JP3038228B2 - 衛 星 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は衛星の姿勢安定装置または補償システムに関
する。

どのような軌道にあっても衛星はその環境に対してゆ
るやかに変る外乱トルクを受ける。外乱トルクの主な原
因としては、 大気抵抗（とくに低い軌道の場合） 太陽輻射圧 地球の引力勾配 地球の磁場 などがある。

これらのトルクが一般に現れるのは、衛星の機械的設
計または幾何学的形状や使用されている材料の機械的あ
るいは光学的特性が対照的でないからである。

安定して旋回している衛星の場合は、衛星本体の回転
によってジャイロ剛性が生じ、それによってこのような
外乱は阻止される。

３軸が安定化された衛星の場合、通常はずみ車によっ
てジャイロ剛性が人工的に作られている。外乱トルクの
効果−運動モーメントベクトルの変化−ははずみ車の速
度を適当に制御する（速度差をつける）ことによりなく
すことができる。はずみ車が制限速度に達すると、姿勢
制御アクチュエータ（通常は反動推進エンジン、ソーラ
セイル、磁気コイルなど）を用いてはずみ車を未飽和に
している。

反動推進エンジンの主な欠点は、これを用いた場合急
激に姿勢に変化が生じ、この姿勢の揺れがなくなるのに
長い時間が掛かり、衛星の仕事が中断されるため、地上
観測に苛立ちを生じさせるということである。

磁気コイルを用いると連続的な補正が可能である。し
かし、磁場の低い値（約10^-7テスラ）に対して補正しよ
うとするトルクの大きさ（衛星の非対称の程度に応じて
10^-5から10^-4）によって通常100−1000アンペア回数/m²
の性能が必要となり、従って磁気コイルの質量が高くな
る（10−20kgまたはそれ以上）。従って通常は、磁気コ
イルの使用ははずみ車に速度差をつけるために衛星の単
軸に対する制御に限定される。

非対称の度合の高い形状の衛星もある。例えば、多く
の地上観測の仕事はいろいろな赤外線波長で満足のいく
ような性能を発揮するには赤外線装置の焦平面を冷却さ
せなければならない。これに必要な温度（＜100゜K）は
通常衛星の太陽に向いていない北面または南面に設置し
てある受動ラジエータによって得られる。

３軸の衛星の場合は、これらの面は通常一定方向に指
向可能の太陽発電機の２つの羽根を取り付けるのに用い
られる。このような付属品は受動ラジエータの正確な作
動の邪魔になる。というのは受動ラジエータにとっては
宇宙の寒さの中での視野がなにものによっても全然邪魔
されないことが必要だからである。

このようなことであるところから、例えば、ラジエー
タに対向する面に単羽根式太陽発電機を取り付けた非対
称の形状が用いられている。通常の構成によって生じる
高い太陽輻射圧トルクを補正するには太陽発電機の羽根
に対向する、長いブームの端部の面にソーラセイルを設
置しなければならない。このトルクの大きさ（約10^-4N
m）と方位とから磁気コイルがこの用途に向いていない
ことが分かる。

その高い質量は別として、このような解決策には以下
のような欠点がある： − ソーラセイルは必ず視野の中にあるから冷却装置の
性能が落ちる。

− ソーラセイルの作動展開によって機能の一点が不全
となるため、信頼性の理由からこれを回避しなければな
らない。

− 太陽輻射圧トルクは（地球軌道の平面の傾斜によ
る）季節の変化の影響を受けやすいが、太陽輻射圧トル
クに対して生じるトルクを調整することは不可能であ
る。

本発明は、太陽発電機を装備し、計量で、信頼性があ
り、コンパクトで、エネルギー消費の点からも経済的で
あり、外乱トルク、とくに太陽輻射圧によるトルクを効
果的に減衰させるようにした姿勢安定装置をも装備した
衛星を提案することにより上記欠点をなくすことを目的
としている。

本発明は、その本体に対して一定方向を向かせること
ができ、かつ常時太陽に向くようになっている縦横移動
自在の太陽発電機と、姿勢安定装置または補償システム
とをそなえた衛星において、姿勢安定装置が太陽発電機
に連結された支持体により支持され、かつ太陽とは反対
側の前記支持体の側面に配置された超伝導材からなる閉
ループと、この閉ループとほぼ同じ形状とサイズを有
し、かつ閉ループの近辺で前記支持体により支持され
た、閉ループに平行の第２ループと、少なくとも前記閉
ループの一部の近辺で前記支持体により支持された抵抗
回路（resistive circuit）と、前記第２ループと前記
抵抗回路とに電気的に接続された制御回路とからなる衛
星にある。

