(57)【要約】  宇宙船は、コンピュータ処理デバイスを具備する、１つ又は複数の中央に位置するコアを備え、提供される。コンピュータ処理デバイスは、プロセッサ、及びそのプロセッサに結合され、宇宙船を制御するためのコンピュータ命令を含む、メモリを備える。宇宙船はまた、コアに結合された電源と、コアに結合された根元端、及び遠位端をそれぞれが具備する複数のストラットとを備え、この複数のストラットはコアから径方向に延出することができる。宇宙船はまた、複数のストラットの遠位端と結合される複数のブレード展開器と、複数のブレード展開器と結合され、コアから離れる方へ径方向に、また複数のストラットと共通の平面内に延出する、複数のブレードとを備えることができる。この複数のブレードは、太陽放射圧によって偏向されるように構成された材料を含む。ストラットのそれぞれは、対応するブレードに振動減衰を与えるように構成される。
2019517955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船であって、
プロセッサと、
前記プロセッサに結合され、前記宇宙船を制御するためのコンピュータ命令を含むメモリと、
を備えるコンピュータ処理デバイスを備える、中央に位置するコアと、
前記コアに結合された電源と、
前記コアに結合された根元端、及び遠位端をそれぞれが備え、前記コアから径方向に延出する複数のストラットと、
前記複数のストラットの遠位端に結合された、複数のブレード展開器と、
前記複数のブレード展開器に結合され、前記コアから離れる方へ、前記複数のストラットと共通の平面内で径方向に延出する複数のブレードであって、太陽放射圧によって偏向されるように構成された材料を備え、前記ストラットのそれぞれは対応するブレードに振動減衰を与えるように構成される、複数のブレードと、
を備える宇宙船。
【請求項２】
前記複数のブレードがさらに、前記電源として薄膜の太陽電池アレイを備える、請求項１に記載の宇宙船。
【請求項３】
それぞれのストラットの前記根元端が、前記ストラット、前記ブレード展開器、及び前記ブレードに振動減衰を与える、１つ又は複数の能動ダンパに結合される、請求項１に記載の宇宙船。
【請求項４】
ストラット、ブレード展開器、及びブレードの対が、前記コアから対向する方向に径方向に延出し、前記宇宙船がさらに、
第１の対向する方向に延出するストラット及びブレード展開器の１つの対の、１つ又は複数のストラット又はブレード展開器上にある、１つ又は複数の推進モジュールであって、前記宇宙船を所定の回転速度で回転させるために、前記共通の平面内の第２の対向する方向に推力を与えるよう動作可能な推進モジュール
を備える、請求項１に記載の宇宙船。
【請求項５】
前記複数のブレード展開器のそれぞれが、
端部キャップの対の間に位置を確定され、ブレードの展開前に、巻き取られた配置でブレードを格納するように、かつ前記ブレードを展開するために、延出された配置に前記ブレードを広げるように構成されたブレードロールと、
端部キャップと前記ブレードロールとの間に配置され、前記コンピュータ処理デバイスによって制御され、前記ブレードを展開又は格納するために前記ブレードロールを回転させるように構成される、ブレード展開アクチュエータと、
前記ブレード展開器に構造的支持を与えるよう、前記端部キャップに結合されるブレード組立体ヨークであって、
前記延出された配置で前記ブレードに平面内振動に減衰を与えるように構成されたバネ荷重取り付けポイント
を備える、ブレード組立体ヨークと、
前記バネ荷重取り付けポイントとストラットの遠位端との間に配置され、前記コンピュータ処理デバイスによって制御され、対応するブレードを数度傾けるように構成される、傾斜アクチュエータと、
前記ブレードを前記ブレードロールにクランプする、又はクランプを外すように構成されたブレードクランプであって、
前記コンピュータ処理デバイスによって制御され、前記ブレードを展開するように前記ブレードの展開されていない部分を前記ブレードロールからクランプを外すように、かつ前記ブレードを張る、又は格納するように前記ブレードを前記ブレードロールにクランプするように構成された、ブレードクランプアクチュエータ
を備えるブレードクランプと、
を備える、請求項１に記載の宇宙船。
【請求項６】
前記傾斜アクチュエータが、シャフトを回転させるように構成されたアクチュエータを備え、前記シャフトの第１の端部が、ブレード展開器に結合され、前記ブレード展開器に結合されたブレードを傾けるように構成される、請求項５に記載の宇宙船。
【請求項７】
前記ブレードアクチュエータが、前記シャフトを中心にして配置された１つ又は複数の軸受を備え、前記第１の端部に対向する前記シャフトの第２の端部が、小さいねじれ抵抗を備え、保持器によって張った状態に保持されるスレッド部材に連結され、前記１つ又は複数の軸受上の軸方向の力を最小にするために、前記ブレードが回転しているとき、前記スレッド部材の前記張力が求心力による軸方向の力に対向する、請求項６に記載の宇宙船。
【請求項８】
前記複数のブレードのそれぞれのブレードが、延出されたとき、ブレード展開器から遠位端まで延出する平行な長手方向の縁部の対を備え、
前記ブレードの前記遠位端にある、１つ又は複数の加速度計と、
前記１つ又は複数の加速度計に給電するための１つ又は複数の太陽電池セルであって、前記１つ又は複数の加速度計が、前記コンピュータ処理デバイスにデータを供給するように構成される、太陽電池セルと、
前記長手方向の縁部の少なくとも１つに沿ったブレード補強材と、
を備える、請求項５に記載の宇宙船。
【請求項９】
前記ブレード補強材が、
前記ブレード材料よりも大きな剛性を有する、ポリイミド材料の１つ又は複数のストリップ、又は
前記ブレードの長手方向の縁部に結合され前記縁部に平行な管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブームであって、前記ブレードロール上に平坦な配置で格納されるよう、かつ前記ブレードが延出された配置にあるときには剛性のチューブ構造体を形成するように構成される管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブーム、
の１つを備える、請求項８に記載の宇宙船。
【請求項１０】
前記コアが、
前記複数のブレードにおいて、ブレードの数に等しい数の、等しい長さのセグメントを備え、それぞれのセグメントが各端部で別のセグメントに接合され、それぞれのストラットの根元端がセグメントに結合された、セグメント化された環
を備える、請求項１に記載の宇宙船。
【請求項１１】
前記宇宙船が、前記セグメント化された環の中に配置され、対向するセグメントに接合された、駆動される回転停止機構をさらに備え、前記駆動される回転停止機構が、
内部コアと、
アクチュエータを備える内部ジンバルと、
前記内部コアと前記内部ジンバルとの間にある軸受用軌道輪であって、前記宇宙船の前記コアが、前記駆動される回転停止機構を制御するために、又は回転停止された部分上の航空電子機器若しくはペイロードと通信するために、電力及び制御データを前記内部ジンバルに無線で送信するように構成される、軸受用軌道輪と、
を備える、請求項１０に記載の宇宙船。
【請求項１２】
セグメント間の各継手が、平面内の振動と平面外の振動のうちの少なくとも一つを低減させる、１つ又は複数の能動ダンパを備える、請求項１０に記載の宇宙船。
【請求項１３】
宇宙船を展開する方法であって、
キューブサット容器から前記宇宙船を排出するステップであって、前記宇宙船が、
コアと、
巻き取られた、折り畳まれた、又はしぼませた配置でそれぞれが格納され、それぞれの第１の端部が前記コアに結合された、複数のストラット部材と、
太陽放射圧によって偏向することが可能な所定の長さの可撓性材料をそれぞれが含む、複数のブレードと、
前記複数のストラット部材の第２の端部に結合され、それぞれがブレードを展開するように構成された、複数のブレード展開器と、
電源と、
を備える、ステップと、
前記宇宙船を、転動していない配置に、転動をなくすステップと、
前記宇宙船を太陽に向けるステップと、
前記複数のストラット部材を展開するステップと、
前記宇宙船を、第１の所定の回転速度まで回転させるステップと、
前記ブレードのそれぞれを前記ブレード展開器から延出するステップであって、前記ブレードを延出するときに、
前記宇宙船の回転速度が前記第１の所定の回転速度より遅い第２の所定の回転速度にいつ達するかを判断し、それに応答して前記ブレードのそれぞれを所定の角度に傾斜させる
ステップと、
を含む、宇宙船を展開する方法。
【請求項１４】
巻き上げられた配置にある前記複数のブレードを備える前記複数のブレード展開器が、前記キューブサット容器と互換性のある形状因子内にあるとき、前記コアの周りに格納される、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項１５】
前記複数のブレード展開器が、前記コアの下に又は側部に積まれるかの一つであり、前記電源によって保持され、前記電源が、前記キューブサット容器と互換性のある形状因子内にあるときは、前記複数のブレード展開器の周りに巻き付けられ、前記複数のストラット部材及びブレード展開器を解放し、それに応じて展開するよう、展開されたときは、外側に延出する、ガルウィング式太陽電池アレイシステムを備える、請求項１４に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項１６】
前記複数のブレード展開器のそれぞれが、ブレードを巻き取る又は広げるように構成されたブレード展開アクチュエータを備え、前記ブレード展開アクチュエータが、前記ブレードがその周りに巻き取られているブレードロールのスプール内に配置される、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項１７】
前記複数のストラット部材が、前記キューブサット容器と互換性のある形状因子内にあるときは、巻き上げられた、しぼませた、又は折り畳まれた配置のうちの１つの配置にあり、展開されるときは、巻かれたものを広げられ、延出され、又は畳んだものを広げられた直線配置にある、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項１８】
前記宇宙船を、転動していない配置に、転動をなくすステップが、
前記宇宙船が転動していることを判断するステップと、
それに応答して、前記宇宙船の転動を打ち消すために、前記複数のストラット部材又は前記複数のブレード展開器の上の１つ又は複数の推進モジュールを作動させるステップと、
を含む、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項１９】
前記所定の角度が、前記ブレード上の太陽放射圧が、前記第２の所定の回転速度を維持することを可能にする、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項２０】
前記宇宙船を第１の所定の回転速度まで回転させるステップが、
１つ又は複数のストラット部材或いはブレード展開器に直接結合された、１つ又は複数の推進モジュールを作動するステップであって、前記推進モジュールが、前記第１の所定の回転速度で前記宇宙船を回転させるために、推力を与えるように構成される、ステップ
を含む、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項２１】
前記電源が、キューブサット互換の外囲器内にあるとき、前記排出された宇宙船の外面上の折り畳まれた配置に格納され前記ブレード展開器を保持する、１つ又は複数の太陽電池アレイを備え、前記宇宙船を太陽に向けるステップが、
前記１つ又は複数の太陽電池アレイを、太陽に垂直な平面構成に広げるステップ
を含む、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項２２】
前記複数のブレード展開器のそれぞれが、
前記延出された配置でブレードに平面内振動の減衰を与えるように構成されたバネ荷重取り付けポイントと、
前記バネ荷重取り付けポイントとストラット部材の前記第２の端部との間に配置され、対応する延出されたブレードを数度傾けるように構成される、傾斜アクチュエータと、
端部キャップの前記対によって固定され、スタット部材に直角に向けられ、且つ巻き取られる配置にブレードを格納するように構成される、ブレードロールのスプールと、
