(57)【要約】【課題】地球に近い周回軌道を有している場合に比べて約１０倍も強い太陽光と２０倍も強い惑星放射の場合でも、人工衛星の内部を適度な温度（−４０℃から＋６０℃まで）にする人工衛星用のラジエータを提供する。【解決手段】人工衛星ＳＡＴ用のラジエータＲにおいて、ラジエータ表面上に波長選択素子ＯＳを設け、該波長選択素子が、高い全半球放射率特性と、５００Ｋから７００Ｋまでの或る温度を有する黒体の赤外輻射に対する低い吸収率特性と、低い太陽光吸収率特性とを有するようにした。【選択図】　図９
2004001739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星（ＳＡＴ）のためのラジエータ（Ｒ）において、
ラジエータ表面上に波長選択素子（ＯＳ）が着設され、該波長選択素子が以下の特性：
高い全半球放射率；
５００Ｋから７００Ｋまでの間の一つの温度を有する黒体の赤外輻射に対する低い吸収率；
低い太陽光吸収率；
を備えていることを特徴とするラジエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のラジエータにおいて、
前記波長選択素子（ＯＳ）は、カットオフ波長を有し、前記カットオフ波長の下側では入射光がほとんど反射され、前記カットオフ波長の上側では輻射がほとんど吸収されるように構成されていることを特徴とするラジエータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のラジエータにおいて、
前記波長選択素子（ＯＳ）は、波長選択材料からなる薄い小平板形状のフィルムを備えていることを特徴とするラジエータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のラジエータにおいて、
前記波長選択素子（ＯＳ）は、例えばＣａＦ２、ＬａＦ３、ＣｅＦ３といったフッ化物からなるフィルムか又はＡｌ２Ｏ３からなるフィルムを有し、該フィルムの裏側には、例えばアルミニウムもしくは銀からなる反射層が設けられていることを特徴とするラジエータ。
【請求項５】
請求項４に記載のラジエータにおいて、
前記フッ化物フィルム又は前記Ａｌ２Ｏ３フィルムは、０．１〜１０ｍｍの厚さ、好ましくは１ｍｍの厚さを有する薄い小平板（ＦＰ）とされていることを特徴とするラジエータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のラジエータにおいて、
前記フッ化物フィルム又は前記Ａｌ２Ｏ３フィルムの外側表面および／または縁部は、静電的に強く帯電するのを防止するために、例えば酸化亜鉛、酸化インジウム・酸化亜鉛からなる弱導電性を有するフィルム（ＬＳ）によって被覆されていることを特徴とするラジエータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のラジエータにおいて、
前記反射層（ＲＳ）を保護するために、例えばニッケル又はインコネルからなる腐食防止フィルム（ＫＳ）が前記反射層（ＲＳ）の裏側かつ前記反射層の縁部に沿って設けられていることを特徴とするラジエータ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のラジエータにおいて、
前記波長選択素子（ＯＳ）と該ラジエータ（Ｒ）とは、一体型のユニットを形成していることを特徴とするラジエータ。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のラジエータにおいて、
前記波長選択素子（ＯＳ）は、導電性接着剤（ＫＦ）によって前記ラジエータ（Ｒ）に接合されていることを特徴とするラジエータ。
【請求項１０】
太陽に近い例えば水星といった惑星の周りの軌道上にある人工衛星（ＳＡＴ）のボードに、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のラジエータ（Ｒ）を用いるラジエータの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星のためのラジエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙船内で生じた損失熱を低温の外部空間へ放射するため、そしてそれによって内部の温度を調整するために、宇宙飛行中にラジエータ（放熱板）が利用される。内部負荷が赤外輻射としてできるだけ良好に外部空間に放出されるように、適した表面特性が用いられる。これに反して、外部負荷（主として太陽光ならびに周回する惑星からのアルベドや赤外輻射）は、できるだけ吸収されないようにしなければならない。地球軌道上の人工衛星には、通常は高い赤外線全半球放射率（εｈ）と低い太陽光吸収率（αｓ）とを有する表面が用いられている（例えば、白色塗料、ＯＳＲ、ＳＳＭ−Ｂａｎｄ）。このため、これらの表面は、吸収される地球放射を最小限に抑えない。
