JP4094930B2

JP4094930B2 - 人工衛星

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Publication number: JP4094930B2
Application number: JP2002309645A
Authority: JP
Inventors: 真一中須賀
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: DE60313015T2; US7156349B2; EP1559649A4; AU2003275622A1; US20050230558A1; WO2004037644A1; DE60313015D1; EP1559649B1; JP2004142592A; EP1559649A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットに搭載して宇宙空間に打ち上げ、地上と通信したり、地球観測を行うことができる人工衛星に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙開発の草創期には、人工衛星は一つ一つが開発品であり、全ての人工衛星はまったく最初から設計・開発が行われ、ロケットに搭載して打ち上げられていた。そして、当時は、個々のコンポーネントや部品などの打ち上げの実績を見ながら次々に改良が加えられる状態であり、一般の工業製品のように、人工衛星自体やその一部の構成要素を標準化することはできなかった。つまり、一品生産であって、コストの高騰と開発期間の長期化の原因となっていた。
【０００３】
１９７０年代後半になって、通信衛星が人工衛星の主なミッションとしてクローズアップされてきた。通信の需要の高まりや、民間会社が人工衛星を所有する時代となって、多くの通信衛星が打ち上げられるようになった。
【０００４】
通信衛星では、人工衛星に対する要求のうち、バス部分と呼ばれる衛星のシステム部分はほとんど共通のものであったため、このバス部分を共通のものとして設計し、ユーザ毎に異なる要求に応じて機能部分（ミッション機器部分）だけを個別に設計・開発することが可能となった。
【０００５】
衛星のバス部分がほぼ標準化されたことによって、人工衛星の開発・製造コストの低減化と開発期間は大幅に短縮されることになり、人工衛星のメーカも、そのユーザも大きな恩恵を受けることができるようになった。この方式は、ヒューズエアクラフト社などが大きな成功を収め、この基本的な考え方が現在に至っている。
【０００６】
従来、個別に設計・製造された人工衛星の例としては、技術試験衛星６型（日本製）が知られている。これはハニカムサンドイッチパネルからなるミッションパネル及びアクセスパネルからなる箱状の構造体に、太陽電池パネル、アンテナモジュール及び通信機器を搭載した人工衛星である（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
また、モジュール型の人工衛星として、衛星のバス部分と呼ばれる共通機器部分を標準化し、衛星のミッション（目的機能部分）のみを注文に応じて製作する例が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００８】
また、モジュール連結型宇宙構造体及びその姿勢制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。モジュール式宇宙船開発方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。モジュール式宇宙船用バックボーンインタフェースが知られている（例えば、特許文献３参照。）。モジュール式宇宙船用構造体が知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００９】
【非特許文献１】
編者…茂原正道・鳥山芳夫「衛星設計入門」株式会社培風館、２００２年６月１３日発行、Ｐ．８２の図３．６
【００１０】
【非特許文献２】
編者…社団法人日本航空宇宙学会「航空宇宙工学便覧」発行所、丸善株式会社平成４年９月３０日発行、Ｐ．８４０の表Ｃ１．１４及びＰ．８４１の図Ｃ１．２２
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２６４２９９号公報の特許請求の範囲
【００１２】
【特許文献２】
