JP7224552B2

JP7224552B2 - 伸展マスト、その製造方法及び太陽光発電パドル並びに宇宙構造物

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Publication number: JP7224552B2
Application number: JP2022541330A
Authority: JP
Inventors: 和規高垣; 壮平鮫島; 一史関根
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: EP4190702A4; WO2022029827A1; US20230254946A1; US12232226B2; JPWO2022029827A1; EP4190702B1; EP4190702A1

Description

本開示は、伸展マスト、その製造方法及び太陽光発電パドル並びに宇宙構造物に関する。

近年、人工衛星を活用した高速大容量通信の需要が高まっており、高機能な通信機器を搭載した通信放送衛星の開発が進められている。このような人工衛星では、通信機器の電力消費量の増大に伴い、大電力を供給することが可能な太陽光発電パドルが求められている。太陽光発電パドルには太陽電池セルが搭載され、太陽光を電気エネルギーに変換して電力を得ている。太陽光発電パドルは、通常、打ち上げ時に折り畳んだ状態でロケットの先端部分であるフェアリングに収納され、宇宙空間で所望の形状に展開される。

現在、人工衛星では一般的に、複数の連結された平板状のパネルに太陽電池セルが配設されたリジット型の太陽光発電パドルが用いられている。しかし、人工衛星が収納されるフェアリングの容積には限界があることから、リジット型の太陽光発電パドルでは、パネルのサイズや枚数に制限がある。

そこで、人工衛星の小型軽量化及び大電力化の両立を実現するものとして、平板状のパネルの代わりに、ブランケットと呼ばれる可撓性のフィルム状の基板に太陽電池セルが配設されたフレキシブル型の太陽光発電パドルが注目されている。非特許文献１には、太陽電池セルが貼り付けられたブランケットをロール状に巻き取り、伸展マストを用いて伸展する技術が開示されている。

この伸展マストは、一般的に、例えば軽量な繊維強化プラスチックといった高弾性の部材で構成されることが知られている。しかし、繊維強化プラスチックを用いた伸展マストは、長期間、巻取形態あるいは伸展形態で保管すると、応力緩和が起こり弾性復元力が低下するという問題がある。特許文献１には、弾性を有する長尺の金属製板材によって構成される助勢部材を伸展マストに沿って長手方向に相対移動自在に重ねて設け、助勢部材の弾性復元力によって、伸展マスト本体の伸展状態あるいは巻取状態への移行を助勢する技術が開示されている。

特開２０１８－１９６５号公報

Bao Hoang; Steve White; Brian Spence; Steven Kiefer, "Commercialization of Deployable Space Systems' roll-out solar array (ROSA) technology for Space Systems Loral (SSL) solar arrays" Aerospace Conference,30 June 2016

しかしながら、特許文献１の伸展マストでは、金属製の助勢部材を用いることにより、伸展マストの重量が増したり、巻き取った際の伸展マストのロール径が大きくなり収納時の容積が大きくなったりする課題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、重量や容積の増加を抑制しつつ、伸展マストの弾性復元力を維持する伸展マスト、その製造方法及び太陽光発電パドル並びに宇宙構造物を提供することを目的とする。

本開示に係る伸展マストは、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、第１の繊維層と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層と、第２の繊維層上に配置された電熱線とを備え、第１の繊維層、第２の繊維層および電熱線がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴とする。

また、本開示に係る伸展マストは、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、第１の繊維層と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層と、第２の繊維層上に配置された電熱線とを備え、電熱線は、一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置されていることを特徴とする。

さらに、本開示に係る伸展マストの製造方法は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層とを軸部材に巻き付けてプリプレグ積層体を形成するステップと、軸部材に巻き付けられたプリプレグ積層体をバギングフィルムで覆い、シール材で密閉するステップと、密閉されたプリプレグ積層体をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルムの外部から加圧して加熱するステップと、オートクレーブ内からプリプレグ積層体を取り出し、軸部材とバギングフィルムとシール材とを取り外すステップと、ロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように配置された電熱線を第２の繊維層の表面に配置するステップとを備えることを特徴とする。

