JP2018514441A - 積み重ね可能な人工衛星及び積み重ね可能な人工衛星を積み重ねる方法 - Google Patents

Abstract

垂直ピラーは上端部及び下端部を有する。上端部は上の人工衛星の垂直ピラーの下端部に結合され、下端部は下の人工衛星の垂直ピラーの上端部に結合される。垂直ピラーは、積み重ね可能な人工衛星及びその上のすべての他の人工衛星の垂直方向荷重の実質的にすべてを受ける。そのような垂直ピラーの使用は、分離機に対する必要性を取り除くか、又は分離機の重量を実質的に軽減して、実質的により多くの人工衛星を１つのペイロード中で搬送することを可能にする。

Description

本発明は人工衛星に関し、特に打ち上げ機におけるペイロード（ｐａｙｌｏａｄ）を最大化するための人工衛星の構造設計に関する。

人工衛星支持システムは通常、人工衛星を特定の接合平面及びボルトパターンを通じて打ち上げ機に接続する。個々の人工衛星は、そのような接合面に直接取り付けることができる。中地球軌道（ＭＥＯ）又は低地球軌道（ＬＥＯ）人工衛星の群のような複数の人工衛星を打ち上げるためには、支持システムは通常、接合平面から一端が押し出される（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｏｆｆ）主シリンダを有する分離機（ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）を使用する。個々の人工衛星は、次いでこの主シリンダの周縁周りに放射状に取り付けることができる。

そのような人工衛星支持システムの１つの欠点は、分離機が打ち上げの構造的要求を満たすための大きな容積及び重量を占めることである。通常、全ペイロード重量の１０〜２０％が分離機及び関連する機械的及び電気的インターフェースによって占められるが、打ち上げ及び分離の後には何ら利益を供しない。

この重量の課題に対処するために、中央分離機無しに、同じ寸法を有する複数の人工衛星を垂直に積み重ねる試みが行われた。この方法の１つの主な問題は、底部の人工衛星がその上の人工衛星のすべての重量を担持することによる。すべての人工衛星は同一であるので、それぞれの人工衛星は上に積み重ねられた人工衛星の最大数を支持するように設計されなければならない。例として、１０個の人工衛星が積み重ねられるとすると、それぞれの人工衛星は、その人工衛星がスタック内のどこに位置されるかにかかわらず、９個の人工衛星の垂直方向荷重を引き受けるように設計されなければならない。言わずもがなであるが、結果的な人工衛星のスタックは、必要である重さよりさらに重いものであった。

したがって、打ち上げ中に必要とされる構造の剛性及び強度を犠牲にすることなく、分離機の重量を軽減するか、又は除去さえする、人工衛星打ち上げ支持システムを提供することが望ましい。

本発明の１つの特徴によれば、フレーム及びこのフレームに取り付けられた少なくとも１つの垂直ピラーを備える積み重ね可能な人工衛星が提供される。この垂直ピラーは上端部及び下端部を有する。上端部は上の人工衛星の垂直ピラーの下端部に結合され、下端部は下の人工衛星の垂直ピラーの上端部に結合される。垂直ピラーは、取り付けられた積み重ね可能な人工衛星及びそれより上のすべての積み重ね可能な人工衛星の垂直方向荷重の実質的にすべてを受ける。そのような垂直ピラーの使用は、ペイロード内において、より多くの人工衛星を担持することを可能にするように、分離機の重量に対する必要性を除去するか、又は分離機の重量を実質的に軽くする。

本発明のまた別の一の特徴によれば、複数の積み重ね可能な人工衛星を含むペイロードを準備する方法が提供される。この方法は、積み重ね可能な人工衛星をベースの上に垂直に位置付けるステップを含む。積み重ね可能な人工衛星それぞれは、フレームと、このフレームに取り付けられた少なくとも１つの垂直ピラーを有する。人工衛星は、垂直ピラーの下端部が下の人工衛星の垂直ピラーの上端部に結合し、上端部が上の人工衛星の垂直ピラーの下端部に結合するように積み重ねられる。この態様で積み重ねられる際に、人工衛星の垂直ピラーは、このピラーに取り付けられた人工衛星及び上に積み重ねられた人工衛星の垂直方向負荷の実質的に全てを受ける。この方法は、積み重ねられた人工衛星を、これら積み重ね可能な人工衛星の垂直ピラーを通じて下向きの圧力をかけることによって打ち上げ機のベースに固定するステップをさらに含む。

