次世代人工衛星・宇宙ステーションの開発を
ブーストする設計支援シミュレーションソフトウェアの開発

次世代人工衛星・宇宙ステーションの開発を
ブーストする設計支援シミュレーションソフトウェアの開発

革新的な人工衛星・宇宙船を創るソフトウェアを開発する

人工衛星・宇宙機を利用した通信・測位・観測システムにより，我々の生活を便利にする様々なサービスが提供されています．また宇宙探査と有人宇宙開発により我々の住む宇宙や生命への理解を深め，人類の諸課題を解決しうる科学技術の発展が期待されます．人工衛星を利用したサービスは益々発展して，かつ月面や火星などに向けて更に人類の活動圏を広げていく時代が訪れるでしょう．そしてこれらは人工衛星を始めとした宇宙工学技術の進化に下支えされています．

日本航空宇宙学会の提言によれば，人工衛星や有人宇宙ステーションなどの宇宙機の発展には2つの方向性があります．一つ目は大型・高性能化です．観測データや通信の質を向上させるために，より大型で高性能なセンサ・レーダーやアンテナが必要です．また複雑で高度なミッションの実現のために，宇宙機そのものの形状を変更したり駆動させたりする手法が必要です．さらには有人宇宙船や宇宙ステーションの実現には，生命維持装置などのより多くの機器が必要となり，必然的に大型で高性能な宇宙機が必要になります．

もう一つは，小型・分散化アプローチです．これは輸送コストの削減や機能の単純化，開発工程の簡略化により，宇宙機開発の低コスト化やサービス提供の高速化を実現できます．さらにコンステレーションをはじめとする分散化アプローチにより，宇宙技術の柔軟な利用を実現できます．

特に小型衛星は目覚ましい発展を遂げています．近年打ち上げられる小型衛星の数は指数関数的に増加しています．ここ数年の宇宙技術の発展は，小型衛星の技術が普遍化したことが大きく影響していることは明らかです．

そのうえで，今後は小型衛星の数的な増加だけではなく，ひとつひとつの宇宙機がもたらす付加価値を更に高めていく「質的な発展」が必要になると私は考えています．

その質的な発展形態の一つとして，「柔軟宇宙機」があります．柔軟宇宙機は大型で柔軟な構造やミッション機器を搭載しつつ，衛星のプラットフォームを小型化することです．これにより，小型衛星が持っていた小型・分散化志向のメリットに加えて，大型・高性能化志向がもたらすメリットも享受できるようになります．柔軟宇宙機は，小型衛星の更なる進化系として期待される次世代の宇宙機です．

しかしながら柔軟宇宙機には大きな技術課題があります．それは構造姿勢連成運動問題です．これは宇宙機の大型で柔軟な構造の展開や形状変更，振動に伴う運動と，宇宙機自体の姿勢運動が連成した挙動をすること，およびそれに付随する様々な問題のことです．柔軟宇宙機の開発には，この構造姿勢連成の解析を行いながら，宇宙機の設計を行っていく必要性があります．

そこで本プロジェクトでは，この連成運動をシミュレーションするソフトウェアを開発して，柔軟宇宙機の開発を更に加速させることを目標とします．

本プロジェクトは，私が大学院生として航空宇宙工学の研究活動に取り組む中で生まれたプロジェクトです．本業の研究活動では，ソーラーパネルや大型レーダなどの人工衛星や宇宙船の構造に生じる振動を抑制するための制御手法の研究を行っています．研究活動の中で，研究の背景となる宇宙機の姿勢運動と構造振動の問題が，実際どの程度問題となるのかを自分で調べてみたいと思い，シミュレーションプログラムを作ってみたのが，このプロジェクトの発端でした．

私はありふれた宇宙機を作ることにはあまり興味がありません．人工衛星や探査機が存在することは既に当たり前の時代になりました．私の興味の対象はもっと面白い，誰も作ったことのないような宇宙機です．宇宙太陽光発電所・宇宙ホテル・宇宙エレベータ，そのような次世代の宇宙機を作る実力を備えた宇宙工学のプロフェッショナルになりたいと考えています．単純に未来の宇宙機を想像するだけではなく，それをどうすれば作れるのかを真剣に考えて研究をしています．考えるべきことは多くありますが，私は「構造姿勢連成問題」に着目しました．私の究極目標は，未だ誰も作ったことのないような宇宙機を開発することです．私の研究と学問に対する姿勢は，究極目標の実現のために工学知識を学び新たな基礎技術を開拓していくことです．これまでの大学生活で学んだ知識や研究活動で得た能力を活かして，次世代の宇宙開発の本質的課題を解決するものを，宇宙開発コミュニティ全員が享受できる形で開発できないかと考えて，本プロジェクトを「ともプロ！」に応募しました．宇宙開発の夢を燃やしつつも，それに過剰に踊らされずに，次世代の宇宙機を実現するための基礎を実装する地味な作業を積み重ねて，課題を乗り越えるソフトウェアを開発することが，本プロジェクトの開発思想です．

