JP3541225B2

JP3541225B2 - 大型膜宇宙構造物およびその展開方法

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Publication number: JP3541225B2
Application number: JP2001215823A
Authority: JP
Inventors: 淳一郎川口
Original assignee: 宇宙科学研究所長
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: CA2367979C; US6689952B2; EP1280228A2; JP2003026100A; RU2232111C2; US20030010869A1; EP1280228A3; CA2367979A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙船に装着された大型膜宇宙構造物およびその展開方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型膜宇宙構造物とは、宇宙空間で電力を得るのに用いられる大型の太陽電池膜（パネル）や、推進機関として用いられるソーラーセールなど、宇宙空間で使用する大型の膜構造物のことを指している。
【０００３】
近年、この大型膜宇宙構造物を推進機関として用いる太陽系探査の要求が高まりつつある。しかしながら、燃焼ガスの高速噴射の反作用で推進する宇宙船、いわゆるロケットには、積み込める推進剤や燃料に限界がある。このため、推進剤や燃料を必要としない、新たな推進機関を模索する気運が強まっている。従って、太陽光の反射によって推進するソーラーセールなどの大型膜宇宙構造物の開発が強く促されつつある。
【０００４】
大型膜宇宙構造物は、アルミニウムが蒸着され、その表面が鏡面状に仕上げられた膜材が張られた帆部を備えている。図５に示すように、この帆部１４は、太陽光を反射し、その反射による光圧力の作用によって宇宙船や人工衛星の推進力Ｆを得る。実用規模の大型膜宇宙構造物は、矩形状のものがあり、その一辺は数十ｍから百ｍ、あるいはそれを超えるような非常に大きなものである。このため、膜材の大きさも同様に、一辺が数十ｍから百ｍ、あるいはそれを超えるような非常に大きなものである。
【０００５】
また、大型膜宇宙構造物は、太陽の重力が働く空間を飛行する。前記帆部１４に働く光圧力は、太陽や地球の重力に比べて十分に小さいので、大型膜宇宙構造物は、光による推進力Ｆよりも、主として、重力に支配されて運動される。つまり、図６に示すように、大型膜宇宙構造物は、太陽系の中では、惑星と同様に軌道運動される。また、地球の近くでは、地球の人工衛星として軌道運動される。
【０００６】
また、この帆部１４による推進力Ｆは、その軌道運動を加速したり、減速したり、あるいは軌道を変える加速を加える作用を有する。大型膜宇宙構造物が宇宙空間で軌道運動を始めたときには、加速量および減速量は、極めて小さく、加速および減速は、徐々に行なわれる。
【０００７】
また、図５に示すように、面積がＡの平板状の大型膜宇宙構造物の受ける推進力Ｆは、太陽光の光圧力をＰ、帆部の光の反射率をｒ、平板の面に立てた垂線が太陽の方向に対してなす角をθとすると、
Ｆ＝ＰＡ（１＋ｒ）ｃｏｓθ
と表せる。θは、帆部の方向制御に関するので、θ＝０°として完全な反射面でｒ＝１と仮定すると、
Ｆ＝２ＰＡ（Ｎ／ｍ^２）
である。
【０００８】
地球の近くでは、太陽光の光圧力Ｐは、Ｐ≒４．６×１０^−６Ｎ／ｍ^２で、極めて小さい。しかし、大型膜宇宙構造物の性能は、加速度で決定される。帆部１４が面積密度β（ｋｇ／ｍ^２）の膜材で形成されているとすると、質量は、βＡである。βを仮に０．０１ｋｇ／ｍ^２とすると、加速度αは、
α＝２Ｐ／β≒９．２×１０^−４ｍ／ｓ^２
である。これは、イオンロケットやプラズマロケットなどの加速度とほぼ同じである。
【０００９】
大型膜宇宙構造物は、時間が経つにつれて速度が増加する。このため、時間がかかる飛行であればあるほど、推進剤や燃料を利用して推進するロケットに比べて有利になる。
【００１０】
