(57)【要約】      （修正有）【課題】打上時の振動や衝撃から宇宙機本体を確実に保護し、大幅な軽量化と製造コストの削減を実現した樹脂製宇宙機用構体の組立方法を提供する。【解決手段】この構体は、ＰＥＥＫ樹脂からなる殻を備え、切頂八面体を呈する。殻が対向されることにより、融着代４６が向かい合う。融着代４６の間に一対の融着シートが配置される。融着シートに挟み込まれるようにニクロム線９３が配置される。ニクロム線９３は、融着代４６の長手方向に沿って延び且つ短手方向に均等に配置される。プレス機９５により、融着代４６が押し付けられると共にニクロム線９３により加熱される。【選択図】図７
2015182695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の樹脂製パネルが熱融着されることにより、宇宙機本体を収容する空間が内部に形成される多面体からなる宇宙機用構体の組立方法であって、
上記複数の樹脂製パネルのうち隣り合う一対の樹脂製パネルのそれぞれの対向面の間に熱可塑性樹脂シートが配置されると共に、当該一対の熱可塑性樹脂シートの間に発熱体が配置される第１工程と、
上記対向面が対向する方向に沿って上記隣り合う樹脂製パネルが所定の圧力で押圧されると共に上記発熱体により所定の温度に加熱される第２工程とを含む宇宙機用構体の組立方法。
【請求項２】
上記宇宙機用構体は、一対の樹脂製パネルが突き合わされることにより形成される切頂八面体であり、
各樹脂製パネルの突合部に形成された矩形の融着代が上記対向面を形成し、
上記樹脂製パネル及び熱可塑性樹脂シートはＰＥＥＫ樹脂を含んでおり、
上記発熱体は複数のニクロム線を備え、当該複数のニクロム線は、上記融着代の長手方向に沿って延び且つ短手方向に均等に並べられる請求項１に記載の宇宙機用構体の組立方法。
【請求項３】
上記宇宙機用構体は、一対の樹脂製パネルが突き合わされることにより形成される切頂八面体であり、
各樹脂製パネルの突合面に形成された矩形の融着代が上記対向面を形成し、
上記樹脂製パネル及び熱可塑性樹脂シートは、ＰＥＥＫ樹脂を含んでおり、
上記発熱体は単一又は複数のニクロム線を備え、当該のニクロム線は、上記融着代の長手方向に沿って延びつつ上記対向面に均等に配置されるように屈曲または湾曲される請求項１に記載の宇宙機用構体の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、たとえば人工衛星に代表される地球や他惑星を周回する宇宙機や深宇宙空間を探査する宇宙機の構体の組立方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙開発プロジェクトは、当該プロジェクトの主目的のために開発された宇宙機（典型的には人工衛星）がロケットにて宇宙空間に打ち上げられるプロセスを有する。そして、このロケットの打ち上げを効率的且つ有意義なものとするために、上記主目的とは異なる目的で開発された人工衛星等が当該ロケットの打ち上げに便乗するのが一般的である。
【０００３】
このような相乗り型の人工衛星は、さまざまな制約を受ける。たとえば、外形サイズ、質量、固有振動数等々である。特に、人工衛星の質量は打上コストに大きく影響するものであり、わずか１ｇの質量増加が打上コストを１０万円程度増大させると言われている。このため、人工衛星には軽量化が厳しく要請される。その一方で、打上時に人工衛星にきわめて激しい振動や衝撃が加わる。この振動や衝撃による衛星本体の破損等の防止のため、一般に、衛星本体は構体を備えている（たとえば、特許文献１〜特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１８４５７４号公報
【特許文献２】特開２００３−２９１８９８号公報
【特許文献３】特開２００３−２９１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の人工衛星用構体は、一般に直方体形状であり、アルミニウム合金や炭素繊維により強化された熱硬化性樹脂からなる複数のパネルがボルトにより締結されることにより構成されている。そして、軽量化のために、各パネルは、複雑な薄肉加工（たとえば、フライスによる切削）が施されたり、パネルにハニカムサンドイッチ構造が採用されている。
