(57)【要約】【課題】展開エネルギーを大きくすることができ、従って、展開力を大きくできる伸展ブームを提供する。【解決手段】伸展ブーム１’は、内側ブーム１１’及び外側ブーム１２を有する。内側ブーム１１’の横断面形状が波形状となっており、内側ブーム１１’はｍ個たとえば３個の連続する円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３よりなる。円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３は、同一の厚さｔ１＝０．３ｍｍ、同一の曲率半径ｒ１、同一の内角度θ１で規定される。外側ブーム１２は厚さｔ２＝０．３ｍｍ、曲率半径ｒ２、内角度θ２で規定される単一円弧状断面形状を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側ブーム及び該内側ブームに結合された外側ブームを具備する伸展ブームであって、
前記伸展ブームの展開状態における前記内側ブーム及び外側ブームの少なくとも一方の横断面形状が波形状である伸展ブーム。
【請求項２】
前記波形状は曲率方向を交互に変化させた連続する複数の円弧状である請求項１に記載の伸展ブーム。
【請求項３】
前記内側ブームの横断面の総長さと前記外側ブームの横断面の総長さとが等しい請求項１に記載の伸展ブーム。
【請求項４】
単一ブームを具備する伸展ブームであって、
前記伸展ブームの展開状態における前記単一ブームの横断面が波形状である伸展ブーム。
【請求項５】
前記波形状は曲率方向を交互に変化させた連続する複数の円弧状である請求項４に記載の伸展ブーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超小型から小型の人工衛星の構造物等として用いられる自己伸展可能な伸展ブームに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星の構造物として膜状太陽電池、膜状アンテナ、膜状ハーネス等を展開するための膜展開構造が用いられる。この膜展開構造は自己伸展可能な伸展ブームを内蔵している。
【０００３】
図６は一般的な３Ｕ（１００ｍｍ立方体３個分）超小型人工衛星を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の膜展開構造の展開状態を示す斜視図である。
【０００４】
図６において、膜展開構造１００は伸展マスト２００によって本体３００のカメラ等を有する伸展マスト格納部３０１に連結されている。また、本体３００には伸展マスト格納部３０１を制御するための衛星バス３０２が設けられ、本体３００の周囲には衛星バス３０２の初期駆動用電源としての太陽電池パネル３０３が設けられている。また、伸展マスト２００はたとえばテレスコピック型で伸縮自在である。従って、宇宙空間において、伸展マスト２００が衛星バス３０２によって制御されて伸長されると、膜展開構造１００の蓋１０１がスプリング等によって開放され、図６の（Ａ）に示す収納状態から図６の（Ｂ）に示す展開状態へ遷移する。尚、この遷移は不可逆性である。
【０００５】
図６の（Ｂ）においては、展開状態の４つの伸展ブーム１によってたとえば１ｍ×１ｍの樹脂製の膜２が支持されている。膜２上には膜状太陽電池３及び膜状アンテナ４及び膜状ハーネス（図示せず）が予め接着されている。
【０００６】
図７は図６の膜展開構造１００の伸展ブーム１の収納状態、展開状態を説明する図である。但し、膜２、膜状太陽電池３、膜状アンテナ４等は図示省略してある。
【０００７】
図７の（Ａ）に示すごとく、膜展開構造１００は、フレーム１０２上に、４つの伸展ブーム１の根元部１ａを固定するための固定部１０３と、固定部１０３の周囲に矩形状に配置され、収納状態の４つの伸展ブーム１を巻き付けるための複数のピン１０４とを有する。この場合、フレーム１０２、固定部１０３及びピン１０４は一体で形成され、蓋１０１及び図示しないフランジカバーで覆われている。
【０００８】
