スピン制御：スターフィッシュ・スペースは磁気を利用して衛星の死のスパイラルを阻止する
スターフィッシュ・スペース社の最初の軌道ミッションがオッター・パップ衛星ドッキングシステムの急激な回転により失敗の危機に瀕してから2か月半後、ワシントン州ケントに本社を置くこの新興企業は、回転を停止し、別の衛星とのランデブーの準備を進めていると発表した。
ミッションコントローラーは、オッターパップが正常に動作していることを確認し、接続可能な衛星を特定する必要がある。しかし、スターフィッシュの共同創設者であるオースティン・リンク氏は、チームは最大のハードルを乗り越えたと述べた。それは、1秒間に約1回転していた宇宙船の「回転解除」だ。
「企業として、宇宙で本当にユニークで並外れたことを成し遂げたのは、今回が初めてです」とリンク氏はGeekWireに語った。「今回のミッションで目指していたのは、そういうことではありませんでした。まだその道のりはこれからです。しかし、私にとって、このミッションを成し遂げたことは、スターフィッシュの素晴らしい仲間たちと仕事ができることにどれほど興奮しているかを示す、もう一つの証なのです。」
この挑戦は、オッター・パップと他の数十機の宇宙船が6月12日にスペースX社のファルコン9ロケットによって低地球軌道に打ち上げられた直後に始まった。スターフィッシュの宇宙船は寮の部屋の冷蔵庫ほどの大きさで、軌道上の宇宙タグボートから展開されるように設計された。
この宇宙タグボートは、その後、オッター・パップ、そして最終的にはスターフィッシュのフルサイズのオッターが、他の宇宙船とランデブーしてドッキングし、サービスを行う様子を示す数か月に及ぶデモンストレーションのターゲットとなる予定だ。
残念ながら、スペースタグはファルコン9の上段ロケットから分離した後、オッターパップを取り付けたまま急激に回転してしまいました。ミッションコントローラーは緊急判断を下し、オッターパップを直ちに分離しましたが、スターフィッシュの宇宙船は回転を続けました。大気抵抗によって回転速度はいくらか減速しましたが、それでもスターフィッシュのチームは、太陽光発電の宇宙船の充電能力に懸念を抱いていました。
「あれだけの努力を注いだミッションが危険にさらされると、本当にがっかりします」とリンク氏は語った。「オッターパップは、宙返りの過程で2度も死んだのに、たまたま生き返ったんですから」
回転を止め、太陽電池パネルを再び太陽に向けるために、スターフィッシュのエンジニアたちは、地球の磁場とオッターパップに搭載された3本の磁化されたトルクロッドとの相互作用を利用したアルゴリズムを考案した。このロッドは基本的に電磁石であり、オン・オフを切り替えることで宇宙船の回転を減速（または加速）することができる。
「地球の磁場は宇宙空間で一定の方向を向いており、衛星がその磁場の中を回転すると、トルクロッドを作動させる方法が変わります」とリンク氏は述べた。「システムに1秒の遅延があっても、1秒間に5度回転するのであれば問題ありません。しかし、1秒間に300度回転すると、磁場が整列していると思っていた方向から大きく外れてしまいます。」
スターフィッシュのエンジニアたちは、1秒間に約10回アライメントをチェックするソフトウェアコードを考案し、宇宙環境を模擬した環境で数週間かけてコードをテストしました。「私たちは非常に迅速なエンジニアリング上の決定を下していました…そして、これはうまくいった、これはうまくいかなかった、と判断するのです」とリンク氏は語ります。「本当にペースが速く、刺激的な経験でした。」
7月末、チームは30分間のテスト実行用のコードをアップロードし、結果を待った。リンク氏によると、彼とスターフィッシュのもう一人の共同創業者であるトレバー・ベネット氏は、テスト後にどれだけの改善が見られるか賭けをしたという。「結局、私たちの賭けのちょうど中間点になりました」とリンク氏は振り返る。
エンジニアたちはできるだけ早く、3時間実行するための別のコードをアップロードしました。その結果、回転率はゼロになりました。
「オッターパップを安定させ、太陽の方を向いて回転しないようにすることができました」とリンク氏は語った。「正直に言うと、予想していたよりもずっと早く実現できました」
Starfish のチームは、Starfish の要件に合わせて Otter Pup のフレームを製造した Astro Digital、Otter Pup のオンボード飛行ソフトウェアの一部を提供した Rocket Lab の子会社 Advanced Solutions Inc.、Orbiter SN3 スペースタグを提供した Vast とその Launcher チームなどのパートナーからサポートを受けました。
アストロデジタルの共同創業者兼CEOのクリス・ビディ氏は、オッターパップの救出は「大規模な復旧作業であり、私たちが関わった中で最も困難な作業だった」とGeekWireに語った。
「衛星が三軸制御を失い、通常の100倍近くの速度で回転すると、事態は非常に奇妙で恐ろしいものになります」とビディ氏はメールで述べた。「このような状況下では、温度、発電、通信が正常範囲を外れることが衛星の生存にとって大きな脅威となります。そこから完全に回復し、衛星が三軸制御下に戻ったことは、大きな安堵であり、関係チームとハードウェア設計の功績を称えるものです。」
Starfish チームは、Otter Pup が必要な機能を実行できるかどうかをまだ判断する必要があります。
「これほど高速で回転するようには設計されていませんでした」とリンク氏は述べた。「衛星に様々な負担がかかった可能性のある状況に遭遇しました。様々な部品のテストと起動を行う必要があります。これはこれまでも行ってきた作業であり、今後も続けていく予定です。衛星が接近操作を行い、他の衛星とのドッキングを試みるために、すべてが正常に動作するかどうかを確認する必要があります。」
スターフィッシュは、ミッションのターゲットとなる別の衛星も探している。当初のターゲットであったオービターSN3は、異常が発生したため、ミッションの対象外となった。
「たとえ両方をうまくこなせたとしても、それは最初のミッションをこなせるというだけのことです。最初のミッション自体がすでに非常に困難なものでしたから」とリンク氏は語った。「ですから、確かに私たちの前にはハードルが立ちはだかっています。でも、不思議なことに、ワクワクするんです。…エンジニアとしての私の中に潜む根源は、とてつもなく難しい問題を解決するのが好きなんです。」
カワウソの子の物語が続く中、リンクは全体像を念頭に置いています。
「チームにとって、衛星のタンブルを解消できたことは素晴らしい瞬間であり、それが技術的な成果として何を意味するのかは明らかです」と彼は述べた。「しかし、これはオッターパップ・ミッションを継続できるという点でも素晴らしい瞬間です。もし他の衛星の周りをうまく移動できたり、ドッキングできたりすれば、将来のオッターへの道が開かれ、人類が軌道上の衛星とやり取りすることがより日常的かつ一般的になる道が開かれることになります。」