さらに、本開示に係る伸展マストの製造方法は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層とを軸部材に巻き付けてプリプレグ積層体を形成するステップと、軸部材に巻き付けられたプリプレグ積層体をバギングフィルムで覆い、シール材で密閉するステップと、密閉されたプリプレグ積層体をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルムの外部から加圧して加熱するステップと、オートクレーブ内からプリプレグ積層体を取り出し、軸部材とバギングフィルムとシール材とを取り外すステップと、一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置された電熱線を第２の繊維層の表面に配置するステップとを備えることを特徴とする。

本開示に係る真空バルブによれば、重量や容積の増加を抑制しつつ、伸展マストの弾性復元力を維持する伸展マスト、その製造方法及び太陽光発電パドル並びに宇宙構造物を提供することができる。

本開示の実施の形態１に係る伸展マストの概略構成を示す斜視図である。本開示の実施の形態１に係る伸展マストを説明するための説明図である。本開示の実施の形態１に係る伸展マストの収納状態を説明する斜視図である。本開示の実施の形態１に係る伸展マストの伸展状態を説明する斜視図である。本開示の実施の形態１に係る伸展マストを収納したときの異なる層の電熱線同士の重なりを説明する平面図である。本開示の実施の形態２に係る伸展マストの製造工程を示すフローチャートである。本開示の実施の形態２に係る伸展マストを製造する一工程を示す説明図である。本開示の実施の形態３に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す平面図である。本開示の実施の形態３に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す側面図である。本開示の実施の形態４に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の概略構成を示す斜視図である。本開示の実施の形態４に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成を示す平面図である。本開示の実施の形態４に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の他の例を示す概略構成図である。

以下、本開示を実施するための伸展マスト、伸展マストの製造方法、および伸展マストを適用した太陽光発電パドル並びに宇宙構造物を、図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１の概略構成を示す斜視図である。伸展マスト１は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、電熱線４からなる構成であり、ロール状に巻き取って収納させる機能と棒状に伸ばして伸展させる機能とを有している。第２の繊維層３は第１の繊維層２と互いに接して配置されている。第２の繊維層３で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率は、第１の繊維層２で用いられる繊維層強化プラスチックの軸方向の熱膨張率より大きい。図１では、伸展マスト１を進展させた状態での長手方向の熱膨張率をＰの方向で表している。繊維強化プラスチックとしては、例えば炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた炭素繊維強化プラスチックを用いることができる。電熱線４は第２の繊維層３上に配置されている。電熱線４は、ロール状に多層に巻き取って収納したときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように配置されている。電熱線４としては、例えばニクロム線を用いることができる。

図２は、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１を説明するための説明図である。図２（ａ）は、伸展状態の伸展マスト、図２（ｂ）は、伸展状態から収納状態へ移行中の伸展マスト、図２（ｃ）は、収納状態の伸展マストを示す。図２（ａ）に示すように、伸展状態において、伸展マストは、半円筒状に丸まったブーム形状を有する。また図２（ｃ）に示すように、収納状態において、伸展マスト１は、ロール状に巻き取られたロール形状を有する。伸展マスト１は、ブーム形状とロール形状とのそれぞれで形状を維持することができる。

伸展マスト１が伸展状態から収納状態に移行する際、図２（ｂ）に示すように、伸展マスト１には、弾性ひずみエネルギーが蓄積される。伸展マスト１は、蓄積された弾性ひずみエネルギーを解放することで伸展する。そのため、短期的には伸展マスト１は、例えばブランケットの両側に配置されることにより、特別な駆動装置を必要とせず、ブランケットの収納及び伸展を行うことができる。しかし、長期間、巻取形態あるいは伸展形態で保管すると応力緩和が起こり、弾性復元力が低下する問題がある。

