JPH06259135A - 磁気トルク姿勢制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、重量を増加させず、宇宙船主電力
バスの電力を顕著に減少させずに太陽電池翼上に取付け
られる姿勢妨害補償システムを提供することを目的とす
る。 【構成】 本体およびこの本体から延在し、宇宙船によ
る使用のための電流を生成する太陽電池38を有する太陽
電池パネル36を具備している宇宙船用の姿勢制御システ
ムにおいて、太陽電池38に結合されて太陽電池38によっ
て生成される電流を宇宙船で使用するために宇宙船本体
に伝導し、宇宙船の姿勢を調節する外部磁界と相互作用
する磁界を生成するように位置されている導電性コイル
を具備していることを特徴とする。導電性コイルは太陽
電池38の両端に結合されている導線44, 46によって構成
されたループである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トルクを使用する宇宙
船の姿勢制御の分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】天体の軌道における宇宙船は、種々の異
なる姿勢妨害トルクを受けやすい。多くの地球軌道にお
いて進行している太陽電池翼を有する宇宙船に関して、
これらの中で最も困難なものの１つは、宇宙船の表面上
の太陽圧力である。太陽電池翼は、典型的に宇宙船の重
心から離れ、大きな表面積を有するので、太陽電池翼は
典型的に実質的な太陽圧力妨害トルクを生成する。これ
らの妨害トルクを補償するため、例えば再発行米国特許
第29,177号明細書（Michaelis 氏）に記載されているよ
うな太陽電池翼上に磁気トルクコイルを取付けることは
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】太陽電池翼上の磁気ト
ルクコイルは、宇宙船の重心から離れた位置から操作す
る宇宙船本体上の磁気トルクコイルにまさる利点を有
し、結果的なトルクは常に太陽圧力ベクトルと整列され
る。太陽電池翼は、磁気トルクコイルの効果を増加する
宇宙船本体上でレバーアームとして作用する。しかしな
がら、磁気コイルは宇宙船に実質的な総重量を加え、本
来宇宙船主電力バスにより部品を操作させるために使用
されるべき電力を消費する。

【０００４】本発明は、重量を増加させず、宇宙船主電
力バスに有効な総電力を顕著に減少させることのない太
陽電池翼上に取付けられる有効な姿勢妨害補償システム
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】１実施例において、本発
明は、本体および本体から延在している太陽電池翼を有
する宇宙船用の姿勢制御システムを含む。太陽電池翼は
１つ以上の太陽電池パネルを有する。導電性コイルは太
陽電池パネル上の太陽電池に結合され、宇宙船による使
用のために太陽電池パネルによって生成された電流を宇
宙船本体に伝導する。コイルは、宇宙船の姿勢を調節す
るために外部磁界と相互作用する磁界を生成するように
位置される。外部磁界は、宇宙船が軌道に乗ている地球
または他の天体の磁界、あるいは他の近くの天体の特に
強力な磁界である。

【０００６】別の実施例において、本発明は本体および
本体から延在している太陽電池翼を有する宇宙船用の姿
勢制御システムを含み、それにおける太陽電池翼上のパ
ネルは宇宙船による使用のために電流を生成する宇宙船
電力バスに個々に結合される複数の太陽電池列を有す
る。太陽電池パネル上の導電性コイルは、外部磁界と相
互作用する磁界を生成する電流を伝達するように構成さ
れている。宇宙船の姿勢を調節するために、コイルは電
圧接地点と、各太陽電池列からコイルに流れる電流を個
々に分路する複数のコイルスイッチを通る電力バス制御
装置とに電気接続され、電力バスにおける電圧を調節
し、宇宙船の姿勢を制御するために電圧接地点に電気的
に接続される。

【０００７】

【実施例】本発明は、通常の静止地球軌道における衛星
の情況において説明されている。しかしながら、本発明
はまたは低い地球軌道のような他の軌道における衛星、
および十分に強力な磁界が存在する天体中を移動する宇
宙船にも適用される。

