JP3864195B2 - 宇宙構造体およびその展開システム、並びに太陽発電衛星 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｃ６０フラーレンに代表される炭素同素体の構造を利用した宇宙構造体およびその展開システム、並びに太陽発電衛星に関し、特に太陽発電、宇宙基地、宇宙船、軌道上燃料ステーションなどの大型宇宙構造体を構築するのに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
現在、各国の協力によって宇宙ステーションを建設し、ここに乗務員を宇宙に滞在させ、太陽発電衛星や様々な実験棟として利用したり、宇宙空間における基地として使用する計画が進められている。また、宇宙ステーションとして利用する場合、ある程度の強度を有する宇宙構造体が必要になるが、地上から打ち上げるときにはコンパクトに収納でき、宇宙空間にて展開することで大きな容積を得ることができるようなものが要望されている。
【０００３】
例えば、上記太陽発電衛星(SPS: Solar Power Satellite)は、１９７８年にＮＡＳＡによって提案されたのが始まりで、その後、種々の形態のものが開発されている。図４２は、従来の太陽発電衛星の一例を示す構成図である。この太陽発電衛星９００は、複数の発電モジュール９０１と、テザー構造の主構造体９０２と、主構造体９０２と発電モジュール９０１を連結するアーム９０３と、アーム９０３と主構造体９０２との結合部分に設けた姿勢制御装置９０４と、主構造体９０２の端部に設けた送電アンテナ９０５とから構成されている。図４３は、図４２に示した発電モジュールを示す構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図である。発電モジュール９０１は、皿状をした薄膜構造の反射板９０６と、この反射板９０６の正面に設けた集光器９０７とから構成されている。
【０００４】
この太陽発電衛星９００は、ロケットによって高度３６０００ｋｍの静止衛星軌道上に打ち上げられ、宇宙空間にて組み立てられる。前記姿勢制御装置９０４は、反射板９０６が太陽の方向に向くように当該反射板９０６を姿勢制御する。反射板９０６によって集光された太陽光線は、太陽電池パネルを備えた集光器９０７によって光電変換され、送電アンテナ９０５から高周波マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の形で地上に送られる。地上では、送られてきたマイクロ波をアンテナで受電し、整流することで交流電力に変換する。このような太陽発電衛星によって、１基あたり数ＧＷの発電が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の太陽発電衛星９００は、太陽光線を正面から受けられるように反射板９０６および集光器９０７を姿勢制御する必要がある。このため、太陽発電衛星９００の構成が複雑になるという問題点がある。また、太陽発電衛星９００以外の宇宙構造体を含め、ロケットの打ち上げ容量の関係から、打ち上げる際にはコンパクトであり且つ宇宙空間にて展開し、高強度の構造体として機能するものが望まれている。そこで、この発明は、宇宙空間における新しい構造体を提供するものであって、その用途は、上記太陽発電衛星に限らず、様々に発展する可能性を有するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る宇宙構造体は、断面に円形部分を持ち、中空殻状構造の構成要素である６角形をした複数のモジュールと、モジュールの辺同士を回転可能に連結する回転連結手段と、モジュールの展開に応じてモジュールの辺同士が接したとき、当該辺同士を連結して固定し得る連結固定手段とを備え、回転連結手段をもってモジュールを折り畳んだ状態から、モジュールを展開して中空殻状構造に変形させるとき、モジュール同士が干渉しないように当該モジュールに前記回転連結手段と連結固定手段とを組み合わせて取り付けたものである。
【０００７】
この宇宙構造体は、１９８５年に発見された球殻状構造をした炭素同素体をモデルとして構成したものであり、このような炭素同素体としては、サッカーボール形状のＣ６０（バックミンスターフラーレン）が代表的なものとして知られている。また、Ｃ６０以外にも、Ｃ７０、Ｃ１２０（バッキーダンベル）、Ｃ２００（ドーナッツフラーレン）などが知られており、いずれも３次元的中空構造を構成している。この発明では、分子レベルの炭素同素体の構造を宇宙構造体に採用することにより、断面に円形部分を持つ中空殻状構造の宇宙構造体を提供することを可能としている。
【０００８】
なお、前記モジュールは、複数の梁から構成された枠体構造であってもよいし、板状体であってもよい。前記回転連結手段は、モジュールを回転可能に連結していれば、その構造はどのようなものであっても良い。また、固定連結手段は、モジュール同士の辺が接したとき、当該辺同士を自己連結できる構造であればよく、当該機能を奏する種々の公知または新規な技術を用いることができる。
【０００９】
また、モジュール同士が干渉しないようにするには、具体的な接続構成を複数想定してシミュレーションすることにより判断することができる。このようなシミュレーションにより決定した組み合わせによってモジュール同士を連結しておけば、展開の際、宇宙空間でモジュールが展開できなくなるのを防止することができる。
【００１０】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、さらに、前記モジュールを６本の梁からなる枠体構造にし、この枠体構造の節同士を接続するワイヤーその他の補強部材を設けたものである。枠体構造に補強部材を設けることにより、モジュール面内の曲げ剛性を高めることができる。補強部材としては前記ワイヤーの他、中空または中実のロッドなどを用いることができる。
【００１１】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、面内で折り畳み可能なように前記枠体の節に関節を設けたものである。このように、６角形のモジュールを面内で折り畳み可能に構成することで、ロケットにより打ち上げる際、さらにコンパクトに収納することが可能になる。
【００１２】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、６本の梁からなる枠体構造のうち、対向する二対の梁の中央に中央関節を設けると共に、当該二対の梁が共用する関節部分の間にアクチュエータによって伸縮する伸縮手段を渡したものである。
【００１３】
アクチュエータによって伸縮部材を伸ばすと、この伸縮部材が渡してある二対の梁の関節部分が開き、これに伴い、中央関節および関節部分で梁が開いてモジュールが展開される。この構造によれば、さらに宇宙構造体をコンパクトに折り畳むことができる。
【００１４】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、前記モジュールを展開するにあたり、無重力下における展開時の力バランスをシミュレーションによって求め、展開前と展開後における空間の位置ずれが小さくなる展開パターンに基づき、モジュールに前記回転連結手段と固定連結手段とを組み合わせて取り付けたものである。
【００１５】
無重力下でモジュールを展開すると、モジュール展開時の慣性力によって宇宙構造体の位置が大きく変わってしまう可能性がある。このため、モジュール展開時の力のバランスをシミュレーションしておき、この結果に基づいて、展開パターンを決定する。そして、この展開パターンに従って展開するように、回転連結手段と固定連結手段とを各モジュールに対して組み合わせて取り付ける。このようにすれば、展開時のモジュールの移動を極めて小さく抑制することができる。
【００１６】
また、上記のような宇宙構造体の一例として以下のような構造のものを挙げることができる。この発明に係る宇宙構造体は、球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールを有し、かつ、そのうちの５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）が各一辺をもってＣ字形状に連結され、つぎのモジュール（Ｍ６）が、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺と連結しており、当該モジュール（Ｍ６）を含めた８個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）が各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結され、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）が各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結され、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）が、前記逆Ｃ字先端に位置するモジュール（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結する複数の回転連結手段と、上記回転連結手段をもって各モジュールを展開したとき、その辺で接触するモジュール同士を連結する複数の連結固定手段とを備えたものである。
【００１７】
なお、この宇宙構造体の展開順序は、モジュールが干渉しないように、展開シミュレーションによって決定することができる。具体的には、前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２…Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８およびＪ９、Ｊ１０およびＪ１１、Ｊ１２およびＪ１３、Ｊ１４およびＪ１５、Ｊ１６およびＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１８、Ｊ１９の順で一つずつ、前記モジュールを展開するようにする。なお、当該展開方法には、宇宙構造体の展開前と展開後の移動を小さく抑えるといった目的を含むので、モジュールが干渉しなければ当該展開順序でなくとも構わない。
【００１８】
また、この発明に係る宇宙構造体の展開システムは、上記宇宙構造体と、モジュールが折り畳まれた状態を保持すると共に解除命令に基づいて前記保持を解除する一時保持手段と、展開命令に基づいて前記回転連結手段を中心としてモジュールを展開させる展開手段と、宇宙構造体に設置され且つ保持手段および展開手段に対して解除命令および展開命令を出す制御手段とを備えたものである。
【００１９】
前記制御手段により解除命令が出されると、一時保持手段がモジュールの保持を解除する。このような一時保持手段としては、例えば爆発ボルトやヒューズ、或いはモータやソレノイドを用いてピンを駆動するもの等を挙げることができる。つぎに、制御手段により展開命令が出されると、回転連結手段を中心としてモジュールが展開される。展開手段には、モータ、ソレノイドその他の回転動作を可能とする種々の公知技術を用いることができる。モジュールが展開すると、固定連結手段によりモジュール間の固定が行われ、中空殻構造の宇宙構造体が形成される。
【００２０】
また、この発明に係る宇宙構造体の展開システムは、上記宇宙構造体の展開システムにおいて、さらに、宇宙構造体と地上との間で通信を行う通信手段と、地上に設置され、通信手段を介して前記制御手段に解除命令または展開命令を出すよう指令する指令手段とを備えたものである。宇宙空間に作業を行う人間がいない場合、折り畳んだ宇宙構造体をロケットにより打ち上げ、宇宙空間にて展開する必要がある。このため、地上に指令基地を設置し、遠隔で前記制御手段に解除命令または展開命令を出すようにする。
【００２１】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、利用可能な内部空間を有するインフレータブル膜構造の与圧ブロックを内設したものである。インフレータブル膜構造の与圧ブロックの周囲に宇宙構造体を配置し、例えばモジュールに防護壁を設けることで、スペースデブリなどの衝突から与圧ブロックを保護することが可能になる。また、放射線の遮蔽板を設けることにより、与圧ブロック内の被爆を抑制することができるようになる。このように、宇宙構造体は、与圧ブロックの保護機能として様々な用途に用いることができる。
【００２２】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記宇宙構造体のモジュールに太陽電池パネルを設置したものである。この宇宙構造体に太陽電池パネルを設置することにより、少なくとも断面に円形部分を持つ太陽発電モジュールが形成される。例えば、宇宙構造体を球殻構造とした場合、太陽発電モジュールを略球形状に設置できるので、姿勢制御をすることなく、半球面で太陽光を受けることができる。
【００２３】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記宇宙構造体のモジュールに複数の反射鏡を設けると共に、これら反射鏡の角度を制御するサーボモーターを設け、当該宇宙構造体の内部に太陽電池パネルを設置したものである。
【００２４】
モジュールの反射鏡は、内部に設置した太陽電池パネルに太陽光線を集光できるように、サーボモータによって制御される。集光された太陽光線は、内部の太陽電池パネルにおいて光電変換される。なお、反射鏡の形状は、矩形、長方形、円形のいずれでもよい。また、サーボモータの個数、配置は、反射鏡の個数や形状に合わせて設ければ良い。
【００２５】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記太陽発電モジュールにおいて、前記太陽電池パネルを、前記宇宙構造体の内部に設置した小型の宇宙構造体のモジュールに設置したものである。反射鏡で集光した太陽光線は、宇宙構造体のモジュールに設置した太陽電池パネルで光電変換される。
【００２６】
また、この発明に係る太陽発電衛星は、複数の太陽発電モジュールと、当該太陽発電衛星を支持する主構造体と、この太陽発電衛星により発電した電力を高周波マイクロ波に変換してアンテナから送電する送電手段とを備えたものである。前記太陽発電モジュールによって発電した電力は、高周波マイクロ波としてアンテナから地上に送電される。地上では、このマイクロ波を受信アンテナにより受信して再び電力に変換する。
【００２７】
また、この発明に係る宇宙船は、上記宇宙航行用の母船と、この母船に取り付けた上記太陽発電モジュールと、同じく母船に取り付けられ、前記太陽発電モジュールにより発電した電力により推進力を得る電気推進器とを備えたものである。
【００２８】
宇宙船の推進エネルギーに太陽エネルギーを用いることで、無尽蔵にエネルギーを得ることができるが、宇宙船に設置した太陽発電装置に故障が発生した場合、宇宙船を修理するか或いは放棄しなければならない。そこで、姿勢制御の必要がない太陽発電モジュールをエネルギー源として用いることで、宇宙船の故障の発生を低減できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３０】
［宇宙構造体の構造］
図１は、この発明の実施の形態１にかかる宇宙構造体を示す斜視図である。図２は、図１に示した宇宙構造体を示す平面展開図である。この宇宙構造体１００は、６角形の枠体構造をした複数のモジュールＭから構成した球殻状構造であり、各モジュールＭはバタフライ状に展開可能にするジョイントＪにより連結されている。図２では、各モジュールを符号「Ｍ」で示すと共に各ジョイントを符号「Ｊ」で示し、当該符号にはモジュールおよびジョイントの番号を付記する。なお、回転角度が１３８°のジョイント番号には、さらに符号「ａ」を付記し、２２２°のジョイント番号には、さらに符号「ｂ」を付記する。
【００３１】
また、各モジュールＭには、他のモジュールＭとの連結固定を行うカプラーＣが設けられている。同図において、各カプラーを符号「Ｃ」で示し、当該符号にはカプラーＣの番号を付記する。さらに、オス側のカプラーＣにはさらに符号「ａ」を、メス側のカプラーＣにはさらに符号「ｂ」を付記する。なお、モジュールＭは、図１に示したような枠体構造ではなく、板状体により構成してもよい（図示省略）。
【００３２】
図３は、図１に示したモジュールの一例を示す説明図である。各モジュールＭは、６本の梁１０１を結合した６角形の枠体構造とする。各梁１０１の結合部１０２は、ヒンジ結合であってもよいが、梁１０１に加わるモーメントを伝達するために剛結合とするのが好ましい。また、各梁１０１には、中実棒体や開断面形状の棒体を用いることもできるが、捩り剛性を確保するため、円筒形或いは矩形の閉断面構造を採用するのが好ましい。さらに、モジュールＭの材質は、アルミニウム合金またはＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced plastics）積層材を用いるのが好ましい。アルミニウム合金およびＣＦＲＰは、熱伝導率が小さいので断熱対策を省略できるか或いは簡単な構造にすることができる。
【００３３】
