JP2005156749A

JP2005156749A - 電磁波集束装置

Info

Publication number: JP2005156749A
Application number: JP2003392900A
Authority: JP
Inventors: Morio Shimizu; 盛生清水; Hironori Sawara; 宏典佐原; Takaharu Komatsu; 敬治小松
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】宇宙で超軽量な超大型反射鏡面を高精度で容易に形成可能な電磁波集束装置を得る。
【解決手段】薄膜材料からなる反射鏡膜３を外周支持手段２に固定して、擬似平面反射鏡を形成し、宇宙で電磁波圧を利用して薄膜の擬似平面反射鏡を点焦点の回転放物面形状、或いは線焦点の断面放物面形状等の指定形状に変形して、その電磁波を集光又は放射する電磁波集束装置を得る。送受する太陽光又はレーザー推進におけるレーザー光線等の電磁波圧によって擬似平面反射鏡膜を十分な曲率半径の擬似回転放物面形状に変形でき、且つ１枚の膜のみで形成可能であり、さらに充填ガスや加圧装置が不要であることから、従来より遙かに軽量・簡素な超大型宇宙構造反射鏡（太陽集光鏡）が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁波集束装置、特に太陽エネルギー利用のための集光装置、中でも宇宙太陽発電衛星用などの超大型太陽集光装置、レーザー推進用送受光鏡、エネルギー伝送・通信用電磁波送受信装置として用いられる電磁波集束装置に関する。

従来の電磁波集束装置としては、一般に金属の薄膜又は網を放物面形状に成形した電磁波反射面にカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の軽量かつ剛性の大きな樹脂を塗布したものが用いられているが、高精度化と軽量化、低価格化を同時に成立させることは困難である。高精度化は一般には重量増を伴い、これを軽量化しながら高精度を保つためには鏡面精度を能動的に制御することなどが要求され、大幅な価格増となる。特に、宇宙用電磁波集束装置に要求される超軽量化を満足してない。

また宇宙用としては超軽量化および宇宙展開のために気体膨張式反射鏡が主に米国で研究されているが、この方式では十分な精度にて回転放物面形状を形成することが極めて困難である。また気体を封入するために、反射面の前方に透明膜を設置する必要があり、電磁波が２回、その膜を通過する。その膜の透明性が十分ではなく、また宇宙空間での放射線などによる透明度の劣化が避けられないために損失が少なくない。この気体膨張式宇宙用電磁波収束装置についての技術と問題点については非特許文献１，非特許文献２に紹介されている。

また、宇宙用の場合、宇宙デブリが膜に衝突することにより生成される穴からの気体流出により、圧力低下を生じ、回転放物面形状の維持が困難となる。同時に、気体流出は反射鏡を搭載する宇宙船の姿勢を乱し続けるので、これを補正するための推進装置（小型ロケット）を連続的に作動させることになり、大量の推進剤が要求され、大きな負担となる。

太陽光圧の利用については、既に太陽光を海上での風に見立てて、大面積で超軽量のために薄膜製とする帆を宇宙に展開して、それに太陽光を受けて、推進剤なしで推力を得る方法（ソーラーセイル）が将来の有望な宇宙推進法として提唱され、多くの研究例がある。しかし、太陽光圧は極めて小さいので、ここで問題としている太陽光圧による薄膜の変形については無視しており、研究例がない。

このような状況において、本発明者達は超軽量太陽集光鏡として高分子膜集光鏡を開発試作して、非特許文献３、非特許文献４に発表している。さらに２本の直交する線焦点反射鏡による収束に関する技術を先に特許出願した（特許文献１参照）。
特開２００３−１２４７４１号公報 P. E. Frye, J. A.McClanahan, "Solar Thermal Propulsion Transfer Stage for the First Pluto Mission," AIAA-93-2601, 29th Joint Propulsion Conference & Exhibit, 1993. David Lichodziejewski,Costas Cassapakis, "Inflatable Power Antenna Technology," AIAA-99-1074, 1999. 坂下保治，佐原宏典，清水盛生，中村嘉宏、"太陽熱推進系における超軽量集光鏡の試作，"第43回宇宙科学技術連合講演会，2000．松井康浩，佐原宏典，清水盛生，中村嘉宏，"超小型衛星用太陽熱推進系〜超軽量太陽集光鏡，"平成13年度宇宙輸送シンポジウム，2002．

宇宙用大面積電磁波集束装置としては、反射鏡の高精度での超軽量化だけでなく、宇宙での回転放物面等の指定形状の形状形成・維持・改善するための機構の超軽量化は、打ち上げコストの低減等のために特に強く要求される。