ブレードを延出する、又は引っ込めるために、前記ブレードロールのスプールを回転させるように構成される、ブレード展開アクチュエータと、
前記ブレードロールのスプールに並列の配置に位置付けられ、ブレードの展開及び格納を制御するために、前記ブレードをクランプするように構成される、ブレードクランプと、
を備える、請求項１３に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項２３】
前記ブレードのそれぞれを前記ブレード展開器から延出するステップが、
前記ブレードロールのスプールを、前記ブレードを前記ブレード展開器及び前記コアから離れる方へ長さ方向に延出させるように、前記ブレード展開アクチュエータによって第１の方向に回転させるステップ
を含む、請求項２２に記載の宇宙船を展開する方法。
【請求項２４】
宇宙船を制御する方法であって、
制御デバイスによって宇宙船の位置、姿勢及び速度を計算するステップであって、前記宇宙船が、複数のブレードについて傾斜を制御する複数のブレードアクチュエータを備え、前記複数のブレードが、宇宙船のコアから離れる方へ径方向に延出し、太陽放射圧によって偏向されるように構成された材料を備える、ステップと、
前記宇宙船の使命計画の更新を受信するステップと、
前記位置、姿勢、速度、使命計画の更新、及び過去の宇宙船の挙動に基づいて、更新された軌道を計算するステップと、
前記更新された軌道から、前記宇宙船の操縦パラメータを生成するステップと、
複数のブレードアクチュエータのための新しいブレード傾斜プロファイルを、前記操縦パラメータから作成するステップと、
前記新しいブレード傾斜プロファイルに対応する制御信号を、前記複数のブレードアクチュエータに送信するステップと、
現在のブレード傾斜プロファイルから、前記新しいブレード傾斜プロファイルに移行するステップと、
を含む、宇宙船を制御する方法。
【請求項２５】
前記宇宙船のための前記使命計画の更新が、宇宙空間内の基準経路に維持又は収束するための命令を含む、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【請求項２６】
前記制御デバイスが、宇宙船航法システムから位置、姿勢、及び速度を受信し、前記宇宙船航法システムが、ＧＰＳ読み取り、追跡及びデータ中継衛星システム読み取り、ドップラセンサ読み取り、星追跡データ、及び天体ナビゲーションの読み取り、の１つ又は複数を受信し、それに応答して宇宙船の位置、姿勢、及び速度を生成する、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【請求項２７】
過去の宇宙船の挙動が、以前のブレードの傾斜量並びにブレードの振動減衰力及びトルクを含む、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【請求項２８】
前記制御デバイスが、操縦パラメータを、宇宙船の２回転の周期で生成し、操縦パラメータを生成するステップが、
所望の操縦パラメータ及び現在の宇宙船の回転軸の向きを、逆ルックアップテーブルを通じて、必要な推力及びモーメントにマッピングするステップ
を含む、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【請求項２９】
前記現在のブレード傾斜プロファイル及び前記新しいブレード傾斜プロファイルが、集合的な傾斜角、周期的な傾斜振幅、及び位相に基づく、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【請求項３０】
前記宇宙船のための振動減衰効果を生成するために、前記新しいブレード傾斜プロファイルの上に能動制御傾斜プロファイルを重ね合わせするステップ
をさらに含む、請求項２４に記載の宇宙船を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年６月１４日に出願され、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、先に出願された仮特許出願第６２／３４９，９４１号、名称「ヘリオジャイロの設計、動作、及び適用」の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、宇宙船の装置及び制御方法に関する。詳細には、本発明は、ヘリオジャイロ及びその展開／制御のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
宇宙船は、宇宙空間を飛ぶように設計された乗り物又は機械である。宇宙船は、通信、地球観測、気象学、ナビゲーション、宇宙開拓、惑星探査、並びに人及び貨物の輸送を含む、様々な目的に使用される。弾道飛行では、宇宙船は宇宙空間に入り、その後、軌道に入ってしまうことなく、地球に戻る。軌道飛行のためには、宇宙船は、地球を中心にして、又は他の天体を中心にして閉じられた軌道に入る。有人宇宙飛行のために使用される宇宙船は、最初から又は軌道上でのみ（宇宙ステーション）乗務員又は乗客として船上で人を運び、一方ロボットの宇宙任務のために使用される宇宙船は、自律的に又はロボットを遠隔制御して動作する。科学研究を補助するために使用されるロボット宇宙船は、宇宙探査装置であってもよい。惑星体を中心とする軌道に残るロボット宇宙船は、人工衛星であってもよい。Ｐｉｏｎｅｅｒ１０号及び１１号、Ｖｏｙａｇｅｒ１号及び２号、並びにＮｅｗ  Ｈｏｒｉｚｏｎｓなどのいくつかの宇宙船は、地球のある太陽系を離れた軌道上にある。軌道上の宇宙船は、回復可能であってもなくてもよい。地球への再入の方法によって、それらは非翼型宇宙カプセルと有翼宇宙飛行機とに分けることができる。
【０００４】
無人宇宙船は、無人飛行のために使用される、人が乗船していない宇宙船である。無人宇宙船は、人の入力から、自律性の様々なレベルを有することができ、それらは遠隔制御、遠隔案内、又は自律であってもよく、これは地球ベースの誘導によって指示されない限り、それらが実行するであろう事前にプログラムされた動作リストを持っていることを意味している。自律宇宙船はまた、実行される動作順序、又は動作を決定するパラメータを判断する、意思決定能力を有することができる。多人数が居住可能な宇宙船はまた、ロボットの機能の様々なレベルを持つ。たとえば、宇宙ステーションＳａｌｙｕｔ７号及びＭｉｒ、並びにＩＳＳモジュールＺａｒｙａは、無人遠隔誘導ステーションの保守、及び補給艇と新しいモジュールの両方とのドッキングの操縦を行う能力があった。最も一般的な無人宇宙船の種類は、ロボット宇宙船、無人補給宇宙船、宇宙探査装置、及び宇宙観測機である。必ずしもすべての無人宇宙船がロボット宇宙船であるわけではなく、たとえば反射球はロボットではない無人宇宙船である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、従来技術の欠点を解決することを目的とする。本発明の実施例に従って、宇宙船が提供される。宇宙船は、コンピュータ処理デバイスを具備する、１つ又は複数の中央に位置するコアを備える。コンピュータ処理デバイスは、宇宙船を制御するためのコンピュータ命令を含むプロセッサ及びプロセッサに結合されたメモリを備える。宇宙船はまた、コアに結合された電源と、コアに結合された根元端、及び遠位端をそれぞれが具備する複数のストラットとを備え、この複数のストラットはコアから径方向に延出する。宇宙船はまた、複数のストラットの遠位端及び複数のブレードと結合された複数のブレード展開器を備え、この複数のブレードは複数のブレード展開器と結合され、コアから離れる方へ径方向に、また複数のストラットと同一平面内に延出する。複数のブレードは、太陽放射圧によって偏向されるように構成された材料を含む。ストラットのそれぞれは、対応するブレードに振動減衰を与えるように構成される。
【０００６】
本発明の他の実施例に従って、宇宙船を展開する方法が提供される。この方法は、キューブサット容器からの宇宙船の排出を含んでもよい。宇宙船は、コアと、複数のストラット部材と、太陽放射圧によって偏向可能な所定の長さの可撓性材料をそれぞれが含む複数のブレードと、複数のストラット部材の第２の端部に結合され、それぞれがブレードを展開するように構成された複数のブレード展開器と、電源とを備える。各ストラット部材は、巻き取られた、折り畳まれた、又はしぼませた配置で格納され、各ストラット部材の第１の端部がコアに結合される。この方法はまた、宇宙船の転動を防止して転動しない配置にするステップと、宇宙船を太陽に向けるステップと、複数のストラット部材を展開するステップと、宇宙船を第１の所定の回転速度まで回転させるステップと、ブレードのそれぞれをブレード展開器から延出するステップと、ブレードを延出するとき、ブレードのそれぞれが所定の角度に傾斜されるのに応答して、いつ宇宙船の回転速度が第１の所定の回転速度より遅い第２の所定の回転速度に達するかを判断するステップのうちの、１つ又は複数を含む。
【０００７】
本発明のさらに他の実施例に従って、宇宙船を制御する方法が提供される。この方法は、制御デバイスによって、宇宙船の位置、姿勢、及び速度を計算するステップを含む。宇宙船は、複数のブレードの傾斜を制御する、複数のブレードアクチュエータを備える。複数のブレードは、宇宙船のコアから離れる方へ径方向に延出し、太陽放射圧によって偏向されるように構成された材料を含む。この方法はまた、宇宙船に対する任務計画の更新を受信するステップと、位置、姿勢、速度、任務計画の更新、及び過去の宇宙船の挙動に基づいて更新された軌道を計算するステップと、更新された軌道から宇宙船のための操縦パラメータを生成するステップと、複数のブレードアクチュエータのために操縦パラメータから新しいブレード傾斜プロファイルを作成するステップと、新しいブレード傾斜プロファイルに対応する制御信号を複数のブレードアクチュエータに送信するステップと、現在のブレード傾斜プロファイルから新しいブレード傾斜プロファイルに移行させるステップのうちの、１つ又は複数を含む。
【０００８】
本発明の１つの利点は、宇宙船に高い推力重量比を提供することである。ブレードの大きな表面積に、推力源として大きな累積的な太陽放射圧が供給される。求心性の張力及び翼弦方向の当て金が、ブームに代わる剛性を与え、その結果より軽量なシステムとなる。
【０００９】
本発明の別の利点は、完全な姿勢制御を可能にすることである。ヘリオジャイロは、ヘリコプタと同様の制御を可能にする、回転帆又は回転ブレードを使用する。集団的且つ周期的なブレードの傾斜により、回転ベクトルが調整され、推力ベクトルが制御される。
【００１０】
本発明の別の利点は、宇宙船の小さい格納を可能にすることである。各ブレードは、個々に積み込み用スプール上に巻き取られ、それによって、可能な限り小さなボリュームに詰め込まれる。この種の積み込みにより展開が容易になり、帆又はブレード材料に永久にしわをつける可能性がある折り畳みが回避される。さらに、巻かれたブレードを広げることは本質的に、畳んだブレードを広げ張力をかけるよりも、より信頼性が高い。
【００１１】
本発明の別の利点は、宇宙船を、それ自体が移動する必要なしに、展開せずに異なる場所への移動を可能にすることである。すなわち、展開されるブレードをブレード展開器上に巻き取ることができ、ストラットを巻き取り又は折り畳むことができ、太陽電池パネルを折り畳むことができ、且つ宇宙船全体を、輸送及び再展開のために、キューブサットの外囲器などの小さな格納スペースの中に、詰め込むことができる。これにより宇宙空間での宇宙船の再利用が容易になり、恐らく別の宇宙船を他のどこかで展開する必要がなくなる。
【００１２】
本発明の別の利点は、宇宙船の優れた規模拡張性を提供することである。ヘリオジャイロが提供するブレード幅、ブレード長さ、及びブレード枚数は、規模拡大が可能である。実際の貿易空間のいたるところで、一貫したダイナミクスとなる。
【００１３】
