JP2013138339A - アンテナ支持構造および人工衛星搭載用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 人工衛星搭載用アンテナの熱変形を抑えるために、従来では、アンテナ反射鏡の積層枚数を増やして剛性を上げる、アンテナ反射鏡と支持構造の接着を離散的な点付けにするといった対策が行われてきた。このような従来の対策では、積層枚数の増加によるアンテナの質量増と、接着作業工程の増加による製造コストの上昇を招く結果となっていた。
【解決手段】 熱膨張がほぼゼロとなるアンテナ支持構造を予め設計・製作しておき、それを標準的な支持構造として使用する。この支持構造を使用することで、アンテナ反射鏡と支持構造の線膨張率の差を極めて小さくできるため、従来の熱変形対策に拠らず、アンテナの熱変形を抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は人工衛星搭載用アンテナに関するものである。特に、アンテナの反射鏡を標準の支持構造体を用いて保持するようにした人工衛星搭載用アンテナに関するものである。

人工衛星搭載用アンテナについては、衛星軌道上で安定した通信を確保するため高い寸法安定性が要求される。特に人工衛星に搭載されるアンテナは、広範囲の温度変化（−１８０℃〜＋１３０℃程）に曝されるため、地上で使用されるアンテナよりも厳しい寸法安定性が要求される。さらに人工衛星全体の質量を抑えるため軽量性が要求される。また、ロケット打ち上げ時の加速度荷重に耐えうる強度が人工衛星搭載用アンテナには要求される。

これらの要求に対し、従来、炭素繊維と樹脂からなる複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics。以下、ＣＦＲＰという。）がその要求を満たす材料として多く使用されてきた。ＣＦＲＰの特徴として、金属材料より軽量かつ高強度であり、極めて低い線膨張率を有することが挙げられる。
例えば特許文献１に示されるように、炭素繊維を３軸方向に配置したＣＦＲＰの織物をアンテナ反射鏡に使用し、ＣＦＲＰ製の支持構造と組み合わせて使用することで、軽量性及び強度、寸法安定性に優れたアンテナを製作することができる。

特開平７−２２６６１９号公報 特開２００５−２１７６９６号公報

人工衛星に搭載されるアンテナは、先に記載したように広範囲の温度変化に曝されるため、寸法安定性に関して厳しい基準が要求される。
衛星に搭載されるアンテナは一般に衛星毎に異なるものであるため、従来、アンテナ反射鏡の熱変形が要求仕様を満たさない場合には、アンテナ毎に、アンテナを構成するアンテナ反射鏡や支持構造の構成を見直し、構造解析を再度実施するという手順を繰り返す必要があった。このため、設計に時間を要し、開発期間が長期間化するという課題があった。

ここで、複合材料を用いた人工衛星搭載用アンテナにおいて、アンテナ反射鏡に熱変形が生じる原因として以下の点が挙げられる。
アンテナはアンテナ反射鏡とアンテナ反射鏡を支持する支持構造を備える。支持構造の構成品として、例えばＣＦＲＰ製のＴ型フランジ（以下、Ｔビームという）があり、このＴビームの成形にはＲＴＭ成形法が用いられる。ＲＴＭ成形法はまず炭素繊維を成形型に予め配置しておき、その炭素繊維を浸すように成形型の中へ樹脂を充填する方法であり、Ｔビームのような同一形状を多数成形する場合に適している。
しかしながら、成形型に充填する樹脂の流動性を確保する必要があり、炭素繊維と樹脂の体積比を任意に変更することが困難である。ＣＦＲＰの線膨張率は、負の線膨張率を有する炭素繊維と正の線膨張率を有する樹脂の体積比により決定される。従来から製造されるＴビームは、このようなＲＴＭ成形法の制約から、線膨張率を完全にゼロに抑えることができず、およそ０．２ｐｐｍ程度の値となっていた。

