東京大学ISSL:PRISMプロジェクトサイト

2011年2月4日更新

PRISM 熱構造系の役割
PRISM 熱構造系の設計/開発
コンポーネント
メンバー

PRISM 熱構造系の役割

熱構造系は衛星の熱設計と構造設計を扱うサブシステムです。私たちの役割は、他のサブシステムがきちんと動作するための最低限の基盤になるものです。構造がしっかりしていなければ衛星は打上げ時の衝撃で壊れてしまいますし、内部の温度があまりに高かったり低かったりすると、動作に支障が出てくる機器もあります。熱構造系は衛星の中で、縁の下の力持ち的な存在と言えます。熱構造系の目標としては、以下のような項目が挙げられます。

衛星をロケット打上げ時の激しい振動から守る
衛星がロケットで打ち上がるとき、上下・左右に非常に激しい力でゆさぶられます。このとき柱や壁などの構体がしっかりしていないと、衝撃で衛星本体がバラバラになってしまいます。これは絶対に避けなければなりません。しかし、頑丈にしたいからといってあまりに壁を厚くしたり柱を太くしたりすると、衛星がどんどん重くなってしまいます。一般に衛星は大きく、重くなるほど電力などのリソースが必要になり、打上げにかかる費用も増えてしまいます。そこで、衛星をできる限り軽量化するために、打上げ時の振動に耐えられるぎりぎりの設計をする必要があります。
衛星の内部にうまく機器を配置する
衛星には各サブシステムが必要とする、さまざまな機器を搭載します。これらを衛星構体の中に配置したり、固定したりするのも熱構造系の仕事です。配置する際には重心の位置が衛星中心になるように質量バランスを考えたり、電気的な配線が短くなるように同じ系統の機器を一ヶ所にまとめたりする工夫が必要です。
軌道上での展開機構が確実に動作するよう設計する
衛星はロケットで打ち上がるとき、アンテナや太陽電池パネルなどを収納して小さくなることで、ロケットの中のわずかなスペースに収まっています。衛星が軌道上に放出されたあとは、これらを自力で展開して使えるようにする必要があります。
衛星の中を安定で均一な温度に保つ
衛星の搭載機器にはそれぞれ動作温度があり、ほとんどの機器は常温、つまり地上の温度±数十度で動作します。しかし中にはバッテリーのように、ほとんど常温でないと動かないものもあります。これは温度変化が激しい宇宙環境においては非常に厳しい要求です。熱構造系の「熱」部分の仕事は、衛星の内部が極端に高温/低温にならないように、機器の配置や断熱・放熱といった熱設計を行うことです。

ロケットから衛星を放出する機構を設計する
衛星はロケットに固定して打ち上げられますが、衛星そのものをロケットにネジ止めなどするわけにはいきません。宇宙では誰もネジをゆるめて衛星を放り出してはくれないからです。 CubeSat1で、私たちはT-PODという超小型衛星独自の放出機構を開発しました。これは箱型の構造をロケット側に取り付け、その中に衛星を収納、バネの力で放出する、というものでした。 PRISMの放出機構は基本的にCubeSat1と同じPOD方式を採用する予定です。下の写真がT-PODと呼ばれる放出機構です。 T-PODは我々が開発したCubeSatであるXI-IV、XI-Vに加えて、他の大学が開発した CubeSat2機を軌道上に射出することに成功しています。 PRISMの放出機構のCADモデルが下の画像です。 PRISMはCubeSatに比べて大きくなっている上に伸展ブームを搭載しているので、T-PODより大きな放出機構になっています。


T-POD外観	PRISM用POD CAD図

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PRISM 熱構造系の設計/開発

熱構造系では構造設計や機器配置、重心計算などに三次元のCAD（Computer Aided Design）ソフトを使っています。これは各機器ごとのサイズと密度を指定して衛星の中に配置していけば、自動的に重心座標や慣性モーメントを計算してくれる優れものです。下の絵はXI-VのCADモデル図です。また、熱や振動の解析には振動試験機や恒温槽（高温/低温環境を作り出せる装置）による実験と合わせて、有限要素法解析ソフトであるANSYSを使ってシミュレーションを行っています。

XI-V CAD図

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コンポーネント

熱構造系の開発コンポーネントとしては、以下の項目があります。

伸展ブーム

伸展ブーム（伸展マスト）は光学系のレンズの焦点距離をかせぐために伸ばす構造部材です。 PRISMにおける熱構造系最大のミッションといっても過言ではないでしょう。 PRISMのメインミッションである「高解像度の画像撮影」のためには、焦点距離が80cmとかなり長いレンズが必要になります。しかし、レンズを衛星本体からそんなに離して固定するのは非常に難しいことです。しかも打上げ時にはコンパクトなサイズに収めたいので、構体を80cm先まで伸ばすわけにはいきません。そこで登場したのが、伸展ブームです。これは柔軟な線材を用いた構造部材で、打上げ時には小さく収納、軌道上で元の80cmのブームに伸展する、というものです。この伸展ブームの構造とその応用に関しては、現在特許出願済です。写真は BBMであり、EMの設計はパーツの配置が異なっています。伸展ブームの有限要素法による解析と、材料やコンフィギュレーションの検討に関して、慶應大学の野口研究室に協力していただいています。また、実際のブーム製作に関しては(株)三協製作所に協力頂いて進めています。

伸展ブーム EMモデル外観

分離・放出機構
PRISMの放出機構には、CubeSat1と同じくPOD方式を採る予定です。しかしT-PODの最大の問題点は、全体がアルミニウムでできているため、非常に重いということでした。その質量、2kg 弱！なんとXI 本体よりも重かったのです。 PRISMは8kg程度であるのに比べ、放出機構は11kgとなっています。
太陽電池展開パネル
PRISMでは発生電力を稼ぐため、太陽電池をたくさん貼ったパネルを展開します。このパネルも熱構造系が設計しています。現在の設計では展開するパネルは4枚となっています。
温度計
PRISMでは衛星各部の温度を把握するため、たくさんの温度計を搭載します。この選定や実装を熱構造系が担当します。また、開発要素ではないのですが、私たちはANSYSを用いた超小型衛星の熱解析手法の確立を目指しています。そのため、衛星の熱的なモデルを構築するのに効果的な温度計の配置を考慮し、地上での高温/低温実験を行います。
基板間情報インターフェース
各サブシステムは、必要とする機能を実現するために基板を作り、その上にいろいろな機器をのせます。この基板間を電気的に結ぶコネクタを、熱構造系が提供します。これが無いと、たとえば通信系が地上から受信した情報が、他のメインOBC（OnBoard Computer）や姿勢制御系に伝わらなくなってしまいます。 CubeSat1ではこのインターフェースのために構造系基板を作成し、「ファミコンカセット方式」とも呼べる手法（一つのメスコネクタを構造系基板に実装しておいて、これに各系の基板を挿していく方法）で各サブシステムの基板を結びつけていました。 PRISMではCAN（Controller Area Network）バスの採用によってコネクタ数の削減を図り、少数のコネクタで基板間を結ぶ設計としています。

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メンバー


清水健介　リーダー	草川靖大	佐藤友紀	佐原宏典　オブザーバー	江野口章人　オブザーバー

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