JP2005508799A - 静止衛星など宇宙機用光学的表面反射器 - Google Patents

Abstract

本発明は、静止衛星など宇宙機用光学的表面反射器に関する。反射器の外面１０は、互いに、かつ反射器の内面１２に対して傾斜した複数のファセット１４を備える。ファセット１４は、有利には、正方形の底面の角錐を形成し、その頂点の角度は９０°に等しい。ただし、本発明の構想内で、他の構成も可能である。本発明は、体積およびスペース要件を大幅に増加することなく、放熱量を増加することができる。

Description

本発明は、宇宙機の熱制御のために、静止衛星など宇宙機上に取り付けるように構成された光学的表面反射器に関する。

衛星の熱制御を保証するには、特に静止衛星の場合、衛星に面する側に銀で被覆したガラスで作成した光学的表面反射器（ＯＳＲ）を衛星に装備することが一般的な方法である。

光学的表面反射器は、通常は平面パネルであって、赤外線放射に対して透明であり、衛星に面する表面が金属で被覆されたパネルである。このパネルは、ほとんど全ての入射太陽放射を反射し、特に赤外線帯域においてできる限り大量の放射量を有するように意図されている。換言すれば、光学的表面反射器は、衛星に搭載された装備の一部によって生じる熱を放射して、衛星の熱制御を確保するものである。

静止衛星および低い太陽同期軌道にある衛星など、一部の宇宙機では、良好な熱制御を行うには、放熱量の多い、従って大きい表面積を持つ光学的表面反射器を使用しなければならない。

従来技術の現状では、この結果を達成するための知られた唯一の解決法は、衛星に複数の関節式パネルで形成された展開反射器を設けることである。

しかし、この解決法には重大な欠点がある。それは、展開反射器の使用に特有の結果として、衛星の質量および体積が著しく増加することである。さらに、真空での操作の信頼性に危険性がある機構が存在することになる。

また、本体の壁を、前記壁の平面に対して傾斜した、並列の多数の小さい三角形の表面からなるピラミッド形アレイで作成することによって、黒色本体の熱放射率が上がることも、当技術分野で知られている。しかし、この状況では、入射太陽放射を全く吸収する必要がないことに関連した制約が存在しない。

最後に、文献ＥＰ−Ａ−０，９３０，２３１は、衛星上で熱を放射する構成要素と支持板の間のインターフェースについて記載している。このインターフェースは、並列の金属ストリップを備えており、各金属ストリップは、最初にピラミッド形または半球形の隆起部を有する。構成要素を支持板に固定することによって、この隆起部が押しつぶされる。それによって、部品間の表面接触が改善され、その結果、伝導による支持板への熱が、より良好に放射される。

本発明は、宇宙機用光学的表面反射器であって、その新規な設計により、太陽光線の吸収係数を大幅に変更することなく、宇宙機の放熱量を増加し、宇宙機の質量および体積の増加を最小限に抑え、放熱器の信頼性に影響を与えやすい機構の追加を回避するものである。

本発明によれば、この結果は、宇宙機の外壁を形成するように構成された光学的表面によって達成され、前記反射器は、宇宙空間に向けられるように構成された外面、および宇宙機に面するように構成された内面を備え、外面が、互いに、かつ前記内面に対して傾斜した複数のファセットを備えることを特徴とする。

用語「ファセット」は、本明細書を通して、そのサイズに関わらず、有限寸法の別個の表面領域を指すものとして理解すべきであることを留意されたい。したがって、ファセットの寸法の尺度は、本発明の範囲から逸脱することなく、ミリメートル、デシメートル、または他の任意の中間尺度でもよい。

傾斜したファセットの形態で光学式反射器の外面を製作することによって、反射器の質量および体積を大幅に増加することなく、放射表面積が１２％〜１５％増加する。さらに、この構成により、展開機構の使用が回避される。

