JP5300487B2 - 宇宙飛行用の膨張可能な球体集積ソース - Google Patents

Description

本発明は機器及びセンサ較正のための空間的に均等な放射計較正ソースに関し、特に光学的球体集積ソースに関する。

宇宙ベースの遠隔感知は地球温暖化および気候の変化の研究、惑星上または惑星周辺の状態、自然衛星、小惑星、彗星、関係する他の天文学的オブジェクトを含めた関係する科学の種々のトピックを研究するために使用される受け入れられた手段である。放射計の較正は宇宙ベースの放射計を介して集められたデータの有効性を最大にする。

可視スペクトルで動作する多くの宇宙ベースのセンサは放射計較正の主な搭載ソースとして太陽放射を使用する拡散プレートを使用する。しかしながらこれは太陽に対する明白な視線がないこと、迷光、または他の理由のために常に可能ではない。局部的な太陽放射は太陽からの距離の関数であり、その距離は常に変化しているので、惑星間軌道上の宇宙船は標準的な技術を使用することもできない。さらに、較正目的のための太陽光に対して必要とされるアクセスは宇宙船構造、他のペイロード、アンテナまたは固定された姿勢の制約のために有効ではない可能性がある。迅速に変化する入射角度は放射計較正のソースとして太陽の使用を非常に複雑にする可能性がある。

赤外線（ＩＲ）スペクトルで動作する宇宙ベースのセンサは通常較正された放射を生成する機上の黒体シミュレータを使用する。機上の黒体により発生されたスペクトル放射は黒体の温度の関数である。より高いまたは低い放射が必要とされるならば、黒体の温度は上昇されるか低下される。この温度変化は放出される放射のスペクトル形状または色温度も変化させ、このことはスペクトルの急峻な勾配の領域に通過帯域を有するセンサには望ましくない。

集積球体は放出される放射の色温度を変更せずに異なる放射レベルの発生を可能にする。宇宙で使用される装置で使用される集積球体の１例はFranklin等による米国特許第5,302,823号明細書に記載されている。集積球体に関連する他の参考文献にはSnail等による米国特許第6,927,850号明細書と、James H. Walker等の文献（題名“Spectral Radiance of a Large-Area Integrating Source”、Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology、100巻、No.1、1995年１−２月、37−41頁）が含まれている。Walkerの文献はより大きい寸法にされた集積球体がより高い正確度の放射計測定を行うことを開示している。

制約された環境中で集積球体による較正測定を行うことについての問題は集積球体により占有される容量である。

本発明の第１の特徴では、光学的球体集積ソースは球形状を提供するように膨張し、膨張されるときに開放された内部を有する構造を含み、反射表面と、膨張可能な構造の内部を照射するための可視または赤外線放射源を特徴とする。

本発明の第２の特徴では、宇宙船の光学的遠隔センサを較正するためのシステムは、センサと、較正ウィンドウと、気体で充満されるとき膨張し気体で充満されるときその内部が較正ウィンドウを通して観察可能であるように配置されている膨張可能な気体の不浸透性の集積球体と、集積球体を膨張する気体源とを含んでいる。

本発明の第３の特徴では、光学的集積球体を配備する方法は膨張可能及び膨張可能ではない光学的集積球体をビークルの較正ウィンドウを覆ってビークルに固定し、意図するビークルの目的地に到達するとき流体により光学的集積球体を膨張させるステップを含んでいる。光学的集積球体の内部圧力は調節装置と流体供給により維持されることができる。

