの二極化が進んできている．その中でミッシ数 μN で，その推進性能の評価を行うため，過去に高ョンコストの約３割を占める打ち上げコストを軽減感度のスラストスタンドの製作が行われている．製するために小型化が注目され，重量数 kg から数十 kg 作されたスラストスタンドの写真と概略図を図 2，の micro-sat, nano-sat 等とよばれる小型衛星の研究・図 3 に示す．図に示すように，このスラストスタン開発が世界中で行われている(1)．ドは，上下から固定されたワイヤ中央にアルミ製のレーザ推進のコンセプトは世界中に数多く存在すアームからなる。アームの片側には推進剤および静るが，低強度の CW (Continuous Laser) レーザを用い電アクチュエータを，反対側にはカウンターウエイ (2) た方式は世界でも例が無く新しい試みである．このトとして同様の物を設置した．推力発生に伴う中央方式は低強度の CW レーザを集光し，推進剤としてワイヤの捩り変形，すなわちアームの変位を計測す不活性固体をアブレーションさせプラズマの発生おることで推力を算出する方式である．単純な構造でよびその反作用で推力を発生することを期待していはあるが，ワイヤに張力を加えることにより，安定る．この方式では，液体推進剤を用いる推進機と比した再現性を得ることができるようになった．微小較し，高圧タンク，配管系，バルブなど複雑な構成推力を計測する上で，計測を困難にする主たる要素部品を省くことができるので簡素な構造および高信は，真空チャンバ外部からの振動ノイズである．こ頼性を達成できる．図 1 は低強度 CW レーザ推進れを除去するために渦電流式ダンパーを用いた(4)．ダの概念図である．推進剤はアルミ箔である．ンパーには，φ 10 mm，厚さ 5 mm のサマリウム･コ本研究では，低強度 CW レーザ推進機の推力特性評価のために，微小推力測定装置の開発を行った．推進剤図 1 上部に設置した．これにより，外部からの振動を緩和でき，推力測定時には不要な運動エネルギを排除 CW レーザ推力バルト磁石を 8 個用い，スラストスタンドのアーム（アルミ箔）低強度 CW レーザ推進の概念図することでアームの変位を短時間のうちにゼロ点（原点）に復帰させることができるようになった． 2.2. スラストスタンド変位の制御上述の通り，本スタンドにおいては，その計測原理上，発生する推力のためアームの原点が移動する．そのため，レーザ推進における推力計測の場合，レ真空チャンバ CW レーザ電磁アクチュエーターザ集光点からターゲットが移動してしまう．レーザ推進では，レーザをレンズで集光することでパワレンズー密度を上げている．そのため，測定中に焦点距離からターゲットが移動することは，レーザ推進機のレーザ変位計推力正確な推力計測の妨げになる．本研究では，この問題解決のため，ターゲット位置すなわちアームの変位を抑制しつつ推力を計測する制御システムの開発を行った．すなわち，アームの変位を打ち消すように発生する推力の方向と反対の制御力を発生させ，これを推力として計測するシ PC ステムとした．図 4 に実験装置全体の概略図をしめす．図 4 スラストスタンドの制御においては，アーム（す制御システムの概略図なわちターゲット）への推力の入力に対して，アームの一方向への変位という 1 入出力システムであるため，PID 制御を用いた．図に示すように，スタンド制御システムの構成要素は，アームの変位計測用磁石のレーザ変位計 (KEYENCE, LK-G400)，アームの変位制御用の電磁アクチュエータならびに制御用コンピュータ（PC，A/DD/A ボード (ADA16-8/2 (LPCI) L) コイルを搭載）である．電磁ダンパースタンドのアーム推進剤図 5 2.3. 電磁アクチュエータの概略図電磁アクチュエータこれまでの研究では，スラストスタンドのアーム静電アクチュエータ用極板変位量の制御用に非接触で反力を発生させる方式として静電アクチュエータを利用してきた．この方式は，極板を二枚平行に配置し，これらに電圧を印加図 2 スラストスタンドの写真することで静電力を発生させる仕組みである．しかしながら，このアクチュエータを利用して制御を行釣り下げワイヤうと，スタンドが目標値に収束するまでに 15 s 以上要した．また，制御を行うたびにスタンドの原点が移動し，発生する静電力が小さくなる傾向もみられた．