(57)【要約】【課題】本発明はデブリ（７０１）からの宇宙船（５０１）の保護に、および大気抵抗タイプの軌道離脱装置、および宇宙環境からのデブリの除去のためのデブリ一掃装置に関する。【解決手段】宇宙船用のデブリシールド装置（２００）が、入射デブリを妨げるためのシールド表面を含むシールドユニット（２１０）、シールドユニットを宇宙船本体に取付けるための取付け手段（２０４）および宇宙船本体に対してシールドユニットを配置するための駆動装置（２０４ａ−２０４ｄ）を備え、駆動装置が、第１の収容位置と第２の展開位置との間でシールドユニットを移動させることが可能であり、シールドユニットのシールド表面の平面が、第２の展開位置で宇宙船本体に対してある角度である。シールドユニットは、抵抗を作り出すために宇宙船の有効表面積を増大するために、および／または宇宙環境からのデブリを一掃するために更に展開されることができるシールド層を備える。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船用のデブリシールド装置であって、
入射デブリを妨げるためのシールド表面を含むシールドユニット、前記シールドユニットを宇宙船本体に取付けるための取付け手段および前記宇宙船本体に対して前記シールドユニットを配置するための駆動装置を備え、前記駆動装置が、第１の収容位置と第２の展開位置との間で前記シールドユニットを移動させることが可能であり、前記シールド表面の前記平面が、前記第２の展開位置で前記宇宙船本体に対してある角度であることを特徴とするデブリシールド装置。
【請求項２】
前記シールドと前記宇宙船との間の前記角度が、前記入来デブリ束のピークまたは平均予想迎角に基づいて選択されることを特徴とする請求項１に記載のデブリシールド装置。
【請求項３】
前記シールドユニットの縁部が、前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のデブリシールド装置。
【請求項４】
前記シールドユニットの面が、前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のデブリシールド装置。
【請求項５】
前記シールドユニットが、ヒンジのような駆動可能なジョイントによって前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載のデブリシールド装置。
【請求項６】
前記シールドユニットがブームのような、スタンドオフメカニズムによって前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項３または４に記載のデブリシールド装置。
【請求項７】
前記スタンドオフメカニズムが、駆動可能な端部ジョイントを有することを特徴とする請求項６に記載のデブリシールド装置。
【請求項８】
前記シールドユニットが、シールド材料の複数のシールド層から形成されることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項９】
該シールド層が第３の位置に駆動手段によって展開されることができるように、前記シールド層が互いにおよび前記駆動手段に枢着され、よって、前記シールドユニットの前記表面積が、増加した大気抵抗および／またはデブリ一掃を与えるために更に増大されることを特徴とする請求項８に記載のデブリシールド装置。
【請求項１０】
前記駆動手段が、前記シールドユニットを駆動するための前記駆動装置と同じであることを特徴とする請求項９に記載のデブリシールド装置。
【請求項１１】
別々の駆動手段が、各シールド層に対して設けられることを特徴とする請求項９に記載のデブリシールド装置。
【請求項１２】
前記複数のシールド層が、前記取付け手段に接続される第１のシールド層を含むことを特徴とする請求項８ないし１１のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項１３】
前記第１のシールド層の縁部が、前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１２に記載のデブリシールド装置。
【請求項１４】
前記第１のシールド層の面が、前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１２に記載のデブリシールド装置。
【請求項１５】
前記第１のシールド層が、ヒンジのような駆動可能なジョイントによって前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１３または１４に記載のデブリシールド装置。
【請求項１６】
前記第１のシールド層がブームのような、スタンドオフメカニズムによって前記取付け手段に接続されることを特徴とする請求項１３または１４に記載のデブリシールド装置。
【請求項１７】
前記スタンドオフメカニズムが、駆動可能な端部ジョイントを有することを特徴とする請求項１６に記載のデブリシールド装置。
【請求項１８】
追加的なシールド層が、前記第１のシールド層に枢着されることを特徴とする請求項８ないし１７のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項１９】
前記更なるシールド層の各々の縁部が、前記第１のシールド層にヒンジによって接続されることを特徴とする請求項１８に記載のデブリシールド装置。
【請求項２０】
前記追加的なシールド層が、前記第１のシールド層にある配置で接続され、それによって、後のシールド層が前のシールド層に接続されることを特徴とする請求項１８または１９に記載のデブリシールド装置。
【請求項２１】
前記更なるシールド層の各々が、前記シールド表面に対して垂直な枢支軸を有する枢軸によって前記第１のシールド層に接続されることを特徴とする請求項１８ないし２０のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２２】
前記シールド層の各々の材料が、以下のリスト：ネクステル、ケブラー、ベータクロス、スペクトラ、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰおよびアルミニウムから選択されることを特徴とする請求項１〜２１のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２３】
前記駆動装置が、電動機であることを特徴とする請求項１〜２２のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２４】
前記駆動装置が、制御ラッチを備えた弾力のある素子であることを特徴とする請求項１〜２３のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２５】
シールド層が、少なくとも１台の衝撃センサを備えることを特徴とする請求項１〜２４のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２６】
前記シールド層が、衝突の場所および入射デブリ小片のエネルギーを識別するために複数の衝撃センサを備えることを特徴とする請求項１〜２５のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２７】
複数の衝撃センサが、選択されたシールド層上に設けられることを特徴とする請求項１〜２６のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項２８】
前記選択されたシールド層が、入射デブリ小片の速度および飛行経路を決定するために外側のシールド層および内側のシールド層であることを特徴とする請求項２７に記載のデブリシールド装置。
