JP6698874B2 - 展開型ラジエーター - Google Patents
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Description
特許文献2は、オービットレイジング中、すなわちトランスファー軌道の間の宇宙器における熱損失を防止するためのシステムおよび装置に関する。オービットレイジング中に熱遮蔽パネルで排熱面を覆って排熱量を抑制し、静止軌道上で展開して排熱量を増大させる技術が開示されている。
特許文献3は、展開型ラジエーターを4枚搭載する衛星において、衛星の東西面にそれぞれ2枚のラジエーターパネルを重ねて収納する技術が開示されている。
特許文献1および特許文献2では、複数枚のラジエーターパネルが重ならないように1枚ずつ独立に衛星構体に保持されているので、保持解放機構がラジエーターパネルの枚数分だけ必要となる。よって、衛星の質量が増大するという課題がある。また、収納時の占有面積が大きいため、衛星の機器配置の自由度が狭くなるという課題がある。
特許文献3では、東西面にラジエーターパネルを重ねて保持しているため、ラジエーターパネル展開前でも、排熱面である衛星構体の南北面が宇宙空間に露出している。よって、排熱量が大きいため、オービットレイジング中の宇宙器の熱損失を防止できない。なお、衛星構体の南北面は、通常は排熱面として利用し、東西面は排熱面とはしない。
第1のラジエーターパネルと、
前記第1のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第1の展開機構であって、前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第1のラジエーターパネルを展開する第1の展開機構と、
前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態において、前記第1のラジエーターパネルと重なって前記衛星構体の南面または北面に対向しているとともに前記衛星構体の南面または北面と前記第1のラジエーターパネルとの間に挟まれた第2のラジエーターパネルと、
前記第2のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第2の展開機構であって、前記第2のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第2のラジエーターパネルを前記第1のラジエーターパネルの展開方向と反対方向に展開する第2の展開機構とを備えた。
***構成の説明***
図1を用いて、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100の構成について説明する。図1では、展開型ラジエーター100の収納状態と展開状態とを示している。
展開型ラジエーター100は、衛星構体の南面または北面10に搭載される。
展開型ラジエーター100は、第1のラジエーターパネル20と、第1の展開機構30と、第2のラジエーターパネル40と、第2の展開機構50と、保持解放機構60とを備える。
なお、以下において、衛星構体内の蒸気管とラジエーターパネル内の凝縮管とを結ぶ可撓性チューブの図示は省略する。
第1の展開機構30は、第1のラジエーターパネル20を衛星構体の南面または北面10に結合する。また、第1の展開機構30は、第1のラジエーターパネル20が衛星構体の南面または北面10に対向した状態から、第1のラジエーターパネル20を展開する。図1の収納状態に示す第1のラジエーターパネル20の状態が、第1のラジエーターパネル20が衛星構体の南面または北面10に対向した状態である。
図1の収納状態が、保持解放機構60が、第1のラジエーターパネル20と第2のラジエーターパネル40とを重ねて保持した状態である。また、図1の展開状態が、保持解放機構60が、第1のラジエーターパネル20と第2のラジエーターパネル40とを解放した状態である。
第1のラジエーターパネル20において、衛星構体の南面または北面10と対向する面を第1対向面21とし、第1対向面21の反対面を外層面22とする。また、第2のラジエーターパネル40において、衛星構体の南面または北面10と対向する面を第2対向面41とし、第2対向面41の反対面を第2外側面42とする。図1に示すように、第1のラジエーターパネル20の外層面22は、収納状態において、宇宙空間に露出する最外層面となる。
第1の展開機構30と第2の展開機構50とは、ばねの弾性エネルギーにより駆動されている。あるいは、第1の展開機構30と第2の展開機構50とは、モータにより駆動されていてもよい。あるいは、第1の展開機構30と第2の展開機構50とは、ばねの弾性エネルギーとモータとを組み合わせて駆動されていてもよい。
図2は、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100と比較するための比較例の展開型ラジエーター100xである。
図2に示すように、比較例の展開型ラジエーター100xでは、収納状態において、2枚のラジエーターパネルが重ならないように1枚ずつ独立に衛星構体の南面または北面10に保持されている。