これらの原因は，静電アクチュエータの変位が電圧の入力に対して非線形であり，また斥力を発生させることができないために原点への収束に時間を推進剤要したと考えられる．これらを解決するために，電磁アクチュエータの図 3 スタンドの概略図一種であるコイル･マグネットアクチュエータを製作した．概略図を図 5 に示す．これまでの静電アクチュエータと比較して，入力電圧に対して線形的に PC の DA 変換ボードからの出力が最大± 10 V である比較的大きな電磁力を発生させ，かつ斥力を発生さので，1 kΩ の抵抗を用いた．本実験条件においては，せることが可能である．また，所要の電磁力の発生磁石とコイルの相対位置が 10 mm のときに発生するは比較的小電力で充分で，すなわち，PC からの出力電磁力が最大となるので，アームに取り付けた磁石電流をそのまま利用することも可能である．とコイルとの距離は 10 mm とした．以下に，電磁アクチュエータの基本原理を示す．まず，コイルが発生させる磁場は，ビオ・サバールの法則より表わされる．推力計測を行う前に制御システムの PID コントローラゲインを設定する必要がある．このとき，各ゲインは限界感度法を用いて，調整した．限界感度法では，比例ゲインを安定限界まで上げ限界ゲインとし，このときの持続振動の周期から限界周期を定める．この ( 2.1 ) ，の値から，表 3 に示すような調整則を用いてゲインを決めていく(6)．しかし，この方法で求めたゲインは実際の制御に用いると，アクチュエータの操作量が限界値をオーバしてしまう．がコイルの巻き数，がコイルと磁石間の距離，がコイルの長さ，がコイルの半径を表している．求めたゲインより小さく調節した．の磁石ゲインの設定後に，アームの位置を原点に維持すに作用し式( 2.2 )のように電磁力を発せるように制御し，推力を計測した．この推力の算出このコイルが発生させる磁場の磁荷そのため，実際に用いるゲインは，限界感度法からが，厚さは，制御に用いたアクチュエータ入力した操作量をさせる．用いて反力を算出することで見積もった．この値を， CW レーザ照射中に発生する推力とした ( 2.2 ) スラストスタンドアームの変位制御の利点は，集光レンズとターゲットの相対位置を維持したまま推式( 2.2 )から，このアクチュエータは電磁力が電圧に力計測を行える点である．この点を生かして，レー対して線形であることが確認できる．ザ光の集光レンズ－ターゲット距離の変化に対する推力の関係，すなわち，レーザ光のパワー密度に対する発生推力の変化を確認した．実験装置および方法 3. 図 4 に実験装置全体の概略図を示す．使用したレーザ装置は，CW レーザビームの最高出力が 25 W で実験結果及び考察 4. 発信波長が 1090 ± 5 nm のファイバーレーザ (SPI ゲイン決めの結果を図 6 に示す．スタンドの目標 Lasers, SP－25C－0001) である．ファイバーレーザは値を-0.08 mm，0.08 mm，0 mm（原点）と順次変更し優れた単一光を得られるため，容易に集光することている．図 6 より，偏差が残っておらず，目標に素が出来る．表 1 に仕様を示す．アームの変位の計測早く ( 5 sec 以内) 追従している．また，操作量が限には，レーザ変位計 (KEYENCE，LK-G400) を用い界値 (± 10 V) を越えていないことを確認できる．今た．回最終的に制御に用いたゲインは = 1， = 0.6， = 0.6 であり，限界感度法により求めたゲインは，実験に用いた真空チャンバおよび排気系は以下の通りである．真空チャンバは内径 600 mm，長さ 1000 比例ゲイン mm の円筒形（株式会社クリエテック）で，排気速ン = 1，積分ゲイン = 2.4，微分ゲイ = 3.75 であった．度 1000 L/sec のターボ分子ポンプ (SEIKO SEIKI，推力計測の結果を図 7 に示す．図より，推力計測 STP-H1000) および排気速度 840 L/min の油回転真中のスタンドの変位が抑制されていることが確認で空ポンプ (芝浦エレテック株式会社，DRP-800) で排きる．このとき，PC からの操作量によるアクチュ気した．また，実験時の最高真空到達度は 1.1 x 10 Pa エータ反力が発生している。この操作量から電磁力である．は 2.64 µN であった．