(57)【要約】【課題】遮光性及び耐放射線（宇宙線）能力を確保しつつ、大幅な軽量化を実現した恒星センサ用の筐体を提供する。【解決手段】恒星センサ用筐体の一例であるバッフル３０は、人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星センサ２０の筐体であって、炭素繊維強化樹脂（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）からなり、所定方向としての光軸Ｃの近傍に位置する光源からの光を選択的に集光する筒状に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星センサの筐体であって、
炭素繊維強化樹脂からなり、所定方向の集光を行う筒状に形成された恒星センサ用筐体。
【請求項２】
炭素繊維が混練された熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂からなるプリプレグが径方向に４重に積層され、焼成されている請求項１に記載の恒星センサ用筐体。
【請求項３】
内周面又は外周面に黒色塗装が施されている請求項１又は２に記載の恒星センサ用筐体。
【請求項４】
内周面又は外周面にサンドブラスト処理が施されている請求項１から３のいずれかに記載の恒星センサ用筐体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星に搭載される恒星センサの筐体の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星は、地球の大気圏を離れた宇宙空間を航行し、地球を周回する。人工衛星の目的やミッションはさまざまであるが、例えば地球観測衛星の場合、観測が実施されるために当該人工衛星の姿勢が正確に制御されなければならない。そのため、一般に人工衛星は恒星センサや太陽センサ、地球センサ等のセンサを搭載しており、例えば恒星センサによって特定の恒星が撮影され、その写っている方向から当該人工衛星の姿勢が特定される（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
【０００３】
恒星センサは、特定の恒星の光を捉えるための筐体（「バッフル」と称されることもある）を備えている。この筐体は、当該特定の恒星以外の光を確実に遮断することができるものでなければならない。また、人工衛星は宇宙空間を航行しながら宇宙線、特にガンマ線その他の高エネルギー放射線の照射を受けるので、筐体を構成する材料は、宇宙線の影響を受けにくいことも要請される。そのため、従来の筐体の材料は、例えばアルミニウム合金その他金属材料が採用されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０４５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２２６３００号公報
【特許文献３】特開２００２−２２８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、人工衛星は、打ち上げコスト等を抑えるために軽量化の要請を受ける。したがって、筐体がアルミニウム合金により構成された場合、上記遮光及び宇宙線の遮断の問題は解決されるが、軽量化の要請には十分に応えることはできなかった。
【０００６】
本発明はかかる背景のもとになされたものであって、その目的は、遮光及び宇宙線の遮断に加えて軽量化をも実現する恒星センサ用の筐体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明に係る恒星センサ用筐体は、人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星センサの筐体であって、炭素繊維強化樹脂からなり、所定方向の集光を行う筒状に形成されている。
【０００８】
この構成によれば、恒星センサ用筐体の大幅な軽量化が図られると共に、十分な遮光性及び耐放射線能力も確保される。
【０００９】
(2) 上記恒星センサ用筐体は、炭素繊維が混練された熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂からなるプリプレグが径方向に４重に積層され、焼成されるのが好ましい。
【００１０】
この構成では、恒星センサ用筐体の製造がきわめて簡単である。
【００１１】
