JP2010018275A - 熱的展開を伴う巻尺および前記巻尺を備える展開可能な構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱的展開を伴う巻尺および前記巻尺を備える展開可能な構造を提供する。
【解決手段】 本発明は、少なくとも２層の堆積を含む巻尺（１０）であって、この巻尺（１０）が複合材料（１１）をベースとした支持層と呼ばれる第１の層と、使用状態において、その要素を巻かれたまたは折り畳まれた位置に維持するために、ポリマーがガラス状態にあるような高いガラス転移温度を有する前記ポリマーをベースとした最上層（１２）と呼ばれる層とを含むことを特徴とする巻尺（１０）に関する。
本発明は、さらに、とりわけ宇宙用途を対象とした前記巻尺を含む展開可能な構造に関する。
【選択図】 図２

Description

本発明の分野は、展開可能な望遠鏡、あるいはあらゆる宇宙システムまたはそれ以外のシステムにおいて有利に使用され得る、展開可能な構造に関する。

今日、宇宙からの地球の観測、および深宇宙の観測（安定化能力によって課された制限内で露出時間を維持しながら、非常に弱く光る対象物を検出すること）の両方に対する高解像度への要求が高まることで、ますます大規模な宇宙観測システムが必要となる。

さらに、地球静止軌道からの地球観測任務は、関連するゲイン（より大きな熱的安定性、重力に起因する妨害がより少ないこと、ある領域の上方の恒久的観測）と共に想定され得るが、距離を考慮すると、より大きな開口面積を要する。

これらの任務を成功裡に完了させるためには、非常に大きな望遠鏡を設計する必要があり、ほとんどの場合、それらの寸法は打ち上げロケットのノーズコーンの利用可能な容積を超える。

そのようなシステムの設計は、それと共に大寸法の展開可能な構造、および展開後の位置決めの不確実性を修正するために使用され得る能動システムの開発などの多くの技術的課題をもたらす。

本発明の対象である技術的問題は、一旦人工衛星が定位置に置かれると、その長さが自律的に増加し得る、構造要素の設計の問題である。

様々な展開可能な構造の概念が既に存在する：関節剛性構造（例えばパンタグラフ系）、テンセグリティーの原理に基づく系（全て引張りモードで働く連続的なケーブルの集合につながれた、全て圧縮モードで働く不連続なバーの集合からなる、安定した自己拘束された状態にある構造組立品）、折り畳み可能な複合バー、フレキシブルな膜タイプの構造、膨張できる重合性バー、記憶形状合金、およびまた巻尺タイプのバー。

出願人はその脚部が巻尺タイプのバーで作られた、六脚をベースとした望遠鏡体の潜在能力を既に検討し、証明している。

しかしながら、関連する展開のモデル化および試験により、巻尺の展開は非常に激しく、プラットフォームからの自律的展開を可能にする十分な信頼性を得ることは難しいことが既に示されている。

次にこの展開を、モータを用いて、または調整機構（例えば慣性システム、粘性散逸システム、流体せん断システム、および他のそのようなシステムの使用に基づくソーラーパネルの展開において用いられる機構）を用いて行なうことが想定可能である。いずれの場合にも、これらの解決策は、比較的複雑であり、将来的な故障原因である。

より具体的には、自己展開可能な巻尺構造を作り出すため、テープをその巻かれた形状で固定し、次に温度上昇の影響下で巻き戻させることを可能にする、形状記憶型のポリマー樹脂と、双安定のひだを有する複合材料とを含む、２つの材料を組み合わせることが既に提案されている。このタイプのひだは、非常に小さなエネルギーのジャンプを乗り越えることが必要なだけで、巻かれた状態から巻き戻された状態へ、およびその逆への移行を可能にする。さらに、この２つの状態の各々は安定した状態であり、テープは保持力無しで巻かれたまま留まることが可能である。

それにもかかわらず、このタイプの解決策は高価で、多量には入手できない高級材料を使用する。

形状記憶を有する樹脂は、加熱することにより材料の変形が誘発され、次に課された変形を固定することによる第１の初期状態を必要とする。

この関連において、本発明の主題は上記の欠点を克服することを可能にする、新たなタイプの巻尺である。

より具体的には、本発明の主題は少なくとも２層の堆積を含む巻尺であって、この巻尺が複合材料をベースとした支持層と呼ばれる第１の層と、その要素を巻かれたまたは折り畳まれた位置に維持するために、ポリマーがガラス状態にあるような、高いガラス転移温度を有するポリマーに基づく最上層と呼ばれる層とをさらに含むことを特徴とする巻尺である。