【請求項２９】
前記衝撃センサからのデータが、記録される、および／または伝送されることを特徴とする請求項２５ないし２８のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項３０】
前記第３の位置における前記シールド層の前記構成が、運動の方向に面する前記宇宙船の前記表面積が大気抵抗を最大にするために最大にされるような構成であることを特徴とする請求項８ないし２９のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項３１】
前記第３の位置における前記シールド層の前記構成が、最大入来デブリ束の方向に面する前記宇宙船の前記表面積が前記シールド層の前記デブリ一掃効果を最大にするために最大にされるような構成であることを特徴とする請求項８ないし２９のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項３２】
前記第３の位置における前記シールド層の前記構成が、前記大気抵抗および前記一掃効果が最大にされるような構成であることを特徴とする請求項８ないし２９のうちいずれか一項に記載のデブリシールド装置。
【請求項３３】
請求項１ないし３２のうちいずれか一項において請求されるタイプの少なくとも１台のデブリシールド装置を有する宇宙船。
【請求項３４】
宇宙船用の軌道離脱装置であって、
各々大気抵抗を作り出すための表面を含む複数のパネルと、前記複数のパネルを宇宙船本体に取付けるための取付け手段と、前記宇宙船本体に対して前記パネルを配置するための駆動装置と、を備え、前記パネルが層にされる第１の収容位置と前記パネルが並んでかつ前記宇宙船の前記本体から離れて拡張される第２の展開位置との間で前記パネルが移動されることができるように、前記パネルが互いにおよび前記駆動装置に枢着されることを特徴とする軌道離脱装置。
【請求項３５】
前記パネルがシールド材料で製作され、かつ前記第１の収容位置にある間、前記宇宙船上にシールド効果を有することを特徴とする請求項３４に記載の軌道離脱装置。
【請求項３６】
前記パネルは、前記パネルが層にされ、かつそれらが取付けられる前記宇宙船表面に対してある角度で向けられる中間位置へ移動されることができ、それによって前記宇宙船上にシールド効果を与えることを特徴とする請求項３４または３５に記載の軌道離脱装置。
【請求項３７】
前記第２の展開位置の前記パネルが、前記宇宙環境からデブリを一掃することを特徴とする請求項３４ないし３６のうちいずれか一項に記載の軌道離脱装置。
【請求項３８】
宇宙船用のデブリ一掃装置であって、
各々スペースデブリの通過を妨げるための表面を有する複数のパネルと、
前記複数のパネルを宇宙船本体に取付けるための取付け手段と、
前記宇宙船本体に対して前記パネルを配置するための駆動装置と、を備え、前記パネルが層にされる第１の収容位置と前記パネルが並んでかつ前記宇宙船の前記本体から離れて拡張される第２の展開位置との間で前記パネルが移動されることができるように、前記パネルが互いにおよび駆動装置に枢着されることを特徴とするデブリ一掃装置。
【請求項３９】
前記パネルがシールド材料で製作され、かつ前記第１の収容位置にある間、前記宇宙船上にシールド効果を有することを特徴とする請求項３８に記載のデブリ一掃装置。
【請求項４０】
前記パネルは、前記パネルが層にされ、かつそれらが取付けられる前記宇宙船表面に対してある角度で向けられる中間位置へ移動されることができ、それによって前記宇宙船上にシールド効果を与えることを特徴とする請求項３８または３９に記載のデブリ一掃装置。
【請求項４１】
前記第２の展開位置の前記パネルが、前記宇宙船を軌道離脱させるために作用する大気抵抗を生成することを特徴とする請求項３８ないし４０のうちいずれか一項に記載のデブリ一掃装置。
【請求項４２】
請求項１ないし３２のうちいずれか一項に記載のシールド装置を動作させる方法であって、前記方法が、第１の収容位置と前記宇宙船に対してある角度で傾けられる第２のシールド位置との間でシールドユニットを移動させるステップを含む方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載のシールド装置を動作させる方法であって、前記方法がさらに、前記シールドユニットの複数のシールド層を、層をなした配置から前記宇宙船の前記本体から離れて拡張する、並んでいる配置に移動させるステップを含む方法。
【請求項４４】
本願明細書において添付の図１ないし１０ｃ内に図と共に説明されるデブリシールドアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デブリからの宇宙船の保護に関し、好ましい実施態様において、シールド構造体の、およびシールド構造体に衝突するスペースデブリを監視するための具備に関する。本発明は、好ましい実施態様において大気抵抗タイプの、軌道離脱装置の分野にも関する。本発明はさらに、好ましくは宇宙環境からのデブリの除去のためのデブリ一掃装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
低高度地球軌道（ＬＥＯ）における典型的宇宙船は、１ｍｍより大きな軌道デブリの個体群との相互作用の結果として、最高５％の終生衝突誘発故障確率を有する可能性がある。通常の宇宙船信頼性の状況に置かれて、これは重大でかつ衝突保護に対する必要性を強調する。ＥＵＲＥＣＡ、ＬＤＥＦのような宇宙船およびハッブル宇宙望遠鏡上で観測される飛行中の衝突損傷データが、この必要性を補強する。
【０００３】
国際機関間スペースデブリ調整委員会（ＩＡＤＣ）は、スペースデブリを「機能しない、地球軌道内のまたは大気圏内に再突入する、それの破片および素子を含む全ての人工物体」として定義している。概括的に、デブリの３つの供給源：打上および飛行任務関連物体（ＬＭＲＯ）、爆発および衝突破片ならびに非破片化デブリがある。現在、ＬＭＲＯはデブリの軌道上集団の多くを占める。これらの物体の大部分は、物体およびそれらの関連した軌道のカタログを維持する米国宇宙監視ネットワーク（ＳＳＮ）によって観測されて追跡される。ＳＳＮは、通常低高度地球軌道で１０ｃｍおよび静止軌道高度（ＧＥＯ）で１ｍより大きな物体を監視する。
【０００４】
欧州宇宙機関のスペースデブリオフィスのヘッド、Ｄｒ  Ｈ．Ｋｌｉｎｋｒａｄによれば、物体カテゴリによって分類される時、２００５年のカタログ物体の３１．８％がペイロード（その６％から７％が能動人工衛星）であり、１７．６％がロケット上段およびブーストモータに費やされ、１０．５％が飛行関連の物体であり、および残り約３９．９％が、主に破片化事象によるデブリであった（２８．４％が上段によって引き起こされ、１１．５％が衛星によって引き起こされた）。軌道領域によって分類される時、カタログ物体の６９．２％が、２，０００ｋｍより下の高度の低高度地球軌道内にあり、９．３％が静止リングの付近にあり、９．７％がＧＥＯ遷移軌道（ＧＴＯ）を含む高度偏心軌道（ＨＥＯ）上にあり、３．９％がＬＥＯとＧＥＯとの間の中間地球軌道（ＭＥＯ）内にあり、および、ほぼ７．８％がＧＥＯ領域の外側であった。約１６０個の物体の少ない割合が、地球脱出軌道に注入された。さらに、追跡不可能なサイズ範囲では、１ｍｍサイズデブリの１０％および１０ｃｍサイズデブリの７４％が、爆発したかまたは衝突した宇宙船およびロケット本体から生じた破片であると推定されている。サブセンチメートルデブリの別の主要な供給源は、本質的に非破片化である。固体燃料ロケットモータ点火から放出される生成物が、このカテゴリ内の主要な要因である。
