JP2004196050A - Artificial satellite - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-speed flying object such as a small rocket for launch of a pico type or micro type artificial satellite, a fairing included in the head of the high-speed flying object, and a manufacturing method for the fairing. <P>SOLUTION: The artificial satellite 2 is formed integrally with the fairing 6 used as a shell, and the artificial satellite 2 is mounted to the upper part of a first stage solid motor 3 via a second stage solid motor 4 and an inter-stage section 5, thereby constituting a two-stage type rocket 1. The fairing 6 is provided with an ablator layer as a thermal protection system, and the surface of the ablator layer is coated with heat resistant paint having low sunlight absorptance to form a low sunlight absorptance layer. A plurality of ventilation holes are formed in the low sunlight absorptance layer, and pyrolysis gas generated from the ablator layer by aerodynamic heating provided at the flying time of the two-stage type rocket 1 is discharged out of the the fairing 6 through the ventilation holes. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、希薄な大気が存在する軌道上を進行する人工衛星に関する。
【0002】
【従来の技術】
人工衛星の主な運用軌道は、高度数百kmの低軌道と、高度約36000kmの静止軌道とに二分される。このうち低軌道には希薄ではあるが大気が存在しており、低軌道を進行する人工衛星は進行中に空気抵抗を受け、その進行速度が低下する。かかる低軌道で運用される人工衛星は、地球からの重力と均衡するだけの遠心力を得るためにその高度に応じた速度で進行する必要があり、空気抵抗によって減速された場合には、人工衛星の高度が低下することとなる。そして、人工衛星をこのような減速分だけ増速し、また高度が低下した分だけ上昇させる必要があり、そのためには、例えば液体燃料を燃焼させる構成の推力発生装置によって推力を得る必要がある。従って、人工衛星が大きな空気抵抗を受けやすい形状であれば、前述した如き減速及び高度低下が大きくなり、その減速及び高度低下を挽回するために多くの燃料を必要とし、結果として人工衛星の大型化及び重量化に繋がることとなる。
【0003】
そこで、特開2000−211596号公報には、進行方向における衛星本体の断面積を小さくし、搭載機器を収納できるように細長い形状とした人工衛星が開示されている(特許文献1)。かかる人工衛星は、進行方向に細長い六面体形状をなしており、搭載機器を収納する空間を確保するために、長手方向の全長に亘って同一の断面形状となるように構成している。これにより、人工衛星が軌道進行時に受ける空気抵抗を比較的小さくすることができる。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−211596号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開2000−211596号公報に開示されている人工衛星にあっては、先端部分の断面形状及び断面積が他の部分の断面形状及び断面積と同一であるため、先端面において大きな空気抵抗を受けることとなり、これによる減速が発生する。
【0006】
また、前記公報に開示されている人工衛星は、その打ち上げにおいて、打ち上げ時に受ける空気抵抗から人工衛星を保護するためにロケットの頭部に設けられたフェアリング内に収納されるが、前記公報に開示されている人工衛星の形状には制限があるため、この形状に合わせて設計されるフェアリングが大型のものとなり、ひいてはロケットそのものをも必要以上に大型のものを使用しなければならない場合があった。更に、人工衛星が極端に長細い形状となる場合には、フェアリングに人工衛星を収納したときに多くの余剰空間が存在することがあり、必要以上に大きなロケットを使用して打ち上げなければならないこともある。
【0007】
人工衛星は、その質量が1000kg以上のものを大型、500kg〜1000kgのものを小型、100kg〜500kgのものをミニ型、10kg〜100kgのものをマイクロ型、10kg以下のものをピコ型と分類されることがある。かかる人工衛星のうち大型、小型、及びミニ型のものは、その人工衛星の打ち上げ専用のロケットの頭部に設けられたフェアリングに収納され、該ロケットにて目的の時刻に、目的の高度及び軌道まで移送されて、フェアリングが廃棄され、この軌道に投入される。
【0008】
一旦軌道上での運用を開始した人工衛星は、予定していたミッションの実施が不可能となるような不具合が発生した場合であっても、地上設備のように簡単に修理、改修を行うことができない。このため、人工衛星用の機器及び部品は、軌道上で可及的に不具合が発生しないように、打ち上げ前に綿密な試験及び検査を受け、その信頼性が確保される。
【0009】
特に大型及び小型の人工衛星はシステムが複雑であり、ミッションも多岐に亘り、また搭載される機器及び部品点数も多いため、信頼性確保のための多数の試験及び検査が長期間に亘って実施されることとなる。また、このような人工衛星の組み立てに供された装置等にも、同様に多くの試験及び検査が必要である。
【0010】
一方、ピコ型及びマイクロ型の人工衛星にあっては、システムが比較的単純であり、その多くが単一のミッション専用のものであり、また機器及び部品点数が比較的少ないため、大型及び小型の人工衛星に比べて必要とする試験及び検査の数及び期間が少なく、開発期間及び開発コストが少なくてすむという利点がある。
【0011】
また、地球観測衛星及び通信衛星は、地球環境の急変及び人工衛星の搭載機器の陳腐化等に対応するため、可及的にその開発期間を短縮することが要望されており、従って、これらの用途に供されるピコ型及びマイクロ型の人工衛星の需要が高まっている。
【0012】
かかるピコ型及びマイクロ型の人工衛星は、他の大型又は小型の人工衛星の打ち上げ用のロケットに、所謂ピギーバック方式で搭載されて打ち上げられる。このピギーバック方式の打ち上げ方法は、他の大型又は小型の人工衛星が収納されているフェアリング内部の余剰空間にピコ型又はマイクロ型の人工衛星を艤装し、大型又は小型の人工衛星をロケット本体から離脱させるときに、併せてピコ型又はマイクロ型の人工衛星も離脱させるものである。
【0013】
ところが、ピコ型又はマイクロ型の人工衛星として前記公報に開示されている人工衛星が構成されている場合には、フェアリング内部の余剰空間は空間形状に多くの制約があり、また前記公報に開示されている人工衛星にも形状の制約があるため、当該人工衛星を所望のロケットに搭載することができない場合もある。
【0014】
また、ピギーバック方式のロケットでは、ピコ型又はマイクロ型の人工衛星の打ち上げ時を、ロケット打ち上げの主たる目的の大型又は小型の人工衛星の打ち上げ時に合わせる必要があるため、ピコ型又はマイクロ型の人工衛星を幾ら短期間に開発することができたとしても、早期に打ち上げることができない場合も多く、開発期間短縮の利益を十分に享受できない。
【0015】
また、ピギーバック方式のロケットにあっては、大型又は小型の人工衛星をロケット本体から切り離すときに、併せてピコ型又はマイクロ型の人工衛星も切り離す構成であるため、ピコ型又はマイクロ型の人工衛星を最適な高度及び軌道に投入できない場合があった。
【0016】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、軌道運用中の人工衛星が受ける空気抵抗を可及的に小さくすると共に、打ち上げに使用するロケットに搭載する際の空間的効率を従来に比して大幅に向上させた人工衛星を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る人工衛星は、希薄な大気が存在する軌道上を進行する人工衛星において、外殻が、進行方向に向けて先細となった流線形状をなしており、打ち上げ時にフェアリングとして機能することを特徴とする。
【0018】
このような構成とすることにより、人工衛星の進行方向先端の断面積が従来と比して大幅に小さくなり、軌道上を進行中の人工衛星が受ける空気抵抗を可及的に小さくすることができる。
【0019】
また、人工衛星の外殻をフェアリングとして使用するため、人工衛星と別途にフェアリングを設ける必要がなく、当該人工衛星に最適なサイズのロケットを使用して打ち上げることが可能となる。従って、本発明に係る人工衛星においては、打ち上げに使用するロケットに当該人工衛星を搭載する際の空間的効率を従来に比して大幅に向上することができ、結果として人工衛星打ち上げ用のロケット全体の抜本的な小型化及び低価格化を実現することができる。
【0020】
また、本発明に係る人工衛星においては、人工衛星の外殻構造及び該外殻の強度部材とフェアリングとを兼用する構成であるため、従来の人工衛星及びフェアリングの合計質量に比して、人工衛星の質量を大幅に軽量化することができる。これにより、従来の人工衛星に比して、打ち上げ用のロケットを大幅に小型化及び軽量化することが可能となる。
【0021】
また、このように小型且つ軽量な打ち上げ用ロケットを構成することにより、該ロケットの打ち上げ用燃料の量を大幅に低減することができる。
【0022】
また、打ち上げ用ロケットを小型且つ軽量に構成することができるため、ロケットの開発、製造、及び打ち上げに係る期間、手間及びコスト等を従来に比して大幅に低減することができ、よって、本発明を適用して構成したピコ型又はマイクロ型の人工衛星の打ち上げ専用にこれを使用することができる。
【0023】
このように、本発明に係る人工衛星をピコ型又はマイクロ型の人工衛星として構成した場合には、当該人工衛星の打ち上げ専用ロケットを構成することができるので、適時にピコ型又はマイクロ型の人工衛星の打ち上げを行うことができると共に、ピコ型又はマイクロ型の人工衛星を最適な高度及び軌道に投入することができる。
【0024】
また、上記発明においては、前記外殻は、空力加熱に対する耐熱構造を具備する構成とすることが望ましい。
【0025】
前述した如く、本発明に係る人工衛星打ち上げ用のロケットは、従来に比して大幅に小型且つ軽量であるため、従来の人工衛星打ち上げ用の3段以上の多段型ロケットに比して飛翔速度が大幅に高速となり、前記フェアリングが空力加熱に晒されることとなる。そこで、前述の如く外殻が耐熱構造を具備する構成とすることにより、高速飛翔することによる過酷な飛翔環境下においても、外殻内部の機器及び部品を空力加熱によって破損させることなく確実に目的の高度まで移送することができる。
【0026】
また、上記発明においては、前記外殻は、アブレータ層と、該アブレータ層の表面を被覆した、低い太陽光吸収率を有する耐熱性皮膜からなる低太陽光吸収率層とを有し、該低太陽光吸収率層には、前記アブレータ層から発生する熱分解ガスを外部へ放出するために通過させる通気孔が設けられている構成とすることが望ましい。
【0027】
高速飛翔するロケットには、熱防御システムとしてアブレータを具備するものが多い。このアブレータとは、ロケットの外壁等として構成されるものであり、ロケットの飛翔時にその外表面が高温に晒されるため、その構成材料である合成樹脂が気化し、このときの吸熱反応によりアブレータ内部の温度上昇を防止し、これと共に熱分解ガスがアブレータ表面を覆うことにより、ロケットの更なる加熱を防止するものである。このようなアブレータを前記フェアリングが具備している場合には、空力加熱による高温下にアブレータが晒されることによりアブレータ表面が炭化し、黒色となる。通常のロケットに搭載されるフェアリングは、空中又は宇宙空間にて廃棄されるため問題はないが、本発明に係る人工衛星においては、外殻をフェアリングとして機能させるため、アブレータ層の表面が外殻の外部に露出している構成では、太陽熱の吸収率が高く、外殻内部の温度上昇を招き、外殻内部の機器及び部品の故障等を引き起こす場合がある。
【0028】
従って、上記の如き構成とすることにより、アブレータ層により飛翔時の空力加熱から外殻内部の機器及び部品を保護するだけでなく、前記頭部の略全体を低太陽光吸収率層が覆っているので、太陽熱の吸収を可及的に抑制することができ、よって外殻内部の機器及び部品の熱による故障を可及的に防止することが可能となる。
【0029】
また、通気口が設けられた構成であるため、アブレータ層から発生する熱分解ガスが該通気口を通過して人工衛星の外部へ放出されることとなり、熱分解ガスが低太陽光吸収率層の内側に滞留することによる低太陽光吸収率層の剥離等を防止することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る人工衛星を搭載した2段型ロケットについて、図面を参照しながら具体的に説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る2段型ロケットの全体構成を示す側面図である。図1に示す如く、本発明の実施の形態に係る2段型ロケット1は、本発明に係る人工衛星2と、第1段固体モータ3と、第2段固体モータ4と、段間部5とから主として構成されている。
【0031】
人工衛星2は、2段型ロケット1の頭部を構成しており、概ね円筒形状のシュラウド部分2a(図2参照)と、該シュラウド部分2aの上端に連なった丸みを帯びた円錐形状のノーズ部分2b(図2参照)とから構成されている。また、人工衛星2の質量は例えば45kgであり、マイクロ型人工衛星に分類されるものである。かかる人工衛星2の下方には、段間部5を介して第1段固体モータ3が連結されている。
【0032】
また、段間部5は前記人工衛星2の円筒と略同径の円筒形状をなしており、その内部には第2段固体モータ4が支持されている。
【0033】
第1段固体モータ3は可動式ノズルを有しており、このノズルの噴射方向を変えることによって飛行制御を行うようになっている。また、第2段固体モータ4は特段の飛行制御を行う構造は有していない。
【0034】
かかる人工衛星2の打ち上げ工程は次のようなものである。まず、第1段固体モータ3の燃焼を開始することによって、2段型ロケット1が極付近の射場から上昇を開始する。このとき、2段型ロケット1の打ち上げ時における2段型ロケット1の機軸と地平線とのなす角度は90°とする。即ち、2段型ロケット1は鉛直上方へ打ち上げられる。第1段固体モータ3は40秒間燃焼し続け、燃焼終了時にはその飛翔高度は高度約45kmに至る。次に、第1段固体モータ3の燃焼終了時、即ち打ち上げ開始から40秒経過後、可及的速やかに第1段固体モータ3が切り離され、そして第2段固体モータ4の燃焼を開始する。第2段固体モータ4は39秒間燃焼し続け、燃焼終了時の飛翔速度は最高飛翔速度である約7.7km/sに、飛翔高度は高度約240kmに至る。第2段固体モータ4の燃焼終了後、第2段固体モータ4及び段間部5が人工衛星2から切り離され、人工衛星2が弾道軌道に投入される。
【0035】
更に、かかる人工衛星2の打ち上げ工程の他の例として、次のようなものもある。まず、第1段固体モータ3の燃焼を開始することによって、赤道付近の射場から2段型ロケット1が上昇を開始する。このとき、2段型ロケット1の打ち上げ時における2段型ロケット1の機軸と地平線とのなす角度は90°とする。即ち、2段型ロケット1は鉛直上方へ打ち上げられる。
【0036】
第1段固体モータ3の燃焼開始約39秒後、2段型ロケット1は約2°/秒のピッチで東側に重力ターンを開始する。第1段固体モータ3は燃焼開始40秒後に燃焼を終了し、その後可及的速やかに2段型ロケット1から分離される。
【0037】
