JP3776165B2 - 衛星における展開腕の継手 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の上位概念部分に記載の、衛星における展開腕の継手に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たいていの衛星に対して、展開腕を折り畳むためおよび展開するために、単軸折り畳み機構が利用されている。展開腕の外側端に、典型的にはアンテナあるいは磁気計が配置されている。この機構は、折り畳まれた状態において発射・振動に損傷せずに耐えねばならない。この機構は、一般に衛星の外に出された直後に活動する。この活動の際に、この機構は早くも極端な温度を受ける。必要な展開長さは一般に約０．５〜１．５ｍである。
【０００３】
代表的な要件
− 展開された状態において全軸における整列精度が約０．５°である。
− 展開過程の直前直後における温度変化が極端に大きい（−１９０℃〜１００℃）。
− 展開する際の温度範囲が、適時の展開あるいは熱的調節（衛星を太陽に向けて回転）によって典型的に−１０℃の範囲に維持される。
− 真空である。
− 折り畳まれた状態で強い振動負荷を受ける（約２０ｇ正弦振動（約２０ｇ Sinus-Anregung)〜１００Ｈｚ）。
− 展開された状態において僅かな外乱モーメントが生ずる（一般に＜０．１Ｎｍ）。
【０００４】
機構の継手は、一つの（冗長的）軸受によって、並びに脚形ばねによって実現されている。特に展開された状態において、脚形ばねの駆動力は軸受摩擦に対して過小の余力(Reserve) しか持たないので、一般にはロック機構も採用されている。この公知の方法は、軸受およびロック機構の抵抗を（大きな安全係数を考慮して）確実に打ち負かすために、軌道調整においてめったに作用しない大きな駆動モーメントが実現されねばならないという欠点がある。その場合、大きな駆動モーメントのために、高度な技術でしか減衰できない大きな衝撃荷重がロック点に生ずる。
【０００５】
ドイツ特許第３１０１４３１Ａ１号明細書において、ベルクランクの形に形成された、衛星における折り畳み機構が知られている。ここでも展開する際に非常に大きな衝撃荷重が生ずる。
【０００６】
英国特許第１３２２２４１号明細書において、衛星に利用するための他の折り畳み機構が知られている。これは本件出願の請求項１の上位概念部分を形成している。その展開腕は、軸を介して衛星に結合されている。更に展開腕の衛星側端部には、展開腕並びに衛星に結合された引張りコイルばねが配設されている。この継手は、展開の際に衝撃荷重が回避されるという利点を有する。展開腕は展開された後に柔らかく、かつその将来の半径方向休止位置を越えて揺動し、数回の揺動後にこの休止位置に拘束される。しかしこの装置には、展開腕を半径方向休止位置から再びその外に動かすのに、僅かな外乱モーメントで足りてしまうという欠点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、一方では展開の際に衝撃荷重を回避でき、他方では大きな外乱モーメントの際にも展開された状態に確実に拘束できる継手を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的は請求項１に記載の継手によって達成される。本発明の有利な実施形態は、各従属請求の範囲に記載されている。
【０００９】
衛星における展開腕を折り畳むためおよび展開するための本発明に基づく継手は、展開腕に対する案内要素と内部応力をもって巻回されたコイルばねとを有し、このコイルばねが一方では展開腕に、他方では衛星に結合されている。これは更に次のような特徴を有している。
− 案内要素は展開腕に固く結合されている。
− 案内要素に対して、衛星に固く結合された三つのストッパ（第１、第２、第３の展開ストッパが存在し、その第１および第２の展開ストッパが展開腕の運動平面に対して対称に配置され、案内要素が展開腕の展開過程中に交互に、一方では第１、第２の展開ストッパに、他方では第３の展開ストッパに突き当たり、展開腕が展開された状態で三つの展開ストッパに接触支持される。