【０００５】
宇宙船と追跡可能なデブリ物体との間の最初の記録された衝突は、１９９６年にスリーズ衛星がその１０年前に爆発したアリアンロケット段からの破片によって衝突された時に起きた。衝突は、重力傾度安定化ブームを切断し、衛星を急速に転落させた。つい最近、２００９年に、イリジウム３３号衛星と運用終了したコスモス２２５１衛星との間の衝突により両方の衛星が破壊され、長年軌道上に残存するであろうデブリの何百もの破片を作り出し、したがって地球のまわりの軌道内のデブリの増大する個体群に追加した。
【０００６】
幸いにも、（デブリを含む）地球軌道内の追跡可能な物体の個体群がまだ相対的に少ない（すなわち２００９年７月時点で約１５，０００のカタログ物体）ので、この種の劇的な出来事は珍しい。しかしながら、同じことはより小さい追跡不可能なデブリにはあてはまらない。地球を周回する何千万ものミリメートルサイズのデブリの破片があると推定され、それゆえに、この種の物体の宇宙船に衝突する確率は非常に高い。
【０００７】
宇宙船が小型デブリおよび流星物体によってごく普通に衝突されることを証拠が確認している。スペースシャトルおよび国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）のような有人宇宙船、ならびにＥＵＲＥＣＡ、ＬＤＥＦのような無人宇宙船、ならびにハッブル宇宙望遠鏡（ＨＳＴ）の表面の検査で、多種多様な落下損傷が分かった。隕石孔および孔が、これらの宇宙船の外面上におよびそれらの外部に据え付けた機器上に観測された。
【０００８】
宇宙船上の衝突の帰結は、衝撃部材の（質量および速度のような）特性、衝突の位置および宇宙船の設計に依存する。それゆえに、無視してよいから飛行任務の打ち切りまでにわたる多種多様な損傷影響が予想されることができる。流星物体は、１−７２ｋｍ／ｓの範囲の速度で宇宙船に衝突する可能性がある。軌道デブリに対して、低高度地球軌道（ＬＥＯ）内の衝突速度は、１６ｋｍ／ｓ程度の速さである可能性があるが、しかしＧＥＯでは、相対速度は１ｋｍ／ｓ未満である。これらの速度において、近似の方法で衝撃部材サイズを損傷影響と関連づけることが可能である。例えば、１ｍｍサイズのデブリ小片は直径１ｃｍと同じ大きさの隕石孔または孔を生成する可能性があり、典型的宇宙船サンドイッチパネルまたは外部機器を貫通するのに十分なエネルギーを有する。１ｃｍの小片からの損傷は、無人宇宙船内部に深く貫通し、広範囲な内部損傷および飛行任務の起こりうる消失を引き起こす可能性がある。有人宇宙船上の特別目的多層シールドさえ、ほんの１ｃｍの小片から守ることが可能なだけである。１０ｃｍのデブリ衝撃部材は、おそらく宇宙船の破壊を引き起こすであろう。
【０００９】
一般的な宇宙船パネル、シールドならびに電子回路ボックス、配線、バッテリ、太陽電池および推進剤タンクのような機器部材の衝突応答は、それらの弾道性能によって実験的に定量化される。有意なパラメータは、構造体が衝突される時故障が生じる閾値である、貫通限界である。所定の衝突速度に対して、それは構造体を故障させるのに必要な小片の最小サイズであり、ここで、故障は通常穿孔として定義される。
【００１０】
あるいは、所定の小片サイズに対して、それは小片が構造体を貫通するのに必要とされる速度である。
【００１１】
概括的に、宇宙船の衝突脆弱性を低下させるために検討されることができる２つの異なるはっきりした方法：１）機器の配置に関してそのアーキテクチャを変更する、または２）シールドを追加する、がある。
【００１２】
無人宇宙船の保護を強化する１つの方法が、シールド質量の層をハニカムパネルおよび多層絶縁材（ＭＬＩ）に加えることであることは公知である。これが約０．７ｍｍから１ｍｍをこえるまで貫通限界を増大することができることが実証されている。この種の改良が役立つとはいえ、この種の強化によってさえ、宇宙船の故障の確率はなおきわめて有意（数パーセント）である可能性がある。現在、多層シールドは１センチメートルのサイズまでの小片から守る最も有効なタイプのシールドである。一例は、スタッフィングホイップルシールドである。公知技術のタイプの衝突シールドを図１に示す。ここで、犠牲衝撃部材撹乱層１０１が一次スペーシング層１０２の上に設けられる。この配置は、カバー１０４と基部１０５との間に保持されて宇宙船構造体１０３に固定される。衝突雲が分散することができる、撹乱層と宇宙船構造体との間のスペーシングが、スペーシング層１０２によって代表される。他の既知の装置は、多層超高速衝突シールドを記載する（特許文献１）内に開示されるものを含む。これらのシールドは、分厚くて大きな重量オーバーヘッドを有してかつ一般に有人宇宙船にだけ使用される。
【００１３】
宇宙船は、有人または無人として分類されることができる。有人飛行任務を失う危険性は、広範囲なシールドの準備を正当化する。現在、宇宙飛行士を乗せる極めて少ない宇宙船がある。地球軌道では、大多数の宇宙船は乗組員がいない。それらは、それらの機能に従って分類されることができ、通信衛星は特に普通にみられ、地表の１つの地点からもう一方まで無線信号を中継するために一般に使用される。地球観測衛星もまた、普通にみられるタイプの宇宙船であって、科学研究、資源監視および管理、気象（すなわち気象予報のための）、測地学、ならびに（軍事および諜報目的のための）偵察および早期警戒を含む、種々の理由のために、地球の陸地、海および大気圏を観測する。航行衛星の数は、過去２０年にわたって有意に増大した。これらは、地球上のどこでも位置の測定を可能にする。宇宙船を分類する別の方法は、それらの質量に従ってである。衛星のサイズがその打上のコストと直接関連づけられるので、これは役立つ。衛星質量は、非常に小さいもの（０．１ｋｇ未満）から非常に大きいもの（１，０００ｋｇ超）までにわたる。無人宇宙船に関する課題は、スペースデブリに対して飛行任務を失う危険性対高いレベルのシールドを与える重量に関するコストのバランスをとることである。
【００１４】
宇宙船上の各サブシステムの質量が慎重に制御されるので、いかなる余分の質量、例えばシールドも正当化されなければならない。
【００１５】
それらの動作上の関心および独特の性質に起因し、ＧＥＯおよびＬＥＯ領域は将来のそれらの安全なかつ持続可能な使用を確実にするスペースデブリに関する保護領域とみなされる。ＩＡＤＣで定義されたＧＥＯ保護領域は、以下の特性を備えた球殻のセグメントである：
ａ）低高度＝静止高度−２００ｋｍ、
ｂ）高高度＝静止高度＋２００ｋｍ、および
ｃ）緯度セクター：１５°南≦緯度≦１５°北、
ここで、静止高度はほぼ３５，７８６ｋｍ、すなわち６，３７８ｋｍの赤道の半径を備えた球形の地球より上の静止軌道の高度である。静止軌道は、ほぼ２４時間の周期を有する順行、零伏角、零偏心軌道である。地球から観察される時、この種の軌道内の宇宙船は静止しているように見える。この軌道は、それゆえに特定のタイプの通信衛星および気象衛星に理想的である。
【００１６】
ＩＡＤＣで定義されたＬＥＯ保護領域は、６，３７８ｋｍの赤道の半径を備えた球形の地球の表面から２，０００ｋｍの高度まで広がる殻である。この定義によれば、この領域内で旋回する任意の宇宙船は、低高度地球軌道（ＬＥＯ）にあると言われる。
【００１７】
中間地球軌道（ＭＥＯ）は、上で定義されたＬＥＯとＧＥＯ領域の間に位置する領域である。
【００１８】
ＧＥＯ遷移軌道（ＧＴＯ）は、ほぼ３７，０００ｋｍの遠地点および数百キロメートルの近地点を備えた特定のタイプの高度に偏心の（すなわち高度に楕円の）軌道（ＨＥＯ）である。ＧＥＯで動作させるように予定される宇宙船は、最初にＧＴＯに打ち上げられる。
【００１９】