本発明の一の特徴による積み重ね可能な人工衛星の斜視図である。 垂直ピラーを図１の積み重ね可能な人工衛星のフレームに取り付けるジョイントの斜視図である。 本発明の実施形態による図１の積み重ね可能な人工衛星の垂直ピラーの上端部及び下端部の断面図である。 本発明の異なる実施形態による図１の積み重ね可能な人工衛星の垂直ピラーの上端部及び下端部の断面図である。 本発明の一の特徴による図１の積み重ね可能な人口衛星を使用する複数の積み重ねられた人工衛星の側面断面図である。 本発明の別の一の特徴による、図１の積み重ね可能な人口衛星を使用する複数の積み重ねられた人工衛星の斜視図である。

簡潔に述べると、ここに説明される開示は、新規な人工衛星の設計、及び複数の人工衛星が打ち上げ機中において、一般的な重い分離機を使用することなく積み重ねられる方法である。人工衛星は互いの上に垂直ピラーを通じて直接的に積み重ねられ、これら垂直ピラーは、打ち上げ機の負荷の実質的にすべてを担持する。垂直ピラーは、上の人工衛星の主な静的及び動的な負荷を担持するように設計される。ピラーの幾何学的形状は、これら負荷が残りの人工衛星の構造を迂回し、底部ピラーが打ち上げ機の中へと負荷を運ぶまでピラーからピラーへ直接的に移送されるように、特に設計される。このように、垂直ピラーだけが、フレームのような人工衛星の残りの構造からの同じ性能基準を要求されることなく、非常に高強度かつ高剛性に設計される。さらに、これら負荷経路（ｌｏａｄ ｐａｔｈｓ）は、人工衛星の積み重ねを圧縮することにより圧縮状態に予備負荷をかけることによってより効果的にすることができる。予備負荷は、対向する方向における引っ張り負荷に抵抗し、それによって負荷を可逆的でなくするとともに、非線形のギャッピングレスポンスを軽減するか、又は除去する。

そのような垂直ピラーの使用は、分離機に対する必要性を取り除くか、又は分離機の重量を実質的に軽量化する。一旦、ペイロードが軌道に達すると、スタック中のそれぞれの人工衛星は次いで、打ち上げ機から個々に分離する。

図１は本発明の一の特徴による積み重ね可能な人工衛星の斜視図を示す。積み重ね可能な人工衛星５０は、フレーム５２と、下端部５６及び上端部５８を有する垂直ピラー５４と、アンテナ９０、燃料タンク９２、推進システム、ソーラーパネル、及びその種のもののような様々な人工衛星の構成要素を支持する複数のパネル６０と、を含む。垂直ピラー５４及びパネル６０は通常、人工衛星のフレーム５２にボルトによって取り付けられている。図示するように、フレーム５２の角部それぞれに配置された４つの垂直ピラー５４があり、人工衛星のフレーム５２の高さは全体を通じて均一であり、このことは、積み重ねにおける効率化を図っている。

積み重ね可能な人工衛星５０は４つの垂直ピラー５４を有して図示されているが、ここに開示される原理は１つ以上のピラーを有するすべての人工衛星に適用することができるが、３つ以上のピラーが好ましい。

図２はジョイント６６の斜視図を示しており、このジョイント６６は垂直ピラー５４を図１の積み重ね可能な人工衛星５０のフレーム５２に取り付けている。シヤタイ（ｓｈｅａｒ ｔｉｅ）のようなジョイント６６は、垂直ピラー５４を人工衛星のフレーム５２の上側フレーム部分５２ａ及び下側フレーム部分５２ｂに接続する。シヤタイ６６は垂直ピラー５４の周りに巻き付いて、人工衛星５０の垂直負荷を４つのピラーに均一に広げる。

