JPH09511471A - 磁気的および空力的モーメントの発生装置を装備した人工衛星およびそのような衛星の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低軌道を移動する人工衛星を制御する装置および方法であって、大気の上層部に接して２っの軸線のまわりに衛星を回転させるようにする空力的制御面が磁気カプラ（１，２，３）と組み合わされ、磁気カプラは地球の磁場を利用して３つのピッチ軸線、ロール軸線およびヨー軸線のまわりに回転モーメントを発生させるようにする。衛星の高度はしたがって非常に高い精度で且つ動力消費が少ない状態で制御される。制御法則が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気的および空力的モーメントの発生装置を装備した人工衛星 およびそのような衛星の制御方法 本発明は磁気作用および空力的作用の両者によって生じるモーメントを発生さ せるための手段を備えた人工衛星、およびそのような衛星の制御方法に関する。 仏国特許第９３０４９５３号として登録され、空力的な方向制御面を備えて低 軌道または非常な低軌道、すなわちその高度が、軌道が楕円形であるならば遠地 点が地球の場合で６００ｋｍ未満の軌道を移動する人工衛星を記載している出願 の仏国特許の主題と比較される。本発明は大気を保有する他の惑星にも適用でき る。事実、地球の場合は酸素原子で本質的に構成される大気上層部の希薄ガスは 衛星に回転モーメントを作用させる。この環境を活用する空力的な制御はパネル を回転させることを含み、パネルは大または小寸法の断面を流れに対向させるか 、または可変の斜めの飛行方向を与えるように方向決めされる。パネルの配置お よび配向に関係して、あらゆる方向のモーメントを発生させることが可能である 。このようにして衛星の方向は、あらゆる破壊的な影響に抗して、また対象物に 向かっての計器および検出器の指針を保持するように、あるいは太陽に向けて光 電池を保持するように、調整される。 空力的な制御面は、衛星の移動または方向決めに一般に使用される推進エンジ ンまたは同形式の手段に関係する船体搭載の燃料（ｅｒｇｏｌ）の経済化をはか る利点を有するにも拘わらずに、それらは前述した衛星を移動させるために直接 にまたそれらが行う抗力作用を間接的に補償するためにこのエネルギーを消費す る。それ故に、このような手段は評価するが、それらの基数の減少または使用頻 度の低減を探求することが望ましい。 それ故に、本発明の基本となる考えは、空力的な制御面を他の手段、すなわち 光電池で補充できるエネルギーを供給されるとともに地球の磁場のような大気中 ることのできる磁気カプラすなわち磁気トルク発生装置と組み合わせて構成され ることであり、該式においてＣはニュートン−メートルの単位によるトルク、Ｍ はアンペア−回転数／平方メートルの単位による磁気モーメント、およびＢはテ スラ（ｔｅｓｌａ）の単位による磁場である。この式の望ましくないことは、大 気中の磁場の方向のまわりにはトルクを発生させることができないことである。 この理由で、他の軸線のまわりに発生される磁気トルクの補助的手段として使用 されることのできる空力的制御面が頼みとされる。 独立して、または反応ホイールすなわち運動ホイールのような方向決め装置が 限界点に達したときにその補助装置として磁気トルクが使用される他の衛星も知 られているが、調整することの可能な制御面は近年においては先に記載した同じ 出願人（ａｕｔｈｏｒ）による特許出願を除いて提案されていない。 空力的制御面は、地球または考慮する惑星の磁場に関係した軌道位置に関して 方向を選定される衛星の主軸のうちの２つの軸線のまわりにトルクおよび回転力 を発生させる。磁気カプラは、衛星の３つの主軸のまわりにモーメントを発生さ せる。