ＬＥＯ内の２つの高度は、宇宙船動作に対して特に普及している。これらは、地球の表面より上にほぼ８００ｋｍおよび１，４００ｋｍである。残念なことに、これらの高度はまた、軌道デブリによって最も大量に占められている。これらの貴重な領域内のデブリ個体群の長期の増加の予測は、一般的な宇宙船の運用が衝突事故を理由にまもなく可能でなくなるかもしれないことを示唆する。
【００２０】
それはスペースデブリ軽減指針の範囲が公開されたこの背景を防ぐためにある。飛行任務の末期の２５年以内に、理想的にはできる限りすばやく、宇宙船設計者およびオペレータがＬＥＯ領域から宇宙船を処分する必要性が、特に重要である。
【００２１】
宇宙船の除去は、制御推進力操縦を含む手段によってまたは軌道ディケイ増大装置を配備することによって達成されることができる。その寿命の末期で宇宙船の重量比に対する表面積を増大することは、主に地球の大気圏（それは、数百キロメートルの高度にまで伸びる）とのその相互作用の結果として、宇宙船を段階的に減速する。（特許文献２）が、衛星空気制動翼構造を記載する。
【００２２】
多くの危険なデブリ破片を作り出す他の大形物体との破局的な空中衝突の危険性を最小化するために、軌道離脱装置が理想的には宇宙船をできるだけ急速に軌道外にもたらすべきである。
【００２３】
したがって、大きい表面積が望ましい。しかしながら、大きな表面積を作り出すことは重量オーバーヘッドの観点から課題を提示し、それはコスト理由のために最低限に保たれなければならない。
【００２４】
スペースデブリの危険性を軽減する更なる手段は、宇宙環境からデブリを除去することによる。たとえばデブリ小片を吸収するかまたは砕くために軌道経路に沿って大きなパネルを「掃く」ことによって、デブリの除去に専念される宇宙船を設けることが公知である。（特許文献３）が、軌道デブリスイーパーを記載する。これらのシステムの欠点は、専用の一掃ビークルを設けることが非常に高価であるという点である。
【００２５】
デブリ衝突を防ぐための宇宙船の生存性を改善する方策の導入は、１９９９年に発行されたＵＮＣＯＰＵＯＳ科学技術小委員会のスペースデブリに関する技術報告の勧告である。こうする最も一般的な方法の１つは、シールドの追加のような、宇宙船構造体に対する強化を通してである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】米国特許出願第００／３５７５３号明細書、
【特許文献２】米国特許出願第２００９／０２１８４４８号明細書、
【特許文献３】米国特許第４９９１７９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、改善された宇宙船装置を提供することを追求する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の一態様に従って、入射デブリを妨げるためのシールド表面を含むシールドユニット、宇宙船本体にシールドユニットを取付けるための取付け手段、宇宙船本体に対してシールドユニットを配置するための駆動装置、を備え、駆動装置が、第１の収容位置と第２の展開位置との間でシールドユニットを移動させることができ、シールドユニットのシールド表面の平面が、第２の展開位置で宇宙船本体に対してある角度である、宇宙船用のデブリシールド装置が提供される。シールドユニットの縁部が、シールドユニットが収容位置とシールド位置との間で移動することができるように、好ましくはヒンジのような駆動可能なジョイントによって、取り付け手段に接続される。あるいは、シールドユニットは、１個以上の駆動可能な端部ジョイント（図示せず）を有することができる、ブームのようなメカニズムを使用して宇宙船に取付けられることができる。これのような配置は、シールドユニットと宇宙船との間に隔離距離を作り出し、それによってシールドユニットがパネル面または縁部経由で接続されることを可能にする。
【００２９】
シールド装置は貫通限界の１桁改善を、しかし典型的有人宇宙船シールドに伴うオーバーヘッドなしで達成することができる。これは、２つの方法で達成される。第１は、打上中に宇宙船本体に対して格納され、および次いで、宇宙船が発射台から放出されたあと、大きな隔離距離を形成するために宇宙船本体に対してある角度の位置に展開されることができるシールドユニットの具備を通してである。第２は、シールドと宇宙船との間の角度を、入来デブリ束の予想される迎角に依存して選ぶことによってである。デブリは、特定の軌道または飛行経路に対してデブリが優先方向から衝突するとはいえ、任意の方向からシールドに衝突する可能性がある。たとえば、８００ｋｍの高度での極地軌道周回、太陽同期ＬＥＯ宇宙船の前方に面した表面上のデブリ衝突が、移動の方向に対してほぼ＋４５度から−４５度の間のアジマス角で最も生じそうである。したがって、最適保護のために、宇宙船本体に対するシールドの角度は、ピークまたは平均のデブリ束の迎角に関連づけられることができる。
【００３０】
シールドユニットは単一シールド層または複数のシールド層から形成されることができ、このシールド層または各シールド層はシールド材料である。
【００３１】
それらが第３の位置に駆動手段によって展開されることができるように、多数のシールド層が互いにおよび駆動手段に枢着され、それによって、シールドユニットの表面積が更に増大されて、増大された大気抵抗を与える。このように、多層デブリシールドは二重および三重の機能を有し、それによって、宇宙船飛行任務が完了した時、デブリシールドが軌道離脱装置になるために展開されることができる。
【００３２】
有利には、それらが宇宙船の有効表面積を増大して抵抗を作り出すために広げられることができるように、多層のシールドが枢着される。大きな表面積の第２の有益な効果は、広げられたパネルが宇宙環境からデブリを一掃するために使用されることができることである。単一装置にこの種の複数の機能を組み合わせることによって、重量オーバーヘッドが低下され、シールド保護が増大されることができる。
【００３３】
駆動手段はシールド層を駆動するための駆動装置と同じであることができるか、または別々の駆動手段が各シールド層のために設けられることができる。複数のシールド層が取付け手段にヒンジのような駆動可能なジョイントによって接続される縁部を有する第１のシールド層を含むことができ、および、更なるシールド層がヒンジによってまたはシールド平面に対して垂直な枢支軸を有する枢軸によって第１のシールド層に枢着されることができる。あるいは、更なるシールド層の各々が、ある配置で枢着されることができ、それによって、第２のシールド層が第１のシールド層に接続され、第３のシールド層が第２のシールド層に接続される、など後のシールド層が前のシールド層に接続されるようにする。
【００３４】
第３の位置のシールド層の構成および向きが、所定の方向に面する層の表面積が最大になるように、宇宙船が安定タンブリングまたは回転運動に入るようなものであることができる。
【００３５】
第３の位置のシールド層の構成および向きが運動の方向に面する層の表面積が大気抵抗を最大にするために最大にされるようなものであることができるか、または、第３の位置のシールド層の構成および向きが最大入来デブリ束の方向に面する層の表面積が最大にされるようなものであることができる。第３の位置のシールド層の構成および向きが、運動の方向および入来デブリ束の方向の両方に面する層の表面積が大気抵抗およびデブリ束との相互作用の両方を最大にするために最適化されるようなものであることができる。
【００３６】