シヤタイ６６はフレーム５２ａ、５２ｂにリベット８２又はボルトのような恒久的な機械固定具を通じて固定することができる。図示されているように、４つの上側固定具８２が垂直ピラー５４を上側フレーム部分５２ａに固定し、４つの下側固定具が垂直ピラー５４を下側フレーム部分５２ｂに固定する。図示されているように、４つのリベット８２が上側固定具として使用され、４つのさらなるリベット８２が下側固定具として使用されている。ピラー５４の、シヤタイ６６に接触する部分はわずかな円周方向の凹部を有することができ、それによってシヤタイを受け取ってピラー５４からの人工衛星５０の垂直方向の滑りを防止する。

垂直ピラーは、それぞれの人工衛星５０に恒久的に取り付けられるとともに、人工衛星がその特有の軌道の中に分離する際においてさえ、恒久的な部分であるように設計されている。

垂直ピラー５４は、それらが取り付けられている人工衛星５０及びその上のすべての他の人工衛星の重量を支持する必要がある。したがって、垂直ピラーは非常に高強度の材料からなる必要がある。例えば、オーステナイトニッケル‐クロムベースの超合金（例えば、ニューヨーク州ニューハートフォードのスペシャルメタルコーポレーションから入手可能なインコネル）のような合金又は複合材が使用される。

垂直ピラー５４が人工衛星５０の垂直方向負荷の実質的にすべてを受ける一方で、人工衛星のフレーム５２及びシヤタイ６６は人工衛星それ自身の重量を支持する必要しかない。したがって、それらは、アルミニウム、鋼、合成繊維、ガラス繊維、炭素繊維材料、及びその種のもののような比較的廉価な材料からなることができる。好ましくは、フレーム５２は炭素繊維材料を含み、この炭素繊維材料はアルミニウムのような金属に比較して比較的強くて硬く、重量が軽い。

垂直ピラー５４は、複数の人工衛星の重量を支持するという構造的完全性の要求のために比較的高価であるが、ピラーはペイロードの非常に小さな部分しか備えない。反対に、人工衛星のフレーム５２のコストは、それらがその自身のフレーム上のすべての人工衛星の重量を支持する必要がないので、比較的廉価であるとともに軽量である。したがって、既存の方法に比較して実質的なコスト及び重量の節約を達成することができる。

図３Ａは、そのすぐ上の１つの人工衛星５０の垂直ピラーの下端部５６を支持する１つの人工衛星５０の垂直ピラー５４の上端部５６の断面図である。図示されるように、上端部５８は、下端部５６の球状突起のようなわずかに凸の湾曲した形状（突出部分）を受けるとともに支持する、円錐状凹部を有する。上端部５８の円錐状凹部は、その上の人工衛星５０の垂直方向及び横方向の支持を提供する。

図３Ｂは、垂直ピラー５４の上端部５６及び下端部５８の代替的実施形態である。上端部５８は、下端部５６の相補的円錐台形状の凹部を支持するとともにそれと嵌合する円錐台形状（突出部分）を有し、それによって図３Ａの横方向支持より大きな横方向支持を提供する。

図４は、図１の積み重ね可能な人工衛星を使用した複数の積み重ねられた人工衛星の側面断面図である。図示された実施形態では、すべての人工衛星５０及び垂直ピラー５４は互いに同一である。図４に示すように、垂直に積み重ねられた人工衛星間の接触だけが垂直ピラー５４を通じて行われるように、人工衛星５０は互いに上に積み重ねられる。具体的には、積み重ね可能な人工衛星５０それぞれの垂直ピラー４８の上端部５８は、そのすぐ上の人工衛星の垂直ピラーのそれぞれの下端部５６に結合するとともに支持する。人工衛星５０間の垂直方向の接触だけが垂直ピラーを通じて行われるので、ピラーは、それらが取り付けられた人工衛星、並びにその上の積み重ね可能な人工衛星の垂直方向荷重の実質的にすべてを受ける。言い換えると、人工衛星のフレーム５２は、その上の積み重ねられた人工衛星の垂直方向荷重の実質的にいずれも受けることがない。