本発明の好ましい特徴は、超伝導材からなる閉ループ
は太陽発電機のパネルと平行の平面内にあり、支持体を
太陽発電機のパネルに機械的に連結された別のパネル
か、または（太陽電池を支持する）太陽発電機のパネル
とし、支持体を別のパネルとするならば支持体は衛星本
体からもっとも離れた太陽発電機の端部に連結されてお
り、閉ループは低熱伝導性手段により支持体に機械的に
連結された支持フレームの上に装着され、第２ループは
閉ループの反対側の支持体の面に配設され、抵抗回路と
第２ループは太陽発電機から給電を受け、太陽発電機は
例えば羽根を一つしかそなえていない非常に非対称的な
形状をなしていることである。

従って、本発明が提案する解決策は、閉ループを太陽
発電機の羽根に取り付けて、これを地球の磁場と相互作
用させて太陽輻射圧トルクとほぼ等しく、かつ逆のトル
クを生起させる。この閉ループは太陽発電機（太陽パネ
ルまたはその付属品の一つ）の影になる側（太陽輻射を
受けない側）に衛星本体から適当な距離の部分に取り付
けて、電流を通す超伝導材の使用に合った温度の所に配
置される。

姿勢安定装置の閉ループは、超伝導材（例えばYBa₂Cu
₃O₇,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀またはBi₂Sr₂CaCu₉O₈）からなり、
この閉ループの臨界温度は周囲の構成部品（太陽発電
機、衛星本体）から受ける温度に適合している。そして
閉ループの磁場モーメントを地球の磁場との相互作用に
より衛星上に生じた太陽輻射圧トルクとほぼ等しく、か
つ逆のトルクが生ずるようにすることをこの閉ループは
特徴としている。この閉ループの外形や断面はどのよう
なものであってもよいが、支持体は上記の超伝導の閉ル
ープの少なくとも一部を制限された時間（一分間から数
分間）で加熱してこれを非超伝導状態に移行せしめるよ
うにした従来からの抵抗材（ニッケルクロミウム、黒鉛
など）からなる抵抗回路を支持する。更に前記支持体に
は従来の伝導材（例えば、アルミニウムまたは他の材料
のコイル）からなる第２ループが上記閉ループのそばに
置かれている。この第２ループは閉ループ内の電流を初
期化すること、初期化ができなければ閉ループの代わり
に用いられることを条件としている。

一つのループから他のループへの移転により得られる
（磁束の保存）とした公称条件において第２ループは閉
ループに要求される磁束に等しい磁束を発生することが
できることを特徴としている。

姿勢安定装置または補償システム全体は太陽発電機の
パネルか、または太陽発電機の付属品に設けてもよい。

太陽発電機が折り畳まれている場合は、この装置を太
陽発電機の内側か外側（宇宙側）のいずれに取り付けて
もよい。前の解決策には太陽発電機を移動させずに移転
軌道でこれを作動せしめることが可能であるという利点
がある。

主な動作は連続的に以下のように行われる。

1.太陽発電機を軌道において完全に開く。姿勢安定装置
の閉ループを超伝導状態になる温度に熱的に安定化させ
る。

2.閉ループを加熱して、非超伝導状態（Ｔ＞Tc）に移行
させる。

3.第２ループを付勢させて姿勢安定装置の閉ループに公
称磁束を発生させる。この初期化に必要な電力は、加熱
に必要な電力と同様に、太陽発電機により供給される。

4.加熱作業を停止する。

5.第２ループの付勢を停止する。

6.閉ループは公称条件で動作し、発生したトルクは太陽
輻射圧トルクにほぼ匹敵する。

7.太陽輻射圧の季節上の変化と釣り合うように第２ルー
プが付勢されてトルクが制御される（閉ループと第２ル
ープは複数であってもよくいかなる所定時間においても
その数は変えられる）。

本発明の目的、特徴、利点は添付の図面と関連させて
非限定的実施例を挙げて以下説明することにより明らか
となる。

第１図は本発明による衛星の通常の形状を示してい
る。

衛星は先ず衛星本体１をそなえ、その本体には格納形
状（発射時の状態）から稼働形状に展開されてブーム３
により衛星本体１に連結されることができる太陽発電機
２が装備されている。太陽発電機は衛星本体に対して一
定方向に向かせることができ、公知の手段により常に太
陽に向くようになっている。

さらに、衛星は太陽発電機に支持された姿勢安定装置
４または補償システムをそなえている。

本実施例では、衛星は地球に対して静止している状態
の軌道上にあり、非対称の形状をなし（太陽発電機は北
に向いている一つの羽根しか有していない）太陽発電機
のパネルには太陽の輻射圧力による外乱トルクＴが生じ
ている。約10^-4NmのトルクＴに関する平均値について以
下検討する。