シールド層の材料は、ネクステル（登録商標）、ケブラー（登録商標）、ベータクロス、スペクトラ、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、アルミニウムシートおよびアルミニウムメッシュのリストから選択されることができる。他の適切な材料が使用されることができる。シールド層を展開するための駆動装置は、電動機または制御ラッチを備えたばねのような弾力のある素子であることができる。
【００３７】
デブリシールド装置は、宇宙空間内のデブリからの衝突を検出するために少なくとも１台のセンサを備えることができる。シールド層は、衝突の場所および入射デブリ小片のエネルギーを識別するために複数の衝撃センサを備えることができ、ならびに、複数の衝撃センサが入射デブリ小片の速度および飛行経路を決定するために外側のシールド層および内側のシールド層のような選択されたシールド層上に設けられることができる。衝撃センサからのデータは、記録されるおよび／または伝送されることができる。
【００３８】
本発明の別の態様では、少なくとも１台のデブリシールド装置を含む宇宙船が提供される。
【００３９】
本発明の別の態様に従って、宇宙船用の軌道離脱装置が提供され、各々が大気抵抗を作り出すための表面を含む複数のパネルと、この複数のパネルを宇宙船本体に取付けるための取付け手段と、宇宙船本体に対してパネルを配置するための駆動装置と、を備え、パネルが層にされる第１の収容位置とパネルが並んでいる関係にあり、かつ宇宙船の本体から離れて延びる第２の展開位置との間でパネルが移動されることができるように、パネルが互いにおよび駆動装置に枢着される。
【００４０】
軌道離脱装置のパネルはシールド材料で製作されることができておよびそれゆえに第１の収容位置にある間、宇宙船上にシールド効果を有することができる。パネルは、パネルが層にされてそれらが取付けられる宇宙船表面にある角度で向けられる中間位置へ移動されることができる。第２の展開位置のパネルは、宇宙環境からのデブリを一掃することができる。
【００４１】
本発明の別の態様が、宇宙船用のデブリ一掃装置を提供し、各々がスペースデブリを収集するかまたはその通過を妨げるための表面を含む、複数のパネルと、複数のパネルを宇宙船本体に取付けるための取付け手段と、宇宙船本体に対してパネルを配置するための駆動装置と、を備え、パネルが層にされる第１の収容位置とパネルが並んでいる関係にあり、かつ宇宙船の本体から離れて延びる第２の展開位置との間でパネルが移動されることができるように、パネルが互いにおよび駆動装置に枢着される。
【００４２】
パネルはシールド材料で製作されることができて第１の収容位置にある間、宇宙船上にシールド効果を有することができる。パネルは、パネルが層にされてそれらが取付けられる宇宙船表面にある角度で向けられる中間位置へ移動されることができる。第２の展開位置のパネルは、宇宙船を軌道離脱させるように作用する大気抵抗を生成することができる。
【００４３】
本発明の別の態様において、本願明細書に教示されるタイプのシールド装置を動作させる方法が提供され、この方法が、第１の収容位置と宇宙船に対してある角度で傾けられる第２のシールド位置との間でシールドユニットを移動させるステップを含む。第１の位置において、シールドユニットが宇宙船の表面上の特徴に対応するために宇宙船に対して同一平面上であることができるか、または宇宙船から離れていることができ、第１の収容位置は、シールドユニットおよび宇宙船によって占められるスペースが最小にされるところである。この方法は、層をなした配置から並んでいる配置にシールドユニットの複数のシールド層を移動させるステップを更に含むことができる。
【００４４】
本発明は、地球軌道内の無人宇宙船または地球軌道内の有人宇宙船、または惑星間宇宙船に使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明の実施態様が、添付の図面を例としてのみ参照して以下に記載され、そこにおいて、
【００４６】
【図１】公知技術のシールド構造体の断面図である。
【図２】シールドパネルならびに関連する取付けおよび駆動メカニズムを示す本発明の一実施態様の平面図である。
【図３ａ】パネルの形状のシールド層の斜視図である。
【図３ｂ】複合シールド層パネルの斜視図である。
【図３ｃ】支持フレーム内に固定される可撓性の材料から形成されるシールド層の斜視図である。
【図４】シールドユニットのシールド層部品を示す本発明の一実施態様の断面図である。
【図５ａ】キャリアロケットのペイロードベイの所定の場所の、本発明の一実施態様に従う収容位置の一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の断面図である。
【図５ｂ】展開されたシールド位置の一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の断面図である。
【図６ａ】収容位置で示される、第２の構成で配置される一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の断面図である。
【図６ｂ】展開されたシールド位置で示される、第２の構成で配置される一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の断面図である。
【図７】シールド層に入射するデブリ小片の影響を例示する一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の断面図である。
【図８ａ】衝撃センサを備えているシールドユニットの平面図である。
【図８ｂ】衝撃センサを備えているシールドユニットの断面図である。
【図９ａ】軌道離脱およびデブリ一掃のためにパネルの線形配列に広がるシールドユニットの側面図である。
【図９ｂ】一組のシールド装置を有する宇宙船の断面図である。ここで、シールドユニットは軌道離脱およびデブリ一掃のためにある位置に展開される。
【図１０ａ】更なる一実施態様に従う一組のシールド装置を有する直平行六面体状の宇宙船の平面図である。ここで、シールドユニットは軌道離脱およびデブリ一掃のためにある位置に展開される。
【図１０ｂ】シールドユニットのシールド層が花形配置で開くように配置される一実施態様の斜視図である。
【図１０ｃ】シールドユニットのシールド層が扇形配置で開くように配置される一実施態様の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本願明細書における教示が、以下の機能の組合せを備えた宇宙船を形成することができる展開可能多機能性装置を提供する：ｉ）スペースデブリおよび流星物体からの衝突を防ぐためのシールド、ｉｉ）スペースデブリおよび流星物体衝突の現場検出、ｉｉｉ）ＬＥＯ内の宇宙船に対する寿命末期軌道離脱、ｉｖ）『スイーパー』として働くことによる宇宙環境からの小型デブリの除去。
【００４８】
このシールド構成は、費用効果的な方法で一般的なＬＥＯ宇宙船のための衝突保護の１桁改善を提供する。衝突検出器が、スペースデブリ環境の監視のためのデータを提供し、したがってデブリ環境モデル製作者のための知識を増大し、宇宙船オペレータのための実時間情報を提供し、かつデブリ衝突の課題の認識を高める。宇宙船の表面積を増大する能力は、ＬＥＯ内の寿命の末期の宇宙船の軌道離脱を補助し、したがって、推進剤の節約、飛行任務収益を得る可能性の増大および軌道での飛行任務後時間の低減のような利益を提供し、それによって国際デブリ軽減指針／標準規格において定義した２５年の軌道離脱ルールの遵守を達成するのを助ける。増大された表面積はまた、宇宙船が宇宙環境からデブリを除去することに向けた寄与を提供するために軌道離脱段階中にデブリスイーパーとして働くことを可能にする。
【００４９】