図７の（Ａ）の収納状態において、伸展ブーム１の蓋１０１（図示せず）がスプリング等によって外されると、図７の（Ｂ）に示すごとく、伸展ブーム１は自己の展開エネルギーによって自己展開する。
【０００９】
図８は従来の伸展ブームを示す斜視図であり、収納過程を説明するためのものである（参照：特許文献１、非特許文献１、２）。
【００１０】
図８に示すように、伸展ブーム１は同一厚さ、同一の単一円弧状断面形状を有する内側ブーム１１及び外側ブーム１２を結合することによって構成されている。たとえば、内側ブーム１１及び外側ブーム１２のフランジを接着することによって結合する。この場合、内側ブーム１１、外側ブーム１２は低密度材料たとえば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって形成し、軽量化を図ることができる。伸展ブーム１を直径Ｄ０（＝２・Ｒｏ）の円筒１３に巻き付けるとき、伸展ブーム１の展開状態Ａ及び収納状態Ｂの両方が観察できる。
【００１１】
図９は図８の伸展ブーム１の詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【００１２】
図９の（Ａ）に示す展開状態においては、たとえば、伸展ブーム１の内側ブーム１１、外側ブーム１２は、共に、厚さｔｏ＝０．３ｍｍ、曲率半径ｒｏ＝４８ｍｍ及び内角度θｏ（≦１８０°）で規定される。
【００１３】
図９の（Ｂ）に示すごとく、図９の（Ａ）の伸展ブーム１を直径Ｄｏ（＝２・Ｒｏ）の円筒１３に巻き付けると、内側ブーム１１は圧縮して弾性エネルギーが増大しかつ外側ブーム１２は伸長して弾性エネルギーが増大する。これらの内外周差による弾性エネルギーの和が大きい展開エネルギーＵｏとなり、大きい展開力を実現する。このとき、内側ブーム１１、外側ブーム１２が等方性材料からなり、円筒１３の周方向縦弾性係数（ヤング率）Ｅｔと円筒１３の長手方向縦弾性係数（ヤング率）Ｅ１とが等しいとすれば、内側ブーム１１による弾性（展開）エネルギーＵｏは、
Ｕｏ∝１／ｒｏ２＋１／Ｒｏ２                （１）
で表せる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ＵＳ７，８９５，７９５Ｂ１
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Christoph Sickinger, Lars Herbeck, “Deployment strategies, analyses and tests for the CFRP booms of a solar sail”, European Conf. on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, CNES, Toulouse, France, Dec. 2002
【非特許文献２】渡邊秋人、伊藤裕明、堀利行（サカセ・アドテック）、「１Ｇ０５  三軸織物複合材料を用いた伸展ブームの応用」、第５８回宇宙科学技術連合講演会講演集  ２０１４年１１月１２日〜１４日  長崎ブリックホール
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述の従来の伸展ブーム１の展開エネルギーは、内側ブーム１１及び外側ブーム１２の曲率半径ｒ０が小さい程、又は収納状態の内側ブーム１１、外側ブーム１２が巻かれるピン配置の大きさ（円筒直径Ｄ０相当）が小さい程、大きくできる。しかしながら、曲率半径ｒ０及びピン配置の大きさ（円筒直径Ｄ０相当）には限度がある。たとえば曲率半径ｒ０は伸展ブーム１の高さの半分より小さくできない。また、ピン配置の大きさ（円筒直径Ｄ０相当）は伸展ブーム１のフレーム１０２、固定部１０３及びピン１０４の存在のために限度がある。この結果、伸展ブーム１の展開エネルギーＵ０には限度があり、展開力を大きくできないという課題がある。
【００１７】
