JP2023500005A - 宇宙空間の構造体のための熱管理システム - Google Patents

Abstract

アンテナアセンブリは、太陽光発電を行う少なくとも１つの太陽電池を有するソーラー層と、ソーラー層に接続され、ソーラー層によって太陽光発電された電力を利用する電子コンポーネントを含むアンテナ層と、アンテナアセンブリのそれぞれの領域において熱を放散する放熱装置とを有する。多数のアンテナアセンブリが接続されてアンテナアレイを形成し、熱は各アンテナアセンブリのそれぞれの領域で発生し、各アンテナアセンブリのそれぞれの領域で放散される。

Description

関連出願
本出願は、２０１９年５月１５日に出願された米国特許出願第６２／８４８,３１７号、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２５号、および２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７８,０８１号の優先権を主張する。本出願はまた、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２３号、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２４号、２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７７,８６４号、および２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７７,８６０号に対する優先権を主張する。これらの出願の内容は依拠され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０２０年５月１５日に出願された「Low Earth Orbit Mechanical Deployable Structure」という名称の米国特許出願、および２０２０年５月１５日に出願された「Thermal Management System for Structures in Space」という名称の米国特許出願の内容を参照によりさらに組み込む。

米国特許第９,９７３,２６６号及び米国特許出願公開第２０１９／０２３８２１６号は、大型アレイを形成するために空間内で多数の小型衛星アンテナアセンブリを組み立てるためのシステムを示す。２６６号特許の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。２６６号特許に開示されているように、図１（ａ）、１（ｂ）は、小型衛星３０２のアレイ３００と、中央または制御衛星２００とを有する衛星通信システム１００を示す。これらの小型衛星３０２は、地球上のフットプリント４００内のエンドユーザ５００と通信し、また、制御衛星２００と通信し、そして制御衛星は基地局のゲートウェイ６００と通信する。小型衛星３０２はそれぞれ、たとえば、処理デバイス（たとえば、プロセッサまたはコントローラ）と、１つまたは複数のアンテナ素子とを含むことができる。また、制御衛星２００は、処理デバイスと、１つまたは複数のアンテナまたはアンテナ要素とを含むことができる。

日照中と影の間を含め、展開中および動作中の温度を平衡させるアンテナアセンブリが提供され、温度が過剰に上昇したり、温度の振れ幅が大きくなったりすることによりアンテナアセンブリが損傷するかもしれないような過度の温度情報および大きな温度の振れ幅を回避することを可能とする。アンテナアセンブリが過度に加熱されることを防止するために、日照中は温度が分散される。宇宙空間において温度が低くなる影の間は、温度が維持される。

図１（ａ）は、従来の構造アレイを示す。 図１（ｂ）は、従来の構造アレイを示す。

図２は、アンテナ素子のないアンテナアセンブリのＲＦ側の斜視図である。

図３は、アンテナ素子を有するアンテナアセンブリのＲＦ側の斜視図である。

図４は、アンテナアセンブリの太陽側の斜視図である。

図５は、アンテナアセンブリのブロック図である。

詳細な説明

図面に示された本開示の例示的で非限定的な実施形態を説明する際に、明確にするために特定の用語が用いられる。しかしながら、本開示は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、各特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の方法で動作する全ての技術的均等物を含むことを理解されたい。本開示のいくつかの実施形態は、例示目的で説明されており、本開示は、図面に具体的に示されていない他の形態で具現化され得ることを理解されたい。

図面を参照すると、図２～図５は、本開示の例示的な一実施形態による構造アセンブリ、ここではアンテナアセンブリ（アンテナ組立体）３１０を示す。アンテナアセンブリ３１０は、図１（ａ）、１（ｂ）の衛星通信システム１００のような任意の衛星システムにおいて利用することができる。アンテナアセンブリ３１０は、また、単独で（それ自体で）別個に利用され得るか、またはアンテナもしくは通信のため以外の目的のために利用され得る。

一実施形態では、アンテナアセンブリ３１０は、複数のアンテナアセンブリと組み合わせて利用されるように構成されており、宇宙空間に大きなアンテナアレイを形成できる。個々のアンテナアセンブリ３１０は、構造的および／または電気的に多数のものと結合できるようになっており、図１（ａ）、図１（ｂ）のアレイ３００のような大きな構造を宇宙空間に形成する。このアレイは、格納または保管構成と、展開または動作構成とを有する。複数のアンテナアセンブリは、格納構成で宇宙空間に輸送される。格納構成では、アンテナアセンブリ３１０は、コンパクトな構成（配置、アレンジ）であり、例えば、折り畳まれることにより相互に積み重ねられた状態であってもよい。宇宙空間においては、アンテナアセンブリは展開構成に移動し、そこで互いに対して展開され、互いに実質的に平面になるように外側に（外側へと）拡張する。各衛星アレイは、少なくとも１つ（１つまたは複数）のコネクタ３７２によって互いに機械的に接続された複数の衛星モジュールアセンブリ３１０を有する。複数の衛星モジュールアセンブリが宇宙空間内で接続されて、単一の軌道傾斜角および／または単一の開口を有する単一の大型位相アレイを形成することができる。

アンテナアセンブリ３１０は、第１の外層３２０と、中間層３５０と、第２の外層３８０とを有する。第１の外側層３２０は、アンテナ素子を保持するアルミニウム反射体であり、本明細書ではＲＦ（無線周波数）層またはアンテナ層と呼ばれることもある。中間層３５０は、軽量で剛性のハニカムなどの支持構造である。第２の外層３８０は、太陽から太陽エネルギーを収集する１つ以上の太陽電池を有するソーラーパネルであり、本明細書ではソーラー層と呼ばれることもある。アンテナアセンブリ３１０は、ＲＦ層３２０が地球に最も近くなるように構成され、その結果、アンテナ素子は天底に面し（地球に面し）、干渉または障害物なしに（すなわち、アンテナアセンブリによる物理的干渉がなく、アンテナアセンブリにおける他の電子デバイスからの電気的干渉がない（または低減された）状態で）、地上のユーザ装置と最良に通信できる。加えて、ソーラー層３８０は、天頂に面し（地球から離れた方に面し）、太陽から太陽エネルギーを収集して太陽エネルギーから電力を生成し、アンテナアセンブリ３１０上の電子部品（電子コンポーネント）に電力を供給するために利用できる。

