JPH06310932A - 大型リフレクタの反射面構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】宇宙空間配設の大型アンテナのリフレクタ面を
メッシュタイプに分割される反射面要素の多角形膜面の
鏡面誤差を低減し、高精度のリフレクタ面を得るように
する。 【構成】理想反射面の任意の座標系の点Ｐ_o に於てその
ζ方向に沿う投影三角形反射面の三辺を所定の楕円型放
物線にし、各辺の該楕円型放物線を選択的に決定し、或
いは、共通に一致させ、又は、理想放物面等に在る投影
三角形をζ方向に所定距離併行移動させ、鏡面誤差を４
０％以下に低減し（三角形膜面の場合）、高精度のリフ
レクタ面を得るようにする。 【効果】メッシュタイプのリフレクタに於て分割要素の
各三角形の膜面の鏡面誤差を極めて小さく低減し、高精
度のリフレクタ性能を得るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】開示技術は、スペースシャトルに
搭載されたり、宇宙空間で電波情報の照射受信等を行う
数十メートルサイズの大型アンテナの反射面構造の技術
分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、科学技術の発達は産業社
会，市民社会を問わず、情報社会になってきており、そ
の規模は地域間のみならず、地球規模を超えて近時は宇
宙規模にスケールアップされ、サンシャイン計画やムー
ンライト計画のようにエネルギー授受規模も宇宙規模に
なってきており、又、電波情報の拡大と迅速化はスペー
スシャトルやサテライト（人工衛星）を介し宇宙スケー
ルで発達し、更に、惑星間情報伝達や恒星間情報収集に
まで及び、その発達の程度はとどまるこころを知らない
状態である。

【０００３】而して、かかる情報伝達等に電波用アンテ
ナは不可欠であり、しかも、宇宙規模での遠隔通信や情
報伝達がますます盛んになるに及んで電波の送受信に対
し、かなりの微弱電波をも確実にとらえるべく、数メー
トル単位から数十メートル単位の巨大アンテナが必要と
され、更に、巨大サイズに伴ってその送受信面の高精度
の鏡面成形が強く望まれるようになってきている。

【０００４】かかるアンテナ技術は基本的に図８に示す
様な、地上の離隔された地域間通信に使用されるアンテ
ナ１が用いられていた。

【０００５】一方、上述した如く全地球規模、或いは、
宇宙間利用に用いられるべく、スペースシャトル３に折
りたたんで搭載され、宇宙空間に於て拡大拡張してセッ
トされる大型アンテナ４の運用実験が計画されている。

【０００６】かかる宇宙規模サイズの大型アンテナ４に
あっては該アンテナ４が打ち上げ，構築に際しての軽量
化が望まれ、しかも、稼動中における設定強度保持が望
まれるところから、通常トラス構造等にされ、反射面５
に於ても、光学的反射効率や精度の点から楕円型放物面
に形成されるのが設計的に好ましいものであるが、その
構造は勿論、重力作用状態での取り付け，組み立て等の
都合から複数ユニットの反射面を接合して組み立てる態
様が採られており、これまでリジッド方式，メッシュ方
式，インフレタブル方式の３つの方式等が提案され、種
々研究がなされているが、地上からの打ち上げ，精度，
組み立て等の点から所定数複数の分割反射面にして各分
割反射面についてはそのユニットについて円形反射面等
もあるが、多角形の形状とし、更に、合成樹脂製等の可
撓性の膜面本体に反射性能の良い金属膜面を蒸着する等
した膜面６を所定の強度，剛性を有するトラスタイプの
フレームの境界７に適宜方式で固定するメッシュタイプ
のアンテナ４が実用上から有望視されている。

【０００７】そして、実用化可能な各方面からの検討を
交えると、図１０に示す様な宇宙空間構造物としてサテ
ライト（人工衛星）式立体アンテナ８も実現の可能性が
ある。

【０００８】かかる図８〜図１０に関する技術について
はJ.E. Dyer and M.P. Dudeck,“Deployable Truss Str
ucture Advanced Technology”,First NASA/DoD Contro
l/Structures Interaction Technology 1986, NASA-CP-
2447 Part 1,pp.111〜124 に開示されている。

