KR20220031552A - 저 지구 궤도의 기계적으로 전개 가능한 구조물 - Google Patents

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KR20220031552A
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아이토르 마르티네즈 데 오사바 페르난데스
하비에르 헤르난데즈 바울센
아벨 아벨란
후이원 야오
아담 에이치. 할페린
마리아노 토레 고메즈
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에이에스티 앤 사이언스, 엘엘씨
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Abstract

안테나 어레이가 복수의 정사각형 또는 직사각형 안테나 조립체를 가진다. 각각의 조립체는 태양 전지를 가진 제1 안테나 조립체 표면과 하나 이상의 안테나 요소들을 구비한 제2 안테나 조립체 표면을 포함한다. 안테나 조립체들은 제1 안테나 조립체 표면을 구비한 제1의 인접 어레이 표면과 제2 안테나 조립체 표면을 구비한 제2의 인접 어레이 표면을 형성하기 위하여 그들 사이에 갭이 없이 상호 연결된다. 안테나 조립체들은 전기 에너지를 사용하지 않고 우주에서 어레이를 자체-전개하는 스프링 테이프와 같은 기계적으로 저장된 에너지 커넥터들에 의하여 같이 연결된다.

Description

저 지구 궤도의 기계적으로 전개 가능한 구조물
본 출원은 2019년 5월 15일에 출원된 미국 출원 제62/848317호, 2020년 2월 13일 출원된 스페인 출원 제202030123호, 및 2020년 2월 18일 출원된 미국 출원 제62/977,864호의 우선권의 이익을 주장한다. 이 출원은 또한 2020년 2월 13일 출원된 스페인 출원 제202030124호, 2020년 2월 13일 출원된 스페인 출원 제202030125호, 및 2020년 2월 18일 출원된 미국 출원 제62/977,860호, 및 2020년 2월 18일 출원된 미국 출원 제62/978,081호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 출원들의 내용은 전체적으로 여기 참조를 위하여 의존되고 포함된다. 본 출원은 추가로 참고로 2020년 5월 15일에 출원된 우주 설치 어레이용 자체-포함 구조물용 태양, 전기, RF 라디에이터 라는 명칭의 미국 출원 제 호와, 2020년 5월 15일에 출원된 우주 구조물용 열 관리 시스템이라는 명칭의 미국 출원 제 호의 내용을 참고로서 추가로 통합한다.
미국 특허 제9,973,266호와 미국 특허공개공보 제2019/0238216호는 큰 어레이를 형성하기 위하여 다수의 소형 위성 안테나 조립체를 우주에서 조립하기 위한 시스템을 도시한다. '266 특허의 전체 내용은 여기 참고를 위하여 포함된다. '266 특허에 개시된 바와 같이, 도 1a와 도 1b는 소형 위성(302)들의 어레이(300)와 중심 또는 제어 위성(200)을 가지는 위성 통신 시스템(100)을 도시한다. 소형의 위성(302)은 지구 상의 지국 수신 범위(400) 내의 단부 사용자(500)와 통신하고, 또한 제어 위성(200)과 통신하며, 이는 다시 기지국의 게이트웨이(600)에 통신한다. 소형 위성(302)은 각각, 예컨대, 처리 장치(예컨대, 프로세서 또는 콘트롤러) 및 하나 이상의 안테나 요소들을 포함한다. 그리고 제어 위성(200)은 처리 장치와 하나 이상의 안테나 또는 안테나 요소들을 포함할 수 있다.
안테나 어레이는 복수의 정사각형 또는 직사각형 안테나 조립체를 가진다. 각각의 조립체는 태양 전지를 구비한 제1 안테나 조립체 표면과 하나 이상의 안테나 요소들을 구비한 제2의 안테나 조립체를 포함한다. 안테나 조립체들은 제1 안테나 조립체 표면을 포함하는 제1의 인접 어레이 표면과 제2의 안테나 조립체 표면을 가지는 제2의 인접 어레이 표면을 형성하기 위하여 그 사이에 갭이 없이 상호 연결된다.
도 1a, 1b는 종래의 구조물 어레이를 도시하며;
도 2는 수납(stowed) 구조의 구조물 어레이의 사시도이며;
도 3a는 도 2의 구조물 어레이의 lxl 구조물 어레이의 사시도이며;
도 3b는 2x1 구조물 요소의 사시도이고;
도 3c는 2x2 구조물 요소의 사시도 구조이며;
도 3d는 스프링 테이프 연결부들의 세부 도면이다.
도면들의 개시의 예시적인, 비제한적인 실시예들에서, 특수한 용어는 명확성을 위하여 사용될 것이다. 그러나, 본 명세서에서는 이와 같이 선택된 특수한 용어들에 한정하려는 것이 아니고, 그리고 각각의 특수한 용어는 유사한 목적을 달성하기 위하여 유사하게 작동하는 모든 기술 용어들을 포함하는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 여러 실시예들은 예시적인 목적으로 설명되나, 이러한 개시는 도면들에 구체적으로 개시되지 않은 다른 형태들로서 구현될 수 있음이 이해될 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명은 저 지구 궤도(LEO: Low Earth Orbit)의 기계적으로 전개가능한 구조물(LMDS)(5)이다. LMDS(5)는, 여기서 원격 위성 모듈 또는 단지 패널이나 타일(10)로 칭하고, 그들 모두는 연결부 또는 상호 연결 조립체에 의하여 기계적으로 연결되는, 복수의 분리된 안테나 조립체(10)들로 형성되는 우주에서 사용하기 위한 자체-전개 가능한 구조물이다. LMDS(5)는 우주에서 단일의 큰 위상 어레이를 함께 형성하는 타일(10) 형태의 하나 이상의 원격 위성 모듈 또는 조립체들을 가지는 위성 시스템이다. 각각의 위성 모듈 조립체는 하나 이상의 힌지들에 의하여 함께 기계적으로 연결되는 복수의 위성 타일(10)들을 가진다. 또한, 복수의 위성 모듈 조립체는 우주에서 단일 궤도 경사 및/또는 단일 구멍을 가지는 단일의 큰 위상 어레이를 형성하도록 연결될 수 있다.