従って，アーム変位量の制御中 -3 実験で使用した自作電磁アクチュエータの仕様を表 2 に示す．このアクチュエータは PC から出力される最大 ± 10 mA のアナログ電流で動作する．なお，に発生した推力は 2.64 µN と推定できる．計測したレーザの出力と推力の関係を図 8 に，レンズ－ターゲット位置と推力の関係を図 9 に示す．レーザの出力に対して推力は，ほぼ線形に増加していることが確認できる．さらに，レンズとターゲットの相対位置が 17~18mm の推力のピークが確認できる．よって，図より確認できる傾向からは，レーザのパワー密度と発生する推力の間には依存性が存在するといえる．表 1 ファイバーレーザの仕様パラメータ値単位ビーム出力 25 W 発振波長 1090 ± 5 nm バンド幅 ≤ 2.5 nm 調整可能出力 2 - 100 % 出力の安定性 <2 % 表 2 図 7 スタンド制御中の推力計測図 8 レーザの出力と推力の関係自作電磁アクチュエータの仕様パラメータコイル磁石値単位巻き数 10 回半径 15 mm 素線径 1.5 mm 厚さ表面磁束密度半径 14 mm 280 mT 7.5 mm 厚さ 10 mm 表 3 限界感度法の調整測 P 0.5 ― ― PI 0.45 /1.2 ― PID 0.6 0.5 /8 図 9 5. レーザの焦点距離と推力の関係まとめスラストスタンドアームの変位量の制御系の開発を行った．これにより，推力発生時にレーザの焦光点と推進剤の相対位置を一定に制御した状態における推力の計測を可能にした．その結果，レーザの出力に対して推力は，ほぼ線形に増加していること，ならびにレンズとターゲットの相対位置が 17~18mm 図 6 ゲイン決めの結果とき推力のピークを取ることを確認した．この結果から，CW レーザ推進機の発生推力はレーザのパワー密度に依存しているといえる．今後は，推力発生の機構について細かく調べる予定である．参考文献 1) Michael M. Micci, Andrew D. Ketsdever: MICRO PROPULSION FOR SMALL SPACECRAFT, AIAA, Book, 2000 2) John K. Ziemer, Manuel Gamero-Castaño, Vlad Hruby, Doug Spence, Nate Demmons, Ryan McCormick, Tom Roy, Chas Gasdaska: Colloid Micro-Newton Thruster Development for the ST7-DRS and LISA Missions, AIAA-2005-4265, 2005 3) Sota Sumida, Hideyuki Horisawa, Ikkoh Funaki: Fundamental Characteristics of a Low - Fluence CW Laser Thruster, AIAA-2008-4864, 2008 4) Henry A. Sodano, Daniel J. Inman, Jae-Sung Bae, W. Keith Belvin: Model Eddy Current Damper for the Suppression of Transverse Membrane Vibrations, AIAA 2005-2054, 2005 5) Amoruso, V. Berardi, R. Bruzzese, R. Capobianco, R. Velotta, M. Armenante: High fluence laser ablation of aluminum targets: Time-of-flight mass analysis of plasmas produced at wavelengths 532 and 355 nm, Applied Physics A, A 62 533 541, 1996 6) 杉江俊治，藤田政之，フィードバック制御入門，コロナ社，2007 7) 堀澤秀之, 小型レーザプラズマ推進機，日本航空宇宙学会誌，第 51 巻，第 594 号，191-196，2003． 8) Gonzales, D. and Baker, R.: Microchip Laser Propulsion for Small Satellites, AIAA Paper 2001-3789, 2001.