JP4877809B2 - 展開型アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、人工衛星や宇宙航行体等の宇宙機器に搭載される展開型アンテナに関するものである。

宇宙機器に搭載されるアンテナ反射鏡は、衛星通信や天体観測等の宇宙利用の拡大に伴い、より大型な物が要求されている。しかし、打ち上げ時のランチャの収納スペースに限りがあるため、アンテナ反射鏡を小さく畳んだ状態で、直径２ｍ〜４ｍ程度のロケットフェアリング内に収納し、打ち上げ後軌道上でアンテナが展開される。

このようなアンテナ反射鏡の一例として、従来、展開状態で三角形を一つの要素とする多面体構造を形成する折り畳み可能なメッシュ鏡面に、張力を付与して展開状態とする展開型反射鏡が知られている。この展開型アンテナ反射鏡では、内側サーフェスケーブルに剛性が高いケーブルを使用し、外周サーフェスケーブルに剛性が低いケーブルを用いている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−８７０５７８号公報

また、鏡面側ケーブルと背面ケーブルをタイケーブルで接続してネットワークケーブルを構成し、アンテナ鏡面を構成する鏡面メッシュを鏡面側ケーブルにより保持し、からみ防止膜を背面ケーブルにより保持することによって、２つの膜面に挟まれる閉鎖空間を形成することで、ケーブルの絡みを防止する展開型アンテナ反射鏡が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１４２９２４号公報

衛星の打ち上げ後、軌道上でアンテナが展開する際、展開機構の故障はアンテナの展開動作を妨げる。例えば、展開型アンテナは、展開リブとネットワークケーブル、および鏡面メッシュから構成されており、鏡面メッシュやネットワークケーブルと展開リブとが絡むことによって、アンテナの展開動作が停止する。特許文献２では、２つの膜面に挟まれる閉鎖空間を形成して、ネットワークケーブルのノードや展開リブのヒンジ部等の硬いものが、ケーブルに絡まないように構成し、アンテナの展開信頼性を向上させることができる。

しかし、背面ケーブルも正確なネットワークを形成しなくてはならないため、展開リブとの接触によってケーブルの形状が崩れないようにする必要がある。このため、展開リブから下方に所定の距離以上離れた位置に、背面ケーブルを配置せざるを得なかった。この際、鏡面側ケーブルと背面ケーブルとの距離が大きくなり過ぎないよう、背面ケーブル全体を湾曲量の小さい平面に近い形状とする必要があり、これによってケーブルに与える張力が増大してしまう。かくして、ケーブルに張力を付与する展開機構も大型化し、電力の増大、モーターの大型化のため、アンテナ全体の重量が増加するという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、高い信頼性で展開可能な展開型アンテナ反射鏡を得ることを目的とする。

この発明による展開型アンテナ反射鏡は、アンテナの電波反射面を構成する金属メッシュと、上記金属メッシュの形状を保持する形状保持ケーブル、背面ケーブル及び形状保持ケーブルと背面ケーブルを接続するタイケーブルを有して成るネットワークケーブルと、複数の展開リブおよび展開リブを展開させる展開ヒンジから構成され、上記金属メッシュと上記ネットワークケーブルを折り畳んだ状態から展開し、展開後は上記金属メッシュとネットワークケーブルを保持するための複数の展開マストと、上記展開マスト間を接続するテンドンケーブルとを備え、上記展開リブとネットワークケーブルは、相互に接続されずに分離して配置され、展開マストの展開時に、それぞれ独立に展開し、上記ネットワークケーブルは、複数の部分ネットワークケーブルに分割して配置され、上記展開マストは、各部分ネットワークケーブル間に設けられた間隙に配置されたものである。

また、上記展開マストは隣接する展開リブが交互に折り重なるように収納され、
上記それぞれの展開リブは矩形リング状に結合された骨組み部材から構成されるとともに、上記展開マストの根元から先端までの間を連結する展開リブ毎に、上記矩形リング状の骨組み部材における対角線に配置された頂点２箇所を、交互に連続して結ぶロープと、上記ロープを巻取ることにより上記展開リブを展開させる巻取装置とを備えても良い。

この発明によれば、ネットワークケーブルと展開リブを分離することにより、展開時に鏡面メッシュ、ネットワークケーブルおよび展開リブの絡みを防止することができる。

更に、ケーブルを支える背面ケーブルを大きく湾曲させ円弧上にできるので、背面ケーブルの張力を弱くすることができる。このため、展開リブを押し出す伸展機構の軽量化を図ることができる。

実施の形態１．
この発明に係る展開型アンテナは、展開リブとケーブルとが絡まないように、展開マストとケーブルを分離するとともに、背面ケーブルを展開リブの下端よりも押し上げた構成としている。これにより、背面ケーブルが展開リブを避けて大きく湾曲できるように構成したことを特徴とする。