また、軽量化のために伸展ブーム１の材料として低密度材料たとえばＣＦＲＰを用いた場合、内側ブーム１１は圧縮歪に弱い。従って、伸展ブーム１の弾性エネルギーを大きくして展開力を上げるために、巻き付き半径Ｒ０を小さくすると、逆に内側ブーム１１の圧縮歪が増大して内側ブーム１１が破壊するという課題もある。反対に、内側ブーム１１を破壊しにくくするために、内側ブーム１１の厚さを小さくすると、内側ブーム１１の弾性エネルギーが小さくなり、この結果、展開力が小さくなり、伸展ブームの性能が低下するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る伸展ブームは、内側ブーム及び内側ブームに結合された外側ブームを具備する伸展ブームであって、伸展ブームの展開状態における内側ブーム及び外側ブームの少なくとも一方の横断面形状が波形状であるものである。
【００１９】
また、本発明に係る伸展ブームは、単一ブームを具備する伸展ブームであって、伸展ブームの展開状態における単一ブームの横断面が波形状であるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、波形状による弾性（収納）エネルギーの増大によって展開エネルギーを大きくすることができ、従って、展開力を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る伸展ブームの第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【図３】図１の伸展ブームの変更例を示す横断面図である。
【図４】本発明に係る伸展ブームの第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図４の詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【図６】一般的な３Ｕ超小型人工衛星を示し、（Ａ）は分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の膜展開構造の展開状態を示す斜視図である。
【図７】図６の膜展開構造の伸展ブームの収納状態、展開状態を説明するための図であり、（Ａ）は収納状態を示す斜視図、（Ｂ）は展開状態を示す正面図である。
【図８】従来の伸展ブームを示す斜視図である。
【図９】図８の伸展ブームの詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明に係る伸展ブームの第１の実施の形態を示す斜視図であり、収納過程を説明するためのものである。
【００２３】
図１の伸展ブーム１’においては、図８の内側ブーム１１の代りに内側ブーム１１’を設けてある。内側ブーム１１’の横断面形状が波形状となっており、内側ブーム１１’はｍ個たとえば３個の連続する円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３よりなる。また、円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３の曲率方向を交互に変化させる。従って、円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３の境界は連続的に滑らかに変化する。この場合も、伸展ブーム１’を直径Ｄ０（＝２・Ｒ０）の円筒１３に巻き付けるとき、伸展ブーム１’の展開状態Ａ及び収納状態Ｂの両方が観察できる。
【００２４】
図２は図１の伸展ブーム１’の詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【００２５】
図２の（Ａ）に示す展開状態において、内側ブーム１１’の円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３は、たとえば、同一の厚さｔ１＝０．３ｍｍ、同一の曲率半径ｒ１、同一の内角度θ１で規定される。この場合、図２の（Ｂ）の収納状態において、断面が平たく空隙なく畳み込まれるための条件は、内側ブーム１１’の縦弧長と外側ブーム１２の弧長とが等しいこと、つまり、
３・ｒ１・θ１＝ｒ２・θ２      （２）
但し、ｒ２は外側ブーム１２の曲率半径（ｒ２＝ｒ０＝４８ｍｍ）、