本開示の伸展マストは、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、第１の繊維層２と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、第２の繊維層３上に配置された電熱線４とを備え、第１の繊維層２、第２の繊維層３および電熱線４がロール状に多層に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴とする。第２の繊維層３の繊維強化プラスチックの軸方向の熱膨張率が、第１の繊維層２の繊維強化プラスチックの軸方向の熱膨張率より大きいため、伸展マスト１に温度変化が生じた際に、伸展マスト１を収納または伸展させる力が生じる。また、電熱線がロール形態に収納したときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように、第２の繊維層３上に配置されているため、重量や容積の増大を回避して熱応力による助勢を実現し、長期間の巻取形態あるいは伸展形態により応力緩和が生じても伸展マストの弾性復元力を維持することができる。第１の繊維層２の繊維強化プラスチックとしては例えば、炭素繊維Ｋ１３Ｃ（三菱ケミカル社製）とエポキシ樹脂からなる繊維強化プラスチック（長手方向熱膨張率 ―１．４ｐｐｍ／Ｋ）、第２の繊維層３の繊維強化プラスチックとしては例えば、Ｔ８００Ｓ（東レ社製）とエポキシ樹脂からなる繊維強化プラスチック（長手方向熱膨張率 ―０．１ｐｐｍ／Ｋ）を用いることができる。

図３は、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１の収納状態を説明する斜視図である。収納状態では、棒状に伸ばして伸展した伸展マスト１を端部からロール状に巻き取ることで伸展マスト１が巻取形態になる。その際、実施の形態１における伸展マスト１では、第２の繊維層３の繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２の繊維強化プラスチックの軸方向の熱膨張率よりも大きい構成のため、樹脂の硬化温度からの冷却時に、第１の繊維層２には長手方向（図３のＰの方向）には引張力、第２の繊維層３には長手方向（図３のＰの方向）は対向する圧縮力が生じ、結果として、伸展マスト１を収納する方向へ合力が働く。この合力はロール状の巻取形態で第１の繊維層２および第２の繊維層３に内部応力として残留する。このため、特別な駆動装置を必要とせず、樹脂の硬化温度からの冷却時に巻取形態に移行する力を助勢することができる。収納状態で巻取形態となった伸展マスト１は、その端部を固定することで巻取形態を維持できる。

図４は、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１の伸展状態を説明する斜視図である。伸展状態では、ロール状に巻き取られた伸展マスト１を棒状に伸ばす力が生じることで伸展マスト１が伸展形態になる。伸展に必要となる力の一部は上記収納行程で第１の繊維層２および第２の繊維層３に内部応力として残留した応力が解放されることで得られる。具体的には、巻取形態を維持するために固定した端部の固定を解除することで、残留した応力を開放することができる。しかし、長期間、巻取形態あるいは伸展形態で保管すると応力緩和が起こり、弾性復元力が低下する問題がある。実施の形態１における伸展マスト１では、第２の繊維層３の繊維強化プラスチックの軸方向の熱膨張率が第１の繊維層２の繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率よりも大きい構成となっている。そのため、電熱線４に電流を流し、電熱線４を発熱させることで、第２の繊維層３が第１の繊維層２よりも膨張するため、第１の繊維層２には長手方向（図４のＰの方向）には両方向へ圧縮力、第２の繊維層３には長手方向（図４のＰの方向）は引張力が生じ、結果として、伸展マスト１を伸展する方向へ合力が働く。上記残留した応力で伸展力に加え、部材の追加なく、伸展状態で伸展マスト１を棒状に伸ばす力を助勢することができる。これにより、長期間の巻取形態により応力緩和が生じたとしても特別な駆動装置を必要とせず、伸展マストの進展を行うことができる。第２の繊維層３の長手方向の熱膨張率と第１の繊維層２の長手方向の熱膨張率の差が大きいほうが、収納状態から伸展状態へ移行を助勢する力は大きくなる。

