JPH0114080B2 - - Google Patents

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JPH0114080B2
JPH0114080B2 JP57137132A JP13713282A JPH0114080B2 JP H0114080 B2 JPH0114080 B2 JP H0114080B2 JP 57137132 A JP57137132 A JP 57137132A JP 13713282 A JP13713282 A JP 13713282A JP H0114080 B2 JPH0114080 B2 JP H0114080B2
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solar
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General Electric Co
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の関連する技術分野］ この発明は、一群の電気素子、具体的には太陽
電池アレイ（すなわち、一群の太陽電池の縦横等
の所定のパターンにならべて配列したもの）を支
持するための支持構体、特に宇宙技術用に適した
支持構体に関する。
［従来の技術］ 太陽電池アレイを比較的強固なパネル上に支持
することは良く知られており、その様に取付けら
れた太陽電池は人工衛星のような宇宙船に電力を
供給するのに利用されている。
宇宙技術用としては、この様な太陽電池とパネ
ルは種々の状況に、時には非常に厳しい条件に耐
えねばならない。たとえば、宇宙船打上げ時の振
動に耐えねばならない。打上げ時には、例えば50
Hz未満、特に30Hz以下の低周波数の強大な力が加
わる。太陽電池アレイを支持しているパネルがこ
の低周波数で共振することは望ましくない。
打上げた後で周回軌道に乗ると、太陽電池アレ
イを支持しているパネルは折畳まれた収納位置か
ら拡がつた動作位置まで展開されて太陽電池が太
陽の方を向くようにされる。この動作位置におい
ても低周波数の共振が生じるのは好ましくない。
この様な低周波数の共振は、宇宙船の運動中に太
陽に対する太陽電池アレイの向きに誤差を導入す
ることになり、太陽電池の発電能率を低下させ
る。パネルが低周波数で共振する傾向を低減する
にはパネルが比較的剛性なものである必要があ
る。
太陽電池を支持するパネルは幾つかの熱的要求
に合うように設計しなければならない。太陽電池
は、半導体材料で作られているので、比較的もろ
くしかも熱膨脹係数が約0.09×10-6cm／cm／℃
（0.5×10-6インチ／インチ／〓）という低い値を
示す。太陽電池を支持するパネルは通常アルミニ
ウム製の蜂巣状構造のコアにアルミニウムの表皮
層を設けたもので構成される。この様なパネルの
熱膨脹係数は約2.34×10-6cm／cm／℃（13×10-6
インチ／インチ／〓）であつて、太陽電池の熱膨
脹係数とは相当の不一致がある。更に、このパネ
ルは導電性であるから、太陽電池をパネルから絶
縁しなければならない。実際には、太陽電池は誘
電体の中間基板上に取付けられ、更に動作中にお
ける種々の材料の熱膨脹の差を吸収する機械的中
間基板上に取付けられる。上記の様な中間基板は
通常は各太陽電池に対するゴム製支持取付体を含
んでいる。
宇宙技術用として太陽電池アレイを支持する適
当なパネルすなわち支持構体を実現することに関
する上述の諸問題は、周知のことであつて、多数
の解決法が提案されたがそれぞれ欠点を持つてい
た。たとえば、一つの支持構体としてアルミニウ
ム製の蜂巣状構造のコアの上下両面をアルミニウ
ムの表皮層で被覆したものがある。その下面は、
断面が矩形Ｃ字形のアルミニウム製ビームより成
る補剛材で補強されている。他方のアルミニウム
の表皮層の上にはシリコーンゴム製取付体が設け
られ、その上に太陽電池が固定されている。この
様に支持構体は、シリコーンゴム製取付体の重量
が加算されるので充分に満足すべきものではな
い。また、このシリコーンゴム製取付体をアルミ
ニウムの表皮層から分離するために、テドラ
（Tedlar）なる商標で市販されているプラスチツ
クフイルムでこのアルミニウムの表皮層を覆つ
て、その上に上記ゴム製取付体を固定する必要が
あるが、この様な付加的な要素は支持構体にさら
に余分な重量を付加することになる。
別の支持構体では、アルミニウム製の蜂巣状構
造のコアの上下両面を被覆する表皮層として上記
テドラのようなプラスチツクフイルムを使用して
いる。この支持構体を補強するためにエポキシ強
化炭素繊維製補剛材が使用されている。この様な
支持構体は約10Hzの比較的低い周波数で共振する
特性を有し、この特性は大抵の打上げ条件におい
て不都合なものである。
また別の支持構体では、一側面をエポキシ強化
グラフアイト繊維布製のビーム（梁）で補剛した
導電体であるエポキシ強化炭素フイルタを使用し
ている。この繊維布上には上記テドラのようなプ
ラスチツクフイルムが貼付けられ、その上にシリ
コーンゴム取付体が設けられて太陽電池を保持す
るようになつている。これと同様な形態を利用し
た他の種々の支持構体も使用されている。しかし
この様な支持構体は、すべて、望ましくない重量
の付加と共振周波数が比較的低いという欠点を持
つている。
技術文献にも、太陽電池用の種々の軽い支持構
体が記載されている。米国カリフオルニア州レド
ンドビーチ（Redondo Beach）のTRW防衛お
よび宇宙システムグループ（TRW Defense and
Space Systems Group）のケリイ（Frank G.