【０００８】図１における衛星10は、軸を見やすく示す
ために簡単な立方体で示されている中央のすなわち本体
12を含む。ヨー軸13は、衛星の本体から地球14の中央に
向けられる軸道平面における軸である。ピッチ軸16は、
衛星の軸道平面に垂直におよびヨー軸に垂直に向けられ
る。ロール軸18はヨー軸およびピッチ軸に垂直であり、
衛星の進行方向に向けられる。衛星は、宇宙船の姿勢を
安定させるためのモーメンタムホイール20を含む。モー
メンタムホイール20はピッチ軸に平行に回転するものと
して示されているが、モーメンタムホイール20の特定の
方向は本発明には重要でない。さらに、本発明は、モー
メンタムホイールのない宇宙船にも適用できる。さらに
衛星は、衛星を適切に指向する慣性系基準フレームを確
立するために種々のジャイロ22およびセンサ26を有す
る。センサおよびジャイロは、衛星の姿勢制御部品ある
いは作動装置を操作する中央プロセッサ（図示されてい
ない）に送られる情報を生成する。太陽電池翼28および
30は、衛星の本体におけるペイロードを駆動する電力を
それぞれ発生させるために本体の南北の端部から突出し
ている。このペイロードは、宇宙船の使命に依存してい
る種々の通信装置あるいはセンサを含む。簡単化のため
に、これらの通信および検知ペイロードは図１には示さ
れていない。

【０００９】ある場合には、図２に示されたのと同様の
構造の単一の太陽電池翼を使用することは好ましい。図
２において、単一の太陽電池翼28は宇宙船の主電力バス
を駆動する電力を発生させるために宇宙船の片側から伸
び出ている。宇宙船は全ての点で図１に示されたのと同
じである。図１の２重太陽電池翼構造は２つの太陽電池
翼における太陽圧力が実質的に平衡であるので典型的に
好ましい。図１に示される衛星構造に関して、北側の翼
28上の太陽圧力は時計方向のヨー軸を中心とした回転を
誘導し、南側の翼30上の太陽圧力はヨー軸を中心とした
反時計方向の回転を誘導する。これらの力は互いに実質
上平衡して、姿勢制御装置における要求を減少する。図
２の宇宙船において、単一の太陽電池翼28上の太陽圧力
はヨー軸を中心とした同様の回転を誘導するが、この力
は対称的な反対力によっては補償されない。しかしなが
ら図２の宇宙船構造は、例えば通信アンテナあるいはセ
ンサが南側の翼で占められる位置に取り付けられという
様々な理由のために好ましい場合がある。

【００１０】図３は、典型的な太陽電池翼28が３つのパ
ネル36−１，36−２，36−３を有するという本発明の好
ましい実施例を示す。各パネルの前面は、太陽電池（図
を簡単にするために４つの列の配線だけが示されてい
る）の８つの個々の列38−１乃至３８−４を有する。各
列は正のワイヤ44−１乃至44−４および負のワイヤ46−
１乃至46−４にそれぞれ接続する正の端子40−１乃至40
−４および負の端子42−１乃至42−４を有する。ワイヤ
は、列から宇宙船の本体に各パネルの裏面の両外縁部に
沿って経由される。各列からの正のワイヤはパネルの周
辺に沿って互いに近接して導かれ、２組のワイヤ間の区
域を閉じて流れる電流による磁気モーメントを最大にす
るために対抗する両縁部上の負のワイヤからできるだけ
離される。本発明とは異なった通常の太陽電池アレイに
おいては、列からのワイヤはパネルの裏面の両縁部上に
引き出されるが、列の極性は、各連続的な近接したワイ
ヤにおける電流が反対方向に流れるように交互にされて
いる。ワイヤは、ワイヤにおける電流による磁気モーメ
ントを最小にするために互いに非常に近接して経由され
る。

【００１１】図３のシステムは、および各パネル36−
１，36−２，36−３のそれぞれに対して１つずつの１組
の電圧制御モジュール48−１，48−２，48−３を含む。
各モジュールは、対応しているパネルの８つの列の正の
端子に結合される８本のワイヤを受けるために電流入力
端子50を有する。モジュールは、各パネル上の対応して
いるワイヤを通って各列の負の端子に接続される共通の
戻りバス52を共用する。正の端子の接続ワイヤ44−１乃
至44−４は電圧制御モジュールの太陽電池アレイ入力50
に結合し、ワイヤは電圧制御モジュールの太陽電池アレ
イの戻りライン52に接続された太陽電池列の負の端子に
結合される。これは、電圧制御装置を通って２つのワイ
ヤセット44，46に沿って、太陽電池列を通って戻る電流
ループを生成する。全太陽電池列は同じ方向に整列さ
れ、ワイヤはワイヤによって囲まれた範囲を最大にする
ために太陽電池翼の端縁部に位置され、相当の磁界が電
圧制御モジュールへのワイヤを通る太陽電池電流によっ
て生成される。この磁界が、例えば地球軌道衛星におけ
る地球の磁界のような天体の磁界と相互作用するとき、
トルクが生成されて宇宙船の姿勢に影響を与える。この
トルクは太陽電池列から主宇宙船本体の電力バスに電力
伝達するのに必要なワイヤを使用して生成されるので、
磁気トルクは宇宙船に何等の重量を加えることなしに実
行される。