図５は、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１を収納したときの異なる層の電熱線同士の重なりを説明する平面図である。図５に示す電熱線５、６は電熱線４のうち、伸展マスト１がロール状に多層に巻き取って収納されている部分の一部の層のものを示しており、電熱線５と電熱線６は異なる層の電熱線を示す。電熱線５、６が示すように、ロール状に巻き取って収納したとき、異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように長手方向（図５のＰの方向）に電熱線４が配置されている。電熱線４は例えば、一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置されている。一定周期の正弦波形状にすることで、ロール形態に巻き取ったときに板厚分の影響で位相がずれ、また長手方向で振幅が異なるため、収納時の電熱線４の重なり面積を最小に抑えることができる。電熱線４を正弦波形状とした場合の波長は、電熱線４に電流を流すことで第１の繊維層２および第２の繊維層３を適切に加熱できるよう設計する必要があるが、例えば、波長を伸展マスト１の幅の２倍とすることができる。なお、電熱線４を正弦波形状とした場合、電熱線４の重なりは、設計した正弦波に応じた最小の数であればよく、例えば、２周期の正弦波では重なりが４点となるものが最小である。

なお、本実施の形態においては、繊維強化プラスチックとして炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた炭素繊維強化プラスチックを用いたが、炭素繊維およびエポキシ樹脂以外の材料でもよい。また、本実施の形態においては、第１の繊維層２と第２の繊維層３ともに炭素繊維を用いたが、それぞれ異なる繊維を使用してもよい。繊維強化プラスチックの繊維としてはたとえば、炭素繊維、ガラス繊維、クオーツ繊維、ＳｉＣ繊維、アラミド繊維などが使用できる。また、繊維強化プラスチックの母材プラスチック材料としては、エポキシ樹脂、シアネートエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂などを用いることができる。

なお、本実施の形態においては、電熱線としてニクロム線を用いたが、電流を流すことにより熱を発生させる材料であればよく、例えば、ニッケル・クロム系合金や鉄・クロム・アルミニウム系合金などを用いてもよい。

なお、本実施の形態においては、電熱線４の配置として一定周期の正弦波形状を用いたが、一定周期の正弦波形状でなくてもよい。電熱線４はロール状に巻き取って収納したときの重なり回数が最小となればよいので、例えば三角波や複数の周波数の正弦波の重ね合わせ波などでもよい。また、電熱線４は一本でなく複数であってもよい。その場合、例えば伸展マスト１の長手方向と並行でないように配置することで広い電熱線の配置範囲を維持しつつ、重なり回数を最小にすることができる。

以上より、本開示に係る伸展マストは、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、第１の繊維層２と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、第２の繊維層３上に配置された電熱線４とを備え、第１の繊維層２、第２の繊維層３および電熱線４がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴としており、第１の繊維層２と第２の繊維層３との長手方向の熱膨張率差に起因する熱応力によって、成形温度からの冷却時に巻取形態に移行する力が働くため容易にロール状に巻き取って収納できる。一方、電熱線を用いて加熱すると、伸展形態に移行する力が働くため、特別な駆動装置を必要とせず、伸展マストの伸展形態に移行する力を助勢して伸展できる。また、電熱線は第２の繊維層に配置され、ロール形態に収納したときの重なり回数が最小となるように、第２の繊維層上に配置されているため、ロール形態に巻き取ったときに板厚分の影響で位相がずれるため、重なり面積が最小になって、重量や容積の増加を最小限に抑制できる。

実施の形態２．
次に、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１の製造方法について説明する。図６は、本開示を実施するための実施の形態２における製造工程を示すフローチャートである。図７は、本開示を実施するための実施の形態２係る伸展マストを製造する一工程を示す説明図である。

ステップＳ１～Ｓ５では、伸展マスト１のうち、電熱線４を除く、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３から成る部材を作製する。まず、ステップＳ１では、樹脂と繊維が一体化された樹脂を半硬化させたプリプレグ材料を使用した方法で説明する。まず、略円柱形状の軸部材１３の上に、第２の繊維層３の繊維強化プラスチックのプリプレグ材を軸部材１３の円周方向全体を覆うように巻き付けて配置する。次に第１の繊維層２繊維強化プラスチックのプリプレグ材を第２の繊維層３繊維強化プラスチックのプリプレグ材の上に巻き付けて配置し積層したプリプレグ積層体１２を形成する。第２の繊維層３で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率は、第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい。このとき、軸部材１３に巻き付ける方向は、伸展方向Ｐに対して垂直な方向である。