特に上記の形状形成・維持・改善機構に、モータ等の駆動部や機械・機構部品を用いると、重量増だけでなく、宇宙において極めて貴重な必要電力も増加する。従って、超軽量反射鏡自体およびその支持手段の超軽量化、低電力化での形状維持・改善の機能を達成する技術的課題を解決することが要求される。
本発明は、これらの要求に応えられる電磁波集束装置とその反射鏡面の高精度の形状形成・維持・および形状改善ができる、電磁波圧を利用した電磁波集束装置を得ようとするものである。

上記課題を解決する本発明の電磁波収束装置は、薄膜材料からなる反射鏡膜の外周部を支持手段で固定して薄膜擬似平面反射鏡を形成し、該薄膜擬似平面反射鏡を太陽光圧またはレーザー光圧などの受波する電磁波の圧力によって指定鏡面形状の反射鏡に形成させることを特徴とするものである。

前記電磁波集束装置における反射鏡膜は種々の形状のものが採用可能であり、略矩形状のものを採用して、その対向する２辺を前記支持手段で固定することによって、受波する電磁波の圧力によって線焦点の放物面形状の反射鏡に形成させることができる。また、円形又ほぼ円形の反射鏡膜を採用して、その外周縁を前記支持手段で固定することによって、受波する電磁波の圧力によって点焦点の擬似回転放物面形状の反射鏡に形成させることができる。さらに、楕円形の反射鏡膜を採用して、その外周縁を前記支持手段で固定することによって、受波する電磁波の圧力によって点焦点の回転放物面形状の反射鏡に形成させることができる。

前記反射鏡膜は、電磁波を受ける面がアルミニウム等の反射層に形成され、その裏面が輻射層に形成されている。また、前記反射鏡の背後にもう１枚の膜を配置して、該膜と前記反射鏡との間に太陽光圧またはレーザー光圧などの送受する電磁波の圧力より低い圧力状態になるようにガスを充填してその圧力を調整することによって、前記反射鏡の曲率を調整して焦点距離を可変とすることができる。前記電磁波収束装置は、電磁波受波装置としてばかりでなく、前記反射鏡の焦点付近にレーザー光などの送波する電磁波源を設置して、該電磁波源から電磁波を放射して、その電磁波圧にて前記反射鏡面を指定反射鏡形状に形成して、該反射鏡で擬似平行あるいは指定の放射分布の電磁波を形成して放射する電磁波送波装置としても利用することができる。

本発明の電磁波収束装置は、電磁波圧によって薄膜の反射鏡を回転放物面形状等の指定形状に変形して、その電磁波を収束又は放射する方法を内容としているので、電磁波圧によって反射鏡面を十分に変形・展開できる場合に有効である。
特に宇宙用電磁波収束装置においては、高精度と超軽量・安価との両立を求められるが、大型宇宙構造物の超軽量化においては、従来２枚の膜が必須であり、且つ充填ガスや加圧装置が必要なインフレータブル構造物に頼らざるを得ない状況であったが、本発明によれば、宇宙太陽発電衛星などの超大型宇宙構造物の電磁波集束装置において、送受する電磁波の圧力によって、指定形状の反射鏡の展開、あるいは擬似平面反射鏡膜を実用可能な曲率半径の回転放物面形状等に変形できるので、１枚の膜のみで十分であり、さらに充填ガスや加圧装置が不要であることから、インフレータブル構造物の場合と比べて遙かに軽量・簡素となる。そして、太陽光の集光ばかりでなく、レーザー推進におけるレーザー光の集光やレーザー源からの光線の平行化においても、レーザー光圧は太陽光圧より遙かに高いので、本発明はより有効である。

また反射鏡の焦点距離の可変化は、インフレータブル構造物と同様に２枚の膜を用意して、その間に電磁波圧より低い圧力のガスを充填することで、可能となる。この場合にはインフレータブル構造物に対する優位性はかなり失われるが、反射鏡の総合反射特性（反射膜の前面の透明膜の２回の透過がない）、充填ガスの圧力が電磁波圧より低く、要求されるガス量が少ない等の点でインフレータブル構造物より優れている。

曲げ剛性を無視できる膜による回転放物面反射鏡の膜面に圧力が加えられた場合には、いわゆるシェル理論が適用され、その変形は解析可能である。尚、以下の記述においては電磁波圧として、主として太陽光圧またはレーザー光圧を採用しているが、原理的には他の電磁波圧も採用可能である。

