姿勢を保つジャイロについて教えてください。

質問

姿勢を保つジャイロについて教えてください。

数年前、小惑星探査を行ったＪＡＸＡの「はやぶさ」という探査機があったと思いますが、そのはやぶさ等の探査機に搭載されているリアクションホイールの姿勢制御について素朴な疑問があります。
３軸のリアクションホイール（ジャイロ）が姿勢を一定に保つとされていますが、何に対して（何を基準にして)保っているということなのでしょうか。「地球？」それとも「太陽？」、もしくは「重力線？」、はたまた「絶対座標？？？」なのでしょうか。・・・
具体例で教えて頂ければ分かりやすいので次の2つの事例を考えてみました。
例1：地球を周回する人工衛星にジャイロを搭載した場合、そのジャイロは地球を１週する間にどの様な挙動をするのでしょうか。
例2：スペースコロニー（遠心力で仮想的な重力を生み出すガンダムに出てくるタイプ）内ではスペースコロニーが一周する間にジャイロはどの様な挙動をするのでしょうか。
どなたか見識のある方、ご教示ください。
（小生、知識不足の為、的外れな面があるかも知れませんがその点はご容赦ください。）

回答No.6

teppou · ベストアンサー

ジャイロスコープ
　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B8%E3%83%A3%E3%82%A4%E3%83%AD%E3%82%B9%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%97
　に出ている回転式のジャイロスコープを例に回答します。他の方式でも結果は同様です。
　＞３軸のリアクションホイール（ジャイロ）が姿勢を一定に保つとされていますが、何に対して（何を基準にして)保っているということなのでしょうか。「地球？」それとも「太陽？」、もしくは「重力線？」、はたまた「絶対座標？？？」なのでしょうか。・・・
　三本の回転軸によって宇宙空間に三次元座標軸ができますが、その座標空間内で回転軸は、平行移動しかしないと言うことです。
　三軸は、宇宙空間の一定の方向に固定されます。
　太陽系程度の空間では、太陽系内に設定した座標軸と角度の関係が変化しないと言うことです。
　地球も太陽系内のジャイロスコープですので、地球の公転面に対して同じ角度を保っています。
　超強力な重力下（ブラックホールの近くとか）では、単純には言えなくなると思いますが。
　＞例1：地球を周回する人工衛星にジャイロを搭載した場合、そのジャイロは地球を１週する間にどの様な挙動をするのでしょうか。
　一個のジャイロスコープについて。
　ジャイロの回転軸が人工衛星の軌道面に垂直の場合は、何の変化もないようにみえます。
　ジャイロの回転軸が、軌道面に平行の場合、ジャイロの軸の向きは、公転の回転方向と逆の方向に回転し、人工衛星が一周する間にジャイロも一回転します。
　＞例2：スペースコロニー（遠心力で仮想的な重力を生み出すガンダムに出てくるタイプ）内ではスペースコロニーが一周する間にジャイロはどの様な挙動をするのでしょうか。
　ジャイロの回転軸が、コロニーの回転軸と平行の場合は、何の変化もないように見えます。
　ジャイロの回転軸が、コロニーの回転軸と垂直の場合は、ジャイロの回転軸は、コロニーの回転周期と同じ周期で、コロニーの回転方向と反対の方向に回転をします。
　そもそもジャイロスコープは、wiki にも少し書かれていますが、地球の自転を目で見て分かるような装置を作ろうと言うことで開発されました。
　ジャイロスコープを理科室などに置いてある学校もありまして、ジャイロの回転軸を地軸に垂直に、して起動させると、見ている間に回転軸の向きが変わっていきます。ジャイロの回転軸は宇宙空間の一定の方向に向いたままですが、地球は自転していますので、このようなことが起きます。（なお、別に垂直でなくてもよいのですが、垂直の方が見やすいです。）

お礼

ご教示ありがとうございます。小生、まだ完全には理解できておりませんが、ものを動かし難くする「ヒッグス場」も考慮し、もう少し掘り下げて「慣性」とは何者かを勉強してみたいと思います。大変参考になりました。感謝いたします。

・・・ご回答頂いたすべての方々にもこの場をかりてお礼申し上げます。
　　ありがとうございました。

回答No.5

terminator_5

>例1：地球を周回する人工衛星にジャイロを搭載した場合、そのジャイロは地球を１週する間にどの様な挙動をするのでしょうか。

ジャイロは宇宙に対して一定姿勢を保とうとするため、人工衛星が常に地球に向き合う場合は人工衛星から見てジャイロの向きは1回転します。
この時の回転軸は人工衛星の軌道方向に対して水平方向で後ろ向きに転がるように見えます。(地球を下に見下ろしているとして)