本発明の別の利点は、地上での優れた試験性を提供することである。真空チャンバ内の垂直回転軸に装着されたブレード組立体は、ブレードモデル及びハードウェアを検証するための、ブレード展開テスト及び求心的に硬化させたブレードの傾斜試験を可能にする。これは結果として、地球を離れることなく、ＮＡＳＡの技術成熟度レベル（ＴＲＬ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅａｄｉｎｅｓｓ  Ｌｅｖｅｌ）６に達するブレードサブシステムになる。技術成熟度レベル（ＴＲＬ）は、技術取得プロセスの中でプログラムの重要な技術要素（ＣＴＥ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）の技術成熟度を推定する方法である。これらは、プログラムの概念、技術要件、及び実証された技術的性能を調べる技術成熟度評価（ＴＲＡ：Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｅａｄｉｎｅｓｓ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）の中で判定される。技術成熟度レベル（ＴＲＬ）は１から９までの等級に基づき、９が最も成熟した技術である。技術成熟度レベル（ＴＲＬ）を使用することで、様々な種類の技術にわたって一貫した均一な技術成熟度の議論が可能になる。
【００１４】
本発明の別の利点は、冗長性と耐故障性を提供することである。複数のブレードが、ブレードの機械的又は電気的故障、或いは衝撃からのブレード損傷など異常の場合の補償を可能にする。
【００１５】
本発明の実施例のさらなる特徴及び利点が、以下の説明から、特に添付図面とともに説明されるとき、より容易に明らかになろう。この概要は、以下の、発明を実施するための形態でさらに説明する、簡略化された形態における概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、特許請求する主題の主要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、また特許請求する主題の範囲を限定するために使用することを意図するものでもないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による、ストラット式ヘリオジャイロの主要構成部品を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例による、環状ヘリオジャイロの主要構成部品を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例による、ストラットに装着する推進器３００を使用するヘリオジャイロの回転を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレード展開器の詳細を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例による、視点Ａ−Ａでの、ヘリオジャイロのバネ荷重取り付けポイントを示す概略図である。
【図６】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレード操出システムを示す概略図である。
【図７】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレード操出システムを示す概略図である。
【図８】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレードアクチュエータの側断面を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの軸流軸受オフロードデバイスの側断面を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの展開されたブレードの詳細を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレードクランプローラの作動段階を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施例による、キューブサット容器から排出した後の、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施例による、太陽電池パネルを展開した後の、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロのキューブサットのストラットの展開を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施例による、ストラットを完全に延出した後の、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の実施例による、整列したブレード展開器を備える、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１８】本発明の実施例による、完全に展開したブレードを備える、例示的なヘリオジャイロのキューブサットの構成を示す概略図である。
【図１９】本発明の実施例による、例示的な、代替の、ヘリオジャイロのキューブサットの格納構造を示す概略図である。
【図２０】本発明の実施例による、代替のヘリオジャイロの構成のためのダンパ位置を示す概略図である。
【図２１】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの展開のためのプロセスを示すフローチャートである。
【図２２Ａ】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの周期的な傾斜の操縦を示す概略図である。
【図２２Ｂ】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの集団的、周期的な傾斜の操縦を示す概略図である。
【図２２Ｃ】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの集団的な傾斜の操縦を示す概略図である。
【図２２Ｄ】本発明の実施例による、ヘリオジャイロのハーフＰの傾斜の操縦を示す概略図である。
【図２３】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの制御デバイスを示す構成図である。
【図２４】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの制御システムのための主要な機能の流れを示す構成図である。
【図２５】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの制御システムのモデルコントローラを示す構成図である。
【図２６】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの回転停止機構オプションを示す概略図である。
【図２７】本発明の実施例による、ヘリオジャイロの回転停止機構の側面を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
太陽帆（また、光帆又は光子帆とも呼ばれる）は、大きな鏡上の、太陽光によって及ぼされる放射圧を使用する、宇宙船の推進の形態である。有用で類似するものとしては帆船が挙げられ、鏡上に力を及ぼす光は、風に吹かれる帆と同種のものである。太陽光を使用するよりもはるかに大きな力を及ぼすことが可能であろう代替の光源として、高エネルギーレーザビームを使用することが可能であり、概念はビームによる航海として知られている。太陽帆をもつ船舶は、長い動作寿命とあいまって低コスト運転の可能性を提供する。それは可動部がほとんどなく、また推進燃料を使用しないため、潜在的に、ペイロードを配達する連続任務のために何度でも使用することができる。
【００１８】
太陽帆は、宇宙船上で証明され測定された効果を有する現象を使用する。太陽放射圧が、惑星間空間或いは惑星又は小物体を中心とした軌道内にあるかどうかで、すべての宇宙船に影響が及ぶ。火星に行く典型的な宇宙船は、たとえば、その軌道のコースにわたって太陽放射圧によって数千キロメートル移動させられる可能性があるので、その効果を軌道計画の中で考慮に入れる必要がある。太陽放射圧はまた、宇宙船の向きや姿勢に影響を与える可能性がある。８００×８００メートルの太陽帆上に働く全体的な力は、たとえば、太陽から地球の距離で約５ニュートン（１．１ｌｂｆ）である。これにより、その宇宙船は、電気式エンジンによって推進される宇宙船といくつかの点では類似するが、推進燃料を使用しないのでなお類似しないところもある、低推力の推進システムとなる。太陽放射が帆のブレードに当たる限り、一定して力が及ぼされる。時間をかけて一定の力が集まった効果は、宇宙船を推進する実行可能な手法と考えるに十分な大きさである。
【００１９】
ヘリオジャイロは、反射した太陽放射圧を、その推進及び姿勢制御の唯一の手段として使用する推進システムである。光子が風車状の帆に当たることにより生成される連続的な力は、宇宙船を適切に地球の重力圏外へ、そして最終的に太陽系外へ押し上げるのに十分である。帆であるブレードの集団的且つ周期的な傾斜は、完全な制御権を実現するために、必要に応じて推力を誘導し、回転軸を調整する。太陽からの圧力は、開いた手の上の一枚の紙からの圧力よりも小さいが、その持続的な圧力が、ロケットの推進力が与えることができるよりも大きな蓄積された推力を与える。ヘリオジャイロは、推進燃料を使用せず、現在はさもなければ達成不可能な場所に宇宙船の到達範囲を延ばす、惑星間での運用が可能である。
【００２０】
ここで図１を参照して、本発明の実施例による、ストラット式ヘリオジャイロ１００の主要構成部品を例示する概略図を示している。ヘリオジャイロ宇宙船は、多くの様々な配置で構成することができる。第１の配置では、複数のブレード１０８は、中央の宇宙船のコア１０４又はコアから径方向に外方へ延出し、ここで複数のブレード１０８は共通の平面内にあり、径方向に互いから等しい間隔で置かれている。宇宙船のコア１０４は、ヘリオジャイロ１００を展開する、展開しない、且つヘリオジャイロ１００の駆動される表面及びヘリオジャイロ１００の動作を制御する、１つ又は複数のコンピュータ処理デバイスを備える。宇宙船のコア１０４はまた、電力を蓄えるための電力貯蔵デバイスを備えることができる。ある実施例では、宇宙船のコア１０４はまた、カメラ、センサ、実験器具、アンテナなどを含むことができる１つ又は複数のペイロードを備えることができる。
【００２１】
ある実施例では、ヘリオジャイロ１００は１つ又は複数の電源１２０を備えることができる。ある実施例では、電源１２０は、１枚又は複数枚の太陽電池パネルを備える。好ましい実施例では、電源１２０は、ブレード１０８の材料に統合される、１枚又は複数枚の太陽電池パネルを備える。電源１２０は、ヘリオジャイロ１００を、運転し、宇宙船のコア１０４の蓄電デバイスに充電するために、或いは別の宇宙船又は惑星体上の本体への移動のために、電力供給することができる。
【００２２】
図示する実施例では、ヘリオジャイロ１００は、宇宙船のコア１０４から径方向に外方へ延出するストラット又はストラット部材１１２を備える。ストラット１１２は、ブレードのそれぞれを、宇宙船のコア１０４から離して配置させ、したがってそれぞれのブレード１０８を他のブレード１０８のそれぞれとは無関係に、妨害することなく、展開することができる。ストラットはまた、ブレードの根元と宇宙船のコア１０４との間にオフセットを与え、それによって宇宙船のコア１０４及びブレード１０８に対するストラット１１２の曲がり又は作動による、名称上のコア−ストラット回転平面から外れたブレードを振動減衰させることが可能である。ある実施例では、ストラット１１２は、宇宙船のコア１０４から離れる方へ対向する方向に延出する、一対のストラット１１２を備える。ある実施例では、ストラットは、ブーム及び格納可能な管状延出部材（ＳＴＥＭ：Ｓｔｏｒａｂｌｅ  Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  Ｍｅｍｂｅｒ）のブームを含む、延出可能な構造であってもよい。
【００２３】
各ストラット１１２はブレード展開器１１６の中で終端され、ヘリオジャイロ１００の各ブレード１０８を展開する、また展開しないための傾斜アクチュエータ１２４を備える。展開しない状態では、各ブレード１０８を、ブレード展開器１１６上に巻き取った形状で格納することができる。展開した状態では、各ブレード１０８は、広げられ、各ブレード展開器１１６から径方向に外方へ延出する。すなわち、展開されていないとき、ブレード１０８は巻き取られておらず、展開されたブレード１０８として完全に延出されていてもよく、ひとたび展開されると、ブレード１０８をブレード展開器１１６のスピンドル又はブレードロールのスプール７０４上に巻き取り、展開されていない状態にすることができる。ブレード展開器１１６の詳細は、図４から図７までを参照しながら、より具体的に説明する。ヘリオジャイロ１００の主な構成要素のそれぞれを、以下の段落で例示的に説明する。