隣接するファセット間の角度は、太陽光線が反射器のファセットによって１度だけ反射されるように、太陽光線が反射器に当たりやすい入射角度に応じて、すなわち衛星に対する前記反射器の意図された方向付けに応じて選択される。

各ファセットは、有利には、赤外線放射に対して透明であり、宇宙機に面するように構成され金属で被覆された層で覆われた内面を有する材料の層を備える。

この場合、各ファセットは、銀およびアルミニウムからなるグループから選択される金属被覆層を備えることが好ましい。

各ファセットは、任意選択でさらに、ガラスなど太陽光線に対して透明の材料の層を備える。

ファセットは、基板に固定され、この基板は、内部支持部として働き、ガラスおよびポリテトラフルオロエチレンからなるグループから選択される材料で作成される。

ファセットの製造を簡単にするには、ファセットが実質的に平面であることが好ましい。

ファセットは、有利には、多角形の底面を持つ突起部材を形成し、前記外面上で規則正しいアレイに配置される。

この場合、突起部材の多角形の底面の形状は、正三角形、正方形、長方形、ひし形、および正六角形からなるグループから選択される。

本発明の好ましい実施形態では、突起部材は正方形の底面を持つ角錐である。

太陽光線が、反射器の内面の局所法線に対して入射角４５°〜９０°で反射器に当たりやすいように反射器が方向付けられた最適の状況では、角錐の頂点の角度は９０°である。

太陽光線が、反射器の内面の局所法線に対して入射角６０°〜９０°で反射器に当たりやすいように方向付けられた反射器が装備された静止衛星の場合は、角錐の頂点の角度は６０°である。

最後に、太陽光線が、反射器の内面の局所法線に対して入射角３０°〜９０°で反射器に当たりやすいように反射器が方向付けられた状況では、角錐の頂点の角度は１２０°である。

次に、本発明の好ましい実施形態を、例示の非限定的な例によって、添付の図面を参照して説明する。

本発明による光学的表面反射器は、静止衛星または低い太陽同期軌道にある衛星など宇宙機の外壁を形成するように構成された剛直なパネルを構成する。

図１で非常に概略的に示したように、この種のパネルはしたがって、宇宙空間に向けられ、宇宙の真空と直接接触するように構成された外面１０、および前記反射器を装備した宇宙機に面するように構成された内面１２を備える。

本発明の光学的表面反射器の機能は、第１に、特に赤外線放射帯域で、衛星の内部から外部に向けての最大熱放射率を確保すること、第２に、外面１０上に当たる入射太陽光線の大部分を反射することである。

展開反射器を使用せずに熱放射率を向上させるため、本発明は、外面１０を複数の並列のファセット１４の形態で作成することを提案する。

図で示した本発明の好ましい一実施形態では、光学式反射器は、実質的に平面の一般的構成を持つ。換言すれば、反射器の内面１２は平面であり、その外面１０も、全体としてみれば、すなわち各ファセット１４の底面１６のレベルでは平面である。本発明はこの構成に限定されず、光学式反射器が１つまたは２つの方向で、何らかの曲率を有する状況も包含することを留意されたい。したがって、下記の説明では、反射器の平面または反射器の内面に対する法線は、その平面に対する局所的な法線である。

さらに、図で示した本発明の好ましい実施形態は、ファセット１４が全て平面であり、全体としてみた反射器の外面１０に対して傾斜して方向付けられる共通の特徴も有する。ただし、本発明はこの構成に限定されず、少なくとも一部のファセット１４が屈曲し、一部のファセットは、全体としてみた反射器の外面１０に平行に方向付けられる状況も包含する。

より詳細に図２〜４で示すように、ファセット１４は、有利には、二等辺三角形の形状を持ち、その底辺１６は、２つの隣接するファセットに共通であり、その頂点１８は、４つの隣接するファセット１４（図２）、３つの隣接するファセット１４（図３）、または６つの隣接するファセット１４（図４）に共通である。

