JP2016030486A - ソーラセイル及びそれを用いたソーラセイル宇宙機 - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙機本体の姿勢を変えない状態で軌道制御を効率的にできるソーラセイルを提供する。【解決手段】ソーラセイルが、宇宙機本体を１つの頂点とする３角形のセイルブロックＲに分割され、かつ、各セイルブロックが、矩形板状に形成されて、一方の面が反射面をなす小セイル１１と、小セイルの４コーナと係合して、複数の小セイルを所定間隔で並設・保持する連結体１２と、連結体の一端が連結されて、当該連結体の長さを調節することで、小セイルの反射面の角度を変えるアクチュエータ１４と、連結体の他端に設けられて、宇宙機本体がスピンした際に生じる遠心力で、複数のセイルブロックからなるソーラセイルを展開させる錘１３と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラセイル及びそれを用いたソーラセイル宇宙機に関する。

２０１０年にソーラ電力セイル実証機であるＩＫＡＲＯＳが、世界で初めての惑星間ソーラセイル宇宙機として打ち上げられた。このＩＫＡＲＯＳは、打ち上げ時にはソーラセイルを折りたたんで収納し、軌道に達すると機体をスピンさせ、そのときの遠心力で収納されたソーラセイルを展開する構成となっている。

このソーラセイルは、太陽等からの光を反射することにより、その反作用により推力を生む帆である。なお、このソーラセイルには、薄膜の太陽電池も搭載されている。

このとき、ソーラセイル宇宙機は、軌道変更・調整する際の姿勢制御において、ソーラセイルの向きを変更する必要がある。しかし、大きく膜を広げた衛星全体の姿勢を変えることは容易でない問題、及び、観測器など他機器の要求により衛星全体の姿勢が制約される問題があった。

そこで、特開２００４−３４５３８６号公報においては、図５に示すようなソーラセイル１１１が提案されている。このソーラセイル１１１は、ソーラセイル主膜面に圧電フィルムを用いて曲率を生じさせることにより、正の方向に傾斜する高反射率部１１６と負の方向に傾斜する低反射率部１１７を形成する。そして、高反射率部１１６が発生する推進力と低反射率部１１７が発生する推進力の合力の方向を制御して、ソーラセイルの姿勢を制御する駆動力を得るようになっている。

特開２００４−３４５３８６号公報

しかしながら、特開２００４−３４５３８６号公報にかかる構成では、一面のソーラセイル主膜面からなるソーラセイルであるため、光圧による軌道制御には姿勢変更を伴うが、大きく膜を広げた衛星の姿勢を変更するのは容易ではない。また、特に、観測を行いながら軌道制御を行う際には、観測対象に対する宇宙機本体の姿勢が規定されるため、必要な姿勢変更ができない場合が生じる。また、光圧ではなくエンジンを用いて軌道変更する構成でも、観測姿勢の制約からエンジンを効果的に起動させることができない場合が生じる。

そこで、本発明の主目的は、宇宙機本体の姿勢を変えない状態で軌道制御を効率的にできるようにしたソーラセイル及びそれを用いたソーラセイル宇宙機を提供することである。

上記課題を解決するため、宇宙機本体に取り付けられて、スピンすることで展開するソーラセイルにかかる発明は、ソーラセイルが、宇宙機本体を１つの頂点とする３角形のセイルブロックに分割され、かつ、各セイルブロックが、矩形板状に形成されて、一方の面が反射面をなす小セイルと、小セイルの４コーナと係合して、複数の小セイルを所定間隔で並設・保持する連結体と、連結体の一端が連結されて、当該連結体の長さを調節することで、小セイルの反射面の角度を変えるアクチュエータと、連結体の他端に設けられて、宇宙機本体がスピンした際に生じる遠心力で、複数のセイルブロックからなるソーラセイルを展開させる錘と、を含むことを特徴とする。

また、ソーラセイル宇宙機にかかる発明は、上記ソーラセイルを、宇宙機本体の周りに展開可能に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ソーラセイルを複数のセイルブロックに分割し、かつ、各セイルブロックを傾斜角が変えられるように設けた小セイルで構成したので、宇宙機本体の姿勢を変えることなく、光圧による軌道制御ができるようになる。

ソーラセイル宇宙機の構成を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 ソーラセイル宇宙機が飛翔する様子を示した図である。 アクチュエータにより小セイルの傾斜角を変える様子を示した図で、（ａ）はソーラセイル宇宙機に推進力が作用しない場合、（ｂ）は図面右方向に推進力が作用する場合、（ｃ）は図面左方向に推進力が作用する場合の図である。 関連技術の説明に適用されるソーラセイルの図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかるソーラセイル宇宙機２の構成を示す図である。

