図3‑2衛 星 軸 定 義
衛 星 の 各 面 の熱 制 御 素 子 は以 下 の よ うな 設 計 指 針 に よ り,表3‑1の よ うに 定 義 す る.
● 放 熱 面
+Z面 は 太 陽 指 向 を す る た め,太 陽 か らの熱 入 力 が 少 な く な い 一Z面が 最 も放 熱 面 と して は 適 して い る.し か しまず は,冷 却 を 施 す 必 要 が あ る検 出器 の 直 近 の 面 を放 熱 面 に 設 定 す る こ と が ヒー トパ イ プ な どで 熱 を輸 送 す る 手 間 を 省 くた め に も 必 須 で あ る.集 光 系 が+X側 に あ る た め,必 然 的 に 検 出器 は一X面 に設 置 とな り, 放 熱 面 も一X面 で 定 義 す る.放 熱 面 に は,外 部 熱 入 力 を な るべ く抑 え 放 熱 を 効 率 的 に 行 え る,す な わ ち,α が 小 さ くεが 大 き い 熱 制 御 素 子 を 用 い る必 要 が あ る.ORBISで は,小 型 ・大 型 問 わ ず に よ く用 い られ る銀 蒸 着 テ フ ロ ン加 工 を施 す.‑X面 だ け で は 放 熱 面 積 が 足 りな い 場 合 に は 一Z面 も放 熱 面 とな り うる.
● 内 部
な るべ く衛 星 全 体 が 均 一 な 温 度 分 布 とな る こ と を 目指 し,内 部 で の 輻 射 伝 熱 を効 率 よ く行 うた め に,衛 星 内 部,お よび 搭 載 機 器 表 面 は極 力 黒 色 アル マ イ ト処 理 を 施 す.
● ±Y面,+X面
検 出器 を 冷 や す た め に,衛 星 に入 射 す る外 部 か らの 熱 入 力 を極 力 小 さ くす る必 要 が あ る.ま た,内 部 か ら の 熱 放 射 を 抑 え,外 部 環 境 に よ る 変 動 を 小 さ くす る 必 要 が あ る た め,断 熱 材 と して よ く用 い られ るMLI
(MultiLayerInsulation)を 使 用 す る.今 回 は α,εと も に小 さい 値 で あ る 両 面Al蒸 着MLIを 想 定 す る.
●‑Z面
現 段 階 で は 一Z面 は 削 り出 しの ア ル ミ面 で あ る.た だ し,先 に 述 べ た 通 り,放 熱 面 積 が 一Xだ け で は 足 りな い 場 合 に は放 熱 面 と して表 面 処 理 を施 す 必 要 が あ る.
表3‑1各 面 の 熱 制 御 素 子 と そ の 表 面 特 性24)26) ミ ッ シ ョ ン 男期
(BOL)
ミ ッ シ ョ ン 末 期 (EOL)
α ε α ε
+Z面
パ ドル裏面
一X面
太陽電池セル
CFRP 銀 蒸 着 テ フ ロ ン
±Y面,,+X面 両 面Al蒸 着MLI 一Z面
衛星内部
ア ル ミ 黒 色 ア ル マ イ ト
0.67 0.9 0.09 0.08 0.1 0.95
0.85 0.75 0.7 0.08 0.1 0.8
0.71 0.9 0.12 0.04 0.2 0.95
0.85 0.75 0.7 0.04
0.2 0.8
3.2観 測 装 置 熱解 析
3.2.1外 部 熱 入 力
衛 星 の 軌 道 上 で の 外 部 熱 入 力 に は以 下 が考 え られ る.
1)太 陽 放 射 2)地 球 赤 外 放 射
3)ア ル ベ ド(太 陽 光 か らの 地 球 か らの 反 射)
以 下 で は1)〜3)の そ れ ぞ れ の 外 部 熱 入 力 を求 め る24).
1)太 陽 放 射
波 長 域 は 可 視 光 で あ るた め,関 係 す る表 面 光 学 特 性 は太 陽 光 吸 収 率 で あ る.