【０００６】
しかしながら、構体は、ロケットの打ち上げ時の振動や衝撃に耐荷しなければならないので、その軽量化にも限界がある。また、各パネルはボルトにより締結されるが、かかる構造では、十分な構体の剛性が実現されにくい。さらに、打上時の振動により各パネルの締結が緩まないように多数のボルトが必要になる。そのため、ボルト締結作業が膨大となり、人工衛星の組立コストが増大する。しかも、多数のボルトが使用されることにより、打上時の振動や衝撃でいずれかのボルトが緩んでしまう可能性が高くなり、もし一本でもボルトが緩めば、ロケットと共振するなどの危険性が高くなる。
【０００７】
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、打上時の振動や衝撃から宇宙機本体を確実に保護すると共に大幅な軽量化と製造コストの削減を可能とする宇宙機用構体の実現のため、その組立方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1) 本発明に係る宇宙機用構体の組立方法は、複数の樹脂製パネルが熱融着されることにより、宇宙機本体を収容する空間が内部に形成される球体又は多面体からなる宇宙機用構体の組立方法である。この組立方法は、上記複数の樹脂製パネルのうち隣り合う一対の樹脂製パネルのそれぞれの対向面の間に熱可塑性樹脂シートが配置されると共に、当該一対の熱可塑性樹脂シートの間に発熱体が配置される第１工程と、上記対向面が対向する方向に沿って上記隣り合う樹脂製パネルが所定の圧力で押圧されると共に上記発熱体により所定の温度に加熱される第２工程とを含む。
【０００９】
上記宇宙機用構体は樹脂からなるので、従来の金属製構体に比べて大幅な軽量化が実現される。したがって、この宇宙機用構体が複数の樹脂製パネルから構成される場合、各樹脂製パネルの接合手段の決定に際して大きな外力に耐えるための強度設計は不要である。この発明では、各樹脂製パネルが組み合わされる際に、隣り合う樹脂製パネル同士の間に熱可塑性樹脂シートが配置され、さらに、この熱可塑性樹脂シートの間に発熱体が配置される。そして、この発熱体により上記隣り合う樹脂製パネルが所定の温度まで加熱されながら所定の圧力で押圧される。このとき、上記熱可塑性樹脂シートが溶融し、上記隣り合う樹脂製パネル同士が融着される。
【００１０】
(2) 上記宇宙機用構体は、一対の樹脂製パネルが突き合わされることにより形成される切頂八面体であり、各樹脂製パネルの突合部に形成された矩形の融着代が上記対向面を形成し、上記樹脂製パネル及び熱可塑性樹脂シートはＰＥＥＫ樹脂を含んでいるのが好ましい。この場合に、上記発熱体は複数のニクロム線を備え、当該複数のニクロム線は、上記融着代の長手方向に沿って延び且つ短手方向に均等に並べられるのが好ましい。
【００１１】
この構成では、上記樹脂製パネルがＰＥＥＫ樹脂を含むので、宇宙機用構体は宇宙空間において高温環境に晒されても機能が損なわれることはない。また、上記各樹脂製パネルの融着代同士がニクロム線の発熱により加熱され、融着される。この方法によれば、発熱体の構造が簡単である。しかも、複数のニクロム線が融着代に対して均等に配置されるから、加熱時の温度制御容易であり、確実に樹脂製パネル同士が接合される。
【００１２】
(3) 上記宇宙機用構体は、一対の樹脂製パネルが突き合わされることにより形成される切頂八面体であり、各樹脂製パネルの突合面に形成された矩形の融着代が上記対向面を形成し、上記樹脂製パネル及び熱可塑性樹脂シートはＰＥＥＫ樹脂を含んでいるのが好ましい。この場合に、上記発熱体は単一又は複数のニクロム線を備え、当該のニクロム線は、上記融着代の長手方向に沿って延びつつ上記対向面に均等に配置されるように屈曲または湾曲されていてもよい。
【００１３】
