JP2007530343A - 宇宙テザーのための受動的な配備機構 - Google Patents

Abstract

機構自身の部分である単純なばねシステムによって提供される当初の分離衝撃のみによって軌道上で受動的に使い捨て宇宙テザーを配備するための機構。宇宙テザーおよび係留された端部質量の受動的な配備は、非常に低い配備摩擦および抵抗を有する特定の機構によって実現される。配備の最終部分に向かうテザー配備のブレーキは、固定されたテザースプールの巻取り内に保管されたデイジー形のブレーキによって生成され、それは自動的に配備され（開かれ）、宇宙でのテザー配備の計画された点からその配備のブレーキまたは抵抗の機能を開始する。

Description

発明の背景
発明の分野
この発明は、地球周回軌道宇宙船または衛星キャリアからの宇宙テザーの配備のための機構の分野に関し、特に、長い宇宙テザーによって係留される端部質量の受動的な軌道上での配備のためであって、かつ回収を必要としない種類の使い捨てのテザー機構に関する。長さが何キロメートルものテザーは、この機構へと巻上げられることによって保管され、宇宙テザーの用途に応じて、通常は、銅またはアルミニウムで作られる導電性であるか、またはケブラー（Kevlar）、スペクトラ（Spectra）、ガラス繊維、石英繊維等で作られるような非導電性であり得る。

長さが何キロメートルものテザーを必要とする適用例に最も重要な問題の１つは、軌道上の配備（および回収）の動作である。なぜなら、周回する係留された質量が数キロメートルの周回高度の差を有さない場合（局所的な垂直方向に沿って測定される）、接続するテザーは、受動的なテザーの配備を可能にするために十分な張力または分離力（２つの端部質量に関する重力の勾配の差による）を有さないためである。これは、テザーの受動的な配備は、（テザー機構内の）テザーの配備の摩擦力が、係留された質量への地球の重力の場の影響のためにテザーに沿った張力よりも小さい場合にのみ可能になることを意味する。

したがって、テザー配備機構に対する低い摩擦は、特に、軌道の上昇またはメンテナンス、動作寿命の終わりに宇宙船を軌道から外すための電気力学的な推進力、および他の非導電性のテザーの適用例などの導電性または非導電性の宇宙テザーの適用例に対して、受動的な配備および制御を可能にするために重要である。

したがって、この発明の適用の分野は、ばね分離機構または類似の宇宙分離装置によって提供される当初の比較的小さな分離の衝撃の適用のみで係留された質量の受動的な配備を可能にするために非常に低い初期の配備摩擦または抵抗を有する、宇宙テザーのための配備機構である。

先行技術の説明
導電性のテザーは、軌道の調整に対して推進力を提供するために使用され得る。導体を通って流れる電流が磁界を作ることは物理学の単純な事実である。衛星が導電性テザーを通じてソラーアレイによって生成された電流を送ると、電流の方向は地球の磁界に関して反対方向の磁界を生成するようになり、結果的な磁気の「抗力（"drag"）」は衛星の軌道を低下させる。衛星が反対方向で導電性のテザーを通じて電流を送ると、それは地球の磁界とともに働く磁界を生成し、衛星の軌道は上昇する。

ここに開示される種類の受動的な配備機のための重要な適用例は、数キロメートルの長さの導電性のテザーを有する軌道から外す装置を備え、かつここに記載されかつ図１に示される（先行技術を反映する）種類の受動的な配備機を備えた低軌道衛星（ＬＥＯ）キャリアまたはランチャーの最後の段であり、その保護カバー１は３つのパイロボルト（pyro-bolts）３によって外部宇宙船パネル２に取付けられている。

