JP7284987B2 - Antennas mounted on satellites - Google Patents
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Description
本発明は人工衛星に搭載するアンテナであって、打ち上げロケットから離れて所定の軌道に乗った場合に、大きく開くことが出来る展開機構に関するものである。 The present invention relates to an antenna mounted on an artificial satellite, and relates to a deployment mechanism that can be opened wide when the antenna is separated from a launch vehicle and gets on a predetermined orbit.
近年、色々な目的に対応する数多くの人工衛星が打ち上げられている。例えば、（ａ）毎日の天気予報などの地球の状態を監視する地球観測衛星、（ｂ）ＢＳ放送や、国内・海外とのＴＶ中継などに使用される通信放送衛星、（ｃ）宇宙の謎に迫る観測をする衛星で、地球周辺の観測をしたり、また望遠鏡を搭載して遠くの天体を観測する科学衛星など、色々と知られている。 In recent years, many artificial satellites have been launched for various purposes. For example, (a) earth observation satellites that monitor the state of the earth such as daily weather forecasts, (b) communication broadcasting satellites used for BS broadcasting and domestic and overseas TV relays, and (c) mysteries of the universe It is a satellite that makes observations close to the earth, and is known for various things such as observations around the earth and scientific satellites that carry telescopes to observe distant celestial bodies.
このように、人工衛星の目的は色々あるが、近年では、超小型衛星の需要が増大し、それに即して要求される技術に変化が生じている。中でも大学の研究室などが製作する数キログラム程度のキューブサットと称される超小型衛星が知られている。このキューブサットの打ち上げはポッド内に収納して行われるため、人工衛星に搭載されるアンテナは、必然的にこのポッドに収まるように収納される。 As described above, artificial satellites have various purposes, but in recent years, the demand for microsatellites has increased, and the required technology has changed accordingly. Among them, microsatellites called CubeSats of several kilograms produced by university laboratories are known. Since this CubeSat is launched inside a pod, the antenna mounted on the satellite is inevitably stored in this pod.
すなわち、該ポッドに収まるように小さいアンテナが搭載されるが、しかし、小さいアンテナでは電波の送信並びに受信する能力に欠けるために、ロケットから離れて円周軌道に乗ったならば、小さく収まっているアンテナは大きく展開するように構成されていて、その為にアンテナには展開機構が備わっている。
また、アンテナには重量制限やバッテリ容量も限られるため、これまでの衛星に搭載されてきたものに対して、より小型軽量化、低電力化が求められている。
In other words, a small antenna is mounted so that it fits in the pod, but since the small antenna lacks the ability to transmit and receive radio waves, it is small once it is in orbit away from the rocket. The antenna is configured to be widely deployed, and for this purpose the antenna is provided with a deployment mechanism.
In addition, since the weight and battery capacity of antennas are limited, there is a demand for smaller, lighter, and less power-efficient antennas that have been mounted on conventional satellites.
人工衛星に搭載されるアンテナに関して、従来から色々な技術が開発されてきている。
特許第２６７８７３８号に係る「アンテナの収納・展開装置」は、アンテナエレメントを容易に収納・展開できるようにしたものである。
すなわち、アンテナエレメントを回転軸によりアンテナエレメントホルダに回転可能に支持させ、つるまきばねにより横倒状の収納位置に回転付勢させるように構成する。また加熱時に短縮する形状記憶合金からなるコイルを、アンテナエレメントの基端の固定穴とアンテナエレメントホルダの底部の固定金具間に設けると共にコイルの加熱用ヒータを設け、ヒータを加熱しコイルを短縮させて、アンテナエレメントを直立状の展開位置に回転付勢し、ラッチ金具をアンテナエレメントに係合させて展開位置に保持するように成っている。
しかし、この「アンテナの収納・展開装置」は重量は比較的大きくて、アンテナエレメントの展開時には大きな電力を必要とするために、バッテリー搭載容量の制約が厳しい超小型衛星には不向きである。
Various techniques have conventionally been developed for antennas mounted on artificial satellites.
An "antenna storage/deployment device" according to Japanese Patent No. 2678738 allows an antenna element to be easily stored/deployed.