一方、アンテナ反射鏡の成形にはプリプレグ成形法が用いられる。プリプレグ成形法は、専用の成形型をあらかじめ製作し、この成形型にプリプレグを重ねて張り合わせた後に加圧・加熱することによりアンテナ反射鏡を成形する。通常、アンテナ反射鏡は、製品毎に成形型が異なるため、ＴビームのようなＲＴＭ成形法ではなく、プリプレグ成形法が用いられる。プリプレグ成形法は、ＲＴＭ成形法と異なり樹脂の流動性の制約がないことから、炭素繊維と樹脂の体積比を調整することで線膨張率をほぼゼロに抑えることができる。

このように、Ｔビームから構成される支持構造は正の線膨張率を有する一方で、アンテナ反射鏡はゼロの線膨張率を有する。したがってアンテナ反射鏡と支持構造とが組み合わされた状態で広範囲の温度変化の環境に曝されると、アンテナ反射鏡と支持構造の線膨張率の差によってアンテナ反射鏡に熱変形が発生する。

アンテナ反射鏡の熱変形を抑えるため、従来、アンテナ反射鏡の積層枚数を増やして剛性を上げることや、特許文献２に示すようにアンテナ反射鏡と支持構造の接着を離散的な点付けにすること、あるいは結合部品の形状を工夫すること等の対策が行われてきた。しかしながら、これらの対策は積層枚数の増加による余剰な質量の投入と、接着作業工程の増加による製造コストの上昇を招くという課題があった。
さらに、アンテナは一般に衛星毎に異なるものであるため、衛星毎にアンテナの構造設計を新規に行う必要があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、従来、衛星毎に行っていたアンテナの構造設計を、共通化された部品を用いることで省略することのできる人工衛星搭載用アンテナを提供することを目的とする。

この発明に係るアンテナ支持構造は、アンテナ反射鏡を前記アンテナ反射鏡の裏面側で支持するアンテナ支持構造であって、前記アンテナ反射鏡の裏面中央部に配置され、前記アンテナ反射鏡の中央部を支持する標準支持構造と、前記標準支持構造の外周部で固定され、前記標準支持構造の中心部を中心として放射方向に継ぎ足された外周保持部材とを備え、前記外周保持部材は、前記アンテナ反射鏡の中央部以外の外周領域を支持する。

この発明によれば、従来、アンテナ反射鏡の熱変形が要求仕様を満たさない場合に行っていた、アンテナ毎にアンテナを構成するアンテナ反射鏡や支持構造の構成の見直しや、構造解析を再度実施するといった繰り返し作業を省略することができ、開発期間の短縮とコストを抑えることができる。

実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナの斜視図である。 実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナの標準支持構造の斜視図である。 実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナの外周保持Ｔビームの斜視図である。 実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナの標準支持構造に外周保持Ｔビームを接続した部分を示した図である。 実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナにおいて、開口径の異なるアンテナ反射鏡１Ａ、１Ｂ、１Ｃを各々支持する支持構造を説明する図である。 実施の形態２に係る人工衛星搭載用アンテナにおいて、低膨張Ｔビームの構造を示す図である。 実施の形態２に係る人工衛星搭載用アンテナの斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る人工衛星搭載用アンテナ１００（以下、「アンテナ１００という）の斜視図であり、電波を送受信するアンテナ面の裏面側から見たものである。
アンテナ１００は、電波を送受信するアンテナ反射鏡１と、アンテナ反射鏡１の裏面中央部に配置されアンテナ反射鏡１を支持する標準支持構造１０と、アンテナ反射鏡１の裏面外周部にあって、アンテナ反射鏡１の開口径に合わせた長さでアンテナ反射鏡１の外周部を支持するように標準支持構造１０の中心から外周方向に向けて、放射状に足を伸ばすように継ぎ足されたアンテナ外周保持用Ｔビーム３ａ、３ｂ、…、３ｅ（以下、「外周保持Ｔビーム３ａ、３ｂ、…、３ｅ」という）を備える。
なお、アンテナ外周保持用Ｔビームは外周保持部材の一例である。

