(57)【要約】【課題】ソーラセールの姿勢を制御するための手段を具え、実用に供することのできるソーラセールを提供する。【解決手段】ソーラセール主膜面に圧電フィルムを用いて曲率を生じさせることにより、正の方向に傾斜する第一の部分と負の方向に傾斜する第二の部分を形成し、第一の部分の反射率を第二の部分の反射率より高くする。ソーラセール主膜面に光を導入し、圧電フィルムに印可する電圧を制御することにより、第一の部分が発生する推進力と第二の部分が発生する推進力の合力の方向を制御して、ソーラセールの姿勢を制御する駆動力を得る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソーラセールのセール主面上に高反射率部と低反射率部とを設ける工程と、
前記ソーラセールの前記セール主面上に光を導入し、前記高反射率部から第１の推進力を得るとともに、前記低反射率部から第２の推進力を得る工程と、
前記第１の推進力と前記第２の推進力とを合算し、前記ソーラセールに対する駆動力を生ぜしめる工程と、
を具えることを特徴とする、ソーラセールの制御方法。
【請求項２】
前記高反射率部及び前記低反射率部間の境界線は、前記ソーラセールの半径方向と略平行となるように設けることを特徴とする、請求項１に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項３】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記ソーラセールの駆動時において、前記ソーラセールの前記半径方向と略垂直な方向において屈曲させることを特徴とする、請求項２に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項４】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記ソーラセールの駆動時において、前記ソーラセールの前記半径方向と略垂直な方向において、前記セール主面に対する傾斜が互いに逆向きとなるように屈曲させ、前記第１の推進力と前記第２の推進力のセール主面内成分を互いに逆向きに生ぜしめたことを特徴とする、請求項３に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項５】
前記光の、前記セール主面に対する入射角度を制御することにより、前記第１の推進力と前記第２の推進力のセール主面内成分を同一方向に生ぜしめることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項６】
前記高反射率部及び前記低反射率部の屈曲の大きさ及び方向の少なくとも一方を変化させることにより、前記第１の推進力及び前記第２の推進力の方向を変化させ、前記駆動力の、セール主面内成分の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御することを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項７】
前記高反射率部及び前記低反射率部は圧電フィルムを含む複数膜の積層部に設け、前記圧電フィルムに対して所定の電圧を印加することにより、前記高反射率部及び前記低反射率部の前記屈曲の大きさ及び方向の少なくとも一方を変化させ、前記ソーラセールに対する前記駆動力のセール面内成分の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御することを特徴とする、請求項６に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項８】
ソーラセールの主面上に、その半径方向と略垂直方向に屈曲した屈曲部を設ける工程と、
前記屈曲部上に電圧印加により反射率が変化する反射率変化膜を形成する工程と、
前記反射率変化膜に対して電圧を印加することにより、前記屈曲部上に高反射率部と低反射率部とを形成する工程と、
前記ソーラセールの前記主面上に光を導入し、前記高反射率部から第１の推進力を得るとともに、前記低反射率部から第２の推進力を得る工程と、
前記第１の推進力と前記第２の推進力とを合算し、前記ソーラセールに対する駆動力を生ぜしめる工程と、
を具えることを特徴とする、ソーラセールの制御方法。
【請求項９】
前記高反射率部及び前記低反射率部間の境界線は、前記ソーラセールの半径方向と略平行となるように形成することを特徴とする、請求項８に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項１０】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記屈曲部上においてセール主面に対する傾斜が互いに逆となるように屈曲させ、前記第１の推進力と前記第２の推進力のセール主面内成分を互いに逆向きに生ぜしめたことを特徴とする、請求項９に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項１１】
