JP7386032B2 - 断面が一定でない、テープスプリング展開可能なデバイス - Google Patents

Description

本発明は、断面が一定でない、テープスプリング展開可能なデバイスに関する。本発明は特に、軌道に展開される宇宙機器の分野、より具体的には、アンテナ、太陽光発電装置、又は計器などの衛星用宇宙機器に当てはまる。しかしながら、本発明は、物体を運搬構造物から遠ざけることが望ましい任意の他の分野に当てはまる。

宇宙分野では、展開時にテープスプリングが使用される場合が多い。収容された（又は巻回された）位置では、テープスプリングは心棒に巻きつけられている。テープスプリングは、心棒が自由に回転することができるときに自発的に巻きがほどけることにより、自律的に展開する。テープスプリングは、宇宙分野では、曲率半径が第１の面では凸状であり、第２の面では凹状である円弧状の断面を有する可撓性のストリップとして知られており、これらのストリップは、本質的にそれらの真性的な弾性エネルギーにより、巻回された状態から巻回されていない状態に移ることが可能である。真性的性質を有する様々なタイプのストリップがある。単安定のストリップは、自然のままでは展開された位置を有するので、収容された位置で保持する必要がある。単安定のテープスプリングはこのように、巻回されていない状態であるように、自身で展開する自然な傾向を有する。単安定のストリップの展開は、無秩序であり、制御されていない場合が多い。双安定のストリップは、２つの自然な位置（巻回された位置及び展開された位置）を有し、断面が完全に平らである場合は巻回された位置で保持する必要がない。それらの展開は、直線的であり、制御されている。

例えば、物体を位置決めするために、物体を運搬構造物から遠ざけることが望まれるとき、テープスプリングは、巻回された構成では物体を確実に保持し、展開中には組立体の剛性を確実に保持しなければならない。実際のところ、テープスプリングは、応力軸に沿って同じスチフネスを有しているわけではない。テープスプリングの凸面に加えられる力は、テープスプリングを屈撓させる傾向を有することになり、それに対し、凹面に加えられる同じ力は影響を及ぼさず、これは、展開状態では可撓性構造が不安定であるという問題を投げかけている。この展開状態での安定性の問題を解決するためには、このように、加えられる軌道力の方向を問わず、軌道力下で安定したままであるように、テープスプリングのサイズを特大にすることが必要である。

従って、収容された構成では、テープスプリングは、可能な限りコンパクトでなければならない。すなわち、テープスプリングの巻き取り半径は、可能な限り小さくなければならない。このパラメータは、ストリップの物理的特性により与えられ、概して、巻き取り半径は、自身の曲率半径のそれに実質的に等しい。展開された構成においては、最適な剛性が追求されている。これは、可能な限り大きなテープスプリングの端部の埋め込みに関連して、断面が可能な限り大きく、且つ、可能な限り閉じていることを意味する。これらの解決策は、質量に関して最適化されていない。

本発明は、巻回及び展開することが可能なテープスプリングを備える展開可能なデバイスを提案することによって、コンパクト、且つ、製造が容易であるという利点を提示し、展開可能なデバイスの質量の最適化を提示し、展開時にテープスプリングの剛性及び安定性を可能にしながら、上記の問題のすべて、又は一部を軽減することを目的とする。

こうした目的のために、本発明の主題は、展開可能なデバイスであって、第１の軸Ｚを中心に巻回された構成から、第１の軸Ｚに実質的に垂直な第２の軸Ｘに沿って、展開された構成に移ることができるテープスプリングであって、２つの特性寸法、すなわち、第１の軸Ｚに沿ったテープスプリングの幅である第１の特性寸法、第１の軸Ｚ、及び第２の軸Ｘに実質的に垂直な第３の軸Ｙに沿ったテープスプリングの厚さである第２の特性寸法、を有するテープスプリングを備え、２つの特性寸法のうちの少なくとも１つが、第２の軸Ｘに沿って不定値を有する展開可能なデバイスである。

１つの実施形態によれば、テープスプリングは自由端部を有し、又、２つの特性寸法のうちの少なくとも１つは、第２の軸Ｘに沿って、自由端部に向かって減少する不定値を有する。

別の実施形態によれば、テープスプリングは、埋め込まれた端部を有し、２つの特性寸法のうちの少なくとも１つは、第２の軸Ｘに沿って、テープスプリングの第１の部分にわたって増加、及び減少し、埋め込まれた端部に向かってテープスプリングの第２の部分にわたって増加する、不定値を有する。