このように、比較例の展開型ラジエーター100xでは、ラジエーターパネルをそれぞれ独立に衛星構体の南面または北面10に固定するため、保持解放機構60がパネル枚数分だけ必要となる。例えば、保持解放機構60がラジエーターパネル1枚当たり8点必要である場合、ラジエーターパネル2枚であれば16点必要となる。よって、衛星の質量が増加するとともに製造コストも増加する。
また、比較例の展開型ラジエーター100xでは、ラジエーターパネルをそれぞれ独立に衛星構体の南面または北面10に固定するため、収納状態でラジエーターパネルが占有する面積も2倍となる。このように、収納状態のラジエーターパネルによる衛星構体の南面または北面10の占有面積が大きいため、衛星の機器配置の自由度が狭くなる。例えば、収納状態のラジエーターパネルが太陽電池パドルと干渉するといった機器配置の不具合が生じる可能性がある。
また、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100によれば、収納状態のラジエーターパネルによる衛星構体の南面または北面10の占有面積が比較例の展開型ラジエーター100xと比較して小さい。具体的には、図1の展開型ラジエーター100では、比較例の展開型ラジエーター100xの1/2の占有面積である。よって、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100によれば、衛星の機器配置の自由度が広くなる。例えば、収納状態のラジエーターパネルと太陽電池パドルとを並べて設置できるというように、衛星の機器配置の自由度が広くなる。
本実施の形態では、主に、実施の形態1との差異について説明する。
本実施の形態において、実施の形態1で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施の形態では、オービットレイジング中の宇宙器における熱損失を最小に抑えつつ、静止軌道到達後の排熱量を実施の形態1よりさらに最大化でき、かつ、衛星の質量を最小限にできる展開型ラジエーター100aについて説明する。
図3を用いて、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100aの構成について説明する。
図3に示すように、第1のラジエーターパネル20の外層面22は、収納状態において、最外層面となる。よって、オービットレイジング中の宇宙器における熱損失を最小に抑えるためには、最外層面となる第1のラジエーターパネル20の外層面22を断熱する必要がある。つまり、最外層面となる第1のラジエーターパネル20の外層面22から熱を逃がさないようにする必要がある。
なお、第1のラジエーターパネル20の第1対向面21と、第2のラジエーターパネル40の第2対向面41と、第2のラジエーターパネル40の第2外側面42とは、排熱する排熱面72である。第2外側面42は、第2中間面ともいう。第1のラジエーターパネル20の第1対向面21と第2のラジエーターパネル40の両面とは、展開状態において排熱する必要がある。
一般的に展開型ラジエーターは下記の特徴を備える。
(1)展開型ラジエーターは、展開状態と収納状態との排熱面積が大きく異なる。このため、展開型ラジエーターは、静止軌道到達時には排熱量を最大限に確保しつつ、オービットレイジング時には排熱量をできるだけ抑制して衛星の温度維持のための必要電力を抑制することが可能となる。
(2)展開状態のラジエーターパネルからの排熱量を最大にするため、通常はラジエーターパネルの両面が排熱面である。
(3)ラジエーターパネルの温度は、衛星構体面の南面または北面の温度より低いため、排熱効率はラジエーターパネルの方が衛星構体面より低い。その差は、衛星構体面の排熱量が1平方メートル当たり200Wに対し、ラジエーターパネルの排熱量は1平方メートル当たり140W程度である。すなわち、ラジエーターパネルの排熱量は、衛星構体面の排熱量の約70%である。
(4)ラジエーターの排熱効率は、可撓性チューブの長さが短い程効率が高いため、使用する可撓性チューブの長さは最短にする必要がある。よって、太陽電池パドルのように、屏風状にラジエーターパネルを連結させることは実用的ではない。このため展開型ラジエーターは、ラジエーターパネル1枚が衛星と直接連結される形態となっている。
以下に一例を試算する。ラジエーターパネル1枚の面積(片面)を1平方メートルとし、衛星構体面の南面または北面の排熱量を1平方メートル当たり200W、ラジエーターパネルからの排熱量を1平方メートル当たり140Wとする。
収納状態では、ラジエーターパネル2枚表分の面積2平方メートルから宇宙空間へ排熱するため、2×140=280Wの排熱量である。
展開状態では、衛星構体面2平方メートル、ラジエーターパネル2枚表裏で4平方メートルであるため、2×200+4×140=960Wの排熱量である。
ここで、960/280≒3.4となり、展開状態の排熱量は収納状態の排熱量の3.4倍である。展開状態における排熱量が一定の場合、展開状態の排熱量と収納状態の排熱量の比率が大きいほど、収納状態の排熱量が少なく、衛星はオービットレイジング時に衛星の温度維持に使用する電力を削減できる。
