JP4317456B2 - 伸縮可能な放熱器を備える宇宙機 - Google Patents

Description

本発明は、軌道上の宇宙機（spacecraft）から発生した熱エネルギーを宇宙空間に放熱するための放熱器を備える宇宙機に関する。

特に、衛星の所定の軸線が地球を向いて留まるように静止軌道上を周回する人工衛星として構成された宇宙機に関する。

後半の事例としては、人工衛星が所定の位置にあるとき、主アンテナが地球のある地域に正確に向いて留まる通信衛星に関する。

宇宙機や特に静止衛星のペイロードに要求される電源は、一つ又は複数の太陽電池パネルによって供給される。この太陽電池パネルは、太陽の方向を指し続けるように１つの軸線回りに方向変更可能となっている。人工衛星の場合、この軸線をＹ軸としたとき、太陽電池パネルの回転軸とされるこの軸線は南北の方向を指向している。

従来のこのようなタイプの静止衛星のタイプを図１に示す。

人工衛星の本体１０は、燃料タンクやペイロード、装置格納部、軌道上電子機器を備えている。

衛星の３つの軸線Ｚ、Ｙ、及びＸは、人工衛星が軌道上で南―北方向、かつ、東―西方向において地球に向かうようにされている。一般に、人工衛星の本体形状は、北面と南面とを有する平行六面体とされている。北面は地球を向いた面であり、かつ、南面は地球と反対方向を向いた面である。南面は、しばしば後面と称される。

太陽電池パネル１２は、北面と南面とに配され、Ｙ軸線回りに方向を変えるものとされている。

主通信アンテナ１４は、伝送ローブ又は受信ローブを明確にするために東面と西面（或いはこれらのうちの１つ）から十分離れた人工衛星の側方のそれぞれに配されている。これらの主アンテナは、ローブが狭い範囲であるため、地球上の所定地域を正確に指向するようにしなければならない。

人工衛星を所定位置に正確に維持するために、本体１０は低スラスト（low-thrust）ノズル１６を備えている。これら低スラスト（low-thrust）ノズル１６は推進剤が供給され、地球に対して反対方向となる本体１０の位置に複数配されている。最近の人工衛星では、これらのノズルが、１つ或いは複数のプラズマスラスタシステム１８に組み込まれている。操作の際にはこれらのノズルすなわちジェネレータが、高速の高温ガスであるジェットすなわちプルーム２０を発生する。本体表面へのこれらのジェットの衝撃は予期せぬ力となって、ノズルやイオン発生器の効果を減らして表面の損傷原因となり得る。

従来、固定された放熱面２４が、人工衛星の南北の面に配されており、かつ、発熱する搭載機器に、例えば、ヒートパイプによって熱的に接続されている。近年、大きな電力を消費して人工衛星からの発熱量が増加するほど、固定した放熱面からの熱放射量では不適切なものとなっている。そこで、打ち上げ時には本体内に格納され、後で、通常北及び／又は南の方向に向かって展開する展開型の放熱器を備えた人工衛星が開発されている。このような人工衛星の放熱器は、展開時に主通信アンテナのローブを遮らないようにされている。特に、特許文献１に提案された人工衛星では、放熱器が南面又は北面に対向するように収納された位置から、地球と反対方向（−Ｚ方向）の終端位置までヒンジ回りに展開できるものとなっている。

この処置によれば、主通信アンテナの操作に支障になるのを避けることになる。さらに、ヒンジを斜めに配することによって、放熱器を損傷し得る高速のホットガスの影響を排除する放熱状態に放熱器２５を至らしめることができる。

上記従来の技術は、他の要件を考慮しておらず、重大な制約を有している。例えば、誘導の際の誤りや故障によって、通常の方向から外れた状態から人工衛星の制御を回復させる際、主通信アンテナ１４のローブがとても狭いためにこれを通じて通信することができない。従って、通常、無指向性アンテナ２６（つまり、少なくとも２πステラジアンの視野を有する）が−Ｚ軸方向（通常、地球とは反対の方向）に向けて配され、また、しばしば＋Ｚ方向にも無指向性アンテナ２６が配されている。＋Ｚ方向にも配する場合には、各無指向性アンテナはそれぞれ空間の半分の領域をカバーして、人工衛星の向きに拘わらず、地球と人工衛星との通信を維持可能としている。

しかしながら、上述のような通信を行うためには、無指向性アンテナの視野を遮らないようにしなければならず、さもなければ、アンテナに不感な領域を生じて人工衛星との通信を不能にしかねない。
国際公開第ＷＯ９９／１９２１２号パンフレット