前述と同様に、上記樹脂製パネルがＰＥＥＫ樹脂を含むので、宇宙機用構体は宇宙空間において高温環境に晒されても機能が損なわれることはない。また、上記各樹脂製パネルの融着代同士がニクロム線の発熱により加熱され、融着される。また、この方法によれば、発熱体の構造が簡単である。しかも、単一あるいは複数のニクロム線が屈曲ないし湾曲されることによって上記融着代に対して均等に配置されるから、加熱時の温度制御が一層容易であり、より確実に樹脂製パネル同士が接合される。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、熱融着により各樹脂製パネルが接合され、樹脂製の球体又は多面体からなる宇宙機用構体が組み立てられる。熱融着手段により樹脂製パネル同士が接合されるので、接合部分が均等に接着される。すなわち、宇宙機用構体は、構造体として安定し、外力（引張・圧縮力、ねじり、曲げなど）に対して高い耐性を示す。しかも、この宇宙機用構体は、従来のようにボルトによる締結構造を備えていないので、組立作業が簡単であり、組立コストも大幅に削減される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る構体が採用された宇宙機の外観斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る宇宙機の要部分解斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る構体の分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る構体を構成する殻の展開模式図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る殻の斜視図である。
【図６】図６は、図５におけるVI−VI断面図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る殻同士が熱融着される手順を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る殻に形成された融着代の対向面におけるニクロム線の配置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る構体が採用された宇宙機の外観斜視図である。また、図２は、この宇宙機の要部分解斜視図である。
【００１８】
この宇宙機１０は、深宇宙空間との通信用宇宙機として機能するものであり、その外形サイズは、一辺が５０ｃｍの立方体空間内に収まるように設計されている。また、宇宙機１０は、その質量が５０ｋｇ以下であり、いわゆる超小型人工惑星である。この宇宙機１０は、宇宙機本体１１と、この宇宙機本体１１を囲繞する構体１２とを有する。宇宙機１０は電力で作動し、そのエネルギー源は太陽光である。したがって、この宇宙機１０の構体１２の表面には、図示されていない太陽電池が装着されている。
【００１９】
本実施形態に係る宇宙機１０の特徴とするところは、上記構体１２を備えている点、およびこの構体１２が後述の方法により組み立てられる点である。この構体１２は、後述の材料により後述の形状に形成されており、従来の宇宙機用構体に比べて大幅な軽量化と、良好な強度及び剛性並びに耐振動性及び耐衝撃性を実現している。
【００２０】
構体１２は、炭素繊維により強化された樹脂（ＣＦＲＰ）からなる。本実施形態では、樹脂は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂が採用されている。もっとも、ＰＥＥＫ樹脂に限定されるものではなく、種々の熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂も採用され得る。また、ＣＦＲＰに代えてガラス繊維を含有したガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）等も採用され得る。さらに、ガラス繊維及び炭素繊維にて強化されていないＰＥＥＫ樹脂も採用され得る。
【００２１】
図３は、構体１２の分解斜視図である。
【００２２】
構体１２は、宇宙機１０の外形を画定するものであり、本実施形態では、図２が示すように切頂八面体に形成されている。構体１２は、一対の殻１４、１５（特許請求の範囲に記載された「樹脂製パネル」に相当）を備えており、これらが対向配置されることによって上記切頂八面体が構成されている。図３が示すように、殻１４は、４つの正六角形からなる主面１６と、３つの正方形からなる副面１７とを有する。つまり、殻１４は７面を有し、したがって、構体１２は、１４面を有する構造体である。