【０００３】
太陽に近い惑星探査の場合には、（地球に近い周回軌道を有している場合に比べて）およそ１０倍も強い太陽光と２０倍も強い惑星放射とによる外部負荷が加えあわされるという新たな要求が生じる。こういった外部環境は、例えば水星の周りの周回軌道上に存在する。ラジエータ機能に必要な標準的なラジエータ表面の高いεｈ値のせいで、およそ数ｋＷ／ｍ２もの著しい熱量が吸収されることになり、さらには、看過できないような人工衛星の温度上昇がもたらされることになると考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、例えば水星の周りの周回軌道上で支配的になるような、約１０倍も強い太陽光と２０倍も強い惑星放射（地球に近い周回軌道を有している場合に比べて）の場合でも、人工衛星の内部に適度な温度（−４０℃から＋６０℃まで）を保証する人工衛星用ラジエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の対象によって解決される。本発明によるラジエータの好適な発展形態ならびに好適な使用方法は、さらに他の請求項の対象である。
【０００６】
本発明により、ラジエータは、該ラジエータの表面上に波長選択素子を備え、該波長選択素子は、次の特性を備えている；
−　人工衛星の損失熱（Ｖｅｒｌｕｓｔｗａｅｒｍｅ）を放射するための高い全半球放射率（εｈは０．８よりも大きいことが好ましい）；
−　軌道上に人工衛星がある惑星からの熱放射の吸収を最小化するための、５００Ｋから７００Ｋまでの間の温度を有する黒体の赤外輻射に対する低い吸収率（αＩＲは０．４よりも小さいことが好ましい）；
−　太陽の熱放射の吸収を最小化するための低い太陽光吸収率（αｓは０．２よりも小さいことが好ましい）。
【０００７】
波長選択素子のための材料としては、特にフッ化物、例えばＣａＦ２、ＬａＦ３、ＣｅＦ３が適しており、あるいはまたＡｌ２Ｏ３も適している。このとき、裏側には例えば銀もしくはアルミニウムからなる反射層が着設されている。
【０００８】
上述の材料は、好適には、薄い、それも特に単結晶の例えば０．１ｍｍから１０ｍｍの厚さを有する小平板の形をした波長選択材料とされている。この小平板の面積は、材料や製造方法に応じて数ｍｍ２から数ｃｍ２までの間の大きさとされるが、もっとも、このとき基本的には上限や下限といったものは存在しない。薄い小平板を使用するのには特に利点がある。というのも、小平板を使用することによって、ラジエータ材料と波長選択材料の異なる熱膨張を補償することができるからであり、個々の小平板の間に、膨張用のクリアランスとして機能する間隙が設けられるから、もしくは設けることができるからである。これらの間隙は、小平板の厚さと同程度に選ばれることが好ましい。これは、波長選択材料からなる一つながりのフィルムを用いる場合には当てはまらないであろう。加えて、小平板を用いる方が一層修理し易い。というのも、部分的な欠陥があれば、理想的な場合、個々の小平板を一つだけ交換すればよく、全体の一続きになったフィルムを丸ごと新しくする必要がないからである。また、ラジエータ本体の作製と並行して小平板を着設することができる。これにより、作製工程をより柔軟に組むことが出来る。小平板は、好ましくは接着剤を用いて、例えば柔軟な接着剤を用いて着設させることができる。従って、この接着剤は、ラジエータ材料と波長選択材料の異なる熱膨張率を追加的に補償するのに役立たせることができる。特に、上記接着剤は、導電性を有した状態に設けられていてもよい。
【０００９】