アンテナ反射鏡１の開口径をＬ（アンテナ）とし、標準支持構造１０で支持可能なアンテナ反射鏡１の開口径をＬ（標準）とすると、外周保持Ｔビーム３はＬ（アンテナ）とＬ（標準）の差分をカバーする長さＬ（外周保持Ｔバー）を有して、アンテナ反射鏡１の外周部分を支持する。
なお、アンテナ１００は、図１の取り付け点４において人工衛星本体（図示せず）に取り付けられて固定される。

標準支持構造１０は、アンテナ反射鏡１の形状を裏面側で支持する支持構造体の中で共通部品となる構造体であり、様々な大きさや形状のアンテナ反射鏡１において標準的に使用される構造体である。

図２は本実施の形態１に係る標準支持構造１０の斜視図である。標準支持構造１０は、例えば図２のようにＴビーム２ａ〜２ｕの各々が三角形を成すように組み合わされることで構成される。
隣接するＴビーム２同士の固定は、隣り合うＴビーム２の間に例えばＬ字型補強材（図示せず）を挿入しＴビームとＬ字型補強材を各々接続することで、固定されている。Ｔビーム２が集まる交点（例えばＴビーム２ｂ、２ｇ、２ｍ、２ｈが集まる交点２０）では、複数のＬ字型補強材が用意され、Ｌ字型補強材が隣接するＴビーム２同士の間に挿入されて固定されている。
隣接するＴビーム２を固定する別の方法としては、放射状の板を供えた円柱部品を用意し放射状の板部分にＴビーム２の端を固定することで複数のＴビーム２が組み合わすようにし、標準支持構造１０を構成するようにしてもよい。

図３は本実施の形態に係る外周保持Ｔビーム３の斜視図である。外周保持Ｔビーム３はＣＦＲＰから成り、Ｔビーム２と同じくＲＴＭ成形法によって成形される。
外周保持Ｔビーム３の長さＬ（外周保持Ｔビーム）は、アンテナ反射鏡１の開口径によって定まる。すなわち、標準支持構造１０で支持可能なアンテナ反射鏡１の開口径をＬ（標準）としてアンテナ反射鏡１の外周部分を保持するために不足する長さを所定のプロセスで算定し、その算定結果に従い、長さＬ（外周保持Ｔビーム）の外周保持Ｔビーム３を用意する。

図４は標準支持構造１０に外周保持Ｔビーム３を接続した部分を示した図である。図４のＴビーム２t、２u、２oは標準支持構造１０を構成する部品（図２に示した標準支持構造１０の一部）であり、標準支持構造１０の外周にあってＴビーム２t、２u、２oが交差した箇所に、外周保持Ｔビーム３がＬ字型補強材３０により固定されている様子を示したものである。
Ｌ字型補強材３０とＴビーム２ｔと外周保持Ｔビーム３ａとの間はネジなどで機械的に接続してもよいし接着剤等で接着してもよい。

図５（ａ）〜（ｃ）は、開口径が異なるアンテナ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ（アンテナ開口径は順に、１００Ｃ＞１００Ｂ＞１００Ａ）において、各々のアンテナ反射鏡１Ａ、１Ｂ、１Ｃを支持する支持構造を説明する図である。図５のように、いずれのアンテナ１００においてもアンテナ反射鏡１の中央部に標準支持構造１０を配する。そして、各々の開口径にあわせて、所望の長さの外周保持Ｔビーム３Ａ、３Ｂ、３Ｃ（外周保持Ｔビームの長さは順に、３Ｃ＞３Ｂ＞３Ａ）を標準支持構造１０の外側に設ける。

このように本実施の形態では、開口径が異なるアンテナ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの設計にあたり、標準支持構造１０を共通の構造体としてアンテナ反射鏡１の支持構造を構成することができる。