本発明は添付図面を伴った以下の詳細な説明からさらに良好に理解されるであろう。
本発明は宇宙カプセルまたは地球周囲または惑星間軌道上の衛星のようなビークルのための集積球体を提供する空間節約方法及び装置に関する。集積球体は衛星本体、プローブ本体、宇宙カプセル本体、計器パッケージ等のようなビークルに固定されるかビークル内部に存在することができる。宇宙船の環境では、集積球体は宇宙に対して直接露出されてもよく、加圧されたカプセル内に収納されていてもよい。本発明は地球外環境に限定されず、種々の空中、表面、水中、地下の計器に使用されることもできる。較正計器用の集積球体はその内部内の放射されたエネルギの測定を可能にするように膨張する膨張可能な構造と、膨張流体（気体または液体或いは気体または液体状態へ変換する材料）が膨張可能な構造を充填することを許容し、それによって膨張可能な構造を膨張する膨張可能な構造中の開孔と、膨張可能な構造の内部を放射するための電磁放射源とを有する。集積球体は好ましくは伸張可能なまたは風船のような材料から作られ、または自動車のエアバッグのような折り畳まれる固定された表面区域の材料であってもよい。膨張可能な集積球体の使用によって、宇宙空間ベースの機器は計器の利用可能な容積及び重量の制約のために主として従来は宇宙船の機器には利用可能ではなかった確立された研究所技術を使用することができる。膨張可能な集積球体はさらに衛星または宇宙カプセルが宇宙空間にある時に生じる問題を診断する地上人員を補助することができる。好ましい発射構造は発射に関連する容積の制限に適合するために減圧され、折り畳まれ、固定される球体を有している。軌道に出ると、圧縮された気体シリンダ（または他の流体ソース）に蓄えられた不活性気体のような流体は球体を少なくともほぼ球体に維持するのに十分な高さの圧力まで球体を膨張させる。内部は加圧気体からのガスの脱出を防止するために良好に密封される。集積球体は内部の被覆に損傷を与える可能性のある電磁エネルギ周波数に対して不透明であることが好ましい。内部被覆は可視及び赤外線応用で異なってもよく、重合体または金属被覆合成材料から形成されることができる。内部被覆は拡散性の高反射性材料を提供し、平滑または非平滑な、例えば縮じれている表面を有することができる。

例示的な実施形態では、本発明はセンサを較正するためビークル上の標準的な光学ウィンドウを使用する。集積球体の膨張可能な構造は例えば保管状態と配備状態との間で１０倍を超える容量の減少を許容するために折り畳み可能で、押し潰し可能、またはその他の方法で小さく梱包可能であり、寸法において非常にスケール可能（例えばセンチメートルからメートル）である。集積球体は白熱灯、発光ダイオード、赤外線ソース、レーザ光源のような種々のブロードバンドと狭バンドの照射源を受け入れ、ランプの安定性のために較正されたトラップ検出器を使用することができる。

図１は宇宙船衛星のようなビークル102に取付けられた拡張されたまたは膨張された集積球体134の配備された例示的な構造を示している。センサ108はコンテナ110の閉端部に位置されている。光はコンテナ110の開端部を通過することができる。レンズのような光学素子106は所望の方法で入来光の焦点を結ばせおよび／またはそれを誘導するために使用されることができる。コンテナ110はビークル102（例えば衛星または宇宙カプセル）内またはその上に収容され、少なくとも２つの位置、即ち１）通常の観察位置を通しての外部観察を行うための位置、または２）較正ウィンドウ120を通しての光較正を行うための位置へ回転されることができる（動作の矢印112を参照）。較正ウィンドウ120は好ましくはセンサ108により感知される電磁エネルギの周波数のための非常に光学的に透明な材料から作られた薄いウィンドウである。集積球体134は気密性の密封部132を通して較正ウィンドウ120に対してまたはその周囲に取付けられる。１実施形態では加圧気体の貯蔵器114は特定された気体圧力範囲を維持するために適切な気体または気体混合物を調節装置116を介して集積された球体120へ提供する。調節装置116は好ましくはガス抜きにより生じる気体温度変化と気体圧力変化の増加と減少の両者に適合するように気体を球体134から除去またはそこへ供給するように機能する。集積球体134内に含まれる電磁エネルギの少なくとも１つのソース128を付勢するためのフレキシブルな電力ケーブル130もビークル102を通して集積球体134へ供給される。ビークル102の１以上のプロセッサ（図示せず）は電磁エネルギ源の制御論理装置を駆動し、集積球体134中の気体圧力を測定し調節する。

膨張される集積球体134は較正のために電磁エネルギ源128の適切な環境を提供する。好ましくは、集積球体134の表面積とセンサ108の開孔面積の比は最大である。集積球体134は好ましくは十分な絶縁を行うために少なくとも二重壁にされている。