従来の大型膜宇宙構造物には、図７に示すように、矩形状のものがある。この大型膜宇宙構造物は、帆部３０を展開するための４本の梁３２を備えている。これら梁３２は、センターハブ３４にそれぞれ一端が支持されている。このハブ３４は、図示しないペイロードと、梁３２の展開機構とを備えている。この大型膜宇宙構造物の姿勢制御は、梁３２の先端に取り付けられた制御ベーン３６によって発生されるトルクによってなされる。このトルクは、太陽光圧の中心が帆部３０の幾何中心から移動されることによって発生される。
【００１１】
一端が支持された梁３２には、曲げ荷重が受けられる。このため、適宜な大きさに作成されている。圧力が小さい下では、荷重は膜材によって負担され、梁３２は大型膜宇宙構造物の重要な質量部分を備え得る。
【００１２】
そして、このような帆部３０を宇宙空間に運ぶ場合には、膜材自体が適当に折り畳まれ、円筒管などの心材に巻きつけられて、コンパクトに包装している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような矩形状の大型膜宇宙構造物は、一旦巨大な帆部を製造した後、膜材を折り畳んで包装する方法が採られているが、実用規模の大きさでは、この方法の実施は困難で、非現実的であった。
【００１４】
また、膜材自体が折り畳まれるので、折目が付けられて、膜材に残留応力、残留歪が発生してしまう。宇宙空間でこのような折目を伸ばすには、所定の展開力が必要である。従って、このような折目は、宇宙空間で帆部を展開することを阻む最大の要因となっている。さらには、帆部の展開には、多くの複雑な構造を必要とするので、展開を失敗することもある。
【００１５】
また、大型膜宇宙構造物の帆部には、外枠が必要とされ、帆部を展開するのに伸展する梁などの骨格部材を用いることが想定され、また、このような骨格部材は、非常に大型の構造なので、軽量化を図るにしても限界がある。このため、大型膜宇宙構造物を宇宙に運ぶのにかなりの重量を備えている。
【００１６】
さらに、１つの帆部からなる大型膜宇宙構造物では、この構造物全体にかかるトルク量を制御することが難しく、回転数を制御することが困難であった。
【００１７】
本発明は、このような課題を解決するためになされ、大型膜宇宙構造物およびその展開方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による宇宙船に装着された大型膜宇宙構造物においては、中心を第１の支点として前記宇宙船に装着され、第１の支持具と、中点を含む複数点でヒンジ状に接続され得る桁構造を有する第２の支持具と、この第１の支持具のそれぞれの端部で一端が支持され、第２の支持具のそれぞれの端部でそれぞれ他端が支持された細長い第１の索体とを備えた複数の支持体が配設されたハブと、前記第１の支点に関して対称で、それぞれ前記支持体に装着されたペタルを有する帆部とを備え、前記ハブは、前記支持体とともに前記ペタルを前記第１の支点と前記第２の支持具の中点との延長線による軸まわりに回動させて所望の角度に制御する制御手段を備え、前記ペタルは、それぞれ前記延長線に関して対称な形状を有する第１の領域を備え、前記第１の支点に対向し、前記延長線と前記第１の領域との交点に第２の支点が設けられ、この第２の支点から前記第１の領域の対向した外周部に向かって任意の間隔で複数の分割線が設けられて、前記外周部と前記分割線とに囲まれた第２の領域を備え、この第２の領域に沿ってそれぞれ膜材が張られるとともに、前記外周部に沿って細長い第２の索体が設けられて、前記膜材がそれぞれ前記外周部で接続され、前記第２の索体と前記第１の支点に対向した最も外側の膜材の外縁部とに所定の重量を有する周縁質量が装着され得、前記第２の支持具の両端に設けられた第３の支点に対向した前記外周部および前記外縁部に向かって複数の仮想線が設けられて、前記膜材とこれら仮想線との交点にそれぞれ張力を支持する帯材が配設されて、各膜材間が離散的に接続されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