第1段固体モータ3の燃焼終了約2秒後に第2段固体モータ4が燃焼を開始する。第2段固体モータ4は燃焼開始約39秒後に燃焼を終了し、そのときの2段型ロケット1の機軸と地平線とのなす角度は0°であり、また速度は8.1km/sに達する。また、このときの到達高度は約185kmであり、ここで人工衛星2が軌道に投入される。人工衛星2を更に軽量化すれば、到達高度を更に大きくすることが可能である。
【0038】
このような2段型ロケット1は、従来の3段以上の多段型ロケットの飛翔速度に比して大幅に高い速度で飛翔することとなる。従って、飛翔時に2段型ロケット1が受ける加熱率、動圧及びエンタルピ等の飛翔環境は、3段以上の多段型ロケットが飛翔時に受けるそれよりも非常に過酷なものとなる。本願発明者らの試算によれば、極付近の射場から打ち上げられ弾道飛行する2段型ロケット1の最大空力加熱率は約2.6MW/m2であり、最大動圧は約13気圧であり、また最大加速度は約31Gである。これらは、宇宙開発事業団が開発したH2Aロケットの如き大型ロケットの場合と比して夫々10倍以上の大きさとなっており、本実施の形態に係る2段型ロケット1の飛翔環境が如何に過酷なものであるかが判る。
【0039】
このような厳しい飛翔環境に耐え得るために、本実施の形態に係る人工衛星2は以下に説明するような構成となっている。図2は、本発明の実施の形態に係る人工衛星2の構成の概略を示す模式的断面図である。図2に示す如く、人工衛星2はその外殻構造としてフェアリング(ノーズフェアリング)6を有している。即ち、本実施の形態に係る人工衛星2は、フェアリング6と一体的に形成されている。このフェアリング6は、人工衛星2が軌道に投入される前に廃棄されず、人工衛星2の外殻として使用されるようになっている。
【0040】
フェアリング6は複数の層から構成されており、外側から順に低太陽光吸収率層7,アブレータ層8,断熱層9及び金属シート層10が積層された構造となっている。低太陽光吸収率層7は、2段型ロケット1の飛翔時における空力加熱に対して十分な耐性を有する白色系の塗料を使用する。このように、フェアリング6の略全体を、低い太陽光吸収率を有する低太陽光吸収率層7にて被覆することにより、フェアリング6が太陽光に晒されたときに、太陽熱の吸収を可及的に抑制し、フェアリング6の内部の温度上昇を可及的に抑制することができる。
【0041】
なお、ここでいう白色系とは、無彩色及び有彩色を問わず、その明度の比較的高いもののことである。即ち、白色系には、例えば若干青みがかった白色等を含んでいる。また、本実施の形態においては、低太陽光吸収率層7を白色系の層とする構成としたが、これに限定されるものではなく、フェアリング6が太陽光に晒されたときに、フェアリング6の内部空間を、内部に設けられる機器が許容する温度に維持することができる程度に低い太陽光吸収率を有する層であれば、低太陽光吸収率層7の色は問わないことは言うまでもない。
【0042】
アブレータ層8は、例えばCFRPのようなロケットのアブレータとして使用される材料によって構成されている。本実施の形態においては、アブレータ層8はCFRPによって構成されているものとしている。図3は、本発明の実施の形態に係るアブレータ層8の構成を示す断面図である。図3に示す如く、アブレータ層8は更に熱防御層8a及び構造層8bの2層に分かれている。外側の層である熱防御層8aは、カーボン繊維が布状に織り込まれたものを短冊状に裁断して得た多数の短冊状布体を合成樹脂に埋め込んだCFRPから構成されており、高い熱防御性能を実現すると共に、熱応力を低く抑えることができるような構造となっている。
【0043】
一方、アブレータ層8の内側の層である構造層8bは、カーボン繊維が連続した布状に織り込まれたものを複数積層したCFRPから構成されており、高温下において例え炭化したとしても高比強度及び高比剛性を維持することが可能であるような構造となっている。このような構造とすることにより、フェアリング6に金属製の構造層を設ける必要がなく、軽量でありながら金属製のフェアリングに匹敵する強度及び剛性を実現することができる。
【0044】
断熱層9は、無機材料の断熱材によって構成されている。図2に示す如く、アブレータ層8及び断熱層9は、フェアリング6の先端部である淀み点部6aで最も厚く、ここから後方へ向かうに従って薄くなるように構成されている。これは、淀み点部6aにおいて、飛翔時の空力加熱が最大となり、後方へ向かうに従って低くなることから、フェアリング6の先端部に近い部分ほど、空力加熱に対する耐性が要求されるためである。また、フェアリング6の後方へ向かうに従って、アブレータ層8及び断熱層9の厚みを薄くすることにより、フェアリング6の更なる軽量化に寄与することができるという効果もある。
【0045】
また、金属シート層10には、アルミニウム製シートが用いられている。
【0046】
フェアリング6の内部には、機器搭載パネル11,12,13が設けられており、これらの機器搭載パネル11〜13の夫々に、各種センサ、オンボードコンピュータ、記憶装置、及びアンテナ類等の人工衛星の内部機器14が搭載されている。これらの内部機器14は金属シート層10との間で放射熱交換を行うようになっており、これにより内部機器14の温度が、例えば一般的な電子機器の許容温度範囲である−15℃〜45℃の範囲内にあるように適切に維持される。
【0047】
図4は、本発明の実施の形態に係る2段型ロケット1の飛翔時におけるフェアリング6の表面温度、金属シート層10の温度、及び内部機器14の温度の推移を示すグラフである。図4に示すように、フェアリング6の表面温度は最高で約1690℃に達する。2段型ロケット1の飛翔時には、このような高温にフェアリング6が晒されることにより、熱防御層8aから熱分解ガスが発生し、このときの吸熱反応によりフェアリング6の内部の温度上昇が防止され、これと共に熱分解ガスがフェアリング6の表面を覆うことにより、人工衛星2の更なる加熱が防止される。
【0048】
また、フェアリング6がこのような空力加熱を受けた場合、熱防御層8aが炭化し、黒色に変色することとなる。ここで、低太陽光吸収率層7が設けられていない場合には、フェアリング6の表面が全体に亘って黒色に変色し、人工衛星2の軌道運用時において、太陽光を吸収して、人工衛星2の内部温度が異常に高まることが考えられる。本実施の形態に係るフェアリング6においては、アブレータ層8の表面に低太陽光吸収率層7を積層しており、前述の如くかかる低太陽光吸収率層7が空力加熱に対する十分な耐性を有する塗料を用いたものであるので、2段型ロケット1の飛翔時に低太陽光吸収率層7が空力加熱によって消失することがなく、フェアリング6の表面が白色系に維持される。このため、人工衛星2の表面の太陽光吸収率を低くすることができ、人工衛星2の内部温度の上昇を抑制することができる。なお、表面温度が耐熱性塗料の使用上限温度を超えると予想される空力加熱の高い一部の箇所については、耐熱性塗料を塗布しなくてもよい。
【0049】
図5は、本発明の実施の形態に係る低太陽光吸収率層7の構成を示すフェアリング6の部分斜視図であり、図6は、フェアリング6の模式的部分断面図である。図3、図5及び図6に示す如く、低太陽光吸収率層7には多数の通気孔15が設けられている。つまり、フェアリング6の表面のうち通気孔15の部分だけは熱防御層8aが露出している。前述の如く、フェアリング6が空力加熱を受けている間、熱防御層8aからは熱分解ガスが発生する。図6に示す如く、この熱分解ガスは通気孔15を通過して、人工衛星2の外部へ放出される。これに対して低太陽光吸収率層7に通気孔15が設けられていない場合には、空力加熱を受けることによって熱防御層8aから発生した熱分解ガスの逃げ道がなくなり、低太陽光吸収率層7に亀裂又は剥離が発生することとなる。従って、低太陽光吸収率層7に通気孔15を形成した構成とすることにより、低太陽光吸収率層7の亀裂又は剥離の発生を抑制することができる。
【0050】
即ち、フェアリング6を以上の如き構成とすることにより、2段型ロケット1の飛翔時の空力加熱による発生熱が人工衛星2の機内に侵入することを防止すると共に、人工衛星2の軌道運用時における内部機器14からの発生熱を機外に放出することが可能であり、2段型ロケット1の飛翔時及び人工衛星2の軌道運用時において、内部機器14の温度を適正に保つことが可能となっている。
【0051】
また、本実施の形態においては、通気孔15の直径を1mmとし、相隣する2つの通気孔15の間の距離を25mmとしている。なお、通気孔15の直径を3mmとし、相隣する2つの通気孔15の間の間隔を5mmとする等、通気孔15は、熱防御層8aの露出面積を可及的に小さくしつつ、熱分解ガスを外部に放出するという所望の性能を発揮する構成であれば、他の寸法構成としてもよいことは言うまでもない。
【0052】
次に、本発明の実施の形態に係るフェアリング6の製造方法の一例について説明する。図7は、フェアリング6の塗装の前工程の一例を説明する模式図であり、(a)はその第1段階を、(b)はその第2段階を、(c)はその第3段階を、(d)はその第4段階を示している。まず、フェアリング6の形状に成型されたアブレータ層8,断熱層9及び金属シート層10の積層体であるフェアリング材料16を製造しておく。そして、以下のようにして、フェアリング材料16の表面に低い太陽光吸収率を有する(例えば白色系の)塗料を塗布する。
【0053】
図7(a)に示す如く、本例におけるフェアリング6の塗装の前工程の第1段階では、予めフェアリング6の外形に合わせて製作されている粘着性を有するシール材17を、同様に予めフェアリング6の外形に合わせて製作されている雌型冶具18に被せる。この雌型冶具18には、フェアリング6の低太陽光吸収率層7に設ける通気孔15の位置に合わせて、予め多数の孔18aが設けられている。
【0054】
次に第2段階では、図7(b)に示す如く、雌型冶具18をフェアリング材料16に被せる。
【0055】
第3段階では、図7(c)に示す如く、シール材17の上に、予めフェアリング6の外形に合わせて製作されている雄型冶具19を被せる。この雄型冶具19の内面には、フェアリング6の低太陽光吸収率層7に設ける通気孔15の位置に合わせて、予め多数の突起19aが設けられている。そして、突起19aが孔18aに挿入されるように位置合わせを行い、雄型冶具19をフェアリング材料16に押し付ける。このとき、シール材17の突起19aに重なる部分が孔18aを貫通してフェアリング材料16の表面に接触し、フェアリング材料16の通気孔15に相当する位置にのみシール材17が貼着せしめられる。
【0056】
第4段階では、図7(d)に示す如く、雄型冶具19,シール材17及び雌型冶具18をフェアリング材料16から取り外す。このとき、シール材17のうちフェアリング材料16の多数の貼着部分だけがフェアリング材料16の表面にマスキング(マスキング部分)17aとして残り、アブレータ層8のこの部分が隠れた状態となる。これで、フェアリング6の塗装の前工程が終了する。
【0057】
このようにして得たフェアリング材料16の外面に対して、低い太陽光吸収率を有する耐熱性塗料を塗布する。その後、マスキング17aをフェアリング材料16から取り除き、フェアリング6が完成する。
【0058】
次に、本発明の実施の形態に係るフェアリング6の製造方法の他の例について説明する。図8は、フェアリング6の塗装の前工程の他の例を説明する模式図であり、(a)はその第1段階を、(b)はその第2段階を示している。
【0059】
図8(a)に示す如く、本例におけるフェアリング6の塗装の前工程の第1段階では、予めフェアリング6の内側形状に合わせて製作されている電磁石20をフェアリング材料16の内側に配置する。
【0060】
図9は、本発明の実施の形態に係る電磁石20の構成を示す部分断面図である。電磁石20は、複数のコイル(図示せず)がその内部に設けられた、前記フェアリング材料16を縮小した略相似形状をなす本体部分21と、該本体部分21の外側及び内側に夫々配されたハニカム構造部分22,23とから構成されている。外側のハニカム構造部分22の外形は、フェアリング材料16の内部形状と略同一となっており、フェアリング材料16の内部に電磁石20を配したとき、フェアリング材料16の内面にハニカム構造部分22の外面が略全体に亘って密着することとなる。
【0061】
ハニカム構造部分22,23は、金属製とされており、複数の六角形状の孔が厚さ方向に貫通し、恰も蜂の巣状に形成された構造となっている。かかるハニカム構造部分22,23により、電磁石20を軽量且つ高剛性のものとすることができる。
【0062】
また、本体部分21に設けられたコイルは、本体部分21の厚さ方向を中心軸としたものであり、該コイルに直流を通電することにより、例えば図9に示す如く、本体部分21の外側をN極、内側をS極とした磁界を発生することができるようになっている。
【0063】
なお、本実施の形態においては、電磁石20をフェアリング材料16の内側に配置するものとしたが、これに限定されるものではなく、電磁石20の代わりに永久磁石を配置してもよい。また、電磁石20がハニカム構造部分22,23を有する構成としたが、これに限定されるものではなく、フェアリング材料16の内部形状と略同一の外形を有する金属製又は金属と合成樹脂との複合材製のハウジング内部に複数のコイルを収納した構成としてもよい。
【0064】
次に本例の第2段階では、図8(b)に示す如く、内部が予めフェアリング6の外形に概ね合わせて製作されている塗料供給装置24をフェアリング材料16の外側に被せる。
【0065】
図10は、本発明の実施の形態に係る塗料供給装置24の構成を示す部分斜視図である。塗料供給装置24は、可撓性を有する材料によって形成された、前記フェアリング材料16より大きい袋状の本体部分25と、該本体部分25の内面の複数箇所から夫々突設された多数の塗料噴射チューブ26と、前記本体部分25の内面の塗料噴射チューブ26の突設箇所とは異なる複数の箇所から突設された支柱27とから主として構成されている。
【0066】
本体部分25は内部空間28を有しており、該内部空間28に外部から供給された、低い太陽光吸収率を有する耐熱性塗料を通流させることが可能となっている。この本体部分25は、前述した如く可撓性を有しており、また概ねフェアリング材料16の外形に沿った形状に形成されている。従って、塗料供給装置24でフェアリング材料16を覆った場合に、フェアリング材料16の外形に合わせて本体部分25が変形し、フェアリング材料16の略全体に亘って本体部分25を覆い被せることが可能である。
【0067】
図11は、本発明の実施の形態に係る塗料噴射チューブ26の構成を示す模式的側面図である。塗料噴射チューブ26は、その一端が内部空間28と連通しており、他端が略円盤状の永久磁石からなるマスキング部29によって閉塞されている。また、塗料噴射チューブ26の中間部分には、複数のノズル30が設けられており、内部空間28から供給された耐熱性塗料をノズル30から噴射することが可能となっている。このとき、塗料噴射チューブ26の他端がマスキング部29によって閉塞されていることにより、この他端から耐熱性塗料が噴出されることがない。
【0068】
また、本体部分25の内面からは高透磁率材料からなる支柱27が突設されている。支柱27の一端は本体部分25の内面に固着されており、他端にはマスキング部32が取り付けられている。このマスキング部32も永久磁石とされている。また、マスキング部29,32は、例えば電磁石20が本体部分21の外側をN極、内側をS極とした磁界を発生する場合には、本体部分25の近接側をN極、離反側をS極とした磁界を発生するように夫々塗料噴射チューブ26及び支柱27に取り付けられる。
【0069】
第2段階で塗料供給装置24をフェアリング材料16に被せるときには、フェアリング材料16の外面のうち、通気孔15を設けたい部分にマスキング部29,32を載置する。そして、電磁石20によって磁界を発生し、この磁界によってマスキング部29,32をフェアリング材料16の外面に吸着させる。これで、フェアリング6の塗装の前工程が終了する。
【0070】
続いて、塗料供給装置24の外部から本体部分25へ前記耐熱性塗料を供給し、ノズル30から耐熱性塗料を噴射する。ノズル30は、フェアリング材料16の表面へ向けて耐熱性塗料を噴射するように傾斜して設けられており、これによってフェアリング材料16の外面のマスキング部29,32が載置されている部分を除いた略全体に亘って耐熱性塗料が塗布されることとなる。
【0071】
更に、電磁石20の磁界の発生を停止し、電磁石20及び塗料供給装置24をフェアリング材料16から取り外す。これによって、フェアリング6が完成する。
【0072】
以上説明したように、フェアリング6を外殻として一体化した人工衛星2を構成することにより、従来の人工衛星のように人工衛星とは別にフェアリングを用意し、人工衛星を該フェアリングと共にロケットに搭載する必要がなくなる。人工衛星には外殻構造が必要であり、人工衛星全体が十分な強度及び剛性を確保するために、従来の人工衛星の場合では強度部材等も必要としていた。本実施の形態に係る人工衛星2は、フェアリング6が外殻構造を兼ね、また前述の如く該フェアリング6が十分な強度及び剛性を確保しているので、別途強度部材等を設ける必要がない。
【0073】