【００１２】図３に示されるような簡単な配線の配置
は、例えば図２に示されるような単一太陽電池翼宇宙船
の場合において好ましい。その場合、電流の方向は生成
された磁界が単一の太陽電池翼28上の不平衡な太陽圧力
と反対になるように配置される。赤道付近の軌道におけ
る衛星において、太陽電池翼によって生成される磁気ト
ルクは食によって生じられる太陽圧力における変化を自
動的に調整する。衛星が食に入ったとき、太陽圧力は実
質上停止するが、太陽電池列もまた電流生成を停止する
ので、磁気トルクコイルによる反対力は生成されない。
このシステムはまた、太陽電池翼が太陽電池を追跡する
ので太陽の放射強度における顕著な変化を補償する。衛
星が地球の軌道に乗ると、太陽電池翼上の磁気トルクコ
イルは、衛星の本体の方向にかかわらず太陽圧力を直接
補償する方向に常に指向される。

【００１３】翼の配線の配置は、生成された磁気モーメ
ントができるだけ厳密に太陽圧力と平衡するように設計
される。図３の配線構造は、図１に示されたような２重
翼衛星にも適用される。この場合において、太陽電池翼
は、各太陽電池翼が大きさの等しく反対の磁気トルクを
生成するように配線されることが好ましい。これらのト
ルクは平衡し、宇宙船における任意の回転効果を最小に
する。しかしながら、太陽電池パネル配線の一部である
コイルは以下に説明されるように電圧制御モジュールの
動作によって姿勢補正力を生成するために使用される。

【００１４】図３を参照すると、太陽電池列によって生
成される電流は、電圧制御モジュール48に導かれる。各
電圧制御モジュールが８つの太陽電池列入力を有するよ
うに単一の電圧制御モジュールが各太陽電池パネルに使
用されることは好ましい。しかしながら、図３には４つ
の入力のみが簡単にするために示されている。各太陽電
池アレイからの電流は負荷56−１乃至56−４を通って分
路スイッチ54−１乃至54−１に導かれる。分路スイッチ
は、バス電圧を調節するために宇宙船姿勢制御システム
あるいは電力サブシステム主プロセッサ（図示されてい
ない）によって操作される制御回路58によって制御され
る。スイッチが開いているとき、電流は一連のフィルタ
60，62を通って、主宇宙船電力バス中の電力バス出力端
子63を通り宇宙船における電流消費装置に流れる。スイ
ッチが閉じているとき、電流は１組の安全スイッチ64を
通って戻りバス52に流れ、太陽電池パネルの反対の電極
に戻る。安全スイッチ64は、分路スイッチ54が閉じない
場合には太陽電池アレイ戻りライン64に戻る分路回路を
開くように設計される。戻りライン52は宇宙船のシャシ
ーに関する接地点として動作し、宇宙船における電流消
費装置の接地端子接続に結合される。

【００１５】電圧制御モジュールは、宇宙船における電
流消費装置に主電力バス63によって供給される電圧を制
御するように動作する。電力バスにおける電圧が高過ぎ
るとき、分路スイッチは閉じられ、戻りラインに戻る選
択された太陽電池列から宇宙船電力バスからの電流供給
を除去する太陽電池アレイに電流を分路する。宇宙船電
圧が低過ぎるとき、分路スイッチの閉じたスイッチは開
かれ、電力バスへの付加的な電力を再生する。電流消費
部品の電力要求が変化すると、供給電力も同様に変化す
る。列が分路され、電流が主電力バスに供給されると
き、太陽電池列の配線ループにおける電流間に５％また
は６％の差が生じる。南北の両側に太陽電池翼を有する
衛星において、磁気トルクは異なる太陽電池パネル上の
配線ループにおける全電流を調節することによって両方
向に生成される。列が分路されるとき、電流は対応して
いるパネルの磁気モーメントを５％または６％増加する
ことによって増加される。１つのパネルにおける太陽電
池アレイ列を分路することによって、磁気トルクは全電
流ループによって囲まれた区域内の全電流における差に
比例して生成される。

【００１６】代りに、磁気モーメントは電流制御スイッ
チ66−１，66−２（図３参照）を使用して制御される。
電流制御スイッチが各太陽電池列に対して使用されるこ
とが好ましいが、図を簡単にするために４つのみが示さ
れている。これらのスイッチは電圧制御モジュールに太
陽電池列を結合しているワイヤループを開き、さらに対
応している電圧制御モジュール48の制御回路58によって
制御される。これらのスイッチが開かれるとき、任意の
特定の列によって生成された磁気モーメントにおける差
を生成する影響を受けた列の配線を通る電流は存在しな
い。衛星の各パネルにおける各列に対する分路スイッチ
54および電流スイッチ66の操作によって、広範囲の磁気
モーメントが生成され、その一方で宇宙船における電流
消費装置に十分な電力を供給する。