このトルクを補正するのに必要な磁気モーメントはＭ
＝T/Bであるが、宇宙におけるこの位置での地球の磁場
が約10^-7テスラであるとするとおよそ1000アンペア回
数.m²である。

この太陽発電機の一般的な寸法（長さが５〜10m、幅
が１〜2.5m）や衛星の発射時における格納状態では実際
は太陽発電機のパネル、あるいはこの実施例では一般に
は1.5平方メートルの別のパネルに閉ループ７を取り付
けることが可能である。この別のパネルは他のパネルと
同じように太陽発電機の自由端部に連結されている。

姿勢安定装置４または補償システムは支持体（別のパ
ネルであってもよい）６と、超伝導材の閉ループ７と、
支持フレーム８と、第２ループ９と、抵抗回路10と、制
御回路11とからなっている。

支持体６は複合材（例えば、グラスファイバ“Nida"
と炭素板でサンドイッチした“NOMEX"タイプ）製の板で
もよい。概ね支持体６の横方向の寸法は約1.5cm厚であ
る。

この支持体６の太陽の放射線に曝されている側の面を
高反射能材12（SSM:第２表面鏡，またはOSR:光学表面反
射器）で被覆して、温度を最小限度に押えている。

閉ループ７はYBa₂Cu₃O₇超伝導材からできており、か
つ姿勢安定装置または補償システムの主電流ループを形
成している。他の超伝導材、例えばBi₂Sr₂CaCu₂O₈,Th₂B
a₂CaCu₂O₈,Bi₂Sr₂Ca₂Cu₂O₁₀なども使用できる。この場
合、これの外形は円形のストリップに対応するようにな
っている。超伝導材を基板上に薄い層状に蒸着させる場
合は他の形状も使用可能である（高電流密度に合うよう
に角部に丸みをもたせた矩形）。

ストリップの一般的な寸法は、 − ループの外形：約1.5m − 幅：約1cm − 厚さ：約10−100μｍである。

これらの値は10⁴−10⁵アンペア/cm²の電流密度を考慮
に入れたものであり、従って所望の磁場モーメントを得
るのに必要とされる電流に対する適合性がある。この場
合、 Ｉ＝1000Am²/π（1.5/4）^２＝約600A 支持フレーム８は前記閉ループ７を支持し、リングの
形状をしている。支持体６と同じように、この支持フレ
ーム８は複合材で作ってもよく、閉ループ７の温度をそ
の超伝導状態（そこそこの余裕を持たせて約75゜K）に
対応する値に保持するのに備えて適切な被覆が施されて
いる。支持フレーム８の被覆には閉ループ７側には黒ペ
ンキを用い、また他方側（支持体６側）には熱絶縁性の
被覆層を幾層にも施している。

支持フレーム８は、熱伝導性が非常に低くかつ支持体
６と支持フレーム８の間に適当な間隔を持たせるのに十
分な高さの材料（例えば炭素繊維）から作った低熱伝導
性手段13によって支持体６に機械的に連結されている。

第２ループ９は伝導材（例えばアルミニウム）から作
られており、閉ループ７における電流を初期設定するよ
うになっている。第２ループ９の外側の寸法は閉ループ
（匹敵する回路の断面、匹敵する外径）の寸法とほぼ同
じであり、超伝導状態になった時に閉ループ７上におけ
る熱衝撃が少なくなるように第２ループは反対側（陽光
に曝された側）に設置され電流が流されている。

この第２ループは実際は巻線が閉ループ７と平行にな
っているコイルである。

閉ループ７が初期設定されるとき、第２ループ９は衛
星に搭載された制御回路で太陽発電機により必要な時間
（約２、３分間）付勢されて初期設定作業を終了する。
閉ループ７に誘導される磁束が閉ループに要求される電
流に対応するような電流が第２ループ９に流れなければ
ならない。仮に２つのループ同士の結合が強ければ、ｎ
電流回数の間で分けられるアンペア回数に匹敵する値が
必要である。この場合は約600アンペア回数である。

回数ｎは、第２ループ９の両端における電圧が太陽発
電機によって衛星に給電される電圧にせいぜい等しくな
るような数である。例えば、約50Vの電圧である場合
は、およそ1mm²の断面積に対して約100−200回数があ
る。

第２ループ９を用いて閉ループ７を初期化する上記の
方法は決して限定的なものではない。他の装置も用いて
よい。例えば超伝導スイッチを用いて電流を直接閉ルー
プ７に流すような装置でもよい。

