JP2008221876A - 人工衛星搭載用太陽電池パネル、及び人工衛星 - Google Patents

Abstract

【課題】 人工衛星に搭載される太陽電池パネルと、展開大型アンテナの質量を軽減することを目的とする。
【解決手段】 表面に太陽電池セル１０が配列され、裏面に導電面が形成された複数の太陽電池パネル１と、太陽電池パネル間を展開可能に連結するヒンジ２を備え、太陽電池パネル１が展開した状態で、各太陽電池パネル１の導電面が近似的にアンテナ反射鏡面を形成するように、ヒンジ２が太陽電池パネル間に角度差を有して保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人工衛星に電力を供給する太陽電池パネル、及び太陽電池パネルを備えた人工衛星に関する。

人工衛星は、ロケットやスペースシャトルにより地球の軌道に打ち上げられ、この軌道を周回しながら地球上の陸域、海域、あるいは大気の観測、または他天体の観測を行い、地上局に対して各種の観測データの送信や、地上長距離間或いは辺境地への通信や放送に用いる電波の受け渡しを行っている。特に、地球軌道を周回する人工衛星と地上の基地局間には、一般に障害物がなく又は少ないので、地上における無線通信等に比較して良好な通信が可能である。

斯かる人工衛星は、その使用目的に応じて地球観測センサ及び他天体観測センサ等の各種センサおよび地上の基地局との間の無線通信等のための各種のエレクトロニクス回路が内蔵されている。これらエレクトロニクス回路が所定の機能を果たすには、これらエレクトロニクス回路を構成する能動デバイス等に動作電力を供給する必要がある。

人工衛星が内蔵するエレクトロニクス回路を正常動作させるための動作電力は、人工衛星の運用期間が短期間の場合には電池等から供給可能である。しかし、運用期間が長い場合には、内蔵電池を充電する必要がある。そのために、人工衛星には太陽電池パネルを搭載し、斯かる太陽電池パネルに入射する太陽光エネルギーによる起電力により内蔵電池を充電するのが一般的である。

また、人工衛星には、地上の基地局との通信、他衛星間との通信、あるいは地上に向けての衛星放送のため、衛星−地上間、衛星−衛星間、地上−衛星−地上間の長距離を電波による送受信を行うため、指向性アンテナを具備しているのが一般的である。

上述の如く、従来の人工衛星は、電力を供給するための太陽電池パネルと、通信、放送のためのアンテナを具備している。最近の人工衛星は、使用者の要求と技術の進歩により、搭載されるエレクトロニクス回路が高性能化し、それに伴ってより大電力を必要とするようになってきている。また、エレクトロニクス回路の高性能化により、各種センサでは取得できる情報量が増加し、様々な波長の電波を使用するようになってきている。

このような状況の中で、より大電力を供給するために太陽電池パネルはより大型化し、より大型のアンテナが人工衛星に搭載されるようになってきた。一方、人工衛星は打上げロケットやスペースシャトルの搭載スペースの制約から、ある体積以上の製品は搭載することができず、打上げ時にはコンパクトに収納し、軌道上で大型太陽電池パネルや大型アンテナを展開している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３０２１００号公報（第４−５頁、第１図、第３図）

しかし、従来の太陽電池パネルや大型アンテナは質量が大きい。宇宙空間に物体を打ち上げるという観点からすると、人工衛星の質量は小さい方が望ましく、これらの質量は無視し得ないという問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、人工衛星に搭載される太陽電池パネルと展開大型アンテナの質量を軽減することを目的とする。

この発明による人工衛星搭載用太陽電池パネルは、一方面に太陽電池セルが配列され、他方面に導電面が形成された複数の太陽電池パネルと、上記太陽電池パネル間を展開可能に連結する複数の回転ヒンジとを備え、上記回転ヒンジは、隣接する回転ヒンジとの間で上記太陽電池パネル間に異なる角度差を有して保持するものである。

また、上記回転ヒンジは、上記太陽電池パネルが展開した状態で、各太陽電池パネルの導電面が近似的にアンテナ反射鏡面を形成する角度に、上記太陽電池パネルを保持するものであっても良い。

また、この発明による人工衛星は、一方面に太陽電池セルが配列され他方面に導電面が形成された太陽電池パネルと、上記太陽電池パネルを、上記一方面が太陽を向く方向と上記他方面が地球を向く方向に回転させる制御装置と、上記太陽電池パネルの導電面が地球を向いたときに、上記太陽電池パネルの他方面に電波を給電する給電ホーンと、を備えたものである。