図２は、本発明の一実施態様に従うデブリシールド装置２００の図である。シールド装置２００は、シールド層２０１、この例でヒンジである一次ジョイント用の駆動メカニズムおよびシールド層２０１を宇宙船構造体２０８に接続するための取付け手段２０４を備える。シールド層２０１は平らで矩形の形状であり、その厚さと比較して大きい長さおよび幅の実質的に平坦なシールド面または表面を有する。それが取付けられる宇宙船のサイズによって、シールド層２０１の絶対寸法は変化するが一般的に、宇宙船の露出面を保護するのに十分である。パネルは矩形または平らである必要はなく、宇宙船の形状および構成に従い他の形状および寸法を使用することができる。シールド層２０１は、その縁部の両方に沿ってヒンジ素子２０２、２０３を備えている。一次ヒンジ素子２０２が、一次ヒンジ駆動メカニズム２０４と係合するための係合手段（図示せず）を備えている。一次ヒンジ駆動メカニズム２０４は、電動機またはばねおよびラッチ配置またはその他の適切な駆動手段であることができる。一次ヒンジ駆動メカニズム２０４は、表面パネルまたは、スパーもしくはシャーシのような内部上部構造体の一部であることができる宇宙船構造体２０８の一部に接続されるように配置される。一次ヒンジ駆動メカニズム２０４は、放射線および衝突から保護するためにアルミニウムから作られた、制御電子装置ボックス内に収容されることができる電子制御システム２０６に接続される。二次ヒンジ素子２０３は、更なるシールド層２０９のヒンジ素子への接続のための一次ヒンジ素子２０２にシールド層２０１の対向縁部に沿って設けられる。二次ヒンジ駆動メカニズムは、また、二次ヒンジ素子２０３に接続されて電子制御システム２０６に接続されて設けられる。以降のシールド層は、図４に示すように更なるシールド層２０９に類似した方法で接続されることができる。衝撃センサ２０７が、シールド層２０１のコーナー内に設けられて電子制御システム２０６にデータおよびパワーケーブル２０５によって接続される。
【００５０】
図３ａないし３ｃは、シールド層の種々の形状を分離して示す。図３ａは、アルミニウムのような材料の単一固形パネル２０１を備える単純な構成のシールド層を示す。パネルは硬くおよびそれゆえに自立し、取付け具が直接パネルに取付けられることができる。図３ｂは、強さ、重量およびシールド能力を最適化するために選択された、堅固なおよび可撓性のシールド材料の複数の接合された層３０１、３０２、３０３を備えるより複雑な構造化されたシールド層を示す。ここでも、シールド層は硬い。図３ｃはシールド材料の可撓性のシート３０４から造られるシールド層を示し、したがって、フレーム３０５がシールド層を他の構造体に取付けるために必要な硬さおよび位置を与えるために使用される。シールド層を形成するために使用されることができる適切なシールド材料は、宇宙船に使用されるべき第１のシールド材料の１つであったアルミニウムシーティングを含む。
【００５１】
ネクステル（登録商標）、それは３Ｍ社によって製造される編セラミック布である。それは、最も広く使われているシールド材料の１つである。そのファイバは、入来発射体を衝突させてより小さいデブリ破片の雲にする。それは、また、この種の雲の推進的なローディングを低下させることに効果的である。ネクステルは、種々の異なるスタイルおよび密度で製造される。
【００５２】
ケブラー（登録商標）もまた、デュポン社によって製造される普及している宇宙船シールド材料である。それはまた、防弾チョッキにも広く使われている。ネクステルおよびケブラーの組合せは、全部の範囲の入来デブリに対して軽減するために使用されることができる。
【００５３】
ベータクロスは宇宙船部品を熱的に保護する多層絶縁材に広く使われている。ベータクロスはまた、それが宇宙空間内の原子状酸素劣化に対する保護を提供するので使用される。
【００５４】
アルミニウムメッシュは、それがシールド内の次の層に当たる前に入来発射体を衝突させて砕くのを助けるために、シールドの前面層として使用されることができる。
【００５５】
炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）および黒鉛繊維強化ポリマー（ＧＦＲＰ）もまた使用されることができて硬性シートとして製造される。スペクトラもまたシールド層を形成するために使用されることができる材料である。宇宙船構造体内に一般的に使用されるもののような、サンドイッチパネルが別の可能性である。
【００５６】
図４は一実施態様に従うデブリシールド装置を示す。ここで、それらがシールドユニット２１０と呼ばれる多層構造体を形成するような方法で、４枚のシールド層２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃおよび２０１ｄが共に接続される。上部シールド層２０１ａは、取付けおよび一次ヒンジ駆動メカニズム２０４に、更に、ヒンジ駆動メカニズム２０４ｂによって第２のシールド層２０１ｂに接続され、第２のシールド層２０１ｂは第１のシールド層２０１ａと、かつその下で実質的に一致する。第２のシールド層２０１ｂはヒンジ駆動メカニズム２０４ｃによって第３のシールド層２０１ｃに接続され、第３のシールド層２０１ｃは第２のシールド層２０１ｂと実質的に一致してその下に配置される。第３のシールド層２０１ｃはヒンジ駆動メカニズム２０４ｄによって第４のシールド層２０１ｄに接続され、第４のシールド層２０１ｄは第３のシールド層２０１ｃと実質的に一致してその下に配置される。このように、多層シールドユニット２１０が設けられ、シールド動作中に、層は互いに一致したままであり、一次ヒンジ駆動メカニズム２０４を用いて収容位置と傾斜位置との間でグループとして移動される。シールド装置２００が分離して示される、すなわち、宇宙船に取付けられない。宇宙船は、宇宙船全体に対して適切な保護を提供するためにいくつかのこの種のシールド配置を使用することができる。この場合、各シールド装置用の電子回路は、故障の場合には追加的な冗長を与えるハーネス相互接続を使用して交差連結されることができる。制御電子装置が、地上オペレータによる装置の命令を可能にし、かつ地上局へのセンサデータの伝送のために通信サブシステムとインタフェースする。図４では、シールド層２０１ａ−ｄの長さは一定の比率で示されない。
【００５７】
図５ａは、図４内に示されるタイプの複数のシールド配置２００がどのように宇宙船５０１に取付けられることができるかについて示す。例示される宇宙船５０１は、単純な直平行六面体形状の衛星である。宇宙船５０１の内部５０１ａの範囲内で、ハーネス５０１ｂが制御電子装置５０１ｃと共に示される。このシールドシステムは拡張可能であり、したがって、ただ最も大きな宇宙船にだけでなく、また小さいもの、例えば２０ｃｍの幅のものに適用されることもできる。保護されるべき宇宙船の形状は直平行六面体に限られず、このシステムは多くの異なる形状および構成の船に取り付けられることができる。シールドユニット２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃおよび２１０ｄは、収容位置で図５ａ内に示される。宇宙船が宇宙空間にその旅行のための適切な打上用ロケットの囲い板またはペイロードベイ５００内に配置される時、これが体積を最小化するのに必要である。ここに示した例では、シールドユニット２１０ａ−ｄは宇宙船５０１の側面に対して折りたたまれ、宇宙船の前方に面した表面が露出される。
【００５８】