集積球体134は低い内部気体圧力下でさらに球体形状を長く維持するように配備のときに剛性にされることができる。集積球体134は集積球体134の外皮内またはその表面上で硬化する注入された液体のような適切な硬化材料で硬化されることができる。１実施形態では硬化可能な接着重合体は最も内部及び最外部層126、124を結合させ、堅牢な剛性構造を提供する助けをするために展開時に集積球体134の層124、126間に注入されることができる。

図２は梱包され、折り畳まれ、収縮され、または押し潰された集積球体134を有するビークル102の１実施形態を示している。この実施形態では観察ウィンドウは較正ウィンドウ（図示せず）に対して直交ではなく対向している。集積球体134は制約が発射期間ほど限定的ではない宇宙で（膨張または加圧されて）配備される。発射後目的地に到達したとき集積球体134は気体で膨張される。膨張気体の選択は光学的応用にしたがい、気体が関係するスペクトル範囲の放射を吸収するか否かに関しての考察を含むことができる。集積球体134を膨張させる加圧気体は好ましくは関係するスペクトル範囲において非常に低い吸収性であり、不活性で非反応性であり、容易に密封するために大きい気体分子を有する。アルゴン、ネオン、クリプトンは使用されることのできる気体の例である。気体は気体の供給が尽きない限り、特定された気体圧力範囲内に気体圧力を維持するために集積球体134に対して調節される。少なくとも１つのスペクトル的に適切な成分気体が集積球体134の内部を被覆するために使用され、それ自体の固有の球形を維持する集積球体の能力を助けることができる気体の混合物が使用されることができることが考慮される。球形を維持するために必要な気体圧力は壁に対して選択された材料の特性と、集積球体134が配備される環境に依存している。宇宙船またはほぼ真空状態では、比較的小さい流体圧力（平方インチ当り（ｐｓｉ）当り２≦ポンド）が集積球体を球体に維持する。Ｍｙｌａｒ（商標名）標準ゴム、ラテックスのような種々の材料が集積球体134に使用されることができる。Ｍｙｌａｒ（商標名）は伸張しないので、宇宙外で見られることができるように、平方インチ当り１ポンドに満たない圧力が真空またはほぼ真空の環境で十分に膨張された集積球体を与える。標準的なゴムまたはラテックス材料が使用されるならば、集積球体を膨張するために予測される圧力範囲は約１−２ｐｓｉである。

図８は集積球体134をビークル102に取付ける１実施形態を示している。好ましくは一度のみの展開可能な扉（図示せず）が集積球体134を配備する時間まで折り畳まれ収縮された集積球体134を保護するために使用される。集積球体をビークルに固定することは好ましくは較正ウィンドウ120の外部エッジ周辺またはその近くに接着剤を与え、開孔の集積球体の内部の材料が接着剤に適合するように接着剤上に集積球体134の開孔を適合させることにより実現される。集積球体134の内部のこの材料は集積球体134の開孔のリップとして形成されることができる。固定はさらに、バンド814を集積球体134の開孔周辺に適用され、これを引張ストラップ816を通して締めることを含んでいる。ループ810または部分的なループは十分な量の膨張可能な材料がビークル102に取付けられることを確実にするために膨張可能な材料の端部がループを引っ張ることを可能にするために設けられることができる。代わりにまたはさらに付加して、種々の接着剤および／またはフランジ、クランプおよびＯリングが集積球体134をビークル102に密封して固定するために使用されることができる。気体ポート504は較正ウィンドウ120の周辺またはその中にリングを形成するか円形の穴または通路のような簡単な出口チャンネルであってもよい。電気的制御ポート506は較正ウィンドウ120中またはその近くの簡単な出口チャンネルであることが好ましい。

配備前、集積球体134は梱包されるかその他の方法で容量を減少される。梱包は種々の方法で実現されることができる。好ましくは収縮された集積球体134は図３に断面で示されているように折り畳まれる。別の実施形態では集積球体134のセクションは剛性セクション間でフレキシブルに相互接続するピース408を有して実質的に剛性であってもよい。図４はこのような実施形態の１例を示している。図４の実施形態では、剛性セクション406、410は折り曲げ可能であるように十分に湾曲され、その剛性セクションは相互に同心的に適合し、膨張のときに球形を構成するように膨張する。剛性のセクションは膨張された構造の全体的な剛性を強化する。集積球体材料134は開孔306の周辺に拡張部412またはリップを形成するように拡張され、その開孔を通してセンサ108は十分に膨張された集積球体134の内部を見ることができる。

