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大型膜宇宙構造物およびその展開方法

国内特許コード P03A000461
整理番号 KI000063
掲載日 2003年8月28日
出願番号 特願2001-215823
公開番号 特開2003-026100
登録番号 特許第3541225号
出願日 平成13年7月16日(2001.7.16)
公開日 平成15年1月29日(2003.1.29)
登録日 平成16年4月9日(2004.4.9)
発明者
  • 川口 淳一郎
出願人
  • 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
発明の名称 大型膜宇宙構造物およびその展開方法
発明の概要 【課題】 大型膜宇宙構造物およびその展開方法を提供する。
【解決手段】 大型膜宇宙構造物の帆部4は、同一形状で、それぞれ仮想中心線OAに関して対称に設けられた複数のペタル6を備えている。これらペタル6は、宇宙船に設けられたハブ2の支持体8に装着され、仮想中心線OAに関して回動可能である。また、各膜材は、第2の支点Aから任意の間隔で引かれた分割線とペタル6の外周部とで囲まれる領域に沿って張られている。また、膜材間は、所定の位置に設けられる帯材10で接続されている。これらペタル6は、回転による遠心力を働かせるとともに、膜材に周方向にも張力を働かせて各ペタル6を展開させる。また、このペタル6を展開させる場合、支持体8が所定の角度に回動されて大型膜宇宙構造物にかかるトルク量および宇宙船の回転数が制御されて行なわれる。
従来技術、競合技術の概要


大型膜宇宙構造物とは、宇宙空間で電力を得るのに用いられる大型の太陽電池膜(パネル)や、推進機関として用いられるソーラーセールなど、宇宙空間で使用する大型の膜構造物のことを指している。



近年、この大型膜宇宙構造物を推進機関として用いる太陽系探査の要求が高まりつつある。しかしながら、燃焼ガスの高速噴射の反作用で推進する宇宙船、いわゆるロケットには、積み込める推進剤や燃料に限界がある。このため、推進剤や燃料を必要としない、新たな推進機関を模索する気運が強まっている。従って、太陽光の反射によって推進するソーラーセールなどの大型膜宇宙構造物の開発が強く促されつつある。



大型膜宇宙構造物は、アルミニウムが蒸着され、その表面が鏡面状に仕上げられた膜材が張られた帆部を備えている。図5に示すように、この帆部14は、太陽光を反射し、その反射による光圧力の作用によって宇宙船や人工衛星の推進力Fを得る。実用規模の大型膜宇宙構造物は、矩形状のものがあり、その一辺は数十mから百m、あるいはそれを超えるような非常に大きなものである。このため、膜材の大きさも同様に、一辺が数十mから百m、あるいはそれを超えるような非常に大きなものである。



また、大型膜宇宙構造物は、太陽の重力が働く空間を飛行する。前記帆部14に働く光圧力は、太陽や地球の重力に比べて十分に小さいので、大型膜宇宙構造物は、光による推進力Fよりも、主として、重力に支配されて運動される。つまり、図6に示すように、大型膜宇宙構造物は、太陽系の中では、惑星と同様に軌道運動される。また、地球の近くでは、地球の人工衛星として軌道運動される。



また、この帆部14による推進力Fは、その軌道運動を加速したり、減速したり、あるいは軌道を変える加速を加える作用を有する。大型膜宇宙構造物が宇宙空間で軌道運動を始めたときには、加速量および減速量は、極めて小さく、加速および減速は、徐々に行なわれる。



また、図5に示すように、面積がAの平板状の大型膜宇宙構造物の受ける推進力Fは、太陽光の光圧力をP、帆部の光の反射率をr、平板の面に立てた垂線が太陽の方向に対してなす角をθとすると、
F=PA(1+r)cosθ
と表せる。θは、帆部の方向制御に関するので、θ=0°として完全な反射面でr=1と仮定すると、
F=2PA(N/m
である。



地球の近くでは、太陽光の光圧力Pは、P≒4.6×10-6N/mで、極めて小さい。しかし、大型膜宇宙構造物の性能は、加速度で決定される。帆部14が面積密度β(kg/m)の膜材で形成されているとすると、質量は、βAである。βを仮に0.01kg/mとすると、加速度αは、
α=2P/β≒9.2×10-4m/s
である。これは、イオンロケットやプラズマロケットなどの加速度とほぼ同じである。



大型膜宇宙構造物は、時間が経つにつれて速度が増加する。このため、時間がかかる飛行であればあるほど、推進剤や燃料を利用して推進するロケットに比べて有利になる。



従来の大型膜宇宙構造物には、図7に示すように、矩形状のものがある。この大型膜宇宙構造物は、帆部30を展開するための4本の梁32を備えている。これら梁32は、センターハブ34にそれぞれ一端が支持されている。このハブ34は、図示しないペイロードと、梁32の展開機構とを備えている。この大型膜宇宙構造物の姿勢制御は、梁32の先端に取り付けられた制御ベーン36によって発生されるトルクによってなされる。このトルクは、太陽光圧の中心が帆部30の幾何中心から移動されることによって発生される。



一端が支持された梁32には、曲げ荷重が受けられる。このため、適宜な大きさに作成されている。圧力が小さい下では、荷重は膜材によって負担され、梁32は大型膜宇宙構造物の重要な質量部分を備え得る。