特開平１０−２２６３９９号公報の特許請求の範囲
【００１３】
【特許文献３】
特開平１０−２１００５７号公報の特許請求の範囲
【００１４】
【特許文献４】
特開平１０−２０３４９４号公報の特許請求の範囲
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような方式によって通信衛星をはじめとした人工衛星のバス部分の標準化を通じて大きな成功があったが、その他の地球観測衛星などを含めて人工衛星一般としてみた場合、人工衛星の機能・性能の要求のバライティの多さから標準化は難しく、一品生産であるため、その開発には大きなコストと開発期間がかかることは変わりがない。
【００１６】
これは、通信衛星の主な搭載物が中継器であり、機能の要求に大差がない状態であるのに対して、一般の人工衛星ではこれよりも大きな電力を使用するレーダやＴＶ放送用の機器類を搭載したりする場合もあり、特別な観測機械を積む人工衛星では姿勢制御系に対する要求が特に厳しくなるものもある。これらの様々な機能要求を持った衛星を開発するには、通信衛星を主な目標として開発された標準化バスは使いずらく、コスト的なメリットが受けられなかった。
【００１７】
また、非特許文献１及び２は、構造的に複雑で大型化しており、コンパクトに折り畳むことができないため、小型のロケットに搭載することは不可能である。
【００１８】
特許文献１〜４は、いずれもモジュール式構造体やモジュール相互の結合構造であって、異なる機能要素を備えた複数のモジュール（パネル）を組み合わせるという技術思想は開示されていない。
【００１９】
本発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ロケットに搭載して打ち上げ時には折り畳んでコンパクトに構成でき、またユーザの要求に応じて機能、性能及び容量の拡張・縮減が可能であり、コストの低減・開発期間の短縮を図ることができる人工衛星を提供するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、略同一形状の複数枚のパネルをヒンジ機構によって回動自在に連結し、ロケットに搭載して打ち上げ時には、前記各パネルを積層状態に折り畳み可能であり、打ち上げ後、宇宙空間で積層状態の前記各パネルを展開可能であり、前記各パネルには、人工衛星に必要な機能が分散して搭載され、前記各パネルは、少なくとも地上との通信用の通信パネル、ミッション機器パネルであり、前記各パネル相互間は電力及び情報が電送可能に接続されている人工衛星であって、前記ヒンジ機構によって連結された前記パネル相互は、可撓性を有する熱伝導シートによって連結されていることを特徴とする人工衛星にある。
【００２１】
請求項２は、請求項１の前記可撓性を有する熱伝導シートは、パネルに搭載された機器と接触していることを特徴とする。
【００２８】
前記構成によれば、複数枚のパネルがヒンジ機構によって連結されているため、コンパクトに折り畳みでき、ロケットの狭い空間に搭載することができる。また、複数枚のパネルに、ユーザの要求に応じた機器を搭載し、必要なパネルを利用し、パネル数を増減することにより、要求される機能・精度に柔軟に対応することができる。
【００２９】
また、パネルの外表面に太陽電池パネルを装着することにより、太陽光線を受ける面積を拡大でき、発生電力の向上が図れる。さらに、パネル相互を可撓性を有する熱伝導シートによって連結することにより、各パネルの温度差を極力ゼロに近くすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を一例としてレンズを用いて光学的観測をする人工衛星の図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１〜図９は第１の実施形態の人工衛星を示し、図１は展開前の人工衛星の斜視図、図２は展開後の人工衛星の斜視図である。本実施形態においては、略同一サイズの９枚のパネルを後述するヒンジ機構によって折り畳み可能に連結することにより人工衛星１が構成されている。図２の展開状態の人工衛星１について概略的に説明すると、通信パネル２の一端にはミッション機器パネル３が平面的に連結されている。このミッション機器パネル３の他端には第１のＣＰＵパネル４がミッション機器パネル３に対して直角に連結されている。ここで示す人工衛星１の例では、ミッション機器パネル３には、光学的観測をするための装置、例えば焦点距離の長いレンズ等の光学機器が積載されている。