Kelley）、ルスト（Werner Lust）およびカーラ
ンド（Richard M.Kurland）氏による論文
「TDRSS太陽電池アレイの設計の特徴（Design
Features of aTDRSS Solar Array）」中に、端
縁を巻いて接着した互に対面するカプトン（或る
ポリイミドプラスチツク材料の登録商標）シート
と剛性を与えるためのエポキシ強化炭素繊維製支
持部材との備えたアルミニウム製の蜂巣状構造の
基板より成るパネルが記載されている。このパネ
ルには接触パツドを持つた太陽電池が使用され
る。この方式の欠点は、太陽電池の熱膨脹係数に
比べてカプトンおよびアルミニウム製の基板の熱
膨脹係数が可成り大きいことと、共振周波数が不
都合に低いことである。
国際航宙学連盟（International Astronautical
Federation）の第25回会議（1974年９月30日〜
10月５日、アムステルダム）に於ける報告「炭素
繊維技術を基礎とした進歩した軽量で強固な太陽
電池アレイ」中に、太陽電池アレイの全体的な開
発状況と傾向とが開示されている。この報告に
は、太陽電池アレイ用の支持構体に炭素繊維複合
体（CFC）を用いることが記述されている。
CFCは、アルミニウム製の蜂巣状構造のコアを
覆う表皮層として使用されてサンドウイツチ構造
を形成するものである。この支持構体の欠点は、
このCFC表皮層が導電性であつて、その上に取
付けるべき太陽電池との間に絶縁性の中間体を要
することである。この余分な中間体は全体の重量
を増加させる。また別の案では、予め張力を与え
た状態で枠（フレーム）内に柔軟な基板を取付け
ている。この構造は不利な点は、通常カプトンで
構成される柔軟な基板の熱膨脹係数が可成り大き
く、そのため温度が上昇すると垂れ下がりまた温
度が降下すると収縮する傾向があることである。
この収縮が生ずると、枠を変形させ前述のように
電池の向きに誤差を生じさせることになる。
1979年１月15〜17日に米国ニユーオリンズで開
催された17回航空宇宙科学会議（17Aerospace
Science Meeting）にマツツイオ（V.F.Mazzio）
氏およびビイクスラ（C.H.Bixler）氏によつて
発表された論文「進んだ複合宇宙船構造のための
高効率設計および製作法」には、宇宙船構体用と
して、蜂巣状構造を有するグラフアイト／エポキ
シ（エポキシ強化炭素繊維）／エポキシおよびグ
ラフアイト／エポキシ複合体を用いることが記載
されている。この論文に述べられているように、
太陽電池アレイ支持構体は、積込まれた収納位置
では打上げの際の動的な応答荷重に耐えるような
高い強度を要求され、また軌道上で展開された時
には最小の剛性要件を満足しなければならない。
この複合太陽電池アレイ支持構体用の推奨構造
は、断面が開いた眼の形をしたビームと閉じた箱
形のビームとから成るヨークすなわち枠（フレー
ム）の小部分を有する複合サンドウイツチ形基板
パネルとして述べられている。この複合サンドウ
イツチ形構造は、0.127mm（0.005インチ）の予め
硬化させた平坦なグラフアイト−エポキシパネル
面と0.38mm（0.015インチ）の予め硬化させたグ
ラフアイト−エポキシ端縁材を有するアルミニウ
ム製の蜂巣状構造のコアとして開示されている。
この方式の欠点は、それが導電性であるという理
由で、前述したエポキシ強化炭素繊維の表皮層を
使用する方式と同じである。
米国特許第4101101号には、太陽電池を支持す
るためにカプトンのような合成材料で作つた柔軟
性のある絶縁支持体を使用した太陽発電方式が記
載されている。この柔軟性のある支持体は枠体に
保持されている。この枠体の、太陽電池の支持体
とは反対側に、多数の補剛材が設けられている。
この構造は、支持体を構成するカプトンが前述の
如く比較的大きな熱膨脹係数を持つているので、
各太陽電池が互に位置ずれを起す可能性があると
いう欠点を持つている。この様な位置ずれは電池
相互間の接続に問題を生ずる。また別の欠点は、
可成り多数の補剛材を使用するので構造の重量が
大きくなることである。更に、電池への熱的入力
は放散しなければならず、またカプトンの温度サ
イクルによつて枠が収縮時に歪を生ずることにな
る。要約すると、太陽電池アレイ支持用として従
来適切と考えられている構造は、枠体中に設けた
エポキシ強化炭素繊維製補剛材によつて補強した
カプトンの層を用いるか、エポキシ強化炭素繊維
製補剛材とともにアルミニウム製の蜂巣状構造ま
たはエポキシ強化炭素繊維製の蜂巣状構造のコア
を覆うようにエポキシ強化炭素繊維の表皮層を用