また、本願発明者らが試算を行った結果、金属に比して比重が小さいCFRPによって主として構成された本発明の実施の形態に係るフェアリング6は、同じ内部機器を搭載した従来の人工衛星を3段型ロケットによって打ち上げる場合に使用される金属製のフェアリングと比して、両者を同程度の強度及び剛性を確保するように構成した場合には、同程度の質量となることが判った。即ち、本発明に係る人工衛星2は、従来の人工衛星及び金属製のフェアリングの合計質量と比較して、人工衛星に搭載する内部機器が同じである場合には、従来の人工衛星が必要とする外殻構造及び強度部材の質量分だけ軽量なものとすることが可能である。例えば従来の人工衛星の質量が50kgである場合、該人工衛星が必要とする外殻構造及び強度部材の質量は約15kgとなるので、同じ内部機器を搭載した本実施の形態に係る人工衛星2では、従来の人工衛星及びフェアリングの合計質量より15kgの軽量化が可能である。
【0074】
このような人工衛星(及びフェアリング)の軽量化によって、これを宇宙空間まで搬送するロケット自体をも小型のものとすることができる。また、本実施の形態のように、従来の3段以上の多段型ロケットではなく、2段型ロケット1として構成することにより、構造を大幅に簡略化することができ、よって開発コスト及び開発期間等の大幅な低減が実現できる。
【0075】
このように、フェアリング6を人工衛星2に一体化した場合には、従来の人工衛星とフェアリングとが別個に搭載し、フェアリングを分離及び放擲するように構成されたロケットと同一のロケットを用いて、前記人工衛星よりも約15kgも質量が大きい人工衛星2を打ち上げることが可能となる。逆説的に言えば、従来のフェアリングを分離及び放擲する構成の人工衛星と同一質量のフェアリング一体型の人工衛星においては、従来より大幅に小型のロケットで打ち上げることが可能である。
【0076】
また、前述したように、2段型ロケット1は従来の3段以上の多段型ロケットと比べて大幅に高速に飛翔する。例えば第1段固体モータ3の燃焼開始39秒後に、約2°/sの重力ターンを開始し、第2段固体モータ4の燃焼終了時に迎角が90°となるように構成した場合、第2段固体モータ4の燃焼終了時における2段型ロケット1の水平移動距離は約180kmとなり、その10秒後に人工衛星2を放出するとしたときの同放出時における2段型ロケット1(人工衛星2)の水平移動距離は約260kmとなる。
【0077】
このように、人工衛星2の打ち上げ開始から放出時までの水平移動距離は約260kmであり、この距離は従来の人工衛星の打ち上げ開始から放出時までの水平移動距離に比べて極めて短いものである。従って、従来の3段型ロケットによる人工衛星の打ち上げ時には、例えば日本国内の射場から打ち上げた後で、日本国内の観測所によって人工衛星の打ち上げから放出までを観測することができないことがあったが、本発明に係る人工衛星2を搭載した2段型ロケット1を種子島宇宙センター射場の小型ロケット射点から打ち上げた場合、人工衛星2の放出までの2段型ロケット1の飛翔状況を種子島宇宙センター及び小笠原追跡所の2箇所で観測することができ、観測に外国の設備を必要としない。このように、日本国内の設備だけで2段型ロケット1の打ち上げから人工衛星2の軌道投入までの観測を行うことができるので、従来に比してロケットの打ち上げ作業を極めて簡素なものとすることができる。
【0078】
また、前述した本発明に係る人工衛星2の打ち上げ開始から放出時までの水平移動距離(約260km)は、1つの観測所によって2段型ロケット1の打ち上げから人工衛星2の軌道投入までを観測することができる距離でもある。従って、1つの観測所で2段型ロケット1の打ち上げから人工衛星2の軌道投入までを一貫して観測した場合には、更にロケットの打ち上げ作業を簡素なものとすることができ、より一層コスト及び手間を低減することが期待できる。
【0079】
前述の如く、本実施の形態2に係る2段型ロケット1はフェアリング6のアブレータ層8が空力加熱によって炭化する。このとき、アブレータ層8のうちの表面近傍の部分にはカーボン繊維が重なった状態で残留する。図12は、本発明の実施の形態に係るアブレータ層8の空力加熱を受けたときの状態を説明する模式的断面図である。アブレータ層8のうちの熱防御層8aは、2段型ロケット1の打ち上げ初期の段階で炭化する。図12に示すように、炭化して熱防御層8aに残留したカーボン繊維8cは、繊維長手方向が様々な方向へ向いた状態で重なり合う。各カーボン繊維8cの結合力は比較的弱く、外部から力が作用した場合には互いにずれるように微小に移動する。
【0080】
ここで、本実施の形態に係る2段型ロケット1は、前述したようにその飛翔時に従来に比して極めて高い動圧を受けることとなる。従って、2段型ロケット1には飛翔時に強い振動が発生し、フェアリング6に加わる振動が内部機器14にそのまま伝われば、これが内部機器14の故障を引き起こす可能性がある。
【0081】
しかし、前記カーボン繊維8b(及び構造層8cが炭化した場合にこの層に残留するカーボン繊維)が3次元的に互いに微小に移動することによって、アブレータ層8が免震構造として機能し、フェアリング6の表面に加わる振動が内部にそのまま伝わることが防止される。これにより、内部機器14には外部の振動が伝わりにくくなり、内部機器14の故障の発生を抑制できる。
【0082】
また、人工衛星2の軌道投入時に、人工衛星2から第2段固体モータ4及び段間部5が切り離されるが、このときにも人工衛星2に対して衝撃が加わる。この衝撃も、前述したフェアリング6の免震機能によって人工衛星2の内部において緩和され、内部機器14の故障の発生が抑制されることとなる。
【0083】
次に、人工衛星2の構成をより詳細に説明する。図13は、本発明の実施の形態に係る人工衛星2の構成を示すシュラウド部分2aにおける横断面図である。図13に示す如く、人工衛星2のシュラウド部分2aの後端から所定長さ前方までの部分においては、フェアリング6の周方向の一部が欠落しており、この欠落部分33を閉塞するように展開型の太陽電池パドル34が設けられている。
【0084】
太陽電池パドル34は、2つの板状の太陽電池パネル35,36が突き合わされて互いにヒンジ結合された構成となっている。一方の太陽電池パネル35の一端は略L字状に屈曲せしめられており、この屈曲部分34bの先端が欠落部分33の一端に枢着されている。これによって、太陽電池パネル35は、欠落部分33を閉塞した状態からこの枢着部分を中心として外側に回動することが可能となっている。
【0085】
太陽電池パネル35の他端は太陽電池パネル36の一端とヒンジ部34aによってヒンジ結合されている。そして、2段型ロケット1の打ち上げ前には、太陽電池パネル35,36は重ね合わされた状態で欠落部分33を閉塞するように収納されている。
【0086】
図14は、本発明の実施の形態に係る太陽電池パドル34の構成を示す断面図である。図14に示すように、一方(基端側)の太陽電池パネル35は、セル取付板35aの一面に太陽電池セル35bが取り付けられた構造となっている。また、前記欠落部分33を閉塞するようにラジエータ35cが設けられており、該ラジエータ35cは人工衛星2の内部と宇宙空間との隔壁として機能する。内部機器14の発熱の機外への排出はこのラジエータ35cによって行われる。ラジエータ35cの光学特性及び面積は、内部機器14の発熱量により設定される。また、太陽電池パドル34の収納時には、セル取付板35aの他面がラジエータ35cの機外側の面に対向し、太陽電池セル35bが機外側に配置されるようになっている。
【0087】
なお、本実施の形態においては、ラジエータ35cを人工衛星2の内部と宇宙空間との隔壁として設ける構成について述べたが、これに限定されるものではなく、内部機器14の発熱量が、ラジエータによる排熱が不要である程度に小さい場合には、ラジエータ35cに代えて、例えばCFRP等の複合材料製の隔壁を設ける構成としてもよい。
【0088】
また、他方(先端側)の太陽電池パネル36はセル取付板36aを有しており、太陽電池パドル34の収納時において、前記太陽電池セル35bに対向するように太陽電池セル36bがセル取付板36aの一面に取り付けられている。即ち、太陽電池セル36bはセル取付板36aの機内側の面に取り付けられている。また、セル取付板36aの他面(機外側の面)には、アブレータ層及び断熱層等から構成された熱防御板36cが取り付けられている。これによって、2段型ロケット1の飛翔時に受ける空力加熱に対して熱防御機能を発揮し、内部機器14の温度を過度に上昇させないようにすることが可能となっている。また、太陽電池パドル34の収納時には、熱防御板36cが最外部に位置することとなるため、2段型ロケット1の飛翔時に受ける空力加熱から太陽電池セル35b,36bが保護される。
【0089】
図13に示す如く、人工衛星2の内部には2つの電動モータ37,38が設けられている。一方の電動モータ37の出力軸にはワイヤ37aの一端が接続されており、該ワイヤ37aの他端は太陽電池パネル35とフェアリング6とを枢着している枢軸35dに接続されている。またワイヤ37aは一端側が電動モータ37の出力軸に巻回されており、他端側が枢軸35dにこれとは反対向きに巻回されている。また、枢軸35dは太陽電池パネル35に固着されており、ワイヤ37aの他端側の枢軸35dに対する巻回方向は、枢軸35dからワイヤ37aを引き出した場合に、太陽電池パネル35に機外側へ回動する方向のトルクが発生する方向(即ち、図13中で反時計方向)とされている。これによって、電動モータ37を動作させ、出力軸を前記ワイヤ37aを巻き取る方向に回転させた場合には、枢軸35dからワイヤ37aが引き出され、太陽電池パネル35に機外側へ回動する方向のトルクが作用することとなる。
【0090】
一方、電動モータ38の出力軸にも同様にワイヤ38aの一端側が巻回されている。またこのワイヤ38aの他端はヒンジ部34aに接続されている。そして、太陽電池パドル34がフェアリング6に収納されているときには、ワイヤ38aは所定の張力が作用するように電動モータ38の出力軸によって固定された状態となっている。また、ロック機構によって太陽電池パドル34が展開しないようにフェアリング6に係止され、人工衛星2の軌道投入の際に前記ロック機構が解除される構成としてもよい。
【0091】
また、人工衛星2の内部には、電動モータ37,38の動作を夫々制御するモータコントローラ39と、該モータコントローラ39に接続された加速度センサ40とが設けられている。
【0092】
また、太陽電池パネル35,36の間には図示しないバネが設けられており、このバネによって太陽電池パネル35,36が互いに展開する方向へ付勢されている。更に、太陽電池パネル35,36の間には、図示しないストッパが設けられており、太陽電池パドル34がフェアリング6に収納されているときには、前記ストッパが係合することによって太陽電池パネル35,36が前記バネによる付勢力に抗して重ね合わされた状態を維持するようになっている。
【0093】
次に、太陽電池パドル34の展開動作について説明する。図15及び図16は、本発明の実施の形態に係る太陽電池パドル34の展開の流れを説明するための模式図である。第2段固体モータ4の燃焼が終了したとき、前記加速度センサ40がこれを検出し、検出信号をモータコントローラ39へ送信する。これと同時に第2段固体モータ4及び段間部5が人工衛星2から切り離され、人工衛星2が軌道上に放出される。モータコントローラ39は、前記検出信号を受信した後に、その出力軸がワイヤ37aの巻き取り方向に回転するように電動モータ37を動作させつつ、出力軸がワイヤ38aを緩める方向に回転するように電動モータ38を動作させる。これによって、太陽電池パドル34が枢軸35dを中心として機外側へ回動することとなる。また、太陽電池パドル34が回動した場合には、欠落部分33は前記ラジエータ35cだけで閉塞された状態となる。
【0094】
図15に示す如く、モータコントローラ39は、太陽電池パドル34が丁度90°だけ回動するまで電動モータ37,38を駆動する。そして、太陽電池パドル34が回動開始から90°回動したとき、前記ストッパの係合が解除されるようになっており、前述したバネの付勢力によって太陽電池パネル36がヒンジ部34aを中心として太陽電池パネル35から離反する方向へ回動することとなる(図16参照)。慣性力により太陽電池パネル36の回動は更に進行し、太陽電池パネル36が180°回動して太陽電池パネル35,36が直線的に並んだ状態となったとき、太陽電池パネル35,36の近接部分に設けられたストッパ(図示せず)が係合するようになっており、これによって太陽電池パネル35,36が直線的に並んだ状態を維持するようになっている。これにより、太陽電池パドル34の展開作業が完了する。
【0095】
このように、軽量なワイヤ37a,38aによって電動モータ37.38と太陽電池パドル34とを接続し、電動モータ37,38を駆動することにより太陽電池パドル34の展開を行う構成としたので、ギヤ等の機構を使用して電動モータ(アクチュエータ)37,38の出力軸の回転運動を太陽電池パドル34に伝達する構成に比して、人工衛星2の大幅な軽量化が可能となる。
【0096】
図17は、本発明の実施の形態に係る人工衛星2の軌道運用時の様子を示す斜視図である。図17に示す如く、太陽電池パドル34の太陽電池セル36bの先端近傍には、太陽センサ41が設けられている。該太陽センサ41は、太陽放射強度に応じた電気信号を出力するようになっており、その出力先が前記モータコントローラ39となっている。更に詳しく太陽センサ41の構成を説明すると、該太陽センサ41には、所謂粗センサ(CSSA;Coarse Sun Senser Assembly)が使用され、このセンサはスリットを通して太陽光を入射させ、この太陽光の入射角のスリットに直交方向の成分のみを計る構成であり、公知のものである。この太陽センサ41は、太陽電池パドル34の受光面とその受光面とが平行となるように配置されている。モータコントローラ39は、太陽センサ41の受光面が太陽に向かうように電動モータ37,38を駆動するようになっており、これによって太陽電池パドル34の受光面が太陽に向くように太陽電池パドル34の展開角度が制御されることとなる。このとき、太陽電池パドル34の受光面を完全に太陽に正対させることが望ましいが、軌道面と太陽光ベクトルとの関係により、完全に正対させる場合は少ないが、可及的に太陽と正対するように前記太陽電池パドル34の展開角度は制御される。そして、太陽電池セル35b,36bは太陽放射及び地球のアルベド(太陽放射の地球反射成分)を受けて発電し、太陽電池セル35b,36bによって得られた電力は、内部機器14に供給されるようになっている。
【0097】
人工衛星2の質量を45kgとした場合、過去の人工衛星の質量と内部機器が使用する電力との関係についての統計結果から、必要電力は約20Wと推定できる。太陽電池セル35b,36bは夜側軌道では発電することができないため、昼側軌道時間と夜側軌道時間とが同一であるとした場合、必要発電量は必要電力の2倍の約40Wとなる。宇宙での使用実績が豊富な太陽電池セルには、高価であるが高効率のガリウム砒素型のものと、安価であるが比較的発電効率が低いシリコン型のものとの2つがある。仮に、太陽電池セル35b,36bとしてシリコン型の太陽電池セルを使用する場合、必要発電量に安全率として2を乗じた値である80Wの発電に必要な受光面面積は約0.6m2となる。本願発明者らの試算の結果、質量が45kgの人工衛星2の太陽電池パドル34の面積は0.9m2程度とすることが可能であるため、シリコン型の太陽電池セルを使用しても必要量の電力を得ることが可能である。
【0098】
また、人工衛星2の軌道投入時には、太陽電池パドル34の展開とともに、必要があれば人工衛星2の内部に収納していたSバンドアンテナ又は重力傾斜ビーム等を展開し(図示せず)、人工衛星2の軌道投入が完了する。
【0099】
図17に示す如く、人工衛星2はノーズ部分2bの先端方向へ進行することとなるが、人工衛星2の周囲の空間には僅かではあるが大気が存在しており、人工衛星2は空気抵抗を受けることとなる。従来の人工衛星のように、人工衛星本体が六面体又は円筒形状をなしている場合には、このような空気抵抗の影響は大きく、人工衛星が減速することとなり、遠心力と重力との均衡が崩れ、人工衛星の高度が低下することとなる。一方、本発明に係る人工衛星2においては、人工衛星本体であるフェアリング6が流線形状をなしているため、従来の人工衛星に比して空気抵抗を受け難く、人工衛星2の空気抵抗による減速が可及的に抑制される。
【0100】
しかしながら、本発明に係る人工衛星2が若干の空気抵抗を受け続けて減速し、高度低下した分については、推力発生装置によって発生した推力により上昇させる必要がある。従来の大型、小型、又はミニ型の人工衛星は、液体燃料を燃焼させる構成又は液体窒素等を噴射させる構成の推力発生装置を使用していた。人工衛星の目標運用寿命として1年以上を設定した場合、人工衛星の高度を維持するためには多くの燃料又は噴射用物質が必要となる。加えてこのような推力発生装置は構成が複雑であり、装置自体のサイズ及び質量が大きい。従って、大型、小型、又はミニ型の人工衛星は機器搭載容積が比較的大きく、かかる従来の推力発生装置を搭載することも比較的容易であるが、本実施の形態に係る人工衛星2の如きマイクロ型又はピコ型の人工衛星は機器搭載容積が小さく、マイクロ型又はピコ型の人工衛星にこれらの推力発生装置を搭載することは容易ではない。