【００２４】
ヘリオジャイロ１００は、風車の一般的な外観を有しており、ヘリコプタに類似する帆の制御法を使用する。複数の太陽反射ブレード１０８は、同一平面内で径方向に延出し、伸縮可能なストラット１１２を介して、中央のバスに取り付けられる。ある実施例では、ブレード１０８の材料は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換し、それにより、太陽電池ブレード１０８として働くことができる。キューブサットの任務の寸法に適用可能な一実施例では、展開された各ブレード１０８は、長さ１５２メートル、幅０．２８メートル以下であり、アルミニウム蒸着された、飛行に適する３μｍのカプトンポリイミド被膜で構成される。動作中に、求心性の張力及び翼弦方向の当て金が、展開されたブレード１０８に剛性を与える。ヘリオジャイロ制御システム２４００は、展開されたブレード１０８の集団的且つ周期的な傾斜を使用して、姿勢及び推力を制御し、また船上で管理された自律的な、案内、航法、及び制御（ＧＮＣ：Ｇｕｉｄａｎｃｅ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）システムを使用して、短期的な軌道追従コマンド列を生成する。ある実施例では、ボイスコイルアクチュエータ４０８は、展開されたブレード１０８を傾け、また根元から能動的に振動減衰させる。キューブサットの任務の寸法に適用可能な一実施例では、ヘリオジャイロ１００推進システムの重量は、約２．５キログラムである。完全に展開されるとき、特徴的な推力、又は１天文単位（ＡＵ：Ａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌ  Ｕｎｉｔ）で太陽に垂直なその帆／ブレードを備えたヘリオジャイロ１００によって達成される推力は、０．１２ミリニュートン（ｍＮ）である。
【００２５】
ここで図２を参照して、本発明の実施例による、環状ヘリオジャイロ２００の主要構成部品を例示する構成図を示す。環状ヘリオジャイロ２００は、類似のブレード１０８、傾斜アクチュエータ１２４、及びブレード展開器１１６を備え、これを図１のストラット式ヘリオジャイロ１００を参照しながら示し、説明する。環状ヘリオジャイロ２００では、宇宙船のコア２０４は環状配置で継手２０８によって接続されるセグメントの環から構成され、各セグメントが他のセグメントとそれぞれの端部で継手２０８によって噛み合わされる。継手２０８は、可撓性の継手又は１組の継手（すなわち、外旋、球面、汎用など）であってもよい。ある実施例では、継手２０８は、平面内及び／又は平面外の振動を低減させる能動的な減衰を与えることができ、モーダル波の擾乱を低減して宇宙船のコア１０４、２０４の好ましからざる振動を低減又は減衰させる形状変化を組み込むことが可能である。
【００２６】
ある実施例では、宇宙船のコア２０４はストラット１１２を用いて、ブレード１０８に継ぎ合わされる。別の実施例では、宇宙船のコア２０４のセグメントは、傾斜アクチュエータ１２４及びブレード展開器１１６を備えることが可能で、ストラット１１２はなくてもよい。
【００２７】
ある実施例では、駆動される回転停止機構２１２は、対向するセグメントに取り付けられるなど、宇宙船のコア２０４の構造内に備えることができる。回転停止機構２１２は、ブレードアクチュエータ４０８のボイスコイルアクチュエータ同様に構成される、内部にジンバルアクチュエータを有する内部コアを備えることができる。回転停止機構２１２は、内部のコアと内部のジンバルとの間にある、１つ又は２つの軸受用軌道輪を備えることができる。それぞれの軸は、共通のスリップリングを備えることができる。好ましい実施例では、回転停止機構２１２は、ジンバル式である。別の実施例では、回転停止機構２１２は、ジンバル式でなく、ほぼ１方向にのみ回転する。ある実施例では、宇宙船のコア２０４は、駆動される回転停止機構２１２を制御し、またコアと、回転停止した部分の航空電子機器又はペイロードとの間で通信を交わすために、無線で電力及び制御データを内部のジンバルに伝送する。
【００２８】
ここで図３を参照して、本発明の実施例による、ストラットに装着された推進器３００を使用するヘリオジャイロの回転を例示する概略図を示す。ヘリオジャイロ１００、２００は、推進モジュール３０４の一部として小さな推進器を備えることができる。１つの推進モジュール３０４で、ヘリオジャイロ１００、２００を好ましい回転速度に上げることができるが、対向するストラット１１２、又は宇宙船のコア１０４、２０４の反対側に配置された、対向するブレード展開器１１６のいずれかの上で１８０度離れて配置される、１対の推進モジュール３０４Ａ及び３０４Ｂを使用することがより効果的となり得る。たとえば、６枚ブレードのヘリオジャイロ１００、２００では、回転を上げる推進モジュール３０４は、好ましくは、対向する方向に延出するブレード上に配置されるべきである。
【００２９】
図３に示す実施例では、推進モジュール３０４はストラット１１２の外側の端部の近傍に配置される。図４に示す実施例では、推進モジュール３０４はブレード推進器１１６の近傍に配置される。推進モジュール３０４をストラット１１２の端部の近傍又はブレード展開器１１６の近傍に配置することによって、推進モジュール３０４からの推力は、宇宙船のコア１０４を中心とする、より大きなモーメントを有し、宇宙船のコア１０４、２０４自体のより近くに配置される場合は、より小さい推進器を使用することが可能となる。好ましい実施例において、それぞれの推進モジュール３０４は、相異なる方向に向けられた１組の推進器を備え（明確には図示せず）、それにより推進モジュールが単独で、対で、又は他のパターンでオンされるとき、ヘリオジャイロ１００、２００の転動を防止し、太陽の方に向けるために、ある方向の範囲内で正味の推力を供給することができる。
【００３０】
推進モジュール３０４は、推進方向３０８に限られた量の推力を供給し、ヘリオジャイロ１００、２００は宇宙船のコア１０４、２０４を中心にして容易に回転する。図３は反時計回りに回るヘリオジャイロ１００、２００を例示しているが、その代わりに推進モジュール３０４は、ヘリオジャイロ１００、２００を時計回りに回すために構成されてもよいことを理解されたい。好ましい実施例では、ヘリオジャイロ１００、２００の回転起動は、ブレードが展開される前３１６に実行される。ブレード１０８が展開される前に回転を起動することにより、それぞれのブレード１０８が広げられるときに、求心力のために、ブレード１０８を径方向に外方へ引き出すために必要となる外方へ向けた力が供給される。最初の回転速度は、ブレードを展開するかなりの部分を、十分に引き出す力を与える。いったん回転が立ち上がると、ヘリオジャイロ１００、２００は、ヘリオジャイロ１００、２００の平面内で、回転方向３１２へ回転する。
【００３１】
推進モジュール３０４の代替として、ロケットの上段が、ヘリオジャイロ１００、２００が展開されるときに、ヘリオジャイロ１００、２００を予め回転させる、回転装置を備えることができる。別の代替として、推進器の代わりに、リアクションホイール又は磁気装置を使用することができる。ヘリオジャイロ１００、２００の最初の回転起動を供給することに加えて、推進モジュール３０４は、ヘリオジャイロ１００、２００を太陽に垂直に方向づけることができ、いったん完全に展開されると、効率的に使用可能である。
【００３２】
ここで図４を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレード展開器１１６の詳細を例示する概略図を示す。ヘリオジャイロのブレード展開器１１６は、巻き取られた形で展開されていないブレード１０８を格納し、ブレード１０８のそれぞれを展開する、また展開しないための装置を制御する。ブレードロール４１６は、ブレード１０８が展開されていないとき、ブレード１０８の全長を格納する。ブレードロール４１６は、ブレード１０８などの長く薄い構造体を折り畳む、又は関節部で曲げるのに比較して、展開されていないブレード１０８の格納のために最も効率的な形態を提供する。ブレードロール４１６は、一対の端部キャップ４２０の間に保持される。端部キャップ４２０は、ブレードロール４１６がその周りに格納されている、スピンドル又はブレードロールのスプール７０４のそれぞれの端部を取り込んでいる。端部キャップ４２０は、ブレードロール４１６の幅全体にわたって延在する硬い構造体によって接合され、この構造体は傾斜アクチュエータ１２４に全体的に連結され、ストラット式ヘリオジャイロ１００又はストラット１１２を使用する環状ヘリオジャイロ２００のストラット１１２の端部に装着される。それぞれのブレード展開器１１６はまた、以前に図３に関して論じたように、推進モジュール３０４を備えることができる。図５では、傾斜アクチュエータ１２４装着の詳細を追加で示す、視点Ａ−Ａが提供される。
【００３３】
ブレード１０８のそれぞれの傾斜は、ブレード展開器１１６の幅方向の支持構造体に結合された傾斜アクチュエータ１２４によって制御される。好ましい実施例では、傾斜アクチュエータ１２４は、転流不要のブラシ付きモータに類似した、磁石の周りにワイヤコイルがある、ローレンツコイルである。オーディオ用ボイスコイルモータが、この実例であり、摩擦がより少なく、より長寿命（数百万サイクル）であるため、好適である。ブラシ又はボールベアリングを使用するモータなどのあまり望ましくないアクチュエータでは、ブラシ及びボールベアリングの摩耗が速すぎる。また、圧電トランスデューサを使用することができるが、これは、ローレンツコイルデバイスより多くの電力を必要とするという欠点がある。ブレード展開器１１６と一緒にローレンツコイルのアクチュエータを使用する別の利点は、ブレード１０８がどのように動作しているかを制御システムに伝えるフィードバックとして抵抗値又は電磁力を供給することができることである。
【００３４】
ブレード１０８材料の整然とした展開及び非展開を制御するために、ブレードクランプローラ４１２又は類似の構造体が、ブレード展開器１１６上に設けられる。ある実施例では、ブレードクランプローラ４１２は常にブレードロール４１６と接触状態にあり、バネの力（図示せず）の下でブレードロール４１６に一定の圧力を働かせる。別の実施例では、ブレードクランプローラ４１２は、連係するブレードクランプローラのアクチュエータ（図示せず）を有し、ブレードロール４１６をクランプすること、又はクランプを外してブレードロール４１６と非接触状態になることのどちらも可能である。この駆動実施例は、ブレードクランプローラ４１２のクランプが外れていると、ヘリオジャイロ１００、２００が回転又は向きを変えているときに、求心力の下でブレードロール４１６がブレード１０８を展開させることが可能となり、好適であり得る。ブレード１０８が展開される間の任意の箇所で、ブレードクランプローラ４１２は、ブレードロール４１６に係合するよう作動し、ブレード１０８のこれ以上の展開を制限する又は留めることができる。ブレードクランプローラ４１２の一代替案は、展開されたブレード１０８をブレードロール４１６に確実にクランプして、ブレード展開器１１６から現在展開している長さでブレード１０８を固定するためのブレードクランプバー（図示せず）である。
【００３５】
ここで図５を参照して、本発明の実施例による、視点Ａ−Ａでの、ヘリオジャイロのバネ荷重取り付けポイントを例示する概略図を示す。図５は、宇宙船コア１０４、２０４の視点からの、ブレード展開器１１６の背面図を示す。ブレード展開器１１６は、ブレード展開器１１６の幅にわたって、ブレードロール４１６及びブレードクランプローラ４１２を支持する構造をもたらすブレード組立体ヨーク５１２を備える。好ましい実施例では、それぞれのブレード展開器１１６は、傾斜アクチュエータ１２４に対して時計回り又は反時計回りの傾斜５２０に回転して、展開されたブレード１０８を傾けるための、傾斜アクチュエータ１２４を備える。図５に示す図はまた、傾斜アクチュエータヨーク５０４の側断面図でもある。
【００３６】