도 3a에 도시된 하나의 예로서의 실시예에서, 타일(10)은 개별적으로 분리된 그리고 별개의, 그리고 형상이 정사각형 및/또는 직사각형이다. 타일(10)은 얇고 외부층(11), 내부층(13), 및 중간층(15)을 가진다. 외부층(11)은 제1측의 표면을 가진 정사각형 또는 직사각형 제1의 편평한 측면(12)(여기 상부 또는 상부면(12)을 가진 상부판(11)으로 도시)을 구비한 제1의 얇은 판에 의하여 형성될 수 있다. 내부층(13)은 제1 측면(12)에 대향하고 제2측의 표면을 가지는 제2의 편평한 측면(14)(여기서 바닥 또는 바닥면(14)을 가진 바닥판(13)으로 도시)을 가지는 제2의 얇은 판(13)에 의하여 형성될 수 있다. 중간층은 제1판(11)과 제3판(13) 사이에 타일(10)의 내부에 위치된 허니컴 지지 구조물(15)과 같은, 중간 구조물에 의하여 형성될 수 있다. 내부, 외부 및 중간층들은 네 개의 횡방향 측면들 또는 측면 에지(16)들을 가진다. 타일(10)은, 타일(10)의 길이 및/또는 폭보다 실질적으로 작은 타일 두께를 규정하는 횡방향 측면(16) 형상을 형성하는 직사각형 단면을 가진다. 제1 및 제2 판(11, 13)들과 지지 구조물(15)은 경량이다. 지지 구조물(15)은 제1 및 제2 판(11, 13)들에 구조적인 지지를 제공한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 지지 구조물(15)은 제공될 필요가 없다.
전개가능한 구조물(5)은 수납(stowed) 구조(도 2)로 발사될 수 있고 궤도(예컨대, 무중력 조건하에)에서 일단 거대한 전개 구조(도 1a)로 펼쳐진다. 수납 구조에서, 타일(10)은 우주로 운반될 수 있는 콤팩트한 형상으로 되어 있다. 타일(10)은 하나의 타일의 상부면(12)이, 비록 타일(10)의 하나 이상은 또한 선택적으로 다른 타일(10)에 직각으로 위치될 수 있더라도, 또 다른 타일(10)의 상부면이나 바닥면(12,14)에 평행하거나 또는 대향하도록 포개어지는 형식으로, 예컨대, 서로 위에 겹쳐지는 것과 같은, 소정의 적절한 방식으로 배치될 수 있다. 전개된 구조(예컨대, 도 1a)에서, 타일(10)은 펼쳐지고 서로 실질적으로 평면으로 되어 구조 어레이를 형성한다. 이와 같이, 안테나(18)는 상부판(11)의 리세스 내에 수용되므로 안테나(18)의 상부는 상부판(11)의 상부면(12)에 맞닿아서 편평한 상부면(12)을 형성한다. 그리고 태양 전지는 바닥판(13)의 리세스 내에 위치될 수 있으므로 태양 전지의 상부면은 바닥면(14)에 맞닿아서 편평한 바닥면(14)을 형성한다. 이와 같이, 상부 및 바닥면(12, 14)들이 그 사이에 갭이나 간격 없이 수납 구조에 같이 모여질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 타일들은 인접한 균일 비간섭 표면을 형성한다.
LMDS(5)는, 예컨대, 안테나, 리플렉터, 센터를 포함하는 많은 사례들에 이용될 수 있다. 도 3a-도 3d는 안테나에 이용되는 LMDS(5)의 실시예를 도시하고, 복수의 타일(10)들은 안테나 조립체들이다. 각각의 안테나 조립체(10)는 작은 위성(또한 여기서 미크론과 같이 불림)을 나타내고, 하나 이상의 안테나 요소(18)들과 처리 장치(예컨대, 프로세서나 콘트롤러)를 포함한다. 안테나 조립체(10)들은 수납 구조(도 2)로 구조물(5)을 유지할 수 있는 하나 이상의 래치들과, 안테나 조립체(10)들 사이에 전력 및/또는 데이터 전송을 가능하게 하는 전기 커넥터(22), 하나 이상의 기계적인 커넥터(20)를 가지는 상호연결 조립체에 의하여 함께 연결된다. 전기 커넥터(22)는 인접 타일(10)의 전자 부품(예컨대, 처리 장치, 센서, 액튜에이터들, 전력)을 전기적으로 연결한다. 이와 같이, 타일(10) 어레이는 모듈이고, 어레이의 크기와 형상은 타일(10)을 추가하거나 제거함으로써 조정될 수 있다.
