JPS5912000A - 赤道平面にある人工衛星のステ−シヨン南北軸維持方法とそれを実施するための人工衛星 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の関連する技術分野〕 この発明は、人工衛星が所定の軌道をとりかつその軌道
を維持するだめの太陽放射圧の利用に、具体的には宇宙
ステーションの南北軸維持（ノース・サウス・ステー７
ョン・キーピング）に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

この発明は、地球の赤道面上にあって海面の上方的３５
８０３　Ｋ７＋Ｚの位置にある円形径路をとシ、かつ２
３時間５６秒恒星時間ごとに１回の地球の自転と同期し
て地球の極軸を中心として回転するような静止人工衛星
に、特に利用することができる。人工衛星はこの静止軌
道上で、地球の回転に拘わらず地球上の如何なる地点に
対しても１点に在るように見える。その様な人工衛星の
アンテナを設けだ部分は、そのアンテナが常に地球を指
向ししかも地球上の同一地点に向いているように、慣性
空間に対して１日に１回の割合で回転させることができ
る。これは通信用の人工衛星に特に有用である。地球の
海面から３５８０３　Ｋｍのこの静止高度における上記
の軌道平面は、絶えず赤道平面から外れて黄道平面側へ
向って媛れるような傾向を持つ。

安定軌道が地球の赤道面に近接するような非常に低い高
度では上記の現象は起らない。しかし、その静止高度に
おけるその人工衛星に対する太陽系の合成重力引力は、
平衡静止軌道平面が赤道から約７．３５°±１．０３°
傾き、昇交点がほぼ零の赤経において１８．６１年の月
の交点の後退周期にわたって変化するようなものである
。その他の静止軌道面はすべて平衡面の周りを約３５年
の周期ですりこぎ運動をする。この赤道平面からの軌道
平面の捩・れによる上記の傾慰を繰返し修正するために
、宇宙船のステーション維持用推進剤の約９０％を使用
してステーションの南北軸維持と、軌道平面と地球の赤
道平面との一致を保つこととが行なわれる。

量の約４分の１は、このスデ：／ヨン維持を行すうだめ
のヒドラジン系と推進剤とに費されており、この維持作
用には南北軸および東西軸方向の推進ン南北軸維持の制
御は太陽からの放射圧（ラジェーンヨン・プレノ／ヤ）
を利用して行ない得ることが判った。従来、その様な放
射圧は回転および姿勢の制御をする為の利用が考えられ
だが、ステーション維持の為に利用することは提案され
ていない。

パツキンガム（Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ）氏他の米国特許
第３５８８０００号は、地球の暗い側（夜）の部分を照
明するように反射器を配置したときに、軌道周期が乱れ
た場合の修正作用を開示している。この米国特許は、太
陽の放射圧が軌道界−期を調節するように□反射器を地
球の太陽面側又指向させることを示している。

捷た別の米国特許第４２６２’８６７号は、宇宙船の本
体から延び出ているパネルおよび翼板の位置を周囲の太
陽放射の方向に対して選択的に調節することによって、
宇宙船の位置と姿勢を制御する技術を開示している。

〔発明の開示〕

この発明の１実施形態を説明すれば、赤道平面にある人
工衛星のステーション南北軸維持を行なう方法は、軌道
の第１半部の最初の部分において人工衛星をその軌道か
ら外そうとするカに抗するように先ず南向きにその人工
衛星を太陽帆走（太陽放射圧による運動・・・ンーラ・
セーリング）させ、次に軌道の第２半部の一部において
人工衛星をその軌道から外そうとするカに抗するように
北向きにその人二ロ衛星を太陽帆走させることから成る
ものである。

次に図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図には、１２月における、黄道平面および太陽光線
の方向に対する地球極軸の傾きが示されている。破線１
１は地球の極軸を、線１５は地球の赤道を示し、黄道平
面は太陽を回る地球の軌道平面と定義する。この黄道平
面と地球の交線は破線１７で示されており、この線は周
知のように地球の赤道と約２３°２７′　の角度をなし
ている。低高度軌道の人工衛星に対しては、太陽の作用
は極めて小さいか無いかであるから、その様な人工衛星
の平衡軌道平面は、地球の赤道付近の膨らみのために、
地球の赤道平面に近くなる。非常に高い高度ではこの平
衡軌道平面は黄道平面に近刊く。３５８０３　Ｋｔｎの
中間的な静止高度でｄ−１この平衡軌道平面は地球の赤
道に対し７．３５°±１．０３°傾き、昇交点がほぼ零
の赤経で１８．６１年の月の交点の後退周期にわたって
変化する。この平衡平面が地球の赤道に対し傾いている
ので、その軌道の２分の１期間中、人工衛星をその平衡
軌道平面から黄道平面へ向けて外すように北向きに引張
る矢印１９で示す方向の力が働く。軌道の上記とは別の
２分の１の期間には、所定の赤道軌道平面から黄道平面
へ向けて人工衛星を矢印２１で示すように南向きに引下
げようとする力が働く。もし、ステーション維持作用を
行なわなければ、この人工衛星の軌道は、約５３年の周
期でこの安定軌道を中心として揺動しその赤道からの最
大振れは約１４．７９になる。その様な振７１−は、人
工衛星通信ザービスの要求に合わせるためには、連邦通
信委員会（ＦＣＣ）の規定による許容角度０．１°を大
幅に超過している。