特に、アルミニウム合金を用いる場合は、加工性が良く軽量化できるといった利点がある。また、ＣＦＲＰを用いる場合は、線膨張係数が小さいため、熱変形による荷重を抑制できるといった利点がある。ＣＦＲＰの捩り剛性については、±４５度層の比率を５０％程度にすることにより良好な結果を得ることができる。また、ＣＦＲＰの線膨張計数についても積層構造によって調整できる。さらに、アルミニウム合金と同等の弾性係数を与える場合には、アルミニウム合金よりもモジュールＭを軽量化することができる。
【００３４】
また、モジュールＭの結合部１０２間には、補強部材である鋼製のワイヤ１０３が星型に張られている。ワイヤ１０３を用いることで、モジュールＭの軽量化を実現でき、モジュールＭを折り畳んで展開する構造を採用できるようになる。なお、ワイヤ１０３を張るときは、各ワイヤ１０３の張力制御を行う必要がある。ワイヤ１０３によりモジュールＭを補強することにより、モジュールＭの剛性が向上する。また、補強部材として、ワイヤ１０３の他にロッドを用いることもできる（図示省略）。ロッドを用いる場合は、引張荷重および圧縮荷重を分担できるという利点がある。ロッドの材料には、梁１０１と同様、アルミニウム合金或いはＣＦＲＰを用いる。なお、ロッドと梁１０１とは、剛性向上の観点から剛結合とするのが好ましい。
【００３５】
上記補強部材は、モジュールＭの面内剛性を高め、固有振動数および変形量を改善する効果がある。なお、補強部材の剛性は、梁剛性の１／１０〜１／１で良い。図４は、補強部材の取付形態の変形例を示す説明図である。補強部材であるワイヤ１０３或いはロッドは、同図（ａ）に示すように、モジュールＭ中心でクロスするように、それぞれ対向する結合部１０２の間に設けるようにしてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、砂時計形になるように設けてもよい。さらに、同図（ｃ）に示すように、対向する一組の結合部１０２の間にワイヤ１０３等を渡し、そのワイヤ１０３を中心とした両側に砂時計形にワイヤ１０３を設けるようにしてもよい。これらワイヤ１０３の配置構造は、モジュールＭに要求される固有振動数や変形量によって決定すればよい。
【００３６】
図５は、図１に示したジョイント構造を示す説明図である。このジョイントＪは、同図（ａ）に示すように、固定側のモジュールＭｆと展開側のモジュールＭａとを回転軸を中心として相対回転できるようにしたものである。モジュールＭａの回転は、回転軸に設けたアクチュエータ１０５により行う。当該アクチュエータ１０５には、モータ、バネ、形状記憶合金、空気圧などを用いることができる。また、モータの回転運動を展開運動に変換する要素としては、減速機、ボールネジとカムとの組み合わせ等を挙げることができる。さらに、バネおよび形状記憶合金を用いるときの運動変換要素として、カムを用いることもできる。なお、バネをアクチュエータ１０５として用いるときは、展開のためのエネルギーが極めて小さく抑えられると共に、電気系統などを含めたアクチュエータ１０５の構造を簡略化できる。
【００３７】
このようなアクチュエータ１０５の具体例としては、同図（ｂ）に示すように、減速比の高い減速機１０６の出力軸を前記ジョイントＪの回転軸１０７と結合し、当該減速機１０６の入力軸とモータ１０８の回転軸を連結するものを挙げることができる。当該モータ１０８および減速機１０６は、ジョイントＪの端部に設ける。なお、同図では、１３８°の回転を行うモジュールＭａを実線で、２２２°の回転を行うモジュールＭａを点線で示した。また、モジュールＭの回転仮想中心は、ジョイントＪの回転中心から偏心した位置にある。
【００３８】
また、モータ１０８および減速機１０６をジョイントＪの中央部に設けるようにすれば、モジュールＭの展開動作時や、モジュールＭに太陽電池パネルなどの要素の取り付け時に邪魔にならない（図示省略）。さらに、アクチュエータ１０５の故障その他の理由に起因したモジュールＭの展開動作の失敗は、そのモジュール以降のモジュールＭの展開ができなくなるから、アクチュエータ１０５を複数、並列配置するようにするのが好ましい。
【００３９】
図６は、図１に示したカプラーの構造を示す斜視図である。同図（ａ）に示すカプラーＣは、ラッチのかかる溝１１０を設けたピン１１１と、ガイド機能を有する円錐状の筒体１１２と、固定ラッチ１１３とから構成されている。このピン１１１をオス側としてモジュールＭに設け、筒体１１２および固定ラッチ１１３をメス側のモジュールＭに設ける。モジュールＭを展開することにより、所定モジュールＭのピン１１１が、連結対象であるモジュールＭの筒体１１２に挿入され、ピン１１１の溝１１０に固定ラッチ１１３が係止することでモジュールＭ同士が連結固定される。また、固定ラッチ１１３にアクチュエータ１１４を設けることで、ピン１１１を開放するようにしてもよい。アクチュエータ１１４には、モータやエアシリンダーなどを用いることができる。
【００４０】
同図（ｂ）に示すカプラーは、Ｔ字形状のハンドル１１５と、このハンドル１１５を嵌めこむ溝１１６を有する２枚のプレート１１７と、各プレート１１７に設けた固定ラッチ１１８とから構成される。ハンドル１１５の中央には、三角プレート１１９が設けられている。前記ハンドル１１５をオス側としてモジュールＭに設け、プレート１１７および固定ラッチ１１８をメス側としてモジュールＭに設ける。モジュールＭを展開すると、ハンドル１１５の三角プレート１１９が連結対象であるモジュールＭに設けた２枚のプレート１１７の間に入ることで、ガイド機能を奏する。ハンドル１１５が溝１１６に嵌ったら、固定ラッチ１１８によりハンドル１１５が係止され、モジュールＭ同士が連結固定される。なお、上記同様、アクチュエータを設けることで、固定ラッチを開放することもできる（図示省略）。
【００４１】
同図（ｃ）に示すカプラーは、Ｔ字形状のハンドル１２０と、このハンドル１２０を掴むグリップ機構１２１とから構成される。グリップ機構１２１は、モータその他のアクチュエータによって駆動される。前記ハンドル１２０をオス側としてモジュールＭに設け、グリップ機構１２１をメス側に設ける。モジュールＭを展開すると、ハンドル１２０が開いたグリップ機構１２１の中に入り、グリップ機構１２１がハンドル１２０を掴む。これにより、モジュールＭ同士が連結固定される。なお、グリップ機構１２１は、センサなどによりハンドル１２０を検知し、このセンサ信号に基づいてアクチュエータを作動させることで把持動作を行う。なお、グリップ内にプッシャを設け、展開動作に伴いハンドルがプッシャを押すことで機械的にグリップが把持動作を行うようにしても良い。また、図示しないが、モジュールＭに台形形状などの簡単なガイド板を設け、当該ガイド板が組み合った状態でマグネット或いは固定ラッチで連結するようにしてもよい（いずれも図示省略）。
【００４２】
図７は、モジュールを折り畳んだ状態を示す説明図である。前記宇宙構造体１００は、図２の展開図に示すジョイントＪ部分で所定角度（１３８°、２２２°）回転させることで、６角柱に積層して折り畳まれる（図７（ａ）参照）。宇宙構造体１００を宇宙空間に打ち上げるときは、このようにモジュールＭを折り畳んだ状態でロケット内に収容する。各モジュールＭには、積層状態を維持するための仮固定装置１２５が設けられている。仮固定装置１２５は、モジュールＭの積層状態を保持し、打ち上げ時にモジュールＭが振動してアクチュエータを破損させるのを防止すると共に、モジュール展開順序を管理する上での安全装置として機能する。
【００４３】
この仮固定装置１２５は、同図（ｂ）に示すように、固定部１２６と爆発ボルト１２７によってモジュールＭとモジュールＭとを仮固定しており、モジュール展開時に当該爆発ボルト１２７を爆発させて固定を解除する。特に、爆発ボルト１２７を用いる場合は、動作の信頼性、保持剛性が高いという利点がある。また、爆発ボルト１２７の他にヒューズや、ヒューズとバネとを組み合わせたものによりモジュールを仮固定することもできる（図示省略）。
【００４４】
さらに、前記爆発ボルト１２７などの強制分離式の他、ノッチ・ピン式の仮固定装置を用いることもできる。図８は、ノッチ・ピン式の仮固定装置を示す説明図である。この仮固定装置１２８では、一方のモジュールＭに掛け金１２９を設け、他方のモジュールＭに掛け金１２９を引っ掛けるノッチ１３０或いはピンを設ける。そして、掛け金１２９をアクチュエータ１３１により回転或いはスライドし、当該掛け金１２９により拘束を解除する。なお、前記アクチュエータ１３１には、モータ、ソレノイドまたはパラフィンなどを用いることができる。
【００４５】
図９は、モジュールの構造の変形例を示す説明図である。この折り畳み式のモジュールＭは、同図（ａ）に示すように、モジュールＭの対向する結合部１０２の間に伸縮装置１４１を渡した構成である。この伸縮装置１４１は、中央のアクチュエータ１４２によって伸縮ワイヤ１４３の巻き取り及び引き出しを可能とした構造となる。アクチュエータ１４２には、回転運動を行うものを用いることができ、例えばモータと減速機の組み合わせや、シリンダーと直線運動を回転運動に変換する運動変換装置との組み合わせ等を挙げることができる。また、梁１０１同士の結合部１０２は、ヒンジなどの回転可能な関節構造になっており、さらに、伸縮装置１４１を渡した結合部１０２の両側の梁１０１は、その中央部にコイルスプリング１４４が設けられており、当該部分にて折り曲げ自在な構造になっている。伸縮装置１４１の両側には、それぞれワイヤ１０３がクロスして張られている。
【００４６】
同図（ｂ）に、モジュールを折り畳んだ状態を示す。モジュールＭを折り畳んだ状態からアクチュエータ１４２を作動して伸縮ワイヤ１４３を引き出すと、伸縮ワイヤ１４３の引き出し量に応じ、コイルスプリング１４４のバネ力によって梁１０１が開動作をする。モジュールＭを完全に展開した状態で、ワイヤ１０３が一定の張力でクロス状に張られ、補強部材として機能する。展開した状態から折り畳む場合は、アクチュエータ１４２を駆動して伸縮ワイヤ１４３を巻き取れば良い。モジュールＭを折り畳み構造にすることで、宇宙構造体１００をさらにコンパクトにまとめることができる。なお、伸縮装置１４１の構成は、アクチュエータ１４２と伸縮ワイヤ１４３に限定されない。例えばモジュールＭの結合部１０２にナットを設け、当該結合部１０２の間にナットに螺合するネジを渡し、アクチュエータによってネジを回転させる構成でもよい（図示省略）。この場合、アクチュエータによりネジを回転させることで、ナットがネジ上を移動し、これに伴い、モジュールＭの折り畳みと展開を行うことが可能になる。
【００４７】
図１０は、宇宙構造体の収納形態を示す説明図である。宇宙構造体１００は、図７（ａ）に示した状態で折り畳まれ、ロケットフェアリング内のペイロードエンベロープ１５０内に収納される。例えばＨ−２ロケットのペイロードエンベロープ１５０は、その直径がｄ＝４ｍ、長さがＬ＝１２ｍ（円筒部分は７ｍ程度）である。また、米国スペースシャトルのエンベロープは円筒形状をしており、その収納高さが１５ｍ程度で、直径は４ｍ程度である。この宇宙構造体１００は、折り畳むことによりモジュールＭの対角線寸法（Ｄ＝４．６ｍ）を最大径とした角柱状に折り畳むことができるので、ロケットやスペースシャトルのペイロードエンベロープ１５０にも、容易に収納することができる。
【００４８】
［宇宙構造体の展開システム］
図１１は、宇宙構造体の展開システムを示す構成図である。この展開システム２００は、後述する所定の展開プログラムを記憶した記憶装置２０１と、この展開プログラムをメモリ２０２（ＲＡＭ：Random Access Memory）にロードしてＣＰＵ２０３で実行する処理装置２０４と、モジュール展開動作を行うための電源２０５と、マイクロ波により地上との通信を行う通信システム２０６および通信アンテナ２０７と、モジュールＭのジョイントＪおよびカプラーＣや仮固定装置１２５を駆動するための電気回路２０８と、地上指令基地２０９とから構成される。
【００４９】
地上指令基地２０９は、宇宙構造体１００の遠隔操作システム２１０と、マイクロ波の送信或いは受信を行う大型の通信アンテナ２１１と、これに接続した通信システム２１２を備え、ジョイントＪの駆動などの命令信号をマイクロ波の搬送波に乗せ、周波数変調することで送信する。展開システム２００の実行命令は、地上指令基地２０９の遠隔操作システム２１０を用いて行う。遠隔操作システム２１０は、遠隔操作プログラム２１３を備えたコンピューター２１４と、画像表示装置２１５および入力装置２１６から構成されている。なお、同図に示すように地上指令基地２０９以外の構成は宇宙構造体１００側に搭載されるが、展開プログラムを記憶した記憶装置２０１や、そのプログラムを実行する処理装置２０４を地上側の遠隔操作システム２１０に移行し、宇宙構造体１００側に設置した電気回路２０８に直接、駆動命令を送るようにしてもよい。
【００５０】
なお、前記記憶装置２０１は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、ＲＡＭのような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。また、同図に示すように、地上指令基地２０９或いは通信システム２１２、通信アンテナ２１１を地球上の複数地点に設置し、これらをインターネット２１７で接続して宇宙構造体１００の遠隔操作を行うこともできる。また、前記電源２０５は、宇宙構造体１００のモジュールＭに取り付けた太陽電池パネル２１８から電力供給を受けるようにしてもよい。
【００５１】
図１２は、図１１に示した展開システムの機能ブロック図である。この展開システム２００は、上記展開プログラムや各種ハードウエアの組み合わせによって実現され、折り畳んだモジュールＭの仮固定を解除する仮固定解除部２３１と、モジュールＭ同士を回転可能に連結しているジョイントＪのアクチュエータ１０５を作動させるジョイント作動部２３２と、カプラーＣの連結動作を行うカプラー作動部２３４と、これらを制御する制御部２３５とから構成される。なお、制御部２３５と、仮固定解除部２３１、ジョイント作動部２３２およびカプラー作動部２３４とは、制御部２３５を宇宙構造体１００側に設けたときには伝送線により、制御部２３５を地上指令基地２０９側に設けたときにはマイクロ波により通信が行われる。
【００５２】
図１３は、この展開システムの動作を示すフローチャートである。まず、地上指令基地２０９において、遠隔操作システム２１０の入力装置２１６から宇宙構造体１００の展開命令を入力する。或いは、所定時間か所定のトリガー信号によって自動的に展開命令を行うようにする（ステップＳ１０１）。つぎに、この展開命令を通信システム２１２によってパルス変調し、通信アンテナ２１１からマイクロ波に乗せて宇宙空間に送信する。このマイクロ波信号は、宇宙構造体１００側の通信アンテナ２０７で受信され、通信システム２０６の変換回路により展開命令に復調され、処理装置２０４に送られる（ステップＳ１０２）。
【００５３】
処理装置２０４では、記憶装置２０１から宇宙構造体１００の展開プログラムを読み出し、メモリ２０２にロードする（ステップＳ１０３）。この展開プログラムには、仮固定の解除、後述するモジュールＪの展開順序、展開速度、カプラーＣの作動タイミングなどのプログラムが含まれている。制御部２３５は、当該展開プログラムに従って、仮固定解除部２３１、ジョイント作動部２３２およびカプラー作動部２３４を制御する。
【００５４】
続いて、仮固定解除部２３１は、展開プログラムに従い、仮固定装置１２５によるモジュールＭの仮固定を解除する（ステップＳ１０４）。例えば、図７に示したように、仮固定装置として爆発ボルト１２７を用いている場合、電気回路２０８を制御して当該爆発ボルト１２７に電流を流し、着火爆発させる。また、図８に示したように、仮固定装置１２５としてノッチ・ピン式のものを用いている場合、電気回路２０８を制御することでアクチュエータ１３１を作動させ、掛け金１２９による仮固定を解除する。
【００５５】
つぎに、ジョイント作動部２３２は、ジョイントＪのアクチュエータ１０５を作動させ、仮固定を解除したモジュールＭの展開を行う（ステップＳ１０５）。ここで、モジュールＭを展開したとき、既に展開しているモジュールＭとの連結固定が不要な場合（ステップＳ１０６）、さらに次のモジュールＭの仮固定を解除し、当該解除したモジュールＭを展開する（ステップＳ１０４〜Ｓ１０５）。一方、既に展開しているモジュールＭとの連結固定が必要な場合、カプラー作動部２３４は、該当するカプラーＣを作動させてモジュール間の連結固定を行う（ステップＳ１０７）。
【００５６】
なお、カプラーＣの作動は、当該カプラーＣが図６の（ｃ）に示すようなグリップ機構１２１を有する場合に必要となり、同図（ａ）および（ｂ）に示す固定ラッチ１１３、１１８を用いた場合は、カプラーＣの作動は機械的に独立して行われるので、展開プログラムによる作動命令は必要ない。そして、全てのモジュールＭが展開されるまで、上記動作を繰り返す（ステップＳ１０８）。なお、展開動作の過程を、通信システム２０６、２１２を利用して地上で監視することもできる。また、仮固定の解除を全て終了してから、展開動作を行うようにしてもよい。
【００５７】
［宇宙構造体のモジュール展開順序］
つぎに、宇宙構造体１００のモジュールＭの展開順序について説明する。図２に示した平面展開図のジョイント番号順にモジュールを展開した場合、モジュールＭ同士が干渉して展開できない場合がある。そこで、モジュールＭの展開構造を仮決定し、この展開構造に従ってモジュールＭを展開することで干渉が発生するか否かのシミュレーション（単純な展開シミュレーションで十分で、モジュールの慣性モーメントや引力その他の条件は不要である）を行った。この結果、次の表に示す順序でモジュールＭを展開することで干渉を回避できることが判った。
【００５８】