θ２は外側ブーム１２の内角度（θ２＝θ０）
である。また、各円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３の形状を外側ブーム１２の形状と一致させると、
θ１＝θ２                    （３）
となる。この場合、（２）、（３）式より、
ｒ１＝ｒ２／３＝１６ｍｍ
となる。
【００２６】
図２の（Ｂ）に示すごとく、図２の（Ａ）の伸展ブーム１’を直径Ｄ０（＝２・Ｒ０）＝７０ｍｍの円筒１３に巻き付けると、内側ブーム１１’は圧縮して弾性エネルギーが増大し、かつ外側ブーム１２は伸張して弾性エネルギーが増大する。内外周差による弾性エネルギーの和が大きい展開エネルギーＵ１となり、大きい展開力を実現する。この場合、内側ブーム１１’の弾性エネルギーＵ１も上述の（１）式と同等の式で表せる。すなわち、
Ｕ１∝ｍ・（１／ｒ１２＋１／Ｒ０２）
＝３・（１／１６２＋１／３５２）      （４）
尚、従来の内側ブーム１１の弾性エネルギーＵ０は、
Ｕ０∝１／ｒ０２＋１／Ｒ０２
＝１／４８２＋１／３５２              （５）
である。従って、内側ブーム１１’による収納エネルギーは、従来に比較して、Ｕ１／Ｕ０＝３．８倍に増加することになる。
【００２７】
さらに、円弧状断面形状部材を８個（ｍ＝８）とした場合、ｒ１＝６ｍｍとなり、内側ブーム１１’の弾性エネルギーＵ１は、
Ｕ１∝８・（１／６２＋１／３５２）        （６）
となり、内側ブーム１１’による収納エネルギーは、従来に比較して、Ｕ１／Ｕ０＝２２．９倍に増加することになる。
【００２８】
このように、内側ブーム１１’による収納（展開）エネルギーは各円弧状断面形状部材の曲率半径ｒ１の比の２乗と内側ブーム１１’の周方向の半径Ｒ０の比の２乗との和のｍ倍に比例するので、展開力を大きくすることができる。
【００２９】
上述のごとく、内側ブーム１１’による収納エネルギーの増大は内側ブーム１１’の薄膜化に寄与する。すなわち、歪エネルギーは断面２次モーメント（Ｉｙ、Ｉｚ）に比例するので、従来と同一収納エネルギーを実現するときには、内側ブーム１１’を薄膜化できる。たとえば、従来の伸展ブーム１においては、内側ブーム１１、外側ブーム１２の各板厚ｔ０＝０．３ｍｍとすれば、収納状態での最大歪εは、
ε＝（ｔ０＋ｔ０）／Ｄ０
＝（０．３＋０．３）／７０
＝８．５７×１０−３
となる。他方、第１の実施の形態において、断面２次モーメント（Ｉｙ、Ｉｚ）は厚さｔ１の３乗に比例する。従って、たとえば、ｒ１＝６ｍｍ（ｍ＝８）、ｒ２＝ｒ０＝４８ｍｍとすれば、同一の収納エネルギーを達成するためには、内側ブーム１１’の厚さｔ１は、
ｔ１＝０．３ｍｍ×（１／２２．９）１／３＝０．１０５ｍｍ
となる。尚、外側ブーム１２の厚さｔ２はｔ２＝ｔ０＝０．３ｍｍである。従って、収納状態での最大歪εは、
ε＝（ｔ１＋ｔ２）／Ｄ０
＝（０．１０５＋０．３）／７０
＝５．７９×１０−３
となる。この結果、圧縮歪による破壊し易いＣＦＲＰを伸展ブーム１’の材料として用いることができる。
【００３０】
また、収納効率は内側ブーム１１’の厚さｔ１と外側ブーム１２の厚さｔ２の和である層厚ｈ＝ｔ１＋ｔ２に反比例する。たとえば、３Ｕ超小型人工衛星の場合、膜展開構造１００は奥行×幅×高さ＝Ｄ×Ｄ×Ｄ＝１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ立方体である。従って、Ｄ＝２・Ｒ＝１００ｍｍ、Ｄ０＝２・Ｒ０＝７０ｍｍとすれば、従来の場合の最大ブーム長Ｌ０は、
Ｌ０＝π（Ｒ２−Ｒ０２）／（ｔ０＋ｔ０）
＝３．１４（５０２−３５２）／（０．３＋０．３）
＝６６７６ｍｍ
となる。他方、第１の実施の形態においては、最大ブーム長Ｌ１は、
Ｌ１＝π（Ｒ２−Ｒ０２）／（ｔ１＋ｔ２）
＝３．１４（５０２−３５２）／（０．１０５＋０．３）
＝９８９０ｍｍ
となり、理論的には、約１０ｍの伸展ブームを実現できる。
【００３１】
上述の第１の実施の形態においては、図３に示すごとく種々の変更例が可能である。
【００３２】