前記光の、前記セール主面に対する入射角度を制御することにより、前記第１の推進力と前記第２の推進力のセール主面内成分を同一方向に生ぜしめることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項１２】
前記反射率変化膜に印加する電圧の大きさを変化させることにより、前記高反射率部及び前記低反射率部の反射率を変化させ、前記第１の推進力及び前記第２の推進力の大きさを変化させて、前記ソーラセールに対する前記駆動力のセール主面内成分を制御することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載のソーラセールの制御方法。
【請求項１３】
主面上において、駆動力生成のための高反射率部と低反射率部とを具えることを特徴とする、ソーラセール。
【請求項１４】
前記高反射率部及び前記低反射率部間の境界線は、前記ソーラセールの半径方向と略平行となるように設けたことを特徴とする、請求項１３に記載のソーラセール。
【請求項１５】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記ソーラセールの駆動時において、前記ソーラセールの前記半径方向と略垂直な方向において屈曲させたことを特徴とする、請求項１４に記載のソーラセール。
【請求項１６】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記ソーラセールの駆動時において、前記ソーラセールの前記半径方向と略垂直な方向において、セール主面に対する傾斜が互いに逆向きとなるように屈曲させたことを特徴とする、請求項１５に記載のソーラセール。
【請求項１７】
前記高反射率部及び前記低反射率部は圧電フィルムを含む複数膜の積層部に設け上に設けたことを特徴とする、請求項１３〜１６に記載のソーラセール。
【請求項１８】
主面上において、半径方向と略垂直方向に屈曲するように形成された屈曲部と、この屈曲部上において、電圧印加により生成された高反射率部及び低反射率部を有し、駆動力を生成するための反射率変化膜とを具えることを特徴とする、ソーラセール。
【請求項１９】
前記高反射率部及び前記低反射率は、前記ソーラセールの半径方向と略平行となるように隣接させて形成したことを特徴とする、請求項１８に記載のソーラセール。
【請求項２０】
前記高反射率部及び前記低反射率部は、前記屈曲部上において、セール主面に対して互いに逆の傾斜を有するように屈曲したことを特徴とする、請求項１９に記載のソーラセール。
【請求項２１】
請求項１３〜２０のいずれか一に記載のソーラセールを具えることを特徴とする、宇宙機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空宇宙産業において好適に用いることのできる、ソーラセールの制御方法及びソーラセールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソーラセールは、広大な面積の反射面で太陽光を受けたり、反射させたりして推進力を得るようにしている。このため、前記ソーラセールにおいては、軽量で広大な面積を有する膜面を展開する必要があると同時に、その推進力の方向を制御するために膜面の向き、すなわち姿勢を制御する必要がある。ソーラセールの利用できる推進力は微小であるが、スラスタなどの推進薬を必要としないため、長期間をかけて宇宙機を加速する場合にその利点を発揮させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現状においては、ソーラセールの姿勢を制御するための有効な手段が見出されておらず、実用に供することができるようなソーラセールを実現できていない。
【０００４】
本発明は、ソーラセールの姿勢を制御するための手段を具え、実用に供することのできるソーラセールを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
ソーラセールの主面上に高反射率部と低反射率部とを隣接するようにして設ける工程と、
前記ソーラセールの前記主面上に光を導入し、前記高反射率部から第１の推進力を得るとともに、前記低反射率部から第２の推進力を得る工程と、
前記第１の推進力と前記第２の推進力とを合算し、前記ソーラセールに対する駆動力を生ぜしめる工程と、
を具えることを特徴とする、ソーラセールの制御方法（第１の制御方法）に関する。
【０００６】
また、本発明は、
主面上において、駆動力生成のための高反射率部と低反射率部とを具えることを特徴とする、ソーラセール（第１のソーラセール）に関する。
【０００７】
本発明の第１の制御方法及び第１のソーラセールは、ソーラセールの主面の一部の向きを制御して導入した太陽光の反射方向を制御することにより、光による推進力を利用して前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）を制御するようにしている。