【表１】
【００５９】
同表において、左欄に展開順序を示し、右欄に当該順序において展開するジョイント番号を示す。なお、右欄にジョイント番号が並列に記載されている場合は、当該ジョイントＪを同時に展開することを意味する。かかる展開順序によってモジュール間の干渉が防止されるから、宇宙空間において確実にモジュールＭを展開できるようになる。なお、当該展開順序以外にもシミュレーションによって求めることができるが、この展開順序は展開時の宇宙構造体１００の移動を極小に抑えることができる点で優れている。
【００６０】
図１４〜図２８は、宇宙構造体の展開過程を示す説明図である。なお、これらの図では、説明しやすいように宇宙構造体のモジュールを面表現した。宇宙構造体１００は、図１４に示すような６角柱形状に折り畳まれて保持されている。この宇宙構造体１００がエンベロープから放出され、地上指令基地２０９からの展開指令により展開を開始する。まず、ステップ１では、図１５に示すように、ジョイントＪ１ａを作動してモジュールＭ１を１３８°展開する（以下、ジョイント番号に「ａ」を付したものは１３８°の展開をするものとする）。ここで、無重力状態では、モジュールＭ１を展開する反動によりその他のモジュールが少なからず回転することになる。
【００６１】
ステップ２では、図１６に示すように、ジョイントＪ２ｂを作動することでモジュールＭ２を２２２°展開する（以下、ジョイント番号に「ｂ」を付したものは２２２°の展開をするものとする）。続いて、ステップ３では、図１７に示すように、ジョイントＪ３ａを作動させることでモジュールＭ３を展開する。また、ステップ４では、図１８に示すように、ジョイントＪ５ａを作動させることでモジュールＭ５をモジュールＭ４と共に展開する。ここでジョイントＪ４ｂを作動させないのは、上述したように、モジュールの干渉を防止するためである。
【００６２】
ステップ５では、図１９に示すように、ジョイントＪ４ｂを作動させることでモジュールＭ４を展開する。ここで、モジュールＭ４の展開により、モジュールＭ５とモジュールＭ１とが、カプラーＣ１ａ、Ｃ１ｂにより連結固定される。つぎに、ステップ６では、図２０に示すように、干渉防止のため、ジョイントＪ７ａを作動させてモジュールＭ７をモジュールＭ６と共に展開する。ステップ７では、図２１に示すように、ジョイントＪ６ｂを作動させて、モジュールＭ６を展開する。
【００６３】
ステップ８では、図２２に示すように、ジョイントＪ８ｂおよびジョイントＪ９ａを同時に作動させ、モジュールＭ８およびモジュールＭ９を同時展開する。ここで、モジュールＭ８の展開により、モジュールＭ８とモジュールＭ１とが、カプラーＣ２ａ、Ｃ２ｂにより連結固定される。続いて、ステップ９では、図２３に示すように、ジョイントＪ１０ｂおよびジョイントＪ１１ａを同時に作動させ、モジュールＭ１０およびモジュールＭ１１を同時展開する。モジュールＭ１０の展開により、モジュールＭ１０とモジュールＭ２とが、カプラーＣ３ａ、Ｃ３ｂにより連結固定される。
【００６４】
ステップ１０では、図２４に示すように、ジョイントＪ１２ｂおよびジョイントＪ１３ａを同時に作動させ、モジュールＭ１２およびモジュールＭ１３を同時展開する。モジュールＭ１２の展開により、モジュールＭ１２とモジュールＭ３とが、カプラーＣ４ａ、Ｃ４ｂにより連結固定される。ステップ１１では、図２５に示すように、ジョイントＪ１４ｂおよびジョイントＪ１５ａを同時に作動させ、モジュールＭ１４およびモジュールＭ１５を同時展開する。モジュールＭ１４の展開により、モジュールＭ１４とモジュールＭ４とが、カプラーＣ５ａ、Ｃ５ｂにより連結固定される。また、モジュールＭ１５の展開により、モジュールＭ１５とモジュールＭ６とが、カプラーＣ６ａ、Ｃ６ｂにより連結固定される。なお、本図以降、詳細なモジュールの番号は省略する。
【００６５】
ステップ１２では、図２６に示すように、ジョイントＪ１６ｂおよびジョイントＪ１７ａを同時に作動させ、モジュールＭ１６およびモジュールＭ１７を同時展開する。モジュールＭ１７の展開により、モジュールＭ１７とモジュールＭ７とが、カプラーＣ７ａ、Ｃ７ｂにより連結固定される。ステップ１３では、図２７に示すように、ジョイントＪ１９ｂを作動させることでモジュールＭ１９をモジュールＭ１８と共に展開する。また、モジュールＭ１９の展開により、モジュールＭ１９とモジュールＭ１１とが、カプラーＣ９ａ、Ｃ９ｂにより連結固定される。
【００６６】
つぎに、ステップ１４では、図２８に示すように、ジョイントＪ１８を作動させることで、モジュールＭ１８を展開する。モジュールＭ１８の展開により、モジュールＭ１８とモジュールＭ９とが、カプラーＣ８ａ、Ｃ８ｂにより連結固定される。また、モジュールＭ１６とモジュールＭ２０とが、カプラーＣ１１ａ、Ｃ１１ｂにより、モジュールＭ２０とモジュールＭ１３とが、カプラーＣ１０ａ、Ｃ１０ｂにより連結固定される。以上の展開動作により、図２８に示すような略球形状の宇宙構造体１００が組み立てられる。
【００６７】
以上の展開順序により、発明者が実際にシミュレーションしたところ、展開前と展開後の移動が極小に抑えられることが判った。また、展開中における加速度および角加速度についても、非常に小さいレベルしか認められなかった。また、角加速度については、展開ステップの進行につれて展開モジュールＭとその他のモジュールＭとのモーメントに差が出るため、次第に減少することが判った。
【００６８】
なお、このシミュレーションにおいては、展開の基本動作の確認と重力傾斜トルクによる影響を確認するため、市販の運動解析ソフトウエア「ＡＭＡＭＳ」を使用し、無重力状態での展開シミュレーションと重力傾斜トルクを考慮したシミュレーションを行った。まず、その解析条件として、収納状態における構造体が地球指向で軌道するよう初期速度を与えた。ジョイントの展開動作は、動作をスムーズにするため、同ソフトウエアに実装されているＳＴＥＰ５関数を用いた。その他の詳細な条件は、以下の表２に示す。
【００６９】
【表２】
【００７０】
なお、モジュールの積層方向をＹ軸、モジュール面をＸ−Ｚ軸とした。また、前記初期速度は、Ｖｏi＝（Ｇ×Ｍ／ｒi）1/2（ｉ＝１，２，３，…２０）で与えた。このシミュレーションの結果、無重力状態では、角速度が収束してゼロに近い値を示したが、重力傾斜トルクを考慮した場合には、Ｘ軸、Ｚ軸方向に角速度が生じた。ただし、この回転速度が非常に遅いことから、重力傾斜トルクの影響は殆ど無視できることが判明した。
【００７１】
［宇宙構造体の実施例］
基本形態である宇宙構造体１００は、モジュールＭの材料に、ヤング率Ｅ＝７３００ｋｇ／ｍｍ2、ポアソン比ν＝０．３３のアルミニウム合金を用いた。また、断面閉形状のチューブ状の梁を用い、その長さ（６角形の一辺）を２０００ｍｍ（展開後の球殻直径９．９１ｍ）、外径Ｄ＝８０ｍｍ、板厚ｔ＝２ｍｍとした。さらに、補強部材であるワイヤ１０３には鋼製ワイヤを用い、星形に張設した。梁１０１同士は、剛結合とし、曲げ剛性の向上を図った。
【００７２】
［宇宙構造体の応用例］
図２９は、上記宇宙構造体の応用例を示す説明図である。宇宙構造体１００の各モジュールＭに太陽電池パネル３０１を取り付けて発電モジュール３００とする。各モジュールＭに太陽電池パネル３０１を設けることにより、太陽光線が球体の半分に確実に当たることになる。また、発電モジュール３００が略球形状であるため、当該発電モジュール３００を姿勢制御する必要性がない。このため、発電中に故障が発生する確率は極めて少ない。なお、太陽電池パネル３０１を全てのモジュールＭに設ける必要はなく、必要に応じた数にすることもできる。さらに、太陽電池パネル３０１の表面を球状に成形すれば、全体として球形に近づくので、太陽光を効率的に受けることができる（図示省略）。なお、太陽電池パネル３０１から導出する配線は、チューブ状の梁１０１内を通して、所定箇所に集められる（図示省略）。
【００７３】
図３０は、太陽発電衛星を示す構成図である。この太陽発電衛星３５０は、アルミニウム合金或いはＣＦＲＰなどの構造材料により構成され、複数のアーム３５１を備えた主構造体３５２と、この主構造体３５２のアーム３５１先端に設けた発電モジュール３００と、主構造体３５２の一端に設けた送電装置３５３および送電アンテナ３５４とから構成されている。主構造体３５２には、集電のための配線が設けられ、発電モジュール３００と送電装置３５３とを電気的に接続している。また、主構造体３５２は、テザーチェーン構造であってもよい。
【００７４】
送電装置３５３では、発電モジュール３００から送電された直流電流を２．４５ＧＨｚの高周波マイクロ波に変換する。送電アンテナ３５４は、送電アンテナ素子を複数アレイ状に配置した構成であり、各送電アンテナ素子には、電力増幅器が設けられている。送電装置３５３で発生したマイクロ波は前記送電アンテナ３５４に送られ、当該送電アンテナ３５４から受信アンテナ（図示省略）に向けて放射する。なお、マイクロ波を正確に受信アンテナに送る方法として、特開平６−３２７１７２号公報等に開示の技術が知られている。
【００７５】
この他、上述した、宇宙構造体１００の展開プログラムを実行するための記憶装置２０１や処理装置２０４は、前記送電装置３５３に内設した制御装置３５５に含まれる。また、当該制御装置３５５には、地上との通信を行うと共に地上に対するマイクロ波送電を行う通信システム２０６および電気回路２０８が収納されている。前記電源２０５は、太陽電池パネル３０１から得る電力でまかなう。
【００７６】
この太陽発電衛星３５０によれば、太陽光線の方向とは無関係に均一な発電を行うことができるから、一般的なパネル状の太陽発電衛星に比べて、姿勢制御の必要がない。このため、姿勢制御用のアクチュエータを省略或いは簡略化することができるから、メンテナンスが困難な宇宙空間における故障の発生を大幅に抑制できる。また、発電モジュール３００の配置を自由に設定することができる。
【００７７】
例えば図３１に示すように、太陽発電衛星３６０の発電モジュール３００を四角平面的に配置することもできる。発電モジュール３００は、ナノチューブ構造のビーム３６１により構成するトラス構造の結合点として利用する。このとき、当該結合はピン結合となるが、曲げモーメントを伝えるため、剛結合のラーメン構造としてもよい。このような構成にすれば、太陽発電衛星３６０を比較的大型の構造物として利用することができる。
【００７８】
さらに、当該太陽発電衛星３６０が、特定の姿勢で静止軌道上にある場合は、この四角平面の裏側に反射板３６２を設置するようにしてもよい（図中、点線で示す）。このようにすれば、発電モジュール３００の裏側にも太陽光線を照射することができる。また、太陽光線に対して多少傾いていても、多少大きめの反射板３６２を用いることで、十分な反射光を確保することができる。
【００７９】
さらに、図３２に示すように、テザーチェーン構造の主構造体３７１から放射状にアーム３７２を延設し、このアーム３７２先端に発電モジュール３００を設けるようにしてもよい。このとき、アーム３７２の延設方向を上下段で変えるようにするのが好ましい。特定の姿勢で静止衛星軌道に乗る場合、他の発電モジュール３００により太陽光線がさえぎられ難いようにするためである。また、主構造体３７１の一端には、送電装置３７３および送電アンテナ３７４が設けられている。送電方法は、図３０に示した太陽発電衛星と同じである。
【００８０】
また、図３３に別の太陽発電衛星の構成を示す。この太陽発電衛星は、複数の発電モジュール３００をナノチューブ構造のビーム３８１にテザー３８２で結合したものである。なお、上記太陽発電衛星において、発電モジュール３００の個数は図面に示した数に限定されず、必要な電力に応じて適宜決定することができる。
【００８１】
図３４は、発電モジュールの変形例を示す構成図である。図３５は、図３４に示した発電モジュールの集光装置を示す説明図である。この発電モジュール４００は、宇宙構造体１００Ｌの内部にさらに宇宙構造体１００Ｓを設置した構成である（図３４は、一部破断して表している）。外側の宇宙構造体１００ＬのモジュールＭには、太陽光線を集光する集光装置４０１が設けられている。この集光装置４０１は、図３５（ａ）に示すように、モジュールＭの内面に矩形のミラー４０２を複数設けた構成であり、梁１０１に設置した制御用のサーボモータ４０３により回転制御されている。一方、内側の宇宙構造体１００ＳのモジュールＭには、太陽電池パネル４０４が設置されている。
【００８２】
また、上記発電モジュール４００は、主構造体のアーム４０５に設置されている。太陽電池パネル４０４からの配線は、アーム４０５および主構造体の中を通り、送電アンテナに接続されている（図示省略）。なお、宇宙構造体の展開方法は、上記説明の通りであるが、この発電モジュール４００では、外側の宇宙構造体１００Ｌを展開している途中に内側の宇宙構造体１００Ｓを中に入れるようにしてもよいし、両方の宇宙構造体１００を同じに展開させ、その過程で外側の宇宙構造体１００Ｌ内に内側の宇宙構造体１００Ｓが収容されるようにしてもよい。
【００８３】
まず、図３５（ｂ）に示すように、太陽光線Ｋは、矩形のミラー４０２によって反射して、太陽電池パネル４０４上に集光される。太陽電池パネル４０４では、この集光した太陽光線Ｋを光電変換する。かかる構成によれば、大型の太陽電池パネルを用いなくても、集電効率を向上させることができる。なお、前記集光装置４０１のミラー制御は、アーム先端に設けた制御装置４０６により行われる。また、上記発電モジュール４００では、大型の宇宙構造体１００Ｌ内に太陽電池パネル４０４を備えた小型の宇宙構造体１００Ｓを配置したが、宇宙構造体１００Ｓを省略して太陽電池パネルのみを配置するようにしてもよい（図示省略）。
【００８４】
また、図３６に示すように、前記ミラー４０２を、矩形のミラー枠４０７と、このミラー枠４０７内に設置した複数のミラー４０８と、当該各ミラー４０８を回転制御するサーボモータ４０９とから構成するようにしてもよい。サーボモータ４０９は、制御装置４０６により太陽光線を太陽電池パネル４０４に集光できるように制御される。このようにすれば、発電モジュール４００のうち、太陽光線が斜めに当たる部分において太陽光線を適切に太陽電池パネル４０４に照射させることができるから、さらに集光効率を向上させることができる。なお、図３４および図３５に示した集光装置４０１のミラー数は、８枚〜１０枚程度が好ましいが、これ以外の個数であっても構わない。
【００８５】
図３７は、宇宙構造体を用いた宇宙基地を示す説明図である。この宇宙基地５００は、宇宙構造体１００を月面Ｂにおいて使用するものであって、宇宙構造体１００内にはインフレータブル膜構造の与圧ブロック５０１が設けられている。この与圧ブロック５０１は、宇宙構造体１００内部で膨らませた後、内部に構造体を設けるか或いは膨らませた状態でモジュールと結合し（図示省略）、宇宙基地５００として使用することができる。さらに、モジュールＭの面に金属製の防護板５０２を設けることで、スペースデブリや隕石の落下による与圧ブロックの破損を防止することができる。また、熱や放射線を遮蔽する遮蔽板を設けることにより、宇宙空間における太陽熱の影響や放射線の影響を小さくすることができる。
【００８６】
さらに、特定のモジュールＭに上記のような太陽電池パネルを設けることにより、基地内の電力を調達することができる。このように、宇宙構造体１００を用いることで、簡単に設置でき且つ高い強度を持った宇宙基地５００を提供できる。なお、月面Ｂに設置する場合、簡単な固定手段５０３によって地面に固定するのが好ましい。
【００８７】
図３８は、宇宙構造体を惑星探査船に用いた場合を示す構成図である。惑星探査船に利用する場合は、電気推進装置用または船内電源供給用として発電モジュール３００を利用する。母船６０１には、テザー６０２により発電モジュール３００が複数連結されている。また、母船６０１の側面からはアーム６０３が延設されており、このアーム６０３の端部には、電気推進装置６０４が設けられている。電気推進装置６０４としては、プラズマジェット、イオンエンジン、コロイドエンジン、ＭＰＤアークジェット、マイクロ波加速器などを挙げることができる。
【００８８】
発電モジュール３００が太陽光線を受けて発電した電力は母船６０１に送られ、電気推進装置６０４の電力使用に供される。また、母船６０１内の電気機器の電力としても使用される。かかる構成によれば、母船６０１の進行方向に関係なく、常に太陽光線が発電モジュール３００に照射されることになる。また、発電モジュール３００の姿勢制御が不要であるから、宇宙航行中に故障し難い。
【００８９】
[宇宙構造体の形態]
図３９は、別形態の宇宙構造体を示す説明図である。この宇宙構造体７００は、上記宇宙構造体１００とは異なる展開構造を備えたものである。同図に示すように、この宇宙構造体７００は、半球の北側（符号「Ｎ」）と南側（符号「Ｓ」）に別れ、中心となるモジュールＭに符号「Ａ」を冠し、このモジュールＭＡの周囲３辺に均等に符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢを連結し、当該符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢの２辺に符号「Ｃ」を冠したモジュールＭＣを連結し、その最外周のモジュールＭＣ同士を一部連結することにより構成されている。また、この宇宙構造体７００は、上記同様、６角柱状態で積層収納されている。この積層順序を表３に示す。同表において、左欄に積層順、中欄に該当するモジュールＭを示す。また、展開する順序を右欄に示す。
【００９０】
【表３】
【００９１】