いるものである。そしてこれらの構造は既述の如
き欠点を有するものである。
［発明の開示］ この発明による、太陽電池の様な素子を支える
ための軽量で比較的剛性のある支持構体は、対面
部材（前述の従来技術における表皮層に対応する
もの）がそれぞれ接着されている第１と第２の表
面を有するアルミニウム製の蜂巣状構造のコア
と、上記対面部材の内の一方の露出表面に接着さ
れた複数の補剛材とを有する。この発明によれ
ば、各対面部材は少なくとも１層のエポキシ強化
ポリパラベンズアミド織布シートより成り、各補
剛材は長軸と横軸を有し、エポキシ強化炭素繊維
で形成される。補剛材は一方の対面部材の露出表
面に接着され、他方の対面部材の露出表面は太陽
電池アレイを取付けるために用いられる。これら
対面部材と太陽電池アレイと補剛材はすべて、対
面部材の表面に平行な所定方向において実質的に
同じ実効熱膨脹係数を有する。
［発明の実施例］ 第１図に関し説明すると、１０は太陽電池アレ
イを支持しているパネルで、宇宙に打上げられる
軌道衛星のような宇宙船に装着することを意図し
た一群の配列したパネルのうちの１つのパネルで
ある。打上げ中はこのパネル群は折畳まれた収納
位置にあり、軌道周回を始めると展開位置まで拡
げられる。打上げによつて、この折畳まれたパネ
ル群の各々には強烈な力と振動が加えられる。打
上げの際、50Hz未満の低周波領域において、打上
げられる宇宙船系に幾つかの自然共振周波数が生
じ、従つて数Ｇの荷重がかゝることが知られてい
る。それ故、折畳んだパネル１０の剛性は、パネ
ルの自然共振周波数が打上げ時の宇宙船の系全体
の自然共振周波数よりも高くてパネルの振動を宇
宙船系の残部から遮断し得るように充分大きくな
ければならない。このパネルは、打上げ中は、折
畳まれた収納位置に拘束するように周知の方法で
宇宙船に固定されている。
パネルのこの固定点の数と間隔は各宇宙船にお
いて定められている。この理由で、パネルの固定
点の数と間隔はパネルの設計における制約事項と
なる。すなわち、前述した打上げの際に生ずる大
きな低周波数の力は、周知の原理に従つてその固
定点から折畳まれたパネルに伝達される。そこ
で、この固定点の数と位置に対するパネルの剛性
はパネル設計の際の主たる考慮事項となる。従つ
て、これらパネルの共振周波数に関し以下におよ
び前文中で行なつた論議は、パネルの固定点の位
置に関して検討しなければならない。以下検討す
る特定の設計においては、パネル１０は、打上げ
時に誘起される応力と振動に耐えることができ、
以下説明するように固定点で固定されて収納位置
に拘束されているとき50Hzよりも高い共振周波数
を有する。
一つの系では、数個のパネルをならべて配列し
て相互接続したパネルアレイが形成される。この
パネルアレイ中の１つのパネルは、このパネル上
の固定点とは異なる位置で腕木（ブーム）によつ
て宇宙船に連結される。アレイ中の隣り合うパネ
ルを相互接続するリンクも固定点の位置とは異な
る位置でパネルに結合される。展開状態にある時
の各パネルの共振周波数は、そのパネルが折畳ま
れて拘束固定された収納位置にある時の共振周波
数とは異なつたものである。実際に、腕木および
パネル接続リンクに接続されて展開位置にあるパ
ネルアレイは全宇宙船系中の他の如何なる可動素
子の共振周波数よりも高い共振周波数を有する。
打上げ後に軌道を周回中に、解除機構が働いてパ
ネルを拡げて展開位置すなわち動作位置とする。
動作期間中、パネルは高い熱入力すなわち太陽
エネルギにさらされる。その結果パネルは極端な
熱サイクルを受ける。第１図のパネル１０は、前
述の如くその様な熱サイクルに耐えると共に軽量
にもかゝわらず収納位置にあるとき高い強度と剛
性を示す。
第１図において、パネル１０は基板１２および
複数の補剛材１４よりなる支持構体と、一群のシ
リコーン太陽電池１６を配列した太陽電池アレイ
を具えている。これらの補剛材１４は、第２図に
詳細に図示されているが、基板１２の一端縁２２
から他端縁２３まで延びる２本の細長い真直ぐな
ビーム１８および２０、ビーム１８および２０の
間に連結された２本の平行なビーム２４および２
６、ならびにビーム２４および２６を相互連結す
る中央のビーム２８等の部材で構成されている。
３本のビーム２４，２６および２８はＨ形構造を
形成する。この構造は比較的少数のビームで基板
１２に剛性を与える利点がある。
第５図を参照して説明すると、基板１２はたと
えば約6.35mmの厚さを有するアルミニウム製の蜂
巣状構造のコア３０と、このコア３０の対向する
