JPS63501558A - 酸素粒子照射方法、粒子ビーム照射方法、汚染物質フィルムクリーニング方法、及び人工衛星及び宇宙船の寿命を長くする方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 原子ビーム照射のための方法及び装置 発明の背景 １、発明の分野 本発明は、宇宙船表面から不所望のフィルムを自動的に除去するためのシステム に関する。特に、この発明は、宇宙で宇宙船の非常に重要な表面に対する太陽の 紫外線の重合活動によって堅く結合した有機物質層を除去するための方法及び手 段に関する。

２、背景情報 宇宙船は一度、地球の大気圏の上層を越えて敵性環境にさらされると、その宇宙 船自身から遊離された粒子に加えて宇宙にある微細物質が、その宇宙船中へ及び 外へ放射線を通過させるためのインターフェースとして供される感受面上に、閉 塞層を形成する。これらの不所望の物質は、宇宙船が宇宙でその進路に沿って移 動するにつれて、ランダムな衝突の結果として静電力によって表面に誘引され、 あるいは宇宙船外面上に堆積される。宇宙船に付着するこれらの粒子が太陽の紫 外線によって照らされた結果として、それらは互いに結合し、人工衛星の外面上 の放射線インターフェース表面に結合する。太陽のエネルギは、それらの重要な センサ及び宇宙船の通信領域から除去するのが難しい重合体と呼ばれる有機分子 の長いチェーンを形成することを助ける。

センサあるいは放射線開口が一度、部分的に不透明な被覆で覆われると、全体の 宇宙システムの効率及び効力は、非常に低下する。極めて重大な無線信号、赤外 線信号、光信号、又はレーザ信号の送信が、損われあるいは妨げられてしまう。

科学者が調査を行うことを助けるために、地球の表面又は大気圏から放射線を集 め、蓄積し、あるいは分析する軌道センサプラットフォームの能力が、非常に減 少させられてしまう。

進路上に及び適当な姿勢に残るための最高のナビゲーシジンテクニックに依存す る人工衛星が、若しその星センサの対物レンズが宇宙の有機堆積物の遮光スケー ルによって覆い隠されるならば、完全に役に立たなくなってしまう。

宇宙に於けるほとんどあらゆる宇宙船は、これらの汚染物質被覆の形成に起因す る操作有効性の必然的な減少によって損害を受ける。科学的１軍事的、商業的努 力の増加は、我々の大気圏上の領域の活用の利益を獲得し始めている。宇宙ベー スの望遠鏡は、地上にのみ限られていた天文学的観測を広げている。軌道からの 遠距離検知は、軍事的監視及び天気予報の最新の方法の基となっている。軌道検 出システムは、地震検出、農業収穫量、世界の海洋の変化、及び石油及び他の希 な鉱物資源のだめの開発に関する研究に於いて重大な役割を演じている。これら の高価なシステムの事実上全ての有用性は、これらの歓迎されない薄板の徐々の 増進によって、ゆっくりとではあるが、不可避的に減ぜられている。

軌道にある宇宙船からこれらの有害な有機フィルムを除去することによって、放 射線開口表面を自動的にクリーニングするために使用されることができる、発明 者に知られた従来の方法及び装置は存在しない。若し、外部センサ及び送信アン テナに粘着する粒子が紫外線に決してさらされないならば、上記粒子は堅い、非 常に粘着性の重合体には変換されず、若し被覆された基表面が十分に熱せられる ことができるならば、単純昇華作用によって分散されることができる。軌道にあ る宇宙船の全ての外部エリアが、太陽によって結局照射される故に、加熱による 汚染物質の昇華作用は、幾らかの実際的な効果を提供する解法である。