本発明の１つの変形によれば、ポリマーは６７℃のオーダーのガラス転移温度を有する、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）タイプである。

本発明の１つの変形によれば、ポリマーは約８０℃〜８５℃の間のガラス転移温度を有する、ポリ塩化ビニルタイプである。

本発明の１つの変形によれば、ポリマーは１０７℃のオーダーのガラス転移温度を有する、アタクチックポリメタクリル酸メチルタイプである。

本発明の１つの変形によれば、複合材料は長いカーボンファイバー／エポキシ樹脂ファイバータイプの積層材料である。

本発明の１つの変形によれば、最上層はまた接着あるいはスクリーン印刷された抵抗発熱体タイプの要素を含む。

本発明の１つの変形によれば、巻尺は、複合材料の層とポリマーの最上層との間に中間の接着剤層をさらに含む。

本発明の１つの変形によれば、ポリマーの最上層の厚さは約０．５ｍｍである。

支持層の厚さは約０．２ｍｍであり、展開可能な要素は約１ｍの長さと約６０ｍｍの幅を持つことができる。

本発明の別の主題は展開可能な構造であって、この構造が、
−本発明による巻尺と、
−前記巻尺を巻く手段と、
−巻尺を巻き戻すことにより展開されるプラットフォームと、
−ポリマーの最上層を加熱する手段と
をさらに備えることを特徴とする。

本発明の１つの変形によれば、展開可能な構造は６本の巻尺を備えた六脚構造を含む。

本発明の１つの変形によれば、この構造はベース支持体、および巻く手段を前記ベース支持体へ固定する手段を含む。

本発明の１つの変形によれば、展開可能な構造はプラットフォーム上に位置する光学要素をさらに含む。

本発明は制限されない例として与えられる以下の記述を読むこと、および添付図からより良く理解されるとともに、他の利点が明らかになるであろう。

横の湾曲を有する本発明による巻尺の断面を示す。 巻き戻された本発明による巻尺構造を示す。 集積抵抗器を含む、本発明による巻尺の１つの変形を示す。 本発明による巻尺を用いた、展開中の構造の変遷を例示する。 宇宙船に搭載され得る、本発明による巻尺を用いた六脚構造の要素を表わす。 宇宙船に搭載され得る、本発明による巻尺を用いた六脚構造の要素を表わす。 宇宙船に搭載され得る、本発明による巻尺を用いた六脚構造の要素を表わす。 宇宙船に搭載され得る、本発明による巻尺を用いた六脚構造の要素を表わす。

本発明の基礎となる概念は、熱的に駆動され、調整された展開を伴う、プレストレスト巻尺と呼ばれる構造を生み出すために２つの材料を組み合わせて使用することに依拠する。

本発明は巻かれた巻尺の関連において以下に記述されるが、折り畳まれた巻尺の関連としても述べられ得る。

図１は支持層１１と、高いガラス転移温度を有するポリマーを含む最上層１２とを備える、本発明による巻尺１０を概略的に表わす。

図２は展開中の巻尺の様々な領域をより詳細に表わす。第１端Ｅｉは一般に、表わされていない要素に結合されている。巻尺１０は巻かれていない領域Ｚｄ、いわゆるポリマー・ベースの最上層の剛性を強力に低減できる温度上昇を受ける遷移領域Ｚｔ、および予め巻かれた、加熱されていない領域Ｚｒを含む。

初期の位置において、巻尺は従って自身に巻き付けられ、いわゆるポリマー・ベースの最上層の挙動を修正する熱の働きの下で、本発明により展開されることができる。

巻尺は従って、そのガラス状態とそのゴム状態との間で、剛性の大きな変化を示す１つ以上のポリマーの層に結合された、宇宙用途のための長いカーボンファイバー／エポキシ樹脂ファイバータイプの積層複合材であり得る、第１の材料の１つ以上の層からなり、ガラス状態はそのガラス転移温度未満の温度に対する材料の状態であり、ゴム状態はより高い温度に対するその状態である。

複合層は巻尺タイプの幾何学的形状、すなわち横の湾曲を持つテープの幾何学的形状を有する。

ポリマーの少なくとも１つの層は複合層に結合している。Ｔｇと称されるそのガラス転移温度未満では、ポリマーの層は巻尺をその巻かれた状態に保つために十分な剛性がある。

ポリマーをそのガラス転移温度Ｔｇよりも高温にする、局部的な加熱が加えられるとき、ポリマーはその剛性を減少させ、ひいては徐々に複合材料に対するその張力を緩める。巻尺はそのとき、ポリマー層の局部的な再加熱に応じて、自律的におよび徐々に巻き戻される。

