WO2018061138A1

WO2018061138A1 - 人工衛星および衛星推進方法

Info

Publication number: WO2018061138A1
Application number: PCT/JP2016/078767
Authority: WO
Inventors: 久芳泉澤; 正三角; 田中　敦; 俊一川村
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-04-05
Also published as: EP3521178A1; EP3521178A4; JPWO2018061138A1; JP6771574B2; EP3521178B1; US20190300207A1

Abstract

第１のスラスタ群（１１５）のうちの稼働されるスラスタの台数である第１の稼働台数と第２のスラスタ群（１２５）のうちの稼働されるスラスタの台数である第２の稼働台数とが異なる場合に、＋Ｙ方向における衛星重心（１０１）から第１のスラスタ群までの第１の距離Ｄ_１と、－Ｙ方向における衛星重心から第２のスラスタ群までの第２の距離Ｄ_２との比が、第１の稼働台数と第２の稼働台数との逆比になる。

Description

人工衛星および衛星推進方法

　本発明は、人工衛星および衛星推進方法に関するものである。

　電気推進方式の人工衛星において、より大きな推力を得るためには、可能な限り多くの電気推進スラスタを噴射させる必要がある。
　但し、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合には、人工衛星の重心周りにモーメントが発生してしまい、人工衛星を目的の進行方向に進めることができない。
　そのため、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星の重心周りにモーメントが発生しないようにすることが望まれている。

　特許文献１には、推進機の配置を可変に設定し得るようにするための構造が開示されている。
　しかし、特許文献１には、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星の重心周りにモーメントが発生しないようにすることに関しては開示されていない。

　特許文献２には、スプリアス・トルクの発生を抑止するため、複数台の電気推進スラスタのうちの幾つかが機能を喪失した場合に推力ベクトルを変えることが開示されている。

特開平０９－３１７５６０号公報特開２０１６－０８４８１７号公報

　本発明は、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星の重心周りにモーメントが発生しないようにすることを目的とする。

　本発明の人工衛星は、
　複数台のスラスタから成る第１のスラスタ群と、前記第１のスラスタ群とは別の複数台のスラスタから成る第２のスラスタ群とを備える。
　前記人工衛星において、前記第１のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第１の稼働台数と前記第２のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第２の稼働台数とが異なる場合に、進行方向と直交する第１の方向における距離であって衛星重心から前記第１のスラスタ群までの距離である第１の距離と、前記第１の方向と逆の第２の方向における距離であって衛星重心から前記第２のスラスタ群までの距離である第２の距離との比が、前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数との逆比になる。

　本発明によれば、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星の重心周りにモーメントが発生しないようにすることができる。

実施の形態１における人工衛星１００の概要図。実施の形態１における人工衛星１００の構成図。実施の形態１における人工衛星１００の均衡状態の様子を示す図。実施の形態１における人工衛星１００の均衡状態から不均衡状態への変化時の様子を示す図。実施の形態１における人工衛星１００の不均衡状態から均衡状態への変化時の様子を示す図。実施の形態１における人工衛星１００の不均衡状態の様子を示す別図。実施の形態１における人工衛星１００の均衡状態から不均衡状態への変化時の様子を示す別図。実施の形態１における人工衛星１００の不均衡状態の様子を示す別図。実施の形態１における人工衛星１００の不均衡状態の様子を示す別図。

　実施の形態および図面において、同じ要素または互いに相当する要素には同じ符号を付している。同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。図中の矢印はデータまたは処理の流れを主に示している。

　実施の形態１．
　奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星の重心周りにモーメントが発生しないようにする形態について、図１から図９に基づいて説明する。

　特に指定しない場合、スラスタは電気推進スラスタを意味する。

＊＊＊実施の形態１の概要＊＊＊
　図１に基づいて、実施の形態１の概要を説明する。
　第１のスラスタ群１１５のうちの稼働されるスラスタの台数を第１の稼働台数という。また、第２のスラスタ群１２５のうちの稼働されるスラスタの台数を第２の稼働台数という。なお、稼働されるスラスタとは、噴射するスラスタを意味する。
　第１のスラスタ群１１５と第２のスラスタ群１２５とのうち、黒い三角は稼働しているスラスタを表し、白い三角は稼働していないスラスタを表している。
　衛星本体１３０の中央の丸は衛星重心１０１を表している。衛星本体１３０は人工衛星１００の本体である。すなわち、衛星本体１３０は人工衛星１００の構体である。衛星重心１０１は人工衛星１００の重心である。すなわち、衛星重心１０１は人工衛星１００の質量中心である。