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、主通信アンテナの視野を覆うことや、推力発生ノズルのプルームを妨げ、或いは、宇宙機の裏側面に配された無指向性アンテナの視野を遮ることを同時に抑えることができる展開型放熱器を有する宇宙機を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る宇宙機は、本体と、該本体に対して所定の方向を有する少なくとも一つの主通信アンテナと、該主アンテナと反対方向の視野を有する少なくとも一つの無指向性アンテナと、前記本体と結合された軸回りに移動することによって、前記本体に格納された格納位置と展開位置との間で展開可能とされた少なくとも一つの発熱器とを備えてなる宇宙機において、前記展開軸が前記無指向性アンテナの前記視野の軸線方向と平行であり、かつ前記主アンテナが配された面と平行である、前記本体の面のうち一つの面内に実質的に位置しており、前記展開軸が、前記放熱器が太陽電池パネルが配された表面に対して当接される前記格納位置から、前記放熱器の格納時に該放熱器を保持する面の実質的に延長面内で、略１８０度の角度にわたって展開できるように配されていることを特徴とする。

本発明に係る宇宙機は、人工衛星を備え、該人工衛星が、前記本体の東側面或いは西側面に配された少なくとも一つの主通信アンテナと、地球と反対方向の面に配された少なくとも一つの無指向性アンテナと、前記人工衛星の本体と結合された軸回りに移動することによって、前記本体の北側面又は南側面に対して保持された格納位置と展開位置との間で展開可能とされた少なくとも一つの発熱器とを備え、前記軸が、前記放熱器の格納時に該放熱器を保持する北側面又は南側面の平面内に実質的に位置し、かつ、前記放熱器が、前記格納位置から前記本体の東側又は西側に向かって展開する前記主アンテナの後方位置まで略１８０度の角度にわたって展開できるようにされていることを特徴とする。

実際には、放熱器の傾斜角は１４０度から１８０度とされるが、放熱器又は各放熱器を格納する面の平面部分に対して展開する方向、言い換えれば、展開時にＹ方向と直交する方向とすることが有利なものとされている。

一般的に、北側及び南側の各面には、少なくとも一つ以上、通常は２つの放熱器が支持されている。

放熱器の反転軸がそれぞれＺ方向と平行とされる場合には、（交互に折り重ねられた２つの部材からなる放熱器を除く）格納可能な放熱器の最大長さは、Ｘ方向（東西方向）の人工衛星の幅に制限される。この幅は、通常、Ｚ方向の長さよりも短いものとされている。展開軸がＺ方向に対して略４５度に傾斜しているので、太陽電池パドルの所定の方向に放熱器が展開しない限り、放熱器の全長をＺ方向における人工衛星の長さと略等しくすることができる。

上述の記載は、他と同様に、これに限定されるものではないが本発明に係る実施形態の以下の記載によってより明確になるであろう。

人工衛星の機能構成を図２に示す。なお、図１と同様の構成要素には同一符号を付している。この人工衛星は、４つの放熱器２５と、さらに従来同様の固定放熱面２４とを備えている。これら４つの放熱器のうちの２つは、北側面に対して当接される格納位置から北側面に直交する方向とされる展開位置まで、主通信アンテナ反射器１４のローブを妨げないようにこれらの後方で、Ｚ方向軸線３０に対して軸対称に移動するよう構成されている。これら放熱器の幅Ｗは、主通信アンテナ反射器１４の後方の何もない領域の幅に限定される。放熱器の長さＬは、Ｘ方向の本体の長さに制約される。展開機構は従来の技術で可能であって、例えば、地上からの命令に反応する火工手段によって保持を解除して端部ストッパによって規定される停止位置まで放熱器を移動させる、例えば、一つ又は複数のバネを備えていてもよい。

放熱器２５の第２のペアは、展開時に実質的に本体の南側面の延長面内で展開する位置まで移動するように構成されている。

展開した状態の放熱器は、主アンテナのローブを妨げないことがわかる。しかも、これらの放熱器は、例えこれら放熱器が展開された状態にあったとしても、人工衛星が既に所定の軌道上にあるときに作動するよう構成されたノズル（すなわち推力発生装置）１６のプルーム中には位置しないものとされている。そして、図４に示すように、固定角度が２πステラジアンを越えたとしても無指向性アンテナ２６のローブΦ内を貫通しないようにされている。

放熱器を（鎖線にてその位置を示す。）衛星本体の外側に突出しないように配するために、放熱器の長さＬがＸ方向における本体の幅を越えないようにしなければならない。この制約は、Ｘ、Ｚのなす角の二等分線、又は、−Ｘ、Ｚのなす角の二等分線の何れか適切な方に揃えることによって緩めることができる。この場合、長さＬは、本体のＺ方向長さのみに制約される。これに対し、各放熱器の幅は太陽電池パネルを支持する軸の存在によって制限される。さらに留意すべき点は、通信衛星の本体が、しばしば地球と反対方向の側に配されるサービスモジュール又は「バス（bus）」４２と、地球側に配されるペイロードモジュール４４とに分けられることである。ヒンジの支持部分を適切な大きさとすることによって、図５及び図６に示す状態が遷移軌道上におけるすべての想定されるサービスモジュールの故障を削減することができる。

