JP5975325B2

JP5975325B2 - 展開式アンテナ反射鏡

Info

Publication number: JP5975325B2
Application number: JP2012025983A
Authority: JP
Inventors: 清志藤井; 稔田畑; 恭嗣新舘
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; NEC Space Technologies Ltd
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA; NEC Space Technologies Ltd
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: US9774092B2; EP2626951A1; US20130207881A1; EP2626951B1; JP2013165314A

Description

本発明は、展開式アンテナ反射鏡に関し、特にその反射鏡面に関する。

関連する展開式アンテナ反射鏡は、サーフェスケーブルと、サーフェスケーブルに取り付けられた金属メッシュと、金属メッシュの背面側に配置されたバックケーブルと、これらが取り付けられる展開型骨組みトラス構造と、を有している（例えば、特許文献１又は２参照）。

また、他の関連する展開式アンテナ反射鏡として、支持構造物の間に設けられる最も外側のコードに、柔軟な圧縮部材を取り付け、そのコードをアーチ状にしたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００６−０８０５７８号公報特表２００９−５２８７８２号公報米国特許６２７８４１６号公報

展開式アンテナ反射鏡の大口径化は、宇宙空間への搬送に用いられるロケットの収容容積の制約のために、複数の小型展開モジュールを組み合わせて実現されるのが一般的となっている。しかし、この方法は、各展開モジュールにそれぞれ展開駆動機構を必要とするため、大口径化に伴う重量の増加割合が大きいという問題がある。そこで、展開モジュールの各々について、収容時の大きさを変えることなく、あるいは小型化を図るとともに、展開時の大口径化を実現する検討がなされている。

発明者等は、収容時の小型化と展開時の大口径化を両立することができるアンテナ展開機構を考案した。しかしながら、発明者等は、そのようなアンテナ展開機構にアンテナ反射鏡面を取り付けた場合にも、重量の増加割合が大きくなることに気づいた。

詳述すると、展開式アンテナ反射鏡（又は展開モジュール）の反射鏡面は柔軟な金属メッシュで構成されている。この金属メッシュは、アンテナ収容時に折り畳まれて、アンテナ展開時に広げられる。アンテナ展開時の金属メッシュを所定形状（反射鏡面）にするため、複数のケーブルを網状に配置したサーフェスケーブルネットワークが用いられる。サーフェスケーブルネットワークを弛みなく張ることで、サーフェスケーブルネットワークに取り付けられた金属メッシュをファセット（網目）単位で平面にする。

反射鏡面を拡大しようとして金属メッシュを大面積化する場合には、サーフェスケーブルネットワークも大型化する必要がある。サーフェスケーブルネットワークの大型化により、それを構成する各ケーブルが長くなると、反射鏡面を所定の形状に維持するために必要な張力も大きくなる。また、これらのケーブルを支持するアンテナ展開機構に加わる荷重も大きくなる。その結果、ケーブル及びアンテナ展開機構の強度を向上させる必要が生じ、それらの重量が増加する。

このように、展開式アンテナ反射鏡の大口径化を図ろうとすると、重量の増加割合が大きくなるという問題点がある。

本発明は、サーフェスケーブルネットワークに生じる最大張力を低減することで、ケーブル及びアンテナ展開機構の重量の増加を抑えつつ反射鏡面の大口径化を可能にした展開式アンテナ反射鏡を提供することを目的とする。

なお、特許文献３に記載の技術は、最も外側のコードを湾曲させる（SCALLOP）にするためのもので、最大張力を低減するものではなく、むしろ最大張力を増加するもののように見受けられる。そもそも、特許文献３のアンテナでは、各コードが平行に配置されているだけで、網状に連結されていない。

本発明の一形態に係る展開式アンテナ反射鏡は、複数のケーブルを網状に連結して構成したサーフェスケーブルネットワークを備え、前記サーフェスケーブルネットワークは、当該サーフェスネットワークに生じる最大張力を緩和する少なくとも１本の剛性ロッド部材を含む、ことを特徴とする展開式アンテナ反射鏡。

