research introduction: Approximating Anisotropic Solar Radiation Pressure
日本語字幕有り
- Yasuhiro Yoshimura, Toshiya Hanada, Approximating Anisotropic Solar Radiation Pressure
太陽輻射圧（SRP）は、太陽光が宇宙機の表面に当たって反射する際に生じる力です。ソーラーセイルなどの宇宙機では、この力を積極的に利用して軌道や姿勢を制御します。従来は単純な反射モデル（完全拡散反射と完全鏡面反射）を使用していましたが、実際の材料表面は複雑な反射特性を示し、特に金属表面では方向によって反射の強さが異なる「異方性」があります。本研究では、異方性を表現できるAshikhmin-Shirleyモデルを用いた太陽輻射圧の計算を、「球面ガウス関数」という数学的手法で近似しました。この手法により、従来は数値計算でしか求められなかった複雑な反射による力を、解析的な式で表現することに成功しました。2つの異なる異方性を持つ材料について検証した結果、実用的な太陽光入射角の範囲で誤差10%以下という高精度で近似できることを確認しました。この成果により、異方性反射を考慮した宇宙機の軌道・姿勢解析や制御設計が、より扱いやすくなることが期待されます。
Solar radiation pressure (SRP) is the force generated when sunlight strikes and reflects off a spacecraft's surface. Spacecraft such as solar sails actively utilize this force to control their orbit and attitude. Conventionally, simple reflection models (perfect diffuse and specular reflection) have been used, but actual material surfaces exhibit complex reflection characteristics. Metallic surfaces, in particular, display "anisotropy," where reflection intensity varies depending on direction. In this study, we approximated the calculation of solar radiation pressure using the Ashikhmin-Shirley model, which can express anisotropy, through a mathematical technique called "spherical Gaussian functions." This method successfully enabled the analytical expression of forces due to complex reflections, which previously could only be determined through numerical calculations. Verification using two materials with different anisotropic properties confirmed that approximation with errors below 10% is achievable within the practical range of sunlight incidence angles. This achievement is expected to make orbit and attitude analysis and control design for spacecraft considering anisotropic reflection more tractable.