この発明によれば、太陽電池パネルの裏面をアンテナとして利用することで、人工衛星に搭載される太陽電池と大型アンテナを共用することができ、人工衛星搭載機器の質量を軽減することができる。

実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１は、人工衛星における電力供給に用い、衛星本体から外方へ伸びる太陽電池パネルを、通信或いは放送に使用する大型アンテナとして用いることを特徴とする。
以下、実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルについて、図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルの展開状態を示す図である。この太陽電池パネルは、衛星構体４における側面外方に延在した複数の太陽電池パネル１から構成される。太陽電池パネル１の表面（一方面）には複数の太陽電池セル１０が取り付けられている。太陽電池パネル１の裏面（他方面）には導電面が形成されている。

太陽電池パネル１は、夫々のパネル間がヒンジ２を介在して連結されている。ヒンジ２は、太陽電池パネル１の展開時に、その展開動作の回転軸を構成するとともに、太陽電池パネルの展開角度を調整し、パネル面の法線方向を決定している。ヒンジ２は、巻きばね（図示せず）によって駆動され、回転軸を中心に回転する展開動作を行う回転ヒンジである。また、ヒンジ２は、展開途中でラッチアップピン（図示せず）がラッチアップガイド（図示せず）の摺動面上を摺動し、所定角度まで回転した段階で、ラッチアップピンがラッチアップガイドの溝に落ち込み係合する。これによって、ヒンジ２は所定角度で回転動作が停止し、その状態が保持される。このような展開ラッチ機構の構成については、例えば特公平７−５５６７９号公報に詳述されているが、その構成はこれに限られたものではない。

衛星構体４側の根元の太陽電池パネル１は、太陽電池パネル駆動機構２７を介して、衛星構体４に対して回転可能に軸支されている。太陽電池パネル駆動機構２７は、衛星構体４に取り付けられた回転アクチュエータや２軸の回転軸や駆動制御装置で構成され、太陽電池パネル１とともに太陽電池パドルを構成する。太陽電池パネル１は、太陽電池パネル駆動機構２７によって根元の太陽電池パネル１のパネル面内で直交する２軸の周りを回転する。太陽電池パネル駆動機構２７は、例えば特開２００２−１４５２００号公報に記載されるように、回転軸がキャントしたものであっても良い。衛星構体４は、人工衛星搭載機器を収納する、もしくは外方に取り付けるための、六面体形状や円筒形状の構造体である。衛星構体４における上面の地球指向面１３には、支持部２０を介して給電ホーン（アンテナ一次放射器）５が取り付けられている。

なお、図１は、太陽電池パネル１及び給電ホーン５が衛星構体４の片側のみに設けられた図を示しているが、太陽電池パネル１及び給電ホーン５は衛星構体４の両側に設けても良い。寧ろ、人工衛星５０の重心バランスを考えると、衛星構体４における地球指向面１３に垂直な中心線に対し、太陽電池パネル１及び給電ホーン５が衛星構体４の両側に設けられた方が望ましい。

太陽電池パネル１は、図１に示すように各パネル間に角度差を有して結合されている。この角度差は、或るヒンジ２で結合される太陽電池パネル間と、そのヒンジ２に隣接する他のヒンジ２で結合される太陽電池パネル間とで、角度差が異なるように成されている。このヒンジ２の固定角度により、複数の太陽電池パネル１の裏面により構成される面は、大型アンテナにおける所望のアンテナ反射鏡面を形成する曲面３の、近似面となっている。この際、給電ホーン５は太陽電池パネル１の裏面を指向する。また、太陽電池パネル１と、給電ホーン５および支持部２０を取り付ける地球指向面が１３、地球を指向するように、人工衛星５０の姿勢が制御される。このことにより、人工衛星５０の地球指向面１３上に設けられた給電ホーン５と、太陽電池パネル１によって、擬似的に大型アンテナが構成される。この擬似的な大型アンテナでは、給電ホーン５から送信される電波が、夫々の太陽電池パネル１裏面の導電面で反射され、集光されて、アンテナ焦点６に向けて電波７が送信される。また、地球から送信された電波は、太陽電池パネル１裏面の導電面で反射され、集光されて、給電ホーン５に受信される。
なお、図の例において、太陽電池パネル１における電波の反射面は、先端側に配置された太陽電池パネル１から、根元側に配置された太陽電池パネル１上のＰ点に至るまでの領域で構成されている。