次世代宇宙機の開発をブーストする革新的ソフトウェアの実現へ

本プロジェクトの目的は，宇宙機の構造姿勢連成解析と設計支援を行うソフトウェアを開発して，次世代の多様でチャレンジングな宇宙ミッションの実現を強力に推進することです．この実現のために，本プロジェクトでは3つの目標を設定する．本プロジェクトにおける達成目標と，その達成度を判断する指標を，サクセスクライテリアとして定義します．達成度が低い順番にMinimum（60% 及第点）, Full (100% 計画通りの成果), Extra (120% 計画以上の成果)の３段階の指標を用いて評価します．

1. 柔軟宇宙機の構造姿勢連成運動シミュレーションと設計支援ソフトウェア開発
   Minimum: 構造姿勢連成運動の力学モデルに基づくシミュレーション実装・ユーザが任意のパラメータでシミュレーションを実行するためのAPIの整備
   Full: 様々な解析条件でのシミュレーションを実現する複数の力学モデルに基づくシミュレーション実装・設計パラメータの最適化を行う機能の実装
   Extra: ユーザの任意のミッションに最適な設計パラメータを提案する野心的機能の実現
2. 柔軟宇宙機のモックアップと実験装置製作
   Minimum: 柔軟宇宙機の簡単なモックアップを製作して，その構成の理解の深化
   Full: 実験的に構造姿勢連成運動を再現できるレベルのモックアップを作成して，それに起因する設計課題の見極め
   Extra: 発見した設計課題に対する解決策を考察して，その手法を開発するソフトウェアに反映
3. ユーザリサーチとデモンストレーションを中心とした仮説検証
   Minimum: 宇宙機開発エンジニアにヒアリングを行い，柔軟宇宙機の開発に向けた課題を調査
   Full: エンジニアを対象に開発したソフトウェアのデモンストレーションを行い，開発課題を解決しうる機能が実現できているかを検証
   Extra: ソフトウェアの安定版をリリースして，実際の宇宙機開発現場へ導入

ソフトウェア＆ハードウェアのダブル開発＋仮説検証を実施

本プロジェクトでは将来の柔軟宇宙機の開発を加速させるために必須の技術である構造姿勢連成運動解析シミュレーションと設計支援ツールのソフトウェアを開発します．

ともプロ！で対象とするプロジェクトの実施期間は2022年10月から2023年3月までとします．本プロジェクトは，数か月で完成させられるようなものではなく，長い時間をかけて開発を進めていく息の長いプロジェクトです．ともプロ！の活動では，プロジェクトの究極目標の実現への取り掛かりを作るための初期開発タスクと仮説検証を中心に実施していく予定です．

1.  ソフトウェア開発：基本機能を備えたシミュレータを開発
まずともプロ！ではシミュレーションソフトウェアとして必要な基本機能を完成させることを目標とします．現在の開発状況は，限定的な力学モデルを用いたシミュレーションしか実現していないため，ともプロ！の支援により開発を更に前進させていく予定です．

2. ハードウェア開発：柔軟宇宙機のモックアップを作成
ソフトウェアが実現するべき機能を見極めるためには，柔軟宇宙機の設計課題を把握する必要があります．そこで宇宙機のモックアップを製作します．実際に手を動かしてモックアップを作成することで，柔軟宇宙機の設計課題を発掘してソフトウェア開発にフィードバックします．

３.  仮説検証：ユーザーインタビューにより宇宙機開発の課題を調査し，本プロジェクトの仮説を検証
宇宙機エンジニアへのユーザリサーチを実施して意見を収集します．ユーザが真に求める機能を調べるとともに，開発中のソフトウェアがユーザの求める機能を実現しているか検証します．単純にソフト・ハードを開発するだけではなくユーザリサーチにより機能を検証して，意見も取り入れながら目標の実現度を高めていきます．