また、大型膜宇宙構造物の展開方法においては、前記ハブを中心として、所定の方向に回転させ、各ペタルに遠心力を発生させて、各膜材に遠心力の方向に発生される張力を働かせて前記ハブへの巻きつきを解いて、前記ハブに対して放射状に伸ばすとともに、前記支持体を前記延長線を枢軸として各ペタルを所定の角度傾けるように回動させ、前記周縁質量で動径方向に遠心力を発生させて、前記帯材間に張力を働かせて前記折目の残留応力を解放させるように伸ばすとともに、前記ハブの中心から動径方向に作用する遠心力と、前記第３の支点から動径方向に対して傾きをもって延びる張力支持線で支えることにより、前記ペタルの回転周方向に力を発生させ、前記第２の支点を中心として、前記膜材を外側から内側に順次展開させることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について図１ないし図４を参照して説明する。
【００２１】
まず、大型膜宇宙構造物の構造について説明する。なお、ここでは、推進機関として用いられる大型膜宇宙構造物について説明する。
【００２２】
大型膜宇宙構造物は、図１および図２に示すように、宇宙船に設けられたハブ２と、例えば４つのペタル６を有する帆部４とを備えている。また、このハブ２には、このハブ２と各ペタル６とを連結する連結部材として支持体８が設けられている。また、この支持体８は、剛性を有する第１の支持具８ａと、中央部（中点）Ｐおよび複数点でヒンジ状に接続されたひも状ないし好ましくは桁構造を有する第２の支持具８ｂとを備え、第１の支持具８ａの両端Ｂ_９，Ｂ_９’と第２の支持具８ｂの両端Ｂ_８，Ｂ_８’とがそれぞれ例えばひも状の細い第１の索体で接続されている。また、これら支持体８は、後述する仮想中心線ＯＡに関して回動可能であるとともに、この回動角度を所定の範囲で所望の角度に制御することができる。
【００２３】
そして、図２に示すように、これらペタル６は、それぞれハブ２の中心に関して対称に展張されるとともに、それぞれ同一な四角形ＯＢＡＢ’を有する。なお、この四角形ＯＢＡＢ’の１つの頂点Ｏ、すなわち、ハブ２の中心を第１の支点Ｏとする。また、これらペタル６は、それぞれ後述する仮想中心線ＯＡに関して対称な形状に形成されている。
【００２４】
以下、４つのペタル６は、それぞれ同一の形状を有し、第１の支点Ｏに関して対称に形成されているので、１つのペタル６についてのみ説明する。
【００２５】
図３に示すように、第１の支点Ｏから第２の支持具８ｂの中点Ｐを通る延長線を仮想中心線とし、この仮想中心線上で、第１の支点Ｏに対向した端部に第２の支点Ａが設けられている。以下、ハブ２の中心から第２の支点Ａを通る直線を仮想中心線ＯＡとする。上述したように、このペタル６は、仮想中心線ＯＡに関して対称で、それぞれ三角形ＯＡＢ，ＯＡＢ’を備えている。これら三角形ＯＡＢ，ＯＡＢ’をそれぞれ第１の領域とする。なお、仮想中心線ＯＡおよび辺ＢＡ，ＡＢ’の長さは、例えば、それぞれ約５０ｍである。
【００２６】
さらに、第２の支点Ａから辺ＯＢ，ＯＢ’に向かって適当な間隔で、例えば、８本ずつの分割線ＡＢ_１，ＡＢ_２，…，ＡＢ_８，ＡＢ_１’，…ＡＢ_８’が仮想的に引かれている。
【００２７】
以下、第１の領域ＡＢＯ，ＡＢ’Ｏは、仮想中心線ＯＡに関して対称なので、一方の領域の三角形ＡＢＯについてのみ説明する。
【００２８】
図３に示すように、第１の領域の三角形ＡＢＯは、前記分割線によって、９つの三角形ＡＢＢ_１，ＡＢ_１Ｂ_２，…，ＡＢ_７Ｂ_８，ＡＢ_８Ｏに分割されている。これら三角形をそれぞれ第２の領域とする。そして、特に、三角形ＡＢＢ_１，ＡＢ_１Ｂ_２，…，ＡＢ_７Ｂ_８には、それぞれの形状に沿って膜材が張られている。これら膜材は、例えばポリイミド樹脂材などの、耐宇宙環境性に優れた高分子材製のものを用いるのが好ましい。また、これら膜材と同様に、三角形ＡＢ_８Ｏの内部の三角形ＡＢ_８Ｐにも、耐宇宙環境性に優れた高分子材製の膜材が張られていることが好ましい。従って、各膜材の１つの点は、全て第２の支点Ａに集められている。また、Ｂ_８Ｂ間には、細長い第２の索体が配設され、各膜材が各端部Ｂ_７，Ｂ_６，…，Ｂ_１で接続されている。
【００２９】
ところで、これら膜材の面積密度は、例えば、約３０ｇ／ｍ^２である。さらに、これら膜材は、アルミニウムが蒸着され、鏡面状に仕上げられている。このため、膜材は任意の反射率で太陽光を反射する。なお、この蒸着による膜材の重量の変化は、無視できるほど小さい。