支持構造を共用化することで、アンテナ毎に支持構造を新規設計する必要がなくなるため、設計に要する時間を短縮することができる。より詳しくは、従来、アンテナ設計の段階において、アンテナ反射鏡の熱変形が要求仕様を満たさない場合には、アンテナ反射鏡や支持構造の構成を見直し、構造解析を再度実施するといった手順を繰り返してきた。これに対し、本発明のアンテナでは、アンテナ反射鏡の熱変形を極めて小さく抑えられるため、設計の見直しや構造解析を幾度も繰り返す必要がなくなる。これにより設計工数の削減、開発期間の短期化を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、標準支持構造１０を用いることで支持構造の設計を容易にするようにしたが、通常用いられるＲＴＭ成形法によるＴビーム２はプラスの線膨張係数を有するため、Ｔビーム２から構成される標準支持構造１０もプラスの線膨張係数を有することになり、広範囲に温度が変化する環境では寸法安定性に問題が生ずる。実施の形態２では、標準支持構造１０の線膨張係数を略ゼロとする標準支持構造１０について説明する。なお、実施の形態１と同じ構成については同一符号を記し説明を省略する。

ＣＦＲＰを材料とするＴビーム２や外周保持Ｔビーム３の成形は、一般にはＲＴＭ成形法が用いられる。ＲＴＭ成形法では、炭素繊維を予め用意した成形型に配置し、この炭素繊維を浸すように樹脂を充填していく方法を採るが、成形型に配置する炭素繊維と樹脂の体積比を任意に変更することが困難であるため、線膨張係数はプラス（０．２ＰＰＭ）の値となる。
このＴビーム２と外周保持Ｔビーム３を用いた場合、アンテナ反射鏡１を支持する支持構造もの線膨張係数もプラスとなる。

図６は、実施の形態２に係る低膨張Ｔビーム５０の構造を示した図である。低膨張Ｔビーム５０は、従来のＴビーム２の縦部材の側面にマイナスの線膨張係数を有するシート４０を張った構造を有する。シート４０の材料は例えばＣＦＲＰの一方向材であり、一方向材とは、ＣＦＲＰに含まれる炭素繊維を単一の方向に整列させた材料である。負の線膨張率を有する炭素繊維を単一の方向に整列させることにより、シートの炭素繊維の整列方向については負の線膨張率を持たせる事ができる。適当な大きさに切断したシート４０をＴビーム２の縦部材の両側面に張り合わせることにより、Ｔビーム２の線膨張係数を下げて、線膨張係数がほぼゼロとなる低膨張Ｔビーム５０を作製することができる。
同様に、外周保持Ｔビーム３の縦部材の側面にマイナスの線膨張係数を有するシート４０を張ることで、線膨張係数がほぼゼロとなる外周保持Ｔビーム（以下、「低膨張外周保持Ｔビーム６０」という）を作製することができる。

図７は、低膨張Ｔビーム５０を使用した標準支持構造とその外周に設けた低膨張外周保持Ｔビーム６０からなる支持構造で、アンテナ反射鏡１を保持したアンテナを示した図である。図７において、アンテナ反射鏡１はプリプレグ成形法により作成される。プリプレグ成形法では、専用の成形型をあらかじめ製作し、この成形型にプリプレグを重ねて張り合わせた後に加圧・加熱することによりアンテナ反射鏡を成形するが、炭素繊維と樹脂の体積比を調整することが可能で、線膨張率をほぼゼロに抑えることができる。

以上のように、実施の形態２では、線膨張率をほぼゼロのアンテナ反射鏡１の裏面側の中央部に低膨張Ｔビーム５０を使用した標準支持構造を配し、この標準支持構造では支持できないアンテナ反射鏡１の外周部を所定の長さを有する低膨張外周保持Ｔビーム６０で保持するようにした。