【０００９】而して、図８，図９に示す地上の大型アン
テナ１にあっても、その反射面の性能において、鏡面誤
差が可及的に小さい高精度の反射面であることが必要不
可欠であるが、極めて遠距離で、且つ、微弱な電波を
（送）受信する宇宙空間等での巨大（超巨大）アンテナ
４，８にあっては、かかる鏡面誤差の極小，高精度の反
射面であることが絶対条件であり、特に、打ち上げ，組
み立て等の点からの制約の基に構造がメッシュタイプに
される複数メッシュの膜面６による反射面は精度上極め
て厳しいものが要求され、その鏡面誤差は各分割された
膜面の要素の寸法，形状は勿論のこと、境界７の変位，
形状等により極めて敏感に、且つ、大きく影響されるも
のである。

【００１０】而して、前述した如く、理想反射面を有す
る楕円型放物面の構造上の制約から分割メッシュタイプ
に形成されねばならない条件から、各分割メッシュの膜
面６の反射面に於ける多角形による形成は現今の最先端
の科学技術であるよりも、むしろ、近未来的な科学技術
に委ねられる性質のものとさえなっており、理想反射面
の楕円型放物面に適合する近似放物面に可及的にマッチ
ングする最適膜面の研究がなされ始めているだけであ
り、近未来的に早期の巨大アンテナの現出の必要性が必
要不可欠的に望まれている当今の要望には未だ充分に応
えられないという問題が宇宙開発技術において存在して
いる。

【００１１】

【発明の目的】この出願の発明の目的は宇宙空間に於け
る超大型アンテナのメッシュタイプの非加圧型の膜面か
ら成る反射面の問題点を解決すべき技術的課題とし、打
ち上げ，組み立て，設置が簡単であるメッシュタイプの
非加圧型膜面による反射面のメリットをフルに生かしな
がらも、鏡面誤差を極めて小さく抑えることが出来る境
界変位形状を与えることが出来るようにして宇宙産業に
おける情報伝達処理技術利用分野に益する優れた大型リ
フレクタの反射面構造を提供せんとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段・作用】上述目的に沿い先
述特許請求の範囲を要旨とするこの出願の発明の構成
は、前述課題を解決するために、宇宙空間に於ける電波
情報の発受信用の巨大（超巨大）アンテナをメッシュタ
イプにして複数分割の反射面を所定の強度，剛性を有す
る境界に非加圧的に張設し、膜面とするに、当該超大型
リフレクタの反射面を構成する各分割反射面要素の法線
方向の投影形状が正三角形等の多角形によって得られる
場合において、当該多角形の各辺が楕円型放物面に一致
するように形成され、且つ、辺の変位をあらわす放物線
はそれぞれの焦点距離が異なり、中心軸も各辺の中点よ
りシフトされるものとすると、例えば、平面状の正三角
形の膜面の反射面に比し、鏡面誤差は４３％以下にする
ことが出来、又、三角形の三辺をあらわす放物線は各々
共通な放物線とした場合、その鏡面誤差は正三角形に比
し中心軸上配置においては上述同様４３％以下とするこ
とが出来、中心軸より焦点距離の２倍だけ離れて配置さ
れた態様においては５４％以下にもすることが出来（中
心軸より極端に離れると鏡面誤差はそれほど小さくはさ
れない）、更には、正三角形の三辺が理想リフレクタ面
上に在る最適境界一致膜面とされてその中心軸上に所定
距離平行移動した場合にはその鏡面誤差を５０％以下に
低下させることが出来る。

【００１３】これらの膜面の反射面にあって中心軸の回
りに所定角度旋回されてもそれらの鏡面誤差の低下，性
能には影響がなく、鏡面誤差が高精度の反射面を得るこ
とが出来る。

【００１４】即ち、正三角形メッシュ要素の３辺の変位
形状を適切な放物線とすることにより鏡面誤差を小さく
してアンテナの性能を向上させることが出来る。

【００１５】

【実施例】次に、この出願の発明の実施例を図１〜図７
に基づいて説明すれば以下の通りである。

【００１６】尚、図８以下と同一態様部分は同一符号を
用いて説明するものとする。

【００１７】次述する実施例はスペースシャトル等から
放出され宇宙空間にて固定的、或いは、揺動的に配設セ
ットされる数十メートルサイズの通信用の大型アンテナ
の態様であり、円形要素の基ともなる多角形要素のユニ
ットをなす正三角形形状についてのものであって、鏡面
誤差を小さくするための境界変位形状を要するものであ
って、いずれも平面状の正三角形の反射面に比し、その
鏡面誤差は確実に５０％以下に抑えることが出来、高精
度の大型リフレクタとすることが出来るものである。