【００３０】
また、膜材ＡＢ_７Ｂ_８と第２の支持具８ｂとの交点を第３の支点Ｂ_８とする。この第３の支点Ｂ_８から対向する辺ＡＢに向かって、適当な間隔で、例えば６つ（複数）の仮想線Ｂ_８Ａ_１，Ｂ_８Ａ_２，…，Ｂ_８Ａ_６が引かれている。
【００３１】
さらに、これら仮想線Ｂ_８Ａ_１，Ｂ_８Ａ_２，…，Ｂ_８Ａ_６と、膜材ＡＢＢ_１，ＡＢ_１Ｂ_２，…，ＡＢ_７Ｂ_８との交点には、図３に示すように、それぞれ帯材１０が配設され、隣接する膜材同士が離散的に溶着ないし接着されて接続されている。帯材１０は、膜材と同質なポリイミド樹脂材などの耐宇宙環境性に優れた高分子材で好ましくは形成されている。
【００３２】
従って、本実施の形態によれば、ほぼ膜材のみから形成されているので、極めて軽量な大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００３３】
また、膜材ＡＢＢ_１の１つの外縁部ＡＢおよび／もしくは第２の索体Ｂ_８Ｂ（外周部）には、適当な間隔で複数の図示しない周縁質量が取り付けられ得る。ここでは、外縁部ＡＢにのみ周縁質量が装着されている。これら周縁質量については、後述する。
【００３４】
次に、このような大型膜宇宙構造物を製造して、収納する工程について説明する。
【００３５】
まず、それぞれ前記三角形ＡＢＢ_１，ＡＢ_１Ｂ_２，…，ＡＢ_７Ｂ_８，ＡＢ_８Ｐに沿って膜材を準備する。次に、これら三角形の膜材を収納する状態に重ねる。このとき、各膜材は、それぞれ膜材面が向かい合った状態にある。そして、上述した所定の位置にそれぞれ帯材１０を配置し、膜材同士をそれぞれ溶着ないし接着させて接続させる。なお、これら帯材１０が接続される範囲は、帯材１０に形成される折目の長さができるだけ短くなるようにするのが好ましい。なお、ここでは、帯材１０の大きさは、数ｃｍ×数十ｃｍないし数十ｃｍ×１ｍ程度のものを用いるのが好適である。すなわち、これら帯材１０は、各膜材の大きさに比べて十分に小さい。また、Ｂ_８Ｂ間には、細長い第２の索体を配設し、各膜材の頂点Ｂ_８，Ｂ_７，…，Ｂ_１で留める。そして、支持体８にこれらペタル６を装着する。
【００３６】
そして、各膜材の１つの頂点Ｂ，Ｂ_１，…，Ｂ_８は、一体に仮留めされ、宇宙船の外部に巻きつけられて、コンパクトに収納される。
【００３７】
従って、各膜材間の帯材１０に折目を設けて互いに隣接する膜材同士が接続されているので、膜材自体には折目がない。また、膜材同士が重ねられているので、帯材１０が溶着ないし接着されて接続されるのに伴ってペタル６が収納される。このため、１つのペタル６を製造し、収納するためのスペースは、常に１つか２つの膜材の大きさ程度に抑えられる。すなわち、全ての膜材を張るとともに、帯材１０を所定の位置に溶着してから分割線を折目として折り曲げるよりも、効率的にペタル６を製造し、収納することができる。また、膜材自体が折り畳まれて折目がつけられ、折目部分の残留応力および残留ひずみを解放してペタル６を展開させるよりも、はるかに小さな力で膜材を展開させることができる。すなわち、大型膜構造物の収納に関わる残留応力および残留ひずみは、帯材１０の幅に限定されるため、展開に有利である。
【００３８】
次に、大型膜宇宙構造物を宇宙空間で展開する工程について説明する。
まず、宇宙船に収納した大型膜宇宙構造物を宇宙空間に運ぶ。そして、ハブ２を中心として、各ペタル６がハブ２に巻きついた方向に適当な回転数で回転させ、周縁質量の作用により、回転周方向に対して垂直な方向に遠心力を発生させる。そして、各ペタルの遠心力の方向に発生される膜材の張力によって、徐々にハブ２からの巻きつきを解くとともに、ハブ２に対して放射状に伸ばす。
【００３９】
そして、各膜材の頂点Ｂ，Ｂ_１，…，Ｂ_８の仮留めを解く。
なお、膜材の長手方向は、心材に巻きつけられていたため、巻くせが付けられ、やや反った状態にある。これら巻くせは、膜材の長手方向に対して直角の方向については、十分に小さいので、考えなくてもよい。
【００４０】