図示されているように、人工衛星の固定具６１は、上部蓋部６２、下部蓋部６４、テンションシャフト（ｔｅｎｓｉｏｎ ｓｈａｆｔ）６８、テンションシャフトベース７２、及び上部シャフトボルト７６を含む。テンションシャフト６８は、打ち上げ機の中心軸に沿って位置付けられて、人工衛星５０のスタックを垂直方向に圧縮する。テンションシャフト６８は、下部蓋部６４に取り付けられた下端部と、上部蓋部６２に取り付けられた上端部と、を有する。

下部蓋部６４に取り付けられた複数のテンションシャフト留め具７２は、テンションシャフト６８を横方向に支持する。下部蓋部６４は打ち上げ機のより上段上に直接取り付けるか、又はペイロードアダプタフィッティング（ｐａｙｌｏａｄ ａｄａｐｔｅｒ ｆｉｔｔｉｎｇ（ＰＡＦ））６５を通じて打ち上げ機のより上段上に間接的に取り付けることができる。その場合には、テンションケーブル７０は、一方の端部で下部蓋部６４に取り付けられ、他方の端部でＰＡＦ６５に取り付けられて、下部蓋部を打ち上げ機に固定する。

上部蓋部６２は、ボルト７６がそれを通じてねじ止めされる中央開口部を有する。ボルト７６は蓋部６２をテンションシャフト６８に取り付ける。同様に、下部蓋部６４は、それを通じてボルト（図示されていない）が蓋部をテンションシャフト６８に取り付ける中央開口部を有する。上部蓋部６２及び下部蓋部６４は複数の筋交い（ｓｔｒｕｔ）７８を有する。

それに搭載されるすべての人工衛星の重量を支持する必要がある従来の分離機とは異なり、テンションシャフト６８はそのような重量を支持する必要がない。したがって、テンションシャフト６８は、以前に必要とされたより実質的に軽く細く作ることができる。

上部蓋部６２のための筋交い７８の遠位端は、最も上部の人工衛星５０のピラー５４のそれぞれの上端部５８と嵌合するように形成されて、それぞれの外側ピラー及び内側ピラーを通じて下向きの圧力を適用して、打ち上げ中の横方向の人工衛星の動きの可能性を軽減するか、又は取り除く。言い換えると、上部蓋部６２のための筋交い７８の遠位端は、垂直ピラー５４の下端部５６と同一である。

同様に、下部蓋部６４のための筋交い７８の遠位端は、最も下の人工衛星５０のピラー５４のそれぞれの下端部５６に嵌合するように形成される。特に、下部蓋部６４のための筋交い７８の遠位端は、垂直ピラー５４の上端部５８と同一である。上部蓋部６２及びボルト７６は、既知の方法によって軌道において外れるように設計され、それによって人工衛星５０が打ち上げ機から分離するのを可能にする。

図５は、本発明のまた別の特徴による、図１の積み重ね可能な人工衛星を使用した複数の積み重ねられた人工衛星の斜視図である。明瞭化のために、人工衛星の固定具６１のいくつかの部分はこの図には示されていない。図示されるように、１つのペイロードにおいて打ち上げられ得る合計７２の人工衛星のために、８つの積み重ね可能な人工衛星５０が中央垂直軸の周りに水平に配置され、９つの人工衛星が人工衛星のカラムそれぞれに対して垂直に積み重ねられる。

人工衛星の設計における垂直ピラーの新規な使用が説明されてきた。垂直ピラーは、上の人工衛星の主な静的及び動的な荷重を迂回させるように設計されている。このように、垂直ピラーのみが、人工衛星の他の残りの構造からの同じ性能基準を要求されることなく、非常に大きな強度及び剛性のために設計される。そのような垂直ピラーの使用は、分離機に対する必要を取り除くか、又は分離機の重量を実質的に軽くして、例えば図５に図示するように、１つのペイロードにおいて実質的により多くの人工衛星を担持することを可能にする。