【００１７】代りに、太陽電池列は、隣接した列が図４
に示されるように反対方向に電流を生成するように配置
される。太陽電池列によって生成された電流は図３と同
様の方法で太陽電池パネルの裏面に接続されたワイヤに
沿って導かれ、電流は図３に関して上記説明されたよう
な同様の方法でスイッチを使用して制御される。しかし
ながら、電流は隣接したコイルに反対方向に流れるの
で、コイルは２つの反対方向の１つに磁気モーメントを
生成するために使用されることができる。

【００１８】図５は本発明の別の実施例を示し、空芯ト
ルクコイル70は太陽電池翼の裏面に付加される。トルク
コイルは太陽電池列（図示されていない）と無関係に配
線される。太陽電池列は、その列によって生成された磁
気モーメントを最小にするために通常の方法で配線され
る。図５のトルクコイルは、所望ならば可撓性を大きく
するために図３および４に示された太陽電池列配線配置
と組合わされる。太陽電池列は電圧制御モジュール入力
50に結合され、電圧制御モジュール48内で図３に関して
上記説明されたように導かれる。しかしながら、図３と
対照的に、コイルスイッチ72および空芯コイル70は各太
陽電池アレイ入力と分路スイッチ54−１乃至54−４との
間に挿入される。簡単にするため、ただ１つの分路スイ
ッチ54−４に結合されたただ１つのコイルスイッチ72の
みが示されている。しかしながら、各パネルの別の８つ
の入力用のスイッチはそれぞれコイルスイッチを有する
同様の方法で配置される。目下、各パネルにおける全列
が同じコイルを駆動させるために共通バスに接続される
ことは好ましい。しかしながら、１つ以上のコイルが使
用されてもよい。

【００１９】コイルスイッチ72は、３位置スイッチであ
る。第１の端子74は、対応している太陽電池列、この場
合は列４からの電流供給に直接結合される。第２の端子
76は分路スイッチ54−４に結合された抵抗負荷56−４に
結合される。それ故、第１および第２の端子は結合され
るとき、第４の列からコイルに電流は流れない。電流
は、図３に示される方法と同様に分路スイッチに直接流
れる。この場合、電圧制御モジュールは図３に関して上
記説明されたような同様の方法で動作する。分路スイッ
チが閉じているとき、太陽電池列からの電流は接地され
た戻りラインに戻るように直接分路される。スイッチが
開いているとき、電流は宇宙船における電流消費装置中
に導かれる。第３の端子78は、太陽電池翼上の付加的な
コイル70に結合されている。第１および第３の端子が接
続されるとき、電流はコイルを通って太陽電池列から流
れ、宇宙船接地点および分路スイッチ54−４をバイアス
する太陽電池アレイ戻りラインに直接分路される。コイ
ルスイッチ72は、電流がスイッチを通って流れないよう
に開位置のままにされることができる。この場合、分路
スイッチおよびコイルの両者がバイパスされ、太陽電池
列からの電流は宇宙船電力バスに直接流れる。図５の配
置は、電流が姿勢制御のために使用される宇宙船電力バ
スにおける電圧供給を調節するために接地するように分
路されることを可能にする。

【００２０】例えば太陽電池が劣化される前の使命中に
おいては早く、あるいは幾つかの負荷が故障したときの
使命においては遅いような宇宙船電力バスにおける電圧
がに高い過ぎるとき、電圧モジュールは１つ以上のセル
列から接地への電流を分路するように指令される。通常
の太陽電池翼および電圧制御システムにおいてはこの電
力は浪費される。しかしながら、本発明によれば、過度
の電力はトルクコイルを通っては導かれず、浪費される
電力が姿勢制御を達成するために使用されるように接地
に流れる。通常の姿勢制御コンピュータあるいは本発明
による使用のために変形された地上局は、太陽電池列が
接地に分路され、所望の姿勢調節を達成するために磁気
コイルを通って接地に分路されるべきであることを決定
するために使用される。