【００３２】
第１のＣＰＵパネル４の他端には電源パネル５、第１の姿勢制御パネル６及び第２のＣＰＵパネル７がこの順序で平面的に連結されている。また、第２のＣＰＵパネル７の他端にはイメージセンサ・メモリパネル８が第２のＣＰＵパネル７に対して直角に連結されている。
【００３３】
さらに、イメージセンサ・メモリパネル８の他端には第２の姿勢制御パネル９が平面的に連結されている。そして、イメージセンサ・メモリパネル８及び第２の姿勢制御パネル９は、前記通信パネル２及びミッション機器パネル３と平行状態にある。また、第２の姿勢制御パネル９の一側には第３の姿勢制御パネル１０が直角に連結されている。第１、第２、第３の姿勢制御パネル６，９，１０は直交する３つの方向を向いており、３つの軸回りの姿勢制御力を発生することができる。従って、人工衛星１は展開時には略コ字形をなしており、各パネル２〜１０はジグザグ状に折り畳み、結束紐１ａによって結束することにより、図１に示すように、積層されてロケットに搭載できるようになっている。ここで示した人工衛星１が略コ字形をしているのは、ミッション機器パネル３のレンズを通った光をイメージセンサ・メモリパネル８で撮像して光学的観測をするものであるからである。
【００３４】
各パネル２〜１０は、基本的には同一形状、同一サイズであり、一例として第１の姿勢制御パネル６について説明すると、図３〜図９に示すように構成されている。すなわち、軽金属材料あるいはＣＦＲＰのような軽量で高強度の複合材料によって形成されたパネル本体１１は、平面視で正方形の四隅を三角形状にカットした八角形状をなしている。そして、パネル本体１１の四隅には三角形状のコーナーパネル１２が結合されている。
【００３５】
パネル本体１１は、底板１３と、周壁を構成する側板１４及び蓋板１５とによって構成される扁平ボックス形状であり、側板１４の四辺には切欠部１６が設けられている。また、コーナーパネル１２も、底板１７と、周壁を構成する側板１８及び蓋板１９とによって構成される扁平ボックス形状である。そして、コーナーパネル１２の底板１７と蓋板１９がパネル本体１１の底板１３と蓋板１５にそれぞれボルト２０によって固定され、パネル本体１１に対してコーナーパネル１２が連結されている。
【００３６】
コーナーパネル１２の底板１７と側板１８との角部にはヒンジ機構を構成する蝶番２１ａが取付けられ、この蝶番２１ａによって隣り合うパネル相互を回動自在に連結している。この蝶番２１ａは付勢ばね等によってパネル相互の連結が展開する方向に付勢されている。なお、蝶番２１ａに限らず、隣り合うパネル相互を回動自在に連結できるヒンジ機構であればどのような構造のものでもよい。また、蝶番２１ａと反対側の側板１８にはラッチ機構２１ｂが設けられ、パネルを展開したときに、ラッチ機構２１ｂによって展開状態を保持するようになっている。
【００３７】
パネル本体１１の外表面で太陽光線が当る面、例えば底板１３及び蓋板１５の外表面には太陽電池パネル２２が貼り付けられている。この太陽電池パネル２２は、パネル本体１１の内部に設置されたバッテリー２３に電気的に接続され、バッテリー２３にはバッテリー制御部２４が設けられている。
【００３８】
さらに、パネル本体１１の内部には制御器２５、ＬＡＮカード２６、無線ＬＡＮのアンテナ２７及び機能要素２８が設置され、機能要素２８はバッテリー２３と電気的に接続されているとともに、制御器２５と信号線によって接続されている。機能要素２８は、パネルが第１の姿勢制御パネル６である場合には、姿勢制御機器、姿勢を変更するための機器（リアクションホイールという角運動量を保存・放出するデバイス等）であり、通信パネル２である場合には地上との通信用機器であり、各パネル２〜１０は機能要素２８のみが異なり、他の構成は共通している。
【００３９】
また、隣り合うパネルのパネル本体１１は、その内部を通過して切欠部１６から導出された可撓性を有するテープ状の熱伝導シート２９によって接続されている。この熱伝導シート２９は接着剤（図示しない）によってパネル本体１１の一部または機器に接着されている。この熱伝導シート２９は、高熱伝導性シートであり、各パネル間の温度差を極力「０」に近づけるように機能する。すなわち、各パネルは太陽光線の当り具合や、パネル本体１１の内部の制御機器等の放熱等によって温度差が出るが、熱伝導シート２９によってパネル相互を接続することにより、温度の高い方のパネルから低いパネルの方へ速やかに熱伝導して全体の温度差を略均一に保つことができる。