− 案内要素に対して、衛星に固く結合された別の二つのストッパ（折り畳みストッパ）が存在し、展開腕が折り畳まれた状態においてその折り畳みストッパに接触支持される。
【００１０】
本発明に基づく継手は次のように作動する。
折り畳まれた状態において、案内要素は両側の折り畳みストッパに接し、詳しくは、ばねが振動荷重に対する安全を保証するために張られるように接する。展開腕に対する保持点を釈放した際に、ばねは展開腕を直立させる（無重力状態が必要）。これは展開腕の直立モーメントが（例えば展開腕に配置されたケーブルによる）抵抗モーメントよりかなり大きく設定されているからである。その場合、案内要素はまず二つの展開ストッパに突き当たる。これら両側の展開ストッパは展開腕の運動平面に対して対称に配置されている。展開腕はバランス位置（展開腕の展開された状態における位置、一般に折り畳まれた状態に対して９０°ずれている位置）を越えて揺動する（これは以下において過剰揺動と呼ぶ）。そして案内要素は第３の展開ストッパに突き当たり、その場合、案内要素は両側の第１の展開ストッパから浮き上がる。過剰揺動によって引張りばねは、展開腕がばね力の作用によって逆方向に（折り畳まれた位置の方向に）移動する（以下においてこれを戻り揺動( Einschwingen) と呼ぶ）まで、ますます伸ばされる。戻り揺動の際に案内要素は再び両側の第１の展開ストッパにしか接しない。展開腕は有利な実施形態において、一挙に約２０°飛び越える。数回の振動後に（一般に１分以内に）展開腕は展開された状態にとどまり、三つのすべての展開ストッパに接触支持される。
これによって安定した三点支持が達成される。この安定支持は例えば＜１Ｎｍの外乱モーメントによってしか放棄されない（これに対して衛星操縦の際の典型的なモーメントは＜０．１Ｎｍである）。
【００１１】
衛星と展開腕との結合は、本発明に基づく継手においてコイルばねだけで行われている。この継手は軸受など要らずに済ませられる。
【００１２】
本発明に基づく継手は、公知の形式の展開腕および保持点（例えば固定軸受、割りピン(Bolzentrenner) ）と組み合わせることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の有利な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
第１図には、本発明に基づく継手Ｇを備えた展開腕ＡＲが示されている。継手Ｇは、熱絶縁用に使用するガラス繊維補強合成樹脂製スペーサＳＤ（第２図参照）を介して衛星ＳＡＴに配置されている。展開腕ＡＲは、この実施形態の場合には炭素繊維補強合成樹脂から成り、直径が４０ｍｍで、長さが約１ｍである。ここでは展開腕ＡＲは折り畳まれている。展開腕ＡＲは、継手Ｇと反対側端が割りピンＢＴによって継手のばね力に抗して衛星ＳＡＴに保持されている。
【００１５】
第２図は、第１図に示された本発明に基づく継手Ｇを拡大して示している。
第２ｂ図は第２ａ図に示されている装置（継手）の断面図である。その断面平面は、紙面に対して垂直に延びる。なお第２ａ図は、継手を折り畳んだ状態を示し、かつ第２ｂ図は継手を展開した状態を示している（第３ｂ参照）。
【００１６】
継手フレームＲは、ガラス繊維補強合成樹脂製スペーサＳＤを介して、衛星ＳＡＴに固く結合されている。継手フレームＲの両側の垂直外側壁に、それぞれ展開腕ＡＲの運動平面に対して対称に、好適には炭素繊維補強合成樹脂から成るストッパ板ＰＬ、ＰＲが配置されている。各ストッパ板ＰＬ、ＰＲのほぼ段状の上縁は、折り畳みストッパ（下側段）ＥＬ又はＥＲ並びに展開ストッパ（上側段）Ａ１Ｌ又はＡ１Ｒを形成している。その場合、両側の展開ストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒは、展開腕の運動平面（第２ａ図における紙面に対して平行な面）に対して対称に配置されている。第２ａ図から明らかなように、両側の展開ストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒは、展開腕ＡＲの折り畳み位置の方向に僅かに丸められている。これによって有利に、展開腕ＡＲが揺動する際に、案内要素ＦＥがストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒ上を転動し、即ちその上を滑らないようになる。この目的のために、補助的に案内要素ＦＥにおける案内レールＳＬ又はＳＲの対応した範囲も丸められる。