図５ｂは、展開位置５０３で１枚以上のバンパー層を備えるシールドを示す。図６ａはそれによってシールド２１０ａおよび２１０ｂが宇宙船５０１の側面に設けられ、シールド２１０ｃ、２１０ｄが宇宙船５０１の前方に面した表面に設けられる別の配置を示す。宇宙船の前方に面した表面は、時にはＲＡＭ面と呼ばれ、宇宙船の進行の方向は、「Ｒ」として図内にマークされ、ＲＡＭ方向と呼ばれる。断面内に視認できない更なるシールドが、宇宙船の他の面に設けられることができる。図５ｂおよび６ｂは、シールド２１０ａ−ｄがＲＡＭ面および側面に対する保護を与える展開位置にある図５ａおよび６ａの宇宙船５０１を示す。この特定の配置は、ほとんど正面からのデブリ衝突を経験しそうである極地軌道周回、太陽同期ＬＥＯ宇宙船を保護するのに十分に適している。しかしながら、他の軌道内の宇宙船に対して、展開されたシールドの異なる配置が効果的な保護を与えるのに必要かもしれない。
【００５９】
動作中に、図５ａにて図示したように、宇宙船は一実施態様に従うシールドシステムを取付けられる。各々が一連のシールド層を備えるシールドユニット２１０ａ−ｄが、打上用ロケットで輸送中に収容位置に折りたたまれる。必要とされるまでシールドユニット２１０ａ−ｄが展開されないことを確実にするために、フェイルセーフロッキングメカニズムが設けられることができる。打上用ロケットが適切な高度にある時、宇宙船５０１がペイロードベイ５００から発射され、宇宙船操縦装置が操作を引き継ぐ。これは、その動作上の軌道への宇宙船５０１の自力推進を含むことができる。宇宙船が打上用ロケットから離れている時、かつ宇宙船飛行任務の開始の前に、信号が、シールドシステム２１０ａ−ｄを展開するために一次ヒンジ駆動メカニズムに送信される。側面シールド２１０ａ、２１０ｂに対して、これは宇宙船５０１の側面に対してある角度に多層シールドを傾けることを意味する。ＲＡＭ面シールドに対して、両端部がＲＡＭ面に合って完全に保護するように、２枚のシールドユニット２１０ｃおよび２１０ｄがある角度で回転する。図６ｂ内に示される実施態様では、シールドユニット２１０ａ−ｄは宇宙船上に異なる配置を有するが、それらが宇宙船本体から離れるように回転される時、図５ｂ内に示される実施態様によって達成されるものに類似した保護がＲＡＭ面および側面に与えられる。
【００６０】
図７は、展開傾斜位置の一組のシールド装置を示す。この位置で、シールド層２０１ａ−ｄと宇宙船５０１の表面との間で大きな隔離距離があることが分かる。シールドが下にある宇宙船表面（例えばハニカムサンドイッチパネル）に対して傾けられるので、この構成は制限されたスタンドオフを備えたシールドより多くの保護を与える。これは、２つの理由のためであり、第１は、貫通限界が、シールドと下にある宇宙船構造体との間の隔離距離と比例しており、それゆえに、より大きな隔離距離がシールド構造体構成の貫通限界、すなわちより大きなまたはより高速なデブリ小片からの保護を改善することである。小片７０１が壁を穿孔して破片になる時、デブリ雲７０２が下にある表面に損傷を引き起こす可能性がある衝撃波の前面が形成される。より大きな隔離距離は、下にある宇宙船構造体に到達する前にデブリ雲がより多く放散することを可能にする。傾斜シールドが他のシールドより効果的である第２の理由は、貫通限界がシールドに垂直な方向に対して衝突するデブリ小片の迎角と比例していることである。それゆえに、所定のサイズおよび速度のかすって通る小片がシールドに垂直に衝突する小片より効果的に妨げられる。シールドの展開の際に、傾斜角度はそれゆえに貫通限界の角度依存を高めるためにセットされる。最適角度は、宇宙船の飛行任務に、および軌道宇宙船に対して地球のまわりの特定の軌道に依存する。これは宇宙船が経験する衝突束の方向がその軌道に高度に依存するからである。例えば、その軌道面が赤道に対して９０度で傾けられる、すなわち極軌道、８００ｋｍの高度の近似円軌道内の宇宙船は、約＋４５度と−４５度との間のアジマス角で最も高いデブリ衝突束を経験する。アジマス角は、運動のその方向に対して宇宙船の局所的水平面内で測定される、宇宙船へのデブリ物体の衝突の角度である。すなわち、０度アジマス角は正面からの衝突を代表し、＋９０度アジマスは右側衝突であり、−９０度アジマスは左側衝突であり、および、１８０度アジマスは後ろからの衝突である。この特定の極軌道の場合、衝突束のピークは約＋１０度および−１０度のアジマスで生じ、したがって、正面近くからの衝突がよりありそうである。しかしながら、その軌道面が赤道に対して０度で傾けられる、すなわち赤道軌道、８００ｋｍの高度の近似円軌道内の宇宙船に対して、ピーク衝突束は約＋６０度および−６０度のアジマス角においてである。それゆえに、宇宙船の右側面または左側面上の衝突が、よりありそうである。従って、シールドの最適傾斜角度は宇宙船の軌道に依存する。
【００６１】
シールドが適切な角度で展開される時、シールドを貫通する小片から生じるデブリ雲材料がＲＡＭ面および側面から離れて偏向されることができるか、またはそれがより傾斜した角度でこれらの表面に衝突し、したがって、貫通の可能性を低下することができる。
【００６２】
衝撃センサが、飛行任務中の実時間衝突データを収集するために設けられる。特に、衝撃センサから収集されるデータは宇宙船オペレータのためになるだけでなく、それはまた、個別軌道領域内のデブリ個体数についての知識を向上させ、デブリ衝突の課題の認識を高める。シールドアセンブリ２００は、最も高い衝突束を経験して、それゆえに衝突センサーシステムに対する理想的な位置である宇宙船のそれらの表面を保護する。音響センサまたは加速度計の配置が、図８ａおよび８ｂに示すように使用される。この例では、４台のセンサ８０１ａ−ｄが外側のシールド層２０１ａの下側に位置し、さらに４台が内側の層２０１ｄの下に位置する。最小として、この配置はデブリ小片の衝突の場所および衝突エネルギーに関するデータを与える。その上、小片が層を貫通するならば、速度および飛行経路情報を引き出すこともまた可能である。明らかに、センサの選択および配置に対する多くの他の可能性がある。センサは、電子制御システム２０６にデータおよびパワーケーブルによって接続される。衝突データは、記憶されることができるかまたは地上局に伝送されることができる。
【００６３】
ＬＥＯ領域内の宇宙船はそれが他の大きな軌道周回物体との衝突事故を呈しないように、その寿命の末期で軌道から除去されるべきであることが促される。各シールドユニット２１０ａ−ｄを占める複数のシールド層２０１ａ−ｄが、宇宙船の重量比に対する断面積を最大化する異なる位置に展開するように配置され、それによって地球の上層大気との大気抵抗相互作用を増大して宇宙船の軌道離脱を補助する。各シールドユニット２１０ａ−ｄの個々のシールド層２０１ａ−ｄは、シールドを大面積軌道離脱装置に変換するために広げられる。国際指針および標準規格の最近の出現は、低高度地球軌道内の宇宙船は飛行任務の末期の２５年以内に軌道離脱されるべきという強い期待／要求を設定する。この２５年のルールの遵守は、製造業者にとって非常に難しそうである。したがって、この装置はこの点で役立つ寄与を与えるはずである。
【００６４】
図９ａは、図４内に示されるシールド層２０１ａ−ｄがどのように展開されるかについて示す。信号が電子制御システム２０６からヒンジ駆動メカニズム２０４ｂ、ｃおよびｄまで送信され、それがその隣りに対して各シールドパネル２０１ｂ−ｄを起動して回転させ、それらがもはや一致せず層にされず、縁部対縁部で位置合わせされるようにする。
【００６５】
一実施態様において、各ヒンジはばねのような弾力のある手段によって駆動されるが、ラッチが解除される時全ての層が広がるように単一ラッチだけが使用される。
【００６６】
図９ｂおよび図１０ａは、側面シールドユニット２１０ａ、ｂおよびＲＡＭ面シールドユニット２１０ｃ、ｄがそれらの最大限に展開された宇宙船５０１の２つの図を示す。この場合、シールド層はパネルの線形配列に広がる。
【００６７】