(3) 内周面又は外周面に黒色塗装が施されているのが好ましい。
【００１２】
この構成では、遮光性が向上する。
【００１３】
(4) さらに、上記内周面又は外周面にサンドブラスト処理が施されているのが好ましい。
【００１４】
この構成では、遮光性が一層向上する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、遮光性及び耐放射線（宇宙線）能力が確保されつつ、大幅な軽量化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本実施形態に係る人工衛星１０の斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るバッフル３０の縦断面図である。
【図３】図３は、実施例１〜３及び比較例の遮光性能を示す図である。
【図４】図４は、ガンマ線照射量と引張弾性率との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ガンマ線照射量と引張強度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、ガンマ線照射量と層間せん断強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態が、適宜図面が参照されながら説明される。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る人工衛星１０の斜視図である。
【００１９】
一般に、質量が５００ｋｇ以下の衛星は小型衛星、１００ｋｇ以下の衛星は超小型衛星と呼ばれる。図１に示される人工衛星１０は、地球観測用として地球周回軌道を航行するものであり、一片が５０ｃｍ以下の直方体形状であり、質量が５０ｋｇ以下の超小型人工衛星の一つである。人工衛星１０は、太陽電池が装着されたパドル（不図示）を備え、太陽光をエネルギー源として作動する。
【００２０】
人工衛星１０は、アングル等を組み合わせて略直方体形状に形成されたフレーム１１と、人工衛星１０の外壁面を構成する複数のパネル１２とで構成される。フレーム１１は、人工衛星１０の外形を画定するものであり、仕切り壁１３によって内部が複数の小空間に区画されている。このフレーム１１は、例えば、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格によって規定されるＡ２０２４、Ａ７０７５等）によって形成することができる。
【００２１】
パネル１２は、フレーム１１の各面にボルト等によって固定される。すなわち、上述した各小空間の外側の面は、パネル１２によって閉鎖される。このパネル１２は、ハニカム構造のアルミニウム板の厚み方向の両面に、繊維強化樹脂製の板を貼り合わせて構成される。なお、アルミニウム板に代えて、ポリイミド等の多孔質断熱材に炭素等の良熱伝導性物質を混ぜ合わせた機能性断熱材を用いてもよい。また、繊維強化樹脂には、炭素繊維を含有した炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）或いはガラス繊維を含有したガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）等、既知のあらゆる繊維強化樹脂を採用することができる。
【００２２】
仕切り壁１３によって区画された各小空間には、姿勢制御ユニット１４、通信ユニット１５、及び観測ユニット１６等の機器が配置される。姿勢制御ユニット１４は、人工衛星１０の姿勢を制御するものであって、恒星センサ２０を備える。通信ユニット１５は、例えば、地球上に設置された基地局との間で通信を行うものである。観測ユニット１６は、様々な情報を収集するものであり、人工衛星１０の目的や用途に応じて適宜選択されるものである。なお、図１に示される各機器の配置は一例であって、これに限定されるものではない。
【００２３】
図２は、恒星センサ２０の構成を示す断面図である。恒星センサ２０は、人工衛星１０の姿勢制御に用いられるものであり、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子２１と、外部光源（すなわち、恒星）からの光を撮像素子２１に集光させる光学レンズ系２２と、バッフル３０とを備える。バッフル３０は、恒星センサ２０の筐体となると共に、特定の恒星からの光を光学レンズ系２２に到達させ、且つ特定の恒星以外の光源からの光を遮断する機能を有する。すなわち、このバッフル３０は、本発明の恒星センサ用筐体の一例である。