【0101】
そこで、本実施の形態に係る人工衛星は、以下に説明するような推力発生装置を搭載している。図18は、本実施の形態に係る推力発生装置の構成を示す模式的断面図である。図18に示す如く、本実施の形態に係る推力発生装置42は、ケース43,配管44,ノズル45,ヒータ46,開閉弁47,温度センサ48a,48b及び圧力センサ49によって主として構成されている。ケース43は直方体の箱型をなしており、その内部に相変化物質50が収納されている。相変化物質50には、エイコサン等の融点が300K程度と低いものが利用される。
【0102】
ケース43の一面は開口しており、この開口から配管44が延設されている。配管44の終端には略円錐形状に拡径されたノズル45の頂点部分が接続されている。また、配管44の中途部分には開閉弁47が設けられており、該開閉弁47が閉塞されているときには、ケース43及び配管44のケース43との接続箇所から開閉弁47に至るまでの部分が閉空間を構成し、開閉弁47が開放されているときには、ケース43内の空間が配管44及びノズル45を通じて外部に連通することとなる。
【0103】
また、ケース43,配管44及びノズル45の外周面の略全体を覆うように、ヒータ46が設けられている。ヒータ46には電熱線の如き電力を熱に変換する形態のものが使用され、外部から電力の供給を受けることによりケース43,配管44及びノズル45を加熱するようになっている。
【0104】
また、ケース43の内部には温度センサ48a及び圧力センサ49が設けられており、配管44のノズル45と開閉弁47との中途部分にも温度センサ48bが設けられている。
【0105】
次に、本実施の形態に係る推力発生装置42の動作について説明する。人工衛星2に推力が必要であると、人工衛星2に内蔵されたオンボードコンピュータ(図示せず)によって判断された場合には、ヒータ46に外部から電力が供給され、ケース43,配管44及びノズル45が加熱される。ケース43の内部空間の温度は上昇し、相変化物質50の昇華ガス51が発生(増加)して、ケース43の内圧が増大する。圧力センサ49によってケース43の内圧に応じた電気信号がオンボードコンピュータに送信され、該オンボードコンピュータはケース43の内圧が所定値以上になった場合にヒータ46への電力供給を停止し、これと共に開閉弁47を開放させるべく動作制御する。開閉弁47が開放されたときには、ケース43内の昇華ガス51がノズル45から噴射されて、昇華ガス51の噴射方向とは逆向きの推力が発生する。
【0106】
昇華ガス51の噴射後、オンボードコンピュータは温度センサ48a,48bの出力値をモニタし、ケース43,配管44,ノズル45,及び開閉弁47が気体の断熱膨張により所定の低温側許容温度以下に急冷されないように、必要であればヒータ46によってこれらを加熱させる。また、昇華ガス51の噴射後には、オンボードコンピュータが開閉弁47を閉塞させ、更に温度センサ48aの出力値をモニタして、相変化物質50を適切な範囲で温度制御すべく、必要があればヒータ46によってケース43を加熱する。
【0107】
次に、相変化物質50の必要量について試算した結果を説明する。以下の説明では、進行方向から見た断面積が0.7m2の人工衛星2の高度を空気抵抗が比較的大きい高度350kmとした場合について試算した結果を示す。本願発明者の計算によれば、人工衛星の質量を45kgとした場合には、15gの昇華ガス51の噴出によって1日当たりの減速分を打ち消すことが可能である。この場合であって、人工衛星2の運用寿命を100日としたときには、必要な相変化物質50の質量は1.5kgとなる。例えば相変化物質50にエイコサンを使用すると、エイコサンの密度は830kg/m3であるので、ケース43の必要容積は1.8×10-33となり、これは人工衛星2に十分に搭載可能な大きさである。
【0108】
また、本実施の形態に係る推力発生装置42の発生推力は、従来の推力発生装置のそれと比して大幅に小さいものであるが、人工衛星2の質量が高々数十kgであるので、この人工衛星2の高度及び速度を維持するのに使用する分には十分にその目的を達成することができるものである。
【0109】
次に、本実施の形態に係る人工衛星2の軌道運用時における姿勢制御に係る構成について説明する。図19は、本発明の実施の形態に係る人工衛星2のピッチング方向の姿勢制御機構の構成の一例を示す模式的斜視図である。太陽電池パネル35,36の前側端(人工衛星2の進行方向下流側端)には、太陽電池パネル35,36の前端縁に沿って夫々角管状のガイドチューブ52a,52bが設けられており、同様に太陽電池パネル35,36の後側端(人工衛星2の進行方向上流側端)には、太陽電池パネル35,36の後端縁に沿って夫々ガイドチューブ53a,53bが設けられている。図19に示す如く、ガイドチューブ52a,52bは、太陽電池パドル34が展開された状態のときに、直線的に並べられるように構成されており、同様にガイドチューブ53a,53bもまた、太陽電池パドル34が展開された状態のときに直線的に並べられるようになっている。直線的に並べられたガイドチューブ52a,52bの内部には、ワイヤ52cが挿通されており、ワイヤ52cの機内側端は人工衛星2の機内に設けられた電動モータ54の出力軸に取り付けられている。また、ワイヤ52cの機外側端には、ウェイト52dが取り付けられている。
【0110】
同様に、直線的に並べられたガイドチューブ53a,53bの内部には、ワイヤ53cが挿通されており、ワイヤ53cの機内側端は人工衛星2の機内に設けられた電動モータ55の出力軸に取り付けられている。また、ワイヤ53cの機外側端には、ウェイト53dが取り付けられている。
【0111】
電動モータ54,55は、人工衛星2に内蔵されているモータコントローラ(図示せず)に接続されており、該モータコントローラによって動作制御されるように構成されている。図17に示す如く、人工衛星2から地球側へ向けて突出するように、地球センサ56が設けられており、この地球センサ56に前記モータコントローラが接続されている。
【0112】
地球センサ56は、人工衛星2の地球に対するロール角及びピッチ角の夫々に応じた電気信号を出力するようになっており、このうちピッチ角を表す出力信号をモータコントローラが受けて、モータコントローラがワイヤ52c,53cの引き出し長さを調節すべく、電動モータ54,55の動作を制御する。更に具体的には、地球センサ56によって検出された人工衛星のピッチ角が所定の目標のピッチ角(即ち、本実施の形態の場合では0°のピッチ角)に近づくように、例えば比例制御、PI制御、PID制御、又はファジィ制御等の公知の制御方法を用いて電動モータ54,55の回転方向及び回転速度を制御する。ウェイト52d,53dが夫々地球の重力を受けるので、ワイヤ52c,53cは夫々地球側へ垂下することとなる。電動モータ54,55が動作制御されることにより、ワイヤ52cがワイヤ53cよりも長く引き出された場合には、ウェイト52dがウェイト53dよりも地球に近付くこととなる。これにより、ウェイト52dの方がウェイト53dよりも地球からの重力を強く受けることとなり、結果として人工衛星2の重心位置が前方へ移動し、人工衛星2の先端側が地球へ近付き、また後端側が地球から離反するように、人工衛星2のピッチング方向の姿勢制御が行われる。一方、電動モータ54,55が動作制御されて、ワイヤ53cがワイヤ52cよりも長く引き出された場合には、人工衛星2の重心位置が後方へ移動し、人工衛星の先端側が地球から離反し、また後端側が地球へ近付くように、人工衛星2のピッチング方向の姿勢制御が行われる。
【0113】
そして、地球センサ56が常に地球の中心を向くように人工衛星2のピッチング方向の姿勢を維持すべく、電動モータ54,55の動作制御が行われるように構成されている。
【0114】
また、前記ガイドチューブ52a,52b,53a,53bは、太陽電池パドル34の強度部材としても利用され得る。
【0115】
図20は、本発明の実施の形態に係る人工衛星2のピッチング方向の姿勢制御機構の構成の他の例を示す模式的斜視図である。本例においては、図20に示す如く、太陽電池パドル34の人工衛星2の機外側の端縁、即ち太陽電池パネル36のヒンジ部分34aの反対側の端縁に、移動ウェイト57が設けられている。移動ウェイト57は、太陽電池パネル36の該端縁の全長に亘って設けられた固定子58aと走行子58bとを有するリニアモータ58の前記走行子58bに取り付けられており、前記固定子58aに沿って走行子58bと一体的に移動することが可能に構成されている。
【0116】
リニアモータ58は、モータコントローラ(図示せず)に接続されており、地球センサ56からの人工衛星2のピッチ角に係る出力信号に応じてモータコントローラがリニアモータ58の動作制御を行うようになっている。ここでも前述の如き公知の制御方法により、リニアモータ58の動作制御を行う構成としている。そして、移動ウェイト57が人工衛星2の前後方向へ移動することにより、人工衛星2の重心位置が移動し、これによって人工衛星2のピッチング方向の姿勢制御が行われるように構成されている。
【0117】
なお、フェアリング6の内部に前後方向へ移動することが可能な移動ウェイトを設ける構成としてもよい。
【0118】
また、人工衛星2のローリング方向の姿勢制御は、モータコントローラ39が電動モータ37,38の動作制御を行うことによる、太陽電池パドル34の展開角度調節によって行われる。具体的には、地球センサ56からの人工衛星2のロール角を表す出力信号をモータコントローラ39が受け、このモータコントローラ39が、検出された人工衛星2のロール角を所定の目標ロール角(本実施の形態の場合では0°のロール角)に近づけるように、例えば比例制御、PI制御、PID制御、又はファジィ制御等の公知の制御方法を用いて電動モータ37,38の回転方向及び回転速度を制御する。このとき、人工衛星2が地球の中心に対して傾いてる方向の逆側へ太陽電池パドル34を傾け、これによって人工衛星2の横方向の重心位置を移動させ、結果的にロール角を0°に近づける方向へ人工衛星2を傾けることにより、人工衛星2のローリング方向の姿勢制御を行う。
【0119】
更に、人工衛星2の軌道運用中において、前記モータコントローラ39が電動モータ37,38の動作制御を行うことにより、太陽電池パドル34の受光面が太陽に向くように太陽電池パドル34の展開角度が制御される。これにより、太陽電池パドル34を単独で動作させて、その受光面を太陽に向けることができ、従来のように太陽電池パドルの受光面を太陽に向けるために人工衛星自体の姿勢制御を行う必要がない。
【0120】
【発明の効果】
本発明に係る人工衛星による場合は、人工衛星の進行方向先端の断面積が従来と比して大幅に小さくなり、軌道上を進行中の人工衛星が受ける空気抵抗を可及的に小さくすることができる。
【0121】
また、人工衛星の外殻をフェアリングとして使用するため、人工衛星と別途にフェアリングを設ける必要がなく、当該人工衛星に最適なサイズのロケットを使用して打ち上げることが可能となる。従って、本発明に係る人工衛星においては、人工衛星とフェアリングとの余剰空間すら存在せず、打ち上げに使用するロケットに当該人工衛星を搭載する際の空間的効率を従来に比して大幅に向上することができ、結果として人工衛星打ち上げ用のロケット全体の抜本的な小型化及び低価格化を実現することができる。
【0122】
また、本発明に係る人工衛星においては、人工衛星の外殻とフェアリングとを兼用する構成であるため、従来の人工衛星及びフェアリングの合計質量に比して、人工衛星の質量を大幅に軽量化することができる。これにより、従来の人工衛星に比して、打ち上げ用のロケットを大幅に小型化及び軽量化することが可能となる。
【0123】
また、このように小型且つ軽量な打ち上げ用ロケットを構成することにより、該ロケットの打ち上げ用燃料の量を大幅に低減することができる。
【0124】
また、打ち上げ用ロケットを小型且つ軽量に構成することができるため、ロケットの開発、製造、及び打ち上げに係るコストを従来に比して大幅に低減することができ、よって、本発明を適用して構成したピコ型又はマイクロ型の人工衛星の打ち上げ専用にこれを使用することができる等、本発明は優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る人工衛星を搭載した2段型ロケットの全体構成を示す側面図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る人工衛星の構成の概略を示す模式的断面図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るアブレータ層の構成を示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る2段型ロケットの飛翔時におけるフェアリングの表面温度、金属シート層の温度、及び内部機器の温度の推移を示すグラフである。
【図5】本発明の実施の形態に係る低太陽光吸収率層の構成を示すフェアリングの部分斜視図である。
【図6】本発明の実施の形態に係るフェアリングの模式的部分断面図である。
【図7】本発明の実施の形態に係るフェアリングの塗装の前工程の一例を説明する模式図であり、(a)はその第1段階を、(b)はその第2段階を、(c)はその第3段階を、(d)はその第4段階を夫々示す模式図である。
【図8】本発明の実施の形態に係るフェアリングの塗装の前工程の他の例を説明する模式図であり、(a)はその第1段階を、(b)はその第2段階を夫々示す模式図である。
【図9】本発明の実施の形態に係る電磁石の構成を示す部分断面図である。
【図10】本発明の実施の形態に係る塗料供給装置の構成を示す部分斜視図である。
【図11】本発明の実施の形態に係る塗料噴射チューブの構成を示す模式的側面図である。
【図12】本発明の実施の形態に係るアブレータ層の空力加熱を受けたときの状態を説明する模式的断面図である。
【図13】本発明の実施の形態に係る人工衛星の構成を示すシュラウド部分における横断面図である。
【図14】本発明の実施の形態に係る太陽電池パドルの構成を示す断面図である。
【図15】本発明の実施の形態に係る太陽電池パドルの展開の流れを説明するための模式図である。
【図16】本発明の実施の形態に係る太陽電池パドルの展開の流れを説明するための模式図である。
【図17】本発明の実施の形態に係る人工衛星の軌道運用時の様子を示す斜視図である。
【図18】本発明の実施の形態に係る推力発生装置の構成を示す模式的断面図である。
【図19】本発明の実施の形態に係る人工衛星のピッチング方向の姿勢制御機構の構成の一例を示す模式的斜視図である。
【図20】本発明の実施の形態に係る人工衛星のピッチング方向の姿勢制御機構の構成の他の例を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
1 2段型ロケット
2 人工衛星
2a シュラウド部分
2b ノーズ部分
3 第1段固体モータ
4 第2段固体モータ
5 段間部
6 フェアリング
6a 淀み点部
7 低太陽光吸収率層
8 アブレータ層
8a 熱防御層
8b 構造層
8c カーボン繊維
9 断熱層
10 金属シート層
11〜13 機器搭載パネル
14 内部機器
15 通気孔
16 フェアリング材料
17 シール材
17a マスキング
18 雌型冶具
18a 孔
19 雄型冶具
19a 突起
20 電磁石
21 本体部分
22,23 ハニカム構造部分
24 塗料供給装置
25 本体部分
26 塗料噴射チューブ
27 支柱
28 内部空間
29 マスキング部
30 ノズル
32 マスキング部
33 欠落部分
34 太陽電池パドル
34a ヒンジ部
34b 屈曲部分
35,36 太陽電池パネル
35a,36a セル取付板
35b,36b 太陽電池セル
35c ラジエータ
35d 枢軸
36c 熱防御板
37,38 電動モータ
37a,38a ワイヤ
39 モータコントローラ
40 加速度センサ
41 太陽センサ
42 推力発生装置
43 ケース
44 配管
45 ノズル
46 ヒータ
47 開閉弁
48a,48b 温度センサ
49 圧力センサ
50 相変化物質
51 昇華ガス
52a,52b,53a,53b ガイドチューブ
52c,53c ワイヤ
52d,53d ウェイト
54,55 電動モータ
56 地球センサ
57 移動ウェイト
58 リニアモータ
58a 固定子
58b 走行子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an artificial satellite that travels in orbit where a rare atmosphere exists.