【０００８】
通常の宇宙機のように剛な部分が存在する場合には可動反射面の向きを制御することにより反射光の方向を制御できる。しかし、例えば遠心力により膜面を展張するスピン型ソーラセールの場合などでは、姿勢制御のためのトルクを発生する上で有利な外局部では特に、剛な部分はなく、微小な張力で展張した薄膜が存在するのみとなる。
【０００９】
この様なソーラセールの反射膜の一部の向きを変えるには反射膜に起伏を導入するしかなく、その結果、反射膜の第一の部分の向きを変える（傾斜を付ける）と隣接する第二の部分の向きが逆向きに変化し、第一の部分による光の反射により生じる第一の推進力の方向の変化と、第二の部分による光の反射により生じる第二の推進力の方向の変化とが逆向きとなり、推進力の向きの変化が相殺されることとなる。
【００１０】
そこで、本発明では前記反射膜の向きの変化が正の部分に高反射率部を設け、負（逆向き）の部分に低反射率部を設ける。この状態で前記反射膜上に光を導入すると、前記第一の部分からの反射の度合いと前記第二の部分からの反射の度合いが異なるので、前記第一の推進力の大きさと前記第二の推進力の大きさとは異なることとなる。
【００１１】
したがって、前記高反射率部及び前記低反射率部の入射光に対する向きを適宜に制御するとき、これらの向きの変化が互いに逆向きであっても前記第１の推進力及び前記第２の推進力を合算した推進力、すなわち駆動力を任意の方向に制御することができるようになる。結果として、前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）は、前記駆動力を受けて姿勢を制御されるようになる。
【００１２】
なお、前記高反射率部及び前記低反射率部の向きをリアルタイムで変化させるようにできれば、前記ソーラセールに対する前記駆動力をリアルタイムで制御することができ、前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）をリアルタイムで自在に制御できるようになる。
【００１３】
このための具体的な手段としては、例えば、前記高反射率部及び前記低反射率部を圧電フィルムを含む積層膜の積層部に形成し、前記圧電フィルムに所定の電圧を印加し、前記圧電フィルム中の正又は負の歪みを利用して、前記高反射率部及び前記低反射率部の屈曲方向をそれぞれ制御するようにする。前記電圧の大きさ及び符合を制御することにより、前記高反射率部及び前記低反射率部の屈曲方向及び曲率を任意に制御できるようになるので、前記第１の推進力及び前記第２の推進力の方向をそれぞれ任意に制御できるようになる。結果として、前記第１の推進力及び前記第２の推進力の合算である駆動力も任意の方向に生ぜしめることができ、前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）をリアルタイムで自在に制御できるようになる。
【００１４】
さらに、本発明は、
ソーラセールの主面上に、その半径方向と略垂直方向に屈曲した屈曲部を設ける工程と、
前記屈曲部上に電圧印加により反射率が変化する反射率変化膜を形成する工程と、
前記反射率変化膜に対して電圧を印加することにより、前記屈曲部上に高反射率部と低反射率部とを形成する工程と、
前記ソーラセールの前記主面上に光を導入し、前記高反射率部から第１の推進力を得るとともに、前記低反射率部から第２の推進力を得る工程と、
前記第１の推進力と前記第２の推進力とを合算し、前記ソーラセールに対する駆動力を生ぜしめる工程と、
を具えることを特徴とする、ソーラセールの制御方法（第２の制御方法）に関する。
【００１５】
また、本発明は、
主面上において、半径方向と略垂直方向に屈曲するように形成された屈曲部と、この屈曲部上において、電圧印加により生成された高反射率部及び低反射率部を有し、駆動力を生成するための反射率変化膜とを具えることを特徴とする、ソーラセール（第２のソーラセール）に関する。
【００１６】
本発明の第２の制御方法及び第２のソーラセールも、ソーラセールの主面上に導入した太陽光の平均的反射方向を制御することにより、光による推進力を利用して前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）を制御するようにしている。この場合、前記主面上に屈曲部を設けることにより、屈曲部上の第一の部分が反射する反射光の向きと第二の部分が反射する反射光の方向が異なるようにするとともに、前記屈曲部上屁の電圧印加によって、前記第一の部分と第二の部分の反射率が互いに変化する反射率変化膜を設ける。そして、前記反射率変化膜に所定の電圧を印加することにより、前記反射率変化膜の反射率を部分的に変化させ、前記第一の部分に高反射率部を設け、前記第二の部分に低反射率部を設ける。
【００１７】