したがってこの方向決め装置は、衛星が軌道上を移動して不変な方向に向 けられているかぎり共同するが余計にはならない手段を保有することになり、磁 場の方向に対して一定した方向を有することはなく、結果として磁気トルクは各 各が順々に使用され、それらの幾つかは僅かな効果しかない事実にも拘わらずに 、それらを制御面とすることが好ましいということが頼りにすることで得られる 利点である。 要約すれば、本発明は最も一般的な形態においては、衛星の３つの主軸のまわ りに回転モーメントを発生させ、主軸のうちの２つの軸線のまわりに空力的な回 転モーメントを与えるように外部パネルを回転する磁気発生装置を含み、これら は可変モーメントを発生させるように誘起されるために磁気発生装置およびパネ ルを組み合わせた指令法則に関係して衛星の形式および軌道に応じて決められる ようになされることを特徴とした人工衛星に関する。本発明はまた惑星をまわる 軌道上にあって、大気中および磁場中に入り込むような衛星に使用することので きる方法にも係わり、この方法は衛星の主軸に関して惑星の磁場を周期的に測定 または推定する段階、および磁気発生装置および外部パネルにより主軸のまわり に発生される回転モーメントを計算する段階を含むことを特徴とする。 本発明は幾つかの実施例に基づいて、また限定を与える図面ではない添付図面 に助成されて以下に詳細に説明される。図面において、 第１図は、磁気カプラの装置を示しており、 第２図は、本発明が適用される特定軌道上の衛星を示しており、 第３図は、異なる軌道上を移動するようになされた別の衛星を示しており、 第４図は、第３形式の軌道上を移動するようになされた第３図に示された衛星 と類似の衛星を示しており、 第５図は、空力的制御面の制御を示しており、 第６図は、それらの面の制御を表す曲線のグラフによる表示であり、また 第７図は、空力的制御面の配置を示している。 第１図は磁気カプラ１，２，３を示しており、それらの全ては同様な構造であ って、円筒形の強磁性コア４を含み、コア４のまわりに２つの電気巻線５，６が 巻き付きコイル構成されている。巻線５，６はバッテリー７に接続されており、 バッテリー７は衛星の太陽に向かうパネルに挿着された２つの光電池８から電気 を供給される。磁気カプラ１，２，３は互いに直交する衛星Ｘ，Ｙ，Ｚの３つの 主軸に沿ってコア４をそれぞれ配向している。 基本的に、巻線５，６の１つだけが一度に使用され、他のものは付加的なもの であり、第１の巻線に損傷を生じた場合に代りに使用するためのものである。電 に従って、大気の機械的な磁場Ｂの方向にコア４を整合させるようにそのコア４ には機械的トルクＣが誘起される。このトルクはそのコア４を含む衛星に伝えら れて、衛星ともども回転させるようにする。留意すべきは、これらの磁気カプラ １，２，３はコア４が大気の磁場Ｂに沿って配向されているときには非作動状態 であるということである。 第２図は磁気カプラ１，２，３を担持した衛星１０Ａを示しており、磁気カプ ラ１，２，３は衛星Ｉ０Ａの中央本体１１に内蔵され、中央本体１１からは２つ のマスト１２，１３が突出していて、これらのマストは衛星１０ａがその発射ロ ケットから放出されて軌道上に置かれるときに折り畳み状態から拡張される。マ スト１２，１３は同様なものであり、中央本体１１の各側に整合されて配置され 、またこの中央本体から離れる方向へ向かって先に説明した光電池８を含んでな るソーラーパネル１４、更には空力的制御面１５を担持しており、この空力的制 御面１５は中央パネル１６と該中央パネル１６を縁取りする２枚の端部パネル１ ７，１８を含んで構成されている。実際のところ、端部パネル１７，１８はマス ト１２，１３の延長軸線、すなわち本明細書では衛星１０Ａのピッチ軸に一致す る軸線のまわりに一体となって回転する準パネルであり、中央パネル１６は端部 パネルとは別に同一軸線りまわりに回転する。この回転軸線はこれらのパネルを 担持し且つソーラーパネル１４の先端から突出している固定支持シャフト内で回 転する中空シャフトによって形成されており、この簡単な機械的装置が第７図に 示されている。