[0002]
[Prior art]
The main operational orbit of a satellite is divided into a low orbit at an altitude of several hundred km and a geosynchronous orbit at an altitude of about 36000 km. Of these, the atmosphere is present in the low orbit, albeit sparse, and the artificial satellite traveling in the low orbit receives air resistance during its travel, and its traveling speed decreases. A satellite operated in such a low orbit must travel at a speed corresponding to its altitude to obtain centrifugal force that balances the gravity from the earth, and if it is decelerated by air resistance, The altitude of the satellite will decrease. Then, it is necessary to increase the speed of the artificial satellite by such a deceleration amount and to raise the artificial satellite by an amount corresponding to a decrease in altitude. . Therefore, if the satellite is susceptible to large air resistance, the deceleration and altitude decrease as described above will increase, and a large amount of fuel will be required to recover the deceleration and altitude decrease. This leads to weight and weight.
[0003]
Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-21596 discloses an artificial satellite in which the cross-sectional area of the satellite main body in the traveling direction is made small and elongated so as to be able to accommodate on-board equipment (Patent Document 1). Such an artificial satellite has a hexahedral shape that is elongated in the traveling direction, and is configured to have the same cross-sectional shape over the entire length in the longitudinal direction in order to secure a space for accommodating on-board equipment. This makes it possible to relatively reduce the air resistance that the artificial satellite receives when traveling in orbit.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-21596
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the artificial satellite disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-21596, since the cross-sectional shape and the cross-sectional area of the tip portion are the same as the cross-sectional shape and the cross-sectional area of the other portions, a large amount of air is generated at the tip surface. This will cause resistance, which will cause deceleration.
[0006]
The satellite disclosed in the above publication is housed in a fairing provided on the head of a rocket in order to protect the satellite from air resistance received during the launch at the time of the launch. Because the shape of the disclosed satellite is limited, the fairing designed according to this shape becomes large, and in some cases, the rocket itself must use an unnecessarily large one. there were. Furthermore, if the satellite has an extremely thin shape, there may be a lot of extra space when the satellite is stored in the fairing, and it must be launched using an unnecessarily large rocket. Sometimes.
[0007]
Satellites whose mass is 1000 kg or more are classified as large, 500 kg to 1000 kg are small, 100 kg to 500 kg are mini, 10 kg to 100 kg are micro, and 10 kg or less are pico. Sometimes. Among such satellites, large, small, and mini-type satellites are stored in a fairing provided on the head of a rocket dedicated to launching the satellite, and the rocket uses the rocket at a desired time and at a desired altitude and altitude. It is transported to orbit, the fairing is discarded, and put into this orbit.
[0008]
Once satellites have begun operation in orbit, they should be easily repaired and refurbished like ground equipment, even if a problem occurs that makes it impossible to carry out the scheduled mission. Can not. For this reason, the equipment and components for artificial satellites are subjected to a thorough test and inspection before launch so as to prevent inconvenience as much as possible in orbit, and their reliability is ensured.
[0009]
In particular, large and small satellites have complicated systems, a wide range of missions, and a large number of equipment and components, so many tests and inspections to ensure reliability are conducted over a long period of time. Will be done. In addition, many tests and inspections are required for devices used for assembling such artificial satellites.
[0010]
On the other hand, pico-type and micro-type satellites have relatively simple systems, many of which are dedicated to a single mission, and have a relatively small number of equipment and parts, which makes them large and small. There is an advantage that the number and the period of tests and inspections required are smaller than those of the artificial satellite, and the development period and the development cost are reduced.
[0011]
In addition, earth observation satellites and communication satellites are required to reduce the development period as much as possible in order to respond to sudden changes in the global environment and obsolescence of satellite-borne equipment. There is an increasing demand for pico-type and micro-type satellites for use in applications.
[0012]
Such pico-type and micro-type artificial satellites are mounted on a launch vehicle for launching another large or small artificial satellite by a so-called piggyback method and launched. This piggyback launch method involves mounting a pico-type or micro-type satellite in the extra space inside the fairing where other large or small satellites are stored, and attaching the large or small satellite to the rocket body. When the satellite is departed from the satellite, a pico-type or micro-type artificial satellite is also departed.
[0013]
However, when the artificial satellite disclosed in the above publication is configured as a pico-type or micro-type artificial satellite, the extra space inside the fairing has many restrictions on the space shape, and is disclosed in the above publication. Due to the shape limitations of the satellites used, there are cases where the satellite cannot be mounted on a desired rocket.
[0014]
In the case of a piggyback type rocket, the launch of a pico-type or micro-type satellite must be synchronized with the launch of a large or small satellite, which is the main purpose of launching the rocket. Even if a satellite can be developed in a short period of time, it is often not possible to launch it early, and the benefits of shortening the development period cannot be fully enjoyed.
[0015]
In the case of a piggyback type rocket, when a large or small satellite is separated from the rocket body, the pico-type or micro-type satellite is also separated. In some cases, satellites could not be put into optimal altitude and orbit.
[0016]
The present invention has been made in view of such circumstances, and reduces the air resistance received by an artificial satellite during orbital operation as much as possible, and at the same time reduces the spatial efficiency when mounted on a rocket used for launch. An object of the present invention is to provide an artificial satellite which is significantly improved as compared with the above.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the artificial satellite according to the present invention is an artificial satellite that travels in orbit in which a rare atmosphere exists, in which the outer shell has a streamline shape tapered in the traveling direction. It is characterized by functioning as a fairing at launch.
[0018]
By adopting such a configuration, the cross-sectional area of the leading end of the satellite in the traveling direction is significantly reduced as compared with the conventional one, and the air resistance received by the satellite in orbit is reduced as much as possible. it can.
[0019]
Further, since the outer shell of the artificial satellite is used as a fairing, it is not necessary to provide a fairing separately from the artificial satellite, and it is possible to launch using a rocket having a size optimal for the artificial satellite. Therefore, in the artificial satellite according to the present invention, the spatial efficiency when the artificial satellite is mounted on the rocket used for launch can be greatly improved as compared with the conventional one, and as a result, the rocket for launching the artificial satellite can be improved. A drastic reduction in size and cost can be realized as a whole.
[0020]
Further, in the artificial satellite according to the present invention, since the outer shell structure of the artificial satellite and the strength member of the outer shell also serve as the fairing, compared with the total mass of the conventional artificial satellite and the fairing. Therefore, the mass of the satellite can be significantly reduced. This makes it possible to significantly reduce the size and weight of the launch rocket as compared to conventional satellites.
[0021]
In addition, by configuring such a small and lightweight launch vehicle, the amount of launch fuel of the launch vehicle can be significantly reduced.
[0022]
In addition, since the launch vehicle can be configured to be small and lightweight, the time, labor, cost, and the like involved in the development, manufacture, and launch of the rocket can be significantly reduced as compared with the conventional technology, and therefore, It can be used exclusively for launching pico-type or micro-type satellites constructed by applying the invention.
[0023]
As described above, when the artificial satellite according to the present invention is configured as a pico-type or micro-type artificial satellite, a dedicated rocket for launching the artificial satellite can be configured, so that a pico-type or micro-type artificial A satellite can be launched, and a pico-type or micro-type satellite can be put into an optimal altitude and orbit.
[0024]
Further, in the above invention, it is preferable that the outer shell has a heat-resistant structure against aerodynamic heating.
[0025]
As described above, the rocket for launching a satellite according to the present invention is significantly smaller and lighter than the conventional rocket, so that the flight speed is higher than that of a conventional multi-stage rocket having three or more stages for launching a satellite. Will be significantly faster and the fairing will be exposed to aerodynamic heating. Therefore, by using a structure in which the outer shell is provided with a heat-resistant structure as described above, even in a severe flying environment caused by high-speed flight, it is possible to ensure that the equipment and parts inside the outer shell are not damaged by aerodynamic heating without being damaged. Can be transported to altitudes.
[0026]
Further, in the above invention, the outer shell includes an ablator layer and a low solar absorptivity layer made of a heat-resistant film having a low solar absorptivity and covering the surface of the ablator layer. It is preferable that the solar absorptivity layer is provided with a vent through which the pyrolysis gas generated from the ablator layer passes to be released to the outside.
[0027]
Many rockets flying at high speed have an ablator as a thermal protection system. This ablator is configured as the outer wall of a rocket, etc. When the rocket flies, its outer surface is exposed to high temperatures, so that the synthetic resin that is the constituent material evaporates and the endothermic reaction at this time causes the inside of the ablator to ablate. The temperature of the rocket is prevented from rising, and the pyrolysis gas covers the ablator surface, thereby preventing the rocket from being further heated. When the fairing is provided with such an ablator, the surface of the ablator is carbonized by being exposed to a high temperature due to aerodynamic heating, and becomes black. There is no problem since the fairing mounted on a normal rocket is discarded in the air or in outer space, but in the satellite according to the present invention, the outer surface functions as a fairing, so that the surface of the ablator layer is In the configuration exposed to the outside of the outer shell, the solar heat absorption rate is high, causing an increase in the temperature inside the outer shell, which may cause failure of devices and components inside the outer shell.
[0028]
Therefore, by adopting the above configuration, the ablator layer not only protects the equipment and components inside the outer shell from aerodynamic heating at the time of flight, but also covers the entire head with the low solar absorptivity layer. Therefore, absorption of solar heat can be suppressed as much as possible, and as a result, it is possible to prevent equipment and components inside the outer shell from being damaged by heat as much as possible.
[0029]
In addition, since the vent hole is provided, the pyrolysis gas generated from the ablator layer passes through the vent hole and is released to the outside of the artificial satellite. It is possible to prevent the low solar absorptivity layer from peeling off due to stagnation inside.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a two-stage rocket equipped with an artificial satellite according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing an overall configuration of a two-stage rocket according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a two-stage rocket 1 according to an embodiment of the present invention includes an artificial satellite 2 according to the present invention, a first-stage solid motor 3, a second-stage solid motor 4, and an inter-stage portion 5. It is mainly composed of
[0031]
The artificial satellite 2 constitutes the head of the two-stage rocket 1 and has a generally cylindrical shroud portion 2a (see FIG. 2) and a rounded conical nose connected to the upper end of the shroud portion 2a. 2b (see FIG. 2). The mass of the artificial satellite 2 is, for example, 45 kg, and is classified as a micro-type artificial satellite. Below the artificial satellite 2, a first-stage solid motor 3 is connected via an interstage 5.
[0032]
The interstage 5 has a cylindrical shape having substantially the same diameter as the cylinder of the artificial satellite 2, and a second-stage solid motor 4 is supported inside.
[0033]
The first-stage solid motor 3 has a movable nozzle, and performs flight control by changing the injection direction of the nozzle. The second-stage solid motor 4 does not have a structure for performing special flight control.
[0034]
The launching process of the artificial satellite 2 is as follows. First, by starting combustion of the first-stage solid motor 3, the two-stage rocket 1 starts to rise from a launch field near the pole. At this time, the angle between the axis of the two-stage rocket 1 and the horizon when the two-stage rocket 1 is launched is 90 °. That is, the two-stage rocket 1 is launched vertically upward. The first-stage solid motor 3 keeps burning for 40 seconds, and at the end of combustion, its flying altitude reaches about 45 km. Next, at the end of combustion of the first-stage solid motor 3, that is, 40 seconds after the start of launch, the first-stage solid motor 3 is disconnected as soon as possible, and combustion of the second-stage solid motor 4 is started. . The second-stage solid motor 4 continues to burn for 39 seconds, and the flight speed at the end of combustion reaches the maximum flight speed of about 7.7 km / s, and the flight altitude reaches an altitude of about 240 km. After the completion of the combustion of the second-stage solid motor 4, the second-stage solid motor 4 and the interstage 5 are separated from the artificial satellite 2, and the artificial satellite 2 is put into a ballistic orbit.
[0035]
Further, another example of the launching process of the artificial satellite 2 is as follows. First, by starting combustion of the first-stage solid motor 3, the two-stage rocket 1 starts to rise from a launch site near the equator. At this time, the angle between the axis of the two-stage rocket 1 and the horizon when the two-stage rocket 1 is launched is 90 °. That is, the two-stage rocket 1 is launched vertically upward.
[0036]
About 39 seconds after the start of combustion of the first-stage solid motor 3, the two-stage rocket 1 starts a gravity turn to the east at a pitch of about 2 ° / sec. The first-stage solid motor 3 finishes burning 40 seconds after the start of combustion, and is separated from the two-stage rocket 1 as soon as possible.
[0037]
About two seconds after the completion of the combustion of the first-stage solid motor 3, the second-stage solid motor 4 starts burning. The second-stage solid motor 4 finishes combustion approximately 39 seconds after the start of combustion, at which time the angle between the axis of the two-stage rocket 1 and the horizon is 0 °, and the speed reaches 8.1 km / s. . The altitude reached at this time is about 185 km, and the artificial satellite 2 is put into orbit here. If the weight of the artificial satellite 2 is further reduced, the reaching altitude can be further increased.
[0038]
Such a two-stage rocket 1 flies at a significantly higher speed than the flight speed of a conventional multistage rocket having three or more stages. Therefore, the flying environment such as the heating rate, dynamic pressure, and enthalpy that the two-stage rocket 1 receives during flight is much harsher than that of a multi-stage rocket having three or more stages during flight. According to calculations by the inventors of the present application, the maximum aerodynamic heating rate of the two-stage rocket 1 launched from a launch field near the pole and flying in ballistic flight is about 2.6 MW / m. Two Where the maximum dynamic pressure is about 13 atmospheres and the maximum acceleration is about 31G. These are each ten times or more the size of a large rocket such as the H2A rocket developed by the Space Development Agency of Japan, and how the flight environment of the two-stage rocket 1 according to the present embodiment is. You can see if it is harsh.
[0039]
In order to withstand such a severe flying environment, the artificial satellite 2 according to the present embodiment has a configuration as described below. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a configuration of the artificial satellite 2 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the artificial satellite 2 has a fairing (nose fairing) 6 as its outer shell structure. That is, the artificial satellite 2 according to the present embodiment is formed integrally with the fairing 6. The fairing 6 is not discarded before the artificial satellite 2 is put into orbit, but is used as an outer shell of the artificial satellite 2.
[0040]
The fairing 6 is composed of a plurality of layers, and has a structure in which a low solar absorptivity layer 7, an ablator layer 8, a heat insulating layer 9, and a metal sheet layer 10 are sequentially stacked from the outside. The low solar absorptivity layer 7 uses a white paint having sufficient resistance to aerodynamic heating during flight of the two-stage rocket 1. In this way, by covering almost the entire fairing 6 with the low solar absorptivity layer 7 having a low solar absorptivity, when the fairing 6 is exposed to sunlight, the absorption of solar heat is reduced. The temperature rise inside the fairing 6 can be suppressed as much as possible.
[0041]
Here, the white color means a material having relatively high brightness regardless of achromatic color or chromatic color. That is, the white system includes, for example, a slightly bluish white or the like. Further, in the present embodiment, the low solar absorptivity layer 7 is configured to be a white-based layer. However, the present invention is not limited to this, and when the fairing 6 is exposed to sunlight, The color of the low solar absorptivity layer 7 does not matter as long as the layer has a low solar absorptivity such that the internal space of the fairing 6 can be maintained at a temperature allowed by the equipment provided therein. Needless to say.