次に、太陽電池パネル１の詳細を図２に示す。
図において、太陽電池パネル１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を表皮材８、８０とし、アルミハニカムコアを芯材９として、芯材９を表皮材８と表皮材８０で挟み込んだサンドイッチ板で構成される。また、太陽電池パネル１の表面には、炭素繊維強化プラスチック製の表皮材８０の表面に、太陽電池セル１０を貼り付けた構造となっている。太陽電池パネル１の裏面は、表皮材８によって導電面が構成される。この際、表皮材８、８０は、炭素繊維強化プラスチックの素地に、誘電体ガラスや樹脂がコーティングされていてもよい。

図３は、太陽電池パネル１の取り付けられた人工衛星の構成を示す図であり、（ａ）は人工衛星の機能構成図、（ｂ）は統合制御装置のスイッチ切り換え処理を説明するための図である。

図３（ａ）において、人工衛星５０は、太陽センサ２１と、地球センサ２２と、通信装置２３と、ミッション機器２４と、ミッション機器動作／非動作検出装置２５と、統合制御装置２６と、姿勢制御装置３０と、太陽電池パネル駆動機構２７と、太陽電池パネル１と、電源装置２８を備える。太陽センサ２１は光センサを用いて太陽に対する人工衛星５０の姿勢角を計測する。地球センサ２２は磁気センサや赤外線検出器等を用いて、地球に対する人工衛星５０の姿勢角を計測する。通信装置２３は人工衛星の各搭載機器を統合制御する。

通信装置２３は、給電ホーン５や、太陽電池パネル１により形成される擬似的な大型アンテナや、送受信機（図示せず）、及び通信制御装置（図示せず）によって構成される。給電ホーン５は、送受信機から送出される電波を太陽電池パネル１により形成される擬似的な大型アンテナに向けて放射し、逆に擬似的な大型アンテナで受けた電波を送受信機に送出する。送受信機は通信制御装置によって通信制御が行われる。ミッション機器２４で生成される地上に伝送するための伝送信号は、送受信機にて周波数変換され、周波数変換された送電波が給電ホーン５に給電される。また、地上から送信されたコマンド信号は、給電ホーン５で受けた後、送受信機にて復調され、統合制御装置２６に送られる。統合制御装置２６は、このコマンド信号に基づいて人工衛星の各種制御を行うとともに、ミッション機器２４に対してコマンド指令を生成する。姿勢制御装置３０は、人工衛星５０の姿勢を所望の状態に維持するように制御する。

ミッション機器２４は、合成開口レーダ、赤外線センサ、画像センサ、マイクロ波放射計等のセンサ機器や、測位信号送信機や、トランスポンダを用いて衛星放送、衛星通信を行う通信機器等で構成される。ミッション機器２４は、地球観測ミッションを行う観測センサとして用いられる場合、統合制御装置２６で生成されるコマンド指令に基づいて、地上の観測画像や地上の観測温度等を自動計測し、計測したデータから伝送信号としてテレメトリ信号を生成する。或いは、衛星放送や衛星通信のミッションに用いられる場合、伝送信号として、地上局から送信される電波を中継して別の地上局や地上通信端末に放送したり、地上局や地上通信端末との間で衛星通信を行うための通信信号を生成する。または、衛星航法測位衛星としてのミッションに用いられる場合、伝送信号として、ＧＰＳ衛星のようにＳ帯やＬ帯の航法測位用の測位信号を生成する。ミッション機器２４は、所定のミッションを実行中に、動作状態であることを示すテレメトリ情報を発信する。

ミッション機器動作／非動作検出装置２５は、ミッション機器２４から出力されるテレメトリ情報に基づいて、ミッション機器２４が動作状態にあるか、非動作状態にあるかを検出し、その状態を統合制御装置２６に送出する。太陽電池パネル駆動機構２７は、統合制御装置２６からの回転指令に従い、太陽電池パネル１を回転指令に基づいた所望の角度に回転させるように、回転駆動制御を行う。電源装置２８は、リチウムイオンバッテリやバッテリ制御装置を備えて構成され、太陽電池パネル１が太陽光を捉えて発生する電力を蓄電する。また、電源装置２８は蓄電した電力を放電し、太陽電池パネル駆動機構２７や統合制御装置２６や通信装置２３やミッション機器２４等の各人工衛星搭載機器に供給する。

図３（ｂ）において、ミッション機器動作／非動作検出装置２５は、ミッション機器２４が動作状態にあるか否かを検出し、検出結果に基づいて、次に説明するミッション動作時と非動作時の切り換え処理を行う。