【００２１】このシステムの柔軟性は、極性スイッチ80
を付加することによって増加される。このようなスイッ
チは、２つの異なる方向の１つに電流を導く１組の継電
器として図６に示されている。電流の方向は図６におい
て矢印82で示されている。図７における継電器は、電流
が矢印84で示されるように反対方向に流れるように反転
されている。極性スイッチは、反対の２方向の１方にお
ける磁気モーメントが太陽電池パネルにおけるコイルに
よって生成されることを可能にする。本発明の別の実施
例に関して、図５，６および７に示されたのと同様のコ
イルは、コイルの使用における良好な柔軟性を可能にす
る２重翼の宇宙船の一方あるいは両方の翼に組込まれて
いる。極性スイッチの使用に代って、第２の太陽電池翼
における第２のコイルが冗長になるように反対の２方向
の１方における磁気モーメントは単一のコイルを使用し
て生成される。それ故、極性スイッチは宇宙船の重量に
おける顕著な減少あるいはその信頼性における増加を可
能にする。単一翼の宇宙船に関して、極性スイッチある
いは２つの別々のコイルは、両方向に磁気モーメントを
生成することが所望とされる場合に必要となる。図３お
よび４の実施例に関して、配線がパネルの前面上の太陽
電池に有効なスペースを最大にするために太陽電池パネ
ルの後側に位置されることは好ましい。さらに、配線が
コイルによって囲まれた区域を、したがってコイルによ
って生成されるトルクの大きさを最大にするために太陽
電池翼の外辺部にできるだけ近接して固定されることは
好ましい。取付け位置は太陽電池翼が好ましいが、図
５，６および７のコイルが宇宙船本体上に取付けられる
こともできる。

【００２２】本発明は、消費され、制限された推進燃料
を使用せずに姿勢制御トルクの効果的なソースを供給す
る。また、宇宙船が動作上の寿命の終りに近いときに良
好な柔軟性を可能にする。燃料が豊富である場合、太陽
電池パネルが有効な電流供給を最大にするために使用さ
れることができるので反動推進エンジンは姿勢制御のた
めに使用されることができる。燃料が不足している典型
的な場合、宇宙船の電力消費は寿命を最大にするために
減少される。ペイロードの一部は宇宙船が姿勢制御のた
めの予備電力を自由にしてその動作寿命の終りに近いと
きに故障し、それによって燃料を節約し、宇宙船の寿命
が延びる。システムは宇宙船上あるいは地上から制御さ
れることができる。制御は自主的であり、摂動を検知
し、正確にコイルを制御し、その環境における宇宙船の
既知の特性に基づいて予めプログラムされた補正の固定
されたシーケンスを命令する。代りに、システムはバッ
クアップとして使用され、必要とされる場合にのみ付加
的なバックアップ制御を行う。

【００２３】開示された実施例に対する種々の変形およ
び変更が本発明の技術的範囲から逸脱することなしに行
われることは、当業者によって認められるであろう。任
意の開示された配線構造はバーニヤロッド、付加的な磁
気コイル、反動推進エンジンあるいは宇宙船の姿勢の１
次あるいは補足的制御に関する他の姿勢制御装置によっ
て補われる。上記実施例の説明に関して、本発明は開示
された実施例に限定されるものではなく、特許請求の範
囲の記載によってのみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】対称的な南北両太陽電池翼を有する３軸の本体
安定衛星の斜視図。

【図２】単一の太陽電池翼を有する３軸の本体安定衛星
の斜視図。

【図３】太陽電池翼配線機構の一部および１方向にのみ
磁界を生成するように設計される太陽電池翼によって供
給される電流を制御する電力バス制御装置のブロック
図。

【図４】等しいおよび反対の方向に磁気トルクを生成す
るために配線された太陽電池翼の図３と同様の図。

【図５】太陽電池翼の裏面に設けられた磁気トルクコイ
ルおよび電力制御システムのブロック図。

【図６】第１の方向における電流を示している太陽電池
翼上の磁気コイルを通る電流の方向を制御する継電器を
含んでいる図５のシステムのブロック図。

【図７】第２の反対方向における電流を示している図６
に類似するブロック図。

【符号の説明】

10…宇宙船，28,30 …太陽電池翼，38…太陽電池列，48
…電圧制御装置，54…分路スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シブ・バスザクアー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90274、ランチョ・パロス・バーデス、プ レインフィールド・ドライブ 28312 (72)発明者 ジョセフ・エイチ・ハイデン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90274、ランチョ・パロス・バーデス、ア イアンウッド・ストリート 5709

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 本体およびこの本体から延在し、宇宙船
   による使用のための電流を生成する太陽電池を有する太
   陽電池パネルを具備している宇宙船用の姿勢制御システ
   ムにおいて、 太陽電池に結合されて太陽電池によって生成される電流
   を宇宙船で使用するために宇宙船本体に伝導し、宇宙船
   の姿勢を調節する外部磁界と相互作用する磁界を生成す
   るように位置されている導電性コイルを具備しているこ
   とを特徴とする姿勢制御システム。