従来、太陽光圧は地球周辺では約５ｍＰａであり、通常の工学部門で扱う圧力に比べて極めて微少な圧力であるので、人工衛星などでは無視されてきた。しかし、最近では宇宙太陽発電衛星やソーラーセイルなどの超大型宇宙構造物の研究が活発化して、これを無視できない研究分野が発展しつつある。例えば、直径数ｋｍの超大口径の球面反射鏡の場合、その球面曲率半径は極めて長大となり、太陽光圧による薄膜の変形が無視できなくなる。
ここでは１例として太陽光圧による薄膜の変形を利用する。すなわち、超大口径・超大球面曲率半径薄膜反射鏡を宇宙空間に展開した場合、インフレータブル方式ではガス圧力を利用するが、本発明では太陽光圧を利用して擬似平面反射鏡を鏡面形状に形状形成・維持する。

さらに、太陽光圧による変形によって、元々は超長焦点の擬似放物面反射鏡で焦点距離を減少させ、指定の焦点距離の太陽集光鏡を形成することも現実的となる。この事情はレーザー等の他の電磁波の場合も同様である。

また、円形でなく楕円形の均一厚さ薄膜平面反射鏡を使用して、太陽方向に対してその投影形状が円形となる角度に傾けて太陽光圧を受ける場合、もし反射率が１００％ならば、太陽光圧は鏡面に直角となり、薄膜楕円形反射鏡の鏡面形状は回転楕円体となり、近似的に軸はずし回転放物面形状を形成する。ここで好都合なことに、実際には反射面の反射率は８０％程度なので、太陽光圧の太陽方向成分はそれと直角方向成分よりその分だけ大きく、膜面は回転楕円体の対称性が崩れて軸はずし回転放物面に近づく。従って、この方法によって、より高精度の軸はずし回転放物面反射鏡を有する電磁波収束装置を実現できることになる。

上記のシェル理論によると、例えば、口径２ｋｍ級の超大型・超大球面曲率半径（これは回転放物面と極めて良い近似関係にある）反射鏡において、厚さ０．０１〜０．００１ｍｍの薄膜（弾性率：３．４ＭＰａ）球面鏡（曲率半径１０ｋｍ、焦点距離５ｋｍ）に太陽光圧を加えた場合、反射鏡膜の面内応力は０．０８Ｎ／ｍとなり、極めて小さいが宇宙での微少重力環境では反射鏡面を展開・維持できることが期待できる。
また、球面でなく薄膜擬似平面鏡に太陽光圧を加えた場合には、中心部のたわみが約５〜１０ｍにも達しうる。ここでは円形の外周枠に膜を設置する際の膜のたるみによる中央部のたわみは約０．５〜５ｍとしている。これは鏡面形状曲率半径１００〜１，０００ｋｍに相当する。そして、このたるみを減少させて、これ以上の平面性を実現することは逆に困難であると考えられる。これは当初の球面形状曲率半径１００〜１，０００ｋｍが約２５〜５０ｋｍにまで減少し、その太陽像径は２５０〜５００ｍ、従って、その集光比は約６４〜１６に達する。もし、この集光比が大きすぎる場合には、膜厚を増加すること等で調整できる。

この焦点距離を可変としたい場合には、その鏡面背後にもう１枚の膜を配置して、その膜と鏡面膜との間に太陽光圧より低い圧力状態にガスを充填して、その圧力を調整することによって、反射鏡膜の曲率を調整して焦点距離を可変とすることができる。その結果、反射鏡面材料の弾性定数などの物性の変化による焦点距離の狂いを補正することが可能となる。

レーザー推進などでの大型の集光鏡の場合には、レーザー光圧が太陽圧より遙かに高いので、太陽光圧による集光鏡よりも膜厚の大きい薄膜集光鏡においても、太陽光圧と同様の回転放物面鏡面の形成が可能となる。従って、上記の太陽光圧による鏡面形状の形成、焦点距離の可変、鏡面形状の補正はすべてレーザー光圧によって可能である。太陽光やレーザー光以外の電磁波によっても条件によっては可能となる。例えば、反射鏡の焦点付近にレーザー光などの送波する電磁波源を設置して、該電磁波源から電磁波を放射して、その電磁波圧にて前記反射鏡面を指定反射鏡形状に形成して、該反射鏡で擬似平行あるいは指定の放射分布の電磁波を形成して放射することができる。

また、もしレーザー光圧等の電磁波圧の均等値が制御可能ならば、それによって、反射鏡面の特に焦点距離の制御が可能である。また、レーザー光圧等の電磁波圧の面積分布を制御できれば、反射鏡の回転放物面形状などの指定形状への近似度を制御できる。例えば、反射鏡面の回転放物面からの誤差を減少させることもできる。