集積球体134が意図される目的の環境で膨張されると、集積球体134の材料を破壊せずに球形を維持するような所望のレベルに集積球体134の流体圧力を維持することが望ましくなる。集積球体134の流体圧力が最大の圧力しきい値を超えるならば、集積球体134に残留する流体が最大の圧力しきい値より下であるように流体は部分的に調節装置116を介して供給装置114により受けられる。集積球体134の流体圧力が最小の圧力しきい値よりも小さくなるならば、供給装置114は集積球体134の流体圧力が最小の圧力しきい値を超えるまでより多くの流体を集積球体134へ供給する。膨張時の集積球体134への流体流動率が電磁エネルギ128のソースに対する損傷の危険性を最小にするように設定される。

図５は較正ウィンドウ120、気体ポート504、電気制御ポート506の例示的な配置を示している。基本的に、固定され膨張されるとき、集積球体は宇宙カプセルの３つの入口、即ち集積球体がその上または周辺に固定される較正ウィンドウと、較正ウィンドウ120を通して、較正ウィンドウ120周辺、較正ウィンドウ120の付近またはシステムの制約に基づいたその他の場所に与えられることのできる流体（例えば気体）ポート504と、較正ウィンドウ120を通してその周囲または付近に配置されるかその他の場所に配置されることのできる電気制御ポート506とを通して維持され使用される。

集積球体の外皮または外部構造は好ましくは多層にされている。最内部層はその光学的特性に適合され、最大の光学的性能を提供するように拡散的反射表面を提供する。可視光源では、最内部層は白色であることができ、赤外線応用では、最内部層は金メッキされることができる。好ましくは最外部層は最内部層よりも機械的に特定化され、気体不浸透性で耐久性がある。集積球体が直接宇宙に露出される応用では、最外部層は宇宙空間の塵の影響に対して十分に耐性があるように作られるとよい。図６に示されているように、硬化可能な接着剤（例えば流動する硬化可能な重合体）は剛性の構造を与え接着剤として作用するように集積球体134が適切な圧力まで膨張された後に最内部層604と最外部層602との間606に注入されることができる。硬化は太陽放射に対する露出により集積球体の加熱により行われることができる。図７は２つの層が最内部層702と最外部層704との間に設けられる別の実施形態を示している。この実施形態では、第１の内部層706は最内部層と最外部層をつなぐため硬化された接着材料710と空隙708から形成される多孔性の接着層であり、第２の内部層712は自己治癒層である。第２の内部層712は液化された樹脂のポケット714を含むことができ、液化された樹脂はそれを含んでいるポケットから解放されるときに硬化し、結果としてこの層は貫通または裂ける場合の気体の損失を防止するように作用する自己治癒層として動作する。本発明は任意のアクチブな熱制御なしに実行されることができるが、１実施形態では、層は集積球体の表面全体またはその一部に熱を与えるための熱伝導メッシュとして含まれることができる。さらにまたは代替手段として、球体が膨張されるときに剛性物質を集積球体へ噴射するビークル上の噴射ノズルがビークル上に設けられることができる。

集積球体の内部は少なくとも１つの電磁エネルギソース128を有している。通常、ソース128は可視光、赤外線光、または紫外線光を提供する。宇宙カプセルまたは衛星に搭載された電子装置は任意の較正測定をより正確に行うようにソースの性能について使用期間とエージングの影響に関する適切なデータを記憶することができる。較正動作では、電磁エネルギ源128は集積球体134の内部内でオンに切り換えられる。随意選択的に、集積球体の内部の電磁エネルギの第２のソースは電磁エネルギの第１のソースの故障を検出した時にオンに切り換えられる。電磁エネルギの付加的なソースが設けられることができる。多数の光源は較正光源または相互に較正するか異なるスペクトルを与える方法では冗長に使用されることができる。較正の周波数は使用されるセンサ108の特性とその応用により決定される。１実施形態では、各多数の光源128は放射される電磁エネルギの特有の中心周波数、例えば赤色、緑色、青色光の発光ランプを有する。