【００２４】
図２に示されるバッフル３０は、中空であり、且つ長手方向１００の両端が開口する概ね筒形状の部材であって、円錐部３１と、くびれ部３２と、円筒部３３とで構成される。このバッフル３０は、円錐部３１側の開口が観測対象の光源を向くように配置され、円筒部３３側の開口端において撮像素子２１及び光学レンズ系２２を保持する。また、図１に示されるように、パネル１２には、バッフル３０の円錐部３１側の開口に対面する位置に、開口１２Ａが設けられている。この開口１２Ａは光を透過する材料によって封鎖されるのが望ましいが、必ずしも封鎖されなくてもよい。
【００２５】
以下、バッフル３０の形状及び機能が説明される。なお、バッフル３０の各構成要素の説明において、長手方向１００の光源に近い側（すなわち、円錐部３１の配置された側）を「前」、撮像素子２１が配置された側（すなわち、円筒部３３の配置された側）を「後」として位置関係が説明される。
【００２６】
円錐部３１、くびれ部３２、及び円筒部３３それぞれは、中空であり、且つバッフル３０の長手方向１００の両端部が開口している。撮像素子２１及び光学レンズ系２２は、その光軸Ｃがバッフル３０の中心軸線と概ね一致するように、バッフル３０の後側の端部に配置されている。すなわち、円錐部３１、くびれ部３２、及び円筒部３３それぞれ中心軸線は、光学レンズ系２２の光軸と概ね一致する。そのため、バッフル３０の前側の開口から入射した光の一部は、円錐部３１、くびれ部３２、及び円筒部３３を通過して光学レンズ系２２に到達し、撮像素子２１上に集光される。
【００２７】
円錐部３１は、概ね円錐台形状であって、大径側の端部を前に、小径側の端部を後ろに向けて配置される。すなわち、円錐部３１の開口された大径側の端部が、バッフル３０の前側の端部を構成する。くびれ部３２は、概ね円錐台形状であって、小径側の端部を前に、大径側の端部を後ろに向けて配置される。くびれ部３２は、その小径側の端部において円錐部３１の小径側の端部に接続される。すなわち、円錐部３１の小径側の端部とくびれ部３２の小径側の端部とは、内径寸法が一致する。
【００２８】
円筒部３３は、概ね円筒形状であって、その前側の端部においてくびれ部３２の大径側の端部に接続される。すなわち、くびれ部３２の大径側の端部と円筒部３３の前側の端部とは、内径寸法が一致する。また、円筒部３３の開口された後側の端部が、バッフル３０の後側の端部を構成する。さらに、円筒部３３の内部には、複数（図２の例では３個）の遮光環３４、３５、３６が設けられている。
【００２９】
遮光環３４、３５、３６は、厚み方向に貫通する貫通孔３７、３８、３９を有する円板状（リング状）の部材である。遮光環３４、３５、３６は、円筒部３３の内部において、長手方向１００に離間した位置に配置される。また、遮光環３４、３５、３６の外形寸法は、円筒部３３の内径寸法に一致する。厳しい遮光性が要求される場合には、遮光環３４、３５、３６の円錐部３１側の外形寸法は、光学レンズ系２２側の外径寸法より僅かに大きい方が望ましい。つまり、遮光環３４、３５、３６の断面は斜めになる。さらに、遮光環３４、３５、３６は、貫通孔３７、３８、３９の中心（すなわち、遮光環３４、３５、３６の中心軸）が概ね光学レンズ系の光軸Ｃ上に位置するように配置される。
【００３０】
貫通孔３７、３８、３９の直径は、互いに異なる。詳細には、貫通孔３７の直径が最も大きく、貫通孔３９の直径が最も小さい。換言すれば、直径が最も大きい貫通孔３７を有する遮光環３４が長手方向１００の最も前側に配置され、直径が最も小さい貫通孔３９を有する遮光環３６が長手方向１００の最も後側に配置される。より詳細には、遮光環３４、３５、３６は、くびれ部３２の小径側の内周面と、各遮光環３４、３５、３６の内周面とが、図２の破線で示される直線上に位置するように配置される。
【００３１】
上記構成のバッフル３０は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）によって形成される。より詳細には、マンドレル等の型にシート状のプリプレグを積層し、層間の空気や揮発物等を真空除去し、加熱及び加圧して硬化させることによって、バッフル３０が形成される。なお、プリプレグとは、エポキシ樹脂等の熱硬化樹脂を含浸させたものである。この他、ＰＥＥＫ（ＰｏｌｙＥｔｈｅｒＥｔｈｅｒＫｅｔｏｎｅ）等の熱可塑性樹脂に炭素繊維を混練もしくは含浸したプリプレグあるいはセミプレグを用いてもよい。すなわち、バッフル３０は、径方向に積層された複数のプリプレグを焼成して得られる積層構造体であり、その積層数は４層以上であることが望ましい。