この軌道から外す装置は、小型および中型のサイズのＬＥＯ衛星およびランチャーの上方の段を軌道から外すための最新の電気力学的なテザーシステムである。分析によって、
軌道の調節のためのテザーの使用は、軌道の変化が低速ではあるが、宇宙船の質量の要件に関して、化学的な反動推進エンジンの使用よりもはるかに効率的であることがわかっている。現在の研究では、８５０キロメートルの高さの軌道において１５００キログラムの衛星によって配備された２５キログラムのテザーが３ヶ月で衛星を地球に戻すことができることが示されている。

以下の会議の資料によって、この種の宇宙テザーの適用例についての参考文献を示す。

１．Licata R.、Iess L.、Bruno C.およびBussolino L.によって、２００１年２月１１〜１５日の米国ニューメキシコ州アルバカーキでの宇宙技術および応用例の国際フォーラム（Space Technologies & Applications International Forum: STAIF 2001）、新輸送システム会議（Conference on Innovative Transportation System）で紹介された「EDOARD：LEO宇宙船を効率的に電気力学的に軌道から外すためのテザー装置（“EDOARD: A Tethered Device for Efficient Electro-dynamic De-Orbiting of LEO Spacecraft”）。

２．Licata R.、Iess L.、Bruno C.、Bussolino L.、Anselmo L.、Schirone L.およびSomesi L.によって、２００１年３月１９〜２１日のドイツのダルムシュタットでのスペースデブリ（宇宙ごみ）についての第３回ヨーロッパ会議、第２期（the 3rd European Conference on Space Debris, Vol.2）で紹介された「EDOARD：宇宙船を効率的に軌道から外すための電気力学的なテザー装置（“EDOARD: An Electro-dynamic Tether Device for Efficient Spacecraft De-Orbiting”）。

この発明の発明者および他の著者らによって紹介された、これら公開された資料では、宇宙のための電気力学的なテザーの適用例のみが説明され、図示されている。この特許出願の主題を形成するテザー配備機構およびテザー配備の方法は、これまで公開も開示もされていない。

この発明の発明者は、以下の宇宙テザー配備機構の概念および関連する参考文献も知っているが、これらはここに開示される配備機構および受動的な配備方法と同じかまたは類似の設計を有さず、同じ特徴も有さない。これら他のテザー配備機構は、類似の宇宙の適用例に対するものであり、以下の会議資料または雑誌の記事に説明されている。

３．Caroll, J.A., 「SEDS 配備機の設計および飛行性能」（“SEDS Deployer Design and Flight Performance”）, AIAA Paper 93-4764, 1993. この機構は、NASAのミッションである１９９３年のSEDS-１および１９９4年のSEDS-２で使用された。SEDS-１では、２５キログラムのミニ衛星が地球に向かって下方に配備された。１９９４年には、SEDS-１と同じ機器を用いてSEDS-２実験が行なわれ、２０キロメートルの長さのテザーが配備された。

４．Koss, Stephen, 「高度なテザー実験(ATEX)のためのテザー配備機構」（“Tether Deployment Mechanism for the Advanced Tether Experiment (ATEX) ”）, 第７回ヨーロッパ宇宙機構および摩擦学シンポジウム（7th European Space Mechanism and Tribology Symposium）, p.175-182, European Space Agency, Noordwijk, The Netherlands, 1997。

５．Licata, R. Gavira, J.M. Vysokanov, V. Bracciaferri, F., 「SESDE−初めてのヨーロッパのテザー実験ミッション」（“SESDE- A First European Tether Experiment Mission”）, IAF-paper-98-A709, １９９８年、オーストラリア、メルボルン、第４９回国際宇宙飛行会議（49th International Astronautical Congress）、ここでは、小型の使い捨てスプール配備機（SESDE）の概念が示されている。

６．Nakamura, Yosuke, 「マイクロテザー巻取り機構の地上実験」（“Ground Experiments of a Micro Tether Reeling Mechanism”）, 第２３回宇宙技術および科学についての国際シンポジウム（23rd Intern. Symposium on Space Technology and Science）, P.887-892, ２００２年、５月、日本、松江。