固定シャフトは符号２５を付されており、パネル１６〜１８の中 空シャフトはそれぞれ符号２６〜２８を付されている。中央パネル１６の両端の 外側で端部パネル１７，１８を相互に連結しているロッドは符号２９を付されて いる。中空シャフト２６，２８が中空シャフト２９で担持できるようにしている 軸受は符号３０を付されている。中空シャフト２７が中空シャフト２６で担持で きるようにしている軸受は符号３１を付されている。符号３２，３３はソーラパ ネル１４に担持されそれぞれ中空シャフト２６，２７を駆動する、すなわち中央 パネル１６、および端部パネル１７，１８を別個に回転させるための電気モータ ーおよび伝達装置に付されている。 制御面パネル１６〜１８はマスト１２，１３に互いに対称的に配置され、相手 部品として同一寸法を有するが、それぞれ独立した装置によって付勢されている 。 最後に、中央パネル１６は端部パネル１７，１８の表面積の合計と同じ表面積 を有していることに留意しなければならない。 衛星１０Ａは軌道Ａ上を移動しており、この軌道Ａに対してロール軸線Ｘは接 線方向で、衛星の進路と反対の方向に方向決めされている。ヨー軸線Ｚは軌道Ａ の平面に含まれ、地球の中心へ向かう方向Ｔと反対の方向である。ピッチ軸線Ｙ はそれ故に軌道Ａの平面に対して直角であり、同様にマスト１２，１３も軌道Ａ の平面に対して直角であり、Ｘ，Ｙ，Ｚで直接的に表示できる方向に位置決めさ れている。この場合、軌道Ａは１２および２４時間の地方時において太陽同期軌 道であり、軌道面が赤道面に対して約１００°の角度をなしているので地球の極 地のほぼ上空を通過する。地球の磁場Ｂはしたがって軌道面に対して約２０°で ほぼ平行である。この結果は全ての準極軌道に関して有効である。 軸線Ｘのまわりのロール回転は、選択に応じてマスト１２または１３の一方の 中央パネル１６または端部パネル１７，１８の配向を変化させること、および他 方のマスト１３または１２の同じパネルに中立位置からの対応する反対方向の回 転を与えることによって指令できることが観察されている。中立位置では全ての パネルは軌道１の接線方向の平面に平行な平面内を延在される。このようにして 発生する希薄空気に対しての増大された抵抗力は、ヨー軸線Ｚに沿う方向の、両 対向方向における不釣り合いな力によって表されるのであり、その値は傾斜の程 度に依存する。ロール軸線Ｘに沿う抗力も発生する。それらは等しく、同一方向 であるためにモーメントは発生しないが、衛星１０Ａを減速させ、所望される速 度に衛星を保持するにはエネルギー消費を必要とするのであり、このことは可能 ならば常にこの手段に頼るのを避けることが最良であるということとなる。しか しながら、マスト１２，１３の一方の制御面パネル１６，１７，１８が（軌道Ａ の平面内の）それらのパネルの中立位置から反対両方向へ等しい角度だけ移動さ れるならば、ヨー軸線Ｚのまわりに回転が生じる。何故なら、衛星はマスト１２ または１３の該当側だけで減速されるからであり、それ以外の回転は発生しない 。その理由は、中央パネル１６が端部パネル１７，１８の全面積に等しい面積を 有しており、この結果としてヨー軸線Ｚの方向の力は相殺されるからである。空 力的制御面１５はそれ故にロール回転およびヨー回転を衛星１０Ａに伝えること が可能となる。ピッチ回転は磁気カプラだけで保証されるのであり、これは常に 可能である。何故なら、ピッチ軸線１０は軌道Ａ上での衛星１０Ａの位置に関係 なく地球の磁場Ｂの方向に対して直角またはほぼ直角に保持されるからである。 磁気カプラ１，２，３は衛星１０Ａの位置に応じて様々な値のロールモーメント およびヨーモーメントを与えることができる。磁気的に発生されるヨーモーメン トは極地の上方では実質的にゼロとなり、ロールモーメントは軌道Ａの昇交点お よび降交点で実質的にゼロとなる。またこの２つのモーメントは中間高度で良好 に分配される。空力的制御面１５の作用は、欠陥のある磁気的に発生されるモー メ ントを補完する。 