That is, the antenna element is rotatably supported by the antenna element holder by the rotating shaft, and is urged by the helical spring to the horizontally laid storage position. A coil made of a shape memory alloy that shortens when heated is provided between the fixing hole at the base end of the antenna element and the fixing metal fixture at the bottom of the antenna element holder, and a heater for heating the coil is provided to heat the heater and shorten the coil. The antenna element is pivotally biased to an upright, deployed position and the latch fitting engages and retains the antenna element in the deployed position.
However, this "antenna storage/deployment device" is relatively heavy and requires a large amount of power when deploying the antenna element, so it is not suitable for micro-satellites with severe restrictions on battery capacity.
特開２００４－７４８８５号に係る「保持解放装置」は、繰り返して使用することができる構造としている。
すなわち、被保持物を保持する保持位置と、保持した被保持物を解放する解放位置とに回動可能であり、保持位置に位置しているときに、解放位置に向けて回動する力が与えられる２つの保持アームと、保持位置の各保持アームに係止して各保持アームの回動を阻止する係止位置および各保持アームとの係止状態を解除する解除位置に移動自在な係止部と、この係止部を係止位置から解除位置に移動させるアクチュエータとを備えている。
この保持解放装置では、形状記憶合金を利用してアンテナの展開方式を採用することが可能であるが、形状記憶合金を所定の温度に加熱するための大電力が必要であり、超小型衛星用のアンテナには不向きである。
The “holding and releasing device” disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-74885 has a structure that can be used repeatedly.
That is, it is possible to rotate between a holding position where the held object is held and a release position where the held object is released. The two provided holding arms are engaged with the respective holding arms at the holding positions to engage with the respective holding arms to prevent the rotation of the respective holding arms, and to the releasing position for releasing the locked state with the respective holding arms. A stop portion and an actuator for moving the locking portion from the locked position to the released position are provided.
In this holding and releasing device, it is possible to employ a method of deploying an antenna using a shape memory alloy. antenna is not suitable for
特許第４５２４１７０号に係る「人工衛星用アンテナ」は、伸展時における衛星軌道への悪影響を及ぼさず、かつ、伸展後における硬化の問題のない、軽量な人工衛星搭載用アンテナである。
すなわち、人工衛星搭載用アンテナは、ＳＴＥＭタイプの外殻構造と、外殻構造の伸展のためのアクチュエータとして機能するインフレータブル構造とを備える。外殻構造の中空円筒部分にインフレータブル構造のチューブを挿入するよう配置する。チューブ内に供給するガス圧力によりチューブを膨張させチューブの膨張力を駆動力として外殻構造を伸展する。本発明によりＳＴＥＭタイプおよびインフレータブル構造の両アンテナが有するメリット兼ねそなえ、両アンテナの有するデメリットを回避することが出来る。
The "satellite antenna" according to Japanese Patent No. 4524170 is a lightweight satellite-mounted antenna that does not adversely affect the satellite orbit during extension and is free from the problem of hardening after extension.
That is, the satellite-mounted antenna comprises a STEM-type hull structure and an inflatable structure that functions as an actuator for extension of the hull structure. An inflatable structure tube is arranged to be inserted into the hollow cylindrical portion of the shell structure. The tube is inflated by gas pressure supplied into the tube, and the expansion force of the tube is used as a driving force to extend the outer shell structure. According to the present invention, the merits of both the STEM type and the inflatable structure antennas can be combined, and the demerits of both antennas can be avoided.
このように、展開機構を備えて人工衛星に搭載できるようにした色々なアンテナが知られている。しかし、これら各アンテナは収納時から展開する際に大きな電力を要し、またアンテナの重量が大きくて超小型衛星用としては適していない。
本発明が解決しようとする課題はこの問題点であり、重量が軽くて、展開時に大きな電力を要すことなく、複数本のアンテナ素子を確実に展開することが出来るアンテナを提供する。
As described above, various antennas are known which are provided with a deployment mechanism so that they can be mounted on artificial satellites. However, each of these antennas requires a large amount of electric power when deployed from the time of storage, and the weight of the antenna is large, making it unsuitable for microsatellites.
The problem to be solved by the present invention is to solve this problem, and to provide an antenna which is light in weight and which can reliably deploy a plurality of antenna elements without requiring a large amount of electric power when deployed.