このとき、最外部の膜材ＡＢＢ_１とこれに隣接する膜材ＡＢ_１Ｂ_２との帯材１０間の周辺では、ペタル６が伸ばされる方向（遠心力方向）と、このペタル６の回転周方向とで、力がつりあった状態にある。このため、回転による遠心力により、膜材および帯材１０間に張力が与えられ、膜材間を接続した帯材１０に付けられた折目の残留応力および残留ひずみ、並びに膜材に付けられた巻くせを解放させる方向に作用する。
【００４１】
次に、ハブ２に設けられた支持体８を制御して、仮想中心線ＯＡを枢軸として、各ペタル６を好ましくは４５°から６０°の間の任意の角度に回動させる。この工程は、図１に示すように、同一平面上で４つのペタルを同時に開くと、隣接するペタル６同士が互いに当接することを避けるために行なわれる。このため、各支持体８を制御して、各ペタル６をほぼ同じ角度回動させて、各ペタル６同士を互いに平行な状態にする。
【００４２】
そして、ハブ２を中心として、帆部４を図１、図２および図３に示す矢印の方向に、第１の支点を中心として、例えば、４ｒｐｍで回転させる。上述した周縁質量で回転周方向に対して直交する動径方向に遠心力を発生させる。ここで、仮想中心線ＯＡに関して対称な点Ｂ_８’を第４の支点とする。
【００４３】
第２の支持具Ｂ_８Ｐ，ＰＢ_８’間には、ペタル６を閉じる方向に働く、弱い圧縮力が与えられている。ペタル６を回転させると、ハブ２の中心、すなわち遠心力の作用方向が第３および第４の支点Ｂ_８，Ｂ_８’に見かけ上オフセットされた状態になる。このため、第３および第４の支点から動径方向に傾きを持って延びた張力支持線（図示せず）により、回転周方向にも膜材を展開する展開力が与えられる。従って、ペタル６を展開させることができる。
【００４４】
ところで、上述したように、ここでは、周縁質量は、外縁部ＡＢに設けられている。宇宙船の回転数が４ｒｐｍで、ＯＡ間が約５０ｍの場合、外縁部Ａ，Ａ_１，…，Ａ_６，Ｂでは、１枚の膜材の地上での自重と同じ力を出すのに必要な質量は、０．１ｋｇ／ｍ程度である。従って、外縁部ＡＢが約５０ｍの帆部４では、全外縁部の長さが約４００ｍあるので、約４０ｋｇの周縁質量が取り付けられていることが必要である。従って、ペタル６を展開させる力は、地上での重力１Ｇ下でのつり下げによる重力程度まで引き上げられている。
【００４５】
膜材間を接続する帯材１０の位置は、第３および第４の支点Ｂ_８，Ｂ_８’から角ＡＯＢよりも小さい任意の角度を有する仮想線上に設けて、遠心力が働く方向はもちろん周方向にも、展開力を持たせることができる。すなわち、仮想角ＡＢ_８Ａ_１，Ａ_１Ｂ_８Ａ_２，…，Ａ_６Ｂ_８Ｂは、それぞれ角ＡＯＢよりも小さいので、仮想線Ｂ_８Ａ_１，Ｂ_８Ａ_２…，Ｂ_８Ａ_６上の帯材１０には、ペタル６が展開する展開力が与えられる。
【００４６】
ペタル６を展開するのに必要な力は、当然、外縁部ＡＢで最小となるので、最も外側の膜材ＡＢＢ_１を展開できれば、外側から内側に向かって順次膜材を展開して、ペタル６の全面を開くことが保証される。
【００４７】
なお、ペタル６が開いていくのと同時に、回転数は徐々に低下するので、これらペタル６の展開は、受動的に行なわれる。
【００４８】
従って、回転による遠心力を周縁質量によって補って、各膜材および帯材１０に遠心力だけでなく、この遠心力の方向に直交した方向に展開力が与えられるので、各ペタル６を展開させるのに十分な力を与えることができる。
【００４９】
ところで、大型膜宇宙構造物の姿勢変更は、その重心を太陽光の光圧中心からオフセットさせることによって行なわれる。高回転が有利に思われるが、大型膜宇宙構造物では、姿勢変更の要求から定まる重心のオフセット量が増加するので、過剰な高回転化は、避ける必要がある。
【００５０】
この大型膜宇宙構造物の周縁質量は、回転数を増加させると軽量化することができる。しかし、回転を与えるための化学推進燃料の使用量が増加する。このため、大型膜宇宙構造物の燃料を使用して回転数を増加させるかどうか、選択する必要がある。燃料の使用量は、回転数に比例して増加するが、周縁質量は、回転数の−２乗に比例して減らすことができる。
【００５１】
例えば、全質量が約５００ｋｇの宇宙船の回転数を０ｒｐｍから４ｒｐｍに増加させる場合、膜材の密度が約３０ｇ／ｍ^２で、辺ＢＡ，ＡＢ’および仮想中心線ＯＡがそれぞれ約５０ｍの帆部４であれば、ヒドラジンと四二酸化窒素との２液推進系では、約４０ｋｇの燃料が必要である。これは、宇宙船の重量に比較して大きな重量である。ところで、１日に３°の姿勢変更を行なわせるために必要な重心の偏心量は、約６０ｃｍである。この値は、現実的な値である。もちろん、膜材の密度が小さくなるのに応じて、宇宙船の全質量や燃料の重量は、軽量化される。