地 球 周 辺 で の 太 陽 放 射 エ ネ ル ギーE。は,単 位 面 積,単 位 時 間 あ た り
E5=1353×(1十 〇、034,‑0.0325)[W/m2](3.1)
で 与 え られ る.近 日点 の1月3日 に 最 大 値1399[W/m2],遠 日点 で あ る7月4日 に最 小 値1309[W/m2]と な る.地 球 周 回 衛 星 の場 合,こ れ らの 値 は 軌 道 高 度 に 依 らな い.太 陽 光 は 衛 星 表 面 に 入 射 す る場 合 に は 平 行 光 とみ な して よ い の で,衛 星 入 射 エ ネ ル ギ ーG∫は
(〜s=EsAFs[W](3・2)
と表 せ る.こ こ で湾は 衛 星 表 面 積,最 は太 陽 光 に 関 す る形 態 係 数 で あ る.尾 は 太 陽 光 に対 す る形 態 係 数 と し た が,太 陽 光 は 平 行 光 と考 え て 良 い の で,衛 星 表 面 の 法 線 ベ ク トル と太 陽 光 の なす 角 をθ,とす る と,
Fs=cosθ 。(3・3)
と な る.こ こ で,q、 は 衛 星 の 各 壁 面 に到 達 す る直 前 の 熱 量 で あ り,実 際 に 壁 面 が 吸 収 す る熱 量qseffはq,に 太 陽 光 吸 収 率 αを か け る 必 要 が あ る.
qseffニ αQs[W](3・4)
衛 星 に 太 陽 光 が 当 た っ て い る か ど うか の判 定 は 以 下 の よ うな 手 順 で 行 っ た.軌 道 高 度 は550㎞ を想 定 し
て い る.
Sunlight
調埼念
図3‑3軌 道 と食 の 関 係
図3‑3軌 道 と 食 の 関 係 よ り,
よ り,
π 砿
∠40C
地球半径
地 球 半 径 6378314 6928314
π sin‑1̲OA l.1696...
67
++呵[
6378314
衛 星 の 高 度 550×103
[m]
6378314
=sin‑1
6928314・
≡≡1.17[radl [deg]
2)地 球 赤 外 放 射
地 球 か らの 熱 放 射 は,年 平 均 値 と して,式(3.5)の よ うに な り,波 長 は 赤 外 域 で あ る た め,関 係 す る表 面 光 特 性 は赤 外 放 射 率(=赤 外 吸 収 率)で あ る.
地 球 赤 外 放 射 は 地 球 の 緯 度,地 形,季 節 お よび 雲 の 状 態 な ど に よ っ て 変 動 す る.季 節 変 動 よ り も緯 度 に大 き く依 存 す る.極 地 域 に お い て 最 小 値(<174W/m2),北 緯200か ら南 緯200間 で の 地 域 に お い て 最 大 値
(>244W/m2)を と る.
Eθ=234十(十24,‑94)[W/m2]
(3.5)
衛 星 の 表 面 に 入 射 す る地 球 赤 外 放 射q,は 次 の よ うに 計 算 され る.
qe=EeAFe[W] (3.6)
こ こ で,刃 は 衛 星 表 面 積,凡 は 地 球 赤 外 放 射 に 関 す る地 球 と衛 星 表 面 と の形 態 係 数 で あ る.形 態 係 数 は 地 球 表 面 か ら放 射 され る 拡 散 放 射 が 衛 星 表 面 に 入 射 す る割 合 を示 し,詳 細 を 以 下 に示 す.
Feは 対 象 面 の 高 度,向 き に よ っ て 変 化 す るた め 計 算 に よ っ て 算 出 す る の は 困難 で あ る.そ こで24)p.124の 図4」8を 高 度550kmに つ い て 読 み 出 し,形 態 係 数 の 値 をy軸 に,対 象 面 の 法 線 ベ ク トル と地 球 中心 へ のベ ク トル の なす 角 度 をx軸 に ま と め る と,図3‑4の よ うに な る.衛 星 の 周 回 高 度550㎞ と し,図3‑5の よ う に 仮 定 す る と,グ ラ フ を描 く際 に,地 心 方 向 との な す 角 が157。 以 上 に な る と地 球 赤 外 放 射 が 衛 星 外 面 に届 か な くな る こ とに 注 意 し,157。 以 上 で 形 態 係 数 が 限 りな く0に 近 づ く よ うに 調 整 した.