以下、図を用いて、この発明に係る実施の形態１について説明する。
図１はこの発明に係わる実施の形態１による、展開型アンテナ反射鏡の一実施例を示す図である。図１（ａ）は展開リブ１本分の側面図を示し、図１（ｂ）は上面図を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示している。図１（ｃ）では、鏡面メッシュを取り外し、ネットワークケーブルと展開リブのみの配置関係を示している。この展開型アンテナ反射鏡は収納状態でランチャに搭載され、軌道上に打ち上げられてから大口径に展開される。図１では、展開後の状態のみが示されている。

図において、展開型アンテナ反射鏡は、矩形状の展開リブ１と、反射鏡面側に配置される形状保持ケーブル２と、反射鏡面とは反対側に配置される背面ケーブル３と、タイケーブル４と、展開ヒンジ５と、鏡面メッシュ７と、テンドンケーブル８と、ケーブル支持部（エンドフレーム）１０を備えて構成される。展開リブ１は、棒状部材を四角形状に組んだ上で、更に四角形状の対角線を接続する棒状部材を設けることにより、トラス構造を構成している。展開リブ１は展開ヒンジ５によって互いに回転可能に連結される。複数の展開リブ１は展開ヒンジ５により連結され、展開マスト２０を構成する。展開型アンテナ反射鏡は、展開マスト２０の根元の展開リブ１を介在して人工衛星の衛星本体（センターハブ）６に取り付けられる。

また、展開マスト２０の先端の展開リブ１にはケーブル支持部１０が取り付けられる。展開マスト２０は、衛星本体６を中心として放射状に６本〜８本配置される。ケーブル支持部１０には形状保持ケーブル２および背面ケーブル３の一端部が接続される。また、衛星本体６には形状保持ケーブル２および背面ケーブル３の他端部が接続される。

形状保持ケーブル２と背面ケーブル３は、両者の間が離散的に複数のタイケーブル４によって接続され、ノード点で結束される。各タイケーブル４は所定の間隔を空けて概ね平行を成すように配列される。形状保持ケーブル２と背面ケーブル３とタイケーブル４は、メッシュ状に結束されてケーブルネットワークを構成する。形状保持ケーブル２には、鏡面メッシュ７のノード点が離散的に結束される。形状保持ケーブル２は鏡面メッシュ７の鏡面形状を保持するように、鏡面メッシュ７で形成される鏡面形状に沿って適宜結束され、背面ケーブル３とこれを接続するタイケーブル４とに、それぞれ適切な張力を加えることで、湾曲した形状が維持されている。背面ケーブル３は、形状保持ケーブル２とは逆向きに湾曲した形状を成し、展開マスト２０の中央部周辺で背面ケーブル３と形状保持ケーブル２とが接近する。

この際、展開マスト２０の中央部周辺では、背面ケーブル３の下端部の方が、展開リブ１の下端部よりも上方の鏡面メッシュ７側に位置するように、ケーブルが保持される。特に、図１の例では、背面ケーブル３の下端部が展開リブ１の下端部よりも上方に位置している。このように、タイケーブル４によって、形状保持ケーブル２と背面ケーブル３を接続して張力を加えているので、タイケーブル４は張力が付与される鉛直方向に引っ張ることができる。また、テンドンケーブル８は、衛星本体６を中心としてその周囲を取り囲むように六角形状に展開マスト間を接続している。なお、展開マストが８本である場合は、テンドンケーブル８は、衛星本体６を中心としてその周囲を取り囲むように八角形状に展開マスト間を接続する。

展開前の展開型アンテナ反射鏡は、ケーブル２と鏡面メッシュ７と展開リブ１とが、小さく折り畳まれて収納される。すなわち、ケーブル２および鏡面メッシュ７は、狭い空間に凝縮されて配置される。衛星の打ち上げ後、この凝縮された状態から軌道上に投入されると、図示しない保持解放部が展開リブ１の保持を解放する。

この際、図示しない伸展機構を用いて、隣接する展開リブ１が互いに１８０度の相対角度になるまで開くことによって、ケーブル間に所定の張力を付与する。伸展機構としては、例えば展開マスト１２の根元に、モータの回転によって展開リブ１を順次直進させるボールねじを取り付けた機構を用いると良い。ボールねじの回転に応じて、先端の展開リブ１から順次、展開リブ１を展開マストの先端方向に送り出す（押し出す）。これにより、展開型アンテナ反射鏡は、恰も屏風を端から開くが如く、展開リブ１が軌道上にて除々に展開する。

しかし、展開途中で、形状保持ケーブル２と鏡面メッシュ７が展開リブ１に接触し、この接触部が展開リブ１に引っかかると、ケーブルに絡みが生じて展開できなくなる。
そこで、この実施の形態１では、図１（ｃ）の断面図に示すように、展開リブ１とネットワークケーブルを分離した構成とすることで、展開リブ１とネットワークケーブルとが相互に絡まないうようにすることができる。