ソーラセイル宇宙機２は、宇宙機本体４の周囲に展開されるソーラセイル１０を備える。

ソーラセイル１０は、宇宙機本体４を頂点とする三角形状に複数分割されている。以下、分割された領域をセイルブロックと記載する。図１のソーラセイル１０は、４つのセイルブロックＲ１〜Ｒ４（Ｒ）に分割されて、展開された際には概ね正方形の外形をなしている。無論、ソーラセイル１０の外形は、正方形に限定されるものではなく、例えば、６角形、８角形等の多角形（円を含む）であっても良い。

各セイルブロックＲは、小セイル１１、連結体１２、錘１３、アクチュエータ１４により構成されている。そして、恰も窓に取り付けられるブラインドのように、アクチュエータ１４が連結体１２の長さを変えることにより、この連結体１２に連結された小セイル１１が角度を変えるようになっている。連結体１２としては紐が考えられる。

小セイル１１は、概ね矩形板状に形成されて、入射光等の入射光が入射する面（反射面）が鏡面に形成された薄膜体である。そして、セイルブロックＲには、長さの異なる小セイル１１を等間隔に配置されて、小セイル１１のコーナは、連結体１２により連結されている。従って、１つの小セイル１１には４本の連結体１２が連結されている。即ち、連結体１２は、小セイル１１の４コーナと係合して、複数の小セイル１１を所定間隔で並設・保持している。

図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図２において、ソーラセイル面Ｓに並行に左右２本の連結体１２が図示されている。そこで、入射光側の連結体１２を表連結体１２ａとし、反射面と反対側の連結体１２を裏連結体１２ｂと記載する。なお、ソーラセイル面Ｓとは、入射光側のソーラセイル１０がなす面とする。

アクチュエータ１４は宇宙機本体４側に設けられて、連結体１２の一端が取り付けられている。なお、連結体１２の他端には錘１３が設けられている。そして、アクチュエータ１４は、各連結体１２を宇宙機本体４側に引き寄せたり、離したりすることで、小セイル１１の傾斜角を調整する。ここで、傾斜角は、小セイル１１の反射面がソーラセイル面Ｓの法線となす角度と定義する。

次に、このようなソーラセイル宇宙機２において、光圧を利用して姿勢制御する方法について説明する。このとき、図３に示すように、ソーラセイル宇宙機２は、ミッション機器として望遠鏡を搭載し、軌道Ｔを飛翔しているとする。観測目標Ｐを観測する際には、ソーラセイル宇宙機２は望遠鏡の光軸を観測目標Ｐに合わせる。従って、軌道Ｔに沿って飛翔している際には、観測目標Ｐが望遠鏡の光軸上に位置するように、ソーラセイル宇宙機２の姿勢制御を行う必要がある。

例えば、図３においてソーラセイル宇宙機２が位置Ｑ１に位置して観測目標Ｐを観測している際に、軌道Ｔに沿って飛翔するために搭載エンジンを起動して軌道修正を行う場合を考える。この場合には、搭載エンジンはソーラセイル宇宙機２に機械的に固着されているので、噴射口等の位置を変えることができないことがある。即ち、搭載エンジンだけで観測目標Ｐの観測を継続しながら軌道制御を行うことが困難になる場合が生じる。

そこで、本実施形態においては、ソーラセイル１０に作用する光圧を利用して軌道制御の自由度を向上させる。なお、光圧による軌道制御の制御量や制御方向は、小セイル１１の傾斜角を調整することにより行う。

図４は、アクチュエータ１４により連結体１２を駆動して、小セイル１１の傾斜角を変える様子を示した図で、（ａ）はソーラセイル宇宙機２に推進力が作用しない場合、（ｂ）は図面右方向に推進力が作用する場合、（ｃ）は図面左方向に推進力が作用する場合の図である。

なお、図４において宇宙機本体４に対して右側のセイルブロックをＲ，左側のセイルブロックをＬで示す。例えば、右側の表連結体１２ａは表連結体１２ａ＿Ｒ、左側の表連結体１２ａは表連結体１２ａ＿Ｌである。

（１）推進力が作用しない場合：
この場合は、図４（ａ）に示すように、右側の小セイル１１＿Ｒの傾斜角θ＿Ｒと左側の小セイル１１＿Ｌの傾斜角θ＿Ｌとは、θ＿Ｒ＋θ＿Ｌ＝０を満たす。これにより、右側の小セイル１１＿Ｒには、ソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ１＿Ｒが作用し、左側の小セイル１１＿Ｌにはソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ１＿Ｌが作用して、ｆ１＿Ｒ＝ｆ１＿Ｌとなる。但し、力ｆ１＿Ｒと力ｆ１＿Ｌとの力の向きは逆である。この結果、右側のセイルブロックによる力と左側のセイルブロックによる力とが相殺し合って、ソーラセイル面Ｓに沿った推進力は働かない。