そして、このような帆部30を宇宙空間に運ぶ場合には、膜材自体が適当に折り畳まれ、円筒管などの心材に巻きつけられて、コンパクトに包装している。

産業上の利用分野


本発明は、宇宙船に装着された大型膜宇宙構造物およびその展開方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】宇宙船に装着された大型膜宇宙構造物において、
中心を第1の支点として前記宇宙船に装着され、第1の支持具と、中点を含む複数点でヒンジ状に接続され得る桁構造を有する第2の支持具と、この第1の支持具のそれぞれの端部で一端が支持され、第2の支持具のそれぞれの端部で他端が支持された細長い第1の索体とを備えた複数の支持体が配設されたハブと、
前記第1の支点に関して対称で、それぞれ前記支持体に装着されたペタルを有する帆部とを備え、
前記ハブは、前記支持体とともに前記ペタルを前記第1の支点と前記第2の支持具の中点との延長線による軸まわりに回動させて所望の角度に制御する制御手段を備え、
前記ペタルは、それぞれ前記延長線に関して対称な形状を有する第1の領域を備え、前記第1の支点に対向し、前記延長線と前記第1の領域との交点に第2の支点が設けられ、この第2の支点から前記第1の領域の対向した外周部に向かって任意の間隔で複数の分割線が設けられて、前記外周部と前記分割線とに囲まれた第2の領域を備え、この第2の領域に沿ってそれぞれ膜材が張られるとともに、前記外周部に沿って細長い第2の索体が設けられて、前記膜材がそれぞれ前記外周部で接続され、前記第2の索体と前記第1の支点に対向した最も外側の膜材の外縁部とに所定の重量を有する周縁質量が装着され得、前記第2の支持具の両端に設けられた第3の支点に対向した前記外周部および前記外縁部に向かって複数の仮想線が設けられて、前記膜材とこれら仮想線との交点にそれぞれ張力を支持する帯材が配設されて、各膜材間が離散的に接続されてなることを特徴とする大型膜宇宙構造物。
【請求項2】前記延長線と、この延長線に最も近接した分割線と、前記延長線に対して垂直で、前記第3の支点同士を結ぶ第2の支持具とで囲まれる領域には、さらに膜材が張られていることを特徴とする請求項1に記載の大型膜宇宙構造物。
【請求項3】前記帯材は、各膜材間の所定の位置に溶着および/もしくは接着されて、各膜材間が接続されていることを特徴とする請求項2に記載の大型膜宇宙構造物。
【請求項4】前記ペタルは、前記帯材で折られて、前記膜材の表面同士が対向されて収納されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載の大型膜宇宙構造物。
【請求項5】前記ペタルは、それぞれ前記ハブに巻きつけられて収納されることを特徴とする請求項4に記載の大型膜宇宙構造物。
【請求項6】前記膜材には、太陽電池パネルが配設されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1に記載の大型膜宇宙構造物。
【請求項7】中心を第1の支点として前記宇宙船に装着され、第1の支持具と、中点を含む複数点でヒンジ状に接続され得る桁構造を有する第2の支持具と、この第1の支持具のそれぞれの端部で一端が支持され、第2の支持具のそれぞれの端部でそれぞれ他端が支持された細長い第1の索体とを備えた複数の支持体が配設されたハブと、
前記第1の支点に関して対称で、それぞれ前記支持体に装着されたペタルを有する帆部とを備え、
前記ハブは、前記支持体とともに前記ペタルを前記第1の支点と前記第2の支持具の中点との延長線による軸まわりに回動させて所望の角度に制御させる制御手段を備え、
前記ペタルは、それぞれ前記延長線に関して対称な形状を有する第1の領域を備え、前記第1の支点に対向し、前記延長線と前記第1の領域との交点に第2の支点が設けられ、この第2の支点から前記第1の領域の対向した外周部に向かって任意の間隔で複数の分割線が設けられて、前記外周部と前記分割線とに囲まれた第2の領域を備え、この第2の領域に沿ってそれぞれ膜材が張られるとともに、前記外周部に沿って細長い第2の索体が設けられて、前記膜材がそれぞれ前記外周部で接続され、前記第2の索体と前記第1の支点に対向した最も外側の膜材の外縁部とに所定の重量を有する周縁質量が装着され得、前記第2の支持具の両端に設けられた第3の支点に対向した前記外周部および前記外縁部に向かって複数の仮想線が設けられて、前記膜材とこれら仮想線との交点にそれぞれ張力を支持する帯材が配設されて、各膜材間が離散的に接続されるとともに、前記帯材で前記膜材の表面同士が対向して折られてそれぞれ任意の長さの折目を備え、膜材が前記ハブに巻きつけられて収納される大型膜宇宙構造物の展開方法において、前記ハブを中心として、所定の方向に回転させ、各ペタルに遠心力を発生させて、各膜材に遠心力の方向に発生される張力を働かせて前記ハブへの巻きつきを解いて、前記ハブに対して放射状に伸ばすとともに、前記支持体を前記延長線を枢軸として各ペタルを所定の角度傾けるように回動させ、
前記周縁質量で動径方向に遠心力を発生させて、前記帯材間に張力を働かせて前記折目の残留応力を解放させるように伸ばすとともに、
前記ハブの中心から動径方向に作用する遠心力と、前記第3の支点から動径方向に対して傾きをもって延びる張力支持線で支えることにより、前記ペタルの回転周方向に力を発生させ、
前記第2の支点を中心として、前記膜材を外側から内側に順次展開させることを特徴とする大型膜宇宙構造物の展開方法。
【請求項8】前記支持具は、前記ペタルによって発生するトルク量を制御するとともに、その回動角度を制御することを特徴とする請求項7に記載の大型膜宇宙構造物の展開方法。
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 登録
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