形態 係 数
0.5
0650100150
地心 方 向 と法線 の なす 角 【deg】
図3‑4地 球 赤 外 放 射 に 関 す る形 態 係 数 と
地 心 方 向 一衛 星 表 面 法 線 ベ ク トル の な す 角 の 関 係@高 度550km24)
図3‑5地 球 赤 外 放 射 の 到 達 範 囲
図3‑4の グ ラ フ を フ ィ ッテ ィ ン グ す る と,形 態 係 数1をは 地 心 方 向 と衛 星 表 面 の 法 線 ベ ク トル の な す 角 θ1の 関 数 と して,
Fe=‑1.7046808×IO‑i8θB
+1.3331038×10‑15θ ￡
‑4 .2986147×IO‑13eK 十7.3783846×10‑11θB
‑7 .2761640×iO‑9e品(3
.7)
十4.1494591×10‑7θ 痔
一一1.2478363×10‑5θ ￡
十8.7074215×10‑5θ 涛
一2 .3658024×10‑3θ 十8.7500003×10一1
こ の 式 を 用 い て 各 面 に つ い てqeを 求 め る こ と で,地 球 赤 外 放 射 に よ る 衛 星 の 各 面 へ の 熱 入 力 を 計 算 で き る.ま た,こ のq,は 衛 星 の 各 面 に 到 達 す る 直 前 の 熱 量 で あ り,実 際 に 壁 面 が 吸 収 す る 熱 量qeeffはQ,に 赤 外 吸 収 率 εを か け る 必 要 が あ る.
qeeff=εqθ[W]
(3.8)
3)ア ル ベ ド
ア ル ベ ドは,太 陽 光 が 地 球 の 大 気 や 地 表 面 か ら反 射 され て く る もの で あ る.波 長 域 は 可 視 光 で あ り,関 係 す る表 面 光 学 特 性 は 太 陽 光 吸 収 率 で あ る.衛 星 の 表 面 に入 射 す る ア ル ベ ドqαは 以 下 の よ うに な る.
qa=αEsAFa[W](3.9)
尾 は ア ル ベ ドに 関 す る 地 球 と衛 星 表 面 と の 形 態 係 数,α は ア ル ベ ド係 数 とい う.ア ル ベ ドは 緯 度,地 形, 季 節 お よ び 雲 の 状 態 な ど に よ っ て 変 動 し,季 節 変 動 よ り も 緯 度 に 大 き く依 存 す る.ア ル ベ ド係 数 は 極 地 域 で 最 大 値(0.60),ま た,北 緯20。 か ら 南 緯20。 の 地 域 で 最 小 値(0.20)を と る.
α=0.30十(0.30,‑0.15)
(3.10)
こ こ で,ORBISの 軌 道 は 軌 道 傾 斜 角310を 想 定 して い る た め,ア ル ベ ドの最 大 値 は0.3と す る.
ア ル ベ ドの 形 態 係 数1もは 各 面 の 法 線 ベ ク トル と地 心 方 向 の な す 角 の 関数 で あ り,か つ,衛 星 の 地 心 方 向 ベ ク トル と地 球 中 心 か ら太 陽 へ 向 か うベ ク トル の なす 角 の 関 数 で あ る.Balmisterの 近 似 に よ る と,
Fa=F,cosθswherecosθs>0(3
.11)F a=Owherecosθs≦0
と な る.こ こ で θ∫は 図 の よ う に,地 心 か ら 衛 星 に 向 か う ベ ク トル と,地 心 か ら 太 陽 へ 向 か う ベ ク トル の な す 角 で あ る.
幽̀
太鵬
図3‑6ア ル ベ ドに 関 す る 平 板 の放 射 形 態 係 数
こ こ で,q、 は 衛 星 の 各 壁 面 に到 達 す る直 前 の熱 量 で あ り,実 際 に 壁 面 が 吸 収 す る熱 量qα。ffはq、に 太 陽 光 吸 収 率 αを か け る必 要 が あ る.
(〜aeff=α(〜α[レV](3・12)
以 上 の よ う に し て 求 ま っ たqseff,q。 。が,G。 。が そ れ ぞ れ を 足 し 合 わ せ る こ と で,対 象 の 面 に 対 す る 総 熱 入 力Qと な る.
3.2.2熱 解 析 条 件
外 部 か ら の熱 入 力 を 計 算 に す る に あ た っ て,衛 星 は太 陽 電 池 パ ネ ル が貼 付 され た+Z面 を 常 に 太 陽 指 向 す る もの とす る(図3‑7).+X面 は黄 道 座 標 系 に お け る極 方 向 を 常 に観 測 方 向 と して 向 い て い る とす る.パ ド ル の裏 面 に 反 射 した 光(多 重 散 乱)に つ い て は考 慮 して い な い.
o
1畑 方向
十Z