なお、上記宇宙構造体７００において、モジュール間同士は上記同様のジョイントＪにより連結されており、また、展開動作中に結合することになるモジュールＭＡ〜ＭＣの各辺には上記同様のカプラーＣが設けられている（いずれも図示省略）。このような展開順序によりモジュールＭを展開することで、各モジュール同士が干渉することなく展開できるようになる。なお、上記のような展開前後における位置移動については、上記宇宙構造体ほど微少にはならないが、作業上支障が出るほどではない。
【００９２】
図４０は、１２０面を有する宇宙構造体を示す斜視図である。この宇宙構造体７１０は、Ｃ１２０炭素同素体をモデルとして構成されたもので、上記Ｃ６０タイプの宇宙構造体１００を中央の梁７１１で接合した構成である。その他の構成は、上記宇宙構造体１００と同様であるからその説明を省略する。この宇宙構造体７１０は、１２０面に太陽電池パネル７１２を設置することで太陽発電衛星とすることもできるし、宇宙基地として用いることもできる。また、一方の球体部分に太陽電池パネル７１２を設置し、他方の球体内部に高周波マイクロ波の形で送電を行う送電アンテナを設置するようにしてもよい（図示省略）。宇宙構造体７１０を展開するには、まず、両方の球体部分を個別に展開（図１４〜図２８参照）してからそれぞれを所定位置に移動し、続いて中央の梁７１１をもって結合すればよい。
【００９３】
図４１は、ドーナッツ形状の宇宙構造体を示す斜視図である。同図（ａ）に示す宇宙構造体７２０は、上記６角形のモジュールＭをドーナッツ形状に組み合わせた構成である。上記同様、この宇宙構造体７２０のモジュールＭに太陽電池パネル７２１を設置して太陽発電衛星としてもよいし、モジュールＭに隔壁を設け、宇宙ステーションとして使用するようにしてもよい。さらにＣ６０タイプの宇宙構造体１００と組み合わせて用いることもできる。例えば、同図（ｂ）に示すように、Ｃ６０タイプの宇宙構造体１００に太陽電池パネル３０１を設置すると共に、これをＣ２００タイプの宇宙構造体７２０の両側に設置し、Ｃ２００タイプの宇宙構造体７２０のモジュールに隔壁７２２を設けて有人衛星とすることができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の宇宙構造体は、断面に円形部分を持ち、中空殻状構造の構成要素である６角形をした複数のモジュールと、モジュールの辺同士を回転可能に連結する回転連結手段と、モジュールの展開に応じてモジュールの辺同士が接したとき、当該辺同士を連結して固定し得る連結固定手段とを備え、回転連結手段をもってモジュールを折り畳んだ状態から、モジュールを展開して中空殻状構造に変形させるとき、モジュール同士が干渉しないように当該モジュールに前記回転連結手段と連結固定手段とを組み合わせて取り付けたものである。このため、宇宙空間でモジュールを確実に展開することが可能であり、宇宙空間に打ち上げるときは、回転連結手段をもって折り畳むことでコンパクトに収納でき、一方、宇宙空間に打ち上げたときは、モジュールを展開し、連結固定手段によりモジュール同士を固定することで、全体として中空殻状構造の宇宙構造体を構成することができる。このようにして形成した宇宙構造体は、構造的に安定で強度の高いものとなり、様々な用途に用いることが可能になる。
【００９５】
また、この発明の宇宙構造体では、前記モジュールを６本の梁からなる枠体構造にし、この枠体構造の節同士を接続するワイヤーその他の補強部材を設けたので、宇宙構造体の剛性を向上することができる。
【００９６】
また、この発明の宇宙構造体では、面内で折り畳み可能なように前記枠体の節に関節を設けたので、宇宙構造体をさらにコンパクトに折り畳むことができる。
【００９７】
また、この発明の宇宙構造体（請求項４）では、６本の梁からなる枠体構造のうち、対向する二対の梁の中央に中央関節を設けると共に、当該二対の梁が共用する関節部分の間にアクチュエータによって伸縮する伸縮手段を渡したことにより、宇宙構造体をさらにコンパクトに折り畳むことができる。
【００９８】
また、この発明の宇宙構造体（請求項５）では、モジュールを展開するにあたり、無重力下における展開時の力バランスをシミュレーションによって求め、展開前と展開後における空間の位置ずれが小さくなる展開パターンに基づき、モジュールに前記回転連結手段と固定連結手段とを組み合わせて取り付けたので、展開時のモジュールの移動を極めて小さく抑制することができる。
【００９９】
また、この発明の宇宙構造体では、球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールのうち、５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）が各一辺をもってＣ字形状に連結され、つぎのモジュール（Ｍ６）が、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺と連結しており、当該モジュール（Ｍ６）を含めた８個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）が各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結され、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）が各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結され、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）が、前記逆Ｃ字先端に位置するモジュール（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結する複数の回転連結手段と、上記回転連結手段をもって各モジュールを展開したとき、その辺で接触するモジュール同士を連結する複数の連結固定手段とを備えた。このため、前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、例えば、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２…Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８およびＪ９、Ｊ１０およびＪ１１、Ｊ１２およびＪ１３、Ｊ１４およびＪ１５、Ｊ１６およびＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１８、Ｊ１９の順で一つずつ、前記モジュールを展開することで、モジュールを干渉させることなく、展開することができる。なお、当該例示の展開方法によれば、さらに、宇宙構造体の展開前と展開後の移動を小さく抑えることが可能になる。
【０１００】
また、この発明の宇宙構造体の展開システムでは、上記宇宙構造体と、モジュールが折り畳まれた状態を保持すると共に解除命令に基づいて前記保持を解除する一時保持手段と、展開命令に基づいて前記回転連結手段を中心としてモジュールを展開させる展開手段と、宇宙構造体に設置され且つ保持手段および展開手段に対して解除命令および展開命令を出す制御手段とを備えたので、宇宙構造体を宇宙空間において展開することができる。
【０１０１】
また、この発明の宇宙構造体の展開システムでは、宇宙構造体と地上との間で通信を行う通信手段と、地上に設置され、通信手段を介して前記制御手段に解除命令または展開命令を出すよう指令する指令手段とを備えたので、地上から遠隔操作により宇宙構造体を展開できる。
【０１０２】
また、この発明の宇宙構造体では、宇宙構造体に、利用可能な内部空間を有するインフレータブル膜構造の与圧ブロックを内設することで、当該宇宙構造体を与圧ブロックの保護構造として用いることができる。例えばモジュールに防護壁を設けることで、スペースデブリなどの衝突から与圧ブロックを保護することが可能になる。また、放射線の遮蔽板を設けることにより、与圧ブロック内の被爆を抑制することができるようになる。
【０１０３】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、上記宇宙構造体のモジュールに太陽電池パネルを設置したので、姿勢制御をすることなく、太陽光発電を行うことができる。
【０１０４】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、上記宇宙構造体のモジュールに複数の反射鏡を設けると共に、これら反射鏡の角度を制御するサーボモーターを設け、当該宇宙構造体の内部に太陽電池パネルを設置したので、太陽電池パネルに対してより大きな宇宙構造体を用いて集光することができる。
【０１０５】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、前記太陽電池パネルを、前記宇宙構造体の内部に設置した小型の宇宙構造体のモジュールに設置したので、反射鏡で集光した太陽光線が小型の宇宙構造体に設置した太陽電池パネルで光電変換されることになるから、集光効率が向上する。
【０１０６】
また、この発明の太陽発電衛星では、複数の太陽発電モジュールと、当該太陽発電衛星を支持する主構造体と、この太陽発電衛星により発電した電力を高周波マイクロ波に変換してアンテナから送電する送電手段とを備えたので、太陽発電モジュールによって発電した電力を、高周波マイクロ波の形態で地上に送電することができる。
【０１０７】
また、この発明の宇宙船は、上記宇宙航行用の母船と、この母船に取り付けた上記太陽発電モジュールと、同じく母船に取り付けられ、前記太陽発電モジュールにより発電した電力により推進力を得る電気推進器とを備えたので、故障によりエネルギーの供給が不能になるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる宇宙構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示した宇宙構造体を示す平面展開図である。
【図３】図１に示したモジュールの一例を示す説明図である。
【図４】補強部材の取付形態の変形例を示す説明図である。
【図５】図１に示したジョイント構造を示す説明図である。
【図６】図１に示したカプラーの構造を示す斜視図である。
【図７】モジュールを折り畳んだ状態を示す説明図である。
【図８】ノッチ・ピン式の仮固定装置を示す説明図である。
【図９】モジュールの構造の変形例を示す説明図である。
【図１０】宇宙構造体の収納形態を示す説明図である。
【図１１】宇宙構造体の展開システムを示す構成図である。
【図１２】図１１に示した展開システムの機能ブロック図である。
【図１３】この展開システムの動作を示すフローチャートである。
【図１４】宇宙構造体の展開過程（展開前）を示す説明図である。
【図１５】宇宙構造体の展開過程（ステップ１）を示す説明図である。
【図１６】宇宙構造体の展開過程（ステップ２）を示す説明図である。
【図１７】宇宙構造体の展開過程（ステップ３）を示す説明図である。
【図１８】宇宙構造体の展開過程（ステップ４）を示す説明図である。
【図１９】宇宙構造体の展開過程（ステップ５）を示す説明図である。
【図２０】宇宙構造体の展開過程（ステップ６）を示す説明図である。
【図２１】宇宙構造体の展開過程（ステップ７）を示す説明図である。
【図２２】宇宙構造体の展開過程（ステップ８）を示す説明図である。
【図２３】宇宙構造体の展開過程（ステップ９）を示す説明図である。
【図２４】宇宙構造体の展開過程（ステップ１０）を示す説明図である。
【図２５】宇宙構造体の展開過程（ステップ１１）を示す説明図である。
【図２６】宇宙構造体の展開過程（ステップ１２）を示す説明図である。
【図２７】宇宙構造体の展開過程（ステップ１３）を示す説明図である。
【図２８】宇宙構造体の展開過程（ステップ１４、展開後）を示す説明図である。
【図２９】宇宙構造体の応用例を示す説明図である。
【図３０】太陽発電衛星を示す構成図である。
【図３１】太陽発電衛星の変形例を示す斜視図である。
【図３２】太陽発電衛星の別の変形例を示す斜視図である。
【図３３】太陽発電衛星の別の変形例を示す斜視図である。
【図３４】発電モジュールの変形例を示す構成図である。
【図３５】図３４に示した発電モジュールの集光装置を示す説明図である。
【図３６】図３４に示した発電モジュールの変形例を示す斜視図である。
【図３７】宇宙構造体を用いた宇宙基地を示す説明図である。
【図３８】宇宙構造体を惑星探査船に用いた場合を示す構成図である。
【図３９】別形態の宇宙構造体を示す説明図である。
【図４０】１２０面を有する宇宙構造体を示す斜視図である。
【図４１】ドーナッツ形状の宇宙構造体を示す斜視図である。
【図４２】従来の太陽発電衛星の一例を示す構成図である。
【図４３】図４２に示した発電モジュールを示す構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図である。
【符号の説明】
１００ 宇宙構造体
１０１ 梁
１０２ 結合部
１０３ ワイヤ
Ｍ１〜Ｍ２０ モジュール
Ｊ１〜Ｊ１９ ジョイント
Ｃ１〜Ｃ１１ カプラー
２００ 展開システム
２０１ 記憶装置
２０４ 処理装置
２０５ 電源
２０６ 通信システム
２０７ 通信アンテナ
２０８ 電気回路
２０９ 地上指令基地
２１０ 遠隔操作システム
２１１ 通信アンテナ
２１２ 通信システム
２１３ 遠隔操作プログラム
２１４ コンピューター
２１７ インターネット
２１８ 太陽電池パネル
３００ 発電モジュール
３０１ 太陽電池パネル
３５０ 太陽発電衛星
３５１ アーム
３５２ 主構造体
３５３ 送電装置
３５４ 送電アンテナ
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｃ６０フラーレンに代表される炭素同素体の構造を利用した宇宙構造体およびその展開システム、並びに太陽発電衛星に関し、特に太陽発電、宇宙基地、宇宙船、軌道上燃料ステーションなどの大型宇宙構造体を構築するのに好適である。
【０００２】
【従来の技術】
現在、各国の協力によって宇宙ステーションを建設し、ここに乗務員を宇宙に滞在させ、太陽発電衛星や様々な実験棟として利用したり、宇宙空間における基地として使用する計画が進められている。また、宇宙ステーションとして利用する場合、ある程度の強度を有する宇宙構造体が必要になるが、地上から打ち上げるときにはコンパクトに収納でき、宇宙空間にて展開することで大きな容積を得ることができるようなものが要望されている。
【０００３】
例えば、上記太陽発電衛星(SPS: Solar Power Satellite)は、１９７８年にＮＡＳＡによって提案されたのが始まりで、その後、種々の形態のものが開発されている。図４２は、従来の太陽発電衛星の一例を示す構成図である。この太陽発電衛星９００は、複数の発電モジュール９０１と、テザー構造の主構造体９０２と、主構造体９０２と発電モジュール９０１を連結するアーム９０３と、アーム９０３と主構造体９０２との結合部分に設けた姿勢制御装置９０４と、主構造体９０２の端部に設けた送電アンテナ９０５とから構成されている。図４３は、図４２に示した発電モジュールを示す構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図である。発電モジュール９０１は、皿状をした薄膜構造の反射板９０６と、この反射板９０６の正面に設けた集光器９０７とから構成されている。
【０００４】
この太陽発電衛星９００は、ロケットによって高度３６０００ｋｍの静止衛星軌道上に打ち上げられ、宇宙空間にて組み立てられる。前記姿勢制御装置９０４は、反射板９０６が太陽の方向に向くように当該反射板９０６を姿勢制御する。反射板９０６によって集光された太陽光線は、太陽電池パネルを備えた集光器９０７によって光電変換され、送電アンテナ９０５から高周波マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の形で地上に送られる。地上では、送られてきたマイクロ波をアンテナで受電し、整流することで交流電力に変換する。このような太陽発電衛星によって、１基あたり数ＧＷの発電が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の太陽発電衛星９００は、太陽光線を正面から受けられるように反射板９０６および集光器９０７を姿勢制御する必要がある。このため、太陽発電衛星９００の構成が複雑になるという問題点がある。また、太陽発電衛星９００以外の宇宙構造体を含め、ロケットの打ち上げ容量の関係から、打ち上げる際にはコンパクトであり且つ宇宙空間にて展開し、高強度の構造体として機能するものが望まれている。そこで、この発明は、宇宙空間における新しい構造体を提供するものであって、その用途は、上記太陽発電衛星に限らず、様々に発展する可能性を有するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明に係る宇宙構造体は、断面に円形部分を持ち、中空殻状構造の構成要素である６角形をした複数のモジュールと、モジュールの辺同士を回転可能に連結する回転連結手段と、モジュールの展開に応じてモジュールの辺同士が接したとき、当該辺同士を連結して固定し得る連結固定手段とを備え、回転連結手段をもってモジュールを折り畳んだ状態から、モジュールを展開して中空殻状構造に変形させるとき、モジュール同士が干渉しないように当該モジュールに前記回転連結手段と連結固定手段とを組み合わせて取り付けたものである。