【００５２】
このため、ペタル６を展開した後、各支持体８を再び制御して、４つのペタル６をそれぞれ任意の角度に回動させて制御する。光圧力に対するペタル６の回動角度によって所望のトルク量を発生させて、姿勢制御を行ない、帆部４に加わる光圧力を調節する。
【００５３】
本実施の形態では、仮想中心線ＯＡおよび辺ＢＡ，ＡＢ’の長さは、例えば、それぞれ約５０ｍとしたが、このような長さに限ることはなく、これらの長さは、数十ｍないし数百ｍの範囲であればよい。
【００５４】
また、本実施の形態では、ペタル６の形状を四角形として説明したが、このような形状に限定されることはなく、ペタル６が仮想中心線ＯＡに関して対称であればよい。即ち、三角形や五角形、または一辺が弧状の多角形（図４参照）などでも構わない。また、ペタル６は、図３に示す点Ｂ，Ｂ’が仮想中心線ＯＡの延長線上になるように設計されていてもよい。従って、ペタル６がさらに開いた状態になり得る。
【００５５】
また、本実施の形態では、膜材の形状（第２の領域）を三角形としたが、四角形や一辺に弧を有する多角形（図４参照）などでも構わない。
【００５６】
ここで、図４を参照して、ペタルの形状の変形例について説明する。このペタルの仮想中心線ＯＡに対称な片方の多角形ＯＡＣＢは、３つの辺と１つの弧からなり、前記ペタル６と同様に、仮想中心線ＯＡに関して対称である。第２の支点Ａから対向する辺ＯＢ、弧ＢＣに向かって、適当な間隔で分割線ＡＢ_８，…ＡＢ_１，ＡＢ，ＡＣ_６，…ＡＣ_１が引かれている。そして、辺ＯＢ、弧ＢＣと分割線ＡＢ_８，…ＡＢ_１，ＡＢ，ＡＣ_６，…ＡＣ_１とで囲まれる領域に沿って膜材が張られる。
【００５７】
また、第３の支点Ｂ_８から対向する弧ＢＣ、辺ＣＡに向かって適当な間隔で仮想線Ｂ_８Ａ_１，Ｂ_８Ａ_２，Ｂ_８Ｃ_１，…Ｂ_８Ｃ_６が引かれている。そして、これら仮想線Ｂ_８Ａ_１，Ｂ_８Ａ_２，Ｂ_８Ｃ_１，…Ｂ_８Ｃ_６と膜材との交点にそれぞれ帯材１０が溶着される。
【００５８】
そして、膜材ＡＣＣ_１，ＡＣ_１Ｃ_２，…，ＡＣ_６Ｂの周縁部ＡＣ，ＣＢには、図示しない周縁質量が設けられ得る。
【００５９】
ところで、本実施の形態では、各ペタル６を同一平面上に配置することができれば、ペタル６の数は、４つに限ることはなく、ハブ２の周囲を取り囲むように設けられていればよい。
【００６０】
また、本実施の形態では、第１の索体Ｂ_９Ｂ_８と第２の索体Ｂ_８Ｂとをそれぞれ別の部材として説明したが、これら索体Ｂ_９Ｂ_８，Ｂ_８Ｂが１本の索体Ｂ_９Ｂで形成され、１つの部材となっていてもよい。このとき、第１の索体と第２の索体とが１つの部材である場合、Ｂ_９Ｂ_８とＢ_８Ｂとは同一の直線状になる。また、第１の索体と第２の索体とが別の部材である場合、ＢＢ_８，ＢＢ_８’をそれぞれ延長した交点をＯ’とすると、角Ｂ_８Ｏ’Ｂ_８’は、角Ｂ_８ＯＢ_８’に比べて同じか、これよりも小さくなる。
【００６１】
また、本実施の形態では、図２から図４に示すＡＢとＡＢ_８とＡＣとの長さは、それぞれ同じであっても、異なっていてもよい。
【００６２】
また、本実施の形態では、宇宙空間で帆部４の回転数を４ｒｐｍとして各ペタル６を展開することを説明したが、この回転数に限ることはなく、各帆部４の設計に合った回転数が選択されることが好ましい。
【００６３】
なお、本実施の形態では、推進機関としての大型膜宇宙構造物に関して説明したが、膜材の代わりに太陽電池パネルを用いれば、大型太陽電池膜にも適用することができる。そして、大型太陽電池膜を展開する方法についても、本実施の形態を同様に適用することができる。
【００６４】
これまで、一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【００６５】
従って、本実施の形態にかかる大型膜構造物およびその展開方法について、以下のことが言える。
【００６６】