以下に一例を試算する。ラジエーターパネル1枚の面積を1平方メートルとし、衛星構体面の南面または北面の排熱量を1平方メートル当たり200W、ラジエーターパネルからの排熱量を1平方メートル当たり140Wとする。
収納状態では、衛星構体面1平方メートル、ラジエーターパネル1枚表分の面積1平方メートルから宇宙空間へ排熱するため、1×200+1×140=340Wの排熱量である。
展開状態では、衛星構体面2平方メートル、ラジエーターパネル2枚の各々の表裏で4平方メートルであるため、2×200+4×140=960Wの排熱量である。
ここで、960/340≒2.8となり、展開状態の排熱量は収納状態の排熱量の2.8倍である。340/280≒120%となり、第2の例では、オービットレイジング時に衛星の温度維持に使用する電力が第1の例より20%増大してしまう。
本実施の形態に係る展開型ラジエーター100aでは、収納状態時に重ね合せたラジエーターパネルにおいて、衛星構体の南面または北面10と反対側のラジエーターパネルの最外層面に宇宙用断熱材を取り付けられ、排熱量がほぼゼロとなっている。
以下に一例を試算する。ラジエーターパネル1枚の面積を1平方メートルとし、衛星構体面の南面または北面の排熱量を1平方メートル当たり200W、ラジエーターパネルからの排熱量を1平方メートル当たり140Wとする。
収納状態では、ラジエーターパネルの最外層面は断熱されているので、衛星構体面1平方メートルのみから宇宙空間へ排熱するため、1×200=200Wの排熱量である。
展開状態では、衛星構体面2平方メートル、ラジエーターパネル2枚の各々の表裏の合計で4平方メートルのうち、1面は断熱面であるため、2×200+3×140=820Wの排熱量である。
ここで、820/200=4.1となり、展開状態の排熱量は収納状態の排熱量の4.1倍である。この比率は、第1の例の場合より大きい。
なお、展開状態の排熱量絶対量は、第1の例の場合の960Wより小さい。しかし、ラジエーターパネルのサイズを拡張して展開状態の排熱量を960Wに統一した場合、展開型ラジエーター100aでは収納状態の排熱量は960/4.1=234Wとなり、第1の例の収納状態の排熱量280Wより小さく抑えられている。
本実施の形態に係る展開型ラジエーター100aでは、収納状態において最外層面となる、第1のラジエーターパネルの外層面の少なくとも一部に、断熱領域を有している。そして、展開型ラジエーター100aでは、その他の第1のラジエーターパネルの面および第2のラジエーターパネルの両面は排熱面である。よって、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100aによれば、衛星構体の南面または北面に収納されているため、オービットレイジング中の宇宙器における熱損失を最小に抑えつつ、静止軌道到達後の排熱量が最大化でき、かつ、衛星の質量といった使用する衛星リソースを最小限にできる。
本実施の形態では、主に、実施の形態1および2との差異について説明する。
本実施の形態において、実施の形態1および2で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図4を用いて、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100bの構成について説明する。
本実施の形態では、第1のラジエーターパネル20の両面と第2のラジエーターパネル40の両面とは、排熱面72であるものとする。
図4に示すように、第1のラジエーターパネル20は、第1のラジエーターパネル20が衛星構体の南面または北面10に対向した状態において、外層面22の少なくとも一部を覆う断熱パネル110を備えた。断熱パネル110は、熱遮蔽パネルともいい、例えば太陽電池パネルのように、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)とアルミハニカムコアで構成されたサンドイッチ板の表面を宇宙用断熱材で覆ったものである。第1のラジエーターパネル20は、展開方向P1に展開した際の先端部に展開可能に結合された断熱パネル110を備える。
断熱パネル110において、収納状態において第1のラジエーターパネル20に対向する面、すなわち衛星構体の南面または北面10に対向する面を第3対向面111とする。また、断熱パネル110において、収納状態において最外層面となる面、すなわち第3対向面111の反対面を第3外側面112とする。断熱パネル110において、第3外側面112の少なくとも一部は断熱面であるものとする。あるいは、断熱パネル110全体が断熱素材で形成されていてもよい。
なお、図4では、第1の展開機構30の回転軸と第3の展開機構120の回転軸が平行であるが、第3の展開機構120の回転軸を90度回転させてもよい。つまり、断熱パネル110を、第1のラジエーターパネル20の上端または下端に、展開可能に結合し、断熱パネル110が、第1のラジエーターパネル20から、図4の上側あるいは下側に展開するように構成してもよい。
本実施の形態に係る展開型ラジエーター100bによれば、第1のラジエーターパネル20の両面と第2のラジエーターパネル40の両面とを排熱面とした場合でも、収納状態において最外層面を断熱することができる。よって、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100bによれば、オービットレイジング中の宇宙器における熱損失を最小に抑えつつ、静止軌道到達後の排熱量をより大きくすることができる。