ステップＳ２で、図７に示すように、プリプレグ積層体１２を、軸部材１３に巻きつけた状態で、バギングフィルム１４で全体を覆い、シール材１５で密閉する。シール材１５で密閉した後、ポンプ（図示せず）を動作させることで、バギングフィルム１４で覆った内部の空気を排出し、プリプレグ積層体１２を減圧状態にする。

ステップＳ３で、プリプレグ積層体１２をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルム１４の外部から加圧して加熱する。例えば３気圧下で１２０℃の温度を３時間保持する。

ステップＳ４で、オートクレーブ内からプリプレグ積層体１２を取り出し、プリプレグ積層体１２から軸部材１３、バギングフィルム１４及びシール材１５を取り外す。オートクレーブ内から取り外されたプリプレグ積層体１２を機械加工により長手方向のスリット部を設け開断面を作製することによって、伸展マスト１のうち、電熱線４を除く、第１の繊維層２と第２の繊維層３から成る部材を完成させる。

次にステップＳ５で、第１の繊維層２と第２の繊維層３から成る部材を伸展形態にし、電熱線４を第２の繊維層３表面に配置する。電熱線４は伸展マスト１をロール状に巻き取って収納したときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように配置する。つまり、一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置する。この際、電熱線４を正確な位置配置するため、レーザープロジェクションなどを使用してもよい。また、電熱線４の位置ずれを防止するために、粘着テープなどにより、電熱線４を第２の繊維層３表面に仮止めをしてもよい。そして、配置した電熱線４に沿うように、上から接着剤を塗布する。位置ずれ防止のために粘着テープなどを使用した場合、接着剤塗布前に、粘着テープなどは除去する。接着剤に応じて熱または紫外線などを与えることで硬化を促進させ、電熱線４を第２の繊維層３と一体化させることで、伸展マスト１を完成させる。

ここで、プリプレグ積層体１２を加圧下で加熱する条件は、プリプレグ積層体１２を構成する樹脂の種類によって異なる。また、本実施の形態においては、プリプレグ積層体１２を略円柱形状の軸部材１３の円周方向全体を覆うように配置する方法で説明したが、プリプレグ積層体１２を略円柱形状の軸部材１３全体を覆うように配置せず、Ｃ型形状となるように配置すれば、製造後に加工することなく開断面を形成することができる。また、本実施の形態においては、繊維強化プラスチックのプリプレグを用いたが、ハンドレイアップ、ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇなどを用いてもよい。また、本実施の形態においては、プリプレグ積層体１２の加工方法として機械加工を用いたが、プリプレグ積層体１２の長手方向のスリットを設け開断面を作製できればよく、例えばレーザー加工などを用いてもよい。また、本実施の形態においては、電熱線４を第２の繊維層３に配置した上に接着剤を塗布する方法を用いたが、電熱線４を第２の繊維層３表面に実装できればよく、電熱線４の配置位置に先に接着剤を塗布し、その上に電熱線４を配置させてもよい。また、プリプレグ積層体１２を加圧・加熱する工程の前に、第２の繊維層３のプリプレグ材表面に電熱線４を配置し、プリプレグ積層体１２の加圧・加熱工程で第２の繊維層３と電熱線４を一体化してもよい。この際、電熱線４に沿って接着剤を塗布してもよいし、塗布しなくてもよい。なお、電熱線４を第２の繊維層３表面に接着する接着剤としてはたとえば、アクリル系、エポキシ系、シリコン系、フェノール系、ポリエチレン系、ポリイミド系、ウレタン系、ポリウレタン系などの接着剤を使用することができる。