また、図１（ｂ）の上面図に示すように、三角形状のブロック単位で部分的にネットワークケーブル２０を構成し、この部分的なケーブルネットワーク２０を僅かな間隙を有して円形状に配列して、部分的なケーブルネットワーク２０間を接続ケーブル１３によって接続する。これによって、部分的なネットワークケーブル２０を相互分離し、隣接する部分的なネットワークケーブル２０の間隙に展開マスト１２を配置することで、ネットワークケーブルと展開マスト１２とが相互に絡まないうようにすることができる。図１（ｂ）の例では６つの部分的なケーブルネットワーク２０を構成している。

さらに、ネットワークケーブルを展開リブから分離して収納できる構成としているため、展開リブとネットワークケーブルを一緒に収納する場合に比べ、折り曲げ収納方法は、それぞれ独立に決めることができる。

図２は実施の形態１の比較例として説明するものであり、図２（ａ）はその側面図を示し、図２（ｂ）は展開リブ１とネットワークケーブルを分離せずに、三角柱状展開リブを包むようにネーブルネットワークを配置した例を示すものである。

図２（ｂ）の例では、展開マストを、三角柱状展開リブで構成することによって、展開マストの強度を増強することができる。しかし、この場合は、ネットワークケーブル内に三角柱状展開リブが入っているため、収納時において、完全に分離することが難しくなる。このため、展開時において、ネットワークケーブル、鏡面メッシュと展開リブが絡まる可能性がある。

一方、図２（ｃ）のように、三角柱状展開リブとネーブルネットワークを分離する例も考えられる。しかし、三角柱状展開リブを避けるようにタイケーブルを傾斜配置する必要があるため、傾斜配置されたタイケーブルにおいては、張力を維持することが難しくなる。また、三角柱状展開リブの三角形状断面における底面側に位置した、背面ケーブルの開きが大きくなるため、展開アンテナの面内の張力も維持することができなくなり、鏡面精度が劣化することになる。

しかし、この実施の形態による展開型アンテナは、ネットワークケーブルを展開リブから分離しているので、このようなケーブル、鏡面メッシュと展開リブの絡みを抑えることができる。

以上説明した通り、この実施の形態１による展開型アンテナは、アンテナの電波反射面を構成する金属メッシュ７と、金属メッシュ７の形状を保持する形状保持ケーブル２、背面ケーブル３及び両者を接続するタイケーブル４を有して成るネットワークケーブルと、複数の展開リブ１および展開ヒンジ５から構成され、金属メッシュ７とネットワークケーブルを折り畳んだ状態から展開し、展開後は金属メッシュ７とネットワークケーブルを保持するための複数の展開マスト１２と、展開マスト間を接続するテンドンケーブル８とを備える。展開リブ１とネットワークケーブルは相互に接続されずに分離して配置され、展開マスト１２の展開時にそれぞれ独立に展開する。また、背面ケーブル３の一部が、展開リブ１の下端よりも上方の形状保持ケーブル２側に配置されるように、背面ケーブル２を形状保持ケーブル２とは逆向きに湾曲させる。また、ネットワークケーブルは複数の部分的なネットワークケーブル２０に分割して配置され、展開マストは各部分的なネットワークケーブル間に設けられた間隙に配置される。また、展開マスト１２は、隣接する展開リブ１が交互に折り重なるように収納される。

このように構成することにより、展開時に鏡面メッシュ７、ネットワークケーブルおよび展開リブ１の絡みを防止することができる。

更に、ケーブルを支える背面ケーブル２を大きく湾曲させ円弧上にできるので、背面ケーブル２の張力を弱くすることができる。このため、展開リブ１を押し出す伸展機構の軽量化を図ることができる。

実施の形態２．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態２について説明する。
図３はこの発明の実施の形態２に係わる展開型アンテナ反射鏡の一実施例を示す図である。図３は、展開マスト１２の展開途中の様子を示している。図において、展開マスト１２は折畳み型展開リブ３０によって構成される。その他の構成は実施の形態１と同様である。折畳み型展開リブ３０はばね性を有する棒状部材によって構成する。

これによって、折り畳んだ状態から折畳み型展開リブ３０の拘束を解き放つことにより、折畳み型展開リブ３０が瞬時に開く。すなわち、折畳み型展開リブ３０が、恰も玩具のびっくり箱の如く展開する。

この実施の形態では、展開リブを折畳み型展開リブ３０によって構成し、実施の形態１と同様、ネットワークケーブルを展開リブから分離した構成としている。このため、展開リブとネットワークケーブルを一緒に収納する場合に比べ、折り曲げ収納方法は、それぞれ独立に決めることができる。