３軸すべての好ましからざるどんな振動及び動揺をも能動的又は受動的に減衰させることが可能であることは、重要である。宇宙船１０４、２０４が動作しているときの、平面内（すなわち、回転面内）の動揺、及び平面外（すなわち回転面に垂直）の動揺を減衰させる必要がある。平面内の減衰システムを、たとえば、取り付けポイント用スロット５２４内で水平に動く、図示の摺動するバネ荷重取り付けポイント５１６を使用して、ストラット１１２がブレード展開器１１６と接する、図示の方向５０８に設けることができる。別法として、平面内の減衰を提供する、様々なモータ又はアクチュエータを使用することができる。バネ荷重取り付けポイント５１６は、以下２点を可能にする。第１に、ブレード展開器１１６がキューブサット又は他の積み込み用外囲器の内側に適合するのを助けるために、横方向にシフトすることができる。第２に、バネダンパとして実現することができ、したがって、平面内ブレード振動モード５０８を減衰させることができる。
【００３７】
ここで図６を参照して、本発明の実施例による、ブレード展開器１１６の操出システムを例示する概略図を示す。ブレード展開器１１６はブレードロール４１６及びブレードクランプローラ４１２を備え、ストラット１１２の遠位端に取り付けられる。ストラット１１２は、宇宙船のコア１０４、２０４からブレード展開器１１６への離隔６０４を与える、硬い構造体である。ストラット１１２は、硬直性を加え、また平面外の動きを減衰させるために、ブレード組立体ヨーク５１２からブレードの長さに沿った位置まで外方へ延出するポール及びワイヤの組合せを使用する従来のヘリオジャイロの提案に勝る、改良をもたらす。ストラット１１２は、ある実施例では、ポール／ワイヤ式よりも少ない格納面積で済み、またブレード１０８を展開するときに根掛かりが起こりにくいので、有利である。好ましい実施例では、ストラット１１２は、展開されたブレード１０８の長さの１％から３％の間である。したがって、長さ１０００メートルの展開されたブレード１０８の場合、ストラット１１２は通常、長さ１０メートルから３０メートルの間であると予想される。
【００３８】
ストラット１１２は、展開されていない状態にあるときには、管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブーム、又はロールなどの小さい形で格納される硬化可能な材料の巻かれていない部分であってもよい。ある実施例では、ブレードのヒンジはコアからオフセットされ、平面内振動及び平面外振動の両方を減衰させる。ブレードのヒンジは、展開されたブレード１０８がブレードロール４１６上を離れるポイントである。ブレード１０８は非常に薄いため、離れるポイントはヒンジのように作用する。ブレード１０８は、そのポイントで、容易に上下に曲がることができる。ブレードのヒンジと、宇宙船のコア１０４、２０４上のストラット取り付けポイントとの間の距離は、ブレードのヒンジのオフセット６０４であり、また言い換えれば、宇宙船のコア１０４、２０４からのオフセット距離である。
【００３９】
ストラット１１２は、様々な形態のワイヤを含む従来技術の他の構造体を置き換えて、剛性及び平面外の振動減衰を実現する。平面内及び／又は平面外のダンパを、宇宙船のコア１０４、２０４に取り付けられる、各ストラット１１２の根元に配置することができる。
【００４０】
ここで図７を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレード操出システムを例示する概略図を示す。図７は、支持部品をより明確に示すために、ブレード１０８又はブレードロール４１６を図示することなく、ブレード展開器１１６を例示している。ブレードロール４１６は、ブレードロールのスプール７０４又はスピンドル上に格納され、ブレードロール４１６を可能な限り最も効率的な空間に格納することができる。ブレードロールのスプール７０４の回転は、一方又は両方の端部キャップ４２０或いはブレードロールのスプール７０４内にある、ブレード展開アクチュエータ７０８によって制御される。ブレード展開アクチュエータ７０８は、軽量小型の構造を実現し、慎重に制御された速度でブレード１０８を広げる。ある実施例では、ブレード展開アクチュエータ７０８は、ブレードロールのスプール７０４内にあって、その半分はアクチュエータシャフト上にあり、残り半分はブレードロールのスプール７０４に装着されており、係合機能によりスプールを駆動する。
【００４１】
ブレード展開アクチュエータ７０８は、ＤＣモータ、ステッパモータ、又は類似のものを含むどんな形態の適切なラジアルアクチュエータであってもよい。ブレード展開アクチュエータ７０８の一代替案は、各ブレード１０８の端部に質量を与えることであり、ブレード１０８が回転しているときに、ブレード１０８を求心力又はコリオリの力の下で自動的に展開することになる。一実施例では、ブレード展開器１１６は、ブレード１０８材料自体の上にバーコードなどの光学式コード又は他の知られた光学式コードを設け、ブレード展開器１１６装置内に対応する光学式センサを設けることによって、ブレード１０８がいつ完全に展開されたか、又はいつ半分展開されたか、或いは他のどんな位置にあっても知ることができる。ブレード１０８材料の適切な部分が光学式センサの下を通過するとき、光学式コードはセンサによって検出されることになり、次いで必要に応じてブレードクランプローラ４１２又はブレード展開アクチュエータ７０８を調整することができる。代替案として、ブレード展開アクチュエータ７０８又はブレードロールのスプール７０４の近傍にエンコーダ又は他の形態の電位差計を代わりに使用することができる。
【００４２】
ここで図８を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの傾斜アクチュエータ４０８を例示する概略図を示す。傾斜アクチュエータ１２４は、ブレード１０８の根元に（すなわち、ブレード展開器１１６がストラット１１２に取り付けられている位置）、ブレード展開器１１６の中心に、配置されている。好ましい実施例では、ブレードの傾斜による振動減衰は、エンコーダ８０４を備えたボイスコイル回転アクチュエータ又はローレンツコイルによって提供される。
【００４３】
ボイスコイルアクチュエータ又はローレンツコイルは、迅速な応答、低摩擦、及び高信頼性を提供するので有利である。傾斜アクチュエータ１２４は、ブレードに傾斜を与え、また能動的にねじれの減衰を与える。ボイスコイルアクチュエータによって歯車が不要になるので、本質的に低い摩擦により、ブレード１０８から傾斜アクチュエータ１２４への機械的なフィードバックが可能になる。
【００４４】
ヘリオジャイロの各傾斜アクチュエータ１２４は、傾斜アクチュエータ１２４デバイスを貫く中心軸の周りを回転する傾斜アクチュエータシャフト８０８を備える。ボイスコイルの構成において、傾斜アクチュエータ制御信号２３４４は、傾斜アクチュエータシャフト８０８をいずれかの方向に所定量だけ回転させるために、傾斜アクチュエータシャフト８０８に結合されたコイル８２０及び磁石８２４を付勢する。傾斜アクチュエータ１２４は、好ましくは、非常に低摩擦の軸受である後方軸受８１２及び前方軸受８１６を備える。傾斜アクチュエータ１２４はまた、傾斜アクチュエータシャフト８０８の回転位置に関するフィードバックを提供するエンコーダ８２８を備えることができる。
【００４５】
ここで図９を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの軸流軸受オフロードデバイスを例示する概略図を示す。以前に説明したように、傾斜アクチュエータ１２４は、ローレンツコイル又は類似の種類のボイスコイルデバイスであってよく、エンコーダ８２８又は他の種類の回転位置センサを備えることができる。図９は、図８を参照して示し説明した傾斜アクチュエータ１２４の、特殊な場合を例示する。
【００４６】
前方軸受９１６上及び後方軸受９１２上の軸方向の力を最小にするために、保持器９３２及びスレッド９２８は、傾斜アクチュエータシャフト９０８に加えられる外方への求心力とは反対の、径方向に内側への力を与える。スレッド９２８は、図示するシャフト９０８と２つの軸受９１２、９１６との間の摩擦を最小にするために、アクチュエータのシャフトにわずかな量の軸方向の力を与える。スレッド９２８は、好ましくは、軸方向に非常に強く、また最低限のねじれ抵抗を有する鋼鉄、ケブラー、又は他の材質からできていることが好ましい。回転するヘリオジャイロ１００、２００の求心力は、シャフト９０４に外方へ（図示の右側へ）の力をもたらす。スレッド９２８は、シャフト９０８へ、等しく且つ方向が反対の力を与え、それによって、軸受９１２、９１６へのねじれ抵抗を含む摩擦力を最小にし、ブレード１０８からのトルクのフィードバックを改善し、軸受寿命を増加させることを意図している。
【００４７】
ここで図１０を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの展開されたブレード１０８の詳細を例示する概略図を示す。一般に、ヘリオジャイロの展開されたブレード１０８は、ブレード展開器１１６のブレードロールのスプール７０４上に格納されるのに十分な可撓性と、それにもかかわらず求心性の剛性のために、巻き取られたときに形状と向きを維持するのに十分な硬さの両方がある、長いストリップ上の材料を含む。ブレード材料は非常に薄いので、本質的に剛性は持たない。したがって唯一の「有効な剛性」は、求心力によるものである。
【００４８】
好ましい実施例では、展開されたブレード１０８は、ブレード１０８の遠位端又は遠い端部に、１つ又は複数の加速度計を備える。好ましい実施例では、ブレード先端部１０１６の幅全体にわたる、ブレードの当て金１００８又は他の剛性材料内に、２つの加速度計がある。２つの加速度計からの加速度データの差分が、ブレード先端部１０１６でのブレード１０８のねじれを判断するのを助ける。ブレード先端部１０１６内の加速度計は、ブレード展開器１１６又は宇宙船のコア１０４、２０４に、ＲＦ信号又は展開したブレード１０８の表面１０１２に付着させたワイヤを介して、信号を送り返す。加速度計は、ブレード先端部１０１６がブレード１０８の根元に対して何をしているか、ブレード１０８がブレード展開器１１６とどこで接合しているか、の情報をヘリオジャイロの制御システム２４００に供給することができる。一実施例では、加速度計は、ジャイロスコープ又は類似のデバイスであってもよい。ある実施例では、ブレード展開器１１６又は宇宙船のコア１０４、２０４によって信号を正確に受信するために、ブレードの縁部に沿って間隔をあけた増幅器が、加速度計の信号を増幅するのに必要となる可能性がある。ある実施例では、太陽電池セル１００４と一緒に配置される小型無線送信器などの小型送信器を、先に説明したように、必要な信号を伝送するために、加速度計のすぐ近くに配置することができる。
【００４９】
加速度計に電力を供給するために、電源が必要である。一実施例では、太陽電池セル１００４は、ブレード先端部１０１６の近傍に設けられる。別の実施例では、太陽電池セル１００４は、ブレードがブレード展開器１１６に取り付けられている、そのブレードの根元に設けられてもよい。ただし、ブレードの根元に取り付けられる太陽電池セル１００４のために、根元にある太陽電池セルから先端部にあるセンサまで配線されるワイヤに抵抗効果があり、ブレードの先端部１０１６にある加速度計に給電するのに必要な電圧が増加するであろうことは間違いない。
【００５０】
好ましい実施例では、ブレード縁部補強材１０２０は、ブレード１０８の一方又は両方の長手方向の縁部上に設けることができ、ケブラー、ポリイミド又は同様の材料を用いて、ブレード１０８自体に直接接合することができる。ある実施例では、残留応力差をもつ薄いポリイミド材料をブレード１０８材料の片側に融着させることができる。残留応力差は、ある化学的又は物理的なプロセスのために起こるブレード１０８の表面と裏面との間の応力の差であり、それによりその材料は小さくてきついチューブの中に巻き上げられる。一方の縁部は、永続的に融着されており、他方の縁部は、時間の経過とともに弱まる一時的な接着剤を有する。その脆弱なブレード縁部が放たれると、ブレード材料は円筒チューブに巻き上げられ、それによって硬化した縁部が形成される。別の実施例では、ブレード縁部補強材１０２０は、ブレード縁部の長手方向に取り付けられた長手方向のチューブ又は管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブームの構造体であってもよい。ブレード１０８が展開されるとき、管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブームはシリンダの中に巻き上げられる。ブレード縁部補強材１０２０は、展開されたブレード１０８の全長、又はブレード縁部補強材１０２０の多くの部分に沿って均一な構造とすることができる。ブレード先端部１０１６は、ブレード先端部１０１６の幅全体にわたり管状構造である、ブレード先端部１０１６に取り付けられたブレードの当て金１００８を備える。ブレードの当て金は、１つ又は複数の加速度計を収容し、ポアソン効果のために張力／圧縮変形に抵抗するように働く。