両表面に接着された対面部材３２および３４とで
構成されている。各対面部材は、たとえばイー・
アイ・デユポン社（E.I.duPont Corp.）の登録商
標製品ケブラ（Kevlar）のような、エポキシ強
化ポリパラベンズアミド織布の１層または複数層
よりなるシートで構成される。対面部材３２は太
陽電池を支持し、また対面部材３４は補剛材１４
を支持する。
アルミニウム製の蜂巣状構造のコア３０は、そ
の蜂巣状のセルの側壁３１に鉛直な方向において
強度と弾性率が非常に低く、またセルの軸３３に
平行な方向すなわちセルの側壁３１に平行な方向
において弾性率が可成り高い。アルミニウムは、
比較的高い熱膨脹係数を有し、しかも良好な熱伝
導体である。対面部材３２は、２方向性のケブラ
繊維織布で形成されて、アルミニウム製の蜂巣状
構造のコア３０の上面に固着されている。コア３
０の下面に固着された対面部材３４も２方向性の
ケブラ繊維織布で形成される。この織布は、好ま
しくは120織（Weave）のような平衡した単調な
波を持つているものである。この織布は樹脂でま
たはエポキシで強化された材料である。この樹脂
またはエポキシは、室温で最初は粘性がありかつ
柔軟性をもつている。高温にさらすと織布中に浸
み込んだ樹脂またはエポキシは硬化して硬くな
る。この材料は、硬い状態では非常に剛直で強度
が大きい。この織布の織り方は、このシート材料
の面における熱膨脹係数が太陽電池１６の熱膨脹
係数と実質的に同一すなわち大体0.09×10-6cm／
cm／℃の近傍にあるように選ばれる。
ケブラは、通常、繊維の長手方向に負の熱膨脹
係数を呈する。すなわち、ケブラ４９と呼ばれる
一つのケブラの熱膨脹係数は−0.198×10-6cm／
cm／℃（−1.1×10-6インチ／インチ／〓）であ
る。これは、温度が上昇すると収縮することを意
味している。しかし、この材料は太陽電池の熱膨
脹係数とその熱膨脹係数が整合するようにその繊
維を方向づけすることができる。このために、
120織りのケブラ織布は、糸が互に直交していて、
0.072×10-6cm／cm／℃（0.4×10-6インチ／イン
チ／〓）の熱膨脹係数を有し、この値は太陽電池
の熱膨脹係数に殆ど等しい。上記の材料はその比
強度（密度で割つた強度）が、アルミニウム6061
−T6の101.6×105mm（４×105インチ）に比べて
482.6×105mm（19×105インチ）もある。このケ
ブラ材料の比弾性率（密度で割つた弾性率）は上
記したアルミニウムの2540×106mm（100×106イ
ンチ）に等しい。ケブラ材料は誘導体であつてか
つ熱絶縁性である。ケブラ材料に市販の注型用エ
ポキシ樹脂を含浸させると、硬化させたとき非常
に剛直で堅い表皮層すなわち対面部材を形成する
織布となる。このエポキシ強化ケブラ織布は、誘
電性で、前述のテドラや他の重量付加素子となる
ような中間材を全く必要とせずに太陽電池１６を
直接取付けるのに適している。
このケブラ層（エポキシ強化ケブラ織布の層）
を蜂巣状構造のコアに接着する方法は２種類ある
がそのどちらの方法を使用しても良い。第１の方
法は、ケブラ層を同時硬化する方法、すなわちこ
れをコアに接着する時に同時に硬化させるやり方
である。それには、対面部材３２および３４をそ
れぞれ構成する、エポキシを含浸させた２つのケ
ブラ織布をアルミニウム製のコアの上に載置し、
真空中で約121〜177℃（250〜350〓）の高温で硬
化処理をする。この加熱処理の間、この構体は多
孔質でない柔軟なプラスチツク・バツグの中に入
れておく。このバツグの内部を排気して、次にこ
のバツク外の大気圧によつて上記両素子を加圧す
る。この工程は真空バツグ法として積層技術の分
野で周知である。この硬化の過程中にケブラ層は
蜂巣状構造のコアに接着する。コアの両表面が平
坦であつて、しかも上記の硬化処理は加圧下で行
なわれるから、コアの表面に緊密に接触している
ケブラ層すなわち対面部材は、硬化後は自然に平
坦になる。
第２の方法は、剛性化するためにケブラ層を予
め硬化処理する方法である。次にこの層を、アメ
リカン・サイアナミド社（American Cyanamid
Corp.）製のエポキシ接着剤FM123（登録商標）
のような接着剤層（厚さ0.15mm）によつて、アル
ミニウム製の蜂巣状構造のコアに固着する。上記
何れの例においてもケブラ層は0.114mm（4.5ミ
ル）厚さの単層である。予め硬化処理を施す上記
方法の欠点は、ケブラ層をアルミニウム製の蜂巣
状構造のコアに固着するために接着剤の中間体を
使用するので全構体にその重量が付加されること