図９は集積球体134が外部室904により本質的に包囲されている表面または皮膜906により規定されている内部室906の同心の多室構成を有している１実施形態を示している。各室は内部表面リップ908と外部表面リップ（即ち集積球体リップ）412を通して規定される同心開孔306と910を通して膨張／収縮されることができる。１実施形態では、気体充填外部室は気体充填内部室とは異なる。充填気体の１つはＵＶ放射吸収性であり、他方の充填気体はＵＶ放射透過性であることができる。内部室は気体で充填される必要はなく、液体充填、または恐らく固体であってもよい。

以上、本発明を特定の応用、変形、応用およびその技術的範囲内の実施形態について特別な実施形態を参照してここで説明した。用語「ビークル」が使用されているが、他の実施形態は静止計器を有する装置を含むことができることが理解されよう。選択された実施形態を詳細に示し説明したが、種々の置換及び代替が可能で或ることが理解されよう。当業者は付加的な種々の置換及び代替も特許請求の範囲により規定されているように本発明の技術的範囲を逸脱せずに可能であることも認識するであろう。

ビークルによる動作モードにおける膨張可能な集積球体を示す図。 膨張可能ではない集積球体を有するビークルの１実施形態の斜視図。 折畳まれた集積球体の１実施形態を示す図。 実質的に剛性のセクションを有する集積球体の１実施形態を示す図。 気体ポートおよび電気制御ポートに関する較正ウィンドウの１実施形態を示す図。 最内部層と最外部層との間で凝固接着剤が注入される１実施形態の集積球体の外皮切断して除去した図。 ２つの内部層が最内部層と最外部層との間に配置される１実施形態の集積球体の外皮切断して除去した図。 集積球体をビークル（例えば機器パッケージまたは衛星）に対して固定するための機構の１実施形態を示す図。 外部室および内部室を有する集積球体の１実施形態を示す図。

Claims (7)

1. 球形状を提供するように膨張し、膨張されるときに開放された内部を有し、光学的に反射性の表面を特徴とする構造と、
   膨張可能な前記構造の内部を照射するための可視または赤外線の光源と
   を具備し、
   前記構造は、最内部層と最外部層と、さらに前記最外部層と最内部層との間に内部層を具備し、
   前記最外部層は気体が不浸透性であり、
   前記内部層（606）は注入可能な接着剤が前記最外部層と最内部層との間を通ることを可能にし、
   前記注入可能な接着剤は前記注入可能な接着剤の分注後に経時的に結合を形成し硬化する
   光学的集積球体。
2. 可視または赤外線の前記光源は膨張可能な前記構造の内に位置し、１以上の光源を含んでいる請求項１記載の光学的集積球体。
3. 前記構造（134）は折畳み可能である請求項１記載の光学的集積球体。
4. 前記構造（134）は実質的に剛性のセクションと、それら実質的に剛性のセクションを相互接続する実質的にフレキシブルな部分とを有し、前記剛性のセクションは同心形態に折畳み可能である請求項１記載の光学的集積球体。
5. 前記内部層は第１の内部層であり、さらに第２の内部層を具備し、前記第１の内部層は前記最外部層と最内部層とを結合するための多孔性接着層であり、前記第２の内部層は自己治癒層であり、前記第２の内部層は液化樹脂のポケットを含み、その液化樹脂はポケットから解放されるときに硬化される請求項１記載の光学的集積球体。
6. 宇宙ベースの光学的遠隔センサと、
   較正ウィンドウと、
   気体で充満されるとき膨張する膨張可能な光学的集積球体であり、前記光学的集積球体は、気体で充満されるとき、その内部が光学的にレンズに結合されるか、或は、較正ウィンドウを通して、光学的にレンズに結合されるように配置されている膨張可能な光学的集積球体と、
   前記光学的遠隔センサにより検出される波長を有する光によって、前記光学的集積球体の内部を照射するための少なくとも１つの光源とを具備している
   請求項１記載の光学的集積球体により宇宙船の前記光学的遠隔センサを放射測定により較正するシステム。
7. 膨張可能であるが膨張させていない光学的集積球体を、較正ウィンドウを覆うようにビークルに固定し、そして
   光学的集積球体を膨張させる
   ステップを含んでいる請求項１記載の光学的集積球体を配備する方法。
   

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