先進展開構造の研究
【2017年3月更新】
ORIGAMI （OR ganizati on of research G roup on A dvanced deployable M embrane structure for I novative Science）です．詳細な活動状況はORIGAMIのホームページhttp://www.origami.titech.ac.jp/
背景
研究紹介のページのトップ にも書いた通り，2000年代中盤頃から，宇宙構造物，特に，膜構造物など次世代の軽量な宇宙構造物の研究者が精力的に共同研究を続けてきました．その中には，IKAROSやSIMLEなど実際の宇宙ミッションで成果を出したものもあります．精力的に研究をしてきたということは，それだけ，国の予算を使ってきたということです．しかし，例えば，「次世代の先進的な宇宙構造物は，どんなもので，それはいつ頃実現できそうですか？」と聞かれて，確固たる裏付けを持って返答できる研究者が日本にどれくらいいるでしょうか？我々自身，想像でものを言うことはできても，裏付けを持って言えることは正直，大してありません（ちょっと悔しいです）．そう思うと，「宇宙構造物の研究に，国はそれなりに予算を投じてきてくれたわけだから，関係する研究者で，何かそろそろはっきりとしたものを出していけないだろうか？」という思いが湧いてきます．
これに対し，海外では，3U～6UのCubeSatを使って，様々な研究を行おうと，急速に宇宙を舞台とした研究が活発化しています．これは，CubeSatのバス技術レベルが向上して，研究に使用するに耐えうるものになってきたとの認識が広まったからだと思います．この流れが進むと，それらCubeSatの成果などを裏付けとして上記の質問に応え，さらに小型衛星，大型衛星と発展させていくことで，「次世代と言われていた先進的な宇宙構造物がこれです」と見せつけられることになるかもしれません．
これは宇宙構造物に限った話ではなく，現在，宇宙工学に関しては，大学の研究室・実験室の中はもとより，地上で研究が閉じる時代は既に終わっており，宇宙で研究をする時代となってきている と感じています．
しかし，実際に国内を眺めてみると，宇宙ステーションなどJAXAのプラットホームを使って，あるいは，自身で超小型衛星などを開発して実際に宇宙で研究をしようとしている人は，思ったほど多くはなく，海外の状況を見ていると，「このままで，世界と勝負できる研究レベルを維持できるのだろうか」，と少し不安がよぎります．
一方，では，海外はCubeSat等を使ってどんどん研究をして，バラ色の成果を出しているのかと言えば，実はそうでもないようです．2013年あたりから，急速にCubeSatの打ち上げが増えてきましたが，きちんと動作しないものも多いようです（動作しているのは50%程度？）．今は通販でCubeSatやそのコンポーネントが返る時代になりましたが，やはり，宇宙できちんと動作させるには，様々なことを想定してシステムを組み，かつ，オンボード・ソフトウェアをつくることが大切だと感じています．
また，日本でも，超小型衛星は主にUNISEC加盟団体が開発して打ち上げているものの，必ずしもミッションを達成しているものが多いとは言えない状況です（むしろ，うまく動作していない衛星が多いかと思います）．
それゆえ，国際的にも「宇宙にゴミをばらまくな！」との厳しい非難が超小型衛星のコミュニティーに対して浴びせられるような状況になってきています．
このような状況から，
これからも，我々の研究室は，宇宙で研究成果を出すことを目指していきたい
宇宙工学の研究者，特に，若手研究者に，積極的に宇宙に打って出て，自分の研究を宇宙でやって，成果を出していってほしい
そして，自分達も含めて，宇宙工学，特に，宇宙構造物工学の多くの研究者がより高いレベルで議論を重ねながら，全体として高い研究成果を出していける仕組みをつくっていきたい
宇宙構造物に関して言えば，ロードマップのようなものをきちんと考えて，「どこを狙って世界と勝負できる成果を出していくのか」を見定めながら，研究を進めていきたい
と考え，それには，
「こうすれば，宇宙構造物に関する研究を宇宙でやって，成果を出すことができますよ」ということを周囲の研究者，特に，若手研究者の方々にみせていくこと ロードマップのたたき台のようなものをつくり，道筋を描くこと ALSS のように学生や若手研究者の交流や意識向上のための場だけでなく，お互いにお互いの研究に対してもっと厳しい議論をし，刺激をし合い，宇宙での共同研究の成果を生み出す場をつくること宇宙で研究成果を出す際，どうすればきちんと動作する衛星（あるいは宇宙用実験装置等）をつくれるか，みんなで議論し，かつ，成功率を高めるための具体的な仕組みをつくること