本開示が２〜３の実施形態を記載しており、本発明の多くの変形体が、当業者によってこの開示を読んだ後に容易に考案され得ることが理解される。例えば、ここに開示された本発明の概念は、特にＬＥＯ及びＭＥＯ人工衛星に好適であるが、他の人工衛星に対しても適用することができる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の記載によって決定される。

５０ 積み重ね可能な人工衛星
５２ フレーム
５２ａ 上側フレーム部分
５２ｂ 下側フレーム部分
５４ 垂直ピラー
５６ 下端部
５８ 上端部
６０ パネル
６１ 人工衛星の固定具
６２ 上部蓋部
６４ 下部蓋部
６５ ペイロードアダプタフィッティング（ＰＡＦ）
６６ ジョイント、シヤタイ
６８ テンションシャフト
７０ テンションケーブル
７２ テンションシャフトベース
７６ 上部シャフトボルト
７８ 筋交い
８２ 固定具
９０ アンテナ
９２ 燃料タンク

Claims (20)

1. 積み重ね可能な人工衛星であって、
   フレーム；及び
   前記フレームに取り付けられるとともに上端部及び下端部を有する少なくとも１つの垂直ピラーであって、前記上端部は上の積み重ね可能な人工衛星の前記垂直ピラーの前記下端部に結合されるように適用され、前記下端部は下の積み重ね可能な人工衛星の前記垂直ピラーの前記上端部に結合されるように適用された、垂直ピラー
   を備え、
   前記垂直ピラーは、前記積み重ね可能な人工衛星及び前記上の積み重ね可能な人工衛星の実質的にすべての垂直負荷を受け取る、積み重ね可能な人工衛星。
2. 前記少なくとも１つの垂直ピラーは、互いから離間する少なくとも３つの垂直ピラーを含み、前記少なくとも３つの垂直ピラーは、前記積み重ね可能な人工衛星及びすべての前記上の積み重ね可能な人工衛星の垂直方向荷重の実質的にすべてを受けることを特徴とする請求項１に記載の積み重ね可能な人工衛星。
3. 前記フレームは少なくとも４つのコーナーを含み；
   前記少なくとも１つの垂直ピラーは、前記４つのコーナーのそれぞれ１つに位置する少なくとも４つの垂直ピラーを含み；
   前記少なくとも４つの垂直ピラーは、前記積み重ね可能な人工衛星及びすべての前記上の積み重ね可能な人工衛星の垂直方向荷重の実質的にすべてを受けることを特徴とする請求項１に記載の積み重ね可能な人工衛星。
4. 前記垂直ピラーを前記フレームに取り付ける少なくとも１つのシヤタイをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の積み重ね可能な人工衛星。
5. 前記フレームは上部部分及び下部部分を含み、
   前記シヤタイは、前記垂直ピラーを前記フレームの前記上部部分に固定する上側固定具と、前記垂直ピラーを前記フレームの前記下部部分に固定する下側固定具と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の積み重ね可能な人工衛星。
6. 前記積み重ね可能な人工衛星の前記垂直ピラーは、前記上の人工衛星及び前記下の人工衛星の前記垂直ピラーに、垂直方向に隣接する人工衛星間の接触だけが前記垂直ピラーを通じて行われるように結合されていることを特徴とする請求項１に記載の積み重ね可能な人工衛星。
7. 前記垂直ピラーの前記２つの端部のうちの一方は突出部分を有し、前記垂直ピラーの他方は、前記一方の端部の前記突出部分を受け取るように形成された凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の積み重ね可能な人工衛星。
8. 複数の積み重ね可能な人工衛星であって、それぞれの前記人工衛星が、
   複数の人工衛星の構成要素を支持するためのフレームと、
   前記フレームに取り付けられた少なくとも３つの垂直ピラーであって、それぞれの前記垂直ピラーが、上の積み重ね可能な人工衛星のそれぞれの垂直ピラーの下端部に結合するとともに支持するように適用された上端部と、下の積み重ね可能な人工衛星のそれぞれの垂直ピラーの上端部に結合するとともに支持されるように適用された下端部と、を有し、前記垂直ピラーが前記それぞれの人工衛星と、すべての前記上の積み重ね可能な人工衛星と、の実質的にすべての垂直負荷を受ける、少なくとも３つの垂直ピラーと、
   を有する、積み重ね可能な人工衛星システム。
9. 垂直方向に隣接する人工衛星間の接触のみが、前記垂直ピラーを通じて行われることを特徴とする請求項８に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