【００２３】
図４は、殻１４の展開模式図である。
【００２４】
同図が示すように、殻１４は、主板１８、１９、２０、２１（上記主面１６を形成）と、副板２２、２３、２４（上記副面１７を形成）とを備えている。主板１８〜２１は、正六角形を呈する。主板１８の外辺２５、２６、２７にそれぞれ主板１９、２０、２１が連続している。また、主板１８の外辺２８、２９、３０にそれぞれ副板２２、２３、２４が連続している。そして、主板１８の外辺２５〜３０に沿って主板１９〜２１及び副板２２〜２４が折り曲げられることにより、図３が示す器状の殻１４が形成される。
【００２５】
本実施形態では、殻１４は、プリプレグ又はセミプレグを用いて形成される。すなわち、炭素繊維にＰＥＥＫ樹脂を含浸させたシート（プリプレグ又はセミプレグ）が、たとえば所要の金型を用いて加熱及び加圧されることにより器状の殻１４が形成される。この場合、単一のプリプレグ又はセミプレグは薄肉のシートであるから、複数枚のプリプレグ又はセミプレグが積層されて肉厚が２ｍｍの殻１４が形成される。なお、殻１４の肉厚は、１．０ｍｍ〜４．０ｍｍに設定され得る。
【００２６】
この殻１４の主板１９に孔３１が設けられている。この孔３１の形状は正六角形であり、これにより、主板１９の各辺に内側に突出した帯部３２が形成されている。この帯部３２は、宇宙機本体１１が取り付けられる部分である。本実施形態では、この帯部３２に宇宙機本体１１のフランジ４７（図１及び図２参照）がボルト等により締結される。また、主板２０に窓３３が設けられている。この窓３３は、主板２０に孔が開けられることにより形成されている。この窓３３は、主板１９に設けられた孔３１と同様の形状であり、宇宙機１０が組み立てられる際の作業窓として使用される。この窓３３には、蓋１３（図１参照）が取り付けられる。蓋１３は、ボルト等により締結されるか、熱融着により接着される。蓋１３の材質は、炭素繊維強化樹脂が採用され得る。ただし、電波透過性が要求される場合は、蓋１３の材質はガラス繊維強化樹脂が採用される。
【００２７】
図５は、殻１４の斜視図であって、当該殻１４の内壁面が図示されている。また、図６は、図５におけるVI−VI断面図である。
【００２８】
殻１４は、前述のように４つの主板１８〜２１と３つの副板２２〜２４とを有する。主板１８のまわりに他の主板１９〜２１及び副板２２〜２４が配置されているが（図４参照）、互いに隣り合う面同士は、境界部分において折り曲げられた状態となっている。本実施形態では、この境界部分に沿って補強シート４５が設けられている。この補強シート４５は、細長帯状に形成され、上記境界部分を覆っている。補強シート４５は、炭素繊維により強化されたＰＥＥＫ樹脂が採用され得る。この補強シート４５は、省略されてもよい。
【００２９】
なお、上記殻１５は、殻１４と同様の構成であるので、その説明は省略される。図３が示すように、殻１４に殻１５が突き合わされることにより、構体１２が形成される。隣り合う殻１４と殻１５とが突き合わされる部位（特許請求の範囲に記載された「突合部」に相当）、すなわち、主板１９の外辺３４、３５、３６、主板２０の外辺３７、３８、３９、主板２１の外辺４０、４１、４２、副板２２の外辺４３、副板２３の外辺４４及び副板２４の外辺４５は、対向する殻１５に熱融着され、固着される。本実施形態では、上記外辺３４〜４５に融着代４６が形成されている。殻１４と殻１５とが突き合わされることにより、各融着代４６が当接し合う。この融着代４３が融着されることにより、殻１４と殻１５とを接合する作業が容易になるし、殻１４、１５が強固に融着される。もっとも、この融着代４３は省略されてもよい。
【００３０】
図７は、殻１４と殻１５とが熱融着される手順を示す模式図である。
【００３１】