ここで、ミッション機器２４が動作状態にある場合、統合制御装置２６は地球指向制御プログラムを起動し、地球指向制御処理を実行する。この地球指向制御プログラムでは、地球センサ２２で計測される地球に対する人工衛星の指向角度（姿勢角）に基づいて、人工衛星５０の地球指向面１３を地球方向に向けるように、姿勢制御装置３０が人工衛星の姿勢を制御する。この状態で、太陽電池パネル１の裏面（導電面側の面）が地球を向くように、太陽電池パネル駆動機構２７に回転指令を与える。この状態で、統合制御装置２６により電源装置２８が制御され、電力が通信装置２３に給電される。また、統合制御装置２６により通信装置２３が制御され、給電ホーン５は太陽電池パネル１の裏面との間で電波を給電する。
なお、太陽電池パネル１は、人工衛星５０における衛星構体４の両側に設けられており、何れの太陽電池パネル１も、給電ホーン５とともにオフセットパラボラアンテナを構成する。

次に、ミッション機器２４が非動作状態にある場合、統合制御装置２６は太陽指向制御プログラムを起動し、太陽指向制御処理を実行する。この太陽指向制御プログラムでは、太陽センサ２１で計測される太陽に対する人工衛星の指向角度（姿勢角）に基づいて、太陽電池パネル１の表面（太陽電池セル１０側の面）が太陽光を受光できるように、太陽電池パネル駆動機構２７に回転指令を与える。この際、姿勢制御装置３０は、太陽センサ２１で計測される姿勢角に基づいて人工衛星５０の地球指向面１３を地球方向に向けるように、人工衛星５０の姿勢を制御しても良い。この状態で、統合制御装置２６により電源装置２８が制御され、太陽電池パネル１の太陽電池セル１０で発電された電力が電源装置２８に蓄電される。

次に、この実施の形態１の動作形態について、更に説明する。
太陽電池により発電をする場合は、太陽電池パネル１の表面を使用して、太陽電池セル１０を貼り付けた面を太陽１１に向ける。この場合のコンフィギュレーションを図４に示す。

また、大型アンテナを用いて通信或いは放送を行う場合は、太陽電池パネル１の裏面（表皮材８の導電面）を使用して、この面で形成されるアンテナ反射鏡面の焦点が通信方向１２を向くように、太陽電池パネル駆動機構２７を駆動して太陽電池パネルの表裏の反転を行う。太陽電池パネル１を大型アンテナとして使用する場合のコンフィギュレーションを図５に示す。通信方向１２には、地上局や、通信または放送サービスや、センサ機器が地球観測を行うためのサービスエリアが設けられている。

図６は、人工衛星５０の軌道上における、太陽電池パネル１の姿勢状態を示す図である。ここでは、人工衛星５０のミッション機器２４が、放送、通信、地球観測、測位信号配信などの所定の衛星ミッションを実行する場合を例にして説明する。この際、衛星軌道４０上で、人工衛星５０が、このミッションを行うべきサービスエリア１００の上空を通過し、衛星ミッション動作期間Ｋにある場合にのみ、太陽電池パネル１の裏面を、サービスエリア１００内の通信方向に向けることを想定し、説明を行う。但し、サービスエリア１００は日陰にあるものとする。

図において、人工衛星５０が、衛星軌道４０上における位置Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆに存在するとき、人工衛星５０はサービスエリア１００から離れた位置を航行しており、所定の衛星ミッションを実行できない状態にある。この場合、統合制御装置２６が太陽電池パネル駆動機構２７を制御して、太陽電池パネル１の表面（太陽電池セル側の面）が太陽１１の方を向くように、太陽電池パネル１の方向を回転させ、パネル面を太陽の方向Ｇに傾斜させる。これによって、太陽電池パネル１の発電した電力が電源装置２８のバッテリに蓄電される。

次に、人工衛星５０が、衛星軌道４０上における位置Ｃ、Ｄに存在し衛星ミッション動作期間Ｋにあるとき、地上局からのコマンド送信により、人工衛星５０が所定の衛星ミッションの実行を開始する。この際、ミッション機器動作／非動作検出装置２５によって、ミッション機器２４が動作状態にあることが検出されると、統合制御装置２６が太陽電池パネル駆動機構２７を制御して、太陽電池パネル１の裏面（導電面）が地球を向いて、その通信方向Ｈがサービスエリア１００を捉えるように、太陽電池パネル１の方向を回転させる。この際、電源装置２８のバッテリに蓄電された電力が、統合制御装置２６や太陽電池パネル駆動機構２７や通信装置２３やミッション機器２４などに供給される。