本発明に係るアンテナは基盤から外方向へ複数本のアンテナ素子が延びていて、細くて厚さが薄い板状のアンテナ素子は該基盤に設けた取付け部に基部が固定され、そしてバネ性を有していることで自由に湾曲することが出来る。
基盤中央部に設けた基台上面にはニクロム線が配設されていて、該ニクロム線は通電することで加熱される。
In the antenna according to the present invention, a plurality of antenna elements extend outward from a base, and each thin plate-shaped antenna element has a base fixed to a mounting portion provided on the base, and has a spring property. Having it allows you to bend freely.
A nichrome wire is arranged on the upper surface of the base provided at the center of the base, and the nichrome wire is heated by energization.
ところで、上記アンテナ素子は基盤から外方向へ延びているが、上記基盤内に収まるように大きく湾曲することが出来る。湾曲したアンテナ素子は、バネ性を備えていることで、手放すならば真っ直ぐな元の形状に復元して基盤外方向へ延びる。 By the way, although the antenna element extends outwardly from the base, it can be greatly curved to fit within the base. The curved antenna element has a spring property, so that if it is released, it restores to its original straight shape and extends outward from the base.
本発明では、上記複数本のアンテナ素子が湾曲状態に保持されるように、テグスなどの連続した１本の張力糸によって中央側に引っ張られ、この張力糸は上記ニクロム線に接してクロスしている。そこで、ニクロム線に通電して加熱されるならば、この熱によって張力糸は焼き切られ、中央側へ湾曲しているアンテナ素子はバネ力で復元し、真っ直ぐに外方向へ延びることが出来る。 In the present invention, the plurality of antenna elements are pulled toward the center by a single continuous tension thread such as a line so that the antenna elements are held in a curved state. there is Therefore, if the nichrome wire is energized and heated, the tension thread is burned off by this heat, and the antenna element curved toward the center is restored by the spring force and can extend straight outward.
本発明のアンテナは、基盤から外方向へ真っ直ぐに延びるアンテナ素子を有していて、このアンテナ素子はバネ性を備えていることで大きく湾曲することが出来る。そして、湾曲したアンテナ素子をその形状に保持する為に、張力糸が張設され、全体形状は小さくコンパクトに収まる。従って、人工衛星を小さいポッド内に収容した状態で打上げることが出来、人工衛星がポッドから離脱して軌道に乗ったところで、コンパクトに湾曲しているアンテナ素子を外方向へ真直ぐ延ばすことが出来る。 The antenna of the present invention has an antenna element that extends straight outward from a base, and this antenna element has a spring property, so that it can be greatly bent. In order to hold the curved antenna element in its shape, a tension thread is stretched to keep the overall shape small and compact. Therefore, the artificial satellite can be launched while being housed in a small pod, and when the artificial satellite leaves the pod and enters orbit, the compactly curved antenna element can be extended straight outward. .
この場合、基盤に配設したニクロム線に通電するならば、ニクロム線が加熱されて上記張力糸は焼き切られ、アンテナ素子は備わっているバネの復元力によって元の形状と成る。本発明はアンテナ素子を延ばす手段として、コイルバネやガス充填機のような重量の増加を招く部材を必要とせず、アンテナ素子そのもののバネの復元力によって延び、軽量化が図られる。そして、ニクロム線に通電される電力は僅かで、バッテリーも小型化することが出来る。 In this case, if the nichrome wire provided on the substrate is energized, the nichrome wire is heated, the tension thread is burned off, and the antenna element returns to its original shape by the restoring force of the provided spring. As a means for extending the antenna element, the present invention does not require a member that causes an increase in weight, such as a coil spring or a gas filling machine. In addition, the electric power supplied to the nichrome wire is very small, and the size of the battery can be reduced.
アンテナ素子は一般に複数本あるが、これら全てのアンテナ素子は連続した１本の張力糸によって引っ張られることで湾曲し、その為に張力糸の一か所が焼き切られて切断するならば、全てのアンテナ素子が元の形状に復元することが出来る。すなわち、複数本のアンテナ素子は連続した１本の張力糸が切断することで確実に展開することが出来る。 Generally, there are a plurality of antenna elements, but all of these antenna elements are bent by being pulled by a single continuous tension thread. antenna elements can be restored to their original shape. That is, a plurality of antenna elements can be reliably deployed by cutting one continuous tension thread.