【００１７】
継手には、互いに平行な二つのコイルばねＦが配置されている。この実施形態の場合には、線直径が３ｍｍでばね直径が２０ｍｍの二つのステンレス鋼ばねが配置されている。ばねＦの一端は、展開腕ＡＲのベース面に結合されている。ばねＦの他端は、継手フレームＲの基板に係留され、従ってスペーサＳＤを介して衛星ＳＡＴに固く結合されている。
展開腕ＡＲには、既に上述した案内要素ＦＥが固定して配置されている。この案内要素ＦＥは、この実施形態の場合に互いに平行な案内レールＳＬ、ＳＲを有している。第２ａ図における折り畳まれた位置において、案内要素ＦＥの案内レールＳＬ、ＳＲは、その端面がストッパ板ＰＬ、ＰＲの両側の折り畳みストッパＥＬ、ＥＲに接している。
【００１８】
第２ｂ図に示されている展開された位置において、一方の案内レールＳＬは第１の展開ストッパＡ１Ｌに接している。他方の案内レールＳＲは、第２の展開ストッパＡ１Ｒに接している。この位置において、案内要素ＦＥは第３図に示されているように、第３の展開ストッパＡ２に補助的に接している。この第３の展開ストッパＡ２として、継手フレームＲの水平基板に配置されたウェブが使用されている。このウェブは、好適には継手フレームの両側壁間の中央に配置されている。案内要素ＦＥに固く結合されている調整ねじＳが、そのストッパＡ２に接している（第３図参照）。調整ねじＳを回転することによって、展開腕の展開位置における整列が調節される。この位置において展開腕ＡＲは、従って三つのストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒ、Ａ２の全部に接触支持されるので、安定した三点支持が達成される。
【００１９】
第３図は、展開腕ＡＲの三つの異なった位置における、本発明に基づく継手の断面図（第２ｂ図のＡ−Ａ断面）を示している。第３ａ図において、展開腕は第１図および第２ａ図に相応して、折り畳まれた状態にある。案内レールＳＬ、ＳＲの端面は折り畳みストッパＥＬ、ＥＲに接している。距離Ｌ３、即ち折り畳みストッパとばねＦの第１の可動コイルばねとの間の（衛星ＳＡＴに関して）垂直方向における距離は、展開腕ＡＲの折り畳まれた位置においてばねが張られている（曲がっているだけでない）ように寸法づけられている。これによって振動を防止するために展開腕ＡＲの強固な固定が達成される。
【００２０】
第３ｂ図において展開腕ＡＲは展開されている。第２ｂ図を参照して既に説明したように、展開腕ＡＲは、ここでは三つの展開ストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒ、Ａ２に接していることによって安定した三点支持位置にある。
【００２１】
第３ｃ図はバランス位置を超過して揺動した際の継手を示している。その場合案内要素ＦＥは、調整ねじＳで継手フレームＲの水平基板におけるウェブの第３の展開ストッパＡ２に接触支持されている。
【００２２】
原理的には、ばねＦは展開ストッパＡ１ＬないしＡ１ＲとＡ２との中央に配置できる。しかし第３図に示されている実施形態において、ばねは展開ストッパＡ１ＬないしＡ１ＲとＡ２との丁度中央に配置されていない。むしろこの実施形態の場合、ばねＦと第１ないし第２の展開ストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒとの展開腕の運動平面に投影した距離Ｌ１は、ばねＦと第３の展開ストッパＡ２との運動平面に投影した距離Ｌ２の約２．５分の１である。