低軌道にある宇宙船のためには、若し重要な表面が、宇宙船の動きの方向に向か うように配置されるならば、幾分クリーニングされることができる。この場合、 １００マイル以上に６０ある大気酸素の跡は、を機フィルムに衝突し、酸化反応 によってそれらを消してしまう。このテクニックはほんの僅かしか有効ではなく 、低高度の非常に狭い範囲内で動作するように強いられるスペースシャトルのよ うな宇宙船に制限される。センサ及び電力表面のクリーニングを必要とする大多 数の宇宙船は、遥かに高い軌道で世界を周航し、それらは地表上２３０００マイ ルを越えて地球を回る静止衛星を含む。

地球環境中で、同様の有機物質が実験室状況の下に特別なランプを使用して分散 されている。大気中の酸素が、紫外線ランプによる刺激によって、同素体の一方 、即ちオゾン、及び酸素原子に変換されている。重合層及び紫外線エネルギとこ れらのガスの相互作用の結合された効果は、汚染物質の最も上の数層の除去であ る。非常に広大な有機被覆は、多くの層が付加放射線によって簡単に再重合され る故に、紫外線・オゾン処理のこの方法を受けにくい。

高エネルギビームが前面に衝撃を与えるため及び動力学的相互作用を通して閉塞 フィルムを解放するために使用されることができるが、附随して、そのビームは 復帰させるつもりの感受面に損害を与え、それらを破壊する。これらのテクニッ クは暴力によって問題を解決するが、傷付きやすい保護光学被覆によってしばし ば囲まれる宇宙を運ばれる表面上に使用するのに十分なだけ選択的でない。

前述された方法及び装置は、それらの極めて重大な放射線開口の有機フィルム不 明瞭化による宇宙船の低下の問題に対する効果的な解法は提供しない。この問題 に対する有効な解法は、２５年以上もの間、航空宇宙界に経験された、長く感ぜ られていた要求を満足させるだろう。不所望のフィルムを除去するための真に実 用的な信頼性のある手段は、はとんど全ての未来の宇宙システムの有用性を増加 させ且つ宇宙に於ける科学的１軍事的、商業的計画のための機会を拡大するであ ろうスペースチクノロシイに於いて主要な進歩を表わすであろう。そのような装 置は、宇宙システムの広い変化と協同して動作するのに、及び基礎を成すハード ウェアを害することなしに、無数の重要な人工衛星部品のために確実にクリーニ ングタスクを行うのに、理想的に適当であるだろう。

発明の要約 本発明は、極めて重大な宇宙を運ばれる放射線インターフェース表面の有機掩蔽 の問題に対する有効な、実際的な、安価な、直接の解法を提供する。この発明は 、粒子を単量体に分解する流れの中に形成されることが可能なりリーニング剤の 積載供給を利用する。これらの粒子は、太陽の紫外線の活動によって宇宙船に堅 く結合した不所望の被覆を帯びる標的面に照準される。この分子ビーム、原子ビ ーム、イオンビーム、あるいは励起されたプラズマビームは、標的面が過度の動 力学的相互作用によって損害を与えられないように、特定範囲内のビームエネル ギで発生される。クリーニング剤粒子は、酸化反応に於いて、中性電位に保持さ れている標的上の有機フィルムと化学的に相互作用する。次に、これらの反応物 は、遊離させられた揮発性ガスとして宇宙船から運び去られる。あるいはまた、 クリーニング剤は、激しい太陽活動の期間の間、標的の付近に分子ガスとして宇 宙船内のチェンバから分散させられることができる。次に、分子ガスの放出の結 果として形成された正イオンが、平均で、軌道の約１５％の幾らかの所定の間隔 で生ずる太陽障害の結果として、正味の負電荷を累積した宇宙船に加速して戻さ れる。このイオンの戻って来る流れは、同様の結果を有する同様の酸化反応を成 し遂げる。

よって、放射線収集の低落の問題を解決する効果的な手段を提供すること、及び 不透明になる層の形成で損害を受けてしまう宇宙船の他の部品と同様に表面を交 換することが、本発明の目的である。