ここで６および１８時間の地方時において太陽同期軌道上を移動するようにな された衛星１０Ｂを示す第３図を参照する。軌道Ｂは再び述べるが準極軌道であ り、赤道面に対して約１００°の傾斜を有している。この構成は先に説明したの と本質的に相違するものではなく、繰り返して述べれば中央本体１１を含み、こ の中央本体からはマスト１２，１３が延在されていて、衛星１０Ｂのロール運動 およびヨー運動を保証するために先に説明したのと同様な空力的な制御面有して いる。主なる相違点は、ソーラーパネル１４に代わるソーラーパネル２１を担持 する補完的マスト１９，２０に関する。補完マスト１９，２０はヨー軸線Ｚに沿 って延在し、ソーラーパネル２１はピッチ軸線Ｙの方向に配向されて太陽に向け られており、その方向は先の実施例と反対に軌道面の方向にほぼ直角である。 第４図は赤道面の軌道Ｃを示している。衛星１０Ｂはマスト１２，１３，１９ ，２０を含んでおり、これらは先の実施例のものと同じであり、すなわち第１の マストは制御面パネル１６，１７，１８だけを担持し、他方のマストはソーラー パネル２１を担持している。 しかしながら、制御面パネル１６，１７，１８はヨー軸線Ｚに沿って延在し、 ピッチ軸線Ｙの方向へ向けられており、これに対してソーラーパネル２１は反対 である。このような軌道によれば、磁気的モーメントがロール軸線Ｘおよびヨー 軸線Ｚの回れに発生されるが、地球の磁場に大雑把に言って平行なピッチ軸線Ｙ のまわりには発生しない。しかしながらこの場合には、空力的制御面１５が先の 実施例の場合と同様に傾斜されることでピッチ軸線Ｙおよびロール軸線Ｘのまわ りにモーメントを発生させる。この最後に挙げた軸線に関してはしたがって２つ の方向決め手段が利用できるが、上述で留意された燃料節約の理由から磁気的カ ップが優先される。 各種の器具の制御モードがここで考慮される。具体的に言えば、ガイドコンピ ュータが使用され、このコンピュータは磁気カップ１，２，３に対する電流供給 およびモーター３２，３３に対する電流供給を調整する仕事を有し、また何時い 動する。このために、衛星はこの測定を行うことのできる磁力計を内蔵すること ができるが、時間の関数として衛星の基本軸線に関する磁場成分に応じて磁場方 向をモデル化することが可能であり、すなわち軌道の推移をモデル化することが できる。大きな方向に関する欠陥が発生しないと仮定され、またロール回転軸線 、ピッチ回転軸線およびヨー回転軸線が軌道に対して接線方向で、該軌道に対し て一定した状態に保持されると仮定される。 静止衛星において別の目的（慣性ホイールの非限界化）に既に使用されている 地球磁場のモデル化の例が、第２図に従う太陽同期軌道に関して以下の式で与え られる。すなわち ここで、Ｂ₀は考慮する高度での地球磁場の値（６００ｋｍで２．５×１０^-5テ スラ（ｔｅｓｌａ）であり、またω₀tは軌道上の衛星１０の角度位置で、発生の ために昇交点をとる。このモデル化は、軌道および磁場が完全な極であると想定 するに等しいので、若干不正確である。この単一調和による２０％〜３０％の値 に比べて真に小さな誤差、すなわち１％の範囲内を得るために、磁場は付加的な 調和（ｎ＝３およびｎ＝５）を得てモデル化されなければならない。 このような状況のもとで、磁気カプラ１，２，３で発生された２極の磁気モー メントがＭ_x，Ｍ_y，Ｍ_zの値を有するとするならば、これらの３つの主方向にお いて発生された磁気トルクは次式で与えられる。すなわち クトル和である。この式は各軸に関して分解できる。すなわち、Ｃ_x＝Ｃ_Mx＋Ｃ_{A x} 、Ｃ_y＝Ｃ_My＋Ｃ_Ay，Ｃ_z＝Ｃ_Mz＋Ｃ_Azである。また既に説明したように、ピッ チ回転軸線Ｙのまわりの空力的トルクはＣ_Ayはゼロであり、すなわちＣ_My＝Ｃ_y である。更に、空力的トルクの全体的な値はできる限り小さくなければならない ことが望まれるので、ベクトルＣ_AおよびＣ_Mは直角であるべきことが望 まれる、最終的にＣ_MxおよびＣ_Mzを与える関係式が推測される。