前述のように殻１４と殻１５とが突き合わされると（図３参照）、向かい合う融着代４６同士が対向する。図７は、この状態を示している。この一対の融着代４６のそれぞれの対向面９１の間に、一対の融着シート９２が配置される。この融着シート９２は、炭素繊維にて強化されたＰＥＥＫ樹脂（プリプレグ）からなる。ただし、宇宙機１０に電波透過性が供給される場合は、炭素繊維に代えて電気伝導性を示さないガラス繊維などが採用され得る。融着シート９２の肉厚は、本実施形態では０．２ｍｍである。ただし、融着シート９２の肉厚は、これに限定されるものではない。そして、この融着シート９２の間にニクロム線９３が配置される。ニクロム線９３に電源装置９４が接続されており、この電源装置９４は、所要の電圧をニクロム線９３に印加することができる。なお、上記対向面９１の中央部に温度センサ９０（典型的には熱電対）が配置され、対向面９１間の温度が計測される。
【００３２】
上記融着代４６、融着シート９２、ニクロム線９３がプレス装置９５によって挟み込まれる。このプレス装置９５は、下型９６及び上型９７を備えており、上型９７が下型９６に向かって移動するときに、上記融着代４６、融着シート９２、ニクロム線９３が矢印９８の方向にプレスされる。このとき、電源装置９４が作動され、ニクロム線９３が発熱して融着シート９２を加熱する。融着シート９２は熱可塑性樹脂シートであるから、加熱されることにより溶融し、その結果、隣り合う融着代４６が矢印９８の方向に向かい会って融着される。
【００３３】
図８は、融着代４６の対向面９１におけるニクロム線９３の位置を示す模式図である。
【００３４】
本実施形態では、ニクロム線９３の線径は、０．６ｍｍに設定されている。もっとも、ニクロム線９３の線径はこれに限定されるものではない。本実施形態では、同図（ａ）が示すように、二本のニクロム線９３が平行に配置されており、上記対向面９１の長手方向に沿って延びている。各ニクロム線９３は、上記対向面９１の短手方向に隔てられている。各ニクロム線９３の離隔距離は特に限定されるものではないが、上記対向面９１の短手方向長さを三等分する位置に配置されている。つまり、各ニクロム線９３は、上記対向面９１の短手方向に均等に並べられている。本実施形態では、プレス機９５による押圧力は、１０ｋｇｆ／ｃｍ２である。また、融着シート９２の加熱温度は、３９５°Ｃ（温度センサ９０による計測温度）、加熱及び加圧時間は、５分である。これにより、上記融着代４６は、その対向面９１の全域において均等に融着され、殻１４と殻１５とが接合される。
【００３５】
本実施形態に係る構体１２は、樹脂成形品として構成された殻１４、１５から成る。したがって、構体１２は、軽量で且つ良好な強度及び剛性が確保されるうえ、耐振動性及び耐衝撃性にも優れた構造体となる。また、構体１２を構成する各面の境界部分に上記補強シート４５が設けられているので、構体１２の強度及び剛性は大幅に上昇する。さらに、各殻１４、１５は、ボルト等による締結構造ではなく、熱融着により固着されるから、構体１２の組立作業が簡単で組立コストが大幅に削減される。
【００３６】
加えて、殻１４、１５が樹脂成形品であるから、構体１２の表面がきわめて滑らかになる。ＰＥＥＫ樹脂の熱伝導率は金属にくらべて非常に低いことも相俟って、適切な塗料が塗られた構体１２は、宇宙空間において太陽熱（赤外線放射）の吸収を抑え、宇宙機本体１１の温度変化が抑制される。従来のように構体が金属で構成される場合は、太陽熱の吸収が抑制されるために構体表面が滑面に仕上げられなければならないが、この加工コストは膨大である。これに比べて本実施形態では、かかる加工コストの問題は生じない。
【００３７】
ところで、宇宙機１０の動力源は電力であり、そのために構体１２には図示されていない太陽電池パネルが配置される。本実施形態では、構体１２は、切頂八面体である。したがって、構体１２がかかる多面体であれば、主板１８〜２１等は、太陽電池パネルを配置するために十分な面積を確保することができる。しかも、切頂八面体は、構造体として球に近似するから、構体１２が宇宙空間で回転する場合に熱制御が容易になる。さらに、殻１４と殻１５は、上記外辺３４〜４２を介して接着されている。すなわち、波形の接合面が構体１２を周回することになるので、構体１２のねじり剛性がきわめて高くなるという利点がある。
【００３８】