したがって、前記ソーラセールの前記主面上に光を導入することにより、前記高反射率部からの反射の度合いと前記低反射率部からの反射の度合いが異なるので、前記高反射率部から生成される第１の推進力の大きさと前記低反射率部から生成される第２の推進力の大きさとは異なるようになる。この結果、前記高反射率部及び前記低反射率部の反射率を適宜に制御することにより、これらの可変反射率部からの光の反射の強さを変化させ、前記第１の推進力及び前記第２の推進力を合算した推進力、すなわち駆動力を任意の方向に制御することができるようになる。結果として、前記ソーラセールは、前記駆動力を受けて姿勢（スピン速度）を制御されるようになる。
【００１８】
この場合、前記反射率変化膜における前記高反射率部及び前記低反射率部の反射率をリアルタイムで変化させれば、前記ソーラセールに対する前記駆動力をリアルタイムで制御することができ、前記ソーラセールの姿勢（スピン速度）をリアルタイムで自在に制御できるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のソーラセールを有する宇宙機の一例を概略的に示す構成図であり、図２は、図１に示すソーラセールの制御力発生部を拡大して示す構成図である。図１に示す宇宙機１０は、ソーラセール１１と、宇宙機本体１２と、結合索１３とを有しており、スピンにより生じる遠心力により膜面１１Ａ（セール主面）に張力を付与している。ソーラセール１１の所定の箇所には、折り目１５が設けられており、折り目１５間には制御力発生部１４が設けられている。制御力発生部１４は高反射率部１６及び低反射率部１７を有している。
【００２０】
図２から明らかなように、高反射率部１６及び低反射率部１７は、所定の圧電フィルム１８上に設けた膜体から構成されている。また、高反射率部１６及び低反射率部１７の境界線は、ソーラセール１１の半径方向と略平行に設けられている。なお、圧電フィルム１８は、所定の非圧電フィルム１９上に形成されている。
【００２１】
図３及び図４は、上述したソーラセールの駆動方法を説明するための図である。圧電フィルム１８に対して所定の電圧が印加され、圧電フィルム１８中に正の歪みが生成されるようになると、圧電フィルム１８は上側に反るようになり、これに伴って高反射率部１６及び低反射率部１７も上側に反るようになる。このとき、高反射率部１６及び低反射率部１７は、ソーラセール１１の半径方向と略垂直な方向において、互いに逆向きに傾斜するようになる。
【００２２】
したがって、図中矢印で示す入射光は、高反射率部１６及び低反射率部１７において図中矢印で示すように互いに異なる方向に反射されるようになり、この結果、推進力のセール主面内成分については、高反射率部１６及び低反射率部１７から、水平方向において、それぞれ異なる向きに前記反射光に起因した第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬが生じるようになる。
【００２３】
ソーラセール１１には、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬの合力が駆動力（トルク）として作用するようになる。高反射率部１６及び低反射率部１７の反射率の大小に起因して、第１の推進力ＫＨ＞第２の推進力ＫＬの関係が成立するので、前記駆動力（トルク）は第１の推進力ＫＨと同方向に生じるようになる。この結果、ソーラセール１１、すなわち宇宙機１０は、前記駆動力を受けてその姿勢（スピン速度）を制御することになる。
【００２４】
また、圧電フィルム１８に対して所定の電圧が印加され、圧電フィルム１８中に負の歪みが生成されるようになると圧電フィルム１８は下側に反るようになり、これに伴って高反射率部１６及び低反射率部１７も下側に反るようになる。この場合においても、高反射率部１６及び低反射率部１７は、ソーラセール１１の半径方向と略垂直な方向において、互いに逆向きに傾斜するようになるので、図中矢印で示す入射光はそれぞれ異なる方向に反射するようになる。この結果、高反射率部１６及び低反射率部１７からは、水平方向において、それぞれ異なる向きに前記入射光に起因した第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬが生じるようになる。
【００２５】
なお、この場合に生じる第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬは、高反射率部１６及び低反射率部１７が図３に示す場合と逆方向に傾斜しているので、それら推進力の方向も逆方向となる。
【００２６】
ソーラセール１１には、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬの合力が駆動力（トルク）として作用するようになる。高反射率部１６及び低反射率部１７の反射率の大小に起因して、第１の推進力ＫＨ＞第２の推進力ＫＬの関係が成立するので、前記駆動力（トルク）は第１の推進力ＫＨと同方向に生じるようになる。この結果、ソーラセール１１、すなわち宇宙機１０は、前記駆動力を受けてその姿勢（スピン速度）を制御することになる。但し、この場合に生成される駆動力（トルク）は、図３に示す場合と逆方向となる。