ともプロ！で頂いた支援はこれらの三本柱の開発作業のために使用します．具体的な使途は以下のようなものを予定しています．

1.書籍・文献費：10万円
シミュレーションソフトウェアの開発に必要な力学・数学や，近年の宇宙機の研究動向の理解のために，多くの資料が必要です．そのための購入費用として利用します．

2.モックアップ製作費: 30万円
柔軟宇宙機のモックアップの製作のために使用します．作成に必要な材料や電子部品，測定機器などの購入に支出します．

3.リサーチ費: 10万円
本プロジェクトでは，仮説検証のためにユーザリサーチを行います．リサーチに協力していただいた人への謝礼や，必要な交通費などの経費として利用します．

開発ソフトウェアにより革新的な宇宙機の実現を加速する

本ソフトウェアが対象とするユーザは，実際に人工衛星や宇宙船などを開発する宇宙機エンジニアです．宇宙技術がニーズから実際のサービス提供までの流れを大まかにまとめると以下の図のようになります．宇宙技術のニーズがあり，そこから宇宙機の開発と運用が行われます．その結果として利用者にサービスが提供され，社会に価値が提供されるという流れになります．

宇宙機の設計においては，様々な技術のトレードオフを考慮して設計パラメータの最適化を行っていく必要があります．構造姿勢連成運動解析もそのうちの一つです．今後柔軟宇宙機の設計様式が普及していくにつれて，この解析は基盤技術として重要度を増すでしょう．我々はそこを強力にバックアップすることを目標としています．その効果によって，宇宙サービスの質の向上につながり，宇宙技術ユーザやそれに支えられる社会にメリットをもたらすことが出来ると確信しています．

本ソフトウェアは，オープンソースソフトウェアとして公開します．これはユーザが自分達で実施したい宇宙ミッションに応用してもらうためです．ユーザがシミュレーションのアルゴリズムを確認しながら自分たちの望む宇宙機設計が出来るようにします．ソフトウェアをクローズにせず，オープンソース化することにより，所属に関係なく宇宙開発エンジニアが自由に利用できる形でリリースします．これにより構造姿勢連成解析の技術を普遍化して，特殊でハードルの高い技術ではないものとして宇宙開発コミュニティに実装します．

このプロジェクトが実を結び，実用的な構造姿勢連成解析ツールがOSSとしてリリースされれば，宇宙産業に多大な貢献が出来ます．各プレーヤーがこのソフトウェアをベースにして各々の独自プロジェクトを高速に開発するようになれば，多様なミッションが展開され，そのミッションがもたらす効果は非常に大きいです．宇宙産業は現在進行形で発展している産業です．本プロジェクトの貢献は宇宙開発を推し進め，究極的にはそれに付随する様々な経済効果をもたらす可能性を秘めています．

プロジェクトオーナーに関する情報

2021年東北大学工学部機械知能・航空工学科卒業．東北大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻博士前期課程在学中．航空宇宙機の構造を対象とした制御技術に関する研究を行っている．在学中に米国Rice UniversityやTexas A&M Universityに客員研究員として留学し，国際共同研究に取り組んでいる．研究キーワードは，「モデルベース制御」「予測制御」「振動制御」「圧電素子」「形状記憶合金アクチュエータ」「航空宇宙機構造」など．

個人ウェブサイト：https://mizu49.github.io/

＜ご注意事項＞
・このプロジェクトは目標金額の達成有無にかかわらず、ご寄附をいただいた時点で申し込みが確定し、その後のキャンセルはできませんのでご注意ください。
・目標金額を超えるご寄附があった場合は、「ともに・プログラム」をはじめとする学生支援のために活用させて頂きます。
 
＜税制上の優遇措置等について＞
本プロジェクトへのご寄附は、東北大学へのご寄附となり、確定申告をしていただくことにより税制上の優遇措置が受けられます。
※日本の納税者のみ対象となり、海外の方は優遇を受けることはできません。
詳しくはこちらをご覧ください。

寄附をされた方には、後日「寄附金領収証明書」を送付致します。
確定申告の際は、ご本名と現住所（住民票に記載のご住所）、法人様の場合は登記簿上の名称とご住所での領収証明書が必要となりますので、ご注意ください。

なお、本プロジェクトへのご寄附は、「東北大学基金」の顕彰の対象とさせて頂きます。詳しくはこちらをご覧ください。