これらテザー機構のどれも、重力の勾配の張力が依然として非常に低い配備の初期段階から開始する周回宇宙船キャリアからの完全に受動的な宇宙テザーの配備を可能にする、ここに開示される機構および配備方法の特性または利点を有さない。

参考文献３に示され、かつＳＥＤＳミッションなどのいくつかの宇宙テザーの適用例で使用されているＳＥＤＳ配備機の設計は、この特許出願に示されるものと類似の固定スプールタイプのテザー保管または巻取りも実現しているが、その出口の位置に、そこにテザーが巻取られる「柱」を回転するためのモータを含む「理髪店の看板柱」のテザー配備ブレーキを有する。テザー巻取りの「柱」上の巻き数は電気モータによって制御され、これらは、その配備ブレーキに対して使用されるテザー配備の摩擦力を変化させる。結果として、初期のテザー配備の段階中の「理髪店の看板柱」へのテザーの螺旋の巻取りが最小であっても、この種の機構にはいくらかの高い残留のテザー配備摩擦力が常に存在し、この特許出願に開示される機構によって実現することができるような初期段階の受動的な宇宙テザーの配備の実行を不可能ではないとしても、非常に困難にする。

一方、上述の参考文献４に示されるＡＴＥＸ機構は、ケーブルテザーに対してではなく、テープテザーに対して設計されており、この特許出願に説明される機構にはすべて存在しない、テザーリールおよびモータ、ならびに非常に高い配備の摩擦力およびやや強い機械的な複雑性を備える。

１９９９年初めの「高度なテザーの実験」（Advance Tether Experiment: ＡＴＥＸ）は、未来のＮＲＯインテリジェンスまたは支持衛星のための一式の新しい技術をテストした「宇宙テスト実験」（Space Test Experiment: ＳＴＥＸ）と名付けられる衛星の要素であった。ＡＴＥＸは、繊維の撚り糸からなる補強剤がその長さにわたって走っている、６キロメートルの長さおよび３センチメートルの幅にわたるテープとして実現された新しいテザー機構をテストするためのものだった。しかしながら、実験は完全に失敗に終わり、ＳＴＥＸがテザー配備の区域から外れた状態を決定する前に、テザーの２２メートルのみがうまく配備された。ＳＴＥＸは、それ自身を保護するためにＡＴＥＸのパッケージを排出した。ＡＴＥＸ機構は、均等巻きリールからテザーを引張るピンチローラの対を駆動するステップモータを含む。

参考文献５に示され、かつ公開されるＳＥＳＤＥ機構の設計も、固定されたスプールタイプのテザーの巻取りに基づいているが、それは、この特許出願に開示されるテザー機構の、実際には摩擦のない初期のテザーの配備のための単一のテザー層の円筒形部分によって代表される非常に低摩擦の装置、単純な組込のばね分離装置、および受動的なテザー配備ブレーキ装置を所有しない。

最後に、参考文献６のテザー機構は、この特許出願の機構と全く類似しない。なぜなら、それはテザーの保管または巻取りのために回転リールを実現しており、結果として、テザーの巻出し、リールのシャフトの回転摩擦力およびトルク等のための高い摩擦力を克服するためにリールモータおよびブレーキならびに他の関連する電気機械的な複雑性を必要としているためである。

発明の目的
この発明の目的は、さまざまな材料で作られ、長さが数キロメートル（たとえば、２０〜３０Ｋｍ）までであって、配備の初期段階の摩擦力が非常に低く、最低限の複雑性で必要な係留された端部質量のための組込の推進的な（impulsive）分離装置を備えた、受動的にケーブルテザーを配備することのできる使い捨ての宇宙テザー配備機構を提供することである。具体的な適用例によって必要とされるテザーの構造（すなわち、直径、層および材料）ならびに長さは、固定されたスプールおよび外部シリンダのサイズ、分離ばねのサイズ等を含む全体的な機構のサイズを決定する。