【００５１】
ブレード縁部補強材１０２０の多くの部分の実施例では、ブレードの当て金１００８は、ブレード縁部補強材１０２０を横断して結合するよう設けることができる。このようにして、ブレード縁部補強材１０２０及びブレードの当て金１００８は、展開された各ブレード１０８の長さに沿って構造支持体の「はしご」を形成することになる。ブレード縁部補強材１０２０及びブレードの当て金１００８は、同種の材料、又は異なる材料で作られてもよい。ブレード縁部補強材１０２０の別の利点は、展開されたブレード１０８が切断又は穿孔によって切れるのを防ぐためのリップストップ材料として振る舞うことができることである。
【００５２】
ここで図１１を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロのブレードクランプローラの作動ステップ１１００を例示する概略図を示す。例示された作動ステップは、ブレード１０８の展開中に、（Ａ）から（Ｅ）まで経時的な順で進行する。ブレード１０８がブレード展開器１１６上に展開されていない、又は格納されている場合、ブレードクランプローラ４１２は位置Ｅに留まり、ブレード展開アクチュエータ７０８はブレード材料をブレードクランプローラ４１２とブレードロールのスプール７０４との間で引っ張り、それによってブレード１０８がブレードロールのスプール７０４の周りに巻き付いているときブレード１０８をぴんと張られた状態に保つ。
【００５３】
ステップ（Ａ）は、ブレードが展開される前１１１６の、ブレードロール４１６とブレードクランプローラ４１２との間の関係を例示するものである。ブレードクランプローラ４１２は、はるかに後方の位置にある（すなわち、宇宙船のコア１０４、２０４の方に向けられており、ブレードロール４１６と係合していない）。この時点で、ブレード１０８全体がブレードロール４１６上に格納されている。
【００５４】
ステップ列（Ｂ）から（Ｅ）は、ブレード１０８が部分的に又は最大長さ１１２０まで完全に展開された後の、ブレードクランプローラ４１２とブレードロール４１６との間の関係を示す。バネ荷重アーム１１１２は、ワイヤバネ１１０４からのバネ力の下で、ブレードロールのスプール７０４（図７参照）と係合するローラ支持タブ１１２８に回転可能に結合されている。ワイヤバネ１１０４は、バネ荷重アーム１１１２をブレードロールのスプール７０４に向かって駆動する。ブレードクランプローラ４１２が作動する前に、ローラ支持タブ１１２８上に取り付けられたアクチュエータが、ブレードロールのスプール７０４と係合し、ローラ支持タブ１１２８をブレードロールのスプール７０４と機械的に結合する。ブレード展開アクチュエータ７０８が、ブレードロールのスプール７０４を展開方向に駆動するとき、ローラ支持タブ１１２８も同様に回転し、バネ荷重アーム１１１２及びブレードクランプローラ４１２を「外側に」動かす。バネ荷重アーム１１１２は、端部キャップ４２０に機械的に結合された湾曲した勾配部１１０８に沿って移動し、また傾斜され、その結果バネ荷重アーム１１１２により、ブレードクランプローラ４１２は、ブレードクランプローラ４１２の作動終了時に、ブレードロールのスプールにクランプされる１１２４。ブレード１０８の展開途中に、ブレードクランプローラ４１２はブレード１０８をクランプし、それでブレードを張ることができ、それによってヘリオジャイロ１００、２００の回転速度を一定に保つために使用されるブレード１０８が操り出されるときに、追加の運動量を与える。好ましい実施例では、ブレードクランプローラ４１２をまた、必要に応じて、いつでもブレードロール４１６から外すことができる。或いは、ブレードクランプローラ４１２又はバーは、ブレード組立体ヨーク５１２上又は端部キャップ４２０上の他の位置に配置されたアクチュエータ駆動ヒンジポイントを介して、所定の位置に回転させることができる。或いは、必要に応じて係合／離脱を選択するために、ローラ支持タブ１１２８内にアクチュエータを備えることができる。
【００５５】
ブレードクランプローラ４１２は、最初にブレードロール４１６にクランプされ、所定位置にロックされる。ブレード１０８を展開中に、バネ荷重アーム１１１２は、ロックを解除し、わずかにバックドライブしてブレードロール４１６を持ち上げる。ブレード１０８が部分的又は完全に広げられ、ブレードクランプローラ４１２がブレード１０８の根元をクランプする必要が生じた後に、ローラ支持タブ１１２８上に取り付けられたリニアアクチュエータがブレードロールのスプール７０４に係合し、それによってバネ荷重アーム１１１２を前方に駆動する。それが動くとき、バネ荷重アーム１１１２は内側に回転し、湾曲した勾配部１１０８に沿って移動し、最終的にブレードクランプローラ４１２をブレードロール４１６上に載せる。クランプすることで、ブレード１０８材料を根元で所定の位置に保持し、ブレード１０８を張ることが可能になる。ブレード１０８を再格納するために、ブレードロール４１６の動作を逆転させることも可能である。
【００５６】
ヘリオジャイロ１００、２００は最初に、ブレード１０８の最初の部分を引き出し、径方向に延出されたブレード１０８を維持するために十分な求心力を与える回転速度まで、回転を立ち上げる。ブレード１０８が繰り出されるとき、回転速度を落とす。ある時点で、回転速度が制御された径方向の展開を補助しないレベルに近づいているとき、ブレードクランプローラ４１２はブレード１０８をクランプし、ブレード１０８が張られる。太陽放射圧は、この時点までに絶えずブレード１０８にぶつかっているが、今度は、ブレード１０８が張られた状態で、太陽放射圧は角運動量を加える。次いでブレード１０８を、確実に制御された径方向へ展開するために、余裕をもって、必要な回転速度を維持する速度で繰り出すことができる。
【００５７】
ここで図１２を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００のキューブサットの構成を例示する概略図を示す。例示された構成は、４本のブレードロール４１６及び４つのブレード展開器１１６を備える、ヘリオジャイロ１００、２００を反映している。積み込みのために、各ブレード１０８は、その傾斜アクチュエータ４０８に隣接するブレードロールのスプール７０４上に巻き取られている。ブレードロール組立体４１６及びストラット１１２は、割り振られたキューブサットの容積に応じて３つの方法で折り畳まれる。（Ａ）６Ｕの容積の内底部の２Ｕに沿わせる、（Ｂ）宇宙船コア１０４、２０４の両側に沿わせる、又は（Ｃ）その端部に組んで立てる。
【００５８】
ここで図１３を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００の、キューブサット容器から排出された後のキューブサットの構成を例示する概略図を示す。キューブサット形式のヘリオジャイロ１００、２００は、キューブサットを展開できる前に、宇宙船のキューブサット容器から排出されなければならない。図１３は、展開前のキューブサットのヘリオジャイロ１００、２００の外観の実例を示す。宇宙船のコア１０４の片側が見え、宇宙船のコア１０４、２０４の積み荷が、キューブサットの中心に垂直に向けられている。キューブサットの大きい側部は電源１２０の太陽電池パネルであり、ブレードロール４１６及びブレード展開器１１６はキューブサットの小さい側部にある。図示の実施例では、６つのブレード展開器１１６及び６つのブレードロール４１６がある。
【００５９】
ここで図１４を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００の、太陽電池パネル１２０展開後のキューブサットの構成を例示する概略図を示す。太陽電池パネルとして図示される電源１２０は、「ガルウィング」構成で頂面にヒンジ止めされ、宇宙船のコア１０４、２０４に取り付けられる。これにより、ブレード１０８が展開される前に、ブレード展開器１１６及びブレードロール４１６がストラット１１２（図示せず）によって延出されるためのスペースが確保される。いったん電源１２０が展開されると、ソーラーパネルは平面構成になる。
【００６０】
ここで図１５を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００のキューブサットのストラット１１２の展開を例示する概略図を示す。例示される実施例では、ストラット１１２のそれぞれは、キューブサット上の折り畳まれた構造体の中に格納された、複数のヒンジ付きセグメントで構成される。一実施例では、ストラット１１２のそれぞれは、ロール内に格納され、完全に延出した長さに広げられる。別の実施例では、ストラット１１２のそれぞれは、管状延出部材（ＳＴＥＭ）のブームである。別の実施例では、ストラット１１２のそれぞれは、積み込みのために長手方向にしぼまされ、展開のために外方へ延出する。一実施例では、ストラット１１２のセグメントのそれぞれが、バネ駆動である。いったん電源１２０が展開されて道をあけると、宇宙船のコア１０４は、ストラット１１２のそれぞれを回転させて各ストラット１１２の間に等しい間隔を設ける。
【００６１】
ここで図１６を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００の、ストラット１１２が完全に延出した後のキューブサットの構成を例示する概略図を示す。ストラット１１２のそれぞれが、最大長に延出されている。その長さは所定の長さで、一般にブレード１０８の全長の１％から３％である。この段階では、推進モジュール３０４などのストラット１１２上の推進ユニットは、ヘリオジャイロ１００、２００の転動を防止し、太陽の方に向ける。
【００６２】
ここで図１７を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００の、ブレード展開器１１６が整列されたキューブサットの構成を例示する概略図を示す。宇宙船のコア１０４は、展開されたブレード１０８が太陽に垂直になるように、ブレード展開器１１６のそれぞれを９０°回転させる。太陽から外れないよう維持しながら、推進ユニット３０４は、ヘリオジャイロ１００、２００を第１の回転速度、好ましくは毎分６０回転まで、回転を立ち上げる。実用的な最小回転速度で、ブレードロール４１６からブレード１０８を外側に引き出すのに十分な求心力が確保される。実用的な最大回転速度は、ブレード１０８内の応力を、安全限度未満に保つ。これらは、ブレード先端の当て金組立体１００８の重量（ブレード先端部１０１６における重量）の関数である。６０ｒｐｍは、ブレード１０８を傾けなければならなくなる前に、ブレード１０８がその道をかなりの距離展開し、太陽放射圧が角運動量を増加させることを可能にするのに十分である。これにより、必要な展開時間が短縮されるので有利である。
【００６３】
ここで図１８を参照して、本発明の実施例による、例示的なヘリオジャイロ１００、２００の、ブレード１０８が完全に展開されたキューブサットの構成を例示する概略図を示す。いったんブレード展開器１１６が整列されると、ブレード１０８は制御されたバランスのとれたやり方で繰り出される。繰り出し速度は、ブレード１０８内で後縁部の正の応力を維持するほど十分に遅く、それによって円滑で径方向の展開が保証される。ブレード１０８の繰り出しが速すぎる場合、ブレード１０８は回転方向に対して後方に曲がる。これは、後縁部がもはや張力を有しておらず、圧縮状態に置かれているためである。コリオリの力は、ブレード１０８にヘリオジャイロ１００、２００の回転に対する遅れを引き起こす。これは、径方向の求心性の応力によって打ち消されるが、回転速度は一定量に制限される。
【００６４】
展開中に、ヘリオジャイロ１００、２００は、その動作回転速度又は第２の回転速度まで減速し、その時点で、ブレード１０８は、制御システム２４００による指示に従って集団的に傾く。ただし、ブレード１０８の長さが１０００ｍ未満であるため、回転速度は１ｒｐｍオーダの可能性がある。動作回転速度又は第２の回転速度は、ブレード１０８の円錐部（平面外の垂れ下がり）を一定量に制限し、次に、ブレードのねじれと、平面内のたわみと、平面外のたわみとの間の結合を制限するように選択される。またそれは依然として、操縦性を良くするのに十分な歳差運動速度を可能にするよう選択される。
【００６５】