　第１の稼働台数と第２の稼働台数とが異なる場合に、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比が、第１の稼働台数と第２の稼働台数との逆比にとなるように、第１のスラスタ群１１５および第２のスラスタ群１２５は配置される。
　第１の距離Ｄ_１は、進行方向（＋Ｚ）と直交する第１の方向（－Ｙ）における距離であって衛星重心１０１から第１のスラスタ群１１５までの距離である。具体的には、第１の距離Ｄ_１は、第１の方向（－Ｙ）において衛星重心１０１から第１のスラスタ群１１５のうちの稼働しているスラスタの中心までの距離である。
　第２の距離Ｄ_２は、第１の方向（－Ｙ）と逆の第２の方向（＋Ｙ）における距離であって衛星重心１０１から第２のスラスタ群１２５までの距離である。具体的には、第２の距離Ｄ_２は、第２の方向（＋Ｙ）において衛星重心１０１から第２のスラスタ群１２５のうちの稼働しているスラスタの中心までの距離である。

　第１の稼働台数が１台であり、第２の稼働台数が２台である場合、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比は１対２となる。
　この場合、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比は２対１となる。

＊＊＊構成の説明＊＊＊
　図２に基づいて、人工衛星１００の構成を説明する。
　人工衛星１００は、衛星本体１３０と、２台の太陽電池パドル（１４１、１４２）と、２台の調整機構（１１０、１２０）と、２つのスラスタ群（１１５、１２５）とを備える。

　第１の調整機構１１０は、第１の太陽電池パドル１４１が設けられる面に取り付けられる。

　第１の調整機構１１０は、第１のスラスタ群１１５が取り付けられて第１の距離を調整する物である。

　第１の調整機構１１０は、第１の本体側ジンバル１１１と、第１の展開ブーム１１２と、第１のスラスタ側ジンバル１１３と、第１のスラスタ台１１４とを備える。
　第１の本体側ジンバル１１１は、第１の展開ブーム１１２を衛星本体１３０に連結して第１の展開ブーム１１２の向きを変えるジンバルである。具体的には、第１の本体側ジンバル１１１は２軸ジンバルである。点線方向は回転方向を表している。
　第１の展開ブーム１１２は、棒状を成すブームである。第１の展開ブーム１１２は任意の角度で展開できる。
　第１のスラスタ側ジンバル１１３は、第１のスラスタ台１１４を第１の展開ブーム１１２に連結して第１のスラスタ台１１４の向きを変えるジンバルである。具体的には、第１のスラスタ側ジンバル１１３は２軸ジンバルである。点線矢印は回転方向を表している。
　第１のスラスタ台１１４は、第１のスラスタ群１１５が取り付けられる台である。
　第１のスラスタ群１１５は、複数台のスラスタから成る。実施の形態１では、第１のスラスタ群１１５は２台のスラスタから成る。

　第２の調整機構１２０は、第２の太陽電池パドル１４２が設けられる面に取り付けられる。

　第２の調整機構１２０は、第２のスラスタ群１２５が取り付けられて第２の距離を調整する物である。

　第２の調整機構１２０は、第２の本体側ジンバル１２１と、第２の展開ブーム１２２と、第２のスラスタ側ジンバル１２３と、第２のスラスタ台１２４とを備える。
　第２の本体側ジンバル１２１は、第２の展開ブーム１２２を衛星本体１３０に連結して第２の展開ブーム１２２の向きを変えるジンバルである。具体的には、第２の本体側ジンバル１２１は２軸ジンバルである。
　第２の展開ブーム１２２は、棒状を成すブームである。第２の展開ブーム１２２は任意の角度で展開できる。
　第２のスラスタ側ジンバル１２３は、第２のスラスタ台１２４を第２の展開ブーム１２２に連結して第２のスラスタ台１２４の向きを変えるジンバルである。具体的には、第２のスラスタ側ジンバル１２３は２軸ジンバルである。
　第２のスラスタ台１２４は、第２のスラスタ群１２５が取り付けられる台である。
　第２のスラスタ群１２５は、複数台のスラスタから成る。実施の形態１では、第２のスラスタ群１２５は２台のスラスタから成る。

　第１のスラスタ群１１５および第２のスラスタ群１２５は、第１の太陽電池パドル１４１と第２の太陽電池パドル１４２とによって発電される電力をエネルギー源とする。
　稼働できるスラスタの台数の上限は、第１の太陽電池パドル１４１と第２の太陽電池パドル１４２とによって発電される電力の大きさによって決まる。稼働するスラスタの台数が多いほど、大きな推力を得ることができる。

＊＊＊動作の説明＊＊＊
　第１の調整機構１１０および第２の調整機構１２０の動作は衛星推進方法に相当する。
　図３、図４および図５に基づいて、衛星推進方法を説明する。

　図３は、第１の稼働台数と第２の稼働台数とが同じである均衡状態を示している。
　第１の稼働台数と第２の稼働台数とは共に１台である。つまり、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比は１対１である。
　均衡状態の場合には、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２とが等しい。つまり、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比は１対１である。