この特許出願で提案されるテザー配備機構は、図２に示されるように、宇宙船の任意の外部の平坦な面に取付可能であり、外部カバー１、テザーの配備を開始するように推進的な分離のため作動されるいくつかの（通常は３つの）パイロボルト３を含む機械的なインターフェイス、同じ図面に示されるケーブル４およびコネクタ５によるキャリア宇宙船とのデータおよび電力のインターフェイスを備える。

ここに開示される宇宙テザー機構は、図３の断面図に示される以下の主な機構の特徴の実現によって、上述の目的を達成する。

・宇宙テザーの配備動作の初期の部分に対して非常に低い摩擦または抵抗力を提供する、数百メートルのテザーの長さ７の第１の層が巻取られるシリンダ６。

・テザーの長さの残りのキロメートルに対する配備機−保管装置である固定された円筒形のテザースプール８。機構の外部円筒形面６およびその内部テザースプール８上の第１の部分からのテザーの巻取り（および配備）の連続は、わずか数ミリメートルの幅（テザーの直径のサイズに応じて異なる）を有するが、配備の第１の部分の終わりおよび内部のテザーのスプールの配備の開始でのテザーの通過を可能にするのに十分な外部のシリンダの長さに沿って作られた縦方向の切れ目９によって可能になる。

・キャリア衛星構造２への配備機カバー１の取付、およびキャリア宇宙船を通じて送られる配備時間の命令を用いた軌道上でのこれら配備機の部分の分離のために使用される、内部のインターフェイス面１１および（３つの）パイロボルト３上の中央に取付けられたばね１０によって代表される、ばね分離機構。

・テザー配備の最後の部分中にその活性化を受動的に開始することのできる、受動的なテザースプール配備ブレーキ１２。これは同じ図３に示されるように、それが計画された配備されるテザーの長さまたはテザーのスプールのレベルに到達するとすぐに、宇宙テザーの巻出しによって自由にされるときに開くかまたは配備するデイジー形の装置によってテザースプール巻取りで実現される。

この発明のさらに別の目的は、上述の機構によってテザーの受動的な配備のための方法を提供することである。この方法は以下に説明され、請求項３の特徴付けの部分に詳細に示される。

好ましい実施例の説明
ここに説明される機構は、テザー配備機構の構成要素の数を最低限に制限し、同時に失敗の可能性を最低限にするため、最低限の質量、複雑性および費用で衛星母機に装着することができる。図２および図４にも示されるように、最低限の電気的および機械的または
構造的なインターフェイスが必要である。

ここに説明される機構では、分離および軌道上でのテザーの配備の開始のための衝撃は、ばね１０が固定されたテザースプール８の中央に収容され、機械的なインターフェイス面１１によってそれに装着される、図３に示される単純なシステムによって提供される。配備機のカバー１が好適な地上の命令を通じて（３つの）パイロボルト３の同時の作動によって自由されると、中央の分離ばねが一端で自由にされ、計画された衝撃を係留された配備機の質量に付与し、その蓄積されたエネルギを係留された質量の運動エネルギの形に変換する。

図４に示されるように、パイロボルト３およびばねシステム１０の作動の後、外部機構シリンダ６に巻取られるテザー７の第１の部分は、テザースプール８を備えた機構の部分の配備を開始し、配備機のカバー１およびばねシステム１０はキャリア宇宙船２から分離するが、配備機インターフェイス面１３、および中空の陰極１４ならびにコントローラ１５を含む電子機器ボックス、その３軸の磁力計１６を備えたテザー装着点は、データおよび電力インターフェイス１７とともにキャリア宇宙船２に装着されたままである。

したがって、地上での準備活動中、何キロメートルもの長さの導電性のテザーは、まず内部の円筒形のスプール８に巻取られ、次にほぼ０の初期のテザー配備の摩擦で外部の円筒形６に巻取られ（外部シリンダ６上のテザーの巻取りの単一の層のみを有する）、小さな当初の分離衝撃の後に受動的な配備を実現する。