レンズ、センサ、レーザ及びレーダ開口、窓、反射鏡、太陽電池、熱制御面、放 射線１測定装置、鏡、望遠鏡、サーマルイメージングアレイ、スキャニングアレ イ、ステアイングアレイ、検出器、指示ランプ、及び照明装置を、それらの最初 の傷のない状態に自動的に復帰すること及び再生することが、本発明のさらなる 目的である。トランポンダ、アンテナ、アクチュエータ、バルブ、ノズル、ロケ ット部品、ドツキングアセンブリ、ロボット腕、ハウジング、極低温装置のよう な軌道中の他の内部及び外部部品もまた、等しい成功を有して修理されることが できる。非透過性の汚染物質被覆によって損われた発電源は、本発明の方法及び 装置を適応することによって回復させられることができる。これは、供給電力を 発生するこれらの手段がそれらの集光面の失透によって危険にさらされないとい うことを保証することによって、非常に高価な通信１軍事、及び科学衛星の寿命 がより延ばされることができるということを意味する。

本発明のなお別の目的は、広い種類の設計及び宇宙システム任務とコンパチブル である人工衛星保守の問題に対する解法を供給することである。本発明は、はと んどどのような人工衛星設計にも容易に組込まれることができる頑丈な小型の信 頼性のあるサブシステムとして構成されることができる。

本発明の他の目的は、太陽風の活動を活用することによって、粒子ビーム装置の 付加的な重量及び複雑さなしに、宇宙船クリーニングの所望の結果を達成するこ とである。

本発明のさらに別の目的は、感受面を損うことなしに、且つ宇宙光学機器及び外 部表面を保護する特別な被覆を破壊することなしに、宇宙船及び他の軌道を回る 装置をクリーニングすることである。

本発明の他の目的は、詳細に後述される方法及び装置を使用して周期的に復帰さ せられることができる人工衛星を設計して組立てることの自由ををする宇宙船設 計者を提供することである。それらの製造時の性能能力に対する熱制御のために 使用される第２の面１石英／銀鏡のような軌道を回る部品を復帰するための能力 は、それが重量要求を減じ且つシステム束縛を最小、にするだろう故に、宇宙船 設計に多大な有益な影響を有するだろう。

本発明の他の目標及び目的の認識及びこの発明のより完全且つ包括的な理解は、 以下の実施例の説明を熟読することによって、及び添附の図面を参照することに よって成し遂げられることができるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、化学反応によって揮発させられる汚染物質層を帯びる光学表面に向け られる酸素イオンあるいは励起されたプラズマのビームを発生するための装置を 示す本発明の概略図である。

第２図は、酸素分子を分散させることによって、及び太陽の障害により形成され る正酸素イオンに、静電力の作用の下に負帯電された宇宙船に向かって加速して 戻すことを許すことによって、宇宙船表面をクリーニングする機会を与える太陽 嵐のエネルギにさらされた人工衛星の斜視図である。この代替の方法は、第１図 に示されたビーム発生装置のための要求を不必要にする。

実施例の説明 第１図には、原子ビーム照射用装置１０が示されており、これはバルブ１６によ って制御される供給源１４から酸素分子が供給される粒子ビーム発生器１２を含 んでいる。制御ユニット１８は、電気的に開閉されるバルブ１６ヘケーブル１７ を通して電気信号を送出することによって、ビーム発生器１２への酸素の流れを 調整する。酸素ガスは、導管２０を通って粒子ビーム発生器１２の真空の加速チ ェンバ２２中に供給源１４から流れる。電源２６から電流が流されることによっ て熱せられたフィラメント２４は、高電位に保持されたプレート２８に向かって 加速する電子を遊離させる熱電子プロセスを引起こす。高温になったフィラメン ト２４から放出されてプレート２８に向かって移動する電子は、酸素二量体と衝 突して酸素イオンを形成する。制御グリッド３０のような酸素イオンの経路中の 種々の帯電面が、正帯電酸素イオン４０を誘引して、発生器チェンバ２２を横切 ってビームノズル３８から外へ加速するために使用される。