以上より、本開示に係る伸展マストの製造方法は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３とを軸部材１３に巻きつけてプリプレグ積層体１２を形成するステップと、プリプレグ積層体１２をバギングフィルム１４で覆い、シール材１５で密閉するステップと、プリプレグ積層体１２をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルム１４の外部から加圧して加熱するステップと、オートクレーブ内からプリプレグ積層体１２を取り出し、軸部材１３、バギングフィルム１４及びシール材１５を取り外すステップと、電熱線４を第２の繊維層３表面に配置するステップとを備えることにより、伸展マスト１を製造することができる。この伸展マスト１は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、第１の繊維層２と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、第２の繊維層３上に配置された電熱線とを備え、第１の繊維層２、第２の繊維層３および電熱線４がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴としているため、特別な駆動装置を必要とせずに、第１の繊維層２と第２の繊維層３との熱膨張率差に起因する熱応力によって、伸展マストの伸展状態あるいは巻取状態への移行を助勢することができる。

実施の形態３．
次に、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１を適用した太陽光発電パドルについて、図８及び図９を参照して説明する。図８から及び図９中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図８は、本開示を実施するための実施の形態３における太陽光発電パドル７の概略構成を示す平面図である。図８は、伸展マスト１が伸展形態になった状態の太陽光発電パドル７である。図９は、本開示を実施するための実施の形態３における太陽光発電パドル７の概略構成を示す側面図である。図９は、伸展マスト１が巻取形態になった状態の太陽光発電パドル７である。

図８及び図９に示すように、太陽光発電パドル７は、一つまたは複数の伸展マスト１と太陽電池セル８と、第１パドル部材９と、第２パドル部材１０と、太陽電池セル８を支持するブランケット１１とからなる。ブランケット１１の面には太陽電池セル８が複数配設される。太陽光発電パドル７は、ブランケット１１を平面状に伸展させる機能およびロール状に巻き取る機能を有する伸展マスト１を備える。伸展マスト１は、例えば伸展方向Ｐに沿ってブランケット１１の両側に配置される。ブランケット１１の巻き取られる起点となる側の端部には、略円柱形状の第１パドル部材９が取り付けられている。ここで略円柱形状とは、軸方向に垂直な平面での断面形状が真円である柱体の他、楕円である柱体を含む。またブランケット１１の巻き取られる終点となる、図示しない衛星構造体と接続される側の端部には、略多角柱形状の第２パドル部材１０が取り付けられている。ここで略多角柱形状とは、多角形の角が丸まった柱体を含む。第１パドル部材９と第２パドル部材１０の間には一つまたは複数の伸展マスト１およびブランケット１１が存在し、一つまたは複数の伸展マスト１およびブランケット１１はそれぞれ第１パドル部材９と第２パドル部材１０と接続されている。一つまたは複数の伸展マスト１とブランケット１１は接続されていてもよいし、接続されていなくてもよい。

第１パドル部材９及び第２パドル部材１０でブランケット１１の両端を支持することで、太陽光発電パドル７の姿勢制御を安定的に行うことができる。第１パドル部材９及び第２パドル部材１０は、例えば炭素繊維強化プラスチックが用いられる。太陽電池セル８としては例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）太陽電池を用いることができる。また、ブランケット１１としては例えば、カプトンフィルムを用いることができる。