本発明の電磁波圧を利用しての鏡面形状形成による電磁波集束装置とその形状形成方法について図面を参照して説明する。
本発明の実施例に係る電磁波集束装置における反射鏡の形状を図１に示し、図２はその中央断面を示し、外周支持手段２に支持された薄膜材料で形成される反射鏡膜のたるみと電磁波圧を受けた場合の鏡面形状の状況を示す。本発明は、反射鏡膜材として曲げ剛性を無視できる薄膜材料を採用したことを特徴とし、本実施例では、その円形の薄膜材料からなる反射鏡膜３の外周部を、円形の外周支持手段２で固定して円形反射鏡１を平面鏡として製作する。しかしながら、反射鏡膜材が薄膜なのでその鏡面は、厳密には平面ではなく、その断面を図２に模式的に示すように、多少のたるみを有する擬似平面反射鏡面４となる。

この擬似平面反射鏡面４に、太陽光やレーザー光などの擬似平行電磁波１０が直角に照射されると、反射鏡膜には近似的に均一な光圧が作用するので、円形反射鏡１の鏡面各点はそのたるみと外周支持手段２からの距離によって決まる値だけ電磁波源とは反対側に変位して、図１及び図２の仮想線に示すように、点焦点の擬似球面（擬似回転放物面）反射鏡５となる。さらにこの面は電磁波圧によってたわむことによって、その擬似球面（擬似回転放物面）の曲率半径（焦点距離）を減少させる。

前記反射鏡膜３は、拡大断面を図２（ｂ）に示すように、膜本体６の太陽側にアルミニウムなどの反射層７、その裏面に輻射層８を施して構成されている。輻射層８の輻射率は反射膜の温度設定に従って決定される。また、膜本体の材料として高分子膜を採用した場合には、原子状酸素による劣化を防止するための金属蒸着層を輻射層の基材とすることができる。

図３は、本発明の他の実施例であり、本実施例では反射鏡膜を形成する薄膜材料は、円形でなく楕円形のものを採用して、楕円枠状の外周支持手段１２にその外周部を固定して、均一厚さの楕円形平面反射鏡１１を形成しているが、その鏡面は前記実施例と同様にたるみにより楕円形擬似平面反射鏡面となっている。該楕円形平面反射鏡１１をその投影像が円形となる角度にて擬似平行電磁波１０を照射すると、上記実施例と同様に楕円形擬似平面反射鏡面は太陽とは反対側に変位し、さらにたわむことによって擬似軸はずし回転放物面反射鏡面１３を形成して、その点焦点に電磁波源像が結像される。

図４は、本発明のさらに他の実施例であり、本実施例では反射鏡膜３を形成する薄膜材料は矩形状のものを採用して、その対向する２辺を棒状の外周支持手段１６で外周部の一部を固定して、均一厚さの矩形平面反射鏡１５を形成している。その鏡面は前記実施例と同様にたるみにより垂直断面形状が放物線又はこれに類する曲線となっている矩形擬似平面反射鏡面１７となっている。該矩形平面鏡１５に擬似平行電磁波１０を照射すると、上記実施例と同様に矩形擬似平面反射鏡面は太陽とは反対側に変位し、さらにたわむことによって図４に仮想線線で示すように、母線に垂直な断面形状が方物線又はそれに類する曲線の線焦点の矩形擬似放物面反射鏡面１８を形成して、その線焦点に電磁波源像が結像される。

次に、以上のように電磁波の圧力によって回転放物面などの指定鏡面形状を形成させることができる本発明の電磁波収束装置において、焦点距離を可変とする場合の実施例について説明する。
図５は、指定鏡面形状を形成した焦点距離可変型の電磁波収束装置の断面形状を模式的に示している。本実施例では、反射鏡の焦点距離（曲率半径の半分）を調整するために、外周支持手段２０に設置された前記薄膜材料で形成された反射鏡膜２１の背後（太陽に対して反対側）にもう１枚の膜である背後膜２２を配置する。そして、その２枚の膜配置のＢ部を図５（ｂ）に拡大して示すように、膜間２３に太陽光圧より低い圧力状態にガスを充填して、その圧力を調整することによって、反射鏡膜の曲率を調整して焦点距離を可変とすることができる。その結果、反射鏡膜材料の弾性定数などの物性の変化による焦点距離の狂いを補正することが可能となる。