酸素イオン４０は、外基面４２として参照されるだろう汚染物質有機被覆及び放 射線開口面を含む標的に注がれる。この外基板４２の下の面は、４６として概略 的に示された宇宙船の一部に取付けられたレンズ基板４４として第１図に示され ている。レンズ４４は、レンズ４４を保護する光学被覆４３を傷付けることなし に、不所望の有機層４２に衝撃を与える正帯電イオン４０の十分な効果を得るた めに電気的に接地されている。イオン４０が層４２に衝突した時、酸化反応が生 じて、層４２中の有機物質は分解され、酸素４０と結合して、宇宙船４６から揮 発性ガス５０として分散される。この化学的相互作用によって形成される化合物 は、通例、−酸化炭素、アンモニア、メタン、及び水を含む。ビーム発生器１２ は、それがレンズ４４のような重要な放射線開口面に永久的に照準するように宇 宙船上に取付けられることができ、あるいはその範囲を拡大して、宇宙船の一つ 以上の固定エリアをクリーニングするために、ヒンジ又はジンバルを遠隔制御に よって動かすように適合されることができる。

第２図は、第１図に示されたビーム発生器１２の使用を無効にする本発明の他の 実施例を示している。衛星５２は、（第１図に示された）制御ユニット１８から ケーブル１９上に発せられた電気信号によって動作されるバルブ１５によって接 続された酸素のチェンバ１４を含んでいる。上記チェンバは、酸素噴出口５８に 接続されている。激しい太陽活動の期間の間は、（−印５６によって示された） その宇宙船体上に負電荷を押付ける光子５４によって衝撃を与えられている。

酸素分子がバルブ１５を通って噴出口５８に放出された時、同一太陽放射線は周 囲の空間に放出された酸素二量体の大部分をイオン化し、衛星５２から離れる正 帯電酸素イオン６０及び負帯電酸素イオン６２の両方を作り出す。Ｄｅｂｙｅ効 果のために、負電荷５６が宇宙船体上に押付けられる。正イオン６０は、静電的 に誘引されて、宇宙船に向かって加速して戻される。それらが衛星の外面と衝突 する故に、それらは前述され且つ第１図に概略的に示されたビーム発生器１２に よって使用されたテクニックによく似ている。このテクニックは、地球上の人員 が太陽嵐を検出した時に、彼等からの無線信号によってバルブ１５を開けること を、制御ユニット１８に指令することによって成し遂げられることができる。

あるいは、制御ユニット１８に結合されたセンサ（図示せず）が、太陽放射線５ ４を監視して、放射線の閾値レベルが検出された時に自動的に上記クリーニング 動作を行うように、宇宙船５２上に永久的に取付けられることができる。

酸素が好ましいクリーニング剤であるとはいえ、ハロゲン族のどのような物もフ ィルム除去タスクを成し遂げるだろう。

低圧力環境中の面から不所望の錆びを分散させる化学反応によって有機フィルム を除去するだろう分子のどのようなビームも、この発明のためのクリーニング剤 として適当である。

発明者が現在、酸素イオンを要求することが本発明の最良の態様であると考えて いるとはいえ、本革新的な方法及び装置によって具現化された本質的なアイデア を実行することの可能などのような分子、原子、イオン、原子より小さい粒子、 光子、あるいはプラズマが使用されることができる。

同様に、広範囲のエネルギを示す粒子が本発明を実行するために選択されること ができるとはいえ、それぞれの個々の適応は、不所望の汚染物質層の真下の基板 を傷付けるだろうスパッタリング反応を始めることを妨げるために、特定の工ネ ルギ範囲を要求することができる。最近行なわれた実験室試験によれば、このタ スクのためのビームエネルギの最良の範囲は、酸素が利用される時には、１乃至 １０エレクトロンボルト（ｅＶ）である。本発明のクリーニング活動の幾らかは 、ビームとフィルムの動力学的相互作用によって成し遂げられる。若し特定のフ ィルムが精密に制御されたエネルギレベルを有する粒子流との選択的衝突によっ て分散できることが知られているならば、そのフィルムは化学的相互作用の誘導 の必要性なしに表面から剥がされることができる。

