a conceptual image showing a robotic assembly structure building a large truss structure in space
出典: caltech.edu

カリフォルニア工科大学（Caltech）が開発した宇宙ロボット「ASTRA」が、宇宙飛行士の手を借りず、軌道上でアンテナを支える骨組みの一部を自動で組み立てました。研究を率いるセルジオ・ペレグリーノ氏は、構造物を宇宙で自律的に組み立てた初の例としています。ミッションは12月に終了する予定で、アンテナ全体の完成は難しい見通しですが、研究チームは宇宙での組み立て手法の実現可能性を示せたと評価しています。

地上で用意した骨組みに、宇宙で新たな区画を追加

ASTRAは、米国防高等研究計画局（DARPA）の資金で開発された、反射型アンテナの自動組み立て実証システムです。直径1.4メートルのアンテナを目標に、複合繊維製の管、アルミニウム製の接合部品、宇宙機に使われる高分子フィルム「カプトン」の反射面を組み合わせる設計です。

骨組みには、管と接合部品をつないだ「トラス」と呼ぶ構造を使います。ロボットアームが収納装置から部品を取り出し、組み立て台の上で「ベイ」と呼ぶ同じ形の区画を順に作り、完成した区画を外側へ押し出す仕組みです。

ASTRAは2026年3月30日、SpaceXの「Transporter-16」ミッションで打ち上げられました。Momentusの軌道上輸送機「Vigoride 7」に搭載され、低地球軌道へ運ばれた10件の搭載物の一つです。

約1立方メートルの装置には、地上で組み立てた2区画と、残りの骨組みを作るための部品が収められていました。軌道上では打ち上げ時の固定を解除し、既存の2区画を押し出した後、3区画目を組み立てました。アンテナ全体では11区画をつなぎ、反射面を取り付ける計画でしたが、実際に完成したのは初期部分です。

組み立ては自動、地上では画像を見て問題に対応

地上チームはVigorideを介してASTRAの搭載コンピューターに指示を送り、ロボットが自動で組み立て作業を実行しました。作業結果は宇宙から送られた写真で点検し、問題が起きた際には指示を調整して再試行しました。

地上から通信できるのは、1日約7〜8回、それぞれ約15分の短い時間帯に限られていました。研究チームはCaltechの研究室に置いた同型の予備機で不具合を再現し、複数の対処法を試したうえで、軌道上の装置へ修正した指示を送って対応しました。

地上からの遠隔操作による宇宙ロボット作業には、日本の技術試験衛星「きく7号（ETS-VII）」の先例があります。きく7号は「おりひめ」「ひこぼし」の2機で構成され、衛星同士が自動で接近・結合するランデブ・ドッキング実験と、地上から遠隔操作する宇宙用ロボットの技術実験を行いました。

きく7号では、搭載ロボットアームを地上から遠隔制御して各種作業を行えることも実証されました。今回のASTRAでは、地上から指示を受けた装置が部品の取り出しと接合を自動で進め、その結果を地上で監視する運用が採られています。

反射面を張る力を減らし、骨組みの軽量化を目指す

ASTRAの設計では、多数の小さな穴を設けた薄膜を骨組みに取り付け、ばねで互いに張力を与えた2枚の網状の反射面を形成します。この薄膜はCaltechとペンシルベニア大学の研究者が共同で考案しました。研究チームは、従来の編んだ金属メッシュより小さな張力で形を保てるため、支持構造を軽量化できるとしています。

こうした反射膜に関連する研究では、ペンシルベニア大学の研究チームが、アルミニウムを被覆したポリイミド薄膜に切り紙状の切り込みを入れる構造を検証しています。切り込みによって薄膜を伸びやすくし、熱変形に耐えるために必要な張力を抑える設計です。

同チームの引張試験では、選定した設計に必要な張力は約0.5ニュートン毎メートル、低いものでは約0.1ニュートン毎メートルでした。また、展開時に想定するひずみの下で、10ギガヘルツの電波に対する電力反射率が90％を超えることを測定しました。研究チームは、薄膜の機械的な柔軟性と電波の反射性能を両立させる設計を検討しています。

数百メートルからキロメートル級の宇宙構造物へ

大型のアンテナや望遠鏡を打ち上げる際には、搭載物を覆うロケットの「フェアリング」に収まる大きさが制約になります。従来は構造物を折り畳んで宇宙で展開するか、複数回に分けて運んだ部品を宇宙飛行士が組み立てる方法が使われてきました。

既存の展開式アンテナの例として、Northrop Grummanの「AstroMesh」は直径3〜22メートルの反射面に対応しています。一方、DARPAの計画責任者アンドリュー・デトール氏は、宇宙での製造・組み立てを研究する「NOM4D」計画について、数百メートルからキロメートル規模の構造物を効率よく建設することが目標だと述べています。

ASTRAはNOM4Dの第3段階である小規模な軌道上実証に進んだ2件の計画の一つです。もう一つはイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校が主導し、国際宇宙ステーションに取り付けたモジュールで炭素製の管を宇宙で硬化させる方法を試す計画です。

ASTRAの研究チームは、今回の運用を踏まえて設計を簡素化し、改良する必要があるとしています。ペレグリーノ氏は、宇宙での組み立て技術の応用先として、天文学や宇宙物理学に加え、通信や宇宙太陽光発電向けの大型太陽電池アレイを挙げています。