サーフェスケーブルネットワークに最大張力を緩和する剛性ロッド部材を設けたことにより、サーフェスケーブルネットワークに生じる最大張力と、アンテナ展開機構にかかる荷重を低減することができる。これにより、展開式アンテナ反射鏡の重量の増加を抑えつつ反射鏡面の大口径化を実現できる。

本発明の第１の実施の形態に係る展開式アンテナ反射鏡の概略構成を示す斜視図である。（ａ）は、図１の展開式アンテナ反射鏡の分解斜視図、（ｂ）は、その組立後の斜視図である。（ａ）は、図２に示されるサーフェスケーブルネットワークの平面図、（ｂ）は、（ａ）の破線円Ｂで示す箇所に使用される結合装置の斜視図である。第１の実施の形態に係る展開式アンテナ反射鏡を単位モジュールとする連結型の大型展開式アンテナ反射鏡の概略構成を示す図である。（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に使用されるサーフェスケーブルネットワークの平面図、（ｂ）は、（ａ）の破線円Ｂで示す箇所に使用される結合装置の斜視図である。本発明の変形例に係る展開式アンテナ反射鏡の概略構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る展開式アンテナ反射鏡１０は、アンテナ展開機構（リンク機構）１１、アンテナ展開機構１１の位相角度を調整するバンド１２及びアンテナ反射鏡面１３を含む。なお、図１では、アンテナ反射鏡面１３として、それを構成するサーフェスケーブルネットワーク（図２の２３）のみを示している。

図２（ａ）は、図１の展開式アンテナ反射鏡１０の概略構成を説明するための分解斜視図である。

図示のように、展開式アンテナ反射鏡１０は、アンテナ展開機構１１、リアケーブルネットワーク２１、金属メッシュ２２及びサーフェスケーブルネットワーク２３を備えている。リアケーブルネットワーク２１、金属メッシュ２２及びサーフェスケーブルネットワーク２３が、アンテナ反射鏡面１３を構成する。

アンテナ展開機構１１は、リンク機構により収容状態と展開状態との間で変形可能に構成されている。アンテナ展開機構１１は、多角形（ここでは六角形）の頂点となる位置にサーフェスケーブルネットワーク２３を取り付けるための支持部材を有している。

リアケーブルネットワーク２１は、複数のケーブルで構成され、アンテナ展開機構１１に取り付けられるとともに、サーフェスケーブルネットワーク２３にも連結される。サーフェスケーブルネットワーク２３に連結されるケーブルを、特にタイケーブルと呼ぶことがある。リアケーブルネットワーク２１は、アンテナ展開機構１１の展開によって張力を受け、また、タイケーブルを介してサーフェスケーブルネットワーク１４に張力を与える。

金属メッシュ２２は、折りたたみ可能な柔軟性を持ち、サーフェスケーブルネットワーク２３に縫い付けられる。

サーフェスケーブルネットワーク２３は、多角形の輪郭と複数のファセット（網目）とを有するように、複数のケーブルを網状に配置し、その交点を互いに固定して構成されている。サーフェスケーブルネットワーク２３の輪郭の頂点は、アンテナ展開機構１１の支持部材に固定される。また、ケーブルの交点のうちのいくつかは、タイケーブルを介してリアケーブルネットワーク２１に連結される。サーフェスケーブルネットワーク２３の輪郭は、例えば六角形とすることができ、また、ファセットは例えば三角形とすることができるが、これに限られない。

以上のアンテナ展開機構１１、リアケーブルネットワーク２１、金属メッシュ２２及びサーフェスケーブルネットワーク２３を組み合わせて、図２（ｂ）に示すように展開型アンテナ反射鏡が構成される。