구조물(5)은 수동적인 방식으로 펼쳐지고, 안테나 조립체(10)는 에너지-저장 커넥터(20)들에 의하여 연결된다. 에너지-저장 커넥터(20)는 에너지-저장 위치와 에너지-방출 위치를 가진다. 안테나 조립체(10)(도 2) 어레이의 접혀진 수납 구조에서, 에너지-저장 커넥터(20)는 에너지-저장 위치에 있으며, 여기서 커넥터들은 기계적인 에너지를 유지하고 에너지-방출 위치로 외측으로 편향된다. 안테나 조립체(10)(도 2)의 어레이의 펼쳐진 전개 구조에서, 에너지-저장 커넥터(20)는 에너지-방출 위치에 있다. 예컨대, 일 실시예에서 커넥터(20)는 예컨대 외측으로 편향되는(즉, 직선 위치로) 길다란 직선인 일-부재의 일체형 스프링과 같이, 기계적으로 에너지를 저장한다. 에너지-저장 위치에서, 스프링 커넥터(20)는 접힐 수 있고(예컨대, 반으로 접히도록 굽어진), 에너지-방출 위치에서 스프링 커넥터(20)는 펼쳐지고 실질적으로 직선(즉, 선형)이거나 편평하다. 그러나, 에너지-저장 커넥터(20)는 스프링일 필요가 없고, 기계적이거나 전기적인 에너지를 저장하는 소정의 적절한 커넥터일 수 있다.
구조물(5)은 래치와 같이 로킹 위치와 로킹 해제 위치를 가지는 하나 이상의 기계적이거나 및/또는 전기적인 로킹 메카니즘(30)에 의하여 수납 구조에 유지된다. 상기 록은 예컨대, 수납 위치(도 2)에 있을 때 LMDS(5)의 외면 위에 위치되는 래칭 시스템일 수 있다. 또는 록은, 예컨대, 타일(10)의 회전을 방지하는 메카니즘일 수 있다. 로킹 상태에서, 록(Lock)이 로킹 해제 상태로 설치되기까지 타일(10)의 어레이를 접힌 구조에서 전개 구조로 의도치 않게 이동하는 것을 록이 방지한다. 전개가 일단 작동하도록 준비될 때, 래칭은 접힌 안테나 어레이를 해제하도록 작동된다. 예컨대, 래치들은 안테나 조립체(10)에서 처리 장치에 의하여 수동으로 작동되거나 또는 작동 중단될 수 있다. 래치들이 일단 잠금 해제되면, 에너지-저장 커넥터들은 제어된 방식으로 전개 구조로 안테나 조립체(10) 어레이를 이동시키기 시작한다. 에너지-저장 커넥터(20)들의 에너지는 방출되기 시작하고 에너지-저장 커넥터는 에너지-방출 위치를 향하여 이동한다. 에너지-저장 커넥터들이 에너지-방출 위치로 이동함에 따라, 안테나 조립체(10)들은 수납 구조로부터 전개 구조로 펼쳐진다.
LMDS(5)가 지구 위에 있을 때 에너지-저장 커넥터(20)들은 에너지-저장 위치로 접힌다. LMDS(5)는 이어서 밀집된 수납 구조에서 우주 내로 운반된다. 일단 우주 내에서는, 래치(들)가 (예컨대, 원격 작동되는 솔레노이드에 의해서와 같은 전기적으로 또는 수동으로) 잠금 해제되고 에너지-저장 커넥터(20)들은 에너지-저장 커넥터(20)에 저장된 기계적인 전력을 이용하여 전개 구조로 안테나 조립체(10)를 이동시킨다. 이와 같이, 커넥터(20)들이 기계적인 일 실시예에서, 안테나 어레이는 수납 구조에서 전개 구조로 이동하기 위하여 전기 전력을 필요로 하지 않는다. 또한, 커넥터(20)들은 안테나 조립체(10)의 작동에 간섭하지 않도록 위치된다. 예컨대, 커넥터(20)들은 안테나 조립체(10)의 측면 에지(16)에 위치되므로 그들은 안테나 조립체(10)의 상부(12) 또는 바닥(14)에서 전기적인 작동과 간섭하지 않는다. 그리고, 커넥터(20)들에 의하여 전개 구조로 조립체(10)들이 같이 집합될 수 있으므로 측면 에지(16)들은 서로 접촉해서 인접 안테나 조립체(10)들 사이에 갭이 없이 단일의 인접한 균일하고 편평한 표면을 형성한다.
커넥터(CONNECTORS)(20)
도 3a-도 3d에 도시된 바와 같이, 일 예로서의 실시예에서, 다른 적절한 커넥터들이 이용될 수 있지만, 에너지-저장 커넥터(20)들은 테이프 스프링이다. 테이프 스프링은 얇고, 선형이고 길다랗다. 그들은 편평하거나(즉, 선형 단면) 원호형(즉, 굽은 단면)이다. 더욱이, 상호연결 조립체는 타일(10)들에 연결하는 래치, 조인트, 힌지 또는 커넥터들과 같은 다른 부착 메카니즘을 포함할 수 있다. 테이프 스프링(20)은 일단 펼쳐지면 구조물에 필요한 기계적인 강성을 제공하는 스프링 압축 힌지이다. 도 3a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 하나 이상의 테이프 스프링(20)이 안테나 조립체(10)의 하나 이상의 측면 에지(16)에 제공된다. 도 3d에서, 테이프 스프링(20)은 에너지-저장 위치로 접힐 때 스프링-같은 바이어스를 생성하고 펼쳐진 에너지-방출 위치에 있을 때 잠금 힘을 생성하도록 체결하는 굽어질 수 있는 금속 구조물이다. 잠금 힘은 전개 구조에 안테나 조립체(10)를 유지하고 전개 구조로 복귀하는 것을 방지한다. 이와 같이, 타일들은 우주에서 큰 어레이를 형성하기 위하여 하나 이상의 커넥터(20)들에 의하여 서로 물리적으로 연결된 작은 분리된 별개의 장치들이다.