また、展開リブをばね性の棒状部材を折曲げた構造にて収納し、展開させることで、実施の形態１に比べ、展開ヒンジが大幅に少なくなり、軽量化を図ることができ、信頼性が向上する。更に、軽量化に伴い展開に要する伸展機構も小形軽量化を図ることができる。

実施の形態３．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態３について説明する。
図４は、この発明に係わる実施の形態３による展開型アンテナ反射鏡の一実施例を示す図であり、展開途中の様子を示している。図において、展開用ロープ４１は展開リブ４０の対角線上の２箇所に接続され、ロープ巻取り装置４２によって巻き取られる。

実施の形態１では、伸展機構を用いてアンテナを展開するが、本実施の形態では、ロープ４１を用いて展開リブ４０を展開させる。展開リブ４０は、上側と下側の水平方向の骨組み部材を垂直方向の骨組み部材で結合し、各骨組み部材を矩形リング状に結合して構成される。この矩形リング状の骨組み部材における、対角線に配置された頂点２箇所には、ロープ４１が摺動可能に接続されている。この際、垂直方向の骨組み部材に対し、ロープ４１が線対称となるように、上下が互い違いにジグザグ状にロープ４１が張巡らされている。すなわちロープ４１は、展開マストの根元から先端までの間を連結する展開リブ４０毎に、矩形リング状の骨組み部材における対角線上の頂点２箇所が、交互に連続して接続されるように結ばれている。

ロープ４１をロープ巻取り装置４２で巻き取ることにより、展開リブ４０がロープ４１の張力に引かれて展開する。すなわち、対角線上に設けられたロープ４１をロープ巻取り装置４２にて引っ張ると、垂直方向の骨組み部材の両側にロープ４１が引っ張られ、その引っ張り力に応じて展開リブ４０が伸展する。ロープ４１は軽量に構成できると共に、ロープ巻取り装置４２も、簡単なモーターを設けることによって構成できる。このように構成することで、展開型アンテナ全体の軽量化を図ることができる。

なお、展開ヒンジ５として、展開リブ１を回転自在に軸支する回転軸に、展開トルクを与える巻きばねを備えても良い。これによって、展開リブ４０において例えば３０°程度の初動回転角度を与えることができるので、ロープ４１を引く際に、確実に展開リブ４０を開くことが可能となる。

この発明の実施の形態１による展開型アンテナの構成を説明するための図である。 実施の形態１による展開型アンテナの比較例を説明するための図である。 この発明の実施の形態２による展開型アンテナの構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態３による展開型アンテナの構成を説明するための図である。

符号の説明

１ 展開リブ、２ 形状保持ケーブル、３ 背面ケーブル、４ タイケーブル、５ 展開ヒンジ、６ 衛星本体（センターハブ）、７ 鏡面メッシュ、８ テンドンケーブル、９ 三角柱状展開リブ、１０ ケーブル支持部、１２ 展開マスト、２０ 部分的なネットワークケーブル、３０ 折曲げ展開リブ、４１ 展開ロープ、４２ ロープ巻取り装置。

Claims (4)

1. アンテナの電波反射面を構成する金属メッシュと、
   上記金属メッシュの形状を保持する形状保持ケーブル、背面ケーブル及び形状保持ケーブルと背面ケーブルを接続するタイケーブルを有して成るネットワークケーブルと、
   複数の展開リブおよび展開リブを展開させる展開ヒンジから構成され、上記金属メッシュと上記ネットワークケーブルを折り畳んだ状態から展開し、展開後は上記金属メッシュとネットワークケーブルを保持するための複数の展開マストと、
   上記展開マスト間を接続するテンドンケーブルと、
   を備え、
   上記展開リブとネットワークケーブルは、相互に接続されずに分離して配置され、展開マストの展開時に、それぞれ独立に展開し、
   上記ネットワークケーブルは、複数の部分ネットワークケーブルに分割して配置され、上記展開マストは、各部分ネットワークケーブル間に設けられた間隙に配置された
   ことを特徴とする展開型アンテナ。
2. 上記それぞれの展開リブは矩形リング状に結合された骨組み部材から構成され、
   更に、上記展開マストの根元から先端までの間を連結する展開リブ毎に、上記矩形リング状の骨組み部材における対角線に配置された頂点２箇所を、交互に連続して結ぶロープと、
   上記ロープを巻取ることにより上記展開リブを展開させるロープ巻取装置と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の展開型アンテナ。
3. 上記背面ケーブルの一部が、展開リブの下端よりも上方の形状保持ケーブル側に配置されるように、上記背面ケーブルを形状保持ケーブルとは逆向きに湾曲させた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の展開型アンテナ。
4. 上記展開マストは、隣接する展開リブが交互に折り重なるように収納される
   ことを特徴とする請求項１記載の展開型アンテナ。

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