しかしながら、多くの他の配置がまた、ヒンジの配置および層の数に従い可能である。特に、各配列を広げるための方法、および、その最終的な構成および向きは、宇宙船上の他の外部部材の位置、振動の減衰のような設計問題、および大気抵抗誘発軌道離脱のために断面積を最大にする必要性によって決定される。この後者関連で、展開された大面積配列の構成および向きは、飛行任務後無制御宇宙船が安定タンブリングまたは回転運動に進むことを確実にするように設計されることができる。
【００６８】
図１０ａでは、ＲＡＭ面シールドユニット２１０ｃ、２１０ｄが第１のシールドパネル２０１ａの縁部に沿って宇宙船に取付けられる。宇宙船取付け縁部に対して垂直であるその縁部に沿って、２枚の更なるシールドパネル２０１ｂ、２０１ｃが第１のシールドパネル２０１ａに接続される。なお更なるシールドパネル２０１ｄ、２０１ｅが、同じ方向にパネル２０１ｂ、２０１ｃから延在する。このように、宇宙船の前面断面積は最大化される。
【００６９】
図１０ｂでは、大面積軌道離脱装置への多層シールドの変換は、その花弁を開く花と同じ原理で展開するシールド層によってである。
【００７０】
図１０ｃでは、一次シールド層２０１ａは一次ヒンジ駆動メカニズム２０４に接続され、それが次に宇宙船（図示せず）に接続される。２枚の更なるシールド層２０１ｂおよび２０１ｃが、一次シールド層２０１ａに接続される。シールド層２０１ｂおよび２０１ｃは各々、コーナーに位置するヒンジ１００１によってシールド層２０１ａに接続され、シールド層のデブリ衝突面に対して垂直である軸のまわりの回転を可能にする。シールドユニットが展開される時、シールド層の移動は扇形配置でデブリ衝突面の平面で回転性である。
【００７１】
あるいは、シールドユニットは、１個以上の駆動可能な端部ジョイントを有することができる、ブームのようなメカニズムを使用して宇宙船に取付けられることができる。これのような配置は、シールドユニットと宇宙船との間に隔離距離を作り出し、それによってシールドユニットがパネル面または縁部経由で接続されることを可能にする。
【００７２】
宇宙船に対して同一平面上にシールドユニットを収容することが可能でないならば、この配置もまた必要であることができる。
【００７３】
軌道離脱段階中に、その大面積およびシールド材料の使用の理由で、装置はデブリ『スイーパー』としても働く。シールド層の設計に従い、展開されたパネルに衝突する小さな小片（例えば０．１ｍｍ以下のオーダーの直径）が環境から除去され、一方、パネルに衝突するより大きなサブセンチメートル小片は貫通してより小さな小片の雲に砕ける。これらは、それらのより小さなサイズおよび縮小された軌道寿命の理由でより危険でないとみなされることができる。したがって、この装置は宇宙環境を浄化することに向けた寄与を提供する。
【００７４】
軌道離脱および／または一掃装置としての装置の操作中に、センサ８０１ａ−ｄは使用可能なままであり、宇宙船によって遭遇されるデブリの分布に関する役立つデータを提供することができる。
【００７５】
シールドユニット２１０が多くのシールド層からまたは代わりとして単一層から形成されることができることが認識される。多層シールド構成の場合、異なる材料が層の各々に対して使用されることができる。シールド層の数、それらのサイズ、スペーシング、材料および厚さは、保護の必要性によってだけでなく、また、それが末期に変形する大面積装置の設計要件および宇宙船それ自体の全体的な設計制約によっても決定される。この決定の一態様は、シールドを通しての小片の通過が、シールド層が共に融着して寿命の末期でそれらが広げられるのを妨げることがないようにするのを確実にすることである。
【００７６】
デブリシールド装置２００は、軌道離脱装置だけとして使用されることができる。この場合、図４および５ａ内に例示されるタイプの多層構造が飛行任務寿命中に収容位置にもたらされる。宇宙船５０１が軌道離脱する必要がある時、電子制御システムが、収容位置から直接に最大表面積軌道離脱位置に軌道離脱パネルを展開するために信号をヒンジ駆動メカニズムの全てに送信する。この場合、パネル材料はスペースデブリからの衝突を乗り切るその能力よりむしろ抵抗を増大するその能力に対して選択されて、それゆえにフォイルのような材料の薄いシートであることができる。それらの展開された状態でのパネルの配置は宇宙船の安定タンブリング運動を確実にするように選択されることができ、したがって、この構造体の大気抵抗特性が最適化される。
【００７７】
デブリシールド装置２００は、デブリ一掃装置だけとして使用されることができる。この場合、図４で示す多層構造が使用されて図５ａに示すように、打上用ロケット内に収容される。装置が展開される時、表面積が最大化される図１０ａで示す配置に、層が展開される。大気抵抗の影響を克服するために、宇宙船に対する追加的な推進力を与える必要があるかもしれない。この場合、層材料はデブリを吸収して砕くその能力に対して選択される。
【００７８】
デブリシールド装置２００は、シールドおよび軌道離脱装置として、またはシールドおよび一掃装置としてまたは軌道離脱装置および一掃装置として使用されることができる。
【００７９】
典型的ＬＥＯ宇宙船上の１台以上の装置の集積化は、衝突保護または軌道離脱／デブリ一掃目的のための断面積を最大にする必要性以外の複数の考慮事項によって駆動される。１つの重要な要因は、可能な位置に対するオプションを束縛する宇宙船の構成である。宇宙船上の外部的に据え付けた機器の位置は、また、装置がどこに設置されるかおよびそれがどのように収容されて展開されるかに対する可能性を限定するかもしれない。逆にいえば、装置に対応するために、他の機器部材の設計または位置を変更することが必要かもしれない。装置はまた、それが必要とする資源、例えばデータおよびパワーリンクに関して、種々の宇宙船サブシステムの設計に影響を及ぼすかもしれない。これらのような要因からみて、明白であるべきことは、宇宙船上の１台以上の装置の集積化が宇宙船設計プロセスで最も初期の段階中に考慮されるべきであるということである。
【００８０】
応用の全ての組合せが、図８に関して記載されるセンサ能力の有無にかかわらず使用されることができる。
【符号の説明】
【００８１】
１０１  犠牲衝撃部材撹乱層
１０２  一次スペーシング層
１０３  宇宙船構造体
１０４  カバー
１０５  基部
２００  デブリシールド装置
２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ  シールド層
２０２  一次ヒンジ素子
２０３  二次ヒンジ素子
２０４  取付け手段  一次ヒンジ駆動メカニズム
２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ  ヒンジ駆動メカニズム
２０５  データおよびパワーケーブル
２０６  電子制御システム
２０７  衝撃センサ
２０８  宇宙船構造体
２０９  更なるシールド層
２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ  シールドユニット
３０１、３０２、３０３  複数の接合された層
３０４  可撓性のシート
３０５  フレーム
５００  ペイロードベイ
５０１  宇宙船
５０１ａ  宇宙船内部
５０１ｂ  ハーネス
５０１ｃ  制御電子装置
５０３  展開位置
７０１  小片
７０２  デブリ雲
８０１ａ−ｄ  センサ
１００１  ヒンジ
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【国際調査報告】
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