〔発明の実施例〕

この発明の１実施例によれば、人工衛星は、修正すなわ
ちステーション南北軸維持作用を行なうように配設され
た対太陽帆を使用することによって赤道平面上に保たれ
る。従来ステー／コン維持作用は消費物である推進剤を
使って行なわれていたが、これは打上げ時の宇宙船の重
量を大幅に増加させまたステーション維持作用のだめの
推進剤の消耗により寿命を制限する不利を伴っていた。

第２図に、この発明による太陽帆走（ソーラ・セーリン
グ）人工衛星の一例が示されている。この人工衛星は、
−例として、本体２５を有し、この本体が、この本体を
含む人工衛星の軌道１周回当り１回だけ回転して該衛星
の所定軸が地球を指向しつづけるように、モータにより
成る速度で回転スル慣性ホイール（モーメンタム・ホイ
ール）２５を有する２重スピン型のものである。質量中
心に対する人工衛星の回転速度は、１亘星日当り１回転
するような速度である。この人工衛星は、地球上の如何
なる位置に対しても固定位置となるような静止軌道にの
っている。ここに説明する人工衛星は、以下北側帆２７
およびこれに平行な南側帆２９と呼ぶ、対をなす平坦な
板状帆を持っている。帆２７と２９は支柱３１と３２に
よってそれぞれ本体２５に支持されている。支柱３１と
３２は、本体２５に対し回転可能で、かつ両帆は支柱３
１と３２に対して傾動可能であることが望ましい。北側
帆および南側帆は、一般に同一寸法を有し、本体２５の
質量中心から実質的に等距離の位置にかつ互にほぼ平行
に配置されている。従って、質量中心の両側におけるモ
ーメントの等しい２つの帆によシ１つの推進ベクトルが
作られる。これにより、人工衛星はどの様な姿勢の変化
に対しても安定化作用が助長される。両帆の間の僅かな
寸法の変化或いは太陽に対する２つの帆の露出量の僅か
な変化があると不平衡が発生ずるが、それは両帆を平行
状態から僅かに傾けて少量のトリミング（調整）を施す
ことにより修正できる。

この人工衛星がたとえば１２月に赤道平面と交差して北
向きの黄道径路をとろうとすると、２つの帆は、第３図
に示されるように、太陽の光子圧力の方向に対して大体
４５°±１０°となってこの太陽からの光子による放射
圧が第２図の破線３５で示すように帆に向って指向され
る向きに、太陽に対して方向付けされる。これによって
、ベクトル線３７で示されるような南向きの推力成分が
生ずる。この推力成分は、人工衛星をその赤道平面から
外れる方向に引張ろうとする矢印１９で示す力に逆らう
。

人工衛星が地球の周りをほぼ半分周回して赤道平面と交
わり、そして南向きの黄道径路をとろうとすると、両方
の帆は、第４図に示すように太陽光線に対して約４５°
±１０°の方向を向き、すなわち北側および南側の帆２
７と２９は太陽光線（破線４１で示す）に対して第３図
の状態と逆の向きに傾く。

それによって、ベクトル４５で示すような北向きの　・
推力成分が生ずる。この成分はベクトル２１に抗するよ
うに働いて人工衛星を赤道軌道上に維持する。

板状の帆２７と２９の各両面が反射性で、本体２５と両
帆が軌道１周回当り１回転する場合には、支柱３１と３
２を回転させる必要は無いかも知れない。

もし第３図において帆２７と２９が適正なもので太陽光
子が表面２７ａと２９ａを衝撃するとすれば、本体２５
と両方の帆２７および２９を含むこの人工衛星が第４図
のように１８０°回転したときには太陽光子は各帆２７
と２９の表面２７ｂと２９ｂを衝撃する。

この推力を印加するに適した人工衛星の最適位置は第３
図および第４図に示す如くこの人工衛星が黄道平面と交
差する時であるが、必要とする推進期間は人工衛星が上
記の位置にある期間よりも長い。従って、太陽光子圧の
印加は、第３図および第４図に示すように人工衛星が黄
道平面と交差する時点より成る所定時間前に開始し、上
記の交差から同−所定時間後に終了するようにされる。

最大の南向き推進時間は、人工衛星が北向きの運動を開
始したときに始まシその人工衛星が南向きの運動を始め
たときに終ることになシ、また最大の北向きの推進時間
は、人工衛星が南向き運動を開始したときに始まり衛星
が北向きの運動を始め／こときに終ることになるが、上
記の推進および運動はすべて黄道平面に対するものであ
る。