すなわち、 それ故に、 Ｃ_MxＢ_x＋Ｃ_MzＢ_z＝−Ｃ_yＢ_y． ここで、すなわち (Ｃ_Mx−Ｃ_x).(−Ｂ_z)＋(Ｃ_Mz−Ｃ_z).Ｂ_x＝０ また最終的に、 また、このような条件において、ロール回転およびヨー回転制御面は次式のよ うな空力的トルクＣＡを発生できねばならない。すなわち、 これらの数式および第１図によれば、コア４が軸線Ｘ，Ｙ，Ｚと整合されてい る磁気カプラ１，２，３はそれぞれ磁気モーメントＭ_x，Ｍ_y，Ｍ_zを発生する。 第５図の表記がここで選択されたとするならば、すなわち第５図の図示におい てθ₁およびθ₄が正数で、θ₂およびθ₃が負数とされてマスト１３，１２のそれ ぞれの端部パネル１７，１８に関してはｉ＝１およびi＝３で、マスト１３，１ ２のそれぞれの中央パネル１６に関してはｉ＝２およびi＝４である軌道平面内 のパネルの拡張対応する中立位置からの空力的制御面１５のパネルの傾斜を表す ためにθ₁〜θ₄が選択され、衛星１０および制御面パネルに対するガス原子 （角度θ₁による）を表すためにＶ_rが選択され、大気の密度を表すためにρが選 択され、パネルの１つの表面積を表すためにＳが選択されるとするならば、時 表す。また、ガス原子の反射は鏡面反射である、換言すれば、反射粒子の速度の 的な衝撃状態に等しい。実施において、これらの条件は制御面パネルがクロム酸 化物のような硬質物体で被覆されるならば多少とも守られるのであり、クロム酸 化物は良好な耐食性を有するという付随的な利点を有する。 中央パネル１６は同じマスト１２または１３の端部パネル１７，１８の面積合 計と等しい面積を有することに留意して、この面積はＳ／２と表記でき、またｌ は衛星１０の慣性中心と中央パネル１６の中心との間隔距離を表す。 ここで、ｄｍ，／ｄｔに等しいパネル面積Ｓ／２に対するガスの質量流量は次 式、すなわち（（Ｓ／２）・ｓｉｎθ）・ρ・Ｖによっても与えられ、この式は 次式すなわちＦ＝２ｓｉｎ²θρＶ² （Ｓ／２）を導く。 付与すべき空力的トルクは次のように最終的に導き出される。すなわち、 Ｃ_Ay：０ 次式で表されるような、すなわち 導き出された空力的トルクを得ることが必要となる。「Ａ」に代えて「ａ」で示 れており、これはこの後で独立して考える。 揚力および抗力係数が各パネルに関して２ｓｉｎ２θ｜ｓｉｎθ｜および４｜ ｓｉｎ³θ｜のそれぞれにおいて選定される。それらの合計は常に小さく抑えら れることが好ましい。それ故に、角度θ_Iを与える以下の法則を適用することを 推奨する。すなわち、 １） Ｃ_ax≠０であるならば、すなわち基本単位が例えば１０⁴よりも大きい ならば、 ａ） Ｃ_az≧０および０≦Ｃ₂≡Ｃ_az ²／｜Ｃ_ax｜³＜１あれば、 と想定される。 Ｃ_axの符号のθ₁によれば、 Ｃ_axの符号のθ₂によれば、 またθ₃およびθ₄＝０であれば、 ｂ） Ｃ_az≧０および１≦Ｃ₂であれば、 と想定される。 また、１〜４のｉに関しては、 Ｃ_axの符号のθ₂によれば、 したがって、 Ｃ_axの符号のθ₂によれば、 また、（−Ｃ_ax）の符号のθ₄によれば、 またθ₁＝θ₃＝０であれば、 ｃ） 先のようなＸによりＣ_az≧０および０≦Ｃ₂≦１であれば、 Ｃ_axの符号のθ₁によれば、 Ｃ_axの符号のθ₂によれば、 またθ₃およびθ₄＝０であれば、 ｄ） Ｃ_az≦０および１≦Ｃ₂であれば、 先のようにαによれば、 またＣ_axの符号のθ₁によれば、 −Ｃ_ax、の符号のθによれば、 またθ₂およびθ₄＝０であれば、 第６図はこれらの関数のグラフによる表示である。 ならば、 ａ） Ｃ_az≧０であれば、 θ₂＝θ_4iで ｂ） Ｃ_az≦０であれば、 θ₁=θ₃で 磁気カプラ１，２，３の巻線５，６のように、制御面パネル装置は冗長性すな わち余力があり、それ故に予期しない破壊が生じたときも使用を継続できること は明白である。