[0042]
The ablator layer 8 is made of a material such as CFRP used as a rocket ablator. In the present embodiment, it is assumed that the ablator layer 8 is made of CFRP. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the ablator layer 8 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the ablator layer 8 is further divided into a heat protection layer 8a and a structural layer 8b. The heat protection layer 8a, which is the outer layer, is made of CFRP in which a large number of strip-shaped cloth bodies obtained by cutting carbon fiber woven into a cloth shape into strip shapes are embedded in a synthetic resin. The structure is such that thermal protection performance can be achieved and thermal stress can be kept low.
[0043]
On the other hand, the structural layer 8b, which is the inner layer of the ablator layer 8, is made of CFRP in which a plurality of carbon fibers are woven into a continuous cloth, and has a high specific strength even at high temperatures even if carbonized. And a structure capable of maintaining high specific rigidity. With such a structure, it is not necessary to provide a metal structural layer on the fairing 6, and it is possible to realize strength and rigidity comparable to a metal fairing while being lightweight.
[0044]
The heat insulating layer 9 is made of a heat insulating material made of an inorganic material. As shown in FIG. 2, the ablator layer 8 and the heat insulating layer 9 are configured such that they are thickest at the stagnation point 6 a, which is the tip of the fairing 6, and become thinner from here toward the rear. This is because, at the stagnation point portion 6a, the aerodynamic heating during the flight becomes the maximum and becomes lower toward the rear, so that the portion closer to the front end portion of the fairing 6 is required to have higher resistance to the aerodynamic heating. Further, by reducing the thicknesses of the ablator layer 8 and the heat insulating layer 9 toward the rear of the fairing 6, there is also an effect that the weight of the fairing 6 can be further reduced.
[0045]
An aluminum sheet is used for the metal sheet layer 10.
[0046]
Inside the fairing 6, equipment-mounted panels 11, 12, and 13 are provided. Each of these equipment-mounted panels 11 to 13 includes various sensors, an on-board computer, a storage device, and an artificial device such as an antenna. Satellite internal equipment 14 is mounted. These internal devices 14 perform radiant heat exchange with the metal sheet layer 10, whereby the temperature of the internal devices 14 is, for example, −15 ° C., which is the allowable temperature range of general electronic devices. Appropriately maintained in the range of 45 ° C.
[0047]
FIG. 4 is a graph showing changes in the surface temperature of the fairing 6, the temperature of the metal sheet layer 10, and the temperature of the internal device 14 during the flight of the two-stage rocket 1 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the surface temperature of the fairing 6 reaches a maximum of about 1690 ° C. When the two-stage rocket 1 flies, the fairing 6 is exposed to such a high temperature, so that a pyrolysis gas is generated from the thermal protection layer 8a, and the temperature rise inside the fairing 6 due to the endothermic reaction at this time. This prevents the pyrolysis gas from covering the surface of the fairing 6, thereby preventing further heating of the satellite 2.
[0048]
Further, when the fairing 6 receives such aerodynamic heating, the thermal protection layer 8a is carbonized and changes color to black. Here, when the low solar absorptivity layer 7 is not provided, the surface of the fairing 6 changes color to black over the whole, and absorbs sunlight during the orbital operation of the artificial satellite 2, It is conceivable that the internal temperature of the artificial satellite 2 abnormally increases. In the fairing 6 according to the present embodiment, the low solar absorptivity layer 7 is laminated on the surface of the ablator layer 8, and as described above, the low solar absorptivity layer 7 has sufficient resistance to aerodynamic heating. Since the low-light-absorbing layer 7 does not disappear due to aerodynamic heating when the two-stage rocket 1 flies, the surface of the fairing 6 is kept white. For this reason, the solar absorptivity of the surface of the artificial satellite 2 can be reduced, and the rise in the internal temperature of the artificial satellite 2 can be suppressed. The heat-resistant paint does not have to be applied to some portions where the aerodynamic heating is expected to be higher than the upper limit temperature of the heat-resistant paint.
[0049]
FIG. 5 is a partial perspective view of the fairing 6 showing the configuration of the low solar absorptivity layer 7 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of the fairing 6. As shown in FIGS. 3, 5 and 6, the low solar absorptivity layer 7 is provided with a large number of air holes 15. That is, the heat protection layer 8a is exposed only in the portion of the ventilation hole 15 in the surface of the fairing 6. As described above, while the fairing 6 is under aerodynamic heating, the thermal protection layer 8a generates pyrolysis gas. As shown in FIG. 6, this pyrolysis gas passes through the vent hole 15 and is discharged to the outside of the artificial satellite 2. On the other hand, when the ventilation hole 15 is not provided in the low solar absorptivity layer 7, the escape of the pyrolysis gas generated from the thermal protection layer 8a by aerodynamic heating is eliminated, and the low solar absorptivity is low. Cracking or peeling will occur in layer 7. Therefore, by adopting a configuration in which the ventilation holes 15 are formed in the low solar absorptivity layer 7, the occurrence of cracks or peeling of the low solar absorptivity layer 7 can be suppressed.
[0050]
In other words, by configuring the fairing 6 as described above, it is possible to prevent heat generated by aerodynamic heating during the flight of the two-stage rocket 1 from invading the satellite 2 and to operate the satellite 2 in orbit. It is possible to release the heat generated from the internal device 14 to the outside of the aircraft during the flight, so that the temperature of the internal device 14 can be appropriately maintained during the flight of the two-stage rocket 1 and the orbital operation of the artificial satellite 2. It is possible.
[0051]
In the present embodiment, the diameter of the ventilation hole 15 is 1 mm, and the distance between two adjacent ventilation holes 15 is 25 mm. In addition, the diameter of the ventilation hole 15 is set to 3 mm, and the distance between two adjacent ventilation holes 15 is set to 5 mm. The ventilation hole 15 reduces the exposed area of the heat protection layer 8a as much as possible. It goes without saying that any other dimensional configuration may be used as long as the configuration has the desired performance of releasing the pyrolysis gas to the outside.
[0052]
Next, an example of a method for manufacturing the fairing 6 according to the embodiment of the present invention will be described. 7A and 7B are schematic views illustrating an example of a pre-process of painting the fairing 6, wherein FIG. 7A illustrates the first stage, FIG. 7B illustrates the second stage, and FIG. 7C illustrates the third stage. And (d) shows the fourth stage. First, a fairing material 16 which is a laminate of the ablator layer 8, the heat insulating layer 9, and the metal sheet layer 10 molded into the shape of the fairing 6 is manufactured. Then, a paint having a low solar absorptivity (for example, white) is applied to the surface of the fairing material 16 as follows.
[0053]
As shown in FIG. 7A, in the first step of the pre-process of painting the fairing 6 in this example, the adhesive sealing material 17 that has been manufactured in advance according to the outer shape of the fairing 6 is similarly removed. It is put on a female jig 18 that has been manufactured according to the outer shape of the fairing 6 in advance. The female jig 18 is provided with a large number of holes 18a in advance corresponding to the positions of the ventilation holes 15 provided in the low solar absorptivity layer 7 of the fairing 6.
[0054]
Next, in the second stage, as shown in FIG. 7B, the female jig 18 is put on the fairing material 16.
[0055]
In the third stage, as shown in FIG. 7C, a male jig 19 that has been manufactured in advance according to the outer shape of the fairing 6 is put on the sealing material 17. On the inner surface of the male jig 19, a number of protrusions 19a are provided in advance in accordance with the positions of the ventilation holes 15 provided in the low solar absorptivity layer 7 of the fairing 6. Then, the positioning is performed so that the projection 19a is inserted into the hole 18a, and the male jig 19 is pressed against the fairing material 16. At this time, the portion of the sealing material 17 overlapping the projection 19a penetrates the hole 18a and comes into contact with the surface of the fairing material 16, and the sealing material 17 is adhered only to a position corresponding to the ventilation hole 15 of the fairing material 16. Can be
[0056]
In the fourth stage, as shown in FIG. 7D, the male jig 19, the sealing material 17 and the female jig 18 are removed from the fairing material 16. At this time, only a portion of the seal material 17 where the fairing material 16 is adhered remains on the surface of the fairing material 16 as a masking (masking portion) 17a, and this portion of the ablator layer 8 is hidden. Thus, the pre-process of painting the fairing 6 is completed.
[0057]
A heat-resistant paint having a low solar absorptivity is applied to the outer surface of the fairing material 16 thus obtained. Thereafter, the masking 17a is removed from the fairing material 16, and the fairing 6 is completed.
[0058]
Next, another example of the method for manufacturing the fairing 6 according to the embodiment of the present invention will be described. FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams illustrating another example of the pre-process of the painting of the fairing 6, in which FIG. 8A shows the first stage and FIG. 8B shows the second stage.
[0059]
As shown in FIG. 8A, in the first stage of the pre-process of painting the fairing 6 in this example, the electromagnet 20 that has been manufactured in advance according to the inner shape of the fairing 6 is placed inside the fairing material 16. Deploy.
[0060]
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the electromagnet 20 according to the embodiment of the present invention. The electromagnet 20 includes a body portion 21 in which a plurality of coils (not shown) are provided, and has a substantially similar shape obtained by reducing the fairing material 16, and is disposed outside and inside the body portion 21, respectively. And the honeycomb structure portions 22 and 23. The outer shape of the outer honeycomb structure portion 22 is substantially the same as the inner shape of the fairing material 16, and when the electromagnet 20 is arranged inside the fairing material 16, the honeycomb structure portion 22 is formed on the inner surface of the fairing material 16. Will be in close contact over substantially the entire surface.
[0061]
The honeycomb structure portions 22 and 23 are made of metal, and have a structure in which a plurality of hexagonal holes penetrate in the thickness direction and are formed in a honeycomb shape. With the honeycomb structure portions 22 and 23, the electromagnet 20 can be made lightweight and highly rigid.
[0062]
Further, the coil provided on the main body portion 21 has the center axis in the thickness direction of the main body portion 21, and when a direct current is supplied to the coil, for example, as shown in FIG. Can be generated as an N pole and an inner S pole.
[0063]
In the present embodiment, the electromagnet 20 is arranged inside the fairing material 16. However, the present invention is not limited to this, and a permanent magnet may be arranged instead of the electromagnet 20. Further, the electromagnet 20 is configured to have the honeycomb structure portions 22 and 23, but is not limited to this, and is made of a metal or a metal and a synthetic resin having the same outer shape as the inner shape of the fairing material 16. A configuration in which a plurality of coils are housed inside a composite housing may be employed.
[0064]
Next, in the second stage of the present example, as shown in FIG. 8B, a paint supply device 24 whose inside is manufactured in advance to substantially match the outer shape of the fairing 6 is put on the outside of the fairing material 16.
[0065]
FIG. 10 is a partial perspective view showing the configuration of the paint supply device 24 according to the embodiment of the present invention. The paint supply device 24 includes a bag-shaped main body portion 25 made of a flexible material, which is larger than the fairing material 16, and a large number of paints protruding from a plurality of locations on the inner surface of the main body portion 25. It is mainly composed of an injection tube 26 and a column 27 protruding from a plurality of locations different from the projection location of the paint injection tube 26 on the inner surface of the main body portion 25.
[0066]
The main body portion 25 has an internal space 28 through which heat-resistant paint having a low solar absorptivity and supplied from the outside can flow. As described above, the main body portion 25 has flexibility, and is formed in a shape substantially conforming to the outer shape of the fairing material 16. Therefore, when the fairing material 16 is covered by the paint supply device 24, the main body portion 25 is deformed according to the outer shape of the fairing material 16, and covers the main body portion 25 over substantially the entire fairing material 16. Is possible.
[0067]
FIG. 11 is a schematic side view showing the configuration of the paint spray tube 26 according to the embodiment of the present invention. One end of the paint spray tube 26 communicates with the internal space 28, and the other end is closed by a masking portion 29 made of a substantially disk-shaped permanent magnet. Further, a plurality of nozzles 30 are provided in an intermediate portion of the paint spray tube 26 so that the heat-resistant paint supplied from the internal space 28 can be sprayed from the nozzles 30. At this time, since the other end of the paint spray tube 26 is closed by the masking portion 29, the heat-resistant paint is not ejected from this other end.
[0068]
A support 27 made of a material having high magnetic permeability projects from the inner surface of the main body 25. One end of the column 27 is fixed to the inner surface of the main body 25, and a masking portion 32 is attached to the other end. This masking section 32 is also a permanent magnet. For example, when the electromagnet 20 generates a magnetic field in which the outside of the main body portion 21 is an N pole and the inside is an S pole, the masking portions 29 and 32 are an N pole near the main body portion 25 and an S pole on the far side. They are attached to the paint spray tube 26 and the column 27, respectively, so as to generate a poled magnetic field.
[0069]
When the paint supply device 24 is put on the fairing material 16 in the second stage, the masking portions 29 and 32 are placed on the outer surface of the fairing material 16 where the air holes 15 are to be provided. Then, a magnetic field is generated by the electromagnet 20, and the masking portions 29 and 32 are attracted to the outer surface of the fairing material 16 by the magnetic field. Thus, the pre-process of painting the fairing 6 is completed.
[0070]
Subsequently, the heat-resistant paint is supplied from the outside of the paint supply device 24 to the main body portion 25, and the heat-resistant paint is jetted from the nozzle 30. The nozzle 30 is provided so as to be inclined so as to spray the heat-resistant paint toward the surface of the fairing material 16, whereby the masking portions 29 and 32 on the outer surface of the fairing material 16 are placed. The heat-resistant paint is applied over substantially the entire area except for the above.
[0071]
Further, the generation of the magnetic field of the electromagnet 20 is stopped, and the electromagnet 20 and the paint supply device 24 are removed from the fairing material 16. Thus, the fairing 6 is completed.
[0072]
As described above, by configuring the artificial satellite 2 in which the fairing 6 is integrated with the outer shell, a fairing is prepared separately from the artificial satellite like a conventional artificial satellite, and the artificial satellite is provided together with the fairing. There is no need to mount it on a rocket. An artificial satellite requires an outer shell structure, and in order to secure sufficient strength and rigidity of the entire artificial satellite, a conventional artificial satellite also requires a strength member and the like. In the artificial satellite 2 according to the present embodiment, the fairing 6 also serves as an outer shell structure, and since the fairing 6 has sufficient strength and rigidity as described above, it is necessary to separately provide a strength member or the like. Absent.
[0073]
Further, as a result of trial calculations by the inventors of the present application, the fairing 6 according to the embodiment of the present invention mainly constituted by CFRP having a smaller specific gravity than metal has a conventional artificial satellite equipped with the same internal equipment. Compared to a metal fairing used when launching a rocket with a three-stage rocket, it is found that when both are configured to secure the same strength and rigidity, they have the same mass. Was. That is, the artificial satellite 2 according to the present invention requires the conventional artificial satellite when the internal equipment mounted on the artificial satellite is the same as the total mass of the conventional artificial satellite and the metal fairing. It is possible to reduce the weight by the outer shell structure and the mass of the strength member. For example, when the mass of the conventional artificial satellite is 50 kg, the mass of the outer shell structure and the strength member required by the artificial satellite is about 15 kg, and therefore, the artificial satellite 2 according to the present embodiment equipped with the same internal device is mounted. In this case, the weight can be reduced by 15 kg from the total mass of the conventional artificial satellite and the fairing.
[0074]
By reducing the weight of such satellites (and fairings), the rocket itself that transports the satellites to outer space can be made smaller. In addition, as in the present embodiment, instead of the conventional multi-stage rocket having three or more stages, the two-stage rocket 1 is used, so that the structure can be greatly simplified. Etc. can be greatly reduced.
[0075]
As described above, when the fairing 6 is integrated with the artificial satellite 2, the conventional artificial satellite and the fairing are separately mounted, and the same rocket as that configured to separate and throw the fairing is used. It is possible to launch the artificial satellite 2 having a mass about 15 kg larger than the artificial satellite using a rocket. Paradoxically, a fairing-integrated satellite having the same mass as a conventional artificial satellite configured to separate and release a fairing can be launched with a significantly smaller rocket than before.
