研究背景・先行研究

「ソーラーセイリング」というコンセプトは，「ロケット工学の父」としても知られるツィオルフコフスキーらにより1919年の論文で示された．反射率の高い大きな膜面を宇宙で展開し，そこに太陽光が当たれば，光子の衝突力（輻射圧）により宇宙機は加速される．原理的には，燃料不要の無尽蔵なエネルギーで深宇宙航行が可能となる，革新的な推進方法である．

20世紀後半から各国でソーラーセイルの実証実験が計画されたが，なかなか実現されなかった．大きな困難として，非常に薄い（厚さ約10μm）ポリイミド高分子膜を宇宙機内にコンパクトに折り畳み（収納の問題），それを宇宙空間で展開する（展開の問題），そしてその膜形状を宇宙航行中に維持する（展張維持の問題），というセイル構造の設計・試験の課題を，重力・大気のある地上でどうやって解決するか知られていなかったことがある．

JAXA宇宙科学研究所では，セイル膜に薄膜太陽電池を貼付し，その電力でイオンエンジンを噴射して，ソーラーセイリングと電気推進を併用する「ソーラー電力セイル」という新しいコンセプトが提案された．2007年ごろから宇宙実証実験が計画され，本研究室はプロジェクトチーム発足とほぼ同時に構造系の担当としてプロジェクトへ参加した．JAXA宇宙科学研究所で開催される構造系専門部会に学生たちが参加し，プロジェクトに関わる研究開発に従事した．結果，2010年にソーラー電力セイル小型実証機IKAROSは，14m×14mのセイル展開に成功し，世界に先駆けてソーラーセイリング技術を宇宙で実証した．現在はその後継機の開発に，本研究室は継続して参加している．

SDDLでの研究成果

ソーラーセイルの収納
• 別項目「大型ソーラーセイルの収納法」を参照

大型膜面の展開ダイナミクス
• IKAROSの2段階展開のうちの1次展開ダイナミクスを幾何学的有限要素法で解析する手法を開発[1]
• IKAROSのバックアップ展開法の姿勢制御則を，単純なヨーヨーモデル[2]，および多粒子法動解析[3]に基づき提案
• 膜面にカーボン複合材ブームを追加し多粒子法動解析を実施[4]

宇宙空間でのセイルの展張形状
• 太陽輻射圧による膜面形状を，幾何学的非線形有限要素法を用いて変形解析[5]
• セイルに残る折りぐせが剛性・形状に与える影響を有限要素法の幾何学的非線形解析により評価[6]
• セイルの貼付デバイスの変形が全体形状に与える影響を実験的（実験計画法）により評価[7]

上記のような成果により，坂本准教授は第1回宇宙科学研究所賞（2014年度）を受賞した（「ソーラー電力セイルの確実な収納・展開の実現に向けた構造研究」）．

発表論文

[1] H. Sakamoto, Y. Miyazaki, and O. Mori, "Transient Dynamic Analysis of Gossamer Appendage Deployment Using Nonlinear Finite Element Method," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 48, No. 5, Sept.-Oct. 2011, pp. 881-890.
[2] D. Haraguchi, H. Sakamoto, Y. Shirasawa, and O. Mori, “Design criteria for spin deployment of gossamer structures considering nutation dynamics,” AIAA 2010-8072, presented at AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Toronto, Ontario, Canada, Aug. 2-5, 2010.
[3] H. Sakamoto, Y. Shirasawa, H. Sawada, D. Haraguchi, and O. Mori, "A Spin-up Control Scheme for Contingency Deployment of the Sailcraft IKAROS," AIAA 2011-1892, presented at the 52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Material Conference, Denver, CO, USA, 4-7 April 2011.
[4] B. Hohmann, H. Sakamoto, H. Furuya, N. Okuizumi, "Verification of Numerical Deployment Analysis for Membrane Structures Using Micro-gravity Experiment," AIAA-2018-1436, AIAA Spacecraft Structures Conference, SciTech2018, Kissimmee, Florida, Jan. 8-12, 2018.
[5] H. Sakamoto, Y. Miyazaki, and K. C. Park, "Finite Element Modeling of Solar Sail Deformation under Solar Radiation Pressure," Journal of Spacecraft and Rockets. Vol. 44, No. 3, May-Jun. 2007, pp. 514-521.
[6] T. Nishizawa, H. Sakamoto, M. Okuma, H. Furuya, Y. Sato, N. Okuizumi, Y. Shirasawa, O. Mori, "Evaluation of Crease Stiffness on Out-of-plane Stiffness of Solar Sails," Transactions of Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Aerospace Technology Japan, Vol. 12, No. ists29, 2014, pp. Pc_107-Pc_113.
[7] T. Nishizawa, H. Sakamoto, M. Okuma, "Shape Estimation and Design Methods for Membrane Structures to Achieve Appropriate Flatness," AIAA-2016-1219, 3rd AIAA Spacecraft Structures Conference, SciTech2016, San Diego, California, Jan. 4-8, 2016.