【０００７】
この宇宙構造体は、１９８５年に発見された球殻状構造をした炭素同素体をモデルとして構成したものであり、このような炭素同素体としては、サッカーボール形状のＣ６０（バックミンスターフラーレン）が代表的なものとして知られている。また、Ｃ６０以外にも、Ｃ７０、Ｃ１２０（バッキーダンベル）、Ｃ２００（ドーナッツフラーレン）などが知られており、いずれも３次元的中空構造を構成している。この発明では、分子レベルの炭素同素体の構造を宇宙構造体に採用することにより、断面に円形部分を持つ中空殻状構造の宇宙構造体を提供することを可能としている。
【０００８】
なお、前記モジュールは、複数の梁から構成された枠体構造であってもよいし、板状体であってもよい。前記回転連結手段は、モジュールを回転可能に連結していれば、その構造はどのようなものであっても良い。また、固定連結手段は、モジュール同士の辺が接したとき、当該辺同士を自己連結できる構造であればよく、当該機能を奏する種々の公知または新規な技術を用いることができる。
【０００９】
また、モジュール同士が干渉しないようにするには、具体的な接続構成を複数想定してシミュレーションすることにより判断することができる。このようなシミュレーションにより決定した組み合わせによってモジュール同士を連結しておけば、展開の際、宇宙空間でモジュールが展開できなくなるのを防止することができる。
【００１０】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、さらに、前記モジュールを６本の梁からなる枠体構造にし、この枠体構造の節同士を接続するワイヤーその他の補強部材を設けたものである。枠体構造に補強部材を設けることにより、モジュール面内の曲げ剛性を高めることができる。補強部材としては前記ワイヤーの他、中空または中実のロッドなどを用いることができる。
【００１１】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、面内で折り畳み可能なように前記枠体の節に関節を設けたものである。このように、６角形のモジュールを面内で折り畳み可能に構成することで、ロケットにより打ち上げる際、さらにコンパクトに収納することが可能になる。
【００１２】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、６本の梁からなる枠体構造のうち、対向する二対の梁の中央に中央関節を設けると共に、当該二対の梁が共用する関節部分の間にアクチュエータによって伸縮する伸縮手段を渡したものである。
【００１３】
アクチュエータによって伸縮部材を伸ばすと、この伸縮部材が渡してある二対の梁の関節部分が開き、これに伴い、中央関節および関節部分で梁が開いてモジュールが展開される。この構造によれば、さらに宇宙構造体をコンパクトに折り畳むことができる。
【００１４】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、前記モジュールを展開するにあたり、無重力下における展開時の力バランスをシミュレーションによって求め、展開前と展開後における空間の位置ずれが小さくなる展開パターンに基づき、モジュールに前記回転連結手段と固定連結手段とを組み合わせて取り付けたものである。
【００１５】
無重力下でモジュールを展開すると、モジュール展開時の慣性力によって宇宙構造体の位置が大きく変わってしまう可能性がある。このため、モジュール展開時の力のバランスをシミュレーションしておき、この結果に基づいて、展開パターンを決定する。そして、この展開パターンに従って展開するように、回転連結手段と固定連結手段とを各モジュールに対して組み合わせて取り付ける。このようにすれば、展開時のモジュールの移動を極めて小さく抑制することができる。
【００１６】
また、上記のような宇宙構造体の一例として以下のような構造のものを挙げることができる。この発明に係る宇宙構造体は、球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールを有し、かつ、そのうちの５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）が各一辺をもってＣ字形状に連結され、つぎのモジュール（Ｍ６）が、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺と連結しており、当該モジュール（Ｍ６）を含めた８個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）が各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結され、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）が各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結され、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）が、前記逆Ｃ字先端に位置するモジュール（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結する複数の回転連結手段と、上記回転連結手段をもって各モジュールを展開したとき、その辺で接触するモジュール同士を連結する複数の連結固定手段とを備えたものである。
【００１７】
なお、この宇宙構造体の展開順序は、モジュールが干渉しないように、展開シミュレーションによって決定することができる。具体的には、前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２…Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８およびＪ９、Ｊ１０およびＪ１１、Ｊ１２およびＪ１３、Ｊ１４およびＪ１５、Ｊ１６およびＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１８、Ｊ１９の順で一つずつ、前記モジュールを展開するようにする。なお、当該展開方法には、宇宙構造体の展開前と展開後の移動を小さく抑えるといった目的を含むので、モジュールが干渉しなければ当該展開順序でなくとも構わない。
【００１８】
また、この発明に係る宇宙構造体の展開システムは、上記宇宙構造体と、モジュールが折り畳まれた状態を保持すると共に解除命令に基づいて前記保持を解除する一時保持手段と、展開命令に基づいて前記回転連結手段を中心としてモジュールを展開させる展開手段と、宇宙構造体に設置され且つ保持手段および展開手段に対して解除命令および展開命令を出す制御手段とを備えたものである。
【００１９】
前記制御手段により解除命令が出されると、一時保持手段がモジュールの保持を解除する。このような一時保持手段としては、例えば爆発ボルトやヒューズ、或いはモータやソレノイドを用いてピンを駆動するもの等を挙げることができる。つぎに、制御手段により展開命令が出されると、回転連結手段を中心としてモジュールが展開される。展開手段には、モータ、ソレノイドその他の回転動作を可能とする種々の公知技術を用いることができる。モジュールが展開すると、固定連結手段によりモジュール間の固定が行われ、中空殻構造の宇宙構造体が形成される。
【００２０】
また、この発明に係る宇宙構造体の展開システムは、上記宇宙構造体の展開システムにおいて、さらに、宇宙構造体と地上との間で通信を行う通信手段と、地上に設置され、通信手段を介して前記制御手段に解除命令または展開命令を出すよう指令する指令手段とを備えたものである。宇宙空間に作業を行う人間がいない場合、折り畳んだ宇宙構造体をロケットにより打ち上げ、宇宙空間にて展開する必要がある。このため、地上に指令基地を設置し、遠隔で前記制御手段に解除命令または展開命令を出すようにする。
【００２１】
また、この発明に係る宇宙構造体は、上記宇宙構造体において、利用可能な内部空間を有するインフレータブル膜構造の与圧ブロックを内設したものである。インフレータブル膜構造の与圧ブロックの周囲に宇宙構造体を配置し、例えばモジュールに防護壁を設けることで、スペースデブリなどの衝突から与圧ブロックを保護することが可能になる。また、放射線の遮蔽板を設けることにより、与圧ブロック内の被爆を抑制することができるようになる。このように、宇宙構造体は、与圧ブロックの保護機能として様々な用途に用いることができる。
【００２２】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記宇宙構造体のモジュールに太陽電池パネルを設置したものである。この宇宙構造体に太陽電池パネルを設置することにより、少なくとも断面に円形部分を持つ太陽発電モジュールが形成される。例えば、宇宙構造体を球殻構造とした場合、太陽発電モジュールを略球形状に設置できるので、姿勢制御をすることなく、半球面で太陽光を受けることができる。
【００２３】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記宇宙構造体のモジュールに複数の反射鏡を設けると共に、これら反射鏡の角度を制御するサーボモーターを設け、当該宇宙構造体の内部に太陽電池パネルを設置したものである。
【００２４】
モジュールの反射鏡は、内部に設置した太陽電池パネルに太陽光線を集光できるように、サーボモータによって制御される。集光された太陽光線は、内部の太陽電池パネルにおいて光電変換される。なお、反射鏡の形状は、矩形、長方形、円形のいずれでもよい。また、サーボモータの個数、配置は、反射鏡の個数や形状に合わせて設ければ良い。
【００２５】
また、この発明に係る太陽発電モジュールは、上記太陽発電モジュールにおいて、前記太陽電池パネルを、前記宇宙構造体の内部に設置した小型の宇宙構造体のモジュールに設置したものである。反射鏡で集光した太陽光線は、宇宙構造体のモジュールに設置した太陽電池パネルで光電変換される。
【００２６】
また、この発明に係る太陽発電衛星は、複数の太陽発電モジュールと、当該太陽発電衛星を支持する主構造体と、この太陽発電衛星により発電した電力を高周波マイクロ波に変換してアンテナから送電する送電手段とを備えたものである。前記太陽発電モジュールによって発電した電力は、高周波マイクロ波としてアンテナから地上に送電される。地上では、このマイクロ波を受信アンテナにより受信して再び電力に変換する。
【００２７】
また、この発明に係る宇宙船は、上記宇宙航行用の母船と、この母船に取り付けた上記太陽発電モジュールと、同じく母船に取り付けられ、前記太陽発電モジュールにより発電した電力により推進力を得る電気推進器とを備えたものである。
【００２８】
宇宙船の推進エネルギーに太陽エネルギーを用いることで、無尽蔵にエネルギーを得ることができるが、宇宙船に設置した太陽発電装置に故障が発生した場合、宇宙船を修理するか或いは放棄しなければならない。そこで、姿勢制御の必要がない太陽発電モジュールをエネルギー源として用いることで、宇宙船の故障の発生を低減できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３０】
［宇宙構造体の構造］
図１は、この発明の実施の形態１にかかる宇宙構造体を示す斜視図である。図２は、図１に示した宇宙構造体を示す平面展開図である。この宇宙構造体１００は、６角形の枠体構造をした複数のモジュールＭから構成した球殻状構造であり、各モジュールＭはバタフライ状に展開可能にするジョイントＪにより連結されている。図２では、各モジュールを符号「Ｍ」で示すと共に各ジョイントを符号「Ｊ」で示し、当該符号にはモジュールおよびジョイントの番号を付記する。なお、回転角度が１３８°のジョイント番号には、さらに符号「ａ」を付記し、２２２°のジョイント番号には、さらに符号「ｂ」を付記する。
【００３１】
また、各モジュールＭには、他のモジュールＭとの連結固定を行うカプラーＣが設けられている。同図において、各カプラーを符号「Ｃ」で示し、当該符号にはカプラーＣの番号を付記する。さらに、オス側のカプラーＣにはさらに符号「ａ」を、メス側のカプラーＣにはさらに符号「ｂ」を付記する。なお、モジュールＭは、図１に示したような枠体構造ではなく、板状体により構成してもよい（図示省略）。
【００３２】
図３は、図１に示したモジュールの一例を示す説明図である。各モジュールＭは、６本の梁１０１を結合した６角形の枠体構造とする。各梁１０１の結合部１０２は、ヒンジ結合であってもよいが、梁１０１に加わるモーメントを伝達するために剛結合とするのが好ましい。また、各梁１０１には、中実棒体や開断面形状の棒体を用いることもできるが、捩り剛性を確保するため、円筒形或いは矩形の閉断面構造を採用するのが好ましい。さらに、モジュールＭの材質は、アルミニウム合金またはＣＦＲＰ（carbon fiber reinforced plastics）積層材を用いるのが好ましい。アルミニウム合金およびＣＦＲＰは、熱伝導率が小さいので断熱対策を省略できるか或いは簡単な構造にすることができる。
【００３３】
特に、アルミニウム合金を用いる場合は、加工性が良く軽量化できるといった利点がある。また、ＣＦＲＰを用いる場合は、線膨張係数が小さいため、熱変形による荷重を抑制できるといった利点がある。ＣＦＲＰの捩り剛性については、±４５度層の比率を５０％程度にすることにより良好な結果を得ることができる。また、ＣＦＲＰの線膨張計数についても積層構造によって調整できる。さらに、アルミニウム合金と同等の弾性係数を与える場合には、アルミニウム合金よりもモジュールＭを軽量化することができる。
【００３４】
また、モジュールＭの結合部１０２間には、補強部材である鋼製のワイヤ１０３が星型に張られている。ワイヤ１０３を用いることで、モジュールＭの軽量化を実現でき、モジュールＭを折り畳んで展開する構造を採用できるようになる。なお、ワイヤ１０３を張るときは、各ワイヤ１０３の張力制御を行う必要がある。ワイヤ１０３によりモジュールＭを補強することにより、モジュールＭの剛性が向上する。また、補強部材として、ワイヤ１０３の他にロッドを用いることもできる（図示省略）。ロッドを用いる場合は、引張荷重および圧縮荷重を分担できるという利点がある。ロッドの材料には、梁１０１と同様、アルミニウム合金或いはＣＦＲＰを用いる。なお、ロッドと梁１０１とは、剛性向上の観点から剛結合とするのが好ましい。
【００３５】
上記補強部材は、モジュールＭの面内剛性を高め、固有振動数および変形量を改善する効果がある。なお、補強部材の剛性は、梁剛性の１／１０〜１／１で良い。図４は、補強部材の取付形態の変形例を示す説明図である。補強部材であるワイヤ１０３或いはロッドは、同図（ａ）に示すように、モジュールＭ中心でクロスするように、それぞれ対向する結合部１０２の間に設けるようにしてもよい。また、同図（ｂ）に示すように、砂時計形になるように設けてもよい。さらに、同図（ｃ）に示すように、対向する一組の結合部１０２の間にワイヤ１０３等を渡し、そのワイヤ１０３を中心とした両側に砂時計形にワイヤ１０３を設けるようにしてもよい。これらワイヤ１０３の配置構造は、モジュールＭに要求される固有振動数や変形量によって決定すればよい。
【００３６】
図５は、図１に示したジョイント構造を示す説明図である。このジョイントＪは、同図（ａ）に示すように、固定側のモジュールＭｆと展開側のモジュールＭａとを回転軸を中心として相対回転できるようにしたものである。モジュールＭａの回転は、回転軸に設けたアクチュエータ１０５により行う。当該アクチュエータ１０５には、モータ、バネ、形状記憶合金、空気圧などを用いることができる。また、モータの回転運動を展開運動に変換する要素としては、減速機、ボールネジとカムとの組み合わせ等を挙げることができる。さらに、バネおよび形状記憶合金を用いるときの運動変換要素として、カムを用いることもできる。なお、バネをアクチュエータ１０５として用いるときは、展開のためのエネルギーが極めて小さく抑えられると共に、電気系統などを含めたアクチュエータ１０５の構造を簡略化できる。
【００３７】
このようなアクチュエータ１０５の具体例としては、同図（ｂ）に示すように、減速比の高い減速機１０６の出力軸を前記ジョイントＪの回転軸１０７と結合し、当該減速機１０６の入力軸とモータ１０８の回転軸を連結するものを挙げることができる。当該モータ１０８および減速機１０６は、ジョイントＪの端部に設ける。なお、同図では、１３８°の回転を行うモジュールＭａを実線で、２２２°の回転を行うモジュールＭａを点線で示した。また、モジュールＭの回転仮想中心は、ジョイントＪの回転中心から偏心した位置にある。
【００３８】
また、モータ１０８および減速機１０６をジョイントＪの中央部に設けるようにすれば、モジュールＭの展開動作時や、モジュールＭに太陽電池パネルなどの要素の取り付け時に邪魔にならない（図示省略）。さらに、アクチュエータ１０５の故障その他の理由に起因したモジュールＭの展開動作の失敗は、そのモジュール以降のモジュールＭの展開ができなくなるから、アクチュエータ１０５を複数、並列配置するようにするのが好ましい。
【００３９】
図６は、図１に示したカプラーの構造を示す斜視図である。同図（ａ）に示すカプラーＣは、ラッチのかかる溝１１０を設けたピン１１１と、ガイド機能を有する円錐状の筒体１１２と、固定ラッチ１１３とから構成されている。このピン１１１をオス側としてモジュールＭに設け、筒体１１２および固定ラッチ１１３をメス側のモジュールＭに設ける。モジュールＭを展開することにより、所定モジュールＭのピン１１１が、連結対象であるモジュールＭの筒体１１２に挿入され、ピン１１１の溝１１０に固定ラッチ１１３が係止することでモジュールＭ同士が連結固定される。また、固定ラッチ１１３にアクチュエータ１１４を設けることで、ピン１１１を開放するようにしてもよい。アクチュエータ１１４には、モータやエアシリンダーなどを用いることができる。