特に本実施形態では、構体１２は、肉厚が１．０ｍｍ〜４．０ｍｍのＰＥＥＫ樹脂からなる。本実施形態では、ＰＥＥＫ樹脂に含まれるカーボン繊維は、開繊糸織物１００ｇ／ｍ２・２０ｐｌｙ、繊維体積率は４１％、繊維の弾性係数は、４０ｔｆ／ｍｍ２であり、ＰＥＥＫ樹脂が３９０°Ｃ、３０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件のもとで所定時間だけプレスされる。これにより、構体１２は、きわめて軽量且つ良好な強度及び剛性が実現される。なお、構体１２の肉厚は、本実施形態では前述のように２ｍｍに設定されているが、構体１２に要求される機械的強度及び剛性により、肉厚は適宜設計変更される。
【００３９】
また、構体１２を構成する殻１４、１５は、図３が示すような形状に裁断されたプリプレグから成形される。したがって、殻１４、１５は高い寸法精度にて成形され、その結果、構体１２の機械的強度及び剛性が設計どおりに仕上がる。
【００４０】
本実施形態では、上記殻１４及び殻１５が前述のように熱融着され、接合部分が均等に接着される。したがって、構体１２は、構造体として安定し、外力（引張・圧縮力、ねじり、曲げなど）に対して高い耐性を示す。しかも、構体１２は、従来のようにボルトによる締結構造を備えていないので、組立作業が簡単になり、組立コストが大幅に削減される。
【００４１】
図８（ｂ）〜（ｄ）は、本実施形態の変形例に係るニクロム線の配置を示している。
【００４２】
同図（ｂ）が示すニクロム線９３は、周期的に矢印９９の方向に屈曲している。同図では、ニクロム線９３は、矩形波形状を呈している。同図（ｃ）が示すニクロム線９３も周期的に矢印９９の方向に屈曲している。同図では、ニクロム線９３は、三角波形状を呈している。同様に同図（ｄ）が示すニクロム線９３も周期的に矢印９９の方向に屈曲していおり、同図では、ニクロム線９３は、正弦波形状を呈している。いずれにしても、ニクロム線９３は、上記対向面９１の短手方向に均等に配置されている。
【００４３】
同図（ｂ）では、プレス機９５による押圧力は、１５ｋｇｆ／ｃｍ２である。また、融着シート９２の加熱温度は、３９０°Ｃ（温度センサ９０による計測温度）、加熱及び加圧時間は、１０分である。同図（ｃ）（ｄ）では、プレス機９５による押圧力は、２０ｋｇｆ／ｃｍ２である。また、融着シート９２の加熱温度は、３８５°Ｃ（温度センサ９０による計測温度）、加熱及び加圧時間は、１５分である。いずれの場合も上記融着代４６は、その対向面９１の全域において均等に融着され、殻１４と殻１５とが確実に接合される。
【００４４】
ところで、本実施形態では、構体１２は切頂八面体に形成されている。ただし、構体１２の外形は切頂八面体に限定されるものではなく、種々の多面体が採用され得る。ただし、前述のように、汎用の太陽電池パネルが採用される場合は、これが配置できる平面部分が必要である。また、仮に曲面に設置できる太陽電池パネルが採用され得るならば、構体１２の外形が球体であってもよい。
【００４５】
また、上記融着代４６を熱融着する際に発熱する発熱体は、本実施形態ではニクロム線９３が採用されているが、これに代えてエナメル線が採用されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０・・・宇宙機
１１・・・宇宙機本体
１２・・・構体
１４・・・殻
１５・・・殻
１８・・・主板
１９・・・主板
２０・・・主板
２１・・・主板
２２・・・副板
２３・・・副板
２４・・・副板
３１・・・孔
３２・・・帯部
３３・・・窓
４６・・・融着代
９０・・・温度センサ
９１・・・対向面
９２・・・融着シート
９３・・・ニクロム線
９４・・・電源装置
９５・・・プレス機
９６・・・上型
９７・・・下型
【図１】
2015182695.tif 000003
【図２】
2015182695.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015182695.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015182695.tif 000009
【図８】
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