各アンテナアセンブリ３１０は、回路またはコンポーネントアセンブリ（部品組立体、構成要素組立体）３６０（図５）および構造アセンブリ（構造体）（図２～図４）を有する。コンポーネントアセンブリ３６０は、アンテナ３３２と、電子回路とを含む。電子回路は、様々な１つまたは複数の電子コンポーネント（電子部品）を含むことができ、例えば、プロセッサ３６２などの処理デバイス、ケーブル３６６、ＦＥＭ３７０、および／または１つもしくは複数のバッテリ３６４などの電源を含むことができる。構造アセンブリは、コンポーネントアセンブリ３６０を収容して支持し、例えば、外側層３２０、３８０、中間層３５０、および付随する構造素子を含むことができる。特定の素子が回路アセンブリの一部であり、他の素子が構造アセンブリの一部であるとして説明されているが、これらの素子は、他のアセンブリの一部、または回路アセンブリ（回路組立体）および構造アセンブリ（構造体）の両方の一部と考えることができる。
ＲＦ層３２０

ＲＦ層３２０は、図２および図３に最もよく示されている。ＲＦ層３２０は本体３２２を有し、別の衛星、基地局、または地球上のユーザ装置と通信するために使用される複数のアンテナ３３２を収容する。本体３２２は、４つの側面（辺）３２４ａ、３２４ｂ、３２４ｃ、３２４ｄと、外向き表面（外面）３２８と、内向き表面（内面）３２６とを含む長方形または正方形の形状を有する。本体３２２は、薄い平坦な導電板として形成されており、軽量である。一例では、本体はアルミニウムで作られ、アンテナ下地（接地領域、領域）を形成する。１つ以上のアンテナ３３２が本体３２２に搭載される（取り付けられている）。本体３２２は、アンテナ３３２が本体３２２に取り付けられるのに十分な構造及び支持を提供するが、軽量である。ＲＦ層３２０は、また、熱反射体としても動作し、アンテナアセンブリ３１０を通して熱を分散させる。

１つまたは複数（少なくとも１つ）の凹部またはポケット３３０が、ＲＦ層３２０の本体３２２に設けられる。図に示される例示的実施形態では、行および列に整列された複数のポケット３３０が設けられており、ここでは４×４アレイとして示される。ポケット３３０は、外向き表面（外面）３２８から内向き表面（内面）３２６に向かって内向きに延びている。したがって、ポケット３３０は、本体３２２の外面３２８上に凹部を形成し、本体の内面３２６からわずかに外向きに突出する。ポケット３３０は、図３に示されるように、８辺を有する八角形の形状を有することができ、または、正方形（図２に示されるように）、長方形、若しくは円形などの任意の好適な形状を有することができる。

アンテナ３３２は、ポケット３３０の各々（各々の内部）に収納、搭載されており、アンテナ３３２のアレイ、ここでは４×４アレイの１６個のアンテナ３３２を形成する。アンテナ３３２は、プリント回路基板などの基板と、基板上に実装された少なくとも１つ（１つまたは複数）のアンテナ素子とを有することができる。アンテナ素子は、アンテナアセンブリ３１０との間で信号、例えばＲＦ信号を通信（送受信）する。図３の例では、各アンテナ３３２は、互いに相互接続された４つのアンテナ素子を有するが、用途に応じてそれよりも多いまたは少ないアンテナ素子を設けることができる。アンテナ３３２は、ポケット３３０の凹部を充填し（に収まり）、ＲＦ層３２０の外向き表面３２８と同一平面になるように（ぴったりと重なるように）位置合わせされる。したがって、アンテナ素子は、ＲＦ層３２０の外面３２８から外向きに設けられており、これはまた、アンテナアセンブリ３１０全体において外向きとなっている。

外向き表面３２８は実質的に平面であるので、アンテナ素子も互いに平面である。複数のアンテナ３３２からの複数のアンテナ素子はすべて、妨害または干渉なしに地球に面する。アンテナアセンブリ３１０が複数のアンテナアセンブリのアレイに接続されると、アンテナ素子は互いに結合し、実質的に平面であるアンテナアセンブリアレイ全体のアンテナ素子と結合して、宇宙空間に大きなアンテナ構造を形成する。本開示の一実施形態によれば、展開構成において、アンテナアセンブリ３１０は、単一の連続した均一の途切れのない表面を形成するようになっており、そのため、側面３２４が互いに接触して、隣接するアンテナアセンブリ３１０間に間隙のない単一の連続した均一かつ平面的な表面を形成する。第１の層３１０はまた、アンテナの下地となるリフレクタ（反射器）として機能するとともに、放射器としても機能する。
ソーラー層３８０

図４を参照すると、ソーラー層３８０は、４辺を有する長方形または正方形の本体３８２と、外向き表面（外面）３８４と、内向き表面（内面）３８６とを有する。本体は、薄い平坦な導電板として形成され、軽量である。一例では、本体は、アンテナの下地を形成するためにアルミニウムで作られる。少なくとも１つ（１つまたは複数）の太陽電池３８８が、ソーラー層３８０の外向き表面３８４に、即ち、アンテナアセンブリ３１０の地球から離れた方に面する側に取り付けられている。本体３８２は、少なくとも１つの太陽電池が本体３８２に取り付けられるのに十分な構造および支持を提供し、軽量である。

太陽電池３８８は、太陽エネルギーを収集して太陽光発電を行い、それはアンテナアセンブリ３１０の回路アセンブリに給電するための主電源である。バッテリ３６４は、太陽電池が十分な電力を生成しない場合に二次またはバックアップ電源を形成し、太陽電池１２０が過剰な電力を生成するときに太陽電池１２０によって充電される充電式バッテリであってもよい。