【００４０】
同図（ｂ）に示すカプラーは、Ｔ字形状のハンドル１１５と、このハンドル１１５を嵌めこむ溝１１６を有する２枚のプレート１１７と、各プレート１１７に設けた固定ラッチ１１８とから構成される。ハンドル１１５の中央には、三角プレート１１９が設けられている。前記ハンドル１１５をオス側としてモジュールＭに設け、プレート１１７および固定ラッチ１１８をメス側としてモジュールＭに設ける。モジュールＭを展開すると、ハンドル１１５の三角プレート１１９が連結対象であるモジュールＭに設けた２枚のプレート１１７の間に入ることで、ガイド機能を奏する。ハンドル１１５が溝１１６に嵌ったら、固定ラッチ１１８によりハンドル１１５が係止され、モジュールＭ同士が連結固定される。なお、上記同様、アクチュエータを設けることで、固定ラッチを開放することもできる（図示省略）。
【００４１】
同図（ｃ）に示すカプラーは、Ｔ字形状のハンドル１２０と、このハンドル１２０を掴むグリップ機構１２１とから構成される。グリップ機構１２１は、モータその他のアクチュエータによって駆動される。前記ハンドル１２０をオス側としてモジュールＭに設け、グリップ機構１２１をメス側に設ける。モジュールＭを展開すると、ハンドル１２０が開いたグリップ機構１２１の中に入り、グリップ機構１２１がハンドル１２０を掴む。これにより、モジュールＭ同士が連結固定される。なお、グリップ機構１２１は、センサなどによりハンドル１２０を検知し、このセンサ信号に基づいてアクチュエータを作動させることで把持動作を行う。なお、グリップ内にプッシャを設け、展開動作に伴いハンドルがプッシャを押すことで機械的にグリップが把持動作を行うようにしても良い。また、図示しないが、モジュールＭに台形形状などの簡単なガイド板を設け、当該ガイド板が組み合った状態でマグネット或いは固定ラッチで連結するようにしてもよい（いずれも図示省略）。
【００４２】
図７は、モジュールを折り畳んだ状態を示す説明図である。前記宇宙構造体１００は、図２の展開図に示すジョイントＪ部分で所定角度（１３８°、２２２°）回転させることで、６角柱に積層して折り畳まれる（図７（ａ）参照）。宇宙構造体１００を宇宙空間に打ち上げるときは、このようにモジュールＭを折り畳んだ状態でロケット内に収容する。各モジュールＭには、積層状態を維持するための仮固定装置１２５が設けられている。仮固定装置１２５は、モジュールＭの積層状態を保持し、打ち上げ時にモジュールＭが振動してアクチュエータを破損させるのを防止すると共に、モジュール展開順序を管理する上での安全装置として機能する。
【００４３】
この仮固定装置１２５は、同図（ｂ）に示すように、固定部１２６と爆発ボルト１２７によってモジュールＭとモジュールＭとを仮固定しており、モジュール展開時に当該爆発ボルト１２７を爆発させて固定を解除する。特に、爆発ボルト１２７を用いる場合は、動作の信頼性、保持剛性が高いという利点がある。また、爆発ボルト１２７の他にヒューズや、ヒューズとバネとを組み合わせたものによりモジュールを仮固定することもできる（図示省略）。
【００４４】
さらに、前記爆発ボルト１２７などの強制分離式の他、ノッチ・ピン式の仮固定装置を用いることもできる。図８は、ノッチ・ピン式の仮固定装置を示す説明図である。この仮固定装置１２８では、一方のモジュールＭに掛け金１２９を設け、他方のモジュールＭに掛け金１２９を引っ掛けるノッチ１３０或いはピンを設ける。そして、掛け金１２９をアクチュエータ１３１により回転或いはスライドし、当該掛け金１２９により拘束を解除する。なお、前記アクチュエータ１３１には、モータ、ソレノイドまたはパラフィンなどを用いることができる。
【００４５】
図９は、モジュールの構造の変形例を示す説明図である。この折り畳み式のモジュールＭは、同図（ａ）に示すように、モジュールＭの対向する結合部１０２の間に伸縮装置１４１を渡した構成である。この伸縮装置１４１は、中央のアクチュエータ１４２によって伸縮ワイヤ１４３の巻き取り及び引き出しを可能とした構造となる。アクチュエータ１４２には、回転運動を行うものを用いることができ、例えばモータと減速機の組み合わせや、シリンダーと直線運動を回転運動に変換する運動変換装置との組み合わせ等を挙げることができる。また、梁１０１同士の結合部１０２は、ヒンジなどの回転可能な関節構造になっており、さらに、伸縮装置１４１を渡した結合部１０２の両側の梁１０１は、その中央部にコイルスプリング１４４が設けられており、当該部分にて折り曲げ自在な構造になっている。伸縮装置１４１の両側には、それぞれワイヤ１０３がクロスして張られている。
【００４６】
同図（ｂ）に、モジュールを折り畳んだ状態を示す。モジュールＭを折り畳んだ状態からアクチュエータ１４２を作動して伸縮ワイヤ１４３を引き出すと、伸縮ワイヤ１４３の引き出し量に応じ、コイルスプリング１４４のバネ力によって梁１０１が開動作をする。モジュールＭを完全に展開した状態で、ワイヤ１０３が一定の張力でクロス状に張られ、補強部材として機能する。展開した状態から折り畳む場合は、アクチュエータ１４２を駆動して伸縮ワイヤ１４３を巻き取れば良い。モジュールＭを折り畳み構造にすることで、宇宙構造体１００をさらにコンパクトにまとめることができる。なお、伸縮装置１４１の構成は、アクチュエータ１４２と伸縮ワイヤ１４３に限定されない。例えばモジュールＭの結合部１０２にナットを設け、当該結合部１０２の間にナットに螺合するネジを渡し、アクチュエータによってネジを回転させる構成でもよい（図示省略）。この場合、アクチュエータによりネジを回転させることで、ナットがネジ上を移動し、これに伴い、モジュールＭの折り畳みと展開を行うことが可能になる。
【００４７】
図１０は、宇宙構造体の収納形態を示す説明図である。宇宙構造体１００は、図７（ａ）に示した状態で折り畳まれ、ロケットフェアリング内のペイロードエンベロープ１５０内に収納される。例えばＨ−２ロケットのペイロードエンベロープ１５０は、その直径がｄ＝４ｍ、長さがＬ＝１２ｍ（円筒部分は７ｍ程度）である。また、米国スペースシャトルのエンベロープは円筒形状をしており、その収納高さが１５ｍ程度で、直径は４ｍ程度である。この宇宙構造体１００は、折り畳むことによりモジュールＭの対角線寸法（Ｄ＝４．６ｍ）を最大径とした角柱状に折り畳むことができるので、ロケットやスペースシャトルのペイロードエンベロープ１５０にも、容易に収納することができる。
【００４８】
［宇宙構造体の展開システム］
図１１は、宇宙構造体の展開システムを示す構成図である。この展開システム２００は、後述する所定の展開プログラムを記憶した記憶装置２０１と、この展開プログラムをメモリ２０２（ＲＡＭ：Random Access Memory）にロードしてＣＰＵ２０３で実行する処理装置２０４と、モジュール展開動作を行うための電源２０５と、マイクロ波により地上との通信を行う通信システム２０６および通信アンテナ２０７と、モジュールＭのジョイントＪおよびカプラーＣや仮固定装置１２５を駆動するための電気回路２０８と、地上指令基地２０９とから構成される。
【００４９】
地上指令基地２０９は、宇宙構造体１００の遠隔操作システム２１０と、マイクロ波の送信或いは受信を行う大型の通信アンテナ２１１と、これに接続した通信システム２１２を備え、ジョイントＪの駆動などの命令信号をマイクロ波の搬送波に乗せ、周波数変調することで送信する。展開システム２００の実行命令は、地上指令基地２０９の遠隔操作システム２１０を用いて行う。遠隔操作システム２１０は、遠隔操作プログラム２１３を備えたコンピューター２１４と、画像表示装置２１５および入力装置２１６から構成されている。なお、同図に示すように地上指令基地２０９以外の構成は宇宙構造体１００側に搭載されるが、展開プログラムを記憶した記憶装置２０１や、そのプログラムを実行する処理装置２０４を地上側の遠隔操作システム２１０に移行し、宇宙構造体１００側に設置した電気回路２０８に直接、駆動命令を送るようにしてもよい。
【００５０】
なお、前記記憶装置２０１は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、ＲＡＭのような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。また、同図に示すように、地上指令基地２０９或いは通信システム２１２、通信アンテナ２１１を地球上の複数地点に設置し、これらをインターネット２１７で接続して宇宙構造体１００の遠隔操作を行うこともできる。また、前記電源２０５は、宇宙構造体１００のモジュールＭに取り付けた太陽電池パネル２１８から電力供給を受けるようにしてもよい。
【００５１】
図１２は、図１１に示した展開システムの機能ブロック図である。この展開システム２００は、上記展開プログラムや各種ハードウエアの組み合わせによって実現され、折り畳んだモジュールＭの仮固定を解除する仮固定解除部２３１と、モジュールＭ同士を回転可能に連結しているジョイントＪのアクチュエータ１０５を作動させるジョイント作動部２３２と、カプラーＣの連結動作を行うカプラー作動部２３４と、これらを制御する制御部２３５とから構成される。なお、制御部２３５と、仮固定解除部２３１、ジョイント作動部２３２およびカプラー作動部２３４とは、制御部２３５を宇宙構造体１００側に設けたときには伝送線により、制御部２３５を地上指令基地２０９側に設けたときにはマイクロ波により通信が行われる。
【００５２】
図１３は、この展開システムの動作を示すフローチャートである。まず、地上指令基地２０９において、遠隔操作システム２１０の入力装置２１６から宇宙構造体１００の展開命令を入力する。或いは、所定時間か所定のトリガー信号によって自動的に展開命令を行うようにする（ステップＳ１０１）。つぎに、この展開命令を通信システム２１２によってパルス変調し、通信アンテナ２１１からマイクロ波に乗せて宇宙空間に送信する。このマイクロ波信号は、宇宙構造体１００側の通信アンテナ２０７で受信され、通信システム２０６の変換回路により展開命令に復調され、処理装置２０４に送られる（ステップＳ１０２）。
【００５３】
処理装置２０４では、記憶装置２０１から宇宙構造体１００の展開プログラムを読み出し、メモリ２０２にロードする（ステップＳ１０３）。この展開プログラムには、仮固定の解除、後述するモジュールＪの展開順序、展開速度、カプラーＣの作動タイミングなどのプログラムが含まれている。制御部２３５は、当該展開プログラムに従って、仮固定解除部２３１、ジョイント作動部２３２およびカプラー作動部２３４を制御する。
【００５４】
続いて、仮固定解除部２３１は、展開プログラムに従い、仮固定装置１２５によるモジュールＭの仮固定を解除する（ステップＳ１０４）。例えば、図７に示したように、仮固定装置として爆発ボルト１２７を用いている場合、電気回路２０８を制御して当該爆発ボルト１２７に電流を流し、着火爆発させる。また、図８に示したように、仮固定装置１２５としてノッチ・ピン式のものを用いている場合、電気回路２０８を制御することでアクチュエータ１３１を作動させ、掛け金１２９による仮固定を解除する。
【００５５】
つぎに、ジョイント作動部２３２は、ジョイントＪのアクチュエータ１０５を作動させ、仮固定を解除したモジュールＭの展開を行う（ステップＳ１０５）。ここで、モジュールＭを展開したとき、既に展開しているモジュールＭとの連結固定が不要な場合（ステップＳ１０６）、さらに次のモジュールＭの仮固定を解除し、当該解除したモジュールＭを展開する（ステップＳ１０４〜Ｓ１０５）。一方、既に展開しているモジュールＭとの連結固定が必要な場合、カプラー作動部２３４は、該当するカプラーＣを作動させてモジュール間の連結固定を行う（ステップＳ１０７）。
【００５６】
なお、カプラーＣの作動は、当該カプラーＣが図６の（ｃ）に示すようなグリップ機構１２１を有する場合に必要となり、同図（ａ）および（ｂ）に示す固定ラッチ１１３、１１８を用いた場合は、カプラーＣの作動は機械的に独立して行われるので、展開プログラムによる作動命令は必要ない。そして、全てのモジュールＭが展開されるまで、上記動作を繰り返す（ステップＳ１０８）。なお、展開動作の過程を、通信システム２０６、２１２を利用して地上で監視することもできる。また、仮固定の解除を全て終了してから、展開動作を行うようにしてもよい。
【００５７】
［宇宙構造体のモジュール展開順序］
つぎに、宇宙構造体１００のモジュールＭの展開順序について説明する。図２に示した平面展開図のジョイント番号順にモジュールを展開した場合、モジュールＭ同士が干渉して展開できない場合がある。そこで、モジュールＭの展開構造を仮決定し、この展開構造に従ってモジュールＭを展開することで干渉が発生するか否かのシミュレーション（単純な展開シミュレーションで十分で、モジュールの慣性モーメントや引力その他の条件は不要である）を行った。この結果、次の表に示す順序でモジュールＭを展開することで干渉を回避できることが判った。
【００５８】
【表１】
同表において、左欄に展開順序を示し、右欄に当該順序において展開するジョイント番号を示す。なお、右欄にジョイント番号が並列に記載されている場合は、当該ジョイントＪを同時に展開することを意味する。かかる展開順序によってモジュール間の干渉が防止されるから、宇宙空間において確実にモジュールＭを展開できるようになる。なお、当該展開順序以外にもシミュレーションによって求めることができるが、この展開順序は展開時の宇宙構造体１００の移動を極小に抑えることができる点で優れている。
【００６０】
図１４〜図２８は、宇宙構造体の展開過程を示す説明図である。なお、これらの図では、説明しやすいように宇宙構造体のモジュールを面表現した。宇宙構造体１００は、図１４に示すような６角柱形状に折り畳まれて保持されている。この宇宙構造体１００がエンベロープから放出され、地上指令基地２０９からの展開指令により展開を開始する。まず、ステップ１では、図１５に示すように、ジョイントＪ１ａを作動してモジュールＭ１を１３８°展開する（以下、ジョイント番号に「ａ」を付したものは１３８°の展開をするものとする）。ここで、無重力状態では、モジュールＭ１を展開する反動によりその他のモジュールが少なからず回転することになる。
【００６１】
ステップ２では、図１６に示すように、ジョイントＪ２ｂを作動することでモジュールＭ２を２２２°展開する（以下、ジョイント番号に「ｂ」を付したものは２２２°の展開をするものとする）。続いて、ステップ３では、図１７に示すように、ジョイントＪ３ａを作動させることでモジュールＭ３を展開する。また、ステップ４では、図１８に示すように、ジョイントＪ５ａを作動させることでモジュールＭ５をモジュールＭ４と共に展開する。ここでジョイントＪ４ｂを作動させないのは、上述したように、モジュールの干渉を防止するためである。
【００６２】
ステップ５では、図１９に示すように、ジョイントＪ４ｂを作動させることでモジュールＭ４を展開する。ここで、モジュールＭ４の展開により、モジュールＭ５とモジュールＭ１とが、カプラーＣ１ａ、Ｃ１ｂにより連結固定される。つぎに、ステップ６では、図２０に示すように、干渉防止のため、ジョイントＪ７ａを作動させてモジュールＭ７をモジュールＭ６と共に展開する。ステップ７では、図２１に示すように、ジョイントＪ６ｂを作動させて、モジュールＭ６を展開する。
【００６３】
ステップ８では、図２２に示すように、ジョイントＪ８ｂおよびジョイントＪ９ａを同時に作動させ、モジュールＭ８およびモジュールＭ９を同時展開する。ここで、モジュールＭ８の展開により、モジュールＭ８とモジュールＭ１とが、カプラーＣ２ａ、Ｃ２ｂにより連結固定される。続いて、ステップ９では、図２３に示すように、ジョイントＪ１０ｂおよびジョイントＪ１１ａを同時に作動させ、モジュールＭ１０およびモジュールＭ１１を同時展開する。モジュールＭ１０の展開により、モジュールＭ１０とモジュールＭ２とが、カプラーＣ３ａ、Ｃ３ｂにより連結固定される。
【００６４】
ステップ１０では、図２４に示すように、ジョイントＪ１２ｂおよびジョイントＪ１３ａを同時に作動させ、モジュールＭ１２およびモジュールＭ１３を同時展開する。モジュールＭ１２の展開により、モジュールＭ１２とモジュールＭ３とが、カプラーＣ４ａ、Ｃ４ｂにより連結固定される。ステップ１１では、図２５に示すように、ジョイントＪ１４ｂおよびジョイントＪ１５ａを同時に作動させ、モジュールＭ１４およびモジュールＭ１５を同時展開する。モジュールＭ１４の展開により、モジュールＭ１４とモジュールＭ４とが、カプラーＣ５ａ、Ｃ５ｂにより連結固定される。また、モジュールＭ１５の展開により、モジュールＭ１５とモジュールＭ６とが、カプラーＣ６ａ、Ｃ６ｂにより連結固定される。なお、本図以降、詳細なモジュールの番号は省略する。
【００６５】
ステップ１２では、図２６に示すように、ジョイントＪ１６ｂおよびジョイントＪ１７ａを同時に作動させ、モジュールＭ１６およびモジュールＭ１７を同時展開する。モジュールＭ１７の展開により、モジュールＭ１７とモジュールＭ７とが、カプラーＣ７ａ、Ｃ７ｂにより連結固定される。ステップ１３では、図２７に示すように、ジョイントＪ１９ｂを作動させることでモジュールＭ１９をモジュールＭ１８と共に展開する。また、モジュールＭ１９の展開により、モジュールＭ１９とモジュールＭ１１とが、カプラーＣ９ａ、Ｃ９ｂにより連結固定される。