커넥터(20)는 수납 구조에서 서로 위에 접혀지고 서로에 대해 실질적으로 평행이며 펼쳐지며, 전개 구조에서 그들이 펼쳐지고 서로에 대해 실질적으로 편평할 때, 인접 타일(10)들을 연결하기에 충분한 길이를 가진다. 테이프 스프링 커넥터(20)는 패널들을 펼치기 위하여 에너지를 공급하고 일단 펼쳐지면 패널을 제 위치에 유지한다. 커넥터(20)들은 수납 위치에 있을 때 외측으로 탄성 지지하기 위해 바이어스되는, 외측으로 바이어스된 스프링을 포함할 수 있다. 패널(10)들이 서로 겹쳐질 때, 커넥터(20)들은 굽어지거나 접힌 구조에 있고 외측으로 바이어스되어 직선 또는 선형 위치에 있게 된다. 수납 구조에서, 스프링은 수납 구조로부터 전개 구조로의 패널(10)들의 운동을 용이하게 하는 외력을 적용한다.
도 3a-도 3d에서 추가로 예시된 바와 같이, 커넥터(20)(즉, 현재의 예로서의 실시예에서 테이프 스프링)는 타일(10)의 상부면(12)과 바닥면(14) 모두에 부착된다(예컨대, 패스너(들), 접착제 등에 의해). 그리고 상부면(12) 위의 테이프 스프링(20)은 바닥면(14) 위의 테이프 스프링(20)에 정렬한다. 그러나, 테이프 스프링(20)은 상부 및 바닥면(12, 14)들 사이와 같은 타일(10) 위의 소정의 적절한 위치에 구비될 수 있다. 그리고 테이프 스프링(20)은 상부 및 바닥면(12, 14) 모두에 구비될 필요는 없거나, 또는 상부면(12) 위의 테이프 스프링은 바닥면(14) 위의 테이프 스프링에 정렬될 필요는 없다.
위의 예에서, 에너지-저장 커넥터(20)들은 기계적인 에너지를 저장하는 스프링 테이프인 것이 더욱 주목된다. 그러나, 에너지를 기계적으로 저장하는 소정의 적절한 에너지-저장 커넥터가 이용될 수 있다. 더욱이, 에너지를 전기적으로 저장하는 소정의 적절한 커넥터가 이용될 수 있다. 또한, 에너지-저장 커넥터(20)는 임의의 적절한 양의 시간, 시부터 일까지 수납 구조로부터 전개 구조로 타일(10)을 이동시킬 수 있다.
이와 같이, 각각의 타일(10)은, 타일(10)을 인접한 타일(10)에 기계적으로 연결하는 적어도 하나의 커넥터(20)를 가지나, 동시에 하나 이상의 다른 타일(10)에 대해 타일(10)을 이동(예컨대, 굽히고, 접고, 회전하고, 또는 선회시키고)시킬 수 있고, 수납 위치와 전개 위치 사이에서 이동시킬 수 있다.
예컨대, 커넥터(20)들에 의하여 제1 타일(10)의 상부 또는 바닥면(12, 14)들이 n번째 타일(10)의 상부 또는 바닥면에 접촉할 수 있다. 그리고, 제1 타일(10)은 n번째 타일(10)에 수직으로 또는 수평으로 정렬될 수 있고, 제1 및 제h번째 타일(10)은 커넥터들에 의하여 연결된 바로 인접하거나 인접한 타일일 필요는 없다. 즉, 제1 타일은 n번째 타일로부터 여러 개의 타일 떨어져 위치되므로, 제1 타일과 n번째 타일 사이에는 중간 타일들이 있다. 예컨대, n번째 타일은 제2 타일일 수 있으며, 이는 같은 열이나 컬럼에서 제1 타일에 바로 인접한다. 또는, n번째 타일은 제5 타일이고, 같은 열이나 컬럼에서 제1타일과 제5 타일 사이에는 3개의 중간 타일들을 가질 수 있다. 또는 n번째 타일은 제5 타일이고, 이는 제1 타일과 다른 열 및 컬럼에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 타일은 두 개의 커넥터들을 가지며 두 개의 인접한 타일들에 기계적으로 연결된다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 커넥터(20)는 제1 타일(10)을 바로 인접한 제2 타일(10)에 바로 결합시키는 힌지일 수 있다. 힌지는 타일의 내면 또는 외면에, 또는 타일의 중간층에 결합될 수 있다. 일 실시예에서 힌지는 적어도 기계적인 연결을 가지며 작동 구조와 저장 구조 사이에서 이동하도록 전기적으로 제어될 수 있지만, 힌지는 기계적이며 및/또는 전기적인 연결을 제공할 수 있다. 임의의 적절한 제어 메카니즘은 기계적이거나 및/또는 전기적으로 모듈의 회전을 제어하기 위하여 이용될 수 있다. 예컨대, 제어 메카니즘은 전자기력을 생성하기 위하여 전류를 인가받는 코일일 수 있으며, 서로에 대해 타일(10)의 회전을 제어하기 위하여 타일에 위치된다.
코일에 의하여 생성된 전자기력은 타일(10)을 이동시키고, 및/또는 힌지를 이동시킬 수 있다. 자석, 바이어스된 기계적인 스프링 및/또는 솔레노이드와 같은 다른 적절한 제어 메카니즘이 제공될 수 있다. 필요하면, 우주에서의 위상 어레이의 이동을 제어하고 및/또는 작동 및 저장 구조들 사이에서 타일(10)의 이동을 제어하기 위하여 제어 신호와 같은 데이터를 운반하기 위하여 전기 와이어나 화이버(fiber)가 타일들 사이에서 힌지를 관통하여 진행할 수 있다. 일 실시예에서, 와이어는 저장 구조로부터 작동 구조로 타일(10)을 이동시키기 위하여 힌지를 개방하는 자기장을 생성하도록 와이어가 코일을 통하여 진행하는 전류를 운반할 수 있다. 코일은 또한 태양 및/또는 구멍의 지향점을 추적하기 위하여 위상 어레이(300)를 경사시키거나 아니면 위상 어레이(300)를 이동시키기 위하여 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 커넥터(20)는 타일(10)의 하나 이상의 측면 에지들에서 테이프 스프링과 힌지를 모두 포함할 수 있다.