各ソーラー層３８０は、アンテナアセンブリ３１０において局所的に（アンテナアセンブリ３１０のそれぞれの場所で、アンテナアセンブリの領域で、アンテナアセンブリの単位で）太陽光発電を行う。複数のアンテナアセンブリ３１０が、それらのアンテナアセンブリ３１０からなるアレイにおいて利用されるとき、電力は、大量の電力、例えば、１００ｋｗを超えるＤＣ電力および最大では数百キロワットのＤＣ電力を生成するためにスケールアップする。アレイはモジュール式であり、より多くのアンテナアセンブリ３１０を追加することによって拡張可能である。アレイ内に設けられるアンテナアセンブリ３１０が多いほど、電力は大きくなる。加えて、アンテナアセンブリ３１０は、各アンテナアセンブリ３１０において局所的に（アンテナアセンブリそれぞれの場所において、アンテナアセンブリそれぞれの領域において）（ソーラー層３８０を介して）電力を生成するだけでなく、電力が生成されると、同じアンテナアセンブリ３１０において電力が局所的に（アンテナアセンブリそれぞれの場所において、アンテナアセンブリそれぞれの領域において）使用される。例えば、電力は、処理デバイス（処理装置）３６２、アンテナ３３２、およびフロントエンドモジュール（ＦＥＭ：Front End Module）３７０などの電子コンポーネントによって使用される。

太陽電池（ソーラーセル）３８８は、地球から離れた方に面する表面上、ここでは、ソーラー層３８０の外向き表面３８４上に位置付けられることができる。太陽電池は太陽から太陽エネルギーを受け取ることができ、アンテナアセンブリ３１０が地球と太陽との間にあるときは特にである。したがって、ＲＦ側３２０は地球に面し、反対側の太陽光側３８０は地球から離れた方に面する。一実施形態では、アンテナアセンブリ３１０は、軌道において、特定の時間の間、太陽により直接的に（直に）向かうように角度を付けることができる。太陽エネルギーは、アレイ、アセンブリ３１０、またはアレイ推力のための電子部品に電力を供給するために利用することができる。例えば、太陽電池３８８は、光起電材料または太陽エネルギーを電気エネルギーに変換してソーラーパネルとして動作する他の材料から作製することができ、太陽電池３８８は、さらに、本開示に従って信号を送受信するためのアンテナ構造（又は衛星若しくは衛星モジュール３１０の他の構造）としても機能する。電気エネルギーは、衛星または衛星モジュール３１０に電力を供給するために使用され、または後の使用のために貯蔵される。従って、同じ構造を太陽エネルギーおよび衛星アンテナとしての動作に使用することができる。
中間層３５０

図２に示されるように、中間層３５０は、ＲＦ層３２０とソーラー層３８０との間に配置される。中間層３５０は、アンテナアセンブリ３１０に強度および剛性を与え、ＲＦ層３２０においてアンテナ３３２を動作させる電子コンポーネントを収容する。特に、ＲＦ層３２０及びソーラー層３８０は、それぞれの本体３２２および３８２の厚みが最小となるように金属板で形成され、軽量化されている。これらの層３２０および３８０を薄くすることにより、アンテナアセンブリ３１０の構造を維持し、アンテナアセンブリ３１０が湾曲または屈曲することを防止するのに十分な強度を欠いている場合がある。しかしながら、アンテナ３３２およびアンテナアセンブリ３１０の適切な動作を可能にするために、アンテナアセンブリ３１０は十分に剛性であることが重要である。

したがって、中間層３５０は支持構造３５２を有し、いくらかのフレキシビリティ（可撓性）はあるが十分な剛性を備えており、アンテナアセンブリ３１０が屈曲または撓曲することを抑制し、アンテナアセンブリ３１０を動作不能にするか、またはアンテナアセンブリ３１０の動作を劣化させ得ることがない程度までの剛性を備えている。したがって、支持構造３５２は軽量かつ剛性であり、アンテナアセンブリ３１０に、構造的な支持および剛性を提供できる。加えて、支持構造３５２は軽量であり、これは宇宙用途にとって重要であり、宇宙空間への輸送のために重量を低減するために重要である。例示的な一実施形態では、支持構造体３５２は任意の好適な材料および構造体であってもよく、例えば、Ｎｏｍｅｘ（ノーメックス、登録商標）製のハニカム構造体などであってもよい。

中間層３５０はまた、アンテナ３３２を動作させるコンポーネントアセンブリ（部品の組立体）３６０を収容する。コンポーネントアセンブリ３６０は、支持構造３５２に設けられたオープニング（開口、隙間）内に位置する。コンポーネントアセンブリ３６０は、例えば、処理装置３６２、バッテリ３６４、ワイヤ又はケーブル３６６、３６８、及びフロントエンドモジュール（ＦＥＭ）３７０を含むことができる。例えば、中間層３５０のハニカム構造は、コンポーネントアセンブリ３６０の個々のコンポーネントをそれぞれ収容する別々の開口部を含むことができる。すなわち、プロセッサ３６２は第１の開口部に収容され、バッテリ３６４は第２の開口部に収容されてもよい。したがって、コンポーネントアセンブリ３６０の複数のコンポーネント（部品）は、外側のＲＦ層３２０と外側のソーラー層３８０との間の、アンテナアセンブリ３１０の内部に収容される。コンポーネントのうちの１つまたは複数は、外層３２０、３８０のうちの１つに対して、より近くに配置されていてもよい。例えば、ＦＥＭ３７０は、それぞれの対応するアンテナ３３２に隣接するようにＲＦ層３２０に対してより近くに配置してもよく、また、アンテナ３３２との干渉を回避するためにソーラー層３８０に対してより近くに配置してもよい。また、プロセッサ３６２は、アンテナ３３２を加熱することを回避するためにソーラー層３８０に近くなるように配置することができ、またはソーラー層３８０からの熱を回避するためにＲＦ層３２０に近くなるように配置してもよい。

コンポーネントアセンブリ３６０は、また、温度放散もしくは放熱コンポーネント（放熱部品）またはヒートスプレッダ（熱放散装置）を含んでもよく、例えば、アルミニウム反射体３２０に沿って熱を１つの局所的なスポットから別の局所的なスポットに分散させるヒートパイプ３１４などを含んでもよい。ヒートパイプはまた、ソーラーパネル３８０からの熱をアンテナアセンブリ３１０全体にわたって（アンテナアセンブリ３１０を通して）、例えば各ＦＥＭ３７０に分配することができる。ヒートパイプは熱伝導によって動作するが、ヒートパイプ以外の任意の適切な放熱装置を設けることができ、パイプを含む必要はない。放熱コンポーネントは熱的に動作し、プロセッサ３６２によって制御される必要はないが、他の放熱コンポーネントを設けてもよく、プロセッサ３６２が、その放熱コンポーネントによって伝達される熱の量を制御してもよい。複数の放熱コンポーネントは、アンテナアセンブリ３１０全体に熱を分散させるが、１つのアンテナアセンブリ３１０から隣接するアンテナアセンブリ３１０に熱を分散させることもできる。