である。そのために同時硬化法が望ましい方法で
ある。
第５図における補剛材１４は上記ケブラ層より
なる対面部材３４が硬化した後でこの対面部材に
取付けられる。対面部材３４にこの補剛材を構成
するビームを接着するにはレフコウエルド
（Lefkoweld）109−LM52接着剤を使用する。太
陽電池１６はケブラ層よりなる対面部材３２が硬
化した後でこの対面部材上に配設される。補剛材
は、また、ケブラ層と蜂巣状構造のコアの同時硬
化処理の際に同時に取付けることも可能である。
誘電性のケブラ層に保持された各太陽電池は互に
電気的に絶縁されている。
太陽電池１６は相互接続体（図示せず）により
周知の方法で互に電気的に接続される。周知のよ
うに太陽電池１６は表面１７と１９（第３図）に
それぞれ電極を持つている。従つて、表面１７を
支持構体に固定させたときは隣接電池から電気的
に絶縁しなければならない。従来の装置ではその
様な絶縁に余分な電気絶縁性材料を必要とした
が、この発明の支持構体では、対面部材３２が誘
導性であるから余分な電気的絶縁のための部材を
必要としない。更に、この一体化構造により、最
小数の材料しか要せず、しかも単位面積当り所定
の重量に対し非常に高い剛性と強度が得られる。
この支持構体は通常大きな寸法たとえば182.88
cm×121.92cmのパネルを構成するものであるの
で、その剛直性を付加するために、補剛材１４が
使用されている。更に重要なことは、補剛材１４
が支持構体の熱膨脹係数を一様に保つ働きをする
ことである。
補剛材１４を構成する各ビームは第２図に示さ
れるように同じ断面形状を持つている。従つて、
第３図および第４図に１８で示されているビーム
だけについて説明する。第２図のビームのすべて
についての特徴は、その長軸（ビーム１８では符
号３６で示す）の方向において実質的に零または
僅かに正の（0.09×10-6）熱膨脹係数を示すこと
である。ビーム１８は、その長軸３６の方向に剛
性が強化されていると共に所望の熱膨脹係数を示
す点で独特のものである。ビーム１８は相異なる
材料より成る複数の層でできている。その芯材料
はエポキシ強化炭素繊維織布３８である。この織
布３８の織糸は互に直交する方向に延びている。
織布３８は基底部４０と２つの脚部４２，４４を
有する樋状に成形されている。横方向のフランジ
４６と４８がこの脚部４２，４４から互に反対方
向に延びている。織布３８は、樹脂またはエポキ
シ強化材料であつて、室温ではねばねばしている
が高温で硬化処理を施すと非常に剛直な堅い材料
になる。
通常の２方向性エポキシ強化炭素繊維織布は、
たとえば0.09×10-6cm／cm／℃（0.5×10-6mm／
mm／〓）程度の、僅かに正の熱膨脹係数を持つて
いる。この様な織維は、ハーキユリーズ社
（Hercules Corp.）で、高強度グラフアイトのマ
グナマイト（Magnamite）ASI、中間の強度お
よび弾性率（モジユラス）のグラフアイトである
マグナマイトHTS、高弾性率（モジユラス）の
グラフアイト、マグナマイトHMS、および超高
弾性率のグラフアイトであるマグナマイト
UHMS、等として製造されている。セラニーズ
（Cellanese Corp.）は、高強度グラフアイトのセ
リオン（Cellion）3000、および超高弾性率のグ
ラフアイトであるGY−70とGY−70Eを製造して
いる。ユニオン・カーバイト社（Union Carbide
Corp.）は、高強度のグラフアイトであるT300お
よび超高弾性率のグラフアイトP75Sを製造して
いる。第３図に示すビームを作るのに好適な炭素
繊維は、セラニーズGY−70或いはユニオン・カ
ーバイド社のP75Sである。この材料は、直線状
（単方向形状）では比弾性率が1719.58×106cm
（677×106インチ）、比強度が43.18×105cm（17×
105インチ）であり、これに対し、アルミニウム
6061−T6の場合には比弾性率が254×106cm（100
×106インチ）、比強度が10.16×105cm（４×105イ
ンチ）である。２方向性の積層繊維は互に直交し
ている。第４図の単層織布３８および７１の繊維
は長軸３６と平行な方向に対して何れも0゜および
90゜に向けられている。すなわち、１組の繊維は
長軸３６に平行であり、他方の組の繊維はそれに
対して直交している。しかし45゜と−45゜（上記の0゜
と90゜からそれぞれ45゜ずらした向き）という様な
他の角度関係も選択可能である。
太陽電池１６と補剛材１４との間で補剛材の長
軸（ビーム１８では３６）の方向において熱膨脹