したがって、ファセット１４は、外面１０上に、前記外面上で規則正しいアレイに配置された多角形の底面を持つ反射器の突起部材を形成する。

図２では、突起部材は、正方形の底面を持ち、各突起部材は、並列の４つの三角形のファセット１４で形成されている。

図３では、突起部材は、正三角形の形状の底面を持ち、各突起部材は、並列の３つの三角形のファセット１４で形成されている。

最後に図４では、突起部材は、六角形の形状の底面を持ち、各突起部材は、並列の６つの三角形のファセット１４で形成されている。

ファセット１４で形成された突起部材の寸法の尺度は、ミリメートル、またはデシメートルでもよく、理解されるように、中間の尺度を全て等価に使用することができる。下限は、太陽光線の回折の危険性を全て回避するように決定される。

底辺１６および頂点１８も、平行線、全般的に直線で構成することができることも留意されたい。この場合、ファセット１４はもはや三角形ではないが、全体としてみた反射器の外面１０に対して傾斜した、Ｖ形の断面の突起部材を形成する、平坦なストリップの形状を持つ。

より詳細に図１で示したように、本発明による太陽表面反射器パネルは、個々の太陽表面反射器が固定される支持構造２０を備える。この反射器は、外面（ファセット１４）はガラスなど太陽放射に対して透明の材料２２の層で形成され、反射器の内面は反射性の金属被覆層２４で形成される。寸法によっては、金属被覆層２４および透明材料層２２は、真空での蒸着によって付着させることができる。

したがって、太陽放射は、ガラスにおける透過損失、および金属層での反射損失に関連する熱以外の熱を生じることなく、外部に戻される。衛星からの熱は、反射器の内面１２から支持構造２０への熱伝導によって伝導され、そこから外面１０に伝導され、ランバートの法則によって、外面１０から宇宙空間に放射することができる。

支持構造２０は、求められた機械的かつ光学的特性を有する任意の材料で作成することができる。この材料は、具体的には、金属、金属合金、または複合材料でもよい。

透明材料層２２は、通常、金属被覆層２４上に付着させたガラスである。透明材料層２２は省いてもよい。

支持構造２０は、通常、ガラスで作成され、温度が変動した場合に、支持構造２０と透明材料層２２の間の機械的応力を最小限に抑える。

透明材料層２２を省く場合は、支持構造２０をポリテトラフルオロエチレンなど他の材料で作成することができる。

金属被覆層２４は、たとえば、銀、アルミニウム、または太陽スペクトルにおける良好な反射係数を持つ他の任意の金属もしくは金属合金で作成される。

本発明の範囲から逸脱することなく、金属被覆層２４を、真空での蒸着による付着など当業者に知られた任意の手段で、透明材料層２２上に付着させることができる。

図１および２で概略的に示した本発明の好ましい実施形態では、ファセット１４で形成された突起部材は、正方形の底面を持つ角錐であり、その頂点の角度は、底辺１６に平行かつ頂点１８を通る正中面における断面では実質的に９０°に等しい。この構成は、太陽光線が、反射器の内面１２の局所法線に対して入射角４５°〜９０°で反射器に当たる状況に適応している。

太陽光線が、入射角６０°〜９０°で反射器に当たる、静止衛星の場合は、ファセット１４で形成された正方形の底面の角錐の頂点の角度は６０°以下でもよい。

一方、太陽光線が、入射角３０°〜９０°で反射器に当たる場合は、ファセット１４で形成された正方形の底面の角錐の頂点の角度は１２０°以上でもよい。

平面の外面を有する従来の光学式反射器と比較して、上記の反射器は低温の真空に露出される反射器の有効表面積が２．８２倍増加する。一方、ファセット１４間には熱結合が生じる。したがって、反射器の熱放射率は、前記反射器の質量および体積を大幅に増加することなく、１に近い値、すなわち０．９５〜０．９９に達する。