LMDS 구조
구조물(5)을 형성하는 타일(10)은 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 각각 도시된 바와 같이, 다른 구조로, 즉, lxl 타일, 2x1 타일, 2x2 타일, 등으로 조립될 수 있다. 타일(10)들의 각각은 여기서 상부(12)로 도시된 통신면/측과, 여기 바닥(14)으로 도시된 태양 전력면/측을 가진다. 통신측(12)은 지구의 사용자 디바이스와 무선 주파수(RF) 통신을 실행하는 안테나 요소(18)를 가진다. 타일(10)의 전파에 의하여, 이것은 하나의 RF측과 하나의 태양 패널 측을 가지는 어레이/구조물(5)을 생성한다. RF측은 지구를 향하는 상부면(12)을 형성하고, 제2측은 지구로부터 멀리 향하는 바닥면(14)을 형성한다.
또한, 태양 전지는 지구로부터 멀리 향하는 표면(여기서, 바닥면(14))에 위치될 수 있다. 태양 전지는, 특히 LMDS(5)가 지구와 태양 사이에 있을 때, 태양으로부터 태양 에너지를 수용한다. 따라서, 위성 모듈의 일 측면은 태양 전지를 가지며, 반대 측면은 소정 방향으로 안테나를 지향시킬 수 있다. 태양 에너지는 타일의 전자 부품을 구동하거나 어레이 스러스트를 위하여 이용될 수 있다. 예컨대, 타일은 태양 패널로서 작동하고, 본 발명에 따라 신호를 수신하고 전송하기 위하여 안테나 구조물(또는 다른 위성 구조물 또는 위성 모듈)로서 또한 작동하도록 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 광기전성 재료 또는 다른 재료로 제조될 수 있다. 전기 에너지는 위성이나 위성 모듈을 구동하기 위하여 사용되거나 또는 추후 사용을 위하여 저장된다. 이와 같이, 동일한 구조물이 태양 에너지를 위하여 그리고 위성 안테나로서 작동하도록 사용될 수 있다.
전개 위치에서, 타일들은 근접하게 정렬되고 그의 하나 이상의 인접 타일들을 접촉할 수 있다. 따라서, RF측은 집합적으로 대형 위상 어레이를 형성한다. 타일(10)은 또한 선택적으로 수신기, 송신기 또는 처리 장치(들)와 같은 다른 전자 부품들을 내장할 수 있다. 이들 전자 부품들은 타일의 내부(상부면과 바닥면 사이)에 위치되므로 그들은 안테나 요소(18)의 작동이나 위상 어레이의 형성과 간섭하지 않는다.
커넥터(20)들과 RF측(12) 사이의 임의의 간섭을 더욱 피하기 위하여, 구조물이 전개될 때, 커넥터(20)들은 RF측(12)의 상부면을 방해하지 않도록 배치된다. 도 3a에서, 타일(10)은 16개의 안테나 요소(18)의 4x4 어레이이며 두 개의 커넥터(20)들이 타일(10)의 두 측면 에지들 각각에 형성된다. 그러나, 다른 적절한 크기 및 치수들이 이용될 수 있다. 예컨대, 타일(10)은 도 3b와 같이, 32개의 안테나 요소(18)들의 4x8 어레이로서 형성될 수 있으며, 또는 도 3c와 같이, 64개의 안테나 요소(18)들의 8x8 어레이로서 형성될 수 있으며, 커넥터(20)들은 타일(10)의 외측 에지에 위치될 수 있다.
LMDS(5)는 모듈이며 많은 다른 설계 결합(타일 크기, 타일의 수, 전체 형상, 전체 크기, 등)으로 설계될 수 있으나, 타일의 형상은 정사각형 및 직사각형이고, 모든 타일(10)들은 기계적으로 상호 연결된다(각각의 독립적인 전개 가능한 영역에서). 일 실시예에서, 구조물은 모두 한 번에 전개될 것이다. 그러나, 다른 실시예들에서, 구조물은 두 개의 절반들로, 또는 4개의 1/4크기들로 펼쳐질 수 있다. LMDS가 LEO 궤도를 위해 특히 구성되지만, 이는 다른 임의의 가능한 궤도에 또는 지상에 적용할 수 있다.
다른 적용예들에서 구조물(5)은 원형 형상을 가지지만, 도 1a는 정사각형 형상을 가지는 구조물(5)을 도시한다. 더욱이, 개별 타일(10)들의 다양한 크기, 레이아웃 및 형상이 다르고, 어레이의 타일(10)들의 컬럼과 열의 수가 다르다. 전체 형상과 구조물은 타일(10)들을 추가하거나 제거함으로써 또는 타일들의 열, 컬럼의 수와, 크기 또는 형상을 변경함으로써 변경될 수 있다.
래치(LATCHES)
본 발명의 일 실시예에서, 로킹 메카니즘(30)은 하나 이상의 래치일 수 있다. 래치들은 초소형 크기로서 경량이며 하나 이상의 타일(10)에 부착된다. 래치들은 하나 이상의 타일(10)들을 억제하고 어레이가 수납 구조에서 전개 구조로 의도치 않게 이동하는 것을 방지한다. 래치들은 임의의 적절한 장치일 수 있다. 일 실시예에서, 래치들은 형상기억 합금(SMA; shape memory alloy)으로 제조된다. 래치를 통해 작은 전류가 통과하고, 이로써 래치는 타일(10)의 어레이가 해제되므로 타일(10)은 접혀진 수납 구조에서 접히지 않은 전개 구조로 이동할 수 있다. 잠금 해제는, 래치를 수동으로 이동시켜 수동으로 제어될 수 있거나, 또는 래치를 원격으로 작동하기 위하여 버튼을 눌러서, 하나 이상의 타일(10)에서 프로세서에 의하여 자동으로 제어될 수 있다. 래치들은 신속하게 작동하고(밀리세컨드 내에서) 온도가 -65 내지 +70℃인 우주에서의 가혹한 조건에도 불구하고 신뢰성 있게 반응한다.