係数に不整合があると、熱サイクルの期間に支持
構体に歪が生ずることになる。長軸３６方向の剛
性が大きく、熱膨脹係数が太陽電池のそれと近似
し、かつ軽量な構造を実現することが望ましい。
第３図は、単方向性のエポキシ強化炭素繊維を
複数の層に形成して、織布３８に固着することが
示されている。この単方向性エポキシ強化炭素繊
維は１つの共通の方向に互に平行に延びている。
この様な繊維の熱膨脹係数は零に近く僅かに負で
ある。この発明の特徴に従つて、２つの単方向性
エポキシ強化炭素繊維層５０と５２が基底部４０
の上側表面上に、また２つの単方向性エポキシ強
化炭素繊維層５４と５６が基底部４０の下側表面
上に設けられている。一つの例として、ビームを
形成するには、所望の断面形状をもつた雌型の中
に室温で材料を入れ、次にこれらを圧力釜の中に
入れる。この圧力釜は121〜177℃（250〜350〓）
で2.54cm平方当り45.36Kg（100psi）の圧力に昇圧
された窒素雰囲気を持つている。第２の例では、
ビームの材料を対をなす型の間に入れて45.36Kg
（100psi）の力で加圧する。この加圧期間中に、
この材料は121〜177℃（250〜350〓）で硬化す
る。層５０，５２，５４および５６は単層テープ
であつてその繊維はビーム１８の長軸３６に平行
な方向に延びている。基底部４０の上側表面上に
ある２つの層５０と５２および基底部４０の下側
表面上にある２つの層５４と５６は、熱サイクル
によつて生ずる曲げモーメントに対して互に整合
する傾向がある。すなわち、層５０と５２の温度
変化は両層を膨脹または収縮させようとする力を
生ずるがこれは層５４と５６の膨脹または収縮に
よつて生ずる同様な力と２方向性の織布３８に関
して反対のものである。従つて、熱サイクルが生
じたとき、基底部４０の一表面上にある層５０と
５２は、該基底部４０の他方の表面上にある層５
４と５６が生成するトルクと丁度逆向きで平衡し
たトルクを生じ、結局誘起される正味のトルクは
零になる。層５０，５２，５４および５６の相互
間には長軸３６に対して直交しかつ基底部４０と
平行な方向に沿つてその幅に100分の数mm（数ミ
ル）程度の僅かな差があるが、上記の平衡したト
ルクに対するその影響は無視できる程度に過ぎな
い。この様に熱による２組の２重層の膨脹または
収縮は基底部４０に対して互に逆の平衡したトル
クを生じさせる。この様な平衡トルクが無いと、
ビームはサーモスタツトのバイメタル素子と同じ
様にその長軸に対して曲つたり歪んだりすること
になる。
上記のような単方向性テープすなわち層は２方
向性織布３８と共働して所望の熱膨脹係数を発生
する。基底部４０の両表面上のこの多重層は基底
部４０の長さ方向に相隔たる点において基底部４
０に直角方向に加わる力によつて生ずる応力に対
し大きな抵抗を示す。
上記と同様な理由で、ビーム１８のフランジ４
８両表面上にはそれぞれ互に鏡像的に単方向性層
６０と６２が配置され、フランジ４６の両表面上
には同様な層６４と６６が設けられている。これ
らの層６０，６２，６４および６６は何れも単層
の単方向性エポキシ強化炭素繊維テープから成る
ものである。層６０〜６４中の織維は、すべて層
５０〜５４中の織維と平行な方向に延びている。
フランジ４８，４６の上側表面上の層６０，６４
はそれぞれ下側の層６２，６６中に熱によつて生
じた応力に対し反対するように働く。従つて、こ
の単方向性繊維は、両端縁２２と２３における力
のような、基底部４０の面に垂直な力によつて生
ずる曲げに対して、ビームに大きな強度を与え
る。第２図に示した補剛材１４を構成するビーム
は、太陽電池１６と基板１２の各熱膨脹係数によ
く整合した熱膨脹係数を呈する。ビーム１８の横
方向、すなわち基底部４０の面におけるビーム１
８の長軸３６と直交する方向では、所望のものと
は異なる熱膨脹係数を示す。しかし、長軸３６に
沿つて延びる繊維の層５０，５２，５４および５
６があるために、この横方向における曲げに対す
るビームの抵抗は比較的弱く、またビームの横方
向の膨脹は熱的変化があつてもこの複合構造全体
に対して殆ど悪影響を及ぼさない。アルミニウム
製の蜂巣状構造のコア３０は、前述の如く比較的
熱膨脹係数が大きく、またその平面の方向たとえ
ばビーム１８の長軸３６の方向において比較的強
度が小さいが、温度変化に遭遇しても対面部材３
４と３２の構造的な剛性によつて膨脹が防止され
る。第３図において水平方向における対面部材３
２と３４の強度はアルミニウム製のコアの強度よ
りも遥かに大きい。
ビームの構造を完成させるために、第４図に示