本実施の形態では、主に、実施の形態1から3との差異について説明する。
本実施の形態において、実施の形態1から3で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図5を用いて、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100cの構成について説明する。
本実施の形態に係る展開型ラジエーター100cは、第1のラジエーターパネル20が90度以上展開してから第2のラジエーターパネル40の展開を開始させる展開遅延機構140を備えている。展開遅延機構140は、第1のラジエーターパネル20の根本に設けられたカム142と、第2のラジエーターパネル40の先端に設けられたローラ141とを備える。
図5および図6を用いて、展開遅延機構140の構成について説明する。
図5に示すように、展開遅延機構140は、第1のラジエーターパネル20の根本にカム142を、第2のラジエーターパネル40の先端にローラ141を設ける。第1の展開機構30は、上下一対の2台が離れた位置にあり、ローラ141は、その中央に位置しているが、第1の展開機構30の回転中心とローラ141の回転中心は同一直線状にあり、一致している。
第1の展開状態は、第1のラジエーターパネル20が90度以下まで展開した状態である。
収納状態から第1の展開状態までは、ローラ141がカム142に拘束されているので、第2のラジエーターパネル40は展開方向P2に展開することができない。具体的には、第1のラジエーターパネル20の展開角度が90度以下までの状態でローラ141がカム142に拘束される。例えば、86度、87度あるいは89度までローラ141がカム142に拘束され、それ以上の展開角度でカム142によるローラ141の拘束が解除されるとしてもよい。なお、以下の説明では、展開角度が90度でカム142によるローラ141の拘束が解除されるものとして説明する。
第1展開状態では、第1のラジエーターパネル20が90度展開してカム142による拘束がローラ141から外れ、第2のラジエーターパネル40が展開方向P2に展開可能となる。
第2展開状態では、第1のラジエーターパネル20が90度以上展開しており、第2のラジエーターパネル40が展開方向P2に展開し、第1のラジエーターパネル20が展開を完了する。
展開状態は、第1のラジエーターパネル20と第2のラジエーターパネル40がともに展開を完了した状態である。すなわち、全展開状態である。
本実施の形態に係る展開型ラジエーター100cは、第1のラジエーターパネルが約90度以上展開してから、第2のラジエーターパネルが展開を開始するための展開遅延機構を具備している。よって、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100cによれば、2枚のラジエーターパネル同士が展開途中でぶつからないため、ラジエーターパネルを傷つけることなく展開することができる。また、本実施の形態に係る展開型ラジエーター100cによれば、ラジエーターパネル同士の干渉あるいは固着による展開不良を防ぐことで展開信頼性を向上させることができる。
本実施の形態では、主に、実施の形態1から4との差異について説明する。
本実施の形態において、実施の形態1から4で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施の形態では、実施の形態1の図2で説明した展開型ラジエーター100xのバリエーションについて説明する。
展開型ラジエーター100dは、図2で説明したように、収納状態において、2枚のラジエーターパネルが重ならないように1枚ずつ独立に衛星構体の南面または北面10に保持されている。よって、収納状態において、第1のラジエーターパネル20の外層面22が最外層面となるとともに、第2のラジエーターパネル40の第2外側面42も最外層面となる。
図8に示すように、外層面22と第2外側面42との各々は、第1のラジエーターパネル20と第2のラジエーターパネル40との各々の先端に展開可能に結合された断熱パネル110を備える。この断熱パネル110は、実施の形態3で説明した断熱パネル110と同様である。
展開型ラジエーター100eでは、外層面22と第2外側面42との各々は、収納状態において断熱パネル110により断熱される。このとき、第1のラジエーターパネル20と第2のラジエーターパネル40との各々と各断熱パネル110とは、実施の形態3で説明した第3の展開機構120により結合される。
展開型ラジエーター100eでは、第1のラジエーターパネル20の両面と第2のラジエーターパネル40の両面とは、排熱面72であるものとする。
上述した実施の形態は、本質的に好ましい例示であり、本発明、その適用物あるいは用途の範囲を制限することを意図するものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。上述した実施の形態は、本手法の理解を助けるためのものであって、発明を限定するためのものではない。