処理デバイス（処理装置）３６２は、例えば、プロセッサまたはコンピューティングデバイスであってもよい。処理装置３６２は、アンテナアセンブリ３１０の動作を制御および管理する。たとえば、プロセッサ３６２は、アンテナ３３２を介して送信および／または受信される信号を制御することができる。プロセッサ３６２はまた、バッテリ３６４の動作を制御することができ、例えば、太陽エネルギーをバッテリ３６４に、及びバッテリ３６４から様々なコンポーネントに、例えばソーラーパイプを介して方向付けることができる。バッテリ３６４はエネルギーを貯蔵し、ソーラーパネル３８０によって充電されて電子機器で使用される。複数のワイヤ３６６は、１つのアンテナアセンブリ３１０を隣接するアンテナアセンブリ３１０に接続する高速ケーブルである。複数の高速ケーブル３６６は、複数のアンテナアセンブリ間の同期のため、および複数のアンテナアセンブリ３１０間で電力を共有するために、複数のアンテナアセンブリ３１０を相互接続する。

ワイヤ３６８は、ＦＥＭ３７０をプロセッサ３６２に接続してＦＥＭ３７０とプロセッサ３６２との間に電気通信を提供する複数のＲＦケーブルである。ＦＥＭ３７０は、アンテナ３３２の背後の電子機器であり、例えば、送信機および／または受信機を含むことができる。ＦＥＭ３７０は、アンテナ３３２と位置合わせされて配置され、第１の層３２０の開口部を通してアンテナ３３２と接続する。個別のＦＥＭ３７０を対応するアンテナ３３２のそれぞれに対して設けることができ、それによって、各ＦＥＭ３７０は対応するアンテナ３３２と位置合わせされる（列になる）。あるいは、複数のアンテナ３３２に対して１つのＦＥＭ３７０を設けることができる。アンテナ３３２はアンテナアセンブリ３１０の外側に設けられており、外側のＲＦ層３２０の外向き表面３２８に設けられている。また、ＦＥＭ３７０はアンテナアセンブリ３１０の内側に設けられており、外側のＲＦ層３２０と外側のソーラー層３８０との間の中間層３５０にある。ＰＣＢをアルミニウム反射器３２０から分離するためにアルミニウムスペーサを設けることができ、これも熱ブリッジとして機能する。

加えて、アンテナアセンブリ３１０が、複数のアンテナアセンブリ３１０を含むアレイの一部を構成する場合、少なくとも１つのコネクタ３７６（図１）がアンテナアセンブリ３１０の少なくとも１つの側面３２４に設けられる。複数のコネクタ３７６は、支持構造３５２に、または、外側の層３２０および３８０の一方若しくは両方に、またはアンテナアセンブリ３１０の他の適切な構造に、例えば１つまたは複数の締結具または接着剤などによって接続することができる。コネクタ３７２は、アンテナアセンブリ３１０を、隣接するアンテナアセンブリ３１０に対し回転可能に接続するヒンジ、テープばねなどを含むことができる。したがって、アンテナアセンブリは、格納構成において、それが接続される隣接するアンテナアセンブリ上に折り畳まれ、また、展開構成において、それが隣接するアンテナアセンブリとともに展開されて平面になるようにすることができる。
アンテナアセンブリ３１０

アンテナアセンブリ（アンテナ組立体、アンテナ構造体）３１０は、地球低軌道（LEO：Low-Earth Orbit）構造である。上述の実施形態では、アンテナアセンブリ３１０は、複数のアンテナ素子を備えるアンテナ３３２を有する。しかしながら、アンテナアセンブリ３１０は、任意の好適な目的のために用いられ、任意の好適な電子コンポーネント（電子部品）を含んでもよく、アンテナ３３２またはアンテナ素子を含まなくてもよい。アンテナアセンブリ３１０は、中間層３５０において電子コンポーネントを収容することにより、それらがＲＦ層３１０の外向き表面３２８においてアンテナ３３２と干渉しないようにすることができる。ソーラー層３８０は、電子コンポーネントを動作させるための太陽エネルギーを提供する。さらに、アンテナアセンブリの内部で、ソーラーパネルによって受け取られた熱をとどめておく（保持する）断熱を設けてもよい。したがって、電力および処理をアレイ全体にわたって分散でき、太陽エネルギーは、各アンテナアセンブリ３１０において（太陽電池によって）収集され、（その同じアンテナアセンブリ３１０において）局所的に（その場において、その領域で）（電子コンポーネントによって）消費され、処理は、中央に位置する処理デバイスではなく各アンテナアセンブリ３１０において提供される。

ＲＦ層３２０、中間層３５０、及びソーラー層３８０は全て、同様の形状を有する。図に示される形状は正方形であるが、長方形または三角形などの他の適切な形状を利用することができる。これらの層３２０、３５０、３８０は組み合わされて、ＲＦ層３２０によって形成された第１の外向き表面（第１の外面）３２８と、ソーラー層３８０によって形成された第２の外向き表面（第２の外面）３８４とを有する比較的薄い平坦な長方形または正方形構造を形成する。中間層３５０は、ＲＦ層３２０とソーラー層３８０との間に挟まれている。層３２０、３５０、３８０は、任意の好適な方法で、例えば、締結具、樹脂、または接着材料により共に（一体となるように）接続され、それらにより層３２０、３５０、３８０の全てを接続してもよく、隣接する層を接続してもよい。本体３３２、３８２は、それぞれのアンテナおよび太陽電池を支持することを可能とする程度の範囲で、本体３３２、３８２は可能な限り薄く作製され、その結果、それらは軽量である。しかしながら、薄いために、それら本体３３２、３８２はフレキシブル（可撓性）となる。中間層３５０は、必要となる剛性を提供し、アンテナアセンブリ３１０の望ましくない曲げおよび撓みを防止し、その一方で中間層３５０は軽量材料で作られる。ＲＦ層３２０、中間層３５０、及びソーラー層３８０は全て、互いに平行な平坦な外面を有する。