【００３２】
なお、上記構成のバッフル３０は、全体を一体として形成してもよいし、個別に形成された各構成要素を互いに接合してもよい。例えば、円錐部３１、くびれ部３２、及び円筒部３３を一体形成し、これとは別に形成された遮光環３４、３５、３６を円筒部３３に嵌め入れてもよい。
【００３３】
また、バッフル３０の内周面及び外周面の少なくとも一方には、艶消しのために黒色の塗装が施される。また、バッフル３０の内周面及び外周面の少なくとも一方には、上述の塗装に代えて又は塗装の前処理として、サンドブラスト処理が施される。サンドブラスト処理とは、硅砂や金属粒等の小径の粒子を高圧空気と共にバッフル３０に吹き付ける処理を指す。すなわち、サンドブラスト処理が施された後のバッフル３０の表面には、微細な凹凸が形成され、艶消し効果が得られる。
【００３４】
上記構成のバッフル３０によれば、円錐部３１の大径側の端部から入射する光のうち、光軸Ｃとのなす角が閾値より大きい光は円錐部３１の内壁面、及び遮光環３４、３５、３６の壁面によって遮断され、光軸Ｃとのなす角が閾値以下の光のみが光学レンズ系２２に到達する。換言すれば、光軸Ｃ上及びその近傍に位置する恒星からの光のみが選択的に恒星センサ２０で検出される。
【００３５】
図３を参照して、本実施形態の遮光性能が説明される。図３は、実施例１〜３に係るバッフル、及び比較例に係るバッフルのそれぞれについて遮光性能を測定した結果を示す図である。
【００３６】
実施例１は、４層に積層されたプリプレグを焼成して形成され、且つ塗装及びサンドブラスト処理が施されていないバッフルである。実施例２は、実施例１のバッフルにサンドブラスト処理を施したものである。実施例３は、実施例１のバッフルに黒色の塗装を施したものである。比較例は、アルミニウム合金（ＪＩＳ規格に規定されるＡ６０６２）によって形成され、表面に黒色アルマイト処理が施されたバッフルである。なお、実施例１から実施例３のプリプレグは、炭素繊維にエポキシ樹脂含浸させたものである。
【００３７】
図３は、実施例１〜３及び比較例に係る各バッフルに対して、０°から９０°の範囲に設置された各光源から照射される光の撮像素子２１における到達率をプロットした図である。なお、図２に示される光軸Ｃ上に設置された光源の角度を０°と定義し、光軸Ｃから離れるほど角度が大きくなるものとする。
【００３８】
本明細書においては、バッフルに対する光源の位置を９０°から０°に向かって移動させた場合において、撮像素子２１における光の到達率が実質的に０％でなくなった時点の角度（上述の閾値に相当）を遮光性能と定義する。すなわち、角度を表す数値が小さいほど、遮光性能が高いことを表すものとする。
【００３９】
図３から実施例１〜３及び比較例の上述の遮光性能を読み取ると、実施例１に係るバッフルの遮光性能は３３°である。すなわち、実施例１に係るバッフルによれば、光軸Ｃとのなす角が３３°の範囲に位置する光源からの光のみを選択的に撮像素子２１に到達させ、上記の範囲外に位置する光源からの光を遮断する。同様に、実施例２に係るバッフルの遮光性能は２７°、実施例３に係るバッフルの遮光性能は２６°、比較例に係るバッフルの遮光性能は３４°である。すなわち、実施例１〜３に係るバッフルは、いずれも比較例に係るバッフルよりも遮光性能が高いことが確認された。以上より、本実施形態に係るバッフル３０によれば、光軸Ｃ上及びその近傍に位置する観測対象の恒星からの光のみを選択的に撮像素子２１に到達させ、その周辺に位置する観測対象の恒星以外の光源からの光を遮断することができる。
【００４０】
また、実施例２、３は、実施例１と比較して遮光性能が５°以上高いことが確認された。すなわち、本実施形態に係るバッフル３０の内周面及び外周面の少なくとも一方に、黒色塗装又はサンドブラスト処理等の表面処理を施すことにより、観測対象の恒星以外の光源からの光をより効果的に遮断することができる。
【００４１】
次に、図４〜図６を参照して、本実施形態に係るバッフル３０を構成する炭素繊維強化樹脂の耐ガンマ線特性が説明される。なお、図４〜図６において、ＥＰＯＸＹ／ＣＦＲＰはエポキシ樹脂をマトリックスとした炭素繊維強化樹脂に対する実験結果を指し、ＰＥＥＫ／ＣＦＲＰはＰＥＥＫをマトリックスとした炭素繊維強化樹脂に対する実験結果を指す。まず、最大２０００［ｋＧｙ］までの各種線量のガンマ線が、炭素繊維強化樹脂の供試体に照射された。そして、供試体の引張弾性率、引張強度、及び層間せん断強度が、ガンマ線の線量毎に測定された。これにより、図４〜図６に示される特性データが取得された。