たとえば、図３の（Ａ）に示すごとく、波形状の下側ブーム１１’の代りに波形状の上側ブーム１２’を設けてもよい。つまり、上側ブーム１２’は図２の（Ａ）の円弧状断面形状部材１１’−１、１１’−２、１１’−３と同様の３個の円弧状断面形状部材１２’−１、１２’−２、１２’−３よりなる。尚、図２の（Ａ）及び図３の（Ａ）の各波形状は同一である必要はなく、異なってもよい。また、下側ブーム１１’、上側ブーム１２’における波形状の数は２又は４以上になし得る。
【００３３】
また、図３の（Ｂ）に示すごとく、波形状の下側ブーム１１’及び波形状の上側ブーム１２’の両方を設けてもよい。この場合、収納状態において断面が平たく空隙なく畳み込まれるための条件は、内側ブーム１１’の総弧長と外側ブーム１２’の総弧長とが等しいこと、つまり、
ｒ１１・θ１１＋ｒ１２・θ１２＋ｒ１３・θ１３
＝ｒ２１・θ２１＋ｒ２２・θ２２＋ｒ２３・θ２３
である。また、下側ブーム１１’の波形状の数と上側ブーム１２’の波形状の数は同一でもよく、異なってもよい。但し、下側ブーム１１’と上側ブーム１２’との間の空間はなるべく広くした方が、伸展ブーム１’の捩り方向の変形の防止の点から好ましい。
【００３４】
図４は本発明に係る伸展ブームの第２の実施の形態を示す斜視図であり、収納過程を説明するためのものである。
【００３５】
図４の伸展ブーム１”はコンベックス型単一ブームよりなる。伸展ブーム１”の横断面形状がｍ個の連続する波形状断面部分つまり円弧状部分となっており、円弧状断面部分１１”−１、１１”−２、…の曲率方向を交互に変化させる。従って、各円弧状断面部分１１”−１、１１”−２、…の境界は連続的に滑らかに変化する。この場合も、伸展ブーム１”を直径Ｄ０（＝２・Ｒ０）の円筒１３に巻き付けるとき、伸展ブーム１”の展開状態Ａ及び収納状態Ｂの両方が観察できる。
【００３６】
図５は図４の伸展ブーム１”の詳細を示し、（Ａ）は展開状態の横断面図、（Ｂ）は収納状態の斜視図である。
【００３７】
図５の（Ａ）に示す展開状態において、伸展ブーム１”の円弧状断面部分１１”−１、１１”−２、…は、たとえば、同一の厚さｔ３＝ｔ０＝０．３ｍｍ、同一の曲率半径ｒ３、同一の内角度θ３で規定される。
【００３８】
図５の（Ｂ）に示すごとく、図５の（Ａ）の伸展ブーム１”を直径Ｄ０（＝２・Ｒ０）＝７０ｍｍの円筒１３に巻き付けると、伸展ブーム１”の各円弧状断面部分１１”−１、１１”−２、…は伸縮して弾性エネルギーが増大する。この弾性エネルギーが大きい展開エネルギーＵ２となり、大きい展開力を実現する。伸展ブーム１”の弾性エネルギーＵ２も上述の（１）式と同等の式で表せる。すなわち、
Ｕ２∝ｍ・（１／ｒ３２＋１／Ｒ０２）
【００３９】
このように、伸展ブーム１”による収納（展開）エネルギーは各円弧状断面部分１１”−１、１１”−２、…の曲率半径の比の２乗と伸展ブーム１”の周方向の半径の比の２乗との和のｍ倍に比例するので、展開力を大きくすることができる。
【００４０】
上述の第２の実施の形態においては、各円弧状断面部分は同一であっても、異なってもよい。また、円弧状断面部分の数ｍは２以上であればよい。
【００４１】
尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。
【符号の説明】
【００４２】
１、１’、１”：伸展ブーム
１ａ：根元
２：膜
３：膜状太陽電池
４：膜状アンテナ
１１、１１’：内側ブーム
１１’−１、１１’−２、１１’−３：円弧状断面形状部材
１２、１２’：外側ブーム
１２’−１、１２’−２、１２’−３：円弧状断面形状部材
１３：円筒
１００：膜展開構造
１０１：蓋
１０２：フレーム
１０３：固定部
１０４：ピン
２００：伸展マスト
３００：本体
３０１：伸展マスト格納部
３０２：衛星バス
３０３：太陽電池パネル
Ａ：展開状態
Ｂ：収納状態
【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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