従来の代表的な人工衛星の機能構成を説明する斜視図である。 本発明に係る人工衛星の発熱器における可能な形態の機能構成を示す斜視図である。 本発明に係る人工衛星の発熱器における可能な形態の機能構成を示す斜視図である。 本発明に係る人工衛星における他の形態を北側或いは南側の面から示す平面図である。 本発明に係る傾斜した反転軸における放熱器の展開位置を南北方向から見た平面図である。 図５における放熱器の一部拡大図である。

符号の説明

１０ 本体
１４ 主通信アンテナ
２５ 放熱器
２６ 無指向性アンテナ
３０ 反転軸

Claims (8)

1. 本体（１０）と、
   該本体（１０）に対して所定の方向を有する少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）と、
   少なくとも１つの放熱器（２５）であって、前記放熱器（２５）が前記本体（１０）に対して保持される格納位置と、展開軸（３０）が前記宇宙機の前記本体（１０）に結合され、且つ太陽電池パネル（１２）を配する前記本体の第１の面（２４）の平面内に実質的に位置付けられる展開位置との間で、それぞれの展開軸（３０）に関して展開することによって展開可能である前記少なくとも１つの放熱器（２５）と、
   を有している宇宙機であって、
   前記展開軸（３０）は、前記放熱器（２５）が、前記太陽電池パネル（１２）を配された前記第１の面（２４）に対して当接される前記格納位置から、前記放熱器（２５）が、前記放熱器の格納時に前記放熱器（２５）が保持される面に対して、前記第１の面（２４）の平面内に実質的に延在する前記展開位置まで、略１８０度の角度にわたって展開するように方向付けされる宇宙機において、
   前記宇宙機は、前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）の視野に対して反対側の視野を有している少なくとも１つの無指向性アンテナ（２６）をさらに有し、
   前記展開位置における前記放熱器（２５）は、前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）の視野の側に対して反対である前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）の側に、前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）を配する、又は前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）を配する前記本体（１０）の面に平行である、前記本体（１０）の第２の面に対して前記本体（１０）の外側に突出していることを特徴とする宇宙機。
2. 請求項１に記載の宇宙機であって、
   人工衛星を備え、
   前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）が前記本体（１０）の東側面又は西側面上に配され、前記少なくとも１つの主通信アンテナの視野が地球に向けられ、
   前記格納位置で、前記放熱器（２５）が前記本体（１０）の北側面又は南側面に対して保持され、
   前記展開軸（３０）が、前記人工衛星の前記本体（１０）に結合され、前記放熱器（２５）が格納時に保持された前記北側面又は南側面の平面内に実質的に位置し、
   前記展開軸（３０）が、前記格納位置から前記放熱器（２５）が前記本体（１０）から東又は西に向けて展開する前記展開された位置まで略１８０度の角度にわたって前記放熱器（２５）が展開するように方向付けられることを特徴とする宇宙機。
3. 請求項１又は２に記載の宇宙機であって、
   前記放熱器（２５）の傾斜角が１４０度から１８０度とされていることを特徴とする宇宙機。
4. 請求項２に記載の宇宙機であって、
   前記北側面及び前記南側面の各面に、少なくとも１つの放熱器（２５）が配されていることを特徴とする宇宙機。
5. 請求項２又は４に記載の宇宙機であって、
   前記展開軸（３０）は、地球の方向に対して略４５度に傾斜するように配され、
   前記放熱器が地球の方向に対する人工衛星の長さと略等しい全長を有していることを特徴とする宇宙機。
6. 請求項１又は３に記載の宇宙機であって、
   前記展開軸（３０）は、前記展開軸（３０）が位置付けられる前記本体（１０）の前記第１の面（２４）の平面内に前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）を配する前記本体（１０）の前記第２の面に略平行に方向付けられることを特徴とする宇宙機。
7. 請求項１又は３に記載の宇宙機であって、
   前記展開軸（３０）は、前記少なくとも１つの主通信アンテナ（１４）を配する、前記本体（１０）の前記第２の面の方向に対して略４５度に傾斜され、前記展開軸（３０）が、前記本体（１０）の前記第１の面（２４）の前記平面内で位置付けられることを特徴とする宇宙機。
8. 請求項４に記載の宇宙機であって、
   前記北側面及び前記南側面の各面に、２つの放熱器（２５）が配されており、
   展開された位置で前記本体（１０）から東側に向けて一の放熱器を展開し、西川に向けて他の放熱器を展開することを特徴とする宇宙機。

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