図１は本発明に係るアンテナ１を示す実施例であり、同図の２は基盤、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄはアンテナ素子をそれぞれ表している。上記基盤２はコーナーに切欠きを有しているが、その形状が概略四角形を成し、コーナーにはネジ止めした取付け部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを有している。そして、これら取付け部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの表面には上記アンテナ素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの基部がネジ止めにて固定されている。
FIG. 1 shows an embodiment of an antenna 1 according to the present invention, in which 2 denotes a substrate, and 3a, 3b, 3c and 3d denote antenna elements. The
アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・はバネ性に優れた薄くて細長い板材で、その先端部には所定の間隔をおいた２個の貫通穴５，５が対を成して設けられている。
そして、取付け部４ａ，４ｂ・・・に固定されたアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は、その先端部は外方向へ大きく延びている。
上記基盤２の中央には基台６が設けられ、該基台６は基盤２の表面から突出している。
The antenna elements 3a, 3b, .
The antenna elements 3a, 3b, . . . fixed to the mounting portions 4a, 4b, .
A base 6 is provided in the center of the
アンテナ１は基盤２から４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが外方向へ大きく延びていて、その為に外形寸法は大きく、このままの状態ではキューブサットと称される超小型衛星が嵌るポッドに収容することは出来ない。そこで、本発明のアンテナ１は外方向へ大きく延びるアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を内側（基盤側）に湾曲し、コンパクトに収めることが出来、この状態で小型衛星はポッド内に収容される。
Antenna 1 has four
図２は４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を内側に湾曲した状態のアンテナ１を表している。アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は湾曲して先端部は中央の基台６に近接し、その為に４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は、ほぼ基盤２内に収まることが出来る。
ところで、４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を湾曲する手段として、例えば水糸（テグス）を使用することが出来る。
FIG. 2 shows the antenna 1 in which the four antenna elements 3a, 3b, . . . are curved inward. The antenna elements 3a, 3b, .
By the way, as means for bending the four antenna elements 3a, 3b, .
上記テグスとは、テグスサンの幼虫の体内から絹糸線を取出し、酸で処理して得られる白くて透明な糸である。絹糸ではなく合成繊維から成る糸を使用することも可能であり、各アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・の先端部に設けている貫通穴５，５・・・にテグスを挿通して締め付け、図２に示すような状態に湾曲してコンパクトに収めることが出来る。 The above-mentioned exegus is a white and transparent thread obtained by extracting the silk thread from the body of the larvae of exegus sanguinea and treating it with an acid. It is also possible to use a thread made of synthetic fiber instead of silk thread. It can be bent into a state as shown in 2 and stored compactly.
図３はテグス７を用いて４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を締め付けて、内側（基台側）に湾曲した場合を示している。テグス７はアンテナ素子３ａの先端部に設けた貫通穴５，５に挿通して先端が止着し、その後、テグス７はアンテナ素子３ｂに設けた２個の貫通穴５，５を挿通し、そして、テグス７はアンテナ素子３ｃに設けて貫通穴５，５を通り、さらにアンテナ素子３ｄに設けた貫通穴５，５を挿通する。
FIG. 3 shows a case in which the four antenna elements 3a, 3b, . . . The extremities 7 are inserted through the through
このように、４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・の先端部に設けた貫通穴５，５・・・を連続して挿通したテグス７は基台６に取付けたボビン８に巻付いている。
ここで、アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・の先端部にテグス７が係合する手段は、上記貫通穴５に限るものではない。上縁に形成した切欠き溝にテグス７を係止してアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を湾曲させることも可能である。
In this way, the thread 7 continuously inserted through the through
Here, means for engaging the extremities of the antenna elements 3a, 3b, . . . It is also possible to bend the antenna elements 3a, 3b, .