有利には、本発明による展開可能なデバイスは、テープスプリングに位置決めされた、少なくとも部分的に第１の軸Ｚに沿って延在し、且つ／又は、優先的に少なくとも部分的に第２の軸Ｘに沿って延在する少なくとも１つの局所的な補強を含む。

本発明による展開可能なデバイスの変形例によれば、テープスプリングの断面は、円筒形状の、Ｕ字形の、又は「オメガ文字」形の断面とすることができる。

本発明は、少なくとも１つの上述したような展開可能デバイスを備える衛星にも又関する。

添付の図面により図示される、例として与えられる実施形態の詳細な説明を読めば、本発明がよりよく理解され、さらなる利点が明らかになる。

先行技術による、テープスプリング展開可能なデバイスを示す。 本発明による、展開可能なデバイスの第１の実施形態を示す。 本発明による、展開可能なデバイスの第１の実施形態の別の図を示す。 本発明による、埋め込まれたテープスプリング展開可能なデバイスの第２の実施形態を示す。 本発明による、展開可能なデバイスの第２の実施形態の別の図を示す。 本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの別の実施形態を示す。 本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの別の実施形態を示す。 本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの断面の変形例を示す。 本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの断面の変形例を示す。 本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの断面の変形例を示す。 本発明による、展開可能なデバイスを少なくとも１つ備える衛星を概略的に示す。

分かり易くするために、様々な図面において、同じ要素には同じ参照符号が記載されている。

本発明は、単安定、又は双安定のテープスプリングに当てはまる。単安定のテープスプリングを用いる方が、大きな誘導力を必要とする。展開が一様であるという性質のために、双安定のテープスプリングが好適である。更に、巻回された構成では、それらは巻かれたままであり、展開された構成では、それらは展開したままである。

図１は、先行技術による、テープスプリング展開可能なデバイス１を示す。展開可能なデバイス１は、第１の軸Ｚを中心に巻回された構成から、第１の軸Ｚに実質的に平行な第２の軸Ｘに沿って、展開された構成に移ることが可能なテープスプリング２を備える。テープスプリングの幅３は、軸Ｘ全体に沿って同一であり、心棒４に巻き取られている箇所では、テープスプリングの幅３と等しい。これは、先行技術の通常の展開された構成に対応し、最適な剛性は、任意にテープスプリングの端部の埋め込みに関連して、可能な限り大きく、可能な限り厚く、又可能な限り閉じた断面によって得られる。

図２は、本発明による、展開可能なデバイス１０の第１の実施形態を示す。展開可能なデバイス１０は、第１の軸Ｚを中心に巻回された構成から、第１の軸Ｚに実質的に垂直な第２の軸Ｘに沿って、展開された構成に移ることができるテープスプリング１１を備える。テープスプリング１１は、２つの特性寸法、すなわち第１の軸Ｚに沿ったテープスプリング１１の幅である第１の特性寸法１３、並びに、第１の軸Ｚ及び第２の軸Ｘに実質的に垂直な第３の軸Ｙに沿ったテープスプリング１１の厚さである第２の特性寸法１４を有する。本発明によれば、２つの特性寸法１３、１４のうちの少なくとも１つが、第２の軸Ｘに沿って不定値を有する。言いかえれば、テープスプリング１１の幅及び／又はテープスプリング１１の厚さは、第２の軸Ｘに沿って漸進的に変化している。特に図２では、自由端部に向かうテープスプリングの幅１３が、心棒におけるテープスプリングの幅１３よりも狭いことがわかる（表面のグレーで網掛けされた表現により、幅を視覚的に比較することが可能になっている）。この解決策により、質量に関して、テープスプリング断面が一定である解決策と比較して３０％台の相当な節約が可能になる一方で、テープスプリングの十分な剛性が依然として保証されている。この種の構造のサイズを決める目的のために、材料の応力率を可能な限り一様にすることを試みて、質量／スチフネス比を最適化することが求められる。この種の結果は、応力によって決まる所与の容積内の最適な材料分布を特定することを可能にするトポロジ最適化法によって、得ることができる。

図３は、本発明による、展開可能なデバイス１０の第１の実施形態の別の図を示し、より正確には、第２の軸Ｘに沿って展開されたテープスプリング１１の図を示す。上記で説明したように、テープスプリング１１は、自由端部１６を有し、２つの特性寸法のうちの少なくとも１つ（この場合には幅）は、第２の軸Ｘに沿って不定値を有する。提示された例では、幅は自由端部に向かって減少している。テープスプリングの幅が一定である場合ならば、テープスプリング１１は点線１７まで延在することがわかるであろう。これは、質量に関して節約になる。