展開の残りの部分では、ブレード１０８上の太陽放射圧は、ブレード１０８が一定の回転速度を維持するのに必要な速度で繰り出される間、角運動量を増大させる。ブレード１０８が繰り出されるとき、太陽放射圧が角運動量を増大させるように作用しなければ、角運動量は一定である。これは、ブレード１０８が展開されるにつれて回転速度が遅くなることを意味する。回転速度の変化は、ブレード１０８がある長さで初期の角運動量をとり、次いでブレード１０８がより長い場合に角運動量の方程式に等しい運動量を設定することによって計算される。その方程式は、慣性モーメントがより大きい場合（ブレード１０８がより遠くに延出される場合と同様に）、回転速度はより低いことを示すことになる。回転速度がどのように変わるかを知ることにより、ブレード１０８を、特定のブレード繰り出し速度を補助するためにどのくらい傾ける必要があるかを、判断することができる。
【００６６】
ここで図１９を参照して、本発明の実施例による、代替の例示的なヘリオジャイロ１００、２００のキューブサットの格納部の構造を例示する概略図を示す。図１９に示すヘリオジャイロ１００、２００の構成は、４つのブレード展開器１１６を示し、各ブレード展開器１１６は、ブレードクランプローラ４１２及び傾斜アクチュエータ４０８を備える。
【００６７】
ここで図２０を参照して、本発明の実施例による、代替のヘリオジャイロ１００、２００の構成のためのダンパの位置を例示する概略図を示す。図２０は、構造支持体２００８並びに４つの平面内及び平面外ダンパ２００４、並びにブレード展開器１１６及びブレード１０８のそれぞれのための巻き上げられたストラット１１２を示す。平面内及び平面外ダンパ組立体２００４は、受動的又は能動的である。受動ダンパ構成は、好ましからざる動きを減衰させるように作用する、直列又は並列のバネ及びダンパ材料を有する。それらはまた、ワイヤに対して磁石が動くときに発生する起電力のために、運動に抵抗し減衰させるワイヤ及び磁石のコイルを有することができる。能動ダンパの構成は、ボイスコイル又は他のいくつかのモータ構成と同様である。バックドライブのとき、或いはモータ又はアクチュエータの動力方向に反して駆動されるとき、抵抗が生じる。コイル、モータの抵抗値、及び能動ダンパモータ回路に印加される電圧を調整することにより、減衰量が最適レベルに調整される。
【００６８】
ここで図２１を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロを展開するためのプロセス２１００を例示するフローチャートを示す。フローはブロック２１０４で始まる。
【００６９】
ブロック２１０４において、宇宙船はヘリオジャイロ１００、２００を排出する。一実施例では、ヘリオジャイロ１００、２００はキューブサットとして格納される。別の実施例では、ヘリオジャイロ１００、２００は、宇宙船上のキューブサットでないペイロードとして格納される。フローはブロック２１０８に続く。
【００７０】
ブロック２１０８において、推進モジュール３０４はヘリオジャイロ１００、２００の転動を防止し、ヘリオジャイロ１００、２００を太陽の方へ向ける。推進モジュール３０４は、ストラット１１２上、又はブレード展開器１１６上に装着される。ヘリオジャイロ１００、２００は、ブレード１０８が展開されて太陽に垂直のとき、太陽の方へ向けられる。フローはブロック２１１２及びブロック２１１６に続く。
【００７１】
オプションのブロック２１１２では、ストラット１１２を備えるヘリオジャイロ１００、２００のために、ストラット１１２のそれぞれが展開され、延出される。ストラット１１２が展開され、又は延出されるとき（たとえば図１５及び図１６によると）、ストラット１１２は、直線配置になるように巻かれたものを広げられ、延出され、又は畳んだものを広げられる。宇宙船のコア２０４としてブレード展開器１１６を組み込んだ環状構成のヘリオジャイロ２００などの、ヘリオジャイロ１００、２００のある構成は、ストラット１１２を備えなくてもよい。展開は、ストラット１１２のそれぞれを回転させ、ストラット１１２相互間に等角度間隔を維持することを含んでもよい。フローはブロック２１１６に続く。
【００７２】
ブロック２１１６において、ヘリオジャイロ制御システム２４００は、ヘリオジャイロ１００、２００を、好ましい実施例では約６０ＲＰＭである、第１の回転速度まで回転させる。ヘリオジャイロ１００、２００は、宇宙船コア１０４、２０４、ストラット１１２、ブレード展開器１１６及びブレード１０８によって概ね定義される共通平面内で、回転する。フローはブロック２１２０に続く。
【００７３】
ブロック２１２０において、ヘリオジャイロ制御システム２４００は、ブレード１０８のそれぞれを繰り出し始める。以前に論じたように、それぞれのブレード１０８上の後縁部の応力を維持するために、ブレード１０８は所定の速度で繰り出される。フローは判断ブロック２１２４に続く。
【００７４】
判断ブロック２１２４において、ブレード１０８が延出しているとき、ヘリオジャイロ制御システム２４００は、ブレード回転速度が第２の回転速度に達したかどうかを判断する。好ましい実施例では、第２の回転速度は、約１ＲＰＭである。ブレードの回転速度が第２の回転速度に達しなかった場合、フローは判断ブロック２１２４に進み、回転速度のチェックを継続する。ブレードの回転速度が第２の回転速度に達した場合、フローは代わりにブロック２１２８に進む。
【００７５】
ブロック２１２８において、ヘリオジャイロ制御システム２４００は、ブレード１０８を傾斜させる。一実施例では、ブレード１０８のそれぞれが、所定の傾斜角に傾けられる。フローはブロック２１３２に続く。
【００７６】
ブロック２１３２において、ヘリオジャイロ制御システム２４００は、完全に延出される長さまでブレード１０８を繰り出し続ける。この時点で、ヘリオジャイロ１００、２００は完全に展開され、動作可能である。フローはブロック２１３２で終わる。
【００７７】
ここで図２２Ａを参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの周期的な傾斜操縦を例示する概略図を示す。図２２Ａは周期的傾斜を例示し、これは特定の方向２２１６の平面内推力という結果をもたらす。図２２Ａから図２２Ｄはまた、展開されたブレード１０８に関して、傾斜角対時間のグラフ２２０４、２２２０、２２３２、２２３６を含み、図３に示す推力方向及び回転方向を有するヘリオジャイロ１００、２００を想定する。グラフの水平線は傾斜角０度を示し、ここでブレード１０８は傾けられていない。Ｙ軸位置にあるドットは、薄黒くした（黒の）ブレードに対する傾斜角を示す。すべてのブレードが、たとえプロファイル上の様々な場所にあっても、同じプロファイルに従う。たとえば、薄黒いブレードは、位相０°にある。反時計回りに進む次のブレードは、位相が３０°進む。その傾斜角は、周期の１／１２（３０°を３６０°で割ったもの）時間的に先行する、傾斜プロファイル上の位置によって定義される。反時計回りに進む次のブレードは、第１のブレードから６０°進み、第２のブレードから３０°進む。
【００７８】
各ブレード１０８の均一の動きは、ヘリオジャイロ１００、２００の１回転当たり約１サイクルの、ブレード１０８の傾斜の基本周波数のためであり、それはブレード１０８が傾けられる基本的な周波数である。傾斜の振幅は、典型的には１０°のオーダであり、０°から９０°の範囲である。
【００７９】
ここで図２２Ｂを参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの集団的、周期的な傾斜操縦を例示する概略図を示す。図２２Ｂは、集団的、周期的な傾斜を示し、それがヘリオジャイロ１００、２００の回転速度を変更し、且つヘリオジャイロ１００、２００に対する回転ベクトルを歳差運動させる。ヘリオジャイロ１００、２００は、ブレード１０８が傾斜角対時間のプロファイル２２２０に従って傾斜するとき、ブレード１０８にぶつかる太陽によって加えられるトルクのために、その回転ベクトルを、歳差運動又は回転させる。集団的な、又は平均の傾斜角対時間は、０°からオフセットされていることに留意されたい。このオフセットは、正（線の上）又は負（線の下）のいずれであってもよい。
【００８０】
ここで図２２Ｃを参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの集団的な傾斜操縦を例示する概略図を示す。図２２Ｃは、集団的な傾斜を示し、それがヘリオジャイロ１００、２００の回転速度２２２４を変更する。傾斜角対時間は一定で、０°からオフセットされており、これはブレード１０８が傾斜しており、且つその傾斜は、操縦中は変わらないことを意味することに留意されたい。
【００８１】
ここで図２２Ｄを参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロのハーフＰの傾斜操縦を例示する概略図を示す。図２２Ｄは、ハーフＰの傾斜を示し、それがヘリオジャイロ１００、２００の回転ベクトルを歳差運動させる。ヘリオジャイロ１００、２００は、ブレード１０８が傾斜角対時間のプロファイル２２３６に従って傾斜するとき、ブレード１０８にぶつかる太陽によって加えられるトルクのために、その回転ベクトルを、歳差運動又は回転させる。傾斜角対時間は、ヘリオジャイロ１００、２００の回転周期２つ分の期間にわたり、正と負との間で正弦波的に交互に繰り返されており、これはヘリオジャイロ１００、２００が２回転するよう操縦される間に、ブレード１０８が、正の傾斜から傾斜していない状態（０°）、負の傾斜へ変化することを意味することに留意されたい。
【００８２】
ここで図２３を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロ１０４、２０４の制御デバイスを例示する構成図を示す。ヘリオジャイロ制御デバイス２３００は、インテルｘ８６互換プロセッサ、組込型プロセッサ、モバイルプロセッサ、及び／又はＲＩＳＣプロセッサなど、ソフトウェアアプリケーションを実行するのに好適な任意の処理デバイスを含む、１つ又は複数のプロセッサ２３０４を含む、コンピュータ処理デバイスである。
【００８３】
プロセッサ２３０４は、現場でプログラム可能な回路アレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）、メモリコントローラ、ノースブリッジデバイス、及び／又はサウスブリッジデバイスを含む、複数のデバイスを含んでもよい。大部分の実施例では、プロセッサ２３０４は、メモリ２３１２からアプリケーション２３２０プログラム命令を取り出すが、プロセッサ２３０４及びアプリケーション２３２０は、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡの形態で実行される純粋なハードウェア構成を含む、任意の差し支えがないハードウェア／ソフトウェア構成で構成されてもよいことを理解されたい。メモリ２３１２はまた、オペレーティングシステム、及び本出願のプロセスを実行するために使用される、本明細書に記載の様々な形態での所定の値及びパラメータを含む、パラメータ及びデータ構造を有する、メタデータ２３１６を有する。
【００８４】
