日陰時における宇宙用大型展開アンテナの熱変形補正に関する数値解析的検証(第2報,内力制御による熱変形補正手法の検討)
Numerical investigations on thermal deformation of large deployable reflector in space during earth eclipse (2nd report, investigations to suppress thermal deformation by internal force control)

Abstract


 宇宙空間で使用される宇宙機は,厳しい環境変化に耐えながらミッションを遂行しなければならない.この環境変化の一例として,太陽からの輻射熱が宇宙機に当たる日照時と,宇宙機が地球などの惑星の陰に入り太陽光が当らない日陰時での温度変化が著しいことが挙げられる.2006年に打ち上げられた技術試験衛星Ⅷ型(ETS-Ⅷ : Engineering Test Satellite-Ⅷ)でも,衛星が地球の陰に入った際に,搭載されている大型展開アンテナの温度が約 ℃から ℃まで ℃近く推移したことが観測されている.さらに,この温度推移とほぼ一致するタイミングで,大型展開アンテナから送信された電波の受信強度に推移がみられ(臼井他,2011),通信ビームの照射位置が約60~100 [km] 移動したという報告がなされている(藤野他,2008).この現象は,アンテナの熱変形が要因であると考えられており(佐藤他,2010),これは大型展開アンテナの中心部に約5 [mm] の熱変形が発生することに相当する(臼井他,2011).ETS-Ⅷの場合は,ビーム形状が広域であったため通信実験を行う上ではまったく問題がなかった.しかし将来の通信衛星には,大容量ピンポイントの安定した通信システムが期待されている.そのため,温度変化に伴う熱変形を要因とする通信ビームの指向方向のズレを補償できるような対策を施しておく必要がある.そこで本研究では,打ち上げ後にも能動的に大型展開アンテナの形状変形ができるようなシステムについて数値的に検討し,その熱変形を最小限の設計変更でかつ高い補正率で補正する手法を提案することを目的とした.第1報(庄司他,2015)では,大型展開アンテナを形成するモジュールの1つを数値モデル化して熱変形解析を実施し,変位の発生メカニズムを明らかにした.また,アンテナ展開用の圧縮バネの残留バネ力を変化させたところ,モジュール中央部の補正に効果があることが分かった.さらに,14モジュールの解析モデルで熱変形補正を試みない場合の変形挙動を再現し,実際のビームの移動現象を説明できる結果を得た.続く本報では,14モジュールの解析モデルで熱変形補正解析を行い,複数の手法を組み合せることでアンテナ全体の熱変形を補正した結果について述べる.熱変形解析は,順応型 Shifted Integration法(ASI法) (都井,磯部1992)(磯部,森下1998)による解析コードに熱応力を導入したものを用いて実施する.


 Space structures encounter various severe environments in space. One of these environments is severe thermal condition where the difference of temperature during day-time and night-time is about 200 degrees Celsius. During this eclipse time, the midpoint of the large deployable reflector (LDR) mounted on the Engineering Test Satellite -VIII (ETS-VIII) was confirmed to deform by approximately 5 mm, which led to a 65 km transition of the footprint of communication beam on the surface of the earth. This phenomenon was assumed to be caused by thermal deformation of the LDR. It was not a critical issue for the ETS-VIII because the communication beam from the LDR tended to spread in the wide range. However, highly accurate pinpoint communication beams are expected to be required in the future, and this transition of the beams may affect the performance of such satellites. Therefore, in this study, a means to suppress the thermal deformation is proposed and demonstrated by focusing on the internal force generated at the springs used to deploy the antenna. According to the numerical results obtained from finite element analyses, the thermal deformations at all apices that support the reflectors were suppressed at a high correction rate by adjusting the coefficients of thermal expansion in the structural members and by controlling spring forces differently in four areas depending on the distances from the constraint point. These results indicate that the transition of the communication beam on the surface of the earth can be decreased to a range of 5 to 10 km.