が必要なのではないかと考えました．そこで，このうちの1番と2番をこのORIGAMIプロジェクトで実現したいと思い，東工大の坂本先生と委託費に応募し，採択され，ORIGAMIプロジェクトがスタートしたわけです．
研究内容
この委託研究のそもそもの目的についてはORIGAMIプロジェクトのホームページ 革新的な宇宙科学を実現するために必要となるであろう，先進的な宇宙展開構造物を若手が創出できる研究・開発拠点をつくること 」です．この目的を達成するために，「背景」でも述べたような，次の2点を行います．
「こうすれば，宇宙構造物に関する研究を宇宙でやって，成果を出すことができますよ」ということを周囲の研究者，特に，若手研究者の方々にみせていくこと
ロードマップのたたき台のようなものをつくり，道筋を描くこと
このうちの1番を達成するための方法として，ORIGAMIプロジェクトでは「具体的な例題として何かの研究をし，実際にその例題を宇宙実証するスキームを開発することと，その過程を公開すること」を選びました．また，「具体的な例題」としては，「ブーム・膜一体型展開構造物の研究」と，「数値計算と実験データ／フライトデータとの融合による展開宇宙構造物の設計・検証手法の開発」を選びました．そして，宇宙実証のスキームとしては，「地上実験と航空機実験による事前検証と，ISSからの3UのCubeSat放出による宇宙実証」という流れを選びました．
「ブーム・膜一体型展開構造物の研究」，ならびに，それを3UのCubeSatで実証する部分は，東工大チームが中心となって実施し，(株)ウェルリサーチとサカセ・アドテック(株)がハードウェアやシステム開発をサポートします．また，我々の研究室も設計・開発の議論には参加し，「確実に動作する衛星」を目指したいと考えています．また，「数値計算と実験データ／フライトデータとの融合による展開宇宙構造物の設計・検証手法の開発」につていは，日大，特に，山﨑が中心となって実施していきます．また，宇宙実証スキームの最初の部分である「地上実験と航空機実験」については，東工大ならびに日大で地上実験を行うとともに，日大が航空機実験を担当します．日大は，種々の展開膜構造物を自身で製作します．また，，「ブーム・膜一体型展開構造物」のモデルやその他の展開構造物についても東工大やウェル・リサーチやサカセ・アドテックが自身で製作して日大に持込みます．そして，それらを日大が航空機内に持ち込んで，微小重力実験を行います．
研究進捗状況
研究進捗状況については，ORIGAMIプロジェクトのブログ
[Yamazaki, February 2017]
実験目的
本実験は，実験と数値解析の融合による先進的な宇宙展開構造物の設計・検証手法の開発を目的としています．
軽量・高収納性を有したブームや膜・ケーブルなどを用いた新しい宇宙展開構造物は，従来の宇宙構造物に比べて格段に収納時の重量・体積を小さくすることができるとされ，ソーラーセイル，大型アンテナ，サンシールドなど大型の構造物を必要とするアプリケーションへの利用が期待されています．
しかし，従来の構造物と比べて重力や空気抵抗，摩擦といった従来は無視できたような小さな力に強く影響を受けるため，宇宙環境での振舞い(釣り合い形状やダイナミクス)を把握するのが困難とされています．
このことから，実用化のためには，重力や空気抵抗，摩擦といった影響が構造物の振る舞いへ及ぼす影響のメカニズムを明らかにし，可能であれば積極的にこれらの要素をコントロールすることが必要となります．
そこで，本実験では，重力・空気力・構造物のサイズというパラメータを用いてこれらのメカニズムの一端を明らかにし，いくつかの構造物における設計・検証法を示すことを目的しました．この実験をきっかけに，将来的には，先進的な宇宙展開構造物の設計・検証手法を整理することを目指しています．
特に，本実験では，微小重力環境下での構造物の振る舞いに関するデータの収集方法を確立するため，
Braid Coated Bi-Convexブーム展開機構(Braid Coated Bi-Convex ：BCON )，