【００６６】
つぎに、ステップ１４では、図２８に示すように、ジョイントＪ１８を作動させることで、モジュールＭ１８を展開する。モジュールＭ１８の展開により、モジュールＭ１８とモジュールＭ９とが、カプラーＣ８ａ、Ｃ８ｂにより連結固定される。また、モジュールＭ１６とモジュールＭ２０とが、カプラーＣ１１ａ、Ｃ１１ｂにより、モジュールＭ２０とモジュールＭ１３とが、カプラーＣ１０ａ、Ｃ１０ｂにより連結固定される。以上の展開動作により、図２８に示すような略球形状の宇宙構造体１００が組み立てられる。
【００６７】
以上の展開順序により、発明者が実際にシミュレーションしたところ、展開前と展開後の移動が極小に抑えられることが判った。また、展開中における加速度および角加速度についても、非常に小さいレベルしか認められなかった。また、角加速度については、展開ステップの進行につれて展開モジュールＭとその他のモジュールＭとのモーメントに差が出るため、次第に減少することが判った。
【００６８】
なお、このシミュレーションにおいては、展開の基本動作の確認と重力傾斜トルクによる影響を確認するため、市販の運動解析ソフトウエア「ＡＭＡＭＳ」を使用し、無重力状態での展開シミュレーションと重力傾斜トルクを考慮したシミュレーションを行った。まず、その解析条件として、収納状態における構造体が地球指向で軌道するよう初期速度を与えた。ジョイントの展開動作は、動作をスムーズにするため、同ソフトウエアに実装されているＳＴＥＰ５関数を用いた。その他の詳細な条件は、以下の表２に示す。
【００６９】
【表２】
なお、モジュールの積層方向をＹ軸、モジュール面をＸ−Ｚ軸とした。また、前記初期速度は、Ｖｏi＝（Ｇ×Ｍ／ｒi）1/2（ｉ＝１，２，３，…２０）で与えた。このシミュレーションの結果、無重力状態では、角速度が収束してゼロに近い値を示したが、重力傾斜トルクを考慮した場合には、Ｘ軸、Ｚ軸方向に角速度が生じた。ただし、この回転速度が非常に遅いことから、重力傾斜トルクの影響は殆ど無視できることが判明した。
【００７１】
［宇宙構造体の実施例］
基本形態である宇宙構造体１００は、モジュールＭの材料に、ヤング率Ｅ＝７３００ｋｇ／ｍｍ2、ポアソン比ν＝０．３３のアルミニウム合金を用いた。また、断面閉形状のチューブ状の梁を用い、その長さ（６角形の一辺）を２０００ｍｍ（展開後の球殻直径９．９１ｍ）、外径Ｄ＝８０ｍｍ、板厚ｔ＝２ｍｍとした。さらに、補強部材であるワイヤ１０３には鋼製ワイヤを用い、星形に張設した。梁１０１同士は、剛結合とし、曲げ剛性の向上を図った。
【００７２】
［宇宙構造体の応用例］
図２９は、上記宇宙構造体の応用例を示す説明図である。宇宙構造体１００の各モジュールＭに太陽電池パネル３０１を取り付けて発電モジュール３００とする。各モジュールＭに太陽電池パネル３０１を設けることにより、太陽光線が球体の半分に確実に当たることになる。また、発電モジュール３００が略球形状であるため、当該発電モジュール３００を姿勢制御する必要性がない。このため、発電中に故障が発生する確率は極めて少ない。なお、太陽電池パネル３０１を全てのモジュールＭに設ける必要はなく、必要に応じた数にすることもできる。さらに、太陽電池パネル３０１の表面を球状に成形すれば、全体として球形に近づくので、太陽光を効率的に受けることができる（図示省略）。なお、太陽電池パネル３０１から導出する配線は、チューブ状の梁１０１内を通して、所定箇所に集められる（図示省略）。
【００７３】
図３０は、太陽発電衛星を示す構成図である。この太陽発電衛星３５０は、アルミニウム合金或いはＣＦＲＰなどの構造材料により構成され、複数のアーム３５１を備えた主構造体３５２と、この主構造体３５２のアーム３５１先端に設けた発電モジュール３００と、主構造体３５２の一端に設けた送電装置３５３および送電アンテナ３５４とから構成されている。主構造体３５２には、集電のための配線が設けられ、発電モジュール３００と送電装置３５３とを電気的に接続している。また、主構造体３５２は、テザーチェーン構造であってもよい。
【００７４】
送電装置３５３では、発電モジュール３００から送電された直流電流を２．４５ＧＨｚの高周波マイクロ波に変換する。送電アンテナ３５４は、送電アンテナ素子を複数アレイ状に配置した構成であり、各送電アンテナ素子には、電力増幅器が設けられている。送電装置３５３で発生したマイクロ波は前記送電アンテナ３５４に送られ、当該送電アンテナ３５４から受信アンテナ（図示省略）に向けて放射する。なお、マイクロ波を正確に受信アンテナに送る方法として、特開平６−３２７１７２号公報等に開示の技術が知られている。
【００７５】
この他、上述した、宇宙構造体１００の展開プログラムを実行するための記憶装置２０１や処理装置２０４は、前記送電装置３５３に内設した制御装置３５５に含まれる。また、当該制御装置３５５には、地上との通信を行うと共に地上に対するマイクロ波送電を行う通信システム２０６および電気回路２０８が収納されている。前記電源２０５は、太陽電池パネル３０１から得る電力でまかなう。
【００７６】
この太陽発電衛星３５０によれば、太陽光線の方向とは無関係に均一な発電を行うことができるから、一般的なパネル状の太陽発電衛星に比べて、姿勢制御の必要がない。このため、姿勢制御用のアクチュエータを省略或いは簡略化することができるから、メンテナンスが困難な宇宙空間における故障の発生を大幅に抑制できる。また、発電モジュール３００の配置を自由に設定することができる。
【００７７】
例えば図３１に示すように、太陽発電衛星３６０の発電モジュール３００を四角平面的に配置することもできる。発電モジュール３００は、ナノチューブ構造のビーム３６１により構成するトラス構造の結合点として利用する。このとき、当該結合はピン結合となるが、曲げモーメントを伝えるため、剛結合のラーメン構造としてもよい。このような構成にすれば、太陽発電衛星３６０を比較的大型の構造物として利用することができる。
【００７８】
さらに、当該太陽発電衛星３６０が、特定の姿勢で静止軌道上にある場合は、この四角平面の裏側に反射板３６２を設置するようにしてもよい（図中、点線で示す）。このようにすれば、発電モジュール３００の裏側にも太陽光線を照射することができる。また、太陽光線に対して多少傾いていても、多少大きめの反射板３６２を用いることで、十分な反射光を確保することができる。
【００７９】
さらに、図３２に示すように、テザーチェーン構造の主構造体３７１から放射状にアーム３７２を延設し、このアーム３７２先端に発電モジュール３００を設けるようにしてもよい。このとき、アーム３７２の延設方向を上下段で変えるようにするのが好ましい。特定の姿勢で静止衛星軌道に乗る場合、他の発電モジュール３００により太陽光線がさえぎられ難いようにするためである。また、主構造体３７１の一端には、送電装置３７３および送電アンテナ３７４が設けられている。送電方法は、図３０に示した太陽発電衛星と同じである。
【００８０】
また、図３３に別の太陽発電衛星の構成を示す。この太陽発電衛星は、複数の発電モジュール３００をナノチューブ構造のビーム３８１にテザー３８２で結合したものである。なお、上記太陽発電衛星において、発電モジュール３００の個数は図面に示した数に限定されず、必要な電力に応じて適宜決定することができる。
【００８１】
図３４は、発電モジュールの変形例を示す構成図である。図３５は、図３４に示した発電モジュールの集光装置を示す説明図である。この発電モジュール４００は、宇宙構造体１００Ｌの内部にさらに宇宙構造体１００Ｓを設置した構成である（図３４は、一部破断して表している）。外側の宇宙構造体１００ＬのモジュールＭには、太陽光線を集光する集光装置４０１が設けられている。この集光装置４０１は、図３５（ａ）に示すように、モジュールＭの内面に矩形のミラー４０２を複数設けた構成であり、梁１０１に設置した制御用のサーボモータ４０３により回転制御されている。一方、内側の宇宙構造体１００ＳのモジュールＭには、太陽電池パネル４０４が設置されている。
【００８２】
また、上記発電モジュール４００は、主構造体のアーム４０５に設置されている。太陽電池パネル４０４からの配線は、アーム４０５および主構造体の中を通り、送電アンテナに接続されている（図示省略）。なお、宇宙構造体の展開方法は、上記説明の通りであるが、この発電モジュール４００では、外側の宇宙構造体１００Ｌを展開している途中に内側の宇宙構造体１００Ｓを中に入れるようにしてもよいし、両方の宇宙構造体１００を同じに展開させ、その過程で外側の宇宙構造体１００Ｌ内に内側の宇宙構造体１００Ｓが収容されるようにしてもよい。
【００８３】
まず、図３５（ｂ）に示すように、太陽光線Ｋは、矩形のミラー４０２によって反射して、太陽電池パネル４０４上に集光される。太陽電池パネル４０４では、この集光した太陽光線Ｋを光電変換する。かかる構成によれば、大型の太陽電池パネルを用いなくても、集電効率を向上させることができる。なお、前記集光装置４０１のミラー制御は、アーム先端に設けた制御装置４０６により行われる。また、上記発電モジュール４００では、大型の宇宙構造体１００Ｌ内に太陽電池パネル４０４を備えた小型の宇宙構造体１００Ｓを配置したが、宇宙構造体１００Ｓを省略して太陽電池パネルのみを配置するようにしてもよい（図示省略）。
【００８４】
また、図３６に示すように、前記ミラー４０２を、矩形のミラー枠４０７と、このミラー枠４０７内に設置した複数のミラー４０８と、当該各ミラー４０８を回転制御するサーボモータ４０９とから構成するようにしてもよい。サーボモータ４０９は、制御装置４０６により太陽光線を太陽電池パネル４０４に集光できるように制御される。このようにすれば、発電モジュール４００のうち、太陽光線が斜めに当たる部分において太陽光線を適切に太陽電池パネル４０４に照射させることができるから、さらに集光効率を向上させることができる。なお、図３４および図３５に示した集光装置４０１のミラー数は、８枚〜１０枚程度が好ましいが、これ以外の個数であっても構わない。
【００８５】
図３７は、宇宙構造体を用いた宇宙基地を示す説明図である。この宇宙基地５００は、宇宙構造体１００を月面Ｂにおいて使用するものであって、宇宙構造体１００内にはインフレータブル膜構造の与圧ブロック５０１が設けられている。この与圧ブロック５０１は、宇宙構造体１００内部で膨らませた後、内部に構造体を設けるか或いは膨らませた状態でモジュールと結合し（図示省略）、宇宙基地５００として使用することができる。さらに、モジュールＭの面に金属製の防護板５０２を設けることで、スペースデブリや隕石の落下による与圧ブロックの破損を防止することができる。また、熱や放射線を遮蔽する遮蔽板を設けることにより、宇宙空間における太陽熱の影響や放射線の影響を小さくすることができる。
【００８６】
さらに、特定のモジュールＭに上記のような太陽電池パネルを設けることにより、基地内の電力を調達することができる。このように、宇宙構造体１００を用いることで、簡単に設置でき且つ高い強度を持った宇宙基地５００を提供できる。なお、月面Ｂに設置する場合、簡単な固定手段５０３によって地面に固定するのが好ましい。
【００８７】
図３８は、宇宙構造体を惑星探査船に用いた場合を示す構成図である。惑星探査船に利用する場合は、電気推進装置用または船内電源供給用として発電モジュール３００を利用する。母船６０１には、テザー６０２により発電モジュール３００が複数連結されている。また、母船６０１の側面からはアーム６０３が延設されており、このアーム６０３の端部には、電気推進装置６０４が設けられている。電気推進装置６０４としては、プラズマジェット、イオンエンジン、コロイドエンジン、ＭＰＤアークジェット、マイクロ波加速器などを挙げることができる。
【００８８】
発電モジュール３００が太陽光線を受けて発電した電力は母船６０１に送られ、電気推進装置６０４の電力使用に供される。また、母船６０１内の電気機器の電力としても使用される。かかる構成によれば、母船６０１の進行方向に関係なく、常に太陽光線が発電モジュール３００に照射されることになる。また、発電モジュール３００の姿勢制御が不要であるから、宇宙航行中に故障し難い。
【００８９】
[宇宙構造体の形態]
図３９は、別形態の宇宙構造体を示す説明図である。この宇宙構造体７００は、上記宇宙構造体１００とは異なる展開構造を備えたものである。同図に示すように、この宇宙構造体７００は、半球の北側（符号「Ｎ」）と南側（符号「Ｓ」）に別れ、中心となるモジュールＭに符号「Ａ」を冠し、このモジュールＭＡの周囲３辺に均等に符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢを連結し、当該符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢの２辺に符号「Ｃ」を冠したモジュールＭＣを連結し、その最外周のモジュールＭＣ同士を一部連結することにより構成されている。また、この宇宙構造体７００は、上記同様、６角柱状態で積層収納されている。この積層順序を表３に示す。同表において、左欄に積層順、中欄に該当するモジュールＭを示す。また、展開する順序を右欄に示す。
【００９０】
【表３】
なお、上記宇宙構造体７００において、モジュール間同士は上記同様のジョイントＪにより連結されており、また、展開動作中に結合することになるモジュールＭＡ〜ＭＣの各辺には上記同様のカプラーＣが設けられている（いずれも図示省略）。このような展開順序によりモジュールＭを展開することで、各モジュール同士が干渉することなく展開できるようになる。なお、上記のような展開前後における位置移動については、上記宇宙構造体ほど微少にはならないが、作業上支障が出るほどではない。
【００９２】
図４０は、１２０面を有する宇宙構造体を示す斜視図である。この宇宙構造体７１０は、Ｃ１２０炭素同素体をモデルとして構成されたもので、上記Ｃ６０タイプの宇宙構造体１００を中央の梁７１１で接合した構成である。その他の構成は、上記宇宙構造体１００と同様であるからその説明を省略する。この宇宙構造体７１０は、１２０面に太陽電池パネル７１２を設置することで太陽発電衛星とすることもできるし、宇宙基地として用いることもできる。また、一方の球体部分に太陽電池パネル７１２を設置し、他方の球体内部に高周波マイクロ波の形で送電を行う送電アンテナを設置するようにしてもよい（図示省略）。宇宙構造体７１０を展開するには、まず、両方の球体部分を個別に展開（図１４〜図２８参照）してからそれぞれを所定位置に移動し、続いて中央の梁７１１をもって結合すればよい。
【００９３】
図４１は、ドーナッツ形状の宇宙構造体を示す斜視図である。同図（ａ）に示す宇宙構造体７２０は、上記６角形のモジュールＭをドーナッツ形状に組み合わせた構成である。上記同様、この宇宙構造体７２０のモジュールＭに太陽電池パネル７２１を設置して太陽発電衛星としてもよいし、モジュールＭに隔壁を設け、宇宙ステーションとして使用するようにしてもよい。さらにＣ６０タイプの宇宙構造体１００と組み合わせて用いることもできる。例えば、同図（ｂ）に示すように、Ｃ６０タイプの宇宙構造体１００に太陽電池パネル３０１を設置すると共に、これをＣ２００タイプの宇宙構造体７２０の両側に設置し、Ｃ２００タイプの宇宙構造体７２０のモジュールに隔壁７２２を設けて有人衛星とすることができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の宇宙構造体は、断面に円形部分を持ち、中空殻状構造の構成要素である６角形をした複数のモジュールと、モジュールの辺同士を回転可能に連結する回転連結手段と、モジュールの展開に応じてモジュールの辺同士が接したとき、当該辺同士を連結して固定し得る連結固定手段とを備え、回転連結手段をもってモジュールを折り畳んだ状態から、モジュールを展開して中空殻状構造に変形させるとき、モジュール同士が干渉しないように当該モジュールに前記回転連結手段と連結固定手段とを組み合わせて取り付けたものである。このため、宇宙空間でモジュールを確実に展開することが可能であり、宇宙空間に打ち上げるときは、回転連結手段をもって折り畳むことでコンパクトに収納でき、一方、宇宙空間に打ち上げたときは、モジュールを展開し、連結固定手段によりモジュール同士を固定することで、全体として中空殻状構造の宇宙構造体を構成することができる。このようにして形成した宇宙構造体は、構造的に安定で強度の高いものとなり、様々な用途に用いることが可能になる。
【００９５】
また、この発明の宇宙構造体では、前記モジュールを６本の梁からなる枠体構造にし、この枠体構造の節同士を接続するワイヤーその他の補強部材を設けたので、宇宙構造体の剛性を向上することができる。
【００９６】
また、この発明の宇宙構造体では、面内で折り畳み可能なように前記枠体の節に関節を設けたので、宇宙構造体をさらにコンパクトに折り畳むことができる。
【００９７】
また、この発明の宇宙構造体（請求項４）では、６本の梁からなる枠体構造のうち、対向する二対の梁の中央に中央関節を設けると共に、当該二対の梁が共用する関節部分の間にアクチュエータによって伸縮する伸縮手段を渡したことにより、宇宙構造体をさらにコンパクトに折り畳むことができる。
【００９８】
また、この発明の宇宙構造体（請求項５）では、モジュールを展開するにあたり、無重力下における展開時の力バランスをシミュレーションによって求め、展開前と展開後における空間の位置ずれが小さくなる展開パターンに基づき、モジュールに前記回転連結手段と固定連結手段とを組み合わせて取り付けたので、展開時のモジュールの移動を極めて小さく抑制することができる。