Claims (3)
- 衛星の衛星構体に搭載された展開型ラジエーターにおいて、
第1のラジエーターパネルと、
前記第1のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第1の展開機構であって、前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第1のラジエーターパネルを展開する第1の展開機構と、
前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体に対向した状態において、前記第1のラジエーターパネルと重なって前記衛星構体の南面または北面に対向しているとともに前記衛星構体と前記第1のラジエーターパネルとの間に挟まれた第2のラジエーターパネルと、
前記第2のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第2の展開機構であって、前記第2のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第2のラジエーターパネルを前記第1のラジエーターパネルの展開方向と反対方向に展開する第2の展開機構と、
前記第1のラジエーターパネルが90度以上展開してから前記第2のラジエーターパネルの展開を開始させる展開遅延機構と、
前記衛星のオービットレージング中では、前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとが重なって前記衛星構体の南面または北面に対向している収納状態において、前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを重ねて保持し、前記衛星の静止軌道到達時では、前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを保持した状態から、前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを解放する保持解放機構と、
を備え、
前記第1のラジエーターパネルは、
前記衛星構体の南面または北面と対向する第1対向面の反対面である外層面が断熱材で覆われた断熱面であるとともに、前記第1対向面が排熱面であり、
前記第2のラジエーターパネルは、
前記衛星構体の南面または北面と対向する第2対向面と、前記第2対向面の反対面とが排熱面である展開型ラジエーター。 - 前記展開遅延機構は、
前記第1のラジエーターパネルの根本に設けられたカムと、前記第2のラジエーターパネルの先端に設けられたローラとを備えた請求項1記載の展開型ラジエーター。 - 衛星の衛星構体に搭載された展開型ラジエーターにおいて、
第1のラジエーターパネルと、
前記第1のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第1の展開機構であって、前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第1のラジエーターパネルを展開する第1の展開機構と、
前記第1のラジエーターパネルが前記衛星構体に対向した状態において、前記第1のラジエーターパネルと重なって前記衛星構体の南面または北面に対向しているとともに前記衛星構体と前記第1のラジエーターパネルとの間に挟まれた第2のラジエーターパネルと、
前記第2のラジエーターパネルを前記衛星構体に結合する第2の展開機構であって、前記第2のラジエーターパネルが前記衛星構体の南面または北面に対向した状態から、前記第2のラジエーターパネルを前記第1のラジエーターパネルの展開方向と反対方向に展開する第2の展開機構と、
前記第1のラジエーターパネルに展開可能に結合する断熱パネルと、
前記断熱パネルを展開する第3の展開機構と、
前記断熱パネルが90度以上展開してから前記第1のラジエーターパネルを展開し、前記第1のラジエーターパネルが90度以上展開してから前記第2のラジエーターパネルの展開を開始させる展開遅延機構と、
前記衛星のオービットレージング中では、前記断熱パネルと前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとが重なって前記衛星構体の南面または北面に対向している収納状態において、前記断熱パネルと前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを重ねて保持し、前記衛星の静止軌道到達時では、前記断熱パネルと前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを保持した状態から、前記断熱パネルと前記第1のラジエーターパネルと前記第2のラジエーターパネルとを解放する保持解放機構と
を備え、
前記第1のラジエーターパネルは、
前記衛星構体の南面または北面と対向する第1対向面と、前記第1対向面の反対面とが排熱面であり、
前記第2のラジエーターパネルは、
前記衛星構体の南面または北面と対向する第2対向面と、前記第2対向面の反対面とが排熱面である展開型ラジエーター。
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