【００４０】
また、人工衛星１全体で熱の発生や熱入力が過剰で、温度が上がりすぎる場合には、パネル本体１１にラジエータを設けてもよい。このラジエータによって熱を宇宙空間に逃すことができ、熱伝導シート２９においても放熱させることができる。
【００４１】
また、逆に熱の発生が少なく、人工衛星１全体の温度が下がりすぎた場合には、従来の衛星と同様にヒータを用い、ヒータの熱を熱伝導シート２９によって伝導するようにしてもよい。このように熱伝導シート２９によってパネル相互を連絡することにより、各パネル毎にヒータを設ける必要はなく、ヒータ及びその制御器の数を削減できる。
【００４２】
さらに、コーナーパネル１２の内部には電源コネクタ３０及びフレキシブルコード３１が内蔵されており、パネル相互の電気的接続は、コーナーパネル１２の電源コネクタ３０及びフレキシブルコード３１を介して接続される。各パネルの太陽電池で発生した電力は、そのパネル内の機器で使用する他、そのパネル内のバッテリーの充電に使われるが、さらに余剰の電力は、この電気的接続を介して電力が不足している別のパネルに送られる。
【００４３】
ここで、本発明者が行った熱伝導シート２９及び接着剤の熱伝導確認試験について説明する。熱伝導シート２９は、品名：ＰＧＳグラファイトシート（Panasonic製）、熱伝導率：８００Ｗ／ｍＫ、厚さ０．１５ｍｍである。接着剤は、品名：６０３０ＨＫ（テクノアルファ製）、熱伝導率６０Ｗ／ｍＫである。
【００４４】
パネル間の温度差を最小にするために、熱伝導シートが最も多くの熱量を輸送しなければならない状況（最悪の条件）は、３枚のパネルが直角に接続され、一方のパネルの面は太陽光が直角に入射し、他方のパネルにはまったく太陽光が入射しない場合である。
【００４５】
このようなコンフィギュレーションにおいて、熱伝導シートによって輸送せねばならない熱量Ｑは最悪のケースで、
Ｑ＝ＷｓＳ
＝１３５８×０．３×０．３＝１２０［Ｗ］……（１）式
と見積もることができる。Ｗｓは太陽定数、Ｓはパネルの面積である。パネル間熱輸送は、
・熱伝導シートを通る熱の流れ
・接着剤を通る熱の流れ
によって行われる。それぞれの熱の流れにおいて、（１）式の１２０Ｗを輸送するために必要な温度差について評価したところ、表１及び表２の結果が得られた。
【００４６】
【表１】

【００４７】
【表２】

【００４８】
表１及び表２から分かるように、パネル本体→接着剤→熱伝導シート→接着剤→パネル本体、の順に隣り合うパネルに熱が流れるとしてパネル間の温度差は約５℃となり、温度均一性が実現できると考えられる。
【００４９】
図１０は熱伝導シートの適用方法に関する第２の実施形態を示し、第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。本実施形態は、パネル本体１１の内部に設置された搭載機器３２以外の空間にアルミニウムハニカムパネル３３を設けるとともに、搭載機器３２の上面に熱伝導シート２９を接合して設けたものである。
【００５０】
アルミニウムハニカムパネル３３によってパネル本体１１の厚み方向の温度の不均一を防止することができる。また、搭載機器３２の上面に熱伝導シート２９を接合した状態で、パネル本体１１の内部を熱伝導シート２９によって通過させることにより、搭載機器３２から発生する熱を熱伝導シート２９によって隣り合うパネルに熱伝導でき、温度差を少なくすることができる。
【００５１】
第１及び第２の実施形態に示す、人工衛星１は、図１に示すようにコンパクトに折り畳んだ状態で、図１１に示すようなロケット３４に搭載される。図１１に示すロケット３４は、ロケット本体３５の下部にメインエンジン３６及び推力増強固定燃料ロケットモータ３７が設けられている。ロケット本体３５の中間には各種燃料タンク３８及び第２段エンジン３９が設けられている。ロケット本体３５の上部には搭載物接続構造体４０がノーズフェアリング４１によって囲撓された状態に設けられている。そして、搭載物接続構造体４０の上部空間４２に人工衛星１が搭載される。あるいは図１１に示すように、ロケットが十分に大きい時には、非常に大きな人工衛星を打ち上げるついでに、搭載物接続構造４０の脇などに第２番目あるいは第３番目として搭載することができる。この人工衛星１はスプリング等の反発力によってノーズフェアリング４１の分割の後、ロケットエンジンの燃焼終了後に宇宙空間に放出され、人工衛星１は図２に示すように、展開されるようになっている。
