複数台の可変速CMGによる宇宙機の姿勢制御

摘要

可変速コントロールモーメントジャイロ（可変速CMG）は，宇宙機の姿勢制御に使われるアクチュエータである．可変速CMG は回転するホイールとジンバル軸からなり，ホイールをジンバル軸回りに回転させることで生じるジャイロ効果によるトルクと，ホイールの持つ角運動量の大きさを変化させることで生じる反作用トルクを出力する．複数台の定速CMG を用いる場合は3 軸周りにトルクを出力できない特異点が存在するが，2 台以上の可変速CMG を用いる場合，全てのジンバル軸を平行としない限り，特異点は存在しない．特異点は姿勢制御において大きな問題となるため，複数台の可変速CMG を用いた姿勢制御は定速CMG を用いる場合に比べて大きな利点を持つ．しかし，連続的な姿勢制御を考えるとき，可変速CMG を用いる場合でも，姿勢変更後にホイールの角運動量の大きさがノミナル値に収束することが望ましい．そこで，本研究では初めに3 台の可変速CMG を用いる場合を対象とし，3 台の可変速CMG のシステムの解析を行う．次に，宇宙機を任意の方向にある角度回転させる場合について，姿勢変更時間が最短となるような軌道をChebyshev-PseudSpectral 法により求める．可変速CMG と定速CMG それぞれの，最短姿勢変更時間を全方向について計算し，全方向最短時間図を作成する．最後に，姿勢制御と角運動量制御の両者を達成するステアリング則を提案し，シミュレーションによりその有用性を示す．