10. 前記積み重ね可能な人工衛星を打ち上げ機に固定するように適用された人工衛星固定具をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
11. 前記固定具は、前記積み重ね可能な人工衛星の最も上の人工衛星上に配置された蓋部を含み、前記最も上の人工衛星の前記垂直ピラーの前記上端部に下向きの圧力をかけることを特徴とする請求項１０に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
12. 前記固定具は、前記打ち上げ機に取り付けられた下端部及び前記蓋部に取り付けられた上端部を有するシャフトをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
13. 互いの上に積み重ね可能な、積み重ね可能な人工衛星のＶ個の垂直レベルと、Ｈ個の水平方向に配置された積み重ね可能な人工衛星の数があり、それによってペイロードにおけるＶ×Ｈ個の人工衛星を提供し、Ｈは少なくとも２である、請求項１１に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
14. 前記蓋部は、それぞれが下向きの圧力を垂直ピラーにかけるように前記最も上の人工衛星の前記垂直ピラーのそれぞれの上端部に結合するように適用された遠位端を有する複数の筋交いを含むことを特徴とする請求項１３に記載の積み重ね可能な人工衛星システム。
15. 複数の積み重ね可能な人工衛星を含むペイロードを準備する方法であって、
    複数の積み重ね可能な人工衛星を垂直に積み重ねるステップであって、それぞれの前記積み重ね可能な人工衛星は：
    フレーム；及び
    前記フレームに取り付けられるとともに上端部及び下端部を有する、少なくとも１つの垂直ピラー
    を有し、
    前記それぞれの人工衛星の前記垂直ピラーの前記下端部が、前記それぞれの人工衛星の下の積み重ね可能な人工衛星の前記垂直ピラーの上端部に結合され、前記それぞれの人工衛星の前記垂直ピラーの前記上端部が、前記それぞれの人工衛星の上の積み重ね可能な人工衛星の前記垂直ピラーの前記下端部に結合され、前記それぞれの人工衛星の前記垂直ピラーは、前記それぞれの人工衛星及び前記それぞれの人工衛星の上に積み重ねられたその他の積み重ね可能な人工衛星の実質的にすべての垂直方向荷重を受ける、複数の積み重ね可能な人工衛星を垂直に積み重ねるステップと、
    前記積み重ねられた人工衛星の前記垂直ピラーを通じて下向きの圧力をかけるように、前記積み重ねられた人工衛星を打ち上げ機に固定するステップと、
    を備える、方法。
16. 前記積み重ねるステップが、垂直方向に隣接する人工衛星間の接触のみが前記垂直ピラーを通じて行われるように、前記積み重ね可能な人工衛星を積み重ねるステップを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記固定するステップが、
    蓋部を前記積み重ね可能な人工衛星のうちの最も上の人工衛星の上に載置するステップと、
    前記最も上の人工衛星の前記垂直ピラーの前記上端部に下向きの圧力をかけるステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記固定するステップが、シャフトの下端部を前記打ち上げ機に取り付けるステップと、上端部を前記蓋部に取り付けるステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 互いの上に積み重ねられた積み重ね可能な人工衛星のＶ個の垂直レベルがあり、
    前記方法が、それぞれの垂直レベルに対してＨ個の積み重ね可能な人工衛星を水平方向に配置するステップであって、前記ペイロードにおけるＶ×Ｈ個の人工衛星を提供する、ステップを備え、Ｈは少なくとも２であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. 前記それぞれの人工衛星が少なくとも３つの垂直ピラーを有し、
    前記方法が、蓋部を最も上の水平方向に配置された人工衛星の上に載置するステップをさらに備え、前記蓋部は、前記垂直ピラーに下向きの圧力をかけるように、前記最も上の水平方向に配置された人工衛星の前記垂直ピラーのそれぞれの上端部に結合するように適用された上端部を有する複数の筋交いを有することを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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