　図４は、第１の稼働台数と第２の稼働台数とが異なる不均衡状態を示している。
　第１の稼働台数は１台であり、第２の稼働台数は２台である。つまり、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比は１対２である。
　均衡状態（図３参照）から不均衡状態に変わる場合に、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比が第１の稼働台数と第２の稼働台数との比の逆比になるように、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との少なくともいずれかが変わる。
　例えば、第２の調整機構１２０が向きを変える。これにより、第２のスラスタ群１２５の位置が変わって第２の距離Ｄ_２が半分になる。その結果、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比が２対１になる。

　図５は、第１の稼働台数と第２の稼働台数とが同じである均等状態を示している。
　第１の稼働台数は１台であり、第２の稼働台数は２台である。つまり、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比は１対１である。
　不均衡状態（図４参照）から均衡状態に変わる場合に、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２とが等しくなるように、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との少なくともいずれかが変わる。
　例えば、第２の調整機構１２０が向きを変える。これにより、第２のスラスタ群１２５の位置が変わって第２の距離Ｄ_２が半分になる。その結果、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比が１対１になる。

　第１の距離Ｄ_１は第１の調整機構１１０によって調整され、第２の距離Ｄ_２は第２の調整機構１２０によって調整される。
　具体的には、人工衛星１００に備わるコンピュータが第１の調整機構１１０と第２の調整機構１２０とを制御する。制御された調整機構は調整ブームの向きを変える。つまり、本体側ジンバルが調整ブームの向きを変える。さらに、制御された調整機構はスラスタ台の向きを変える。つまり、スラスタ側ジンバルがスラスタ台の向きを変える。その結果、スラスタ台は、進行方向（＋Ｚ）と反対の方向に向けられる。これにより、稼働されるスラスタが進行方向と反対の方向に噴射し、進行方向への推力が得られ、人工衛星１００が進行方向に進む。

＊＊＊実施の形態１の効果＊＊＊
　奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射させた場合であっても人工衛星１００の重心周りにモーメントが発生しないようにすることができる。
　具体的には、電気推進スラスタを搭載する展開型ブームの展開角度を調整することによって、奇数台の電気推進スラスタを同時に噴射することを可能にした。

　また、電気推進スラスタの台数を例えば２台よりも増やし、電気推進スラスタを同時に噴射して軌道間移動（オービット・レイジング）時の推進力を上げる場合、以下の点に留意する必要がある。
　・電気推進スラスタの搭載台数が増えることによるコストおよび電気推進スラスタ駆動用の所要電力。
　・ＡＫＥ（アポジキックエンジン）と呼ばれる化学推進エンジンは大きな推力を発生させる。化学推進エンジンが用いられる人工衛星の場合、化学推進エンジンが反地球指向面に搭載され、電気推進スラスタが搭載される場所と化学推進エンジンが搭載される場所とが競合する。そのため、電気推進方式と化学推進方式との併用において、電気推進スラスタと化学推進エンジンを同一の衛星構体面（反地球指向面）に搭載する場合に実装（面積等）上の制約が生じること。
　実施の形態１によれば、電気推進スラスタ（第１のスラスタ群１１５及び第２のスラスタ群１２５）の総台数を奇数台（２Ｎ＋１　台；Ｎは１以上の整数）（例えば３台）に出来る設計上の組合せの自由度を得ることで、例えば４台（２Ｎ＋２　台）の電気推進スラスタを併用する場合に比べてコストおよび所要電力を減らすことができるとともに、電気推進スラスタ２台（２Ｎ　台）の場合に比べ推進力を増加することができる。
　また、ブーム（第１の展開ブーム１１２、第２の展開ブーム１２２）を介して電気推進スラスタを化学推進エンジンと異なる人工衛星１００の衛星構体面に取り付けることによって、電気推進スラスタを必ずしも反地球指向面に搭載する必要がなくなり、電気推進方式と化学推進方式との併用における実装上の制約を緩和することが可能となる。

＊＊＊他の構成＊＊＊
　第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比を変えるために、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との両方が変わってもよい。
　例えば、人工衛星１００の状態が図６に示す均等状態から図７に示す不均等状態に変わってもよい。

　スラスタ群を構成するスラスタの台数は３台以上であってもよい。
　例えば、図８に示すように、スラスタ群を構成するスラスタの台数は３台であってもよい。第１の稼働台数が２台であり、第２の稼働台数が３台である場合、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比が２対３であるため、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比は３対２になる。
　また、図９に示すように、スラスタ群を構成するスラスタの台数は４台であってもよい。第１の稼働台数が３台であり、第２の稼働台数が４台である場合、第１の稼働台数と第２の稼働台数との比が３対４であるため、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２との比は４対３になる。
　さらに、第１のスラスタ群１１５の台数と第２のスラスタ群１２５の台数とが異なってもよい。