本実施の形態によれば、１つのペタルを複数の膜材に分割し、分割した膜材自体を折り曲げず、これら膜材を離散的に接続する帯材のみを折り曲げて収納するので、先に膜材同士を重ね、後から帯材を所定の位置に接続すると、製造時のスペースは、１枚程度の膜材の領域に収めることができる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、ほぼ膜材のみから形成されているので、極めて軽量な大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、膜材に比べて十分に小さい帯材のみが折り曲げられているので、ペタルを展開するのに小さい遠心力、すなわち低回転数で帆部を展開させることができる。
【００６９】
また、本実施の形態によれば、各ペタルのほぼ全てが薄い膜材で形成されているので、極めて軽量な大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００７０】
また、本実施の形態によれば、帆部が複数のペタルからなり、それぞれのペタルが独立して仮想中心線を枢軸として回動可能で、これらペタルが所望の角度に制御されるので、宇宙船の回転数の制御を比較的容易にすることができる。
【００７１】
さらに、本実施の形態によれば、各ペタルの構造が簡単で、回転遠心力によって展開される大型膜宇宙構造物の展開方法を提供することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製造時のスペースを膜材１枚程度にすることができる大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００７３】
また、本発明によれば、収納による残留応力および残留ひずみを小さく抑えることができ、かつ軽量で、ペタルを展開するために必要な力を小さくすることができる大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００７４】
また、本発明によれば、各ペタルが仮想中心線（延長線）を枢軸として独立して回動可能でかつ、所望の角度に制御することができるので、各ペタルにかかるトルク量をそれぞれ制御することができ、かつ宇宙船の回転数を制御することができる大型膜宇宙構造物を提供することができる。
【００７５】
また、宇宙船に装着されたハブを中心として所定の方向に回転させて遠心力を働かせて各ペタルを展開させる大型膜宇宙構造物の展開方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態による帆部の各ペタルが半開し、隣接するペタルが互いに当接しあった状態を示す概略的な説明図。
【図２】本実施の形態による帆部が全開した状態を示す概略的な説明図。
【図３】本実施の形態によるペタルの構造を示す概略的な説明図。
【図４】図３に示すペタルの変形例を示す概略的な説明図。
【図５】太陽光による光圧力を受けて大型膜宇宙構造物に所望の方向の推進力を得ることを示す概略的な説明図。
【図６】大型膜宇宙構造物により航行する宇宙船の軌道を示す概略的な説明図。
【図７】矩形状の大型膜宇宙構造物を示す概略図。
【符号の説明】
２…ハブ、４…帆部、６…ペタル、８…支持体、１０…帯材、Ｏ…第１の支点、Ａ…第２の支点、Ｂ_８…第３の支点

Claims

宇宙船に装着された大型膜宇宙構造物において、
中心を第１の支点として前記宇宙船に装着され、第１の支持具と、中点を含む複数点でヒンジ状に接続され得る桁構造を有する第２の支持具と、この第１の支持具のそれぞれの端部で一端が支持され、第２の支持具のそれぞれの端部で他端が支持された細長い第１の索体とを備えた複数の支持体が配設されたハブと、
前記第１の支点に関して対称で、それぞれ前記支持体に装着されたペタルを有する帆部とを備え、
前記ハブは、前記支持体とともに前記ペタルを前記第１の支点と前記第２の支持具の中点との延長線による軸まわりに回動させて所望の角度に制御する制御手段を備え、