本発明による波長選択素子は、用いられる材料にも依存するが、カットオフ波長を有している。このカットオフ波長の下側（短波長側）では、入射光は概ね反射され、カットオフ波長の上側（長波長側）では、入射光は概ね吸収される。ＣａＦ２に対しては、カットオフ波長は例えば９μｍとなる。このカットオフ波長の存在によって、所望の放射率ならびに所望の吸収率に対する上述の材料特性が得られることになる。
【００１０】
以下に、本発明によるラジエータを、水星の周りの周回軌道上における人工衛星のボード（Ｂｏｒｄ）に使用する場合について具体的に説明する。
【００１１】
本発明によるラジエータの基本原理は、一方では水星から来る赤外輻射、他方では人工衛星自身の固有の赤外輻射のための、ラジエータ表面上に設けられた波長選択素子（本明細書中、この波長選択素子を光スプリッタと称する場合もある）の選択輻射特性（ｓｅｌｅｋｔｉｖｅ　Ｓｔｒａｈｌｕｎｇｓｅｉｇｅｎｓｃｈａｆｔ）に基づいている。人工衛星の内部からの熱を放射するラジエータとしての本来の働きを損ねることなく、水星から来る赤外輻射の吸収が最小限に抑えられる。
【００１２】
加えて、波長選択素子は、低い太陽光吸収率を有している。その結果、太陽光の吸収量が低く保たれる。ラジエータの向きを上手く太陽や水星に対して調整することによって、全部合わせて太陽光の吸収を防止することさえできる。
【００１３】
本発明に係る光スプリッタの動作原理は、水星の場合に限定されるものではなく、高い惑星放射（及び惑星自身の高い温度）の条件下における他の惑星探査にも転用することができる。それぞれの放射の状態に適用させるためには、光学素子のカットオフ波長を変更しさえすればよい。カットオフ波長の変更は、適した材料選択によって実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施形態に関して図面に基づいて詳述する。
【００１５】
図１は、水星の周りの衛星軌道の幾何学的な関係を説明するための図である。近地点における軌道の高さが４００ｋｍ、遠地点における軌道の高さが１５００ｋｍになるような、水星の周りの楕円形の軌道を前提とする。この軌道は、紙面に垂直になっている。水星の周りを廻っている人工衛星ＳＡＴの一方の面は、常に天底の方向に向けられている。
【００１６】
人工衛星が軌道上の特定の位置に達して、太陽方向ベクトル（Ｓｏｎｎｅｎｖｅｋｔｏｒ）がラジエータ面に対して平行に延在する（図２参照）ようになった時点で、人工衛星が適した方法によって回転させられ、これによって、太陽光がラジエータ面に直に入射することが防止される。図２から分かるように、このような人工衛星の回転は、水星が太陽を廻る間にちょうど２回行なわれる。人工衛星の軌道面は、図２においては、紙面に対して垂直になっている。人工衛星の軌道面の方向は、水星が太陽の周りを全て１周する間、空間的に固定され、回転しないようになっている。ラジエータの法線ベクトルは、周回軌道上のあらゆる点において、天底方向に対して垂直になっている。図示された人工衛星軌道は、ベピコロンボ（Ｂｅｐｉ　Ｃｏｌｏｍｂｏ）水星探査のオービターの軌道に相当するものであり、この軌道において、本明細書で述べられるようなラジエータが用いられる必要がある。
【００１７】
人工衛星の一方の側は、決して太陽に照らされることがなく、ラジエータＲ（図１及び図３を参照）として用いられる。このラジエータ上には、視野による因子に若干左右されるものの、実に弱いアルベド輻射しか入射しない一方、非常に強い水星の赤外輻射が入射する。水星は、昼側では、遠地点での６００Ｋから近地点での７００Ｋまでの間の表面温度を有している。水星の夜側では、表面温度は約１００Ｋ付近に存在する。昼側における温度は、太陽直下点（Ｓｕｂｓｏｌａｒｐｕｎｋｔ）から水平面（Ｈｏｒｉｚｏｎｔ）までの間のラジエータの視角（３８°〜５９°）で略一定に保たれる。これに反して、水星の温度は、概ね、一周する間（水星年）の太陽からの水星の距離とともに変化する。水星は、約５９日かけて自分の地軸周りに１回転しかしないので、昼側と夜側とにおける温度分布は略一定である。水星が太陽の周りを１周するのには８８地球日かかる。
【００１８】
図７に概略的に示されるように、本発明により、ラジエータＲの滑らかな外側表面に光スプリッタが着設される。光スプリッタＯＳとラジエータＲとは、一体型のユニットを形成していることが好ましい。
【００１９】