テザー機構の地上での組立の後、キャリア車両での据付活動および地上ならびに宇宙での輸送中に、外部のテザーの巻取り張力は、図４に示されるように、（通常）３つのボルト１９によってキャリア宇宙船に据付られるインターフェイス面１３に取付けられる単純なＶ字形の装置１８によって保たれる。

テザーの長さの第１の部分の軌道上での配備が完了すると、図３に示される外部シリンダの切れ目９を通過してテザーは配備され、固定されたスプールのテザーは、配備の初期の部分に対して高い配備の摩擦または抵抗で配備を開始する。

何キロメートルもの長さの配備のある段階での、係留された質量、配備されるテザーの長さおよび当初の分離速度（separation rate）ならびに摩擦の値に応じて、地球の重力場で係留される質量に適用される差動勾配が十分に高いとき、テザー配備速度は徐々に増加を開始する。より高い配備抵抗または摩擦力が適用されない場合、配備速度は、非常に長い配備の場合、秒当たり１０メートル以上の高い値に達し得る。どの場合でも、配備の終了の前に、動作中の配備速度の最大値を制限し、かつ配備の最後の部分でそれを減少させるために、ブレーキ装置１２がテザースプール巻取りに導入されており、それはデイジー形に配備されるように自由にされ、配備されるべき宇宙テザーの残りの部分に対して、高い摩擦、高いテザー配備抵抗を提供する。

この発明は、請求項およびその均等物によってのみ制限されることが意図される。

Claims (3)