展開式アンテナ反射鏡１０は、折りたたまれた状態でロケットのフェアリング内に収容され、宇宙空間において図１に示す展開形状に展開される。展開された状態で、アンテナ展開機構１１からリアケーブルネットワーク２１及びサーフェスケーブルネットワーク２３に適切な張力が与えられ、金属メッシュ２２が所定の形状に広げられ、反射面を形成する。金属メッシュ２２は、サーフェスケーブルネットワーク２３の複数のファセットに夫々平面を形成し、全体としてパラボラ形状を近似する多面体を構成する。

図３（ａ）に、サーフェスケーブルネットワーク２３の平面図を示す。サーフェスケーブルネットワーク２３は、パラボラ面を形成するように立体的に構成されるため、図３では一部にたるみが生じている。また、図１とは、その構成が若干異なっている。

図３（ａ）のサーフェスケーブルネットワーク２３は、輪郭が六角形で、その内側に多数の三角形のファセットを有している。輪郭に対して略平行に設けられるケーブルをここでは周方向ケーブルと呼ぶ。また、周方向ケーブルのうち、最も外周側にあるケーブル、すなわち輪郭の各辺に当たるケーブルを、ここでは最外周ケーブルと呼ぶ。周方向ケーブルは、中心から放射状に伸びて各頂点に達するケーブル間を互いに連結している。

サーフェスネットワークケーブル２３は、その最大張力を低減するように少なくとも１本の剛性ロッド部材３１を有している。剛性ロッド部材３１は、最外周ケーブルの近傍に設けられる。具体的には、最外周ケーブルとそれに隣接配置される周方向ケーブルとの間を連結するように、複数の剛性ロッド部材３１が設けられる。剛性ロッド部材３１は、例えば、炭素繊維強化樹脂等の軽量高剛性の材料からなる。剛性ロッド部材３１の剛性は、サーフェスネットワークに生じる張力に応じたものとすることができる。

剛性ロッド部材３１と最外周ケーブル又は周方向ケーブルとの間は、図３（ｂ）に示すような結合部材３２を用いて連結することができる。この結合部材３２は、リアケーブルネットワーク（タイケーブル）２１との連結にも使用される。また、結合部材３２は回転自在の継手を有し、展開式アンテナ反射鏡１０の折り畳み動作に対応するように構成されている。結合部材３２は、例えば樹脂製であってよい。

剛性ロッド部材３１は、圧縮荷重及び引張荷重のいずれであっても受けることができる。剛性ロッド部材３１は、また、曲げ荷重も受けることができる。

展開状態において、リアケーブルネットワーク２１、金属メッシュ２２及びサーフェスネットワーク２３に生じる張力は均衡状態でなければならない。このとき、サーフェスケーブルネットワーク２３として剛性ロッド部材３１を含まないものを用いるならば、各ケーブルに印加される張力は全て正値（引張張力）でなければならない。また、サーフェスケーブルネットワーク２３に取り付けられた金属メッシュ２２の張力による鏡面面外方向の力に抗して、ケーブルの曲がりを防止し、所定の形状を維持するためには、リアケーブルネットワーク２１及びサーフェスケーブルネットワーク２３のみ形状を維持する場合に比べ、より大きな張力が必要となる。こうして、展開式アンテナ反射鏡１０の大口径化に伴い、サーフェスケーブルネットワーク２３を構成するケーブルの張力は、ますます大きくなる。

本実施の形態では、サーフェスケーブルネットワークを構成するケーブルの一部に剛性ロッド部材３１を適用することにより、その適用箇所において、張力下限値の制約を回避できる。これによって、サーフェスケーブルネットワーク２３全体の張力低減が可能となり、その最大張力を低減できる。また、サーフェスケーブルネットワーク２３からアンテナ展開機構１１に加わる荷重を低減できる。これにより、アンテナ展開機構１１の強度を向上させる必要から生じる重量の増加を抑制できる。こうして、重量の増加を抑えつつ、収容時の小型化と展開時の大口径化を実現した展開式アンテナ反射鏡を提供することができる。