[0076]
Further, as described above, the two-stage rocket 1 flies at a much higher speed than a conventional multi-stage rocket having three or more stages. For example, when the gravitational turn of about 2 ° / s is started 39 seconds after the start of combustion of the first-stage solid motor 3 and the angle of attack is 90 ° at the end of combustion of the second-stage solid motor 4, The horizontal movement distance of the two-stage rocket 1 at the end of the combustion of the two-stage solid motor 4 is about 180 km, and when the artificial satellite 2 is to be released 10 seconds later, the two-stage rocket 1 (the artificial satellite 2) ) Is about 260 km.
[0077]
As described above, the horizontal movement distance from the start of launch of the artificial satellite 2 to the time of launch is about 260 km, which is extremely shorter than the horizontal travel distance of the conventional artificial satellite 2 from the launch to launch of the conventional satellite. . Therefore, when a conventional three-stage rocket launches an artificial satellite, for example, after launching from a launch site in Japan, it may not be possible to observe from launch to release of the satellite by an observatory in Japan. When the two-stage rocket 1 equipped with the artificial satellite 2 according to the present invention is launched from a small rocket launch site at the launch site of the Tanegashima Space Center, the flight status of the two-stage rocket 1 until the release of the artificial satellite 2 will be described. Observations can be made at two locations, Ogasawara Tracking Station, and no foreign facilities are required for observation. As described above, since the observation from launching of the two-stage rocket 1 to orbiting of the satellite 2 can be performed only with the facilities in Japan, the launching work of the rocket is extremely simplified as compared with the conventional case. be able to.
[0078]
The horizontal movement distance (about 260 km) from the start of the launch of the artificial satellite 2 according to the present invention to the release thereof is measured from the launch of the two-stage rocket 1 to the insertion of the artificial satellite 2 into orbit by one observatory. It is also the distance you can do. Therefore, when the observation from the launching of the two-stage rocket 1 to the orbiting of the artificial satellite 2 is performed consistently at one observatory, the launching work of the rocket can be further simplified, and the cost can be further reduced. In addition, it can be expected to reduce labor.
[0079]
As described above, in the two-stage rocket 1 according to Embodiment 2, the ablator layer 8 of the fairing 6 is carbonized by aerodynamic heating. At this time, the carbon fibers remain in a portion near the surface of the ablator layer 8 in an overlapping state. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a state when ablator layer 8 according to the embodiment of the present invention has been subjected to aerodynamic heating. The heat protection layer 8a of the ablator layer 8 is carbonized at the initial stage of the launch of the two-stage rocket 1. As shown in FIG. 12, the carbon fibers 8c carbonized and remaining on the heat protection layer 8a overlap with the fiber longitudinal directions oriented in various directions. The bonding force of each carbon fiber 8c is relatively weak, and when a force is applied from the outside, the carbon fibers 8c move slightly so as to be shifted from each other.
[0080]
Here, as described above, the two-stage rocket 1 according to the present embodiment receives an extremely high dynamic pressure at the time of its flight as compared with the related art. Accordingly, strong vibration is generated in the two-stage rocket 1 during flight, and if the vibration applied to the fairing 6 is transmitted to the internal device 14 as it is, this may cause a failure of the internal device 14.
[0081]
However, the carbon fibers 8b (and the carbon fibers remaining in this layer when the structural layer 8c is carbonized) move three-dimensionally and minutely, so that the ablator layer 8 functions as a seismic isolation structure, 6 is prevented from being transmitted to the inside as it is. This makes it difficult for external vibrations to be transmitted to the internal device 14, and it is possible to suppress occurrence of a failure in the internal device 14.
[0082]
When the artificial satellite 2 is put into orbit, the second-stage solid-state motor 4 and the inter-stage portion 5 are separated from the artificial satellite 2, but an impact is applied to the artificial satellite 2 also at this time. This impact is also mitigated inside the artificial satellite 2 by the seismic isolation function of the fairing 6 described above, and the occurrence of failure of the internal device 14 is suppressed.
[0083]
Next, the configuration of the artificial satellite 2 will be described in more detail. FIG. 13 is a cross-sectional view of the shroud portion 2a showing the configuration of the artificial satellite 2 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 13, in a portion from the rear end of the shroud portion 2 a of the artificial satellite 2 to the front of a predetermined length, a part of the fairing 6 in the circumferential direction is missing, and the missing portion 33 is closed. Is provided with a deployable solar cell paddle 34.
[0084]
The solar battery paddle 34 has a configuration in which two plate-like solar battery panels 35 and 36 are abutted and hinged to each other. One end of one solar cell panel 35 is bent in a substantially L shape, and the tip of the bent portion 34 b is pivotally connected to one end of the missing portion 33. This allows the solar cell panel 35 to pivot outward around the pivoted portion from a state in which the missing portion 33 is closed.
[0085]
The other end of the solar cell panel 35 is hinged to one end of the solar cell panel 36 by a hinge 34a. Before the launch of the two-stage rocket 1, the solar cell panels 35 and 36 are housed in a superposed state so as to close the missing portion 33.
[0086]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of solar cell paddle 34 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, one (base end) solar cell panel 35 has a structure in which a solar cell 35b is mounted on one surface of a cell mounting plate 35a. A radiator 35c is provided so as to close the missing portion 33, and the radiator 35c functions as a partition between the inside of the artificial satellite 2 and the outer space. Discharge of the heat generated by the internal device 14 to the outside is performed by the radiator 35c. The optical characteristics and area of the radiator 35c are set based on the amount of heat generated by the internal device 14. When the solar battery paddle 34 is stored, the other surface of the cell mounting plate 35a faces the outer surface of the radiator 35c, and the solar battery cells 35b are arranged on the outer device.
[0087]
In the present embodiment, the configuration in which the radiator 35c is provided as a partition between the inside of the artificial satellite 2 and the outer space has been described. However, the present invention is not limited to this, and the amount of heat generated by the internal device 14 depends on the radiator. When the exhaust heat is unnecessary and is small to some extent, a configuration may be adopted in which a partition made of a composite material such as CFRP is provided instead of the radiator 35c.
[0088]
The other (front end) solar cell panel 36 has a cell mounting plate 36a, and when the solar cell paddle 34 is stored, the solar cell 36b faces the solar cell 35b. 36a is attached to one surface. That is, the solar cell 36b is mounted on the inner surface of the cell mounting plate 36a. Further, a heat protection plate 36c composed of an ablator layer, a heat insulating layer, and the like is mounted on the other surface (surface on the outside of the machine) of the cell mounting plate 36a. This makes it possible to exhibit a thermal protection function against aerodynamic heating received when the two-stage rocket 1 flies, so that the temperature of the internal device 14 is not excessively increased. When the solar battery paddle 34 is stored, the thermal protection plate 36c is located at the outermost position, so that the solar battery cells 35b and 36b are protected from aerodynamic heating received when the two-stage rocket 1 flies.
[0089]
As shown in FIG. 13, two electric motors 37 and 38 are provided inside the artificial satellite 2. One end of a wire 37a is connected to the output shaft of one electric motor 37, and the other end of the wire 37a is connected to a pivot 35d that pivotally connects the solar cell panel 35 and the fairing 6. One end of the wire 37a is wound around the output shaft of the electric motor 37, and the other end is wound around the pivot 35d in the opposite direction. Further, the pivot 35d is fixed to the solar cell panel 35, and the winding direction of the other end of the wire 37a around the pivot 35d is such that when the wire 37a is pulled out from the pivot 35d, the solar cell panel 35 is turned outward. The direction in which the torque in the moving direction is generated (that is, the counterclockwise direction in FIG. 13). Thereby, when the electric motor 37 is operated and the output shaft is rotated in the direction of winding the wire 37a, the wire 37a is pulled out from the pivot 35d, and the solar cell panel 35 is turned in the direction of turning outside. The torque acts.
[0090]
On the other hand, one end of the wire 38a is also wound around the output shaft of the electric motor 38. The other end of the wire 38a is connected to the hinge 34a. When the solar battery paddle 34 is stored in the fairing 6, the wire 38a is fixed by the output shaft of the electric motor 38 so that a predetermined tension acts. Further, the solar cell paddle 34 may be locked to the fairing 6 by a lock mechanism so as not to be expanded, and the lock mechanism may be released when the artificial satellite 2 is orbited.
[0091]
Further, inside the artificial satellite 2, there are provided a motor controller 39 for controlling operations of the electric motors 37 and 38, respectively, and an acceleration sensor 40 connected to the motor controller 39.
[0092]
A spring (not shown) is provided between the solar cell panels 35 and 36, and the spring urges the solar cell panels 35 and 36 in a direction in which the solar cell panels 35 and 36 are developed. Further, a stopper (not shown) is provided between the solar cell panels 35 and 36. When the solar cell paddle 34 is stored in the fairing 6, the stopper engages with the solar cell panels 35 and Numeral 36 maintains the state of being superimposed against the urging force of the spring.
[0093]
Next, the deployment operation of the solar battery paddle 34 will be described. FIG. 15 and FIG. 16 are schematic diagrams for explaining a flow of deployment of the solar cell paddle 34 according to the embodiment of the present invention. When the combustion of the second-stage solid motor 4 is completed, the acceleration sensor 40 detects this and transmits a detection signal to the motor controller 39. At the same time, the second-stage solid motor 4 and the interstage 5 are disconnected from the artificial satellite 2, and the artificial satellite 2 is released into orbit. After receiving the detection signal, the motor controller 39 operates the electric motor 37 so that its output shaft rotates in the winding direction of the wire 37a, and controls the electric motor so that the output shaft rotates in the direction of loosening the wire 38a. The motor 38 is operated. As a result, the solar cell paddle 34 rotates outward about the pivot 35d. When the solar battery paddle 34 is rotated, the missing portion 33 is closed by the radiator 35c only.
[0094]
As shown in FIG. 15, the motor controller 39 drives the electric motors 37 and 38 until the solar battery paddle 34 has just rotated by 90 °. When the solar cell paddle 34 rotates 90 ° from the start of rotation, the engagement of the stopper is released, and the solar cell panel 36 is centered on the hinge portion 34a by the biasing force of the spring described above. As a result, it turns in the direction away from the solar cell panel 35 (see FIG. 16). The rotation of the solar cell panel 36 further proceeds due to the inertial force, and when the solar cell panel 36 is rotated by 180 ° to be in a state where the solar cell panels 35 and 36 are linearly arranged, the solar cell panels 35 and 36 are arranged. The stoppers (not shown) provided in the vicinity of the above are engaged so that the solar cell panels 35 and 36 are maintained in a state of being linearly arranged. Thus, the operation of deploying the solar battery paddle 34 is completed.
[0095]
As described above, since the electric motors 37.38 and the solar battery paddles 34 are connected by the lightweight wires 37a and 38a, and the electric motors 37 and 38 are driven, the solar battery paddles 34 are deployed. The artificial satellite 2 can be significantly reduced in weight as compared with a configuration in which the rotational motion of the output shafts of the electric motors (actuators) 37 and 38 is transmitted to the solar battery paddle 34 using such a mechanism.
[0096]
FIG. 17 is a perspective view showing a state during orbital operation of artificial satellite 2 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 17, a solar sensor 41 is provided near the tip of the solar cell 36b of the solar cell paddle 34. The sun sensor 41 outputs an electric signal corresponding to the solar radiation intensity, and the output destination is the motor controller 39. The structure of the sun sensor 41 will be described in more detail. A so-called coarse sensor (CSSA) is used as the sun sensor 41. The sensor allows sunlight to enter through a slit and the incident angle of the sunlight. This is a configuration in which only the component in the direction orthogonal to the slit is measured, and is known. The sun sensor 41 is arranged such that the light receiving surface of the solar battery paddle 34 and the light receiving surface thereof are parallel. The motor controller 39 drives the electric motors 37 and 38 so that the light receiving surface of the sun sensor 41 faces the sun, and thereby the solar cell paddle 34 causes the light receiving surface of the solar cell paddle 34 to face the sun. Is controlled. At this time, it is desirable that the light receiving surface of the solar cell paddle 34 is completely opposed to the sun. However, due to the relationship between the orbital plane and the sunlight vector, it is rare that the light receiving surface is completely opposed to the sun. The deployment angle of the solar cell paddle 34 is controlled so as to face the same. Then, the solar cells 35b and 36b receive the solar radiation and the earth albedo (earth reflection component of the solar radiation) to generate power, and the power obtained by the solar cells 35b and 36b is supplied to the internal device 14. It has become.
[0097]
Assuming that the mass of the artificial satellite 2 is 45 kg, the required power can be estimated to be approximately 20 W from the past statistical results on the relationship between the mass of the artificial satellite and the power used by the internal devices. Since the solar cells 35b and 36b cannot generate power in the night orbit, if the day orbit time and the night orbit time are the same, the required power generation is about 40 W, which is twice the required power. . There are two types of photovoltaic cells, which are widely used in space, a gallium arsenide type, which is expensive but has high efficiency, and a silicon type, which is inexpensive but has relatively low power generation efficiency. If silicon-type solar cells are used as the solar cells 35b and 36b, the light-receiving surface area required for power generation of 80 W which is a value obtained by multiplying the required power generation by 2 as a safety factor is about 0.6 m. Two It becomes. As a result of the calculation by the present inventors, the area of the solar battery paddle 34 of the artificial satellite 2 having a mass of 45 kg is 0.9 m. Two Therefore, a required amount of power can be obtained even when a silicon-type solar cell is used.
[0098]
When the artificial satellite 2 is put into orbit, the S-band antenna or the gravitational tilt beam housed inside the artificial satellite 2 is deployed (not shown) together with the deployment of the solar battery paddle 34 if necessary. The orbital injection of the satellite 2 is completed.
[0099]
As shown in FIG. 17, the artificial satellite 2 travels in the direction of the tip of the nose portion 2b, but a small amount of air exists in the space around the artificial satellite 2, and the artificial satellite 2 has an air resistance. Will be received. When the main body of the satellite has a hexahedron or cylindrical shape as in the case of a conventional satellite, the effect of such air resistance is large, the satellite is decelerated, and the balance between centrifugal force and gravity is reduced. The satellite will collapse and the altitude of the satellite will decrease. On the other hand, in the artificial satellite 2 according to the present invention, since the fairing 6 which is the main body of the artificial satellite has a streamline shape, it is less likely to receive air resistance than the conventional artificial satellite, and the air resistance of the artificial satellite 2 is small. The deceleration due to is suppressed as much as possible.
[0100]
However, the artificial satellite 2 according to the present invention continues to receive some air resistance and decelerates, and when the altitude decreases, it is necessary to increase the thrust by the thrust generated by the thrust generator. Conventional large-sized, small-sized, or mini-type artificial satellites use a thrust generator configured to burn liquid fuel or to inject liquid nitrogen or the like. If the target operating life of the satellite is set to one year or more, a large amount of fuel or injection material is required to maintain the altitude of the satellite. In addition, such a thrust generator has a complicated configuration, and the size and mass of the device itself are large. Therefore, a large, small, or mini type satellite has a relatively large equipment mounting volume, and it is relatively easy to mount such a conventional thrust generator. Micro or pico satellites have a small equipment mounting volume, and it is not easy to mount these thrust generators on micro or pico satellites.
[0101]
Therefore, the artificial satellite according to the present embodiment is equipped with a thrust generator as described below. FIG. 18 is a schematic sectional view showing the configuration of the thrust generating device according to the present embodiment. As shown in FIG. 18, the thrust generator 42 according to the present embodiment is mainly configured by a case 43, a pipe 44, a nozzle 45, a heater 46, an on-off valve 47, temperature sensors 48a and 48b, and a pressure sensor 49. The case 43 has a rectangular parallelepiped box shape, in which a phase change substance 50 is stored. As the phase change material 50, eicosan or the like having a low melting point of about 300K is used.