　第１の調整機構１１０および第２の調整機構１２０の構造は、第１の距離Ｄ_１と第２の距離Ｄ_２とを調整することが可能であれば、図２に示した構造でなくてもよい。
　例えば、第１の調整機構１１０および第２の調整機構１２０は以下のような構造であってもよい。
　第１の展開ブーム１１２および第２の展開ブーム１２２に関節が設けられて、第１の展開ブーム１１２および第２の展開ブーム１２２が関節部分で曲がってもよい。
　第１の展開ブーム１１２および第２の展開ブーム１２２が伸縮構造を有して伸び縮みしてもよい。
　各ジンバルがユニバーサルジョイントであってもよい。

＊＊＊実施の形態の補足＊＊＊
　実施の形態は、好ましい形態の例示であり、本発明の技術的範囲を制限することを意図するものではない。実施の形態は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。

　１００　人工衛星、１０１　衛星重心、１１０　第１の調整機構、１１１　第１の本体側ジンバル、１１２　第１の展開ブーム、１１３　第１のスラスタ側ジンバル、１１４　第１のスラスタ台、１１５　第１のスラスタ群、１２０　第２の調整機構、１２１　第２の本体側ジンバル、１２２　第２の展開ブーム、１２３　第２のスラスタ側ジンバル、１２４　第２のスラスタ台、１２５　第２のスラスタ群、１３０　衛星本体、１４１　第１の太陽電池パドル、１４２　第２の太陽電池パドル。

Claims

　複数台のスラスタから成る第１のスラスタ群と、前記第１のスラスタ群とは別の複数台のスラスタから成る第２のスラスタ群とを備える人工衛星であって、
　前記第１のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第１の稼働台数と前記第２のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第２の稼働台数とが異なる場合に、進行方向と直交する第１の方向における距離であって衛星重心から前記第１のスラスタ群までの距離である第１の距離と、前記第１の方向と逆の第２の方向における距離であって衛星重心から前記第２のスラスタ群までの距離である第２の距離との比が、前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数との逆比になる人工衛星。
　前記第１のスラスタ群が取り付けられて前記第１の距離を調整する第１の調整機構と、
　前記第２のスラスタ群が取り付けられて前記第２の距離を調整する第２の調整機構とを備える請求項１に記載の人工衛星。
　前記第１の調整機構は、
　棒状を成す第１の展開ブームと、
　前記第１の展開ブームを衛星本体に連結して前記第１の展開ブームの向きを変える第１の本体側ジンバルと、
　前記第１のスラスタ群が取り付けられる第１のスラスタ台と、
　前記第１のスラスタ台を前記第１の展開ブームに連結して前記第１のスラスタ台の向きを変える第１のスラスタ側ジンバルとを備え、
　前記第２の調整機構は、
　棒状を成す第２の展開ブームと、
　前記第２の展開ブームを衛星本体に連結して前記第２の展開ブームの向きを変える第２の本体側ジンバルと、
　前記第２のスラスタ群が取り付けられる第２のスラスタ台と、
　前記第２のスラスタ台を前記第２の展開ブームに連結して前記第２のスラスタ台の向きを変える第２のスラスタ側ジンバルとを備える
請求項２に記載の人工衛星。
　前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数とが同じである場合に、前記第１の距離と前記第２の距離とが等しく、
　前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数とが同じである均衡状態から前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数とが異なる不均衡状態に変わる場合に、前記第１の距離と前記第２の距離との比が前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数との比の逆比になるように、前記第１の距離と前記第２の距離との少なくともいずれかが変わる
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の人工衛星。
　前記不均衡状態から前記均衡状態に変わる場合に、前記第１の距離と前記第２の距離とが等しくなるように、前記第１の距離と前記第２の距離との少なくともいずれかが変わる
請求項４に記載の人工衛星。
　第１のスラスタ群と第２のスラスタ群とによって人工衛星に推力を与える衛星推進方法であって、
　第１の調整機構に取り付けられた前記第１のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第１の稼働台数と、第２の調整機構に取り付けられた前記第２のスラスタ群のうちの稼働されるスラスタの台数である第２の稼働台数とが異なる場合に、進行方向と直交する第１の方向における距離であって衛星重心から前記第１のスラスタ群までの距離である第１の距離と、前記第１の方向と逆の第２の方向における距離であって衛星重心から前記第２のスラスタ群までの距離である第２の距離との比が、前記第１の稼働台数と前記第２の稼働台数との逆比になるように、前記第１の調整機構が前記第１の距離を調整し、前記第２の調整機構が前記第２の距離を調整する衛星推進方法。