従って提案されている解決策は、複合材料で作られる巻尺と、標準ポリマー材の第２の層との組合せに依拠する。この系は局部的または全体的な温度上昇の影響下で、巻尺をゆっくりとした、制御可能な動力学で展開出来るようにする。

様々なポリマーが想定され得るが、それらは全て次の特性を持たなければならない：
・ガラス状態とゴム状態との間での、剛性の大きな変動。
・ガラス転移温度は計画された用途に適合しなければならない。ガラス転移温度は従って、系がその展開の前にさらされる温度よりも高くなければならない。しかしながら、一旦巻尺あるいは巻尺を含む構造が展開されると、複合層はその安定状態にあり、それゆえ自然に再度巻かれることは出来ないため、この巻尺はガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度で使用され得る。

２０℃における宇宙用途に対しては、Ｔｇ＝６７℃程度で剛性の著しい跳ね上がりを有する、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような材料が良く適する。塩化ビニル（８０＜Ｔｇ＜８５℃）またはアタクチックポリメタクリル酸メチル（Ｔｇ＝１０７℃）のような、他の材料もまた想定され得る。

さらに、ポリマー層は複合層に結合していなければならない。これは接着剤を用いた貼り付け、および適切な表面処理（化学的エッチング、コロナ放電、プラズマ処理）によって行なわれ得る。溶融状態または溶媒におけるコーティングの製作もまた想定され得る。別の解決策は複合層上のポリマーの直接重合であってもよい。

一旦ポリマー層が複合層と結合すると、最初の巻きまたは折り畳みを作ることが可能である。

本組立体はポリマー材料のガラス転移温度Ｔｇよりも高い温度にする。この状態で、ポリマーはその剛性を低減し、ひいては複合層を巻いたり、または折り畳んだりすることを容易に達成出来るようにする。

巻かれた形状は、次にガラス転移温度Ｔｇよりも低い温度で固定される。

このガラス転移温度Ｔｇ未満では、ポリマー層は剛性となり、そのとき複合層が自然に巻き戻る力に対抗し得る。次に巻尺は巻かれた形状に固定される。

熱が加えられ、材料をガラス転移温度Ｔｇよりも高温にすると、ポリマーは再び低下する剛性を示し、従って巻尺に対する張力を徐々に緩和し得る。巻尺は次にポリマー層の局部的な再加熱に応じて自然に、徐々に巻き戻される。

提案されている巻尺を巻き戻すために、巻尺の遷移領域、すなわちテープの巻かれた部分と巻かれていない部分との間に位置する部分に対して限られた局部的な加熱を加えることが必要である。

局部的な加熱は様々な方法で：
・遷移領域に面して位置する赤外線ランプを用いて、
・ポリマー表面に抵抗発熱体１２１を含む巻尺を表わす図３に例示されているような、展開に応じてその作動が連続的に行われる、巻尺に接着あるいはスクリーン印刷された抵抗発熱体を用いて、
・太陽放射への露出によって
行なわれ得る。

従って、巻尺はモータを用いる必要がなく、緩やかで制御可能な動力学で展開され得る。

熱的に巻き戻すことができるこのタイプの巻尺の使用によって、将来の宇宙望遠鏡の構造を対象とした展開可能な六脚プロトタイプの製作に関して、有利に想定されることができる。その概念は、金属の巻尺およびその機構を、熱的に巻き戻すことができる巻尺に置き換えることに依拠する。従って、熱的な作動は六脚の各テープが徐々に巻き戻されることを可能にし、最上部のプラットフォームが衝撃を受けずに確実に位置決めする。

図４はその巻き戻しが対象物を展開するために用いられる、巻尺を含む六脚タイプの構造の展開を例示している。図示された光線の存在は、展開された構造が正確に位置していることを示す。例えば、それはプラットフォーム３０がベース２０に対して正確に位置していることを示す。この光線は例えば、プラットフォーム３０上に位置する二次ミラーと、ベース２０の下に位置するレシーバーとの間の光路に対応し、従ってそれはベース２０につながれたレシーバーと、プラットフォーム３０上に位置する二次ミラーとが正確に位置合わせされている場合にのみ可能である。

六脚構造は、より具体的には一方で手段２１を介してベース２０に固定され、そして手段３１を介してプラットフォーム３０に固定されている、６本の巻尺１０を備える。ベースはさらに、巻尺１０を巻く手段２２を装備する。