さらに、太陽光線に露出される表面積は、従来の平面光学式反射器と比較して、大幅に増加しない。したがって、この表面積は副次的なままであり、反射器の吸収係数は、従来技術と比較して大幅に増加しない。さらに、太陽光線が衛星の分点にある面上に配置された反射器に当たる場合、ガラス内の経路は比較的短いため、吸収は低減される。

本発明の範囲から逸脱することなく、ファセット１４で形成される突き出た角錐は、正方形の底面を持つ代わりに、図３および４で上記に示したように、正三角形の形状、または正六角形の形状を持つことができる。本発明の範囲から逸脱することなく、突起部材の底面の形状は、ひし形、または、二等辺三角形の形状でもよい。

図１〜４を参照して説明した実施形態は、放熱器の放熱量を最適化するものである。あるいは、ピラミッド形の突起部材は、反射器の内面１２に平行のファセット１４によって分離することもできる。この場合、放熱量は、図で示したものよりも少ないが、従来の反射器よりもはるかに多い。

最後に、本発明の反射器は、熱パイプなど外部構成要素と一体化することができることを留意されたい。その場合、反射器は、図で示したものとは異なるハイブリッド構成を持つ。この場合、従来技術と比較して放射面積を１２％〜１５％、増加することもできる。

本発明による光学的表面反射器を示す概略断面図である。 反射器の外面が正方形の底面を持つ並列の角錐で形成された、上述の本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 反射器の外面が三形の底面を持つ並列の角錐で形成された、上述の本発明の第２の実施形態を示す図である。 図３と比較できる、反射器の外面が六角形の底面を持つ並列の角錐で形成された、本発明の第３の実施形態を示す図である。

Claims (13)

1. 宇宙空間に向けられるように構成された外面（１０）と、宇宙機に面するように構成された内面（１２）とを備える、宇宙機の外壁を形成するように構成された光学的表面反射器であって、外面（１０）が、互いに、かつ内面（１２）に対して傾斜した複数のファセット（１４）を備えることを特徴とする、光学的表面反射器。
2. ファセット（１４）が、入射太陽光線がファセット（１４）によって１度だけ反射されるように、互いに角度付けされている、請求項１に記載の光学的表面反射器。
3. 各ファセット（１４）が、太陽光線に対して透明であり、宇宙機に面するように構成され金属被覆層（２４）で覆われた内面を有する材料の層（２２）を備える、請求項１または２に記載の光学的表面反射器。
4. 各ファセット（１４）が、銀およびアルミニウムからなるグループから選択される金属被覆層（２４）を備える、請求項３に記載の光学的表面反射器。
5. 各ファセット（１４）が、太陽スペクトルに対して透明の材料の層（２２）をさらに備える、請求項４に記載の光学的表面反射器。
6. ファセットが基板に固定され、基板が内部支持部（２２）として働き、ガラスおよびポリテトラフルオロエチレンからなるグループから選択される材料で作成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学的表面反射器。
7. ファセット（１４）が実質的に平面である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学的表面反射器。
8. ファセット（１４）が、多角形の底面を持ち、外面上で規則正しいアレイに配置された突起部材を形成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学的表面反射器。
9. 突起部材の多角形の底面の形状が、正三角形、正方形、長方形、ひし形、および正六角形からなるグループから選択される、請求項８に記載の光学的表面反射器。
10. 突起部材が、正方形の底面を持つ角錐である、請求項９に記載の光学的表面反射器。
11. 太陽光線が、反射器の内面（１２）の局所法線に対して入射角４５°〜９０°で反射器に当たりやすい場合、角錐の頂点の角度は９０°である、請求項１０に記載の光学的表面反射器。
12. 太陽光線が、反射器の内面（１２）の局所法線に対して入射角６０°〜９０°で反射器に当たりやすい場合、角錐の頂点の角度は６０°である、請求項１０に記載の光学的表面反射器。
13. 太陽光線が、反射器の内面（１２）の局所法線に対して入射角３０°〜９０°で反射器に当たりやすい場合、角錐の頂点の角度は１２０°である、請求項１０に記載の光学的表面反射器。

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