太陽光発電パドル７を人工衛星に適用した場合、ロケット打上げ時には、人工衛星に搭載した太陽光発電パドル７の伸展マスト１を巻取形態にすることで、形状の限定されるロケット先端部分のフェアリングに太陽光発電パドル７を効率よく収納することができる。人工衛星が宇宙空間に到達したのちに、伸展マスト１を伸展形態にすることで、太陽光発電パドル７が発電可能な状態になる。伸展マスト１の伸展力は伸展マスト１を巻取形態にする際に第１の繊維層２と第２の繊維層３に発生した内部応力を開放することおよび伸展マスト１に実装した電熱線４に電流を与え、加熱することで得ることができる。電熱線４に電流を与えるための電源装置は、人工衛星本体に搭載されていてもよいし、太陽電池光発電パドルに搭載されていてもよい。収納された伸展マスト１を展開することで、大面積の太陽光発電パドル７を実現することができ、大容量の発電力を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、太陽電池セル８としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）太陽電池セルを用いたが、太陽光に対して発電するデバイスであればよく、例えばシリコン（Ｓｉ）太陽電池セルのような化合物を使用したリジット型の太陽電池セルまたは有機薄膜太陽電池セルなどのフレキシブル太陽電池セルなどを用いることができる。太陽電池セル８にフレキシブルでない太陽電池セルを使用する場合、ブランケット１１上には複数の太陽電池セル８がそれぞれの間に間隔を有しながら配置されることで、伸展マストが巻取形態になった際の太陽電池セル８の曲げを抑制し、太陽電池セル８の損傷を防ぐことができる。

なお、本実施の形態においては、ブランケット１１としてはカプトンフィルムを用いたが、絶縁性を有する可撓性のフィルム状の基板であればよく、材料としては例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などを用いることができる。なお、上記では太陽光発電パドル７の適用例として、人工衛星で説明したが、他の用途に使用してもよい。太陽光発電パドル７は運用時等に大容量の電力が必要となるが、搬送時等の電力が不要なときに寸法の制約がある場合に適しており、使用用途は人工衛星に限定されない。

上述のとおり、本実施の形態に係る太陽光発電パドルの伸展マストは、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、第１の繊維層２と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、第２の繊維層３上に配置された電熱線とを備え、第１の繊維層２、第２の繊維層３および電熱線４がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴としているため、特別な駆動装置を必要とせずに、第１の繊維層と第２の繊維層との熱膨張率差に起因する熱応力によって、伸展マストの伸展状態あるいは巻取状態への移行を助勢することができる。よって、実施の形態１における伸展マスト１を用いることで、重量や容積の増加を抑制しつつ、伸展マストの弾性復元力を維持することで、大面積の太陽光発電パドル７を実現することができ、大容量の発電力を得ることができる。

実施の形態４．
次に、本開示を実施するための実施の形態１における伸展マスト１を適用した太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物について、図１０から図１２を参照して説明する。図１０から図１２中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図１０は、本開示の実施の形態４係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成図である。図１０に示すように、宇宙構造物２００は例えば人工衛星であり、太陽光発電パドル１００と、構造物本体１１０と、アンテナ１２０とを備える。構造物本体１１０は、例えば衛星構造体であり、太陽光発電パドル１００は、例えば構造物本体１１０の両側に接続されている。アンテナ１２０は、例えば構造物本体１１０の上面や正面に取り付けられている。

図１１は、本開示の実施の形態４係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成図である。図１１は、ロケットの先端部分であるフェアリングＰ１に収納されている際の人工衛星を示す。図１１に示すように、ロケット打ち上げ時に、太陽光発電パドル１００は、ブランケット１１がロール状に巻き取られた状態でロケットのフェアリングＰ１内に収納される。太陽光発電パドル１００は、宇宙構造物２００が宇宙空間に暴露された後に、伸展マスト１とともにブランケット１１を伸展させる。ブランケット１１が伸展された後、太陽電池セル８が太陽光を受けて発電を開始する。

上述のとおり、本実施の形態に係る宇宙構造物２００は、繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層２と、第１の繊維層２と接して配置され、長手方向の熱膨張率が第１の繊維層２で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層３と、第２の繊維層３上に配置された電熱線とを備え、第１の繊維層２、第２の繊維層３および電熱線４がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴としているため、特別な駆動装置を必要とせずに、第１の繊維層２と第２の繊維層３との熱膨張率差に起因する熱応力によって、伸展マストの伸展状態あるいは巻取状態への移行を助勢することができる。よって、実施の形態１における伸展マスト１を用いることで、重量や容積の増加を抑制しつつ、伸展マストの弾性復元力を維持することで、大面積の太陽光発電パドル７を実現することができ、大容量の発電力を得ることができる。さらに、宇宙構造物２００は、この伸展マストを用いてブランケット１１をロール状に巻き取ることができる太陽光発電パドル１００を備えるため、打ち上げ時にロケットのフェアリングＰ１に容易に収納されることができる。