【００４２】
図４は、供試体の引張弾性率の測定結果である。引張弾性率は、引張応力とこれに対応するひずみの比であり、その次元は［ＧＰａ］である。また、図５は、供試体の引張強度の測定結果である。引張強度は、供試体が耐えられる最大引張荷重を、引張力に垂直な供試体の断面積で除した値であり、その次元は［Ｍｐａ］である。
【００４３】
引張弾性率及び引張強度を測定するための測定装置は、引張試験機（インストロン社製：５９８５型）が採用された。引張試験は、２［ｍｍ］厚×２５［ｍｍ］幅×２５０［ｍｍ］長の供試体に対して引張速度２［ｍｍ／ｍｉｎ］で実施された。引張試験の結果、供試体の引張弾性率及び引張強度は、ガンマ線の照射量が大きくなっても有意な低下は認められなかった。
【００４４】
図６は、供試体の層間せん断強度の測定結果である。層間せん断強度は、炭素繊維強化樹脂（ＥＰＯＸＹ／ＣＦＲＰ、ＰＥＥＫ／ＣＦＲＰ）の積層板の層と層とを平行にずらす方向のせん断に対する強さであり、その次元は［ＭＰａ］である。
【００４５】
層間せん断強度を測定するための測定装置は、曲げ試験治具が取り付けられた試験機（株式会社島津製作所製：ＥＺ−Ｔｅｓｔ）が採用された。層間せん断試験は、３［ｍｍ］厚×６．４［ｍｍ］幅×２０［ｍｍ］長の供試体に対して、曲げ試験速度１［ｍｍ／ｍｉｎ］且つ３点曲げによって実施された。供試体の層間せん断強度は、Ｆ＝０．７５×Ｐｍ／（ｂ×ｈ）により求められた。ここで、Ｆは層間せん断強度であり、Ｐｍは最大荷重であり、ｂは供試体の幅であり、ｈは供試体の厚さである。また、Ｐｍの次元は［Ｎ］であり、ｂ及びｈの次元は［ｍｍ］である。層間せん断試験の結果、供試体の層間せん断強度は、ガンマ線の照射量が大きくなっても有意な低下は認められなかった。
【００４６】
図４〜図６に示されるように、本実施形態で用いられた炭素繊維強化樹脂の機械強度（引張弾性率、引張強度、及び層間せん断強度）は、ガンマ線の照射量を大きくしてもそれほど変化しないことが確認された。すなわち、本実施形態に係るバッフル３０は、人工衛星１０に搭載されるのに必要な耐放射線能力を有していると言える。
【００４７】
また、従来のバッフルの素材であるアルミニウム合金の比重は、炭素繊維強化樹脂の１．５〜１．７倍程度ある。すなわち、本実施形態のようにバッフル３０を炭素繊維強化樹脂で形成することにより、バッフル３０の大幅な軽量化が実現できる。
【００４８】
なお、本発明のバッフルは、図２に示される形状に限定されない。すなわち、本発明は、炭素繊維強化樹脂で形成されたあらゆる形状のバッフルに適用可能である。例えば、バッフルは、全体として円錐台形状であり、その大径側の開口を観測対象に向け、小径側の端部に光学レンズ系及び撮像素子を保持するものであってもよい。また、遮光環３４、３５、３６の数は図２の例に限定されず、１以上の任意の数を定義選択することができる。また、遮光環３４、３５、３６は本発明に必須の構成要素ではなく、省略してもよい。
【００４９】
また、本発明のバッフルを製造する際のプリプレグの積層数は４層に限定されない。但し、積層数が少ない（例えば、２層）と、繊維の隙間から光が侵入し、遮光性能を低下させるおそれがある。そこで、光の侵入を防止できる積層数（例えば、４層以上）を確保することが望ましい。
【符号の説明】
【００５０】
１０・・・・・・・・・人工衛星
１１・・・・・・・・・フレーム
１２・・・・・・・・・パネル
１２Ａ・・・・・・・・開口
１３・・・・・・・・・仕切り壁
１４・・・・・・・・・姿勢制御ユニット
１５・・・・・・・・・通信ユニット
１６・・・・・・・・・観測ユニット
２０・・・・・・・・・恒星センサ
２１・・・・・・・・・撮像素子
２２・・・・・・・・・光学レンズ系
３０・・・・・・・・・バッフル
３１・・・・・・・・・円錐部
３２・・・・・・・・・くびれ部
３３・・・・・・・・・円筒部
３４，３５，３６・・・遮光環
３７，３８，３９・・・貫通孔
１００・・・・・・・・長手方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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