（２）右方向に推進力が作用する場合：
図４（ａ）の状態から裏連結体１２ｂ＿Ｌ、１２ｂ＿Ｒをアクチュエータ１４により宇宙機本体４側（矢印Ｋ２＿Ｌ、Ｋ２＿Ｒ方向）に引き寄せて、図４（ｂ）に示す状態にする。但し、引き寄せ量は、裏連結体１２ｂ＿Ｌより裏連結体１２ｂ＿Ｒの方を大きくする。これにより、右側の小セイル１１＿Ｒの傾斜角θ＿Ｒと左側の小セイル１１＿Ｌの傾斜角θ＿Ｌとは同じ符号の角度となり、右側の小セイル１１＿Ｒには、ソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ２＿Ｒが作用し、左側の小セイル１１＿Ｌにはソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ２＿Ｌが作用する。但し、力ｆ１＿Ｒと力ｆ１＿Ｌとの力の向きは同じである。この結果、右側のセイルブロックによる力と左側のセイルブロックによる力とが合成されて、ソーラセイル面Ｓに沿って図面右方向に推進力が働く。

（３）左方向に推進力が作用する場合：
図４（ａ）の状態から裏連結体１２ｂ＿Ｌ、１２ｂ＿Ｒをアクチュエータ１４により宇宙機本体４側（矢印Ｋ３＿Ｌ、Ｋ３＿Ｒ方向）に引き寄せて、図４（ｂ）に示す状態にする。但し、引き寄せ量は、裏連結体１２ｂ＿Ｒより裏連結体１２ｂ＿Ｌの方を大きくする。これにより、右側の小セイル１１＿Ｒの傾斜角θ＿Ｒと左側の小セイル１１＿Ｌの傾斜角θ＿Ｌとは同じ符号の角度となり、右側の小セイル１１＿Ｒには、ソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ３＿Ｒが作用し、左側の小セイル１１＿Ｌにはソーラセイル面Ｓに沿って力ｆ３＿Ｌが作用する。但し、力ｆ３＿Ｒと力ｆ３＿Ｌとの力の向きは同じである（図面の左方向）。この結果、右側のセイルブロックによる力と左側のセイルブロックによる力とが合成されて、ソーラセイル面Ｓに沿って図面左方向に推進力が働く。

なお、ソーラセイル宇宙機２を回転させる場合には、傾斜角θ＿Ｒと傾斜角θ＿Ｌとを異なる角度にする。例えば、図４（ｃ）において、傾斜角θ＿Ｒ＜傾斜角θ＿Ｌのように異なる角度にする。このとき、力ｆ３＿Ｒ＜力ｆ３＿Ｌとなり、光圧によるソーラセイル面Ｓに垂直な力成分が、右側の小セイル１１＿Ｒより左側の小セイル１１＿Ｌの方が大きくなって、ソーラセイル宇宙機２の姿勢制御ができる。

また、ソーラセイル宇宙機２がスピンしている場合には、スピンに同期して各小セイル１１の傾斜角を調整する。

以上説明したように、ソーラセイル１０を複数のセイルブロックに分割し、かつ、各セイルブロックにおける小セイルの傾斜角を調整可能にしたので、ソーラセイル宇宙機の姿勢を変えることなく、光圧により軌道制御等が行えるようになる。

２ ソーラセイル宇宙機
４ 宇宙機本体
１０ ソーラセイル
１１ 小セイル
１２ 連結体
１２ａ 表連結体
１２ｂ 裏連結体
１３ 錘
Ｒ（Ｒ１〜Ｒ４） セイルブロック

Claims (4)

1. 宇宙機本体に取り付けられて、スピンすることで帆を展開するソーラセイルであって、
   前記ソーラセイルが、前記宇宙機本体を１つの頂点とする複数の３角形のセイルブロックからなり
   各セイルブロックは、
   矩形板状に形成されて、一方の面が反射面をなす複数の小セイルと、
   前記小セイルの４コーナと係合して、複数の前記小セイルを所定間隔で並設・保持する連結体と、
   前記連結体の一端が連結されて、当該連結体の長さを調節することで、前記小セイルの反射面の角度を変えるアクチュエータと、
   前記連結体の他端に設けられて、前記宇宙機本体がスピンした際に生じる遠心力で、複数の前記セイルブロックからなる前記ソーラセイルを展開させる錘と、を含む、
   ことを特徴とするソーラセイル。
2. 請求項１に記載のソーラセイルであって、
   前記連結体は紐であることを特徴とするソーラセイル。
3. 請求項１又は２記載のソーラセイルであって、
   前記アクチュエータは、スピンする前記宇宙機本体の回転位置に応じて、各セイルブロックにおける小セイルの傾斜角を調整することを特徴とするソーラセイル。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のソーラセイルを、宇宙機本体の周りに展開可能に備えたことを特徴とするソーラセイル宇宙機。

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