[0102]
One surface of the case 43 is open, and a pipe 44 extends from the opening. The end of the pipe 44 is connected to a vertex portion of a nozzle 45 whose diameter has been expanded to a substantially conical shape. An on-off valve 47 is provided in the middle of the pipe 44, and when the on-off valve 47 is closed, a portion from the connection point of the case 43 and the pipe 44 to the case 43 to the on-off valve 47. Constitutes a closed space, and when the on-off valve 47 is open, the space in the case 43 communicates with the outside through the pipe 44 and the nozzle 45.
[0103]
Further, a heater 46 is provided so as to cover substantially the entire outer peripheral surfaces of the case 43, the pipe 44, and the nozzle 45. As the heater 46, a type such as a heating wire that converts electric power into heat is used, and the case 43, the pipe 44, and the nozzle 45 are heated by receiving electric power from the outside.
[0104]
A temperature sensor 48 a and a pressure sensor 49 are provided inside the case 43, and a temperature sensor 48 b is also provided in a middle portion between the nozzle 45 and the on-off valve 47 of the pipe 44.
[0105]
Next, the operation of the thrust generating device 42 according to the present embodiment will be described. When it is determined by the on-board computer (not shown) built in the artificial satellite 2 that the artificial satellite 2 needs thrust, electric power is supplied to the heater 46 from the outside, and the case 43, the pipe 44 and The nozzle 45 is heated. The temperature of the internal space of the case 43 rises, and the sublimation gas 51 of the phase change substance 50 is generated (increased), and the internal pressure of the case 43 increases. An electric signal corresponding to the internal pressure of the case 43 is transmitted to the on-board computer by the pressure sensor 49, and the on-board computer stops supplying power to the heater 46 when the internal pressure of the case 43 becomes a predetermined value or more. At the same time, the operation is controlled to open the on-off valve 47. When the on-off valve 47 is opened, the sublimation gas 51 in the case 43 is injected from the nozzle 45, and a thrust in the direction opposite to the injection direction of the sublimation gas 51 is generated.
[0106]
After the injection of the sublimation gas 51, the on-board computer monitors the output values of the temperature sensors 48a and 48b, and the case 43, the pipe 44, the nozzle 45, and the on-off valve 47 are reduced to a predetermined low-temperature side allowable temperature or less by adiabatic expansion of the gas. If necessary, these are heated by the heater 46 so as not to be rapidly cooled. After the injection of the sublimation gas 51, the on-board computer closes the on-off valve 47, monitors the output value of the temperature sensor 48a, and controls the temperature of the phase change substance 50 in an appropriate range. For example, the case 43 is heated by the heater 46.
[0107]
Next, the result of trial calculation of the required amount of the phase change substance 50 will be described. In the following description, the cross-sectional area viewed from the traveling direction is 0.7 m Two The result of trial calculation is shown for a case where the altitude of the artificial satellite 2 is 350 km, where the air resistance is relatively large. According to the calculation by the inventor of the present application, when the mass of the artificial satellite is 45 kg, the amount of deceleration per day can be canceled by the ejection of the sublimation gas 51 of 15 g. In this case, if the operational life of the artificial satellite 2 is 100 days, the required mass of the phase change substance 50 is 1.5 kg. For example, if eicosane is used for the phase change substance 50, the density of eicosane is 830 kg / m Three Therefore, the required volume of the case 43 is 1.8 × 10 -3 m Three This is a size that can be sufficiently mounted on the artificial satellite 2.
[0108]
Further, the thrust generated by the thrust generator 42 according to the present embodiment is significantly smaller than that of the conventional thrust generator, but since the mass of the artificial satellite 2 is at most several tens of kilograms, The purpose used for maintaining the altitude and speed of the artificial satellite 2 can be sufficiently achieved.
[0109]
Next, a configuration relating to attitude control during orbital operation of the artificial satellite 2 according to the present embodiment will be described. FIG. 19 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of the attitude control mechanism in the pitching direction of the artificial satellite 2 according to the embodiment of the present invention. At the front end (the downstream end in the traveling direction of the artificial satellite 2) of the solar cell panels 35 and 36, square tubular guide tubes 52a and 52b are provided along the front edges of the solar cell panels 35 and 36, respectively. Similarly, guide tubes 53a and 53b are provided at the rear ends of the solar panels 35 and 36 (upstream ends in the traveling direction of the artificial satellite 2) along the rear edges of the solar panels 35 and 36, respectively. . As shown in FIG. 19, the guide tubes 52a and 52b are configured so as to be linearly arranged when the solar battery paddle 34 is deployed, and similarly, the guide tubes 53a and 53b are The paddles 34 are arranged linearly when the paddles 34 are deployed. A wire 52c is inserted into the guide tubes 52a and 52b arranged in a straight line, and the inside end of the wire 52c is attached to an output shaft of an electric motor 54 provided inside the satellite 2. I have. A weight 52d is attached to the outside end of the wire 52c.
[0110]
Similarly, a wire 53c is inserted into the guide tubes 53a and 53b arranged in a straight line, and the inside end of the wire 53c is connected to the output shaft of an electric motor 55 provided inside the artificial satellite 2. Installed. A weight 53d is attached to the outside end of the wire 53c.
[0111]
The electric motors 54 and 55 are connected to a motor controller (not shown) built in the artificial satellite 2, and are configured to be operated and controlled by the motor controllers. As shown in FIG. 17, an earth sensor 56 is provided so as to project from the artificial satellite 2 toward the earth, and the motor controller is connected to the earth sensor 56.
[0112]
The earth sensor 56 outputs an electric signal corresponding to each of the roll angle and the pitch angle of the artificial satellite 2 with respect to the earth. Among them, the output signal representing the pitch angle is received by the motor controller, and the motor controller receives the output signal. The operation of the electric motors 54 and 55 is controlled in order to adjust the length of the wires 52c and 53c. More specifically, for example, proportional control is performed so that the pitch angle of the satellite detected by the earth sensor 56 approaches a predetermined target pitch angle (that is, a pitch angle of 0 ° in the present embodiment). The rotation direction and rotation speed of the electric motors 54 and 55 are controlled using a known control method such as PI control, PID control, or fuzzy control. Since the weights 52d and 53d receive the gravity of the earth, the wires 52c and 53c respectively hang down to the earth. When the operation of the electric motors 54 and 55 is controlled, when the wire 52c is pulled out longer than the wire 53c, the weight 52d comes closer to the earth than the weight 53d. As a result, the weight 52d receives the gravity from the earth more strongly than the weight 53d. As a result, the position of the center of gravity of the artificial satellite 2 moves forward, the leading end side of the artificial satellite 2 approaches the earth, and the rear end side moves. Attitude control of the artificial satellite 2 in the pitching direction is performed so as to separate from the earth. On the other hand, when the operation of the electric motors 54 and 55 is controlled and the wire 53c is pulled out longer than the wire 52c, the position of the center of gravity of the artificial satellite 2 moves backward, and the leading end side of the artificial satellite moves away from the earth, The attitude control of the artificial satellite 2 in the pitching direction is performed so that the rear end side approaches the earth.
[0113]
The operation of the electric motors 54 and 55 is controlled so as to maintain the attitude of the artificial satellite 2 in the pitching direction so that the earth sensor 56 always faces the center of the earth.
[0114]
Further, the guide tubes 52a, 52b, 53a, 53b can also be used as strength members of the solar battery paddle 34.
[0115]
FIG. 20 is a schematic perspective view showing another example of the configuration of the attitude control mechanism in the pitching direction of the artificial satellite 2 according to the embodiment of the present invention. In the present example, as shown in FIG. 20, a moving weight 57 is provided on the outer edge of the solar cell paddle 34 outside the artificial satellite 2, that is, on the opposite edge of the hinge portion 34a of the solar cell panel 36. I have. The moving weight 57 is attached to the runner 58b of the linear motor 58 having a stator 58a and a runner 58b provided over the entire length of the edge of the solar cell panel 36. Along with the traveling element 58b.
[0116]
The linear motor 58 is connected to a motor controller (not shown), and the motor controller controls the operation of the linear motor 58 in accordance with an output signal from the earth sensor 56 relating to the pitch angle of the artificial satellite 2. ing. Here, the operation of the linear motor 58 is controlled by the known control method as described above. When the moving weight 57 moves in the front-rear direction of the artificial satellite 2, the position of the center of gravity of the artificial satellite 2 moves, and thereby the attitude control of the artificial satellite 2 in the pitching direction is performed.
[0117]
In addition, it is good also as a structure provided with the movable weight which can move to the front-back direction inside the fairing 6. FIG.
[0118]
The attitude control of the satellite 2 in the rolling direction is performed by adjusting the deployment angle of the solar battery paddle 34 by the motor controller 39 controlling the operation of the electric motors 37 and 38. Specifically, the motor controller 39 receives an output signal indicating the roll angle of the artificial satellite 2 from the earth sensor 56, and the motor controller 39 converts the detected roll angle of the artificial satellite 2 into a predetermined target roll angle. In the case of the embodiment, the rotation directions and the rotation speeds of the electric motors 37 and 38 are adjusted using a known control method such as proportional control, PI control, PID control, or fuzzy control so as to approach 0 ° roll angle. Control. At this time, the solar battery paddle 34 is tilted to the opposite side of the direction in which the satellite 2 is tilted with respect to the center of the earth, thereby moving the position of the center of gravity of the satellite 2 in the horizontal direction, and consequently the roll angle is reduced to 0 ° The attitude control of the artificial satellite 2 in the rolling direction is performed by inclining the artificial satellite 2 in a direction approaching.
[0119]
Further, during the orbital operation of the artificial satellite 2, the motor controller 39 controls the operation of the electric motors 37 and 38 so that the deployment angle of the solar battery paddle 34 is adjusted so that the light receiving surface of the solar battery paddle 34 faces the sun. Controlled. Thereby, the solar cell paddle 34 can be operated alone and its light receiving surface can be directed to the sun, and it is necessary to control the attitude of the satellite itself in order to direct the light receiving surface of the solar cell paddle to the sun as in the related art. There is no.
[0120]
【The invention's effect】
In the case of the artificial satellite according to the present invention, the cross-sectional area at the tip of the artificial satellite in the traveling direction is significantly reduced as compared with the conventional one, and the air resistance received by the artificial satellite in orbit is reduced as much as possible. Can be.
[0121]
Further, since the outer shell of the artificial satellite is used as a fairing, it is not necessary to provide a fairing separately from the artificial satellite, and it is possible to launch using a rocket having a size optimal for the artificial satellite. Therefore, in the artificial satellite according to the present invention, there is no extra space between the artificial satellite and the fairing, and the spatial efficiency at the time of mounting the artificial satellite on the rocket used for the launch is significantly higher than the conventional one. As a result, drastic miniaturization and cost reduction of the entire rocket for launching a satellite can be realized.
[0122]
Further, in the artificial satellite according to the present invention, since the outer shell of the artificial satellite and the fairing are also used, the mass of the artificial satellite is significantly reduced as compared with the total mass of the conventional artificial satellite and the fairing. The weight can be reduced. This makes it possible to significantly reduce the size and weight of the launch rocket as compared to conventional satellites.
[0123]
In addition, by configuring such a small and lightweight launch vehicle, the amount of launch fuel of the launch vehicle can be significantly reduced.
[0124]
Further, since the launch rocket can be configured to be small and light, the costs involved in the development, manufacture, and launch of the rocket can be significantly reduced as compared with the conventional rocket, and thus the present invention can be applied. The present invention has an excellent effect, for example, it can be used exclusively for launching a configured pico-type or micro-type artificial satellite.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing the overall configuration of a two-stage rocket equipped with an artificial satellite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a configuration of an artificial satellite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an ablator layer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing changes in the temperature of the surface of the fairing, the temperature of the metal sheet layer, and the temperature of the internal equipment when the two-stage rocket according to the embodiment of the present invention flies.
FIG. 5 is a partial perspective view of a fairing showing a configuration of a low solar absorptivity layer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic partial sectional view of a fairing according to the embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are schematic diagrams illustrating an example of a pre-process of painting a fairing according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 7A illustrates a first stage, FIG. (c) is a schematic diagram showing the third stage, and (d) is a schematic diagram showing the fourth stage.
FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams illustrating another example of a pre-process of painting a fairing according to the embodiment of the present invention, wherein FIG. 8A illustrates a first stage, and FIG. It is a schematic diagram shown respectively.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration of an electromagnet according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a partial perspective view illustrating a configuration of a paint supply device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic side view illustrating a configuration of a paint spray tube according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view illustrating a state when the ablator layer according to the embodiment of the present invention is subjected to aerodynamic heating.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a shroud portion showing a configuration of the artificial satellite according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of a solar cell paddle according to the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram for explaining a flow of deployment of the solar cell paddle according to the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a flow of deployment of the solar cell paddle according to the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a perspective view showing a state of the artificial satellite according to the embodiment of the present invention during orbit operation.
FIG. 18 is a schematic sectional view showing a configuration of a thrust generating device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of the attitude control mechanism in the pitching direction of the artificial satellite according to the embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic perspective view showing another example of the configuration of the attitude control mechanism in the pitching direction of the artificial satellite according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Two-stage rocket
2 Artificial satellite
2a Shroud part
2b Nose part
3 1st stage solid motor
4 2nd stage solid motor
5 Intersection
6 Fairing
6a Stagnation point
7 Low solar absorptivity layer
8 Ablator layer
8a Thermal protection layer
8b Structure layer
8c carbon fiber
9 Thermal insulation layer
10 Metal sheet layer
11-13 Equipment mounting panel
14 Internal equipment
15 Vent
16 Fairing materials
17 Sealing material
17a Masking
18 Female Jig
18a hole
19 Male jig
19a protrusion
20 electromagnet
21 Body
22, 23 Honeycomb structure part
24 Paint supply device
25 Body
26 Paint spray tube
27 props
28 Internal space
29 Masking Department
30 nozzles
32 Masking Department
33 Missing part
34 solar battery paddle
34a hinge part
34b bent part
35,36 solar panel
35a, 36a Cell mounting plate
35b, 36b solar cell
35c radiator
35d Axis
36c heat protection board
37,38 Electric motor
37a, 38a wire
39 Motor controller
40 acceleration sensor
41 Sun sensor
42 Thrust generator
43 cases
44 Piping
45 nozzle
46 heater
47 On-off valve
48a, 48b temperature sensor
49 Pressure sensor
50 phase change substances
51 Sublimation gas
52a, 52b, 53a, 53b Guide tube
52c, 53c wire
52d, 53d weight
54,55 electric motor
56 Earth Sensor
57 Moving weight
58 linear motor
58a Stator
58b runner

Claims (3)

希薄な大気が存在する軌道上を進行する人工衛星において、外殻が、進行方向へ向けて先細となった流線形状をなしており、打ち上げ時にフェアリングとして機能することを特徴とする人工衛星。An artificial satellite that travels in orbit with a sparse atmosphere, its outer shell has a streamlined shape that tapers in the direction of travel, and functions as a fairing at launch. . 前記外殻は、空力加熱に対する耐熱構造を具備することを特徴とする請求項1に記載の人工衛星。The satellite according to claim 1, wherein the outer shell has a heat-resistant structure against aerodynamic heating. 前記外殻は、アブレータ層と、該アブレータ層の表面を被覆した、低い太陽光吸収率を有する耐熱性皮膜からなる低太陽光吸収率層とを有し、該低太陽光吸収率層には、前記アブレータ層から発生する熱分解ガスを外部へ放出するために通過させる通気孔が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の人工衛星。The outer shell has an ablator layer and a low solar absorptivity layer made of a heat-resistant film having a low solar absorptivity that covers the surface of the ablator layer. 3. The artificial satellite according to claim 2, further comprising a ventilation hole through which the pyrolysis gas generated from the ablator layer is passed to be released to the outside.
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