운반(TRANSPORTATION)
작동 구조의 일 실시예에서, 모든 타일(10)들은 단일 평면으로 배치되고, 즉, 모든 타일들은 단일 평면에서 상부면과 측면 대 측면(side by side) 방식으로 배치된다. 그리고 저장 구조에서, 모든 연결된 타일들은 정렬되고 선(단일 컬럼)으로 서로 향하여 배치된다.
따라서, 시스템은 커넥터(20)들에 의하여 연결된 매우 많은 수의 위성 타일들을 가진다. 타일(10)은 저장 또는 운송 구조에 배치될 수 있다. 작은 타일(10)은 분리된 별개의 장치이고 하나 이상의 커넥터(20)들에 의하여 서로 물리적으로 연결된다. 타일들은 저장 및 운반을 위하여 운반 구조로 접혀질 수 있고, 이어서 작동 구조의 커다란 위성 어레이 내로 우주에서 펼쳐진다.
예컨대, 저장 구조에서, 다수의 타일들은 커넥터(20)를 따라 접혀지고 로켓이나 다른 운반 장치 또는 우주 크래프트에서 운반하도록 박스와 같은 단일 선적 용기에서 같이 배치된다. 일단 선적 용기가 소정 궤도에서 우주의 해제 위치에 도달하면, 선적 용기는 개방되고 타일들은 우주 내로 방출될 수 있다. 이어서 타일들은 우주에서 작동 구조 어레이 내에 진입하도록 자동으로 운전될 수 있으며 여기서 위성 타일의 매우 큰 그리고 치밀한 어레이를 형성한다.
이로써 운반 동안 타일들에 의하여 필요한 우주가 크게 감소되나, 타일은 작동 구조에 있을 때, 매우 큰 어레이를 형성할 수 있다. 타일들의 수에 따라 타일들은 수 제곱미터의 우주를 차지할 수 있으며, 이는 우주에서 펼쳐질 때 많은 수 제곱미터로 전환한다. 이와 같이, 위성 어레이는 최소의 인간의 개입(선적 용기와 우주 크래프트로부터 타일들을 방출하거나, 선택적으로 커넥터들의 자체-전개를 개시하기 위하여 로킹 메카니즘을 해제하는)으로 형성될 수 있으며, 임의의 물리적인 인간의 개입(어레이를 위한 다른 구조물이나 프레임을 구축하는 것과 같은) 없이 형성될 수 있다. 또한, 다수의 타일들이 우주에서 같이 연결되어 크기가 수백 또는 수천 제곱미터의 단일 위상 어레이를 형성할 수 있다.
결론
타일(10), 커넥터(20) 및 로킹 메카니즘(30)은 LMDS(5)에 이용되고 우주에서 전개된다. 그러나, 타일(10), 커넥터(20) 및 로킹 메카니즘은 다른 구조물이나 적용예들에 이용될 수 있다. 그리고, LMDS(5)는 임의의 적절한 타일, 커넥터 및 로킹 메카니즘을 이용할 수 있고, 예시적인 예들에 대해 도시되고 설명된 것들에 한정되지 않는다. 그리고 타일, 커넥터 및 로킹 메카니즘의 다른 적절한 배치가 LMDS의 부분으로서의 구조물 내에 제공될 수 있다.
타일(10)들의 형상 및 크기에 의하여 그것들이 전개된 구조에서 서로 바로 인접해서 배치될 수 있음이 더욱 유의하여야 한다. 즉, 타일(10)들의 모든 측면들이 이웃하는 인접한 타일들의 각각의 측면에 직접 접촉한다. 커넥터들에 의하여 타일들은 서로 실질적으로 근접되어 인접 타일(10)들 사이에 어떤 갭도 없이 단일의 근접 구조물(5)을 형성할 수 있다. 커넥터(20)들에 의하여 전개된 위치에서 인접 타일(10)들은 (방해 없이) 서로 직접 접촉할 수 있다.