傾斜角度θ₁〜θ₄に関係するパネルまたはパネル組を示すために Ｇ₁〜Ｇ₄を使用して、欠陥の生じたパネルを交換するときに使用される制御面を 列挙している第１表に要約される交換方法の適用が推奨される。 これらの制御面が移動できねばならない角度は、所望のモーメントだけでなは く、他の制御面の休止位置によっても左右されるのであり、これは極めて冗長な 管理の可能性の全てを与えるようなあらゆる試みをなす。 空力的制御面１５は衛星１０を制動させて軌道の或る種の修正を行う仕事を与 えられ得ることも付加されねばならない。θ₁＝−θ₃＝θ₂＝−θ₄を得てゼ ロの空力的モーメントおよび｜ＳＩＮθ１｜³に比例した全抗力を得るようにす ることが十分できる。 本明細書に与えられた指令法則は他の形態の軌道のに提供するように容易に変 更することができる。同様に、本明細書で与えられた制御面の配置は小さな軌道 傾斜の全てに衛星を使用できるようにする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 衛星の３つの主軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のまわりに回転モーメントを発生させ る磁気発生装置（１，２，３）と、主軸のうちの２つの軸線（Ｘ，ＺまたはＸ， Ｙ）のまわりに空力的な回転モーメントを与える回転外部パネル（１６，１７， １８）とを含み、可変モーメントを発生させるようにパネルを誘起させるために 磁気発生装置およびパネルに関係した指令法則に基づいて衛星の形式および軌道 に応じて決めるようにしたことを特徴とする人工衛星。 ２． 請求の範囲第１項に記載された人工衛星であって、外部パネルが衛星の 慣性中心に対して対称的に配置されたことを特徴とする人工衛星。 ３． 請求の範囲第２項に記載された人工衛星であって、外部パネルが２対で 構成され、ほぼ整合された軸線のまわりを回転することを特徴とする人工衛星。 ４． 請求の範囲第３項に記載された人工衛星であって、各対のパネルが同じ 表面積を有し、中央パネル（１６）および該中央パネルに対して中実形をなすよ うに取り付けられて縁取りを形成している２つの同じ準パネル（１７，１８）を 含んで構成されたことを特徴とする人工衛星。 ５． 請求の範囲第１項に記載され、惑星をまわる軌道上にあって、大気中お よび磁場中に入り込むような人工衛星の制御方法であって、衛星の主軸に関して 惑星の磁場（Ｂ）を周期的に測定または推定する段階、および磁気発生装置およ び外部パネルにより主軸のまわりに発生される回転モーメントを計算する段階を 含むことを特徴とする制御方法。 ６． 請求の範囲第５項に記載された人工衛星の制御方法であって、外部パネ ルで発生される回転モーメントが最小の全体値を有するように磁気発生装置の回 転モーメントが計算される段階を含むことを特徴とする制御方法。 ７． 請求の範囲第５項に記載された人工衛星の制御方法であって、準極軌道 を衛星が移動すること、および外部パネルで発生されるモーメントがロール回転 モーメントおよびヨー回転モーメントであることを特徴とする制御方法。 ８． 請求の範囲第５項に記載された人工衛星の制御方法であって、赤道軌道 を衛星が移動すること、および外部パネルで発生されるモーメントがピッチ回転 モーメントおよびロール回転モーメントであることを特徴とする制御方法。 ９． 請求の範囲第５項に記載された人工衛星の制御方法であって、外部パネ ルが大気により発生される抗力作用を最小限にするように制御されることを特徴 とする制御方法。 １０． 請求の範囲第６項に記載された人工衛星の制御方法であって、磁気モ ーメントが式（Ｉ）に従って発生されることを特徴とする制御方法。 １１． 請求の範囲第９項に記載された人工衛星の制御方法であって、磁気モ ーメントが式（Ｉ）に従って発生され、外部パネルが式（ＩＩＩ），（ＩＶ）， （Ｖ），（ＶＩ），（ＶＩＩ），（ＶＩＩＩ）および（ＩＸ）に従って制御され ることを特徴とする制御方法。