この非対称性は次の目的に使用される。即ち、基本的には戻り揺動並びに過剰揺動ができるだけ柔らかく行われ、即ち衝撃荷重ができるだけ小さくなるようにする。他方では過剰揺動の際に、他の計測器あるいは衛星の物体との衝突を防止するために、バランス位置を超過しての変位が過大な大きさとならないようにする。これに対して戻り揺動の際に、もともと展開腕ＡＲの展開位置（第３ｂ図）と折り畳み状態における位置（第１図）との全範囲が自由に開けられていなければならないので、衝突の危険は全く存在しない。距離Ｌ１が非常に小さいので、展開腕ＡＲは、戻り揺動の際にばねＦが主に湾曲され伸びないので特に柔らかく、大きな変位でバランス位置を超過して揺動する。これに対して過剰揺動の際に距離Ｌ２が非常に大きいので、戻り揺動の際よりもばねの伸びが増大される。従って、展開腕ＡＲの変位は戻り揺動の際よりも小さくされる。これによって、バランス位置を超過した揺動運動はもはやさほど柔らかくはないが、衝撃荷重を防止するのにはなお依然として十分である。両変位方向における揺動挙動を異なって形成できることが、上述の装置の大きな利点である。衝撃荷重および考え得る衝突の危険に関する具体的な要求に応じて、その比率Ｌ２：Ｌ１は任意に調整できる。
比率Ｌ２：Ｌ１が２〜４の範囲にあることが今までの用途において特に有利であることが分かっている。
【００２３】
継手フレームＲの側壁に対して平行に延びる案内レールＳＬ、ＳＲを備えた案内要素は、一平面内における展開腕の運動を保証する。
【００２４】
この実施形態において利用されている第２のばねは、特に冗長目的に使用している。本発明に基づく継手の機能は、両方のばねの一方の喪失によって害されない。特に一つのばねしか機能しない場合でも、展開腕の運動は確定した運動平面内に維持されている。
【００２５】
【発明の効果】
− 冗長的な駆動。
− 展開過程における拡大された温度範囲。
− 詰め込み状態、即ち折り畳まれた状態において熱的応力が生じない。
− 硬い終端ストッパ、ロック機構が不要で、これによりロックする際の衝撃荷重は僅かである。
− 軸受摩擦はなく、これによりケーブル線の「曲がり」に対して多くの余力がある。あらゆる位置において安全係数＞３が実現できる。この静的な余力は公知の機構によって現在では実現できない。
− 製造コストが安い。
− 堅牢な構想に基づいて試験費用および組立費用が安い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく継手を備えた展開腕の図。
【図２】本発明に基づく継手の側面図と断面図。
【図３】展開腕の三つの異なった位置における本発明に基づく継手の断面図。
【符号の説明】
Ｇ 継手
ＡＲ 展開腕
ＳＡＴ 衛星
Ｆ ばね
ＦＥ 案内要素
Ａ１Ｌ 展開ストッパ
Ａ１Ｒ 展開ストッパ
Ａ２ 展開ストッパ
ＥＬ 折り畳みストッパ
ＥＲ 折り畳みストッパ

Claims (4)

1. 展開腕（ＡＲ）に対する案内要素と、内部応力をもって巻回されたコイルばね（Ｆ）とを有し、このコイルばね（Ｆ）が一方では展開腕（ＡＲ）に他方では衛星（ＳＡＴ）に結合された、展開腕（ＡＲ）を折り畳むためおよび展開するための継手（Ｇ）において、案内要素（ＦＥ）が展開腕（ＡＲ）に固く結合され、案内要素（ＦＥ）に対して衛星（ＳＡＴ）に固く結合された三つのストッパ（第１、第２、第３の展開ストッパＡ１Ｌ、Ａ１Ｒ、Ａ２）が存在し、その第１および第２の展開ストッパ（Ａ１Ｌ、Ａ１Ｒ）が展開腕（ＡＲ）の運動平面に対して対称に配置され、案内要素（ＦＥ）が展開腕（ＡＲ）の展開過程中に交互に、一方では第１、第２の展開ストッパ（Ａ１Ｌ、Ａ１Ｒ）に、他方では第３の展開ストッパ（Ａ２）に突き当たり、展開腕（ＡＲ）が展開された状態では三つの展開ストッパ（Ａ１Ｌ、Ａ１Ｒ、Ａ２）に接触支持され、衛星（ＳＡＴ）に固く結合された別の二つのストッパ（折り畳みストッパＥＬ、ＥＲ）が存在し、展開腕（ＡＲ）が折り畳まれた状態においてこれらの折り畳みストッパ（ＥＬ、ＥＲ）に接触支持されることを特徴とする衛星における展開腕の継手。
2. ばね（Ｆ）と第３の展開ストッパ（Ａ２）との距離（Ｌ２）が、ばね（Ｆ）と第１の展開ストッパ（Ａ１Ｌ）あるいは第２の展開ストッパ（Ａ１Ｒ）との距離（Ｌ１）より大きいことを特徴とする請求項１に記載の衛星における展開腕の継手。
3. 展開腕（ＡＲ）が折り畳まれた状態において、コイルばね（Ｆ）が、振動を防止するために展開腕を固定するべく張られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の衛星における展開腕の継手。
4. 二つのコイルばね（Ｆ）が存在することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の衛星における展開腕の継手。

Images