LMDS(5)가 안테나 어레이로서 구성될 때, 이것(예컨대, 안테나 요소(18))은 예컨대 사용자 디바이스(예컨대, 셀 폰, 태블릿, 컴퓨터) 및/또는 지상 기지국과 같은 지상의 처리 장치와 통신한다. 본 발명은 또한 지상의 처리 장치와 통신하기 위하여 LMDS(5)를 이용하는 방법(즉, 그로부터 신호를 수신하고 및/또는 그것으로 신호를 송신하는)을 포함한다. 또한, 본 발명은 LMDS(5)와 통신하는 (즉, 그로부터 신호를 수신하고 및/또는 그것으로 신호를 송신하는) 지상의 장치를 처리하는 방법을 개시한다. 더욱이, LMDS(5)가 개시된 예에서 저 지구궤도(LEO)에서 사용되나, 이는 다른 ?볕도湧犬? 다른 적용예들에서 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 안테나 조립체의 어레이용으로서 설명되었지만, 본 발명은 예컨대, 데이터 센터, 리플렉터, 및 우주나 지상에서 모두 실행될 수 있는 다른 구조물과 같은 다른 용도로서 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 각각 안테나를 가지는 복수의 편평한 별개의 위성 모듈; 복수의 편평하고 별개의 위성 모듈의 하나 이상에서의 복수의 코일들로 형성된 큰 치밀한 어레이를 가지는 위상 어레이를 제공하며, 상기 복수의 코일들의 각각은 전자기력을 생성하고; 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈은 힌지들에 의하여 상호 연결되고, 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈은 우주로 운반하기 위한 콤팩트한 운반 구조와, 작동 구조를 가지므로 상기 전자기력이 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈을 우주에서 큰 치밀한 어레이로 형성한다. 또한, 작동 구조에서 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈은 크고 편평한 기계적으로-상호연결된 구조물을 형성한다. 더욱이, 각각의 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈은 상부에 태양 전지 및 바닥에 송신기를 가진다. 또한, 전자기력이 상기 힌지 둘레로 상기 상기 복수의 편평한 별개의 위성 모듈을 선회시킨다. 또한, 상기 코일은 위상 어레이를 이동시켜서 태양이나 지상의 물체를 추적하도록 전자기장을 생성한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 모듈; 제2 모듈; 작동 구조와 저장 구조 사이에서 제1 및 제2 모듈을 이동시키기 위하여 제1 모듈과 제2 모듈에 연결된 커넥터; 및 작동 구조와 저장 구조 사이에서 제1 및 제2 모듈을 이동시키기 위하여 상기 커넥터에 연결된 제어 메카니즘을 가지는 위상 어레이를 제공한다. 더욱이, 제1 및 제2 모듈은 안테나를 포함한다. 또한, 상기 제어 메카니즘은 코일을 포함하고 상기 제어 메카니즘은 상기 커넥터 둘레로 선회하도록 상기 제1 및/또는 제2 위성 모듈을 이동시키는 전자기장을 생성하도록 상기 코일을 통하여 전류를 통과시킨다. 또한, 상기 제어 메카니즘은 코일을 포함하고 상기 제어 메카니즘은 상기 코일을 통해 전류를 통과시켜 지상 위의 물체나 태양을 추적하도록 위상 어레이를 이동시키는 전자기장을 생성한다. 더욱이, 상기 제어 메카니즘은 코일을 포함하고 상기 제어 메카니즘은 상기 코일을 통해 전류를 통과시켜 위상 어레이에 의하여 형성된 구멍을 지향하도록 위상 어레이를 이동시키는 전자기장을 생성한다. 또한, 상기 커넥터는 기계적인 커넥터를 포함한다. 더욱이, 전기 와이어나 케이블이 상기 커넥터를 관통하여 지나간다. 더욱이, 상기 제1 및 제2 모듈은 상부, 바닥 및 측면들을 가지며 편평하고, 작동 구조에서 행과 열로 측 대 측 방식으로 배치되고 저장 구조에서 상부 및/또는 바닥이 서로 향하도록 배치된다. 또한, 상기 제1 및 제2 모듈은 상부, 바닥 및 측면들을 가지고 편평하며, 상부에 태양 에너지 수집판을 가지며 바닥에 안테나를 가진다.
또 다른 실시예에서, 위상 어레이는 제1의 위성 모듈; 제2의 위성 모듈; 작동 구조와 저장 구조 사이에서 상기 제1 및 제2 위성 모듈을 이동시키기 위하여 상기 제2의 위성 모듈에 대해 상기 제1의 위성 모듈을 회전시키기 위하여 상기 제1 위성 모듈과 제2 위성 모듈에 회전가능하게 연결된 힌지를 포함하는 기계적인 커넥터; 및 작동 구조와 저장 구조 사이에서 상기 힌지 둘레로 상기 제1의 위성 모듈과 제2의 위성 모듈을 이동시키기 위하여 상기 코일을 관통하여 흐르는 전류에 반응하여 전자기장을 생성하도록 상기 커넥터에 결합된 코일을 포함하는 제어 메카니즘을 포함한다.
본 발명은 별개로 이용될 수 있고, 또한 2020년 5월 15일에 출원된 우주 설치 어레이를 위한 자체-포함 구조물용 태양, 전기, RF 라디에이터라는 명칭의 미국 출원 제 호와, 2020년 5월 15일에 출원된 우주에서의 구조물용 열 관리 시스템이라는 명칭의 미국 출원 제 호에 개시된 방법과 시스템과 결합하여 이용될 수 있음이 더욱 주목되어야 한다. 따라서, 예컨대, 자체-전개 가능한 타일(10)은 태양, 전기, RF 라디에이터 출원에 도시되고 설명된 구조물을 가질 수 있고, 및/또는 열 관리 출원에서 설명되고 도시된 열 관리를 이용할 수 있다.
또한, 상세한 설명과 특허청구범위는 평면의, 정사각형의, 직사각형, 직선형, 맞닿은, 길다란, 원형의, 평행인, 수직인, 직교의, 교차하는, 편평한, 측면, 상부, 및 바닥과 같은 여러 기하학적인, 관계성, 방향성, 위치설정 용어들을 사용하는 것을 주목해야 한다. 이들 용어들은 도면들에 도시된 실시예에 기초해서 설명을 용이하게 하기 위해 단지 편의상으로 사용되었고, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명은 그들 기하학적이고, 관계성, 방향성 또는 위치설정 용어들 없이 다른 방식으로 설명될 수 있음을 인식하여야 한다. 더욱이, 기하학적이거나 관련성 용어는 정확하지 않을 수 있다. 예컨대, 표면의 거칠기, 제조 중에 허용된 공차, 사용 중에 실제 적용된 힘, 등에 기인해서, 표면은 정확하게 편평하고, 평면이며, 또는 평행하지 않을 수 있으나 여전히 실질적으로는 편평하고, 평면이거나 평행인 것으로 생각된다. 그리고, 본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어나지 않고 다른 적절한 기하학적 형태, 관련성이 제공될 수 있다.