抵抗回路10は、必要な場合は、閉ループ７を局部的に
加熱してその超伝導特性を除くようになっている。この
抵抗回路は長さが数センチメートルで、抵抗材（例えば
ニッケル−クロミウムとか黒鉛）を素材とした抵抗器に
より構成されており、太陽発電機により付勢される。

概略的に示した制御回路11は太陽発電機（または電
池）、第２ループ９、抵抗回路10などに接続されてい
る。この制御回路は第２ループ９と抵抗回路10への給電
の切替えを行う。

全体としてのシステムの動作は前述した通りである。

太陽輻射圧トルクの季節による変化（地球軌道の傾斜
が23.5゜であるためおよそ10％）とか他の形式の外乱に
対応するべく姿勢安定トルクを調整してもよい。それに
は以下の方法がある。

− 閉ループ７の動作をオン／オフ制御する。すなわ
ち、閉ループ７を外乱トルクの最大値に対して補正する
ように定格しておき、所定の制御法則（あるいは衛星上
で、または地上で決定された制御法則）に従って定期的
に閉ループの動作を中断させて外乱トルクの変化を追跡
する。この場合、動作の中断と再開の回数については制
限はない。

− 前記システムの総磁気モーメントを制御する装置を
使用する。

− 閉ループから切り離された第２ループを用いて、季
節や他の要素の変化に従って電流を調整する。

− 多くの独立した姿勢安定装置４を用いる。但し電力
定格がそれぞれ異なるものがよい。一定時間活性化され
る姿勢安定装置を適当に選択することにより、補正の総
トルクを変えて、外乱トルクの変化を段階的に追跡する
ことは可能である（例えば、３つの姿勢安定装置を用い
た場合、その内の１つだけが他の２つの姿勢安定装置よ
り電力定格が高くてよい）。

これまで実施例を挙げて述べてきたが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものでなく、また本発明の範囲
を逸脱することなくいろいろな態様に変えてもよいこと
は云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は姿勢を安定させるための超伝導材の閉ループを
そなえた本発明の衛星（太陽発電機がその背後に見え
る）の略図、 第２図は第１図の姿勢安定装置の第１図の線２−２上の
断面図である。 １……衛星本体 ２……太陽発電機 ４……姿勢安定装置 ６……支持体 ７……閉ループ ９……第２ループ 10……抵抗回路 11……制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−6700（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−113596（ＪＰ，Ａ) 特開 昭44−22701（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−145700（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−178197（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−285497（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−303999（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B64G 1/32 B64G 1/24 B64G 1/44

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】衛星本体に対して配向させることができか
   つ常時太陽に向くようになっている展開可能な太陽発電
   機と、姿勢安定装置とをそなえた衛星において、 姿勢安定装置は少なくとも 太陽発電機に連結された支持体により支持され、かつ太
   陽とは反対に向くようにした前記支持体の一方の側面に
   配置された超伝導材からなる閉ループと、この閉ループ
   とほぼ同じ形状とサイズを有し、かつ閉ループの近辺で
   前記支持体により支持された、閉ループに平行の第２ル
   ープと、 少なくとも前記閉ループの一部の近辺で前記支持体によ
   り支持された抵抗回路と、 前記第２ループと前記抵抗回路とに電気的に接続された
   制御回路とからなることを特徴とする衛星。
2. 【請求項２】前記超伝導材からなる閉ループは前記太陽
   発電機のパネルと平行の平面内にある請求項１記載の衛
   星。
3. 【請求項３】前記支持体は前記太陽発電機に機械的に連
   結された別のパネルである請求項１記載の衛星。
4. 【請求項４】前記別のパネルは前記衛星本体から最も離
   れた前記太陽発電機の端部に連結されている請求項３記
   載の衛星。
5. 【請求項５】前記超伝導材からなる閉ループはほぼ円形
   のストリップにより形成されている請求項１記載の衛
   星。
6. 【請求項６】前記超伝導材からなる閉ループは超伝導材
   を基板上に薄く付着せしめた層により形成された請求項
   １記載の衛星。
7. 【請求項７】前記閉ループは低熱伝導性手段により前記
   支持体に機械的に連結された支持フレームにより支持さ
   れている請求項１記載の衛星。
8. 【請求項８】前記第２ループは前記閉ループと反対側の
   前記支持体上に配置されている請求項１記載の衛星。
9. 【請求項９】前記抵抗回路と前記第２ループとは前記太
   陽発電機が発電した電力を供給されるようにした請求項
   １記載の衛星。
10. 【請求項１０】前記太陽発電機は羽根を一枚だけそなえ
    ている請求項１記載の衛星。