【００１８】尚、この出願の発明においては各正三角形
の膜面要素の鏡面誤差については各要素の寸法，形状，
境界変位量，リフレクタ中心軸からの距離，張力比等の
パラメータに供されるものとし、したがって、鏡面誤差
の小さな高精度の反射面を得るにはこれらのパラメータ
と鏡面誤差の関係を検討し、種々の境界変位を有する正
三角形の膜面に一様に張力が印加された場合の当該膜面
の変形形状、及び、鏡面誤差については線型膜面方程式
（ラプラスの方程式）に基づいて求められているもので
ある。

【００１９】図１に示す態様で、９は頂点を０とし、直
交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に於てＺ軸を中心軸とする焦点
距離Ｆとする理想放物面の反射面とする。

【００２０】そして、該放物面の反射面は次の数１で表
される。

【００２１】

【数１】 尚、図１に示す理想リフレクタ面は頂点０近傍を表示し
ているにすぎない。

【００２２】而して、該理想放物面９のＰ_o 点近傍にお
ける近似曲面をＡＰＳとするＺ軸の頂点０からＲ離れた
場所から側方にρ_o だけ離れた任意の点Ｐ_o に於ける局
所座標系（ξ，η，ζ）での該ζ軸に沿う投影三角形１
０を図２に示すと、該投影三角形１０のζ軸方向からの
三角形１０' は図３に示す通りであり、当該投影三角形
１０の三辺ＡＢ，ＢＣ，ＣＡの各辺の変位を表す放物線
は次の数２で表される楕円型放物線である。

【００２３】

【数２】 このようにして得られるメッシュタイプの分割要素を最
適膜面（１）とすると、該最適膜面（１）は鏡面誤差が
４３％以下となり、極めて高精度のリフレクタ面とする
ことが出来る。

【００２４】而して、図３に示す様に、当該三角形の反
射面をζ軸に対し、その回りにαだけ任意に旋回させて
も該鏡面誤差は変ることがない。

【００２５】そして、前述ＡＰＳのコンピュータグラフ
ィックス的表示を図４に示し、上述最適膜面（１）の同
様表示を図５に示す。

【００２６】尚、当該最適膜面（１）に於ては三辺Ａ
Ｂ，ＢＣ，ＣＡの楕円型放物線の焦点距離はそれぞれ異
なり、又、中心軸も各辺の頂点からシフトされた位置に
在る。

【００２７】次に、図１に関するＰ_o 点における投影三
角形の図２，図３に於ける分割膜面１０の三辺のＡＢ，
ＢＣ，ＣＡの各楕円型放物線は上述実施例では各々異な
るようにされているものであるが、その三辺の楕円型放
物線を全て共通の同一楕円型放物線として次の数３で表
す最適膜面（２）とする。

【００２８】

【数３】 かかる分割反射面を最適膜面（２）とする時、その鏡面
誤差は平面視状の三角形膜面に比し、中心軸上に配置し
た場合に４３％以下に抑えられ、中心軸から焦点の距離
の２倍だけ離隔した位置した場合には５４％も低減させ
ることが出来る。

【００２９】尚、当該最適膜面（２）のコンピュータグ
ラフィックス的表示は図６に示す通りである。

【００３０】そして、中心軸から極端に離隔した位置に
配置した場合にはその鏡面誤差は上述態様に比し著しく
抑制することは出来ない。

【００３１】次に、図１に於ける所定のＰ_o 点位置にお
いて三角形の各辺が理想リフレクタ面（設計によっては
ＡＰＳ）上に在る境界一致膜面を数４の量だけ平行移動
させた正三角形膜面を最適境界一致膜面とすると、当該
最適境界一致膜面は５０％以下に鏡面誤差を低減させる
ことが出来、高精度の反射面のリフレクタとすることが
出来る。

【００３２】

【数４】 そして、コンピュータを用いたシュミレーションを介し
てのモジュールデータによれば図７に示すグラフの通り
であり、当該グラフに於て当該膜面の中心軸からの距離
のパラメータｇを横軸にとり（したがって、当該図７に
於ては横軸の値が大きい程中心軸から遠ざかることにな
る）、縦軸に無次元化鏡面誤差Ｆδ_rms／ａ² をとる
と、最適平面膜は（イ）の通りであり、境界一致膜は
（ロ）の通りであり、この出願の発明の実施例の最適膜
面（１）は（ハ）の通りであり、又、最適膜面（２）は
（ニ）の通りであり、又、最後の最適境界一致膜面は
（ホ）の通りである。