超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する膜展開機構(OrigamiSat Deployment Structure：ODS )，
超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する膜面の撮影用伸展ブーム(OrigamiSat Deployment Boom：ODB )，
Convexブーム展開機構(Single Convex：SCON )，
インフレータブルチューブ・膜複合展開機構(Combined Membrane：CM )，
遠心力による膜面展開機構(Spin Deployment Membrane：SDM )
という，バラエティに富んだの6種類の構造物の実験を行いました．
各展開構造の概要
【BCON：Braid Coated Bi-Convexブーム展開機構】
Braid Coated Bi-Convexブーム展開機構ついて，無重力環境下でのブーム及び膜の展開挙動，ハブ内部でのコンベックステープの挙動を計測しました．これにより，重力環境下で現れる摩擦の影響や，ブーム進展に対する膜の展開拘束力を評価し高精度な数値解析モデル構築および展開の確実性に大きく影響を与えるパラメータを特定しました．特にダンパーのトルク値，膜の有無，膜の折り目パターンを変更した実験を2次元，3次元構造により実施しました．
図 1 BCON展開構造物
【ODS：超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する膜展開機構】
超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する膜展開機構のスケールモデルについて，重力下では不可能な，重力補償機構を除外した状態での展開実験を実施して，展開時の展開ダイナミクスおよび機構への反力を計測しました．これにより，高精度な数値解析モデル構築が可能となりました．特に，センターハブの拘束条件，膜の有り無し，ブームの種類，ブーム・膜の接続方法／サイズを変更した実験を実施しました．これにより，重力補償機構の影響ばかりでなく，拘束の影響，膜面の抵抗力，ブーム材質の影響，膜面のブームへの接続法，サイズの効果の評価に必要なデータを取得できました．
【ODB：超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する伸展ブーム】
超小型衛星OrigamiSat-1に搭載する膜展開の計測用カメラの伸展ブームのスケールモデルについて，伸展実験および伸展状態における外乱の影響評価実験を実施して，伸展ブームの評価に必要なデータを取得しました．
図 2 OrigamiSat-1の展開構造物
【SCON： Convexブーム展開機構】
Convexブーム展開機構について，無重力環境下でのブーム及び膜の展開挙動，ハブ内部でのコンベックステープの挙動を計測しました．これにより，重力環境下で現れる摩擦の影響や，ブーム進展に対する膜の展開拘束力を評価し高精度な数値解析モデル構築および展開の確実性に大きく影響を与えるパラメータを特定しました．特に膜の有無，膜の折り目パターンを変更した実験を実施し，それらの影響を明らかにしました．
図 3 SCON 展開構造物
【CM：インフレータブルチューブ・膜複合展開機構】
インフレータブルチューブ・膜複合展開機構について，微小重力下での展開実験を実施して，展開時のインフレータブルチューブおよび膜の展開ダイナミクスおよびガス注入履歴，インフレータブルチューブの展開時の振動を計測しました．その際，チューブ・膜サイズ，内圧を変更した展開実験を実施しました．
これにより，高精度な数値解析モデル構築および展開の確実性に大きく影響を与えるパラメータを特定しました．
図 4 複合膜面構造物
【SDM：遠心力による膜面展開機構】
遠心力による膜面展開機構のスケールモデルについて，重力下では不可能な，低スピンレートでの展開実験を実施して，展開時の展開ダイナミクスを計測しました．その際，膜サイズ，膜厚，折り目数，スピンレートを変えた複数のケースで実験を実施しました．これにより，高精度名数値解析モデル構築および相似則の構築を可能とし展開の確実性に大きく影響を与えるパラメータを特定しました．
図 5 スピン展開構造物
実験の様子
実験の様子については，研究室ブログ
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