この場合、反射鏡膜２１の反射層２５はアルミニウム蒸着層、その裏面は輻射層２６とすることは図２と同様である。背後膜２２には反射鏡膜２１との輻射熱平衡温度を考慮した輻射率・反射率を設定した輻射層２８と輻射層２９を設ける。この際、宇宙空間での使用では通常は微少重力環境にあり、その加速度は重力加速度とは数桁も小さいので、熱対流を考慮する必要はない。尚、図２の輻射層７と同様に、膜材料として高分子膜を採用した場合には、原子状酸素による劣化を防止するための金属蒸着層を輻射層２８、２９の基材とすることができる。

本発明の電磁波収束装置は、太陽光、レーザー光等の電磁波を集光又は放射する装置として利用可能であり、特に超大型の反射鏡が構成可能であり、太陽エネルギー利用のための超大型宇宙太陽集光装置、レーザ―推進用受光装置、エネルギー伝送・通信用電磁波送受信装置等に利用可能である。

本発明の電磁波集束装置の実施例を示す概念図であり、円形擬似平面反射鏡に電磁波が垂直に照射する場合に、反射鏡形状が擬似軸対称回転放物面に変形する場合を示している。（ａ）はその断面図であり、反射鏡膜が擬似平行電磁波により擬似軸対称回転放物面形状に変形している状態を示し、（ｂ）はそのＡ部の拡大図である。本発明の電磁波集束装置の他の実施例を示す概念図であり、楕円形擬似平面反射鏡に電磁波が斜めに照射する場合に、反射鏡形状が擬似軸はずし回転放物面に変形する場合を示している。本発明の電磁波集束装置のさらに他の実施例を示す概念図であり、矩形擬似平面反射鏡に電磁波が照射する場合に、反射鏡形状が母線に垂直な段面形状が擬似放物面に変形する場合を示している。（ａ）本発明の電磁波集束装置の反射鏡の焦点距離を可変とした実施例の断面概略図、（ｂ）そのＢ部断面の拡大図である。

符号の説明

１円形反射鏡
２、１２、１６、２０外周支持手段
３反射鏡膜
４擬似平面反射鏡面
５擬似球面（擬似回転放物面）反射鏡面
６膜本体
７、２５反射層
８、２６、２８、２９輻射層
１０太陽光、レーザー光などの擬似平行電磁波
１１楕円形平面反射鏡
１３擬似軸はずし回転放物面反射鏡面
１５矩形平面反射鏡
１７矩形擬似平面反射鏡面
１８矩形擬似放物面反射鏡面
２１反射鏡膜
２２背後膜
２３膜間

Claims

薄膜材料からなる反射鏡膜の外周部を支持手段で固定して薄膜擬似平面反射鏡を形成し、該薄膜擬似平面反射鏡を太陽光圧またはレーザー光圧などの受波する電磁波の圧力によって指定鏡面形状の反射鏡に形成させることを特徴とする電磁波集束装置。
前記反射鏡膜が略矩形状であり、その対向する２辺を前記支持手段で固定して、受波する電磁波の圧力によって線焦点の放物面形状の反射鏡に形成させる請求項１に記載の電磁波収束装置。
前記反射鏡膜が略円形であり、その外周縁を前記支持手段で固定して、受波する電磁波の圧力によって点焦点の擬似回転放物面形状の反射鏡に形成させる請求項１に記載の電磁波収束装置。
前記反射鏡膜が略楕円形であり、その外周縁を前記支持手段で固定して、受波する電磁波の圧力によって点焦点の回転放物面形状の反射鏡に形成させる請求項１に記載の電磁波収束装置。
前記反射鏡膜は電磁波を受ける面が反射層に形成され、その裏面が輻射層に形成されている請求項１〜４何れかに記載の電磁波収束装置。
前記反射鏡膜の背後にもう１枚の膜を配置して、該膜と前記反射鏡膜との間に太陽光圧またはレーザー光圧などの送受する電磁波の圧力より低い圧力状態になるようにガスを充填してその圧力を調整することによって、前記反射鏡膜の曲率を調整して焦点距離を可変とすることを特徴とする請求項１〜５何れかに記載の電磁波集束装置。
前記電磁波収束装置が、前記反射鏡の焦点付近にレーザー光などの送波する電磁波源を設置して、該電磁波源から電磁波を放射して、その電磁波圧にて前記反射鏡面を指定反射鏡形状に形成して、該反射鏡で擬似平行あるいは指定の放射分布の電磁波を形成して放射することを特徴とする請求項１〜６何れかに記載の電磁波集束装置。