Ansysブログ
July 26, 2023
空の安全を確保: 宇宙機の飛行におけるパッシブセーフティの重要性
宇宙旅行は人々の想像力を掻き立ててきましたが、未知なる世界への冒険には必ずリスクが伴います。宇宙探査では、宇宙機と乗員の安全性を確保することが最優先事項です。アクティブセーフティ対策は重要な役割を担いますが、リスクを軽減するにはパッシブセーフティ機能および分析も同様に重要です。これは、2つの宇宙機がランデブーおよび近接操作（RPO）を実行しているときには、さらに重要になります。RPO解析におけるパッシブセーフティの重要性と、宇宙飛行士や貴重なアセットを保護するためのパッシブセーフティの寄与について詳しく見ていきましょう。
安全性を考慮した近接軌道を設計
パッシブセーフティは、衝突回避から構造シールドまで、何を担当するかによって意味が異なります。ここでは、軌道設計と衝突回避という観点からのパッシブセーフティについて考えます。近接軌道を設計する場合、最優先となるのは衛星の衝突回避です。新しい衛星による近接ミッションが増えている中で、その重要性も高まっています。これは通常の状況では検証が困難ですが、エンジンが停止したり、通信が失われたり、衛星が安全モードに切り替わった場合は何が起こるのでしょうか。このような状況では、追加の入力や操縦などがない場合に、衛星がどこに移動するかを理解することが重要です。追加の操縦がない場合、衛星が衝突することはありませんが、通常はイベント全体を通して安全なスタンドオフ距離が望まれます。これらの制約を確保することは長く面倒なプロセスになりますが、この作業には、Ansys Systems Tool Kit（STK）とAstrogator機能が役立ちます。
Astrogatorは、特にRPOミッションのための最高レベルの軌道設計エンジンとして知られており、現在ではパッシブセーフティ分析のための組込みツールを備えています。2023 R2リリースで追加されたAstrogatorのPassive Safety Utilityでは、重大なエラーが発生する可能性がある状況での飛行安全性を分析できます。これにより、ミッション設計者はパッシブセーフティ要件を検証し、衛星が衝突しないことを確認できます。
Passive Safety Utilityは、Astrogatorの軌道上で実行され、指定されたターゲットに関連して設計された各操縦を検証します。各操縦の終了時に状態ベクトルを取り出し、それを時間の進行方向に伝搬させます。この伝搬には、将来に計画される操縦や姿勢変更は含まれないため、追加の入力なしに自然な伝搬をシミュレーションできます。この伝搬を侵入禁止ゾーンや接近要件と比較して、パッシブセーフティを確認できます。
自動化されたパッシブセーフティチェックを作成
次の例では、指定したターゲットを周航する強制運動にこのツールを適用する方法を見ていきます。以下の画像では、計画された軌道が黄色、目的の侵入禁止ゾーンが青色、パッシブセーフティチェックのサンプルが緑色の曲線で示されています。
Ansys STK Astrogatorの強制運動による周航モデル
画像に示されている軌道は、40回以上の操縦で構成されており、そのすべてに対してパッシブセーフティを確認する必要があります。緑色の軌道は、その1つの操縦に対するパッシブセーフティの伝搬を示しています。このケースでは、対象の操縦は実行されましたが、追加の操縦は実行できませんでした。その結果、衛星はターゲットに対して後方に航路がずれました。Passive Safety Utilityでは、軌道内のすべての操縦が自動的にチェックされ、ユーザーは各結果をグラフィカルに切り替えて、結果を分析できます。以下の図に、このミッションのパッシブセーフティインターフェースのサンプルを示します。このツールを使用することで、対象となる対象と主体だけでなく、要件を満たすための特定の侵入禁止ゾーンのサイズと形状も指定できます。
STKのPassive Safety Utilityインターフェース
パッシブセーフティ分析を実行すると、結果として得られる最小範囲などの出力リストが表示され、各操縦の安全レベルをより深く理解できるようになります。安全でない事柄は明確にマークされるため、設計で何を変更すべきかを正確に特定できるようになります。結果として得られるすべてのデータをダウンロードして、追加の分析やツールに使用することもできます。これにより、分析時間を大幅に短縮し、運用中の衝突リスクを軽減できるようになります。