なお、宇宙構造物２００が人工衛星である例を示したが、その他の宇宙構造物であってもよい。図１２は、本開示の実施の形態４係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の他の例を示す概略構成図である。図１２に示すように、宇宙構造物２００は、例えば宇宙ステーションである。宇宙ステーションの構造物本体１１０は、例えばトラスと呼ばれる構造フレームを備え、少なくとも１つの太陽光発電パドル１００が取り付けられている。図１２は、太陽光発電パドル１００が例えば４つである例を示したが、１つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

また、実施の形態３及び４において、伸展マストの２本の伸展マストを用いた例を示したが、伸展マストは少なくとも１本あればよく、例えばブランケット１１の中央に、１本の伸展マストを配置してもよい。

また、本開示のその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から４に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。

１伸展マスト、２第１の繊維層、３第２の繊維層、４、５、６電熱線、７、１００太陽光発電パドル、８太陽電池セル、９第１パドル部材、１０第２パドル部材、１１ブランケット１２プリプレグ積層体、１３軸部材、１４バギングフィルム、１５シール材、１１０構造物本体、１２０アンテナ、２００宇宙構造物。

Claims

繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、
前記第１の繊維層と接して配置され、長手方向の熱膨張率が前記第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層と、
前記第２の繊維層上に配置された電熱線とを備え、
前記第１の繊維層、前記第２の繊維層および前記電熱線がロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となることを特徴とする伸展マスト。
繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、
前記第１の繊維層と接して配置され、長手方向の熱膨張率が前記第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層と、
前記第２の繊維層上に配置された電熱線とを備え、
前記電熱線は、一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置されていることを特徴とする伸展マスト。
繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、長手方向の熱膨張率が前記第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層とを軸部材に巻き付けてプリプレグ積層体を形成するステップと、
前記軸部材に巻き付けられた前記プリプレグ積層体をバギングフィルムで覆い、シール材で密閉するステップと、
密閉された前記プリプレグ積層体をオートクレーブ内に設置し、前記バギングフィルムの外部から加圧して加熱するステップと、
前記オートクレーブ内から前記プリプレグ積層体を取り出し、前記軸部材と前記バギングフィルムと前記シール材とを取り外すステップと、
ロール状に巻き取って収納されるときの異なる層の電熱線同士の重なり回数が最小となるように配置された電熱線を前記第２の繊維層の表面に配置するステップと
を備えることを特徴とする伸展マストの製造方法。
繊維強化プラスチックを用いた第１の繊維層と、長手方向の熱膨張率が前記第１の繊維層で用いられる繊維強化プラスチックの長手方向の熱膨張率より大きい繊維強化プラスチックを用いた第２の繊維層とを軸部材に巻き付けてプリプレグ積層体を形成するステップと、
前記軸部材に巻き付けられた前記プリプレグ積層体をバギングフィルムで覆い、シール材で密閉するステップと、
密閉された前記プリプレグ積層体をオートクレーブ内に設置し、前記バギングフィルムの外部から加圧して加熱するステップと、
前記オートクレーブ内から前記プリプレグ積層体を取り出し、前記軸部材と前記バギングフィルムと前記シール材とを取り外すステップと、
一定周期の正弦波形状であり、長手方向で振幅が異なるように配置された電熱線を前記第２の繊維層の表面に配置するステップと
を備えることを特徴とする伸展マストの製造方法。
ブランケットと、
前記ブランケットをロール状に巻き取って収納させる機能及び伸展させる機能を有する、請求項１又は２に記載の伸展マストと、
前記ブランケットの面に複数配設される太陽電池セルと、
を備えることを特徴とする太陽光発電パドル。
請求項５に記載の太陽光発電パドルと、
前記太陽光発電パドルが取り付けられる構造物本体と
を備えることを特徴とする宇宙構造物。