【００９９】
また、この発明の宇宙構造体では、球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールのうち、５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）が各一辺をもってＣ字形状に連結され、つぎのモジュール（Ｍ６）が、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺と連結しており、当該モジュール（Ｍ６）を含めた８個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）が各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結され、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）が各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結され、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）が、前記逆Ｃ字先端に位置するモジュール（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結する複数の回転連結手段と、上記回転連結手段をもって各モジュールを展開したとき、その辺で接触するモジュール同士を連結する複数の連結固定手段とを備えた。このため、前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、例えば、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２…Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８およびＪ９、Ｊ１０およびＪ１１、Ｊ１２およびＪ１３、Ｊ１４およびＪ１５、Ｊ１６およびＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１８、Ｊ１９の順で一つずつ、前記モジュールを展開することで、モジュールを干渉させることなく、展開することができる。なお、当該例示の展開方法によれば、さらに、宇宙構造体の展開前と展開後の移動を小さく抑えることが可能になる。
【０１００】
また、この発明の宇宙構造体の展開システムでは、上記宇宙構造体と、モジュールが折り畳まれた状態を保持すると共に解除命令に基づいて前記保持を解除する一時保持手段と、展開命令に基づいて前記回転連結手段を中心としてモジュールを展開させる展開手段と、宇宙構造体に設置され且つ保持手段および展開手段に対して解除命令および展開命令を出す制御手段とを備えたので、宇宙構造体を宇宙空間において展開することができる。
【０１０１】
また、この発明の宇宙構造体の展開システムでは、宇宙構造体と地上との間で通信を行う通信手段と、地上に設置され、通信手段を介して前記制御手段に解除命令または展開命令を出すよう指令する指令手段とを備えたので、地上から遠隔操作により宇宙構造体を展開できる。
【０１０２】
また、この発明の宇宙構造体では、宇宙構造体に、利用可能な内部空間を有するインフレータブル膜構造の与圧ブロックを内設することで、当該宇宙構造体を与圧ブロックの保護構造として用いることができる。例えばモジュールに防護壁を設けることで、スペースデブリなどの衝突から与圧ブロックを保護することが可能になる。また、放射線の遮蔽板を設けることにより、与圧ブロック内の被爆を抑制することができるようになる。
【０１０３】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、上記宇宙構造体のモジュールに太陽電池パネルを設置したので、姿勢制御をすることなく、太陽光発電を行うことができる。
【０１０４】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、上記宇宙構造体のモジュールに複数の反射鏡を設けると共に、これら反射鏡の角度を制御するサーボモーターを設け、当該宇宙構造体の内部に太陽電池パネルを設置したので、太陽電池パネルに対してより大きな宇宙構造体を用いて集光することができる。
【０１０５】
また、この発明の太陽発電モジュールでは、前記太陽電池パネルを、前記宇宙構造体の内部に設置した小型の宇宙構造体のモジュールに設置したので、反射鏡で集光した太陽光線が小型の宇宙構造体に設置した太陽電池パネルで光電変換されることになるから、集光効率が向上する。
【０１０６】
また、この発明の太陽発電衛星では、複数の太陽発電モジュールと、当該太陽発電衛星を支持する主構造体と、この太陽発電衛星により発電した電力を高周波マイクロ波に変換してアンテナから送電する送電手段とを備えたので、太陽発電モジュールによって発電した電力を、高周波マイクロ波の形態で地上に送電することができる。
【０１０７】
また、この発明の宇宙船は、上記宇宙航行用の母船と、この母船に取り付けた上記太陽発電モジュールと、同じく母船に取り付けられ、前記太陽発電モジュールにより発電した電力により推進力を得る電気推進器とを備えたので、故障によりエネルギーの供給が不能になるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる宇宙構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示した宇宙構造体を示す平面展開図である。
【図３】図１に示したモジュールの一例を示す説明図である。
【図４】補強部材の取付形態の変形例を示す説明図である。
【図５】図１に示したジョイント構造を示す説明図である。
【図６】図１に示したカプラーの構造を示す斜視図である。
【図７】モジュールを折り畳んだ状態を示す説明図である。
【図８】ノッチ・ピン式の仮固定装置を示す説明図である。
【図９】モジュールの構造の変形例を示す説明図である。
【図１０】宇宙構造体の収納形態を示す説明図である。
【図１１】宇宙構造体の展開システムを示す構成図である。
【図１２】図１１に示した展開システムの機能ブロック図である。
【図１３】この展開システムの動作を示すフローチャートである。
【図１４】宇宙構造体の展開過程（展開前）を示す説明図である。
【図１５】宇宙構造体の展開過程（ステップ１）を示す説明図である。
【図１６】宇宙構造体の展開過程（ステップ２）を示す説明図である。
【図１７】宇宙構造体の展開過程（ステップ３）を示す説明図である。
【図１８】宇宙構造体の展開過程（ステップ４）を示す説明図である。
【図１９】宇宙構造体の展開過程（ステップ５）を示す説明図である。
【図２０】宇宙構造体の展開過程（ステップ６）を示す説明図である。
【図２１】宇宙構造体の展開過程（ステップ７）を示す説明図である。
【図２２】宇宙構造体の展開過程（ステップ８）を示す説明図である。
【図２３】宇宙構造体の展開過程（ステップ９）を示す説明図である。
【図２４】宇宙構造体の展開過程（ステップ１０）を示す説明図である。
【図２５】宇宙構造体の展開過程（ステップ１１）を示す説明図である。
【図２６】宇宙構造体の展開過程（ステップ１２）を示す説明図である。
【図２７】宇宙構造体の展開過程（ステップ１３）を示す説明図である。
【図２８】宇宙構造体の展開過程（ステップ１４、展開後）を示す説明図である。
【図２９】宇宙構造体の応用例を示す説明図である。
【図３０】太陽発電衛星を示す構成図である。
【図３１】太陽発電衛星の変形例を示す斜視図である。
【図３２】太陽発電衛星の別の変形例を示す斜視図である。
【図３３】太陽発電衛星の別の変形例を示す斜視図である。
【図３４】発電モジュールの変形例を示す構成図である。
【図３５】図３４に示した発電モジュールの集光装置を示す説明図である。
【図３６】図３４に示した発電モジュールの変形例を示す斜視図である。
【図３７】宇宙構造体を用いた宇宙基地を示す説明図である。
【図３８】宇宙構造体を惑星探査船に用いた場合を示す構成図である。
【図３９】別形態の宇宙構造体を示す説明図である。
【図４０】１２０面を有する宇宙構造体を示す斜視図である。
【図４１】ドーナッツ形状の宇宙構造体を示す斜視図である。
【図４２】従来の太陽発電衛星の一例を示す構成図である。
【図４３】図４２に示した発電モジュールを示す構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図である。
【符号の説明】
１００ 宇宙構造体
１０１ 梁
１０２ 結合部
１０３ ワイヤ
Ｍ１〜Ｍ２０ モジュール
Ｊ１〜Ｊ１９ ジョイント
Ｃ１〜Ｃ１１ カプラー
２００ 展開システム
２０１ 記憶装置
２０４ 処理装置
２０５ 電源
２０６ 通信システム
２０７ 通信アンテナ
２０８ 電気回路
２０９ 地上指令基地
２１０ 遠隔操作システム
２１１ 通信アンテナ
２１２ 通信システム
２１３ 遠隔操作プログラム
２１４ コンピューター
２１７ インターネット
２１８ 太陽電池パネル
３００ 発電モジュール
３０１ 太陽電池パネル
３５０ 太陽発電衛星
３５１ アーム
３５２ 主構造体
３５３ 送電装置
３５４ 送電アンテナ
Claims (11)
- 断面に円形部分を持ち、中空殻状構造の構成要素である６角形をした複数のモジュールと、モジュールの辺同士を回転可能に連結する回転連結手段と、モジュールの展開に応じてモジュールの辺同士が接したとき、当該辺同士を連結して固定し得る連結固定手段とを備え、
更に、前記モジュールを６本の梁からなる枠体構造にし、この枠体構造の節同士を接続するワイヤーその他の補強部材を設けると共に、
前記モジュールの面内で折り畳み可能なように前記枠体の節に関節を設け、
且つ、前記６本の梁からなる枠体構造のうち、対向する二対の梁の中央に中央関節を設けると共に、当該二対の梁が共用する関節部分の間にアクチュエータによって伸縮する伸縮手段を渡したことを特徴とする宇宙構造体。 - 球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールを有し、かつ、そのうちの５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）が各一辺をもってＣ字形状に連結され、つぎのモジュール（Ｍ６）が、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺と連結しており、当該モジュール（Ｍ６）を含めた１０個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）が各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結され、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）が各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結され、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）が、前記逆Ｃ字先端に
位置するモジュール（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結する複数の回転連結手段と、
上記回転連結手段をもって各モジュールを展開したとき、その辺で接触するモジュール同士を連結する複数の連結固定手段と、
前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２...Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８及びＪ９、Ｊ１０及びＪ１１、Ｊ１２及びＪ１３、Ｊ１４及びＪ１５、Ｊ１６及びＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１９、Ｊ１８の順で一つずつ、前記モジュールを展開するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする宇宙構造体。 - 前記宇宙構造体に、利用可能な内部空間を有するインフレータブル膜構造の与圧ブロックを内設した請求項１または２に記載の宇宙構造体。
- 上記請求項１〜３のいずれか１項に記載した宇宙構造体と、モジュールが折り畳まれた状態を保持すると共に解除命令に基づいて前記保持を解除する一時保持手段と、展開命令に基づいて前記回転連結手段を中心としてモジュールを展開させる展開手段と、宇宙構造体に設置され、保持手段及び展開手段に対して解除命令及び展開命令を出す制御手段とを備え、
前記一時保持手段は、爆発ボルトであることを特徴とする宇宙構造体の展開システム。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載した宇宙構造体のモジュールに複数の反射鏡を設けると共に、これら反射鏡の角度を制御するサーボモーターを設け、当該宇宙構造体の内部に太陽電池パネルを設置したことを特徴とする太陽発電モジュール。
- 前記宇宙構造体の内部に更に宇宙構造体を設け、内側の宇宙構造体のモジュールに前記太陽電池パネルを設置したことを特徴とする請求項５に記載の太陽発電モジュール。
- 宇宙航行用の母船と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の宇宙構造体のモジュールに太陽電池パネルを取り付けた構造の、前記母船に取り付けた太陽発電モジュールと、同じく母船に取り付けられ、前記太陽発電モジュールにより発電した電力により推進力を得る電気推進器とを備えたことを特徴とする宇宙船。
- 請求項３に記載の宇宙構造体の特定モジュールに太陽電池パネルを取り付けたことを特徴とする宇宙基地。
- ２０個の６角形モジュールを、複数の回転連結手段により、そのうちの５個のモジュール（Ｍ１〜Ｍ５）を各一辺をもってＣ字形状に連結し、つぎのモジュール（Ｍ６）を、前記Ｃ字後端に位置するモジュール（Ｍ５）のＣ字を構成する外側最外辺に連結し、当該モジュール（Ｍ６）を含めた１０個のモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）を各一辺をもってジグザグになって略直線状に連結し、つぎの５個のモジュール（Ｍ１６〜Ｍ２０）を各一辺をもって逆Ｃ字形状に連結し、前記直線状に連結したモジュール（Ｍ６〜Ｍ１５）のうち、端に位置するモジュール（Ｍ１５）を、前記逆Ｃ字先端に位置するモジュール
（Ｍ１６）の逆Ｃ字を構成する外側最外辺と連結し、前記最初のモジュール（Ｍ１）から最後のモジュール（Ｍ２０）を順次積層した状態から、各モジュール間にある回転連結手段を、Ｊ１、Ｊ２...Ｊ１８、Ｊ１９で表した場合、まず、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ５、Ｊ４、Ｊ７、Ｊ６の順で一つずつ、つぎに、Ｊ８及びＪ９、Ｊ１０及びＪ１１、Ｊ１２及びＪ１３、Ｊ１４及びＪ１５、Ｊ１６及びＪ１７の順で二つずつ、そして、Ｊ１９、Ｊ１８の順で一つずつ、前記モジュールを展開することを特徴とする宇宙構造体の展開方法。 - 球殻形状を形成し得る２０個の６角形モジュールを有し、かつ、半球の北側（符号「Ｎ」）と南側（符号「Ｓ」）に別れ、中心となるモジュールＭに符号「Ａ」を冠し、このモジュールＭＡの周囲３辺に均等に符号「Ｂ」と連番１〜３を冠したモジュールＭＢを連結し、当該符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢの隣接していない１辺おきの２辺に、符号「Ｃ」と各連番１〜３に更に連番１，２を冠したモジュールＭＣを連結し、隣接する最外周のモジュールＭＣ同士の、モジュールＭＢに連結されておらず、かつモジュールＭＢに連結されている辺とは隣接しない一辺同士を連結すると共に、
前記モジュールを順次積層した状態から、ＣＳ１１，ＣＮ１１が１番目に、ＢＳ１,ＢＮ１が２番目に、ＣＳ１２,ＣＮ１２が３番目に、ＡＳ，ＡＮが４番目に、ＢＳ２，ＢＮ２が５番目に、ＣＳ２１，ＣＮ２１が６番目に、ＣＳ２２，ＣＮ２２が７番目に、ＢＳ３，ＢＮ３が８番目に、ＣＳ３１，ＣＮ３１が９番目に、ＣＳ３２，ＣＮ３２が１０番目に展開されるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする宇宙構造体。 - ２０個の６角形モジュールを、半球の北側（符号「Ｎ」）と南側（符号「Ｓ」）に別れ、中心となるモジュールＭに符号「Ａ」を冠し、このモジュールＭＡの周囲３辺に均等に符号「Ｂ」と連番１〜３を冠したモジュールＭＢを連結し、当該符号「Ｂ」を冠したモジュールＭＢの隣接していない１辺おきの２辺に、符号「Ｃ」と各連番１〜３に更に連番１，２を冠したモジュールＭＣを連結し、隣接する最外周のモジュールＭＣ同士の、モジュールＭＢに連結されておらず、かつモジュールＭＢに連結されている辺とは隣接しない一辺同士を連結すると共に、
前記モジュールを順次積層した状態から、ＣＳ１１，ＣＮ１１が１番目に、ＢＳ１,ＢＮ１が２番目に、ＣＳ１２,ＣＮ１２が３番目に、ＡＳ，ＡＮが４番目に、ＢＳ２，ＢＮ２が５番目に、ＣＳ２１，ＣＮ２１が６番目に、ＣＳ２２，ＣＮ２２が７番目に、ＢＳ３，ＢＮ３が８番目に、ＣＳ３１，ＣＮ３１が９番目に、ＣＳ３２，ＣＮ３２が１０番目に展開されることを特徴とする宇宙構造体の展開方法。
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