図９は、本発明による光スプリッタＯＳの構成を詳細に示す。図示された実施形態において、複数の光スプリッタＯＳがラジエータ表面上に隣り合わせに並べられて設けられ、ラジエータの全表面を略覆うようになっている。光スプリッタの波長選択材料は、好ましい実施形態においては、単結晶の研磨されたフッ化カルシウム小平板ＦＰとされている。フッ化カルシウムは、ガラスに良く似た、つまり、温度や輻射に対して非常に耐性のある特性を有しており、熱制御ミラー（ＯＳＲ；Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｌａｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ）のように固定することができる。小平板ＦＰは、通常、約１ｍｍの厚さで約２０×２０ｍｍ２の大きさを有している。裏側は、真空蒸着ないしスパッタによって、アルミニウムもしくは銀からなる反射層ＲＳでコーティングされている。この反射層ＲＳの腐食防止として、例えばニッケルやインコネル（ｌｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）又はそれに類似のものからなるさらに他のフィルムＫＳが用いられる。このフィルムＫＳは、小平板ＦＰの裏側の面上でしかもその周縁に着設されている。小平板ＦＰは、ラジエータ材料（すなわち、アルミニウムもしくは所定のサンドウィッチ構造）とフッ化カルシウムとの熱膨張の違いを補償するために、ＯＳＲと同様、柔軟な接着剤を用いて貼り付けられている。この接着剤は、導電性接着剤として設けられていてもよい。例えば、小平板は、シリコーン接着剤（図９の接着フィルムＫＦ）によってラジエータＲの外側表面に貼り付けられている。別構成として、薄いアクリルの接着フィルムも使用することができる。加えて、小平板ＦＰの外側表面及び周縁部は、静電気的に強く帯電するのを防止するために、例えば酸化亜鉛もしくは酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＴＯ）（ｌｎｄｉｕｍ−Ｚｉｎｎｏｘｉｄ）からなる電気を若干通すフィルムＬＳによってコーティングされていてもよい。ここで、小平板同志の間には、熱膨張の違いを相殺するような十分な柔軟性が得られるように、例えば約０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度までの間隙が残されていることが好ましい。小平板を用いることによって、例えば、アンテナやそれに類似のものといったさらに他のコンポーネントのための所定の取り付け位置、あるいはインサート（ｌｎｓｅｒｔ）やブラケット（Ｂｒａｃｋｅｔ）の周りに小平板を着設するなど、より複雑なラジエータ構造に対して、より簡単にラジエータのコーティングを適合させることも可能になる。
【００２０】
光スプリッタというのは、基本的には、選択的熱光学特性が変更されて逆にされたＯＳＲ（熱制御ミラー）である。波長選択材料としてのフッ化カルシウムを含んだ光スプリッタは、約９μｍにカットオフ波長を有している点に特徴がある。図４及び図５は、裏側に銀蒸着が施された１ｍｍの厚さのフッ化カルシウムに対して、シュミレーション計算から導出された吸収率スペクトル及び反射率スペクトルを示すものである。図から、波長約９μｍの辺りに鋭い境界があって、この境界で吸収率が長波長側に向かって略０から１近くにまで跳ね上がっていることが分かる。逆に、反射率は、上側（長波長側）では約１から０に近い値にまで落ち込んでいる。
【００２１】
水星輻射は、その輻射最大値を波長約４〜５μｍ辺りに有しているが、その一方で、０℃から４０℃までの温度におけるラジエータＲの固有の赤外線輻射は、その輻射最大値を大体１０μｍ辺りに有している。図８には、ラジエータ（３１０Ｋ）、水星（７００Ｋ）、そして太陽（５７７７Ｋ）の温度に対する黒体の輻射密度スペクトルが示されている。輻射最大値のこの違いによって、光スプリッタＯＳを用いることができるようになっている。つまり、入射してくる水星輻射は、光スプリッタＯＳのフッ化カルシウム層を通り抜け、反射層ＲＳとして用いられている銀の層において大半が宇宙空間にはね返されるため、僅かにしか吸収されない（αＩＲ（７００Ｋ）＜０．４）。表面温度約５７７７Ｋを有する黒体の放射に対応して輻射最大値を５００ｎｍに有する太陽光もまた僅かにしか吸収されない（αｓ（５７７７Ｋ）＜０．２）。このため、波長選択素子ＯＳは、ラジエータ材料として地球軌道上の人工衛星にも適している。