初期位置において、巻尺の小部分が展開される。

徐々に、そして表されていない加熱手段を用いて、巻尺は展開され、同時に光学タイプの構成要素３２を全体的に支持している最上部のプラットフォーム３０を展開するために使用される。最上部のプラットフォーム３０は例えば、光線をベース２０により支持された一次ミラーから、ベースの後側に固定されたレシーバーに返すことを可能にする、二次ミラーを含むことができる。

図５ａ〜５ｄはその脚部が、一方で展開される対象物、典型的には光学要素がその上に位置する最上部のプラットフォームにつながれ、そして最下部のベースにつながれている巻尺で作られた、望遠鏡構造において有利に使用され得る、六脚構造の各種構成要素を例示している。

図５ａは光学要素タイプの対象物を展開するために用いられる本発明による巻尺の斜視図である。

図５ｂは巻尺の端部につながれた展開される対象物の平面図を表す。

図５ｃは六脚の足部のベースおよび巻き取り機構の図である。

図５ｄは巻尺を最上部のプラットフォームにつなぐインターフェースの図である。

この解決策の主な利点は、その著しい単純さと、その堅牢性である：展開のためには何の機構も必要としない。さらに、一旦これが行なわれると、テープはポリマーによってあたかも「ロックされた」ようになり、これによりテープが確実に巻き戻され得ない。

さらに、展開は比較的ゆっくりした、そして制御された動力学で行なわれ、このことにより、（金属テープと異なり）行程の最後において非常に小さな衝撃を保証する。

記述された本発明は形状記憶を有する樹脂の使用を必要としない。それは大幅に安価でより広く入手可能な、標準のポリマー材料を使用する。

１０ 巻尺
１１ 支持層
１２ 最上層
２０ ベース
２１ 手段
２２ 巻尺を巻く手段、巻尺の巻きを解く手段
２３ 光学要素
３０ プラットフォーム
３１ 手段
３２ 光学タイプの構成要素
１２１ 抵抗発熱体、接着あるいはスクリーン印刷された抵抗発熱体タイプの要素

Claims (14)

1. 少なくとも２層の堆積を含む巻尺（１０）であって、
   前記巻尺が、複合材料（１１）をベースとした支持層と呼ばれる第１の層と、使用状態において、その要素を巻かれたまたは折り畳まれた位置に維持するために、ポリマーがガラス状態にあるような高いガラス転移温度を有する前記ポリマーをベースとした最上層（１２）と呼ばれる層とをさらに含むことを特徴とする巻尺。
2. 前記ポリマーが６７℃のオーダーのガラス転移温度を有する、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）タイプであることを特徴とする、請求項１に記載の巻尺。
3. 前記ポリマーが約８０℃〜８５℃の間のガラス転移温度を有する、ポリ塩化ビニルタイプであることを特徴とする、請求項２に記載の巻尺。
4. 前記ポリマーが１０７℃のオーダーのガラス転移温度を有する、アタクチックポリメタクリル酸メチルタイプであることを特徴とする、請求項２に記載の巻尺。
5. 前記複合材料がカーボン／エポキシタイプの積層材であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の巻尺。
6. 前記最上層が、接着あるいはスクリーン印刷された抵抗発熱体タイプの要素（１２１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の巻尺。
7. 前記複合材料の層と前記ポリマーの最上層との間に中間接着層をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の巻尺。
8. 前記ポリマーの最上層の厚さがおよそ０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の巻尺。
9. 前記支持層の厚さがおよそ０．２ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の巻尺。
10. 展開可能な要素がおよそ１ｍの長さと、およそ６０ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の巻尺。
11. −請求項１〜１０のいずれか一項に記載の巻尺（１０）と、
    −前記巻尺を巻く手段と、
    −前記巻尺を巻き戻すことにより展開されるプラットフォーム（３０）と、
    −ポリマーの最上層を加熱するための手段を備えた、巻尺を巻き戻す手段（２２）と、をさらに含む展開可能な構造。
12. ６本の巻尺を備えた六脚構造を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の展開可能な構造。
13. ベース（２０）と、前記ベース上に巻く手段を固定する手段（２１）とをさらに含むことを特徴とする、請求項１１あるいは１２のいずれか一項に記載の展開可能な構造。
14. 前記プラットフォームに位置する光学要素（２３）を含むことを特徴とする、請求項１１あるいは１２のいずれか一項に記載の展開可能な構造。

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