1. 使い捨ての宇宙テザーの適用のための配備機構であって、固定された単一層のテザー巻取りシリンダ（６）、複数層のテザー巻取り中央スプール（８）、受動的なテザー配備のための当初の分離衝撃機構（１０）、およびデイジー形のテザー配備ブレーキ（１２）を本質的に含み、
   ・前記機構は、何キロメートルもの長さであって、かつ前記内部の複数層のスプール（８）に巻取られるテザー（７）の第１の部分、それに続く何百メートルもの長さであって、かつ前記外部シリンダ（６）上の単一層に巻取られる前記テザー（７）の第２の部分を収容し、必要なテザー巻取りおよび準備の動作中に地上での、およびその２つの種類のテザーの巻線の巻出しによる実際の配備中の軌道上での両方のテザー（７）の通過を可能にするために、十分な幅であって、かつその長さの大半に沿った前記外部シリンダ（６）の表面の切れ目（９）が設けられ、このように連続した宇宙テザーが軌道上で配備されると、巻出されるテザーは前記シリンダの切れ目（９）を通って、配備の終わりまで前記複数層の中央スプール（８）から連続して巻出され、
   ・受動的なテザー配備のための前記当初の分離衝撃機構は、前記固定された複数層のテザースプール（８）のコアの内側に取付けられ、かつ係留された質量の当初の分離のための必要なエネルギを蓄積することができる中央の正弦曲線のばね（１０）を含み、前記分離ばね（１０）は、機構のカバー（１）およびキャリア宇宙船の外面（２）とのそのインターフェイス面に取付けられたいくつかの、通常３つのパイロボルト（３）によって、地上動作中および地上ならびに宇宙での輸送中および軌道上の分離ならびに配備の前に圧縮された状態で保たれ、分離時には、キャリア宇宙船の遠隔測定および遠隔指令機上システムを通じた地上からの命令で、前記パイロボルト（３）は作動され、前記中央のばね（１０）は、解除され、配備機構全体は、そのカバー（１）、ばね（１０）、および完全なテザーの巻線とともに、前記キャリア宇宙船（２）から軌道の局所的な垂直方向について分離し、
   ・前記中央に固定された複数層のスプールのテザー巻取り（８）内に組込まれ、かつスプールの中央のコアの取付物に固定された、デイジー形であって柔軟な材料の前記受動的なテザー配備ブレーキ（１２）は、配備されたテザーの計画された長さまたは係留された端部質量の距離でテザー配備動作中に軌道上で配備され、この装置の配備は、テザー配備の摩擦抵抗力を計画された大きさまたは量だけ増加し、配備動作の終了までに配備機機構からのテザー配備速度の減少が段階的に提供され、適用されることを特徴とする、配備機構。
2. キャリア宇宙船の前記外面（２）にボルト留めされるテザー機構インターフェイス面（１３）と、前記パイロボルト（３）によって、前記キャリア宇宙船との前記インターフェイス面（２）にボルト留めされる外部保護カバー（１）と、キャリア端部のテザーの付属品（１６）の取付物と、電子機器ボックス（１７）と、データおよび電力のインターフェイスコネクタ（５）と、外部テザー巻取りＶ字形把持または抑制装置（１８）とをさらに含み、
   ・前記テザー機構インターフェイス面（１３）は、実質的に３つの単純なボルト（１９）によって前記キャリア宇宙船の外面（２）にボルト留めされ、配備機機構の軌道上での当初の分離およびテザーならびに係留された端部質量の配備動作の後、電子機器および他の配備装置の他の構成要素とともに、前記キャリアの外面に取付けられたままであり、前記パイロボルト（３）によって前記キャリア宇宙船とのインターフェイス面（１３）に抑制される前記外部保護カバー（１）は、組込の前記ばね分離装置（１０）とともに前記テザー巻取りスプール（８）構造に単一の構造としてボルト留めされ、前記カバー（１）は、主に微小な隕石の衝撃および紫外線への露出または他の種類の危険な宇宙放射線に対する露出のためのあり得る材料の経年変化の影響に対して、テザー巻線および他のすべての配備機機構の構成要素に対する保護シェルとしても使用され、
   ・前記テザーの前記装着点の前記取付物は前記キャリア宇宙船側で終了し、前記電子機器ボックス（１７）および電子力学的なテザー推進力の適用のためなどのテザー適用システムの前記データおよび電力のインターフェイスコネクタ（５）、ならびに前記Ｖ字形の外部テザー巻取り抑制または把持装置（１８）は、宇宙テザーの適用の終了まですべて前記キャリア宇宙船の外部で前記機構のインターフェイス面に固定され、そこに残り、電子力学的なテザーの適用のためのキャリア宇宙船に結合した電子機器構成要素は、中空の陰極（１４）、リレーおよび電流測定ならびに制御電子機器（１５）によって代表され、
   前記Ｖ字形のテザー巻取り把持装置（１８）は、弾性の（ビームの）種類であり、インターフェイス面へのその取付は、前記外部テザー巻取りシリンダ（６）の端部境界と対応し、第１のいくつかの単一層のテザー巻取り螺旋はシリンダの表面に把持され、テザー巻取り張力は、それに対してこれらテザー巻取り螺旋およびシリンダが前記Ｖ字形の抑制装置（１８）から自由にされる軌道上の配備分離動作まで保たれることを特徴とする、請求項１に記載の配備機構。
3. 請求項１に記載の機構に基づくテザーの巻出しのための受動的な方法であって、前記テザーの巻出しは、前記ばね（１０）によって行なわれる前記宇宙船（２）からの分離に対して衝撃が適用されるステップと、ほぼゼロに等しいテザー配備の抵抗または摩擦力での何百メートルもの第１のテザーの長さを伴う前記単一層の円筒形の外側のスプール（６）からのテザーの巻出しのステップと、何キロメートルもの長さのテザーの残りの部分の前記外部の単一層のスプール（６）の内側にある前記複数層のスプール（８）からのさらなるテザーの巻出しのステップと、前記テザー（７）がそこを通される前記ブレーキ（１２）によって適用される一定の摩擦力から生じるテザー配備のブレーキ動作のステップとを含む、方法。

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