【００３３】そして、当該図７に示すデータからは最適
膜面（２）については中心軸から遠ざかると、やや鏡面
誤差の低下率が悪くなるため、超大型のサイズのアンテ
ナについては必ずしも望ましいと言えないことが分る。

【００３４】しかしながら、いずれにしても最適膜面
（１），最適膜面（２），最適境界一致膜面のいずれ
も、はるかに鏡面誤差が低減されることが分り、実用に
向いているものと言い得る。

【００３５】尚、この出願の発明の実施態様は上述各実
施例に限るものでないことは勿論であり、例えば、メッ
シュタイプのリフレクタの反射面に於て各要素膜面は三
角形ばかりでなく四角形，五角形，六角形の等の多角形
が対象となり得、又、設計を拡張した円形、乃至、楕円
形に近似する形状の膜面要素を対象とする等種々の態様
が採用可能である。

【００３６】勿論、非加圧膜面の材質については適宜設
計変更の範囲である。

【００３７】又、境界形状，変位等の数式におけるパラ
メータ等の取捨選択変更も応用設計の範囲内である。

【００３８】

【発明の効果】以上、この出願の発明によれば、基本的
にスペースシャトルから放出されたり、サテライト（人
工衛星）に付設されたりする宇宙空間での大型、超大型
の巨大アンテナのリフレクタに於て所定の強度，剛性を
有する境界のフレームに非加圧的に張設される多角形の
膜面であって、例えば、正三角形の場合には該膜面の境
界変位形状を規定する楕円型放物線が先述特許請求の範
囲記載の最適膜面（１）や最適膜面（２）、更には最適
境界一致膜面にされることにより、その鏡面誤差が４０
数％以下と極めて小さく抑えられ、リフレクタ精度が高
められるという優れた効果が奏される。

【００３９】したがって、リフレクタが大サイズ化さ
れ、宇宙空間に於ける通信性能が大となり、宇宙探査や
宇宙資源開発、翻って地球自身の角方面の技術的分析検
討も確実に促進されるという優れた効果が奏される。

【００４０】したがって、当該宇宙空間に於ける理論的
発展や実証が容易に促進されることからさまざまな科学
的波及的効果も得られるという優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】理想リフレクタ面と局所座標系の変形斜視図で
ある。

【図２】図１の局所座標系における理想リフレクタ面へ
の投影三角形の模式斜視図である。

【図３】投影三角形の平面視模式図である。

【図４】近似放物面のコンピュータグラフィック側面図
である。

【図５】この出願の発明の１実施例の三角形膜面のコン
ピュータグラフィック側面図である。

【図６】この出願の発明の他の実施例の三角形膜面のコ
ンピュータグラフィック側面図である。

【図７】メッシュタイプの三角形の膜面の中心軸からの
距離と鏡面誤差の関係を示すグラフ図である

【図８】従来技術における地上設置タイプのリフレクタ
の模式側面図である。

【図９】スペースシャトルから配設された宇宙空間のア
ンテナの概略斜視図である。

【図１０】宇宙空間配設の巨大アンテナの縮少模式斜視
図である。

【符号の説明】

７ 境界フレーム ６ 分割反射面 ５ 大型リフレクタ １０ 投影多角形（三角形）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】剛性を有する境界フレームに支持された一
   つ、又は複数の分割反射面要素を有しているメッシュタ
   イプの大型リフレクタの反射面構造において、上記各分
   割反射面要素が理想リフレクタ面の所定位置の法線方向
   投影多角形によって得られる反射面を成す非加圧膜面と
   され、該非加圧膜面の各辺が楕円型放物面上にあること
   を特徴とする大型リフレクタの反射面構造。
2. 【請求項２】上記膜面の各辺の変位形状が放物線であり
   各辺について放物線の焦点距離が異なり、その中心軸が
   各辺の中点からシフトされていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の大型リフレクタの反射面構造。
3. 【請求項３】上記型放物線が各辺について共通な放物線
   にされていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の大型リフレクタの反射面構造。
4. 【請求項４】上記膜面をその法線方向に所定距離平行移
   動させてあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の大型リフレクタの反射面構造。
5. 【請求項５】上記多角形膜面をその中心軸の回りに対し
   所定角度旋回させてあることを特徴とする特許請求の範
   囲第１〜４項いずれか記載の大型リフレクタの反射面構
   造。
6. 【請求項６】上記多角形の非加圧膜面の形状が三角形，
   四角形，五角形，六角形，円、又は楕円形であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１〜５項いずれか記載の大
   型リフレクタの反射面構造。