>例2：スペースコロニー（遠心力で仮想的な重力を生み出すガンダムに出てくるタイプ）内ではスペースコロニーが一周する間にジャイロはどの様な挙動をするのでしょうか。

この場合もスペースコロニーが一周する間にジャイロの姿勢が一回転して見えます。
回転軸も同じく水平方向ですが、人工衛星とは逆に前方向に転がる向きに回転します。(コロニーの遠心力の方向が
下に見えるため)

回答No.4

tadys

＞何を基準にして？
人間が定めた基準です。
探査機では地球と交信するためにアンテナを地球に向ける必要が有ります。
探査対象を観測するために観測装置を対象に向ける必要が有ります。
その他、色々な理由で探査機の向きを変える必要が有ります。

リアクションホイールとジャイロはどちらも回転する円盤という同じ構造を持ちますが運用方法が違います。
これらは角運動量保存の法則を利用したものです。
（回転を用いないジャイロも有ります。）

ジャイロの場合は回転軸を支える台が自由な方向に向きを変えることが出来るようにします。
ジャイロが回転していると台の向きを変えても回転の軸方向は変化しません。
台とジャイロの軸の方向を比べることで台の向きがどれだけ変わったか分かります。

リアクションホイールでは回転軸を支える台と軸の方向は固定されています。
探査機などとリアクションホイールは台を通して連結されます。
ホイールが回転していないときはその角運動量はゼロです。
ホイールを回転させるとホイールの角運動量は増大します。
そのままだと角運動量が保存しないので法則に反します。
その為探査機などがホイールと逆向きの回転が生じて増加した角運動量をキャンセルします。
探査機の向きが目的の方向に向いたときにホイールの回転を止めると探査機の回転も止まって向きが目的の方向に固定されます。
この方法で自由に向きを変えるには最低でも二つのホイールが必要です。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AA%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E3%83%9B%E3%82%A4%E3%83%BC%E3%83%AB

例1：人工衛星の姿勢を制御するためにはロケットエンジンなども使用できますが燃料が無くなると姿勢制御が出来ないのでそれ以上の運用が出来なくなります。
リアクションホイールであれば太陽電池が利用可能であればいつまでも運用が出来ます。

例2：スペースコロニーはそれ自体が大きなジャイロなのでその角運動量も巨大なものになるでしょう。
リアクションホイールでの姿勢制御をするにはコロニーに匹敵するほどの角運動量を持つホイールが必要なので現実的ではないでしょう。
軸が自由に動くジャイロであればコロニーの回転には捕らわれずに回転を始めた時の方向を向いたままです。

ISSでは姿勢制御にコントロール・モーメント・ジャイロが使用されています。
http://sts-114.jaxa.jp/mission/payload/cmg.html

回答No.3

Nebusoku3

既に回答が出ておりますが付け足しです。
＞何に対して（何を基準にして)保っているということなのでしょうか。

→　リアクションホイールの各軸が回転開始した時点の人工衛星の姿勢を蓄え（記憶あるいは基軸）、それを基準に制御されるようです。
＜Weblioからの引用＞
”リアクションホイールは宇宙機の角運動量をフライホイール内に蓄えるだけなので、宇宙機の重心に無くとも完全に機能する。しかし、回転によって振動が生じるため、その影響を小さくできる重心近くに置かれることがある”

疑問に関しては以下の2点が参考になりそうです。
参考URL１:
http://www.jaxaclub.jp/cgi-bin/index3857.html

参考URL２:
http://www.weblio.jp/wkpja/content/%E3%83%AA%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E3%83%9B%E3%82%A4%E3%83%BC%E3%83%AB_%E3%83%AA%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3%E3%83%9B%E3%82%A4%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%81%AE%E6%A6%82%E8%A6%81

回答No.2

skp026

リアクションホイール
http://www.satnavi.jaxa.jp/basic/q_and_a/common/a1.html
基本的には、自動で現状の姿勢を保持する
という役目のようです。
慣性航法装置や慣性基準装置とも呼ばれます。
ざっくりな考え方としては、
瞬間的な姿勢制御に使われていると考えて良さそうです。

長期間の目標についてはスタートラッカが使われています。
地球観測の人工衛星ではGPSが使えます。
「はやぶさ」の航行や外宇宙を観測する「ひとみ」などには
太陽や星座など、しっかりとした基準点を利用しているようです。
(すみません。先ほどの機器が何を基準にしているたかまでは、)
(調べきれてません。太陽や星座はあくまでも例とお考えください。)

https://scholar.google.co.jp/
こちらは学術的な情報から検索してくれるようです。
疑問点をふかぼりしていく時に役立つかもしれないです。

参考にならなかったらごめんなさい。

回答No.1

aokii

姿勢に対して(姿勢を基準にして)保っているということです。
基本的には、回転を検出することにより、動きを検出します。
徐々に誤差が拡大してくため、時折修正する手段が必要で、正しい姿勢を把握できる時間は10時間以内。