상술한 설명과 도면들은 본 발명의 원리를 단지 예시하기 위한 것으로 생각되어야 하고, 이는 다양한 방식으로 구성될 수 있고 여기 설명된 실시예들에 의하여 한정되는 것을 의도하지 않는다. 본 발명의 다양한 적용이 이 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명을, 개시된 구체적인 예들이나 도시되고 설명된 정확한 구성 및 작동으로 한정하는 것이 의도되지 않는다. 오히려, 모든 적절한 수정들과 균등물이 본 발명의 범위 내에 속하고 이에 의존한다.

Claims (21)

  1. 수납 구조와 전개 구조를 갖는 복수의 타일들; 및
    상기 복수의 타일들의 인접 타일들에 연결되어, 상기 수납 구조에서 에너지를 저장하며 상기 복수의 타일들을 전개 구조로 이동시키는 복수의 에너지-저장 커넥터들;
    을 포함하는, 우주 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저장된 에너지는 기계적인 에너지를 포함하고, 상기 복수의 에너지-저장 커넥터들은 상기 복수의 타일들을 전기 에너지 없이 전개 구조로 이동시키는, 우주 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 에너지-저장 커넥터들 각각은 스프링 커넥터를 포함하는, 우주 구조물.
  4. 안테나 어레이로서:
    각각 하나 이상의 안테나를 가지고, 수납 구조와 전개 구조를 가지는 복수의 안테나 조립체들;
    에너지-저장 위치와 에너지-방출 위치를 가지며, 상기 복수의 안테나 조립체들의 인접한 안테나 조립체들을 연결하는 복수의 에너지-저장 커넥터들;
    을 포함하여,
    상기 복수의 안테나 조립체들이 수납 구조에 있을 때 상기 복수의 에너지-저장 커넥터들은 에너지-저장 위치에 있으며 상기 복수의 안테나 조립체들을 전개 구조로 이동시키는, 안테나 어레이.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들은 전개 구조에서 우주에 평면 어레이를 형성하는, 어레이.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 복수의 에너지-저장 커넥터들은 상기 복수의 안테나 조립체를 우주에서 자체-조립하는, 어레이.
  7. 제4-6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 에너지-저장 커넥터들
  8. 제4-7항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들은 편평한, 어레이.
  9. 제4-8항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들은 수납 구조일 때 서로 겹쳐지고 전개 구조일 때 서로 펼쳐지는, 어레이.
  10. 제4-9항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들이 전개 구조일 때 상기 에너지-저장 커넥터들은 에너지-방출 위치에 있는, 어레이.
  11. 제4-10항의 어느 한 항에 있어서, 수납 구조에 상기 복수의 안테나 조립체들을 고장하기 위한 잠금 위치와, 상기 에너지-저장 커넥터들이 상기 복수의 안테나 조립체들을 상기 전개 구조로 이동시키도록 하기 위한 해제 위치를 가지는 로킹 메카니즘을 추가로 포함하는, 어레이.
  12. 제4-11항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들은 각각 통신측과 태양측을 가지며, 상기 통신측은 지구와 통신하는 하나 이상의 안테나 요소를 가지고, 상기 태양측은 전력을 생성하는 하나 이상의 태양 전지를 가지는, 어레이.
  13. 각각 태양전지를 구비한 제1 안테나 조립체 표면과 하나 이상의 안테나 요소를 가지고 상기 제1 안테나 조립체 표면의 반대측의 제2 안테나 조립체 표면을 가지는 복수의 정사각형 또는 직사각형 안테나 조립체를 포함하고,
    상기 복수의 정사각형 또는 직사각형 안테나 조립체는, 상기 제1 안테나 조립체 표면을 포함하는 제1의 인접 어레이 표면과, 상기 제2 안테나 조립체 표면을 포함하는 제2의 인접 어레이 표면을 형성하도록 그들 사이에 갭이 없이 상호연결되는, 안테나 어레이.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체를 연결하는 하나 이상의 기계적인 에너지-저장 커넥터를 추가로 포함하는, 안테나 어레이.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 어레이는, 상기 복수의 안테나 조립체들이 서로 접히는 수납 구조와, 상기 복수의 안테나 조립체들이 서로 평면인 전개 구조를 가지는, 안테나 어레이.
  16. 제13-15항의 어느 한 항에 있어서, 전개 구조로 외측으로 바이어스된 스프링 커넥터를 추가로 포함하는, 안테나 어레이.
  17. 제13-16항의 어느 한 항에 있어서, 상기 수납 구조에 상기 어레이를 유지하기 위한 잠금 위치와, 상기 어레이를 전개 구조로 이동시키도록 하는 해제 위치를 가지는 로킹 메카니즘을 추가로 포함하는, 안테나 어레이.
  18. 제17항에 있어서, 상기 로킹 메카니즘이 해제 위치에 있을 때, 상기 스프링 커넥터는 상기 어레이를 상기 수납 구조로부터 상기 전개 구조로 이동시키는, 안테나 어레이.
  19. 제13-18항의 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 조립체들의 각각은 직선 측면을 가지고, 직선 측면들의 적어도 하나는 상기 제1 및 제2의 인접 어레이 표면을 형성하기 위하여 상기 복수의 안테나 조립체의 직접적으로 인접한 안테나 조립체의 적어도 하나의 직선 측면에 전체적으로 접촉하는 안테나 어레이.
  20. 제1-19항의 어느 한 항에 있어서, 구조물 또는 어레이로서, 상기 구조물 또는 어레이는 지구 상의 처리 장치와 통신하는, 구조물 또는 어레이.
  21. 제1-19항의 어느 한 항에 구조물 또는 어레이로 신호를 송신하거나 및/또는 그로부터 신호를 수신하는 것을 포함하는 통신 방법.
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