線膨張率をほぼゼロとした支持構造を使用することによって、アンテナ反射鏡と支持構造の線膨張率の差をほぼゼロとし、アンテナ反射鏡の熱変形を極めて小さく抑えることができる。
よって、従来のように支持構造の変形に耐えるようにアンテナ反射鏡の積層枚数を増やして剛性を上げる必要がなくなるため、アンテナ質量の軽量化を図ることができる。
また、従来のようにアンテナ反射鏡と支持構造の結合部分を離散的な接着とする必要がなくなるため、接着作業工程の簡略化を図ることができる。
また、任意の開口径のアンテナ反射鏡１に対して、支持構造を共用化することで、アンテナ毎に支持構造を新規設計する必要がなくなるため、設計に要する時間を短縮することができる。

実施の形態３
実施の形態２では、標準支持構造１０を成す全てのＴビームの縦部材の両側面にシート４０を接着剤などで貼り付け、また、外周保持Ｔビーム３の縦部材の両側面にもシート４０を貼ることでアンテナ反射鏡１の裏面側の支持構造の線膨張係数をゼロに抑えるようにしたが、この場合、Ｔビームに貼り付けたシート４０と接着に用いた接着剤の分だけアンテナの質量が増すこととなる。
そこで、標準支持構造のＴビームにはシート４０を貼り付けて線膨張をゼロに維持するが、外側の外周保持Ｔビーム３については、シート４０は貼らずにするようにしてもよい。

このように外側の外周保持Ｔビーム３についてシート４０は貼らない場合、アンテナ反射鏡の外周部は従来のＴビームによって支持されているため、アンテナ反射鏡の外周部に熱変形が発生する。しかしながら、アンテナ反射鏡の外周部周辺の熱変形は、アンテナとしての電気性能に大きく影響を与えるものでない。そこで熱変形が許容できる場合には実施の形態３のように部分的にシート４０を貼るようにしてもよい。
このようにすることで、シート４０とその接着に用いた接着剤の分だけアンテナの質量が増すことを防止できる。

１ アンテナ反射鏡、２ Ｔ型フランジ（Ｔビーム）、３ａ〜３e アンテナ外周保持用のＴビーム、３Ａ〜３Ｃ アンテナ外周保持用のＴビーム、４ 取り付け点、１０ 標準支持構造、２０ 交点、３０ Ｌ字型補強材、４０ マイナスの膨張係数を有するシート、５０ 低膨張Ｔビーム、６０ 低膨張外周保持Ｔビーム、１００ 人工衛星搭載用アンテナ。

Claims (5)

1. アンテナ反射鏡を前記アンテナ反射鏡の裏面側で支持するアンテナ支持構造であって、
   前記アンテナ反射鏡の裏面中央部に配置され、前記アンテナ反射鏡の中央部を支持する標準支持構造と、
   前記標準支持構造の外周部で固定され、前記標準支持構造の中心部を中心として放射方向に継ぎ足された外周保持部材と、
   を備え、
   前記外周保持部材は、前記アンテナ反射鏡の中央部以外の外周領域を支持することを特徴とするアンテナ支持構造。
2. 前記標準支持構造はＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）を材料としたＴ型フランジからなり、前記Ｔ型フランジの縦部材の側面には負の線膨張率を有+するＣＦＲＰの一方向材からなるシートが張り付けられていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ支持構造。
3. 前記Ｔ型フランジはＲＴＭ成形法により成形され正の線膨張率を有することを特徴とする請求項２記載のアンテナ支持構造。
4. 異なる長さの前記外周保持部材を備え、
   所定の長さの前記外周保持部材を選択することにより、前記標準支持構造の中心から前記外周保持部材の端までの長さが調整可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のアンテナ支持構造。
5. 前記アンテナ反射鏡と、請求項１乃至４のいずれか記載のアンテナ支持構造からなる人工衛星搭載用アンテナ。

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