【００２７】
圧電フィルム１８に印加する電圧の極性と大きさとを随時変化させれば、図３及び図４に示すような屈曲状態を連続的に形成することができる。したがって、図３に示すような順方向の駆動力及び図４に示すような逆方向の駆動力を連続的に生ぜしめることができ、目的とする駆動力（トルク）の大きさを任意に制御できるようになり、ソーラセール１１の姿勢（スピン速度）を十分効果的に制御できるようになる。
【００２８】
なお、上記具体例においては、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬを異なる方向に生ぜしめているが、セール主面１１Ａに対する入射光の入射角度を適宜に制御することにより、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬを同一方向に生ぜしめることもできる。
【００２９】
図５は、本発明のソーラセールを有する宇宙機の他の例に関するものであり、前記ソーラセールの主面上に形成された制御力発生部のみを示している。本例においては、宇宙機全体の構成は図１に示すものと同様であり、制御力発生部のみが異なっている。
【００３０】
本例において、制御力発生部２４は、曲率半径Ｒで屈曲させられた膜体２８と、電圧印加によって反射率が変化する反射率変化膜２９とから構成されている。膜体２８の屈曲方向は、ソーラセール１１の半径方向と略垂直方向である。反射率変化膜２９には所定の電圧が印加されることによって反射率が部分的に変化し、ソーラセール１１の半径方向と略平行な境界の両側には、高反射率部２６及び低反射率部２７とが隣接するようにして形成されている。
【００３１】
制御力発生部２４は屈曲しているので、図中矢印で示す入射光は、高反射率部２６及び低反射率部２７において図中矢印で示すように互いに異なる方向に反射され、この結果、高反射率部２６及び低反射率部２７から、水平方向において、それぞれ異なる向きに前記反射光に起因した第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬが生じるようになる。
【００３２】
ソーラセール１１には、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬの合力が駆動力（トルク）として作用するようになる。高反射率部２６及び低反射率部２７の反射率の大小に起因して、第１の推進力ＫＨ＞第２の推進力ＫＬの関係が成立するので、前記駆動力（トルク）は第１の推進力ＫＨと同方向に生じるようになる。この結果、ソーラセール１１、すなわち宇宙機１０は、前記駆動力を受けてその姿勢（スピン速度）を制御することになる。
【００３３】
なお、高反射率部２６及び低反射率部２７の形成位置を逆転させれば、第１の推進力ＫＨ及び第２の推進力ＫＬの生成方向を逆転することができ、逆向きの駆動力（トルク）を生成させることができる。
【００３４】
反射率変化膜２９に印加する電圧を制御することにより、高反射率部２６及び低反射率部２７の反射率を連続的に変化させることができるようになり、順方向及び逆方向の駆動力（トルク）を連続的に形成できるようになる。したがって、ソーラセール１１の姿勢（スピン速度）を十分効果的に制御できるようになる。
【００３５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ソーラセールの姿勢を制御するための手段を具え、実用に供することのできるソーラセールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のソーラセールを有する宇宙機の一例を概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示すソーラセールの反射率制御部を拡大して示す構成図である。
【図３】図１に示すソーラセールの駆動方法を説明するための図である。
【図４】同じく、図１に示すソーラセールの駆動方法を説明するための図である。
【図５】本発明のソーラセールを有する宇宙機の他の例に関するものであり、前記ソーラセールの主面上に形成された反射率制御部を拡大して示す構成図である。
【符号の説明】
１０  宇宙機
１１  ソーラセール
１２  宇宙機本体
１３  結合索
１４、２４  反射率制御部
１５  折り目
１６、２６  高反射率部
１７、２７  低反射率部
１８  圧電フィルム
１９  非圧電フィルム
２８  屈曲部を構成する膜体
２９  反射率変化膜
ＫＨ  第１の推進力
ＫＬ  第２の推進力
【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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