断面のこの最適化のおかげで、このように、軽量でよりコンパクトである小容量の駆動デバイスを実装することが可能である。というのも、断面は、長尺の長さにわたって小さくなるからで、巻き上げトルクに関する要件が低くなっていることを暗に示している。

同じ原理に基づいて、第３の軸Ｙに沿ったテープスプリング１１の厚さ１４も又、第２の軸Ｘに沿って漸進的に変化する場合がある。好ましくは、テープスプリング１１の厚さ１４は、テープスプリング１１の基部で、すなわち心棒の近くで大きくなっており、自由端部に向かって薄くなっている。例えば、直径が１００ｍｍのテープスプリングの場合、厚さは、テープスプリング２メートル又は３メートルにわたって０．６ｍｍとし、その後０．４ｍｍまで漸進的に変化し、テープスプリングの端部では、０．３ｍｍで終了することができる。厚さが漸進的に変化することにより、質量に関してかなりの利得が可能になる。しかしながら、テープスプリングの剛性は維持されている。

幅及び／又は厚さは、直線的に、若しくは非直線的に、増加及び／又は減少することに留意されたい。漸進的に変化するプロファイルは前もって決定されている。テープスプリングの末端及び先端の断面は、特に前述したような最適化法を使用して、テープスプリングの機械的強度に関する計算によって画定される。

テープスプリングは炭素、ガラス、又はその他の繊維でできているため、テープスプリングの厚さを漸進的に変化させるために、必要な厚さに応じて繊維が追加、又は除去される。

漸進的に変化する幅を得るために、テープスプリングは、概して、応力がかかったゾーン又は応力がかかっていないゾーンの関数として数値制御を使用して、機械加工される。

図４は、本発明による、埋め込まれたテープスプリング展開可能なデバイス２０の第２の実施形態を示す。テープスプリング２１は、埋め込まれた端部２２を有する。２つの特性寸法（幅１３、厚さ１４）のうちの少なくとも１つは、第２の軸Ｘに沿って、テープスプリング２１の第１の部分２３にわたって増加、及び減少し、埋め込まれた端部２２に向かってテープスプリング２１の第２の部分２４にわたって増加する不定値を有する。軸Ｘは、テープスプリングがそれに沿って、展開された構成で局所的に延在する軸であって、テープスプリングの巻き取り軸Ｚに実質的に垂直な方向に局所的に延在する軸として理解されることに留意されたい。

図５は、本発明による、展開可能なデバイス２０の第２の実施形態の別の図を示し、より正確には、第２の軸Ｘに沿って展開されたテープスプリング２１の図を示す。この表現は、テープスプリング２１の断面の、幅に関して、漸進的に変化するプロファイルを示す。先行技術のテープスプリングであれば、それに沿って延在する点線２５と比較して、質量に関する節約は、目に見えて明らかである。

これにより、展開可能なデバイスの質量及び剛性に関して最適化が得られる。この最適化により、多くの場合、先行技術のデバイスと同等の展開された構成に関して、テープスプリングの厚さを減らし、従って、テープスプリングの巻き取りに必要とされるエネルギーを削減することができる場合がある。

図６は、本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリング３１の別の実施形態を示す。この実施形態では、展開可能なデバイスは、少なくとも部分的に第２の軸Ｘに沿って延在する、テープスプリング３１に位置決めされた少なくとも１つの局所的な補強３２を含む。好ましくは、局所的な補強３２は、テープスプリング３１の全長に沿って、テープスプリング３１の縁部、及び／又はその中心に位置決めされる。補強３２により、テープスプリング３１を局所的に補強することにより、テープスプリング３１に要求される剛性を保証することが可能になる。

図７は、本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリング４１の別の実施形態を示す。この実施形態では、展開可能なデバイスは、少なくとも部分的に第１の軸Ｚに沿って延在する、テープスプリング４１に位置決めされた少なくとも１つの局所的な補強４２を含む。好ましくは、局所的な補強４２は、テープスプリング４１の自由端部に位置決めされるが、テープスプリング４１の他の場所に位置決めされてもよい。

局所的な補強３２、４２は、概して炭素からなるバンドである。それらは、単方向の繊維、若しくは布地（長手方向の補強の場合）、又は原理断面上に織られた繊維、或いは、この代わりに、交差した繊維の形態であってもよい。繊維は、テープスプリングの応力の関数として調節される。