なお、本実施の形態に係る展開式アンテナ反射鏡を単位モジュールとし、複数の単位モジュールを連結して、図４に示すように、より大型の展開式アンテナ反射鏡として用いることも可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

第１の実施の形態では、最外周ケーブルとそれに隣接する周方向ケーブルとの間をすべて剛性ロッド部材３１で連結したが、本実施の形態では、図５（ａ）に示すように、その一部を剛性ロッド部材３１で連結し、残りをケーブルで連結している。剛性ロッド部材３１は、少なくとも１本あればよいが、張力分布を考慮して、半数を剛性ロッド部材３１としている。図５（ａ）では、最外周ケーブルに頂角を置くファセットを規定する２本のケーブルのうち、最外周ケーブルの端部（頂点）に近いほうの一本を剛性ロッド部材３１で置き換えている。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果に加え、図５（ｂ）に示すように、結合部材５１の構成を結合部材３２に比べ簡略化することができる。

以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形・変更が可能である。例えば、六角形に限らず、図６に示すような八角形や、正八角形、あるいは他の多角形であってもよい。また、図３及び図５では、最外周ケーブルとそれに隣接する周方向ケーブルの端部がともにアンテナ展開機構１１の支持部材に固定されている例について説明したが、最外周ケーブルに隣接する周方向ケーブルの端部は、最外周ケーブルの端部とは異なる位置（中心側）にあってもよい。さらに、剛性ロッド部材３１の本数や設置場所は、サーフェスケーブルネットワークにおける張力分布に応じて適宜変更することが可能である。

１０展開式アンテナ反射鏡
１１アンテナ展開機構
１２バンド
１３アンテナ反射鏡面
２１リアケーブルネットワーク
２２金属メッシュ
２３サーフェスケーブルネットワーク
３１剛性ロッド部材
３２結合部材
５１結合部材

Claims

複数のケーブルを網状に連結して構成したサーフェスケーブルネットワークを備え、
前記サーフェスケーブルネットワークは、圧縮荷重及び引張荷重のいずれであっても受けることができる、少なくとも１本の剛性ロッド部材を含み、
前記サーフェスケーブルネットワークは、多角形の輪郭を有し、
前記剛性ロッド部材は、前記多角形の輪郭の各辺となる最外周ケーブルとそれに隣接して配置される周方向ケーブルとの間を連結するように設けられている、
ことを特徴とする展開式アンテナ反射鏡。
前記少なくとも１本の剛性ロッド部材は、前記サーフェスケーブルネットワークのファセットを規定するケーブルの一部を置き換えるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記ファセットが三角形であることを特徴とする請求項２に記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記ファセットが前記最外周ケーブルに頂角を置き、当該頂角を挟む二辺の少なくとも一方に前記剛性ロッド部材を配置したことを特徴とする請求項３に記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記頂角を挟む二辺の両方に前記剛性ロッド部材を配置したことを特徴とする請求項４に記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記頂角を挟む二辺のうち、前記最外周ケーブルの端部に近い側の一辺に前記剛性ロッド部材を配置し、他の一辺にケーブルを配置したことを特徴とする請求項４に記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記周方向ケーブルの端部が、前記最外周ケーブルの端部に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記多角形が六角形であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記サーフェスケーブルネットワークの輪郭の頂点を支持する支持手段と、
前記支持手段が取り付けられた展開機構と、
前記展開機構に取り付けられるリアケーブルネットワークと、
前記サーフェスケーブルネットワークと前記リアケーブルネットワークとの間に配置されるように、前記サーフェスケーブルネットワークに取り付けられる金属メッシュと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の展開式アンテナ反射鏡。
前記剛性ロッド部材は、更に、曲げ荷重を受けることができることを特徴とする請求項１に記載の展開式アンテナ反射鏡。