アンテナアセンブリ３１０は、別個のハウジングを含まないことに留意されたい。むしろ、電子層３２０が中間層３５０に直に接続され、中間層３５０がソーラー層３８０に直に接続されることを含めて、これらの層３２０、３５０、３８０は互いに接続される。アンテナアセンブリ３１０は、１つの、単一の一体型の部材を形成する。しかしながら、アンテナアセンブリ３１０は、また、レドーム、ハウジングまたはフレームなどの別個の個別構造デバイスであるか、その一部であるか、またはそれに取り付けられたものであってもよい。ハウジングは、それらの層３２０、３５０、３８０により少なくとも部分的に覆われるか、囲まれるか（封止）されてもよい。

複数のアンテナアセンブリ３１０（例えば、複数のアンテナ３３２またはアンテナ素子）は、例えばユーザデバイス（ユーザの装置、例えば、携帯電話、タブレット、コンピュータ）及び／又は地上局などの、地球上の複数の処理装置と通信する。本開示は、また、複数のアンテナアセンブリ３１０を利用して、地球上の複数の処理装置と通信する（すなわち、処理装置との間で信号を送受信する）方法を含む。本開示はまた、複数のアンテナアセンブリ３１０と通信する（すなわち、信号を送受信する）地球上の装置の処理方法を含む。加えて、アンテナアセンブリ３１０は、地球低軌道（ＬＥＯ）若しくは他の軌道において、又は他の用途のために使用されてもよい。さらに、本開示ではアンテナアセンブリのアレイに関して説明されているが、このシステムは他のアプリケーションに用いられてもよく、例えば、データセンタ、反射器、および他の構造などの他の用途に用いられてもよく、両方とも宇宙または地上で実装されてもよい。
熱動作

アンテナアセンブリ３１０は、日照内にあるとき、および太陽電池による高電力の発生に起因して、極度の熱を受ける（晒される）。アンテナアセンブリの平坦な構造は、その熱を放散するための大きな領域を提供する。この熱はアンテナアセンブリ３１０で局所的に（局部的に、各アンテナアセンブリの場所で、各アンテナアセンブリの領域で）生成され、アンテナアセンブリ３１０で局所的に（局部的に、各アンテナアセンブリの場所で、各アンテナアセンブリの領域で）放散される。熱がアンテナアセンブリのコンポーネントを破壊することなく、熱を放散させて発電を支援することが重要である。

プロセッサ３６２は、太陽電池が太陽または太陽の放射エネルギーによって充電されているときに、太陽電池３８８からの電力をバッテリ３６４に向ける。しかしながら、展開中および格納構成での輸送中には、限られた数のアンテナアセンブリのみがアレイの側面として露出するだけであり、その結果、アンテナアレイの内部となった太陽電池には太陽エネルギーは到達しない。バッテリ３６４は、例えばプロセッサによってオフにされて、ソーラーパネルが宇宙空間において日光に露出するまで電力を節約する。また、アンテナアセンブリ全体にわたって、または複数のアンテナアセンブリの間で、熱が発生または分散したりすることはない。このシステムでは、低放射率材料を使用することによって放射率を低減することにより、アンテナアセンブリ３１０の熱損失を低減する。

太陽熱流束、太陽アルベド、および地球ＩＲ（赤外線放射）の３つの潜在的な熱源がある。それらは同じ大きさではなく、同じ光波長でもない。太陽熱流束は、地球ＩＲとは異なる波長である。アンテナ側は、高い放射率および低い太陽光吸収率を有するように最適化された放射体である。これは、アンテナ側が深宇宙、－２７０Ｃに面している場合、温度は急速に低下するが、アンテナ側が地球に面している場合、－３０Ｃであり、アンテナアセンブリは、より暖かい定常状態温度に達することを意味する。

展開中、アンテナアセンブリ３１０は、温度が所定の最低温度を下回ることを防止するために監視される。太陽熱流束が最適化される。さらに、太陽アルベド熱流束は、アンテナアセンブリの天底側を加熱しないように制御される。

アンテナアレイが完全に展開した構成になると、アンテナ素子およびフロントエンドモジュールＦＥＭ３７０などのＲＦコンポーネント（ＲＦ部品）が動作する。ＦＥＭ３７０は、受信コンポーネント（受信部品）および送信コンポーネント（送信部品）などの、アンテナ素子の動作を可能にするコンポーネント（部品）を含む。プロセッサ３６２は、アンテナ素子を介して情報を送信および／または受信するようにＦＥＭコンポーネントを制御する。アンテナ素子は、アンテナアセンブリ３１０の外側表面にあり、即ち、それらは、地球との間で直接的かつ妨害されない通信を行う。しかしながら、ＦＥＭは、各アンテナと位置合わせされた反射板３２０の内側でアンテナアセンブリの内側に配置され、ハニカム構造の開口部などの構造支持層内に位置する。

例えば、複数の加熱パイプ（ヒートパイプ）が、構造支持層３５０を通して（支持層３５０の全体にわたって）、アンテナアセンブリ３１０の内側の各ＦＥＭ３７０および／またはプロセッサ３６２まで延在している。したがって、システムは、複数のアンテナ素子３３２および複数のＦＥＭ３７０に熱を提供し、複数の太陽電池３８８への熱を低減するので、これらのアンテナ素子３３２およびＦＥＭ３７０への熱は、全軌道サイクル中で、展開した構成での動作中に可能な限り均一となる。大きな温度の振幅（スイング）は、これらのデバイスの長期性能に影響を及ぼす可能性がある。

バッテリ３６４は支持構造３５０の中心近傍に配置されており、支持構造３５０は低伝導性構造体であり、バッテリ３６４を宇宙空間環境から熱的に隔離／絶縁することができる。