ヘリオジャイロ制御デバイス２３００は、揮発性及び不揮発性のメモリ種類の一方、又は両方を含んでもよいメモリ２３１２を備える。ある実施例では、メモリ２３１２は、オペレーティングシステム及び本出願のソフトウェアアプリケーション２３２０のためのプログラム命令を含む、プロセッサ２３０４が取り出して実行するプログラム命令を有する、ファームウェアを含む。不揮発性メモリ２３１２の実例は、フラッシュメモリ、ＳＤ、消去可能でプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ：Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、電気的に消去可能でプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスク、及び不揮発性読み出し専用メモリ（ＮＯＶＲＡＭ：Ｎｏｎ−Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）を含むが、それに限定されるものではない。揮発性メモリ２３１２は様々なデータ構造及びユーザデータを格納する。揮発性メモリ２３１２の実例は、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ：Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、デュアルデータ速度ランダムアクセスメモリ（ＤＤＲ  ＲＡＭ：Ｄｕａｌ  Ｄａｔａ  Ｒａｔｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、デュアルデータ速度第２世代ランダムアクセスメモリ（ＤＤＲ２  ＲＡＭ：Ｄｕａｌ  Ｄａｔａ  Ｒａｔｅ  ２  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、デュアルデータ速度第３世代ランダムアクセスメモリ（ＤＤＲ３  ＲＡＭ：Ｄｕａｌ  Ｄａｔａ  Ｒａｔｅ  ３  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、コンデンサなしランダムアクセスメモリ（Ｚ−ＲＡＭ：Ｚｅｒｏ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、２つのセルトランジスタランダムアクセスメモリ（ＴＴＲＡＭ：Ｔｗｉｎ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、非同期式ランダムアクセスメモリ（Ａ−ＲＡＭ：Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＴＡランダムアクセスメモリ（ＥＴＡ  ＲＡＭ：ＥＴＡ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及び他の形態の一時的なメモリを含むが、これに限定されない。メタデータ２３１６及び１つ又は複数のアプリケーション２３２０が、メモリ２３１２内に格納される。メタデータ２３１６は、構成パラメータ、所定の値及び時間設定、並びにヘリオジャイロ１００、２００の制御に必要な情報を含むがこれらに限定されない、本出願のデータ構造及びパラメータを含む。
【００８５】
ヘリオジャイロ制御デバイス２３００は、各ブレードの先端部１０１６にある加速度計からの加速度計のデータ２３３２、エンコーダ、電位差計、又はダンパからのブレードアクチュエータのデータ２３３６、宇宙船航法システム２４３２、地球ベースのシステム２４２０、宇宙船、衛星又は他の宇宙船からの位置、姿勢、及び速度データ２３４０、或いはヘリオジャイロ１００、２００を制御するために必要な他のどんな情報をも受信する、受信器２３２４を備えることができる。
【００８６】
ヘリオジャイロ制御デバイス２３００はまた、各ブレードアクチュエータ１２４へブレードアクチュエータ制御信号２３４４を送信し、各ブレード展開アクチュエータ７０８へブレード展開アクチュエータ制御信号２３４８を送信し、且つ各推進モジュール３０４へ推進モジュール制御信号２３５２を送信する、送信器２３２８を備えることができる。
【００８７】
ヘリオジャイロ制御デバイス２３００はまた、地球ベースの局２４２０、宇宙船、衛星、又は他の宇宙船からのデータを送信する、又はデータを受信するための、船上のアンテナ（図示せず）と結合される、１つ又は複数の通信送受信器２３０８を備えることができる。
【００８８】
ここで図２４を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロ制御システム２４００の主要な機能フローを例示する概略図を示す。ヘリオジャイロ１００、２００は、短時間での軌道判断及びコース補正を行うように、管理された自律性を自律的に提供する、独自開発の、案内、航法、及び制御（ＧＮＣ：Ｇｕｉｄａｎｃｅ，Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）システム２４００を備える。制御システム２４００の４つの主要な構成要素は、軌道生成部２４０８、推力ベクトル制御部２４１２、ブレード傾斜制御部２４１６、及び状態判断部２４０４である。
【００８９】
軌道生成アルゴリズム２４２８は、状態履歴及び地上で生成された先験的な使命計画の更新に依拠して、基準の経路を維持又は収束させるための最適軌道を計算する。ハイブリッドシステム理論、線形共分散分析、及び数値ターゲティング（射撃法又はコロケーション法）を使用して、更新された軌道を計算することができる。軌道生成アルゴリズム２４２８は、ヘリオジャイロ１００、２００のパラメータ、動力学方程式、及び過去のヘリオジャイロ１００、２００の挙動に従うため、使命計画又は所望の軌道を入力として使用する。過去のヘリオジャイロの挙動は、以前のブレードの傾斜量並びにブレード減衰力及びトルクに対する応答を含む。ブレード１０８の傾斜及びブレード１０８の振動減衰は、ヘリオジャイロ１００、２００に力及びトルクを与え、次にその回転ベクトルを歳差運動又は回転させ、その回転速度を変化させ、その進行方向を変化させ、その速度を変化させ、又はモーダル波の振動を変化させる。ヘリオジャイロ１００、２００は、入力からどのような出力が得られるかを学習する。軌道生成アルゴリズム２４２８は、位置、方向、速度、及び角速度、並びに加速度及び角加速度を含む状態導関数対時間を含む、将来の所望の宇宙船の状態出力を生成する。
【００９０】
推力ベクトルコントローラ２４１２は、ブレード傾斜コントローラ２４５６に送る操縦パラメータ２４５２のパターンを決定するために、現在の姿勢、位置、及び速度情報２４２４並びに所望の軌道を受け取る。推力ベクトルコントローラ２４１２は、ある実施例では、所望の操縦パラメータ２４５２及び現在のヘリオジャイロの回転軸の向きを、必要な推力及びモーメント２４４４にマッピング２４４８する逆ルックアップテーブルを使用することができる。必要に応じて、暫定的なコントローラをシミュレーションに適用して、ヘリオジャイロ１００、２００を制御するのに十分になるまで反復してマッピングを修正することができる。新しいパラメータは、ヘリオジャイロ１００、２００が２回転するごとに、推力ベクトルコントローラ２４１２に送られる。過去の傾斜パラメータと現在のパラメータとの間に、円滑な遷移（１次導関数を介して）が適用される。推力ベクトルコントローラ２４１２は、現在の状態、所望の状態、及び所望の状態の導関数を入力として使用する。推力ベクトルコントローラ２４１２は、新しいパラメータを適用するために、周期的傾斜振幅、集団的傾斜振幅、ハーフＰ傾斜振幅、傾斜周波数、傾斜位相、及び初期時間を、出力として使用する。
【００９１】
ブレード傾斜コントローラ２４１６は、ブレードアクチュエータ４０８の傾斜プロファイルを生成し、追跡する。ブレード傾斜コントローラ２４１６は、集団的傾斜角、周期的傾斜振幅、及び位相、並びに現在の傾斜プロファイルから新しいプロファイルへの遷移のための操縦パラメータ２４５２を受け取る。ブレード１０８組立体のモーダルモデルを組み込んだ独自開発の堅牢な内部モデルコントローラが、ブレード１０８を根元で傾斜させ、一方、第１のねじれモードを能動的に減衰させる。
【００９２】
制御システムへの特定の入力（姿勢、位置、及び速度２４２４）は、宇宙船航法システム２４３２（たとえば、ＧＥＯＮＳ）から供給される。それは、ＧＰＳ、追跡及びデータ中継衛星システム（ＴＤＲＳＳ：Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄａｔａ  Ｒｅｌａｙ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）、ドップラ、及び天体航法などの読み取りを組み込んでいる。惑星間空間において、宇宙船航法システム２４３２は、通常は、主に天体航法及びドップラに依存する。したがって、制御システム２４００は、非常に正確な星追跡データ２４３６からの恩恵を受ける。図２は、回転停止機構を組み込んだ実施例を示す。回転停止される部分の追加の利点は、回転しない台を必要とするペイロードを収容できることである。また、制御システム２４００には、ストラット１１２が宇宙船のコア１０４、２０４に取り付けられているところに配置されている、平面内及び平面外の能動ブレードダンパ（図示せず）が備えられている。
【００９３】
本発明は能動制御傾斜プロファイルの重ね合わせを可能にする。ヘリオジャイロ１００、２００のふらつき及び他の好ましからざる振動を制限するために、振動減衰を最適化するための劣駆動ロボット理論からの技法が組み込まれている。この技法は、傾斜制御の上に特定の減衰プロファイルを重ね、且つシステム全体に最適化された減衰効果のために、ブレード１０８の根元でダンパを作動させる。また、ブレード１０８を回転させることによって、宇宙船のコア１０４、２０４を迅速に歳差運動させることができる（たとえば、ヘリオジャイロ１００、２００を迅速に回転させるために、その各局所の傾斜軸に対して反対方向に１８０度離して間隔をあけた２つのブレードを回転させる）。
【００９４】
ここで図２５を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロ制御システムのモデルコントローラを例示する構成図を示す。傾斜アクチュエータ１２４は、傾斜プロファイルの基準を３つの部分、すなわち、ハーフＰ傾斜内部モデルコントローラ２５０４、周期的傾斜内部モデルコントローラ２５０８、及び集団的傾斜内部モデルコントローラ２５１２に分割した、堅牢な内部モデルコントローラを使用する。ねじれ時のブレード１０８のモーダルモデルがプラント２５１６に組み込まれ、傾斜モードの能動的な減衰を可能にする。
【００９５】
ここで図２６を参照して、本発明の実施例による、オプションであるヘリオジャイロの回転停止機構２１２を例示する概略図を示す。ヘリオジャイロの回転停止機構２１２は、内部ジンバルに結合された内部コア２６０４を備えることができ、傾斜アクチュエータ１２４を参照して論じたボイスコイルアクチュエータと同様のアクチュエータが使用される。１つ又は２つの軸受用軌道輪２６０８が、内部コア２６０４と内部ジンバルとの間に配置され、内部コア２６０４が内部ジンバルに対して回転することを可能にする。内部コア２６０４と内部ジンバルとの間を除いて、様々な軸の間に滑りリングがあってもよい。
【００９６】
ここで図２７を参照して、本発明の実施例による、ヘリオジャイロの回転停止機構２１２の側面を例示する概略図を示す。回転停止機構２１２は、電力及びデータを、宇宙船のコア１０４、２０４と内部ジンバル受信器との間で無線伝送して、回転停止アクチュエータに給電及び制御可能にすることができる。この構成は、キューブサット構成で動作するように変更することができる。
【００９７】
図面内で提供する機能ブロック図、動作シナリオ及びシーケンス、並びにフロー図は、本開示の新規の態様を実施するための例示的なシステム、環境、及び方法論を表す。説明の簡略化のために、本明細書に含まれる方法は、機能図、動作シナリオ又はシーケンス、或いはフロー図の形態であってもよく、一連の行為として説明することができるが、一方、いくつかの行為は、それに従って、本明細書に示し説明した行為とは異なる順序で、及び／又は他の行為と同時に起こり得るので、本方法は行為の順序によって制限されないことを理解、認識されたい。たとえば、当業者であれば、方法を、状態図など、一連の相互関係のある状態又はイベントとして代替的に表すことができることを理解、認識するであろう。さらに、方法論に示されたすべての行為が新規の実施例に必要とされるわけではない可能性がある。
【００９８】
本明細書に含まれる説明及び図は、最良の選択肢を作成及び使用する方法を当業者に教示するための特定の実施例を示す。本発明の原理を教示する目的のために、いくつかの従来の態様は簡略化又は省略されている。当業者は、本発明の範囲内に入るこれらの実施例からの変形形態を理解するであろう。当業者はまた、上述の特徴を様々な方法で組み合わせて複数の実施例を形成できることも理解するであろう。結果として、本発明は、上述の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びそれらと同等のものによってのみ限定される。
【００９９】
最後に、当業者は、開示された概念及び特定の実施例を、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の同じ目的を実行するための他の構造の設計又は変更のための基礎として、容易に使用できることを理解されたい。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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