なお、人工衛星５０の軌道によっては、通信や放送を実施する期間がその運用期間の一部分であるものもある。例えば、８の字軌道を描く準天頂衛星は、１日１回８時間だけ、日本上空に滞在しており、この期間だけ、通信或いは放送を行う。それ以外の時間は通信、放送を実施しないので、太陽電池パネル１を反転し、太陽方向に向けて発電を行い、電源装置２８におけるリチウムイオンバッテリを用いた高効率の充電池に、電力を充電しておくことで、太陽電池パネル１を大型アンテナとして使用する際に、効率の良い発電が行えない期間の電力を賄うことができる。
勿論、サービスエリアが日陰ではなく、日向（図６の位置Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆ）にある場合であっても、太陽電池パネル１裏面による大型アンテナを用いて、同様にして衛星ミッション動作を行うことができることは、言うまでもない。

以上説明した通り、この実施の形態による太陽電池パネルは、太陽電池パネル駆動機構２７により太陽電池パネル１を回転するだけで、太陽電池パネルと大型アンテナとを切り換えて使用することができるので、宇宙展開構造物の利用効率が良く、なおかつ人工衛星搭載機器の質量を軽減することができる。延いては、宇宙空間に人工衛星を打ち上げる際の打ち上げ重量を軽減することができる。

また、宇宙空間では、真空であるため、地上における液体潤滑等は蒸発してしまうので、使用できなく、固体潤滑に頼らざるを得ない。特に、日昇と日陰で急激な温度差があり、液体の凝結等も起こる過酷な環境である。さらに宇宙線に暴露され物質の変性も発生する。これらの理由により、軌道上における太陽電池パネルや大型アンテナ等の展開構造物の展開動作は、展開動作中の部品間の固着等を起す可能性もあり、リスクを伴う動作である。

しかしながら、この実施の形態では、太陽電池パネルと大型アンテナを共用化しているので、展開時のリスクを半分に低減できる。また、太陽電池パネル１を、人工衛星５０における衛星構体４の両側に設けることにより、冗長系を構成することも可能となるので、大型アンテナの展開信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルの展開状態を示す図である。 実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルの詳細図である。 実施の形態１による人工衛星の機能構成を示す図である。 実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルの使用状態を示す図である。 実施の形態１による人工衛星の太陽電池パネルを大型アンテナとして使用する状態を示す図である。 実施の形態１による人工衛星の軌道上における太陽電池パネルの姿勢角を示す図である。

符号の説明

１ 太陽電池パネル、２ ヒンジ、４ 人工衛星構体、５ 給電ホーン（一次放射器）、８ 表皮材（導電面）、９ 芯材、１０ 太陽電池セル、１１ 太陽、１３ 地球指向面、１５ 地球、２７ 太陽電池パネル駆動機構、５０ 人工衛星。

Claims (5)

1. 一方面に太陽電池セルが配列され、他方面に導電面が形成された複数の太陽電池パネルと、
   上記太陽電池パネル間を展開可能に連結する複数の回転ヒンジと、
   を備え、
   上記回転ヒンジは、隣接する回転ヒンジとの間で上記太陽電池パネル間に異なる角度差を有して保持する人工衛星搭載用太陽電池パネル。
2. 上記回転ヒンジは、上記太陽電池パネルが展開した状態で、各太陽電池パネルの導電面が近似的にアンテナ反射鏡面を形成する角度に、上記太陽電池パネルを保持することを特徴とした請求項１記載の人工衛星搭載用太陽電池パネル。
3. 一方面に太陽電池セルが配列され他方面に導電面が形成された太陽電池パネルと、
   上記太陽電池パネルを、上記一方面が太陽を向く方向と上記他方面が地球を向く方向に回転させる制御装置と、
   上記太陽電池パネルの導電面が地球を向いたときに、上記太陽電池パネルの他方面に電波を給電する給電ホーンと、
   を備えた人工衛星。
4. 上記太陽電池パネルの太陽電池セルが地球を向いたときに、太陽電池セルの供給電力を充電する蓄電装置を備えたことを特徴とする請求項３記載の人工衛星。
5. 上記太陽電池パネルが衛星構体の両側に配置され、上記給電ホーンが上記太陽電池パネルの他方面を指向して、オフセットパラボラアンテナが形成されることを特徴とする請求項３または請求項５記載の人工衛星。

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