第５図には、回転可能な支柱と傾動可能な帆を有する人
工衛星の詳細な構造が示されているが、この衛星は更に
本体２５と、北側の帆２７に可回転的に結合したモータ
５１および支柱３２と南側帆２９の間に可回転的に結合
されていて帆２７と２９の所望の傾角を設定するための
モータ５３とを具えている。前述のように２つの帆２７
と２９は回転可能な支柱３１と３２に取付けられていて
、これら支柱はモータ５２により駆動されて平坦な板状
の帆２７．２９を回転させその反射面を太陽側に向かせ
る。帆自体は第６図に示すように、平坦な基板構造の上
に軽量のアルミニウム箔の如き反射性箔を設けたもので
ある。

この構造は、帆をひろげる前は折畳んでおけるように折
畳み可能なものとすることができる。軽くて僅かにしわ
のある表面、たとえばアルミニウム料である。モータ５
１．５２および５３は信号発生器により制御されて適切
な支柱回転および帆の傾動を行ない、既述のステー７ョ
ンの南北軸維持が得られるようにする。この信号発生器
は、たとえば、軌道上の人工衛星の位置に対応するタイ
ミング信号を信号発生器に供給するようなりロックに、
応動するものである。或いは、人工衛星の指令系統を介
して地上からとのモータをｆｔ＋ｌＪ御することも可能
である。

帆２７と２９のそれぞれの全体寸法は、たとえば、ｌＱ
　ｍ　Ｘ　１０　ｍすなわち１００　ｎｔ２程度である
。この様に大きな帆を衝撃する光子のエネルギはステー
ションの維持機能に要する推力量を発生し得るものであ
る。支柱の全体的な構造は、箔を表面に有する基材から
なり、洋傘の骨のように伸張可能なものである。また、
この支柱は、たとえばアルミニウム箔のような箔で被覆
した或種の柔軟性繊維の形態をとり、全体として軽量の
伸張可能な構造とすることもできる。急速に帆を傾けた
シ急速に帆を回転させると人工衛星に不所望（妨害）ト
ルクを生ずる可能性があることが判っている。この問題
を解決するには、静止同期衛星の場合には上記の傾動を
周期が１日の正弦波に従って行ない、最大推力成分のた
め太陽光線に対し４５°±１００の最大の傾きが第３図
および第４図に示す如く両黄道平面交差点で生じ、しか
も両黄道交差点間の中点で帆の而が太陽光線に平行にな
るように太陽光線に対する傾角を徐々に変化させること
が好ましい。

同じ様に、支柱は、１日当シ１回転の割合でまた黄道と
赤道の交差点で最太推カを生ずるように、アンテナと共
に回転させる。との傾角および／または回転の僅かな調
節によって、軌道周期、東西位置および軌道の偏心を修
正することができる。

第１図、＠３図および第４図に示した諸例は、太陽から
の離反が開始する正午に闇向きの帆走が始まり、太陽へ
向ってスタートする真夜中に北向きの帆走が始まる１２
月の事例に関するものであった。６月にはこれと逆にな
り、南向きの帆走が真夜中に始まり北向きの帆走が正午
に始まる。従って、毎日の帆の位置変化の位相関係は、
毎日次の日よりも約４分早くなることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１２月における黄道平面に対する地球の極軸と
赤道の傾きを示す図、第２図は対太陽帆を有するこの発
明による人工衛星の一例概要図、第３図は黄道平面と赤
道平面に同時に交差し北向きの黄道軌道をとる第２図の
人工衛星の説明図、第４図は黄道平面と赤道平面に同時
に交差し南向きの黄道軌道をとる第２図の人工衛星の説
明図、第５図は対太陽帆を回転および傾動させるだめの
手段を有する第２図の人工衛星の概要図、第６図は対太
陽帆の寸法形状を示す図である。 １工・・・地球の極軸、１５・・・地球の赤道、１７・
・・黄道平面、２５・・・人工衛星の本体、２７．２９
・・・対太陽帆、３１．３２・・・支柱、５１．５２．
５３・・・モータ。 特許出願人　　　アールシーニー　コーポレーション代
理人　清水　哲ほか２名 ２１図 Ｓ 才３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）軌道の第１半部の一部において人工衛星をその赤
   道軌道の外へ引張ろうとする力に抗するようにその人工
   衛星を第１の南向き方向に太陽帆走（ソーラ・セーリン
   グ）させる過程と、上記軌道の第２半部の一部において
   上記人工衛星をその赤道軌道の外へ引張ろうとする力に
   抗するように第２の北向き方向に太陽帆走させる過程と
   よシなる、赤道平面にある人工衛星のステーション南北
   軸維持方法。
2. （２）質量中心を有する人工衛星本体と、断面および形
   状が互に等しくかつその広い平坦な面が互にほぼ平行に
   なるように上記人工衛星本体に取付けられた太陽帆走用
   の対をなす平坦な板状帆であって、上記本体の質量中心
   から実質的に等距離の位置まで上記本体の互に反対側の
   表面から伸延している帆と、これらの帆を太陽光線に対
   し約４５°±１０°に配向する手段とを具備してなる、
   赤道平面にある人工衛星のステーション南北軸維持方法
   を実施するための人工衛星。