詳細に前述されたように、粒子は、所望の物理反応あるいは化学反応のための機 会を作り出すだろういずれかの手段を使用してターゲットに運ばれる。上記実施 例が、積載された供給源から供給された酸素分子を熱イオン的に裂くことによっ てクリーニング剤束を発達させるイオン銃を組込んでいるとはいえ、発明者の概 念を達成に導くだろう粒子即ちエネルギ場の分散を実現するためのどのような手 段も好結果で開発されることができる。イオンビームは、周知の電子銃テクニッ クを使用して発生されることができ、あるいはプラズマジェットを作り出すあま り普通でないマイクロ波あるいは無線周波数励起回路を使用して形成されること ができる。レーザビームは、汚染物質を動力学的に遊離させることの可能な正確 な量のエネルギを帯びる光子で、表面に衝撃を与えることによって、不所望のフ ィルムを選択的に除去するために使用されることができる。

本発明の要求は、酸素又は他のクリーニング剤の限定された排気可能な供給源の 束縛によって制限されない。宇宙船上に取付けられた採集手段は、宇宙船がその コースを進むにつれ、周囲の空間から適当な粒子を集めるだろう前述の実施例の 一つと協力して働くように採用されることができる。これらの集められた粒子は 、規則的な間隔で自動クリーニングのために蓄積されることができ、あるいは要 求に費やされることができる。

上記ビーム発生手段は、地球上の地表制御局からの無線命令によって、あるいは 近くの宇宙船内の宇宙飛行士によって付勢されることができ、あるいは規則的に 予定されたメインテナンスのように周期的に感受面をクリーニングするように、 電子回路技術の当業者に周知の回路を使用してプログラムされることができる。

本発明はまた、宇宙船の非常に重要な領域又は部品上に汚染物質層が築かれるの を監視するために宇宙船上に又は中に取付けられるセンサからの信号に応じて動 作するように適合されることができる。光伝導センサが、太陽電池又はデテクタ アレイの対物レンズに隣接して取付けられた小さな半導体レンズからのレーザビ ームの散乱又は吸収の程度を測定するように、適当な位置に置かれることができ る。この情報は、動作を開始した時に、ビーム発生器あるいは他のクリーニング 剤配置手段に順次に命令することができるマイクロプロセッサに対する入力を含 むことができる。

この出願に述べられた方法及び装置は、宇宙船の外表面をクリーニングすること に、限定されるものではない。この発明の主要な使用が、放射線交換開口として 概して参照されることができる宇宙船の外側上の光学素子、センサ、及び太陽電 池をクリーニングすることであると、発明者が現在考えているとはいえ、衛星の 内部部品もまた、不所望の残余層の形成で損害を被ることができる。軌道から複 雑な熱イメージング動作を行うことを放射線デテクタに可能にする宇宙船内の極 低温の冷却システムもまた、これらの方法及び装置を使用してクリーニングされ 再び磨かれることができる。同じ汚染物本発明の方法及び装置の応用から利益を 得ることができる。

十分に真空にされたチェンバ内の物質及び装置の製造又は変更修正を当てにする 製造プロセスは、この特許出願に於いて請求された重要な発明によって与えられ た機会から利益を得ることができる。

本発明が特定の実施例に関して詳細に述べられたとはいえ、種々の変更修正及び 改良が本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに成されることができるとい うことが、当業者には認識されるだろう。

国際調査報告 ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＩＦ、Ｅ　ＩＮＴＥＲ）ｉＡＴＩｏ：：ＡＬ　５ＥＡＲＣＨ ＲＥＰＯＲＴ　（Ｊ二１