該ボビン８を回転して締めるならば、アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は内側に引かれて小さく収まる。逆に、ボビン８を逆回転して緩めるならば、アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・の先端部は中央基台６から離れて拡大する。すなわち、連続した１本のテグス７を締め付けることで、４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は湾曲して先端部は基台６側に収めることが出来る。
そして、基台６の上面にはニクロム線８が配設され、該テグス７はニクロム線８に接している。
If the bobbin 8 is rotated and tightened, the antenna elements 3a, 3b, . Conversely, if the bobbin 8 is loosened by rotating it in the reverse direction, the tips of the antenna elements 3a, 3b, . . . That is, by tightening one continuous string 7, the four antenna elements 3a, 3b, .
A nichrome wire 8 is arranged on the upper surface of the base 6 , and the line 7 is in contact with the nichrome wire 8 .
ニクロム線８には電気を流すことが出来、電気を流すことでニクロム線８は加熱し、接しているテグス７は焼き切られて切断する。テグス７が切断するならば、テグス７に働いている張力は解除されて、４本のアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・はバネ力にて元の形状に復元することが出来る。すなわち、図１に示すようにアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は真っ直ぐに外方向へ延びてアンテナとして機能する。
ところで、上記テグス７を焼き切る為にニクロム線９に流される電力は小さくてよく、６ｍＷｈ程度で十分である。その為に、バッテリーも小さくて済む。
Electricity can be passed through the nichrome wire 8, and the nichrome wire 8 is heated by passing electricity, and the extremities 7 in contact with it are burnt off and cut. If the string 7 is cut, the tension acting on the string 7 is released and the four antenna elements 3a, 3b, . . . can be restored to their original shapes by spring force. That is, as shown in FIG. 1, the antenna elements 3a, 3b, . . . extend straight outward and function as antennas.
By the way, the electric power supplied to the nichrome wire 9 in order to burn off the extremity 7 may be small, and about 6 mWh is sufficient. Therefore, the battery can be small.
上記アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は長く、湾曲して小さく収まっている状態では、先端部は中央基台６と取付け部４ａ，４ｂ・・・の間に位置するようになる。そこで、テグス７が切断してアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・が拡張する場合、取付け部４ａ，４ｂ・・・に当たり、拡張が妨げられる虞がある。そこで、図２に示しているように、ジャンプ台１０ａ，１０ｂ・・・を設けている。
該ジャンプ台１０ａ，１０ｂ・・・は基台側を低くした傾斜面を有し、その為に湾曲しているアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は、傾斜面に沿って拡張し、取付け部４ａ，４ｂ・・・に当たることを避けることが出来る。
When the antenna elements 3a, 3b, . Therefore, when the extremity 7 is cut and the antenna elements 3a, 3b, . Therefore, jumping bases 10a, 10b, . . . are provided as shown in FIG.
The jump bases 10a, 10b, . , 4b . . . can be avoided.
図４は超小型衛星が打ち上げられる場合を示す具体例であって、（ａ）は超小型衛星１２がポッド１１に収容されて放出される前の状態、（ｂ）は超小型衛星１２がポッド１１から放出された場合、（ｃ）は超小型衛星１２がアンテナ素子３ａ，３ｂ・・・を拡張した場合を表している。
超小型衛星１２はポッド１１に収容された状態で打ち上げられ、所定の軌道に乗ったところで分離することが出来る。
FIG. 4 shows a specific example of launching a microsatellite. (a) shows the state before the
The micro-satellite 12 is launched in a state accommodated in the pod 11, and can be separated when it gets on a predetermined orbit.
例えば、宇宙ステーションに輸送されて発射台にポッドが設置され、所定のタイミングでポッド１１から超小型衛星１２が放出される。この場合、該超小型衛星１２にはアンテナ１が設けられ、アンテナ１の各アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は図２に示すように湾曲して小さく収まり、ポッド１１に収容されている。そして、ポッド１１から離れたところで、アンテナ素子３ａ，３ｂ・・・は拡張（展開）して外方向へ延びることが出来る。
For example, it is transported to a space station, a pod is installed on a launch pad, and
１ アンテナ
２ 基盤
３ アンテナ素子
４ 取付け部
５ 貫通穴
６ 基台
７ テグス
８ ボビン
９ ニクロム線
10 ジャンプ台
11 ポッド
12 超小型衛星
REFERENCE SIGNS LIST 1
10 jump table
11 pods
12 Microsatellites
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3. An antenna to be mounted on a small satellite according to claim 1 or claim 2, wherein said tensile thread is made of extremity.
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