衛星微小振動を最小化しミッション性能を向上

宇宙技術分野において、スイス電子・マイクロテクノロジーセンター（CSEM）は長年にわたり欧州宇宙機関（ESA）のパートナーです。共同研究の焦点の一つは、衛星搭載コンポーネントから発生する振動放出の排除です。これらの微小振動は、衛星の姿勢制御精度を制限するだけでなく、エネルギー消費の増加や（撮像ミッションの場合）画質の劣化を招きます。

磁気浮上式リアクションホイールで振動を抑制

不要な振動を発生源またはペイロード側で抑制するさまざまな方法があります。CSEMは現在、数値モデル、アクティブ・パッシブ緩和、アルゴリズムベースのノッチングなど、さまざまなアプローチを探るプロジェクトを複数進行中です。其中一つのプロジェクトでは、磁気浮上に基づく革新的な技術を採用しています。

「Kistlerの計測技術の支援により、磁気軸受を備えたリアクションホイールプロトタイプを調査しました」と、CSEMの微小振動施設を率いるLeopoldo Rossini氏は語ります。「スイス企業Celerotonのこの技術は、摩擦なし、実質的に無限の寿命、制御による不要振動の積極的抑制、より高速での高性能達成など、多くの利点があります」とRossini氏は付け加えます。

高感度測定チェーンでミリニュートン級振動を検出

CSEMのエンジニアたちは、Kistlerの測定チェーンを用いてリアクションホイールプロトタイプの振動を調べます。カスタムダイナモメーターは、2枚の鋼板の間に4つの3成分力センサーをサンドイッチマウントした構造で、最大の機械的剛性を実現しています。この測定装置は、4つの空気圧アイソレーターで吊り下げられた花崗岩ブロック上に設置され、環境影響を可能な限り排除しています。

微小振動はミリニュートン範囲で発生するため、非常に低ノイズの高感度測定チェーンが必要です。ステッピングモーターやクライオクーラーなどのアクチュエーターを計測台に置いて所望の測定を行えます。

多重高調波力除去アルゴリズムで主要振動を抑制

磁気浮上式リアクションホイールプロトタイプでは、-20,000〜20,000 rpmの速度範囲をカバーしました。これにより、運転中に生成される主要振動を抑制できる多重高調波力除去アルゴリズムの有効性を完全に特性評価できました。「物理的接触がない磁気浮上により、非常に興味深い機会が開かれます」と、CSEMのR&DエンジニアGuzmán Borque Gallego氏は語ります。「ローターを、ローターアンバランスに関連する振動を抑制するよう、主慣性軸周りで回転させるなど、ほぼ自由にローターを位置決めでき、これらの放出をほぼゼロに減らせます」と述べています。

Kistler機器で高品質データを取得

「Kistlerの機器は理想的で、非常に高品質な結果をもたらしてくれました」とBorque Gallego氏は語ります。「ミリニュートン範囲の微小な力を測定していますが、マイクロニュートンでも差が見えます。これによりすべての測定を快適に判断でき、プロセスで高品質なデータが得られます。」

データ取得は20kHzのラピッドプロトタイピングシステムで処理され、正確な測定により制御アルゴリズムの効果が明確に特定できました。

当初は最新のLabAmp 5167A（デジタル出力）を使用する予定でしたが、最終的にKistlerの5080Aチャージアンプを採用しました。これはさらに正確な測定が可能で、アナログ信号伝送によりリアルタイム性能が高いためです。

「新しいKistler技術を導入できて嬉しいです。ESAやドイツのパートナーも認定目的で使用しているからです」とRossini氏は付け加えます。「この機器は非常に堅牢で、与えられた制約を超えるストレスでも故障しませんでした。能力が証明されたので、振動特性評価の分野で今後のプロジェクトでも確実に使用します。ここではすでにKistlerの加速度計を運用しています。」

「磁気軸受リアクションホイールの利点は明確です：従来ホイールより遥かに低い振動で、より高速回転が可能です。つまり性能向上に加え、サイズと重量の削減が可能です。摩擦がないため摩耗がなく、ホイールの寿命は実質的に無限です」とBorque Gallego氏は語ります。「これは魅力的なプロジェクトで、次のステップである実用化、テスト、パートナーとの検証へ進めることを期待しています。」

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