複数のソーラーパネル３８８は、影に入ったときの熱損失、および太陽に照らされたときの熱吸収を低減するために分離されている。具体的には、これらの太陽電池３８８は、支持構造３５０、プロセッサ３６２、及びバッテリ３６４から、更には反射体及びヒートスプレッダ（熱拡散装置）からも隔離されている。これらの太陽電池３８８は、太陽光の吸収率が高いためである。これらの太陽電池は太陽光を集めて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する必要がある。そのため、それらは日照時（太陽に照らされたとき）においては熱くなり、高い放射率（放散率）を有し、このため、それらが影に入ると非常に急速に冷えることになる。バッテリ、プロセッサ、ＦＥＭ、ＰＣＢ（処理制御ブロック）、プロセッサＰＣＢ、およびアンテナ素子などの電気コンポーネントは、太陽電池と同じ温度限界に耐えることができず、一般には約－４０℃以下で動作するようには設計されていない。したがって、システムは、熱および熱損失を、これらの太陽電池に限定された状態に保ち、温度に敏感な電気コンポーネントに対しては温度をできるだけ均一に保つ。これらの温度に敏感なコンポーネントは、アンテナアセンブリの天底側に配置され、ＡＳＩＣからの熱が拡散されてコンポーネントを暖かく保つことができる。

各軌道は約９０分であることにさらに留意されたい。したがって、９０分毎に、太陽電池は、地球の影側における約－７０Ｃから、地球の太陽光側における８０Ｃまで上昇する。電子コンポーネントはその温度変動から保護され、そうしなければ電子コンポーネントの性能が低下する。したがって、システムは、温度そのもの（絶対温度）に対してだけでなく、高温および低温での急速な温度変化に対しても保護する。

本開示の一例では、ＰＣＢおよびアンテナ素子は、それぞれ太陽光吸収率が０．３で、ＩＲ放射率が０．８であり、反射体は太陽光吸収率が０．２で、ＩＲ放射率が０．９である。太陽電池は、太陽光吸収率が０．９、ＩＲ放射率が０．９である。アンテナアセンブリの横方向の側面は、太陽光吸収率が０.２３、ＩＲ放射率が０.２４である。

特定用途向け集積チップ（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Chip）などのプロセッサはヒートパイプとともにアンテナアセンブリの天底側に配置され、ヒートパイプは熱を地球に放散し、例えば電子コンポーネント（例えばプロセッサ）を冷却する。アンテナアセンブリの地球側では、チャネル上などの、内部または外部コンポーネントのうちの１つまたは複数に、白色塗料を用いることができ、アルベドの吸収量（すなわち、地球から反射されて宇宙空間に戻る太陽光）を制限しながら、熱を地球に放散させることができる。ＡＳＩＣは、アンテナアセンブリの中心の天底側（すなわち、太陽電池３８０よりも反射器３２０に近い側）に配置されている。ＡＳＩＣ３６２はヒートパイプに直に接続され、そのヒートパイプはアルミニウム反射器に直に接続される。

アンテナアセンブリは、第１および第２の側が平面であることを含めて、平面かつ平坦である。平坦な幾何学的形状は、比較的均一な温度を可能にし、一方の側、すなわちＲＦ側が太陽から遮られ、天頂側が熱を地球側のＲＦ層３２０に放散させることを可能にする。したがって、ＲＦ側３２０は日照から完全に遮蔽され、天頂側の太陽電池から天底側のコンポーネントに熱が伝達される。

平坦な幾何学的形状はまた、地球側に熱を放射するのに必要な領域を提供する。プロセッサによって生成された熱はまた、アンテナアセンブリの天底側の温度に敏感なコンポーネントに伝達される。地球は宇宙空間に比べて大きな放熱体ではないが、アンテナアセンブリを平坦にする設計は放熱面積を最大化する。アンテナアセンブリを平面にすることにより、地球に面する領域を最大化して、そのサイドを太陽からの熱変動から遮蔽する。平坦なアンテナアセンブリはまた、アンテナアセンブリの複数の側面からの宇宙空間への熱損失を低減する。複数の側面３２４は、大半が常に深宇宙に面しており、放射率を低くすることにより宇宙空間に熱が損失されないようにする。これは、格納構成および展開中に特に重要である。

アンテナアセンブリの全ての内部表面は低放射率の光学特性を有し、アンテナアセンブリの熱伝達を低減する。例えば、太陽電池、バッテリ、プロセッサ、反射器、ヒートスプレッダ及び構造支持体の内面の放射率を低くする。これにより、アンテナアセンブリ内部の放射熱伝達を低減できる。製造中に薄くコーティングしてもよく、または組立中にアルミニウムテープを取り付けてもよい。

ＩＲ放射率は表面特性の１つであり、０～１の間であり得る。ＩＲ放射率が高いほど、放射熱伝達が大きくなる。目標は、ソーラーパネルからの内部放射を低減することである。放射率を低くすれば、熱伝達をより低くすることができ、これは２つの理由で有用である。第１に、ソーラーパネルは、アンテナアセンブリにそれほど多くの熱を伝達しない。第２に、ソーラーパネルは、影に入ったときに（日食中に）アンテナアセンブリから宇宙空間に熱を伝達しない。これは、アンテナアセンブリが軌道全体にわたって比較的均一な温度を有することを意味する。温度を比較的均一にすることにより、アンテナアセンブリが熱サイクル疲労に対し、より長持ちすることを意味する。

一つの例示的な実施形態では、アンテナアセンブリは、２つの動作モード、即ち、（ｉ）アンテナアセンブリが太陽光の中にあり、太陽光によって加熱されるときのアンテナアセンブリへの熱流入（加熱モード）と、（ｉｉ）アンテナアセンブリが影に入り、急速に冷却されるときのアンテナアセンブリからの熱流出（冷却モード）とを有する。加熱モードで動作する間、太陽電池は太陽エネルギーを吸収し、太陽電池の温度が上昇し、その表面からそのエネルギーが放射されることが望ましい。太陽電池は、アンテナアセンブリの内部に対しても影響を及ぼす。ＡＳＩＣは完全に動作しており、熱を放散している。ヒートパイプは、ＡＳＩＣを冷却するためにＡＳＩＣから熱を放散している。ここで、ヒートパイプはまた、ソーラーパネルからアンテナアセンブリに入る熱を放散しなければならない。ＩＲ放射率を下げることにより、ソーラーパネルからの熱伝達を減少させることができる。これにより、ヒートパイプをより効率的に動作させることができる。