前記ペタルは、それぞれ前記延長線に関して対称な形状を有する第１の領域を備え、前記第１の支点に対向し、前記延長線と前記第１の領域との交点に第２の支点が設けられ、この第２の支点から前記第１の領域の対向した外周部に向かって任意の間隔で複数の分割線が設けられて、前記外周部と前記分割線とに囲まれた第２の領域を備え、この第２の領域に沿ってそれぞれ膜材が張られるとともに、前記外周部に沿って細長い第２の索体が設けられて、前記膜材がそれぞれ前記外周部で接続され、前記第２の索体と前記第１の支点に対向した最も外側の膜材の外縁部とに所定の重量を有する周縁質量が装着され得、前記第２の支持具の両端に設けられた第３の支点に対向した前記外周部および前記外縁部に向かって複数の仮想線が設けられて、前記膜材とこれら仮想線との交点にそれぞれ張力を支持する帯材が配設されて、各膜材間が離散的に接続されてなることを特徴とする大型膜宇宙構造物。
前記延長線と、この延長線に最も近接した分割線と、前記延長線に対して垂直で、前記第３の支点同士を結ぶ第２の支持具とで囲まれる領域には、さらに膜材が張られていることを特徴とする請求項１に記載の大型膜宇宙構造物。
前記帯材は、各膜材間の所定の位置に溶着および／もしくは接着されて、各膜材間が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の大型膜宇宙構造物。
前記ペタルは、前記帯材で折られて、前記膜材の表面同士が対向されて収納されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の大型膜宇宙構造物。
前記ペタルは、それぞれ前記ハブに巻きつけられて収納されることを特徴とする請求項４に記載の大型膜宇宙構造物。
前記膜材には、太陽電池パネルが配設されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の大型膜宇宙構造物。
中心を第１の支点として前記宇宙船に装着され、第１の支持具と、中点を含む複数点でヒンジ状に接続され得る桁構造を有する第２の支持具と、この第１の支持具のそれぞれの端部で一端が支持され、第２の支持具のそれぞれの端部でそれぞれ他端が支持された細長い第１の索体とを備えた複数の支持体が配設されたハブと、
前記第１の支点に関して対称で、それぞれ前記支持体に装着されたペタルを有する帆部とを備え、
前記ハブは、前記支持体とともに前記ペタルを前記第１の支点と前記第２の支持具の中点との延長線による軸まわりに回動させて所望の角度に制御させる制御手段を備え、
前記ペタルは、それぞれ前記延長線に関して対称な形状を有する第１の領域を備え、前記第１の支点に対向し、前記延長線と前記第１の領域との交点に第２の支点が設けられ、この第２の支点から前記第１の領域の対向した外周部に向かって任意の間隔で複数の分割線が設けられて、前記外周部と前記分割線とに囲まれた第２の領域を備え、この第２の領域に沿ってそれぞれ膜材が張られるとともに、前記外周部に沿って細長い第２の索体が設けられて、前記膜材がそれぞれ前記外周部で接続され、前記第２の索体と前記第１の支点に対向した最も外側の膜材の外縁部とに所定の重量を有する周縁質量が装着され得、前記第２の支持具の両端に設けられた第３の支点に対向した前記外周部および前記外縁部に向かって複数の仮想線が設けられて、前記膜材とこれら仮想線との交点にそれぞれ張力を支持する帯材が配設されて、各膜材間が離散的に接続されるとともに、前記帯材で前記膜材の表面同士が対向して折られてそれぞれ任意の長さの折目を備え、膜材が前記ハブに巻きつけられて収納される大型膜宇宙構造物の展開方法において、前記ハブを中心として、所定の方向に回転させ、各ペタルに遠心力を発生させて、各膜材に遠心力の方向に発生される張力を働かせて前記ハブへの巻きつきを解いて、前記ハブに対して放射状に伸ばすとともに、前記支持体を前記延長線を枢軸として各ペタルを所定の角度傾けるように回動させ、
前記周縁質量で動径方向に遠心力を発生させて、前記帯材間に張力を働かせて前記折目の残留応力を解放させるように伸ばすとともに、
前記ハブの中心から動径方向に作用する遠心力と、前記第３の支点から動径方向に対して傾きをもって延びる張力支持線で支えることにより、前記ペタルの回転周方向に力を発生させ、
前記第２の支点を中心として、前記膜材を外側から内側に順次展開させることを特徴とする大型膜宇宙構造物の展開方法。
前記支持具は、前記ペタルによって発生するトルク量を制御するとともに、その回動角度を制御することを特徴とする請求項７に記載の大型膜宇宙構造物の展開方法。