【００２２】
ラジエータの固有の輻射は、高い全半球放射率（εｈ＞０．８）によって、光スプリッタの表面から外部空間へと放出される。
【００２３】
図７には、人工衛星、ラジエータ、光スプリッタの系に存在している熱の流れと放射の径路がまとめて示されている。
【００２４】
図４及び図５における吸収率スペクトルもしくは反射率スペクトルと９μｍの分割周波数（Ｓｐｌｉｔｔｅｒｆｒｅｑｕｅｎｚ）とは、接着剤を含めて僅か３．３ｋｇ／ｍ２程の質量被覆度（Ｍａｓｓｅｎｂｅｌｅｇｕｎｇ）における水星探査用ラジエータに対する要求に完全に合致する。
【００２５】
このようにして、以下の熱光学的特性を得ることができる（図６も参照）。
【表１】
2004001739.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【図１】水星の周りの人工衛星軌道の近地点及び遠地点における幾何学的関係を示す図である。
【図２】太陽の周りの水星軌道と人工衛星軌道の幾何学的関係を示す図である。
【図３】人工衛星ならびにラジエータに入射する熱負荷に関する図である。
【図４ａ】裏側に銀蒸着を行なった１ｍｍ厚のフッ化カルシウム小平板の、シュミレーション計算から導出された吸収率スペクトルを、特に赤外線領域に相当する周波数領域において示す図である。
【図４ｂ】裏側に銀蒸着を行なった１ｍｍ厚のフッ化カルシウム小平板の、シュミレーション計算から導出された反射率スペクトルを特に赤外線領域に相当する周波数領域において示す図である。
【図５ａ】裏側に銀蒸着を行なった１ｍｍ厚のフッ化カルシウム小平板の、シュミレーション計算から導出された吸収率スペクトルを対数で示す図である。
【図５ｂ】裏側に銀蒸着を行なった１ｍｍ厚のフッ化カルシウム小平板の、シュミレーション計算から導出された反射率スペクトルを対数で示す図である。
【図６】裏側に銀蒸着を行なった１ｍｍ厚のフッ化カルシウム小平板の吸収率を、黒体の入射光の温度の関数として示す図である。
【図７】表面に着設された光スプリッタを有するラジエータからなる本発明に係る実施形態を概略的に示す図であって、この場合に存在する熱の流れと輻射の径路をも一緒に示す図である。
【図８】波長に依存する３１０Ｋにおける黒体の輻射密度スペクトル（ラジエータ）、７００Ｋにおける黒体の輻射密度スペクトル（水星）、及び５７７７Ｋにおける黒体の輻射密度スペクトル（太陽）を示す図である。
【図９】表面に着設された光スプリッタを有するラジエータからなる本発明の実施形態を詳細に示す図である。
【符号の説明】
ＦＰ・・・波長選択材料からなる小平板
ＫＦ・・・接着フィルム
ＫＳ・・・腐食防止フィルム（例えばニッケル又はインコネル）
ＬＳ・・・弱導電性フィルム（例えば　酸化亜鉛又は酸化インジウム・酸化亜鉛）
ＯＳ・・・光スプリッタ（波長選択素子）
ＲＳ・・・反射層
ｈａ・・・遠地点における軌道の高さ
ｈｐ・・・近地点における軌道の高さ
ＩＲ・・・赤外線
ＯＳＲ・・・熱制御ミラー
ＳＳＭ・・・第２表面ミラー（Ｓｅｃｏｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｉｒｒｏｒ）
ｒｍ・・・水星の半径
ＵＶ・・・紫外線
α・・・吸収率（材料特性）
αＩＲ（７００Ｋ）・・・水星（７００Ｋ）の放射スペクトルに関する光スプリッタの赤外線吸収率
αｓ（５７７７Ｋ）・・・太陽（５７７７Ｋ）の放射スペクトルに関する光スプリッタの吸収率
εｈ・・・全半球赤外線放射率（材料特性）
φＭ（ｔ）・・・人工衛星から見た水星の天底方向と水平面との間の角度
φＭａ・・・φＭ（遠地点）
φＭｐ・・・φＭ（近地点）
【図１】
2004001739.tif 000004
【図２】
2004001739.tif 000005
【図３】
2004001739.tif 000006
【図４ａ】
2004001739.tif 000007
【図４ｂ】
2004001739.tif 000008
【図５ａ】
2004001739.tif 000009
【図５ｂ】
2004001739.tif 000010
【図６】
2004001739.tif 000011
【図７】
2004001739.tif 000012
【図８】
2004001739.tif 000013
【図９】
2004001739.tif 000014