冷却モードで動作する際は、アンテナアセンブリ３１０は影（日食）に入り、太陽電池は急速に冷却される。太陽電池はより低温になり、ＡＳＩＣ、バッテリ、ヒートパイプからの熱は全て反転され、熱はＡＳＩＣおよびバッテリから太陽電池に向かって流れる。しかしながら、アンテナアセンブリが軌道上において都度、温度変動が大きくなることは好ましくない。内面（例えば、ＲＦパネル３２０及びソーラーパネル３８０）の放射率をより低くすることにより、影に入っている間のアンテナアセンブリからの放熱を低減でき、再び日照（太陽光）に入るまで暖かく保持しようとすることができる。したがって、ハニカムを用いるなど、アンテナアセンブリの構造の伝導率を低くすることにより、影に入っている間（日食中）の熱損失を低減でき、太陽光に晒されている間の熱吸収も低減できる。

各アンテナアセンブリ３１０は、それぞれの場所で（局所的に）熱を放散することで、熱が隣接するアンテナアセンブリ３１０に伝達されないようにできる。これは、システム設計の質量および複雑さを節約するために重要である。

しかしながら、アレイ１０が宇宙空間内に展開されると、温度は低下する。１つの理由は、アンテナアセンブリ３１０が地球に対して熱の流入を行わないことである。地球に対して最適化された放射器が宇宙空間に面する場合、その放射器ははるかに効率的であり、常にアンテナアセンブリ３１０全体を冷却するように動作する。宇宙空間の温度は約－２７０Ｃであり、これは地球よりもはるかに低温である。

展開中に熱（温度）により太陽熱流束が最大化する。ソーラーパネルを外側に向けることは、２つの理由で重要である。第１に、ソーラーパネルは、太陽エネルギーを吸収し、バッテリおよびアンテナアセンブリ３１０に電力を供給して、展開中に暖かく保つことができる。第２に、ソーラーパネルは、宇宙空間に面するように設計され、地球に面するＲＦ側とは異なり、より大きな温度範囲を有する。

展開中に電力を共有することができ、いくつかのアンテナアセンブリ３１０は、他のアンテナアセンブリ３１０よりも宇宙空間に対する見え方が長くなり、温度が低下する。アンテナアセンブリ３１０が電力を共有する場合、より暖かいアンテナアセンブリ３１０は、それらの電力を節約し、それをより冷たいアンテナアセンブリ３１０に伝送して、それらのヒータに電力を供給することができる。

温度センサを、例えば、デジタルＰＣＢおよびＡＳＩＣ３６２、バッテリ３６８、ならびにアンテナＦＥＭ３７０を含む、温度に敏感なコンポーネントのうちの１つまたはそれ以上にオプションとして設けてもよい。次いで、プロセッサ３６２は、必要に応じて、様々なコンポーネントの加熱および冷却を指示することができる。

熱は、アンテナアセンブリ３１０間で共有されない。むしろ、電気エネルギーがアンテナアセンブリ間で共有される。より低温のアンテナアセンブリ３１０は、電気エネルギーを使用して、内部ヒータ、ヒートパイプ、またはコンポーネントに電力供給することができる。例えば、展開時に、ＡＳＩＣ３６２を起動して、熱を放散させるヒータとして機能させることができる。追加のヒータを設ける代わりに、熱源としてコンポーネントを利用することは、より質量的に効率的である。

日光が存在する場合、太陽エネルギーは２つのことを行う。第１に、ソーラーパネルに電力を供給してバッテリに電力を供給する。第２に、太陽熱流束によりアンテナアセンブリを暖める。日光の中に居るアンテナアセンブリは、日光の中に居ないアンテナアセンブリよりも常に暖かくなる。ほとんどの場合、日光の中（日照中）ではアンテナアセンブリは過剰なエネルギーを有する。

日照（日光）が存在しないとき、地球からのＩＲ加熱またはアルベドが依然として存在する可能性があり、これは、いくらかの熱入力となるが、多くはなく、電力はソーラーパネルから生成されない。ここで、アセンブリは、幾何学的形状（表面形状）、形態係数（天空係数）、太陽角、ならびに熱質量およびアンテナアセンブリによる局所的な影の関数により動作する。１つのアンテナアセンブリ３１０が日照を遮る場合、その背後のアンテナアセンブリは日照を全く受け取らない。プロセッサ３６２は、その温度を監視し、アンテナアセンブリの温度に基づいてＡＳＩＣ３６２を起動して熱を生成する。いくつかのアンテナアセンブリは、より多くの電力を利用可能であり、展開している間に、影になったアンテナアセンブルのバッテリが電力不足になることを防止するために、それらの電力を共有することが可能である。

アンテナアセンブリは、ＲＦ側（すなわち、アンテナ素子を有する側）が地球に面するように開いている。地球は宇宙よりも暖かいので、アンテナアセンブリ３１０を比較的暖かく保つために重要である。

本開示は、多くの個々の（独立した）アンテナアセンブリから形成されたアンテナアレイに関して図示および説明されており、これらのアンテナアセンブリは、格納構成で宇宙空間に輸送され、次いで宇宙空間で展開構成に移行されることに留意されたい。しかしながら、本開示は、アンテナ及びアンテナアレイ以外の用途に利用することができる。また、本開示は、実質的に展開構成で輸送される構造体に利用することができる。

説明および特許請求の範囲は、平面、平行、円形、面一、および平坦など、いくつかの幾何学的または関係的用語を使用することにさらに留意されたい。加えて、説明および特許請求の範囲は、上部、底部、内向き、外向き、遠位、および近位等のいくつかの方向的または位置的な用語等を使用する。これらの用語は、図面に示された実施形態に基づく説明を容易にするための便宜上のものに過ぎず、本開示を限定することを意図するものではない。したがって、本開示は、それらの幾何学的、関係的、方向的、または位置的な用語なしに、他の方法で説明され得ることを認識されたい。加えて、幾何学的又は関係的な用語は正確ではなくてもよい。例えば、アンテナアセンブリおよびアンテナアセンブリのアレイは、互いに正確に平面でなくてもよく、実質的に平面であればよく、例えば、動作において許容される程度の許容可能な曲げまたは屈曲は、動作が可能であり、依然として含まれる。また、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の好適な幾何学形状および関係が提供されることができる。