される如く、２方向性エポキシ強化炭素織布層７
１を単方向性繊維層６２と６６を介してフランジ
４６と４８に取付ける。織布層７１中の繊維は、
織布層３８中の繊維と同方向に、すなわち長軸３
６に平行な方向および長軸と直交する方向に延び
ている。このビームを硬化処理してから、対面部
材３２と３４の硬化処理中にまたは硬化処理後
に、第３図に示すように蜂巣状構造のコア３０と
共に対面部材３４にビームを取付けて、完全な構
造とする。グラフアイトの２方向性織布は135織
りのものであつてよい。
宇宙船の構造によつては、ビームに層５０〜５
４，６０〜６６の様な層をより多数または少数設
けることができる。基底部４０とフランジ４６，
４８とを通る横軸の周りの曲げモウメントの大き
さは宇宙船の構造が異れば異なつたものになる。
層５０〜５４、６０〜６６の数はその様な曲げモ
ーメントの大きさによつて決定される。
腕木接続用リンク７４（第２図参照）がビーム
１８と２０から丁度等距離のビーム２６の中央部
に設けられている。このリンク７４は宇宙船（図
示せず）にパネル１０を取付けるためのパネル展
開用腕木（図示せず）を受入れるものである。同
様に、ビーム２４の中央部に第２のリンク７４′
が設けられており、これはパネル１０に対して第
２のパネルを折畳みおよび展開する向きに連結す
るパネル相互連結リンク（図示せず）を受入れる
ものである。ビーム１８と２０に設けられたねじ
付金属挿入具７６は、打上げ中に宇宙船にパネル
を保持しておくためのパネル固定素子たとえばボ
ルトを受入れる。リンク７４，７４′および挿入
具７６は金属製であるので、電解腐蝕を防止する
ために炭素（グラフアイト）製のビームから電気
的に絶縁しなければならない。このために、挿入
具７６とリンク７４，７４′は、ビームのこれら
の取付部に固着されている誘電性ケブラ製の付属
具（図示せず）中に取付けられる。
前述の通り、挿入具７６は所定の宇宙船に対し
て所定の離隔関係をもつて固定される。従つて、
パネル１０の剛性は挿入具７６の位置に対して測
定する。パネル１０を挿入具７６の位置で宇宙船
に固定したとき、このパネルの共振周波数は50Hz
以上である。これらの挿入具は、パネル１０に対
して対称的に位置し、更に具体的にはビーム２４
と２６への接続部に近接してビーム１８と２０に
対し対称的に位置している。たとえば、こゝで述
べた寸法形状のパネルの場合には、挿入具７６は
長軸３６の方向に沿つた中心間距離が121.92cm
（48インチ）で、長軸３６に直交する横方向に沿
つた中心間距離が86.52cm（38インチ）である。
腕木（図示せず）を取付けるためのリンク７４と
７４′はビーム２６と２４の中心点にそれぞれ固
着されている。
固定点の位置はビーム１８，２０，２４，２６
および２８の配置を決める場合の一要因となる。
また、パネルの形状と寸法もビームの配置を決定
する際に考慮すべき要因である。こゝに図示した
ビームの配置はＨ形であるが上記諸要因によつて
は他の形状も使用できる。たとえば、ビームは、
矩形、正方形、星形、格子形その他の形に配置し
てもよい。また、パネルは矩形状のものを図示し
たが、これも他の任意形状とし得るものである。
固定用の挿入具７６は、宇宙船まで延びるボル
トを受入れるねじ孔を有するものであることが望
ましい。隣り合う折畳まれたパネルの挿入具７６
は整列していて互にボルト締めされる。これらの
代りに、ロープや他の形状の固定機構を受入れる
他の適当な装置を使用することもできる。
［発明の効果］ 第１図および第２図に示した支持構体は、(イ)非
常に強鞁（剛性がある）で、(ロ)打上げ状態で宇宙
船に装着されたとき50Hzよりも高い自然共振周波
数を有し、(ハ)比較的少量の材料しか使わず軽量で
あり、(ニ)幾つかの装置に種々の素子を接合するた
めの余分な接着剤を必要とせず、(ホ)対面部材３２
と太陽電池１６との間に余分な誘電性中間層を必
要とすることがなく（アルミニウム製のコアと導
電性表皮層を使用する従来方式とは異なる）、(ヘ)
すべての構成要素が相互に具合よく熱的に整合し
ている。ケブラ層よりなる対面部材３２，３４お
よびビームよりなる補剛材１４をアルミニウム製
の蜂巣状構造のコアに組合せて構成した支持構体
は独特の熱特性を持つている。熱の良導体である
アルミニウムは、太陽に面する熱絶縁性の対面部
材３２から太陽と反対側を向いている熱絶縁性の
対面部材３４に熱を伝達する。ケブラ層は高い放
射性をもつ良好な熱輻射体であるから、伝達され
た熱を宇宙空間へ放射する。こうして、このアル
ミニウム製のコアとケルバ層よりなる対面部材の