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の粒子を十分に低い圧力環境中で標的に照射するための方法で、 前記標的に向かって粒子供給源から前記複数の粒子を運ぶことと、 前記粒子と前記標的との間に相互作用を引起こすため前記粒子で前記標的に衝撃 を与えることと、及び続いて前記粒子との前記相互作用の結果として前記標的の 部分を除去することと のステップを含む複数の粒子を十分に低い圧力環境中で標的に照射するための方 法。
2. ２．粒子ビームを使用して十分な真空中の標的を照射するための方法で、 粒子ビーム手段に粒子供給源から複数の粒子を移動させることと、 基板及び隣接する外基板層を含む前記標的に向かって前記粒子ビーム手段から前 記粒子を向けることと、前記粒子と前記外基板層との間に相互作用を引起こすこ とと、及び 前記基板から前記外基板層の多大な部分を引離すことと のステップを含む粒子ビームを使用して十分な真空中の標的を照射するための方 法。
3. ３．前記粒子と前記外基板層との間の前記相互作用は、前記外基板層の成分が前 記粒子の派生物と結合して、その後に前記基板から遊離させられる化学的相互作 用である請求の範囲第２項に記載の方法。
4. ４．前記粒子と前記外基板層との間の前記相互作用は、前記外基板層の成分が予 め選択されたエネルギレベルを有する粒子によって前記基板から動力学的に遊離 させられる物理的相互作用である請求の範囲第２項に記載の方法。
5. ５．宇宙で対象の表面から汚染物質有機フィルムをクリーニングするための方法 で、 有機汚染物質の隣接するフィルムを帯びる表面にクリーニング剤を衝突させるこ とと、 前記クリーニング剤による酸化反応に於いて前記汚染物質を揮発させることによ ってそれらを遊離させることと、及び 前記表面を傷付けることなしに前記フィルムを十分に除去することと のステップを含む宇宙で対象の表面から汚染物質有機フィルムをクリーニングす るための方法。
6. ６．前記粒子が分子粒子である請求の範囲第１項に記載の方法。
7. ７．前記粒子が原子粒子である請求の範囲第１項に記載の方法。
8. ８．前記粒子が水素原子よりも小さい請求の範囲第１項に記載の方法。
9. ９．前記粒子がイオンである請求の範囲第１項に記載の方法。
10. １０．前記粒子が酸素分子である請求の範囲第１項に記載の方法。
11. １１．前記粒子が水素原子である請求の範囲第１項に記載の方法。
12. １２．前記粒子が励起されたプラズマの流れを形成する請求の範囲第１項に記載 の方法。
13. １３．前記粒子が１乃至１０エレクトロンボルトを有している請求の範囲第１項 に記載の方法。
14. １４．人工衛星及び宇宙船の太陽電池の有効性を更新することによって人工衛星 及び宇宙船の有効性を復帰させるための及び寿命を長くするための方法で、電気 への変換のため太陽光を集光する太陽電池を有する宇宙船と宇宙でランデブーす ることと、前記太陽電池の表面に粒子ビーム手段からクリーニング剤を発射する ことと、及び 電力を発生するために前記太陽電池の最初の完全容量を復帰させるため、前記太 陽電池を覆う不所望の不透明になる有機汚染物質フィルムを除去することとのス テップを含む人工衛星及び宇宙船の太陽電池の有効性を更新することによって人 工衛星及び宇宙船の有効性を復帰させるための及び寿命を長くするための方法。
15. １５．有機汚染物質の隣接するフィルムを帯びる前記表面に衝突される前記クリ ーニング剤は、前記クリーニング剤の一部をイオン化するために、太陽不安定の 期間の間、積載された供給源から周囲の空間に前記クリーニング剤を放出するこ とと、及び前記太陽不安定に起因する静電力によって前記表面に向けて前記放出 されたクリーニング剤を戻すように誘引し且つ加速することと によって分散させられる請求の範囲第５項に記載の方法。