【００５２】
なお、前記実施形態においては、複数枚の矩形状のパネルをヒンジ機構によって回動自在に連結し、ロケットに搭載して打ち上げ時には折り畳み可能で、打ち上げ後、宇宙空間で展開可能に構成したが、パネルの形状及び枚数は一例を示したものであり、限定されるものではなく、展開状態の形態もパネルの枚数の増減や接続の仕方によって変化するものである。どの機能を持つパネルを使用するか、また、パネルに搭載する機器も、ユーザの要求によって適宜変更可能であり、前述した実施形態に限定されるものではない。
【００５３】
本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００５４】
（ａ）低コスト、信頼性の向上
基本機能を持ったパネルを大量生産することにより、１枚のパネルの低コスト化、信頼性の向上を図ることができる。
【００５５】
（ｂ）開発の簡素化
各パネルは、機能は異なっても機械的、電気的、及びデータ上のインタフェースが共通化されているため、製造時の検査か地上試験において検査装置や検査手順の大幅な共通化が可能となる。特に、検査装置の共通化はコストや開発期間の短縮に貢献する。
【００５６】
（ｃ）開発作業への小規模企業の参入の促進
インタフェースの共通化はパネル内部にも言うことができる。搭載機器部（機能要素２８）が人工衛星内部で接するインタフェースは、今回の考案では標準化されているため、機能要素２８を開発する際の条件が予め統一されているので設計目標が立てやすい。従来型の人工衛星の開発では、機能要素２８が多種多様にあって、それぞれが相互にインタフェースを形成するために、全ての機器を同時に開発することも多く、機能要素２８を開発するための総合力のある大企業にしか取り組むことが難しかった。
【００５７】
しかし、内部的なインタフェースがある程度確定していれば、個別の技術に特化した企業が機能要素２８を開発するのが容易である。
【００５８】
（ｄ）形状の自由度の増加
従来の小さい人工衛星では、展開構造物を搭載することが難しく、今回の実施形態のように長い焦点距離を必要とするような目的を持つ人工衛星を製作することが難しかった。しかし、パネルの展開により人工衛星本体の形状が広がりを持つようにすることができるため、従来の小型衛星では幾何学的に制約があったミッションを達成することが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、人工衛星において、ロケットに搭載して打ち上げ時には折り畳んでコンパクトに構成でき、またユーザの要求に応じて機能の拡張・縮減が可能であり、コストの低減・開発期間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の人工衛星を示し、展開前の斜視図。
【図２】同実施形態の人工衛星を示し、展開状態の斜視図。
【図３】同実施形態のパネルの概略的な平面図。
【図４】同実施形態のパネルの折り畳み形態を示す斜視図。
【図５】同実施形態を示し、パネルの内部構造を示す斜視図。
【図６】同実施形態を示し、パネルの分解斜視図。
【図７】同実施形態を示し、コーナーパネルの斜視図。
【図８】同実施形態を示し、コーナーパネルの斜視図。
【図９】同実施形態を示し、コーナーパネルの内部構造を示す斜視図。
【図１０】本発明の第２の実施形態を示し、（ａ）は概略的な平面図、（ｂ）は縦断側面図。
【図１１】ロケットに人工衛星を搭載した状態の図。
【符号の説明】
１…人工衛星
２〜１０…パネル
１１…パネル本体
１２…コーナーパネル
２１ａ…蝶番（ヒンジ機構）
２２…太陽電池パネル
２３…バッテリー
２５…制御器
２９…熱伝導シート

Claims

略同一形状の複数枚のパネルをヒンジ機構によって回動自在に連結し、ロケットに搭載
して打ち上げ時には、前記各パネルを積層状態に折り畳み可能であり、
打ち上げ後、宇宙空間で積層状態の前記各パネルを展開可能であり、
前記各パネルには、人工衛星に必要な機能が分散して搭載され、前記各パネルは、少なくとも地上との通信用の通信パネル、ミッション機器パネルであり、前記各パネル相互間は電力及び情報が電送可能に接続されている人工衛星であって、前記ヒンジ機構によって連結された前記パネル相互間は、可撓性を有する熱伝導シートによって連結されていることを特徴とする人工衛星。
前記可撓性を有する熱伝導シートは、パネルに搭載された機器と接触していることを特徴とする請求項１記載の人工衛星。