その位置決め及び形態は、テープスプリングの幾何学形状と関係がある。それらは、応力がある場所に配置され、応力の領域は、テープスプリングのモデリングツールを使用して、事前に決定されている。このように、切り欠きされたプロファイルがテープスプリングの完全性に影響を及ぼさないことを確実にすることができ、テープスプリングの剛性が、必要に応じて、局所的な補強の存在によって保証される。

図８、図９、図１０は、本発明による、展開可能なデバイスのテープスプリングの断面の変形例を示す。図８は、これまでの図に提示してきたような、「円筒形状の」断面を示す。

しかしながら、図９に示されるように、テープスプリングの断面は、Ｕ字形状であってもよい。同じ１つの平面に２つのテープスプリングを実装する展開可能なデバイスの場合には、この平面の剛性は、２つのテープスプリングの存在によって得られる。テープスプリングのＵ字形の断面により、他の平面の剛性を高めることが可能になる。

或いは、図１０に示されるような、「オメガ文字形」断面を検討することも又可能である。この断面によって、ローラへの入り口で断面上の摩擦を制限することも又可能である。

図１１は、本発明による展開可能なデバイスを少なくとも１つ備える衛星６０を概略的に示す。

１ 展開可能なデバイス
２ テープスプリング
３ 幅
４ 心棒
１０ 展開可能なデバイス
１１ テープスプリング
１３ 第１の特性寸法
１４ 第２の特性寸法
１６ 自由端部
１７ 点線
２０ 展開可能なデバイス
２１ テープスプリング
２２ 端部
２３ 第１の部分
２４ 第２の部分
２５ 点線
３１ テープスプリング
３２ 局所的な補強
４１ テープスプリング
４２ 局所的な補強
６０ 衛星
Ｘ 第２の軸
Ｙ 第３の軸
Ｚ 第１の軸

Claims (5)

1. 展開可能なデバイス（１０、２０）であって、第１の軸Ｚを中心に巻回された構成から、前記第１の軸Ｚに実質的に垂直な第２の軸Ｘに沿って、展開された構成に移ることができるテープスプリング（１１、２１、３１、４１）であって、２つの特性寸法、すなわち、前記第１の軸Ｚに沿った前記テープスプリング（１１、２１、３１、４１）の幅（１３）である第１の特性寸法、前記第１の軸Ｚ、及び前記第２の軸Ｘに実質的に垂直な第３の軸Ｙに沿った前記テープスプリング（１１、２１、３１、４１）の厚さ（１４）である第２の特性寸法、を有する前記テープスプリング（１１、２１、３１、４１）を備え、
   前記２つの特性寸法のうちの少なくとも１つが、前記第２の軸Ｘに沿って不定値を有する展開可能なデバイスにおいて、
   前記テープスプリング（２１）は、第１の端部及び第２の端部を有し、テープスプリングの第１の端部は、第１の軸Ｚを中心に巻回されており、テープスプリングの第２の端部は、埋め込まれた端部であり、及び、前記２つの特性寸法のうちの前記少なくとも１つが、前記第２の軸Ｘに沿って、前記テープスプリング（２１）の第１の部分（２３）にわたって増加、及び減少し、且つ、前記埋め込まれた端部（２２）に向かって前記テープスプリング（２１）の第２の部分（２４）にわたって増加する不定値を有することを特徴とする、展開可能なデバイス。
2. 前記テープスプリング（１１）が自由端部を有すること、及び、前記２つの特性寸法のうちの前記少なくとも１つが、前記第２の軸Ｘに沿って、前記自由端部に向かって減少する不定値を有することを特徴とする、請求項１に記載の展開可能なデバイス（１０）。
3. 前記テープスプリング（３１、４１）に位置決めされた、少なくとも部分的に前記第１の軸Ｚに沿って延在し、且つ／又は、優先的に少なくとも部分的に前記第２の軸Ｘに沿って延在する少なくとも１つの局所的な補強（３２、４２）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の展開可能なデバイス（１０、２０）。
4. 前記テープスプリング（１１、２１、３１、４１）のＹＺ平面を通る断面が、展開された構成において、円筒形状の、Ｕ字形の、又は、大文字の「オメガ文字」形の断面であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の展開可能なデバイス（１０、２０）。
5. 少なくとも１つの、請求項１～４のいずれか一項に記載の展開可能なデバイス（１０、２０）を備えることを特徴とする衛星（６０）。

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