本開示は、別々に利用することができ、２０２０年５月１５日に出願された「Solar, Electric, RF Radiator for Self-Contained Structure for Space Application Array」という名称の米国特許出願、および２０２０年５月１５日に出願された「Low Earth Orbit Mechanical Deployable Structure」という名称の米国特許出願に開示されたシステムおよび方法と組み合わせて利用することもできることに更に留意されたく、これらのすべての内容は本願に参照により組み込まれる。したがって、例えば、熱管理は、「LEO Mechanical Deployable Structure」の出願に示され、および記載されているように自己展開可能であってもよく、および／または「Solar, Electric, RF Radiator」の出願に示され、および記載されている構造を有してもよい。

前述の説明および図面は、本開示の原理の例示的なものに過ぎないと見なされるべきであり、本開示の原理は、様々な方法で構成され得、本明細書で説明する実施形態によって限定されることを意図するものではない。本開示の多数の用途が当業者には容易に思い浮かぶであろう。したがって、開示された特定の例または示され説明された正確な構成および動作に本開示を限定することは望ましくない。むしろ、全ての適切な改変および等価物が、本開示の範囲内に入るように用いられ得る。

関連出願
本出願は、２０１９年５月１５日に出願された米国特許出願第６２／８４８,３１７号、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２５号、および２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７８,０８１号の優先権を主張する。本出願はまた、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２３号、２０２０年２月１３日に出願されたスペイン特許出願第２０２０３０１２４号、２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７７,８６４号、および２０２０年２月１８日に出願された米国特許出願第６２／９７７,８６０号に対する優先権を主張する。これらの出願の内容は依拠され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０２０年５月１５日に出願された「Solar, Electric, RF Radiator for Self-Contained Structure for Space Application Array」という名称の米国特許出願第１６／８７５，７０３号、および２０２０年５月１５日に出願された「Low Earth Orbit Mechanical Deployable Structure」という名称の米国特許出願第１６／８７５，６４６号の内容を参照によりさらに組み込む。

本開示は、別々に利用することができ、２０２０年５月１５日に出願された「Solar, Electric, RF Radiator for Self-Contained Structure for Space Application Array」という名称の米国特許出願第１６／８７５，７０３号、および２０２０年５月１５日に出願された「Low Earth Orbit Mechanical Deployable Structure」という名称の米国特許出願第１６／８７５，６４６号に開示されたシステムおよび方法と組み合わせて利用することもできることに更に留意されたく、これらのすべての内容は本願に参照により組み込まれる。したがって、例えば、熱管理は、「LEO Mechanical Deployable Structure」の出願に示され、および記載されているように自己展開可能であってもよく、および／または「Solar, Electric, RF Radiator」の出願に示され、および記載されている構造を有してもよい。

Claims (15)

1. アンテナアセンブリであって、
   太陽光発電を行う少なくとも１つの太陽電池を含むソーラー層と、
   前記ソーラー層に接続され、前記ソーラー層によって太陽光発電された電力を利用する電子部品を含むアンテナ層と、
   当該アンテナアセンブリの領域で熱を放散する放熱デバイスを有する、アセンブリ。
2. 請求項１において、
   前記ソーラー層および前記アンテナ層は、平坦な正方形または長方形のタイル状である、アセンブリ。
3. 請求項１または２において、
   互いに接続されてアンテナアセンブリアレイを形成する複数のアンテナアセンブリをさらに有し、前記複数のアンテナアセンブリのそれぞれが太陽光発電を行い、前記複数のアンテナアセンブリのそれぞれで前記太陽光発電された電力を利用する、アセンブリ。
4. 請求項３において、
   前記複数のアンテナアセンブリの全領域にわたって熱をさらに放散する、アセンブリ。
5. アンテナアセンブリであって、
   当該アンテナアセンブリの第１の外面を形成する平坦なアンテナ層であって、当該アンテナアセンブリの前記第１の外面に少なくとも１つのアンテナを設ける平坦なアンテナプレートを含むアンテナ層と、
   当該アンテナアセンブリの第２の外面を形成する平坦なソーラー層であって、当該アンテナアセンブリの前記第２の外面に少なくとも１つの太陽電池を設ける平坦なソーラープレートを含むソーラー層と、
   前記アンテナ層と前記ソーラー層との間に挟まれた中間層と、
   前記中間層に設けられた少なくとも１つの電子部品と、
   前記少なくとも１つの電子部品に熱を伝達するための少なくとも１つの熱伝達デバイスとを有する、アセンブリ。
6. 請求項５において、
   前記少なくとも１つの電子部品を保持するために前記中間層に設けられた断熱部材をさらに有する、アセンブリ。
7. 請求項５または６において、
   前記少なくとも１つの電子部品は、少なくとも１つのフロントエンドモジュールを含む、アセンブリ。
8. 請求項７において、
   前記少なくとも１つの電子部品は、少なくとも１つのアンテナを含み、それぞれが前記少なくとも１つのフロントエンドモジュールの１つと関連付けられる、アセンブリ。
9. 請求項５ないし８のいずれかにおいて、
   前記少なくとも１つのアンテナは、それぞれ少なくとも１つのアンテナ素子を含む、アセンブリ。
10. 請求項５ないし９のいずれかにおいて、
    前記少なくとも１つの電子部品は、前記少なくとも１つの電子部品を動作させるための処理装置をさらに含む、アセンブリ。
11. 請求項５ないし１０のいずれかにおいて、
    当該アンテナアセンブリは天底側と天頂側とを有し、前記少なくとも１つの電子部品は前記天底側にあり、前記平坦なソーラー層は前記天頂側にある、アセンブリ。
12. 請求項５ないし１１のいずれかにおいて、
    前記少なくとも１つの熱伝達デバイスは、熱を伝達するための少なくとも１つのヒートパイプを含む、アセンブリ。
13. 請求項５ないし１２のいずれかにおいて、
    前記少なくとも１つの熱伝達デバイスは、前記少なくとも１つの電子部品のうちの１つから前記少なくとも１つの電子部品のうちの他の電子部品に熱を伝達する、アセンブリ。
14. 請求項５ないし１３のいずれかにおいて、
    前記中間層および前記少なくとも１つの電子部品のそれぞれの熱放射率が低い、アセンブリ。
15. 請求項１ないし１４のいずれかに記載のアセンブリに対し信号を送ること、および／または、前記アセンブリにより信号を受信することを含む通信方法。

Images