組合せは従来の構造に比べてより効率良く支持構
体の温度を均等化するように働く。
各素子を組立構成するのに同時硬化処理をする
のが好ましい方法であると説明したが、種々のケ
ブラ層を予め硬化処理して後でそれらを取付ける
ことの方が望ましい場合もあることが、当業者に
は容易に理解できよう。しかし、この場合、補剛
材（ビーム）、対面部材３２，３４およびアルミ
ニウム製のコア３０などを含む種々の素子を取付
けるために別の接着剤を使用することが必要にな
る。
対面部材３２と３４のケブラ繊維は0゜および
90゜の方向すなわち直交して延びており、その一
組の繊維は長軸３６の方向（第４図参照）すなわ
ち第１図では基板１２の長手方向と平行に配置さ
れる。他方の繊維はこの長手方向に直交する基板
の幅方向に延びている。すなわち、ケブラ繊維は
第１図に示すように太陽電池を縦横に配列した太
陽電池アレイの格子状の配列方向と平行に延びて
いる。ケブラ繊維はその長さ方向について最大の
強さを示す。第２図のビーム１８と２０において
はその長軸３６の方向に最大の剛性が、すなわち
その横軸を中心とした曲げ応力に対する抵抗が必
要である。従つて、一組のケブラ繊維はこの方向
に平行になつていて、長軸３６に直交する横軸を
中心とするトルクに対してビームは最大の剛性を
示すように構成されている。
第２図において、ビーム１８，２０，２４およ
び２６の連結点の上部には、厚さが0.114mm（4.5
ミル）の２方向性エポキシ強化ポリパラベンズア
ミド織布の単層より成る補強板７０が設けられて
いる。ビーム２８とビーム２４および２６との連
結点の上部には補強板７２が設けられている。こ
の補強板７０と７２はビーム２４，２６および２
８の所要位置に正しく接着固定されている。
一部のものしか図示されていないが、各ビーム
の相互連結点の角の部分にはＬ形の重ね板７８が
取付けられている。これらの重ね板は、２方向性
エポキシ強化炭素繊維織布の単層または多重層よ
り成り、各連結点でビームを補強する。補強板７
０と７２および重ね板７８には比較的少量の材料
しか使われていないから、これがビーム全体の熱
膨脹係数に対する影響は無視できる程度である。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の一実施例のパネルの斜視
図、第２図は第１図のパネルの下面を示す斜視
図、第３図は３−３線における第２図のパネルの
一部の断面図、第４図は第１図、第２図および第
３図の構造に使用される補剛材の一例を示す斜視
図、第５図は第１図のパネルの一部を切欠して内
部の種々の構造を示す斜視図である。 １０……パネル、１６……太陽電池、１４……
補剛材、１８，２０，２４，２６，２８……補剛
材を構成するビーム等の部材、３８……ビームを
構成するエポキシ強化炭素繊維織布、３２，３４
……対面部材。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽電池アレイを支持するための支持構体に
    おいて、 第１および第２の表面を有するアルミニウム製
    の蜂巣状構造のコア３０と、上記第１および第２
    の表面にそれぞれ接着された対面部材３２，３４
    と、これらの対面部材の一方３４の露出した表面
    に接着された複数の補剛材１４とを有し、 上記対面部材の各々が少なくとも１層のエポキ
    シ強化ポリパラベンズアミド織布シートよりな
    り、上記補剛材がそれぞれ、長軸３６と横軸とに
    沿うエポキシ強化炭素繊維製の部材１８，２０，
    ２４，２６，２８で構成されて、これらの部材が
    上記対面部材の一方３４を構成する上記織布シー
    トの露出した表面に接着されており、また上記対
    面部材の他方３２を構成する上記織布シートの露
    出した表面は上記太陽電池アレイを取付けるため
    に用いられるものであり、さらに、上記対面部材
    および上記補剛材の全てが上記対面部材の表面に
    平行な所定の方向において太陽電池と実質的に同
    じ実効熱膨脹係数を有している、太陽電池アレイ
    の支持構体。
JP57137132A 1981-08-05 1982-08-05 太陽電池アレイの支持構体 Granted JPS5837975A (ja)

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US290176 1981-08-05

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