特許 7656230 宇宙施設の隔壁構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-26

(45)【発行日】2025-04-03

(54)【発明の名称】宇宙施設の隔壁構造

(51)【国際特許分類】

   B64G 1/54 20060101AFI20250327BHJP

   B64G 1/60 20060101ALI20250327BHJP

【ＦＩ】

B64G1/54

B64G1/60

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023547958

(86)(22)【出願日】2021-09-14

(86)【国際出願番号】 JP2021033712

(87)【国際公開番号】W WO2023042251

(87)【国際公開日】2023-03-23

【審査請求日】2024-02-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】広島 芳春

【審査官】長谷井 雅昭

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００６／００６０７１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１２１４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第３２９１３３３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｇ １／５４

Ｂ６４Ｇ １／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

宇宙空間に設置された宇宙施設を、外部空間から遮蔽する隔壁構造であって、
前記宇宙施設の内部空間が所定の空気圧となるように、前記宇宙施設の周囲を封密的に覆う与圧壁と、
前記与圧壁の外周側に、前記与圧壁から間隔を開けて設けられ、前記与圧壁の外周を防護する防護壁と、
を備え、
前記与圧壁と前記防護壁との間に形成された外壁空間は、前記与圧壁に交差する向きの仕切板により複数の分割区域に区分され、
少なくとも一つの前記分割区域に水を充填する
宇宙施設の隔壁構造。

【請求項2】

前記与圧壁と前記防護壁との間を区分する中間壁を更に備え、
前記与圧壁と前記中間壁の間の第１の空間、及び前記中間壁と前記防護壁の間の第２の空間をそれぞれ前記仕切板により複数の分割区域に区分し、前記第１の空間の分割区域、及び前記第２の空間の分割区域のうちの少なくとも一つに水を充填する
請求項１に記載の宇宙施設の隔壁構造。

【請求項3】

前記宇宙施設は円筒形状をなし、前記円筒形状の径方向における断面の、前記宇宙施設の進行方向を基準とした所定角度の範囲となる前記外壁空間に水を充填する
請求項１または２に記載の宇宙施設の隔壁構造。

【請求項4】

前記外壁空間は、前記宇宙施設で使用する水を貯留する貯水タンクである
請求項１または２に記載の宇宙施設の隔壁構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、宇宙施設の隔壁構造に関する。

【背景技術】

【0002】

宇宙放射線に含まれる高エネルギー粒子（主に、陽子）が地球の大気中の酸素及び窒素の原子核に衝突すると、中性子線が発生して地上に降り注ぐ。非特許文献１には、地上に降り注いだ中性子線により、地上に置かれた電子機器に誤動作や回路素子の焼損を引き起こすことが開示されている。

【0003】

一方、宇宙空間に敷設されている宇宙施設（例えば、有人の宇宙施設）では、その周囲を覆う外壁に宇宙放射線が衝突して中性子線が発生し、宇宙施設内に進入して上記と同様の現象が発生する。宇宙施設では、地上とは異なり、大気層を通過することによる減衰が発生しない。このため、宇宙放射線が電子機器に与える影響が地上の場合よりも大きくなる。

【0004】

非特許文献２には、宇宙施設で使用する電子機器を、地上で使用する電子機器よりも、宇宙放射線に対して耐性が強い部品を使用する、或いは、電子機器システムを二重化するなどの対策を採ることにより、宇宙放射線が電子機器に与える影響を低減することが開示されている。

【0005】

非特許文献３には、宇宙施設内での宇宙放射線を低減する方法として、施設内に設置されているウェットタオルを使用することが開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】庄司、西田「パワーデバイスの宇宙放射線破壊耐量に関する研究」電気学会技術開発レポート、2016

【文献】宇宙航空研究開発機構「宇宙転用可能部品の宇宙適用ハンドブック」、JERG-2-023、2015 年 5月制定

【文献】小平「ウェットタオルを用いた宇宙滞在中の宇宙放射線被ばくの低減法」、Isotope News、2014年8月号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、非特許文献２に開示された方法では、電子機器の設置コストが高くなるという問題が発生する。また、非特許文献３に開示された方法では、ある程度の宇宙放射線を低減できるものの、その効果は小さく根本的な解決には至らない。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、宇宙施設に進入する宇宙放射線を減衰させることが可能な宇宙施設の隔壁構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様の宇宙施設の隔壁構造は、宇宙空間に設置された宇宙施設を、外部空間から遮蔽する隔壁構造であって、前記宇宙施設の内部空間が所定の空気圧となるように、前記宇宙施設の周囲を封密的に覆う与圧壁と、前記与圧壁の外周側に、前記与圧壁から間隔を開けて設けられ、前記与圧壁の外周を防護する防護壁と、を備え、前記与圧壁と前記防護壁との間に形成された外壁空間の少なくとも一部に、水を充填する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、宇宙施設に進入する宇宙放射線を減衰させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態に係る隔壁構造が搭載された宇宙施設の断面を模式的に示す説明図である。

【図2A】図２Ａは、外壁空間内を真空とし、防護壁に１００［ＭeV］の陽子を照射したときの、陽子の軌跡を示す説明図である。

【図2B】図２Ｂは、外壁空間内に水を充填し、防護壁に１００［ＭeV］の陽子を照射したときの、陽子の軌跡を示す説明図である。

【図3A】図３Ａは、２枚のアルミ合金板の空間内を真空とし、１００［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図3B】図３Ｂは、２枚のアルミ合金板の空間内に水を充填し、１００［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図4A】図４Ａは、２枚のアルミ合金板の空間内を真空とし、１５０［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図4B】図４Ｂは、２枚のアルミ合金板の空間内に水を充填し、１５０［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図5A】図５Ａは、２枚のアルミ合金板の空間内を真空とし、２００［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図5B】図５Ｂは、２枚のアルミ合金板の空間内に水を充填し、２００［ＭeV］の陽子を照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。

【図6】図６は、エネルギー分布が１～２００［ＭeV］で一様な陽子を、外壁空間内に照射したときの、外壁空間内を通過した陽子の割合を示すグラフである。

【図7】図７は、外壁空間内に水を充填する第１の実施例を示す説明図である。

【図8】図８は、外壁空間内に水を充填する第２の実施例を示す説明図である。

【図9】図９は、外壁空間内に水を充填する第３の実施例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について図面を参照して説明する。図１は、実施形態に係る隔壁構造が搭載された宇宙施設の断面を模式的に示す説明図である。

【0013】

本実施形態に係る宇宙施設１００は、例えば人工衛星などの宇宙空間に敷設される有人施設である。図１に示すように宇宙施設１００は、外部空間に対して封密的に遮蔽されている。宇宙施設１００は、円筒形状を有している。従って、図１に示す断面図において、宇宙施設１００は円形状をなしている。なお、宇宙施設１００は円筒形状に限定されるものではなく、その他の閉塞された空間を有する形状であってもよい。

【0014】

図１に示すように、宇宙施設１００には断面がリング形状の与圧壁１１が設けられている。宇宙施設１００の、与圧壁１１により囲まれた空間が内部空間１４とされている。内部空間１４は、与圧壁１１により囲まれた閉塞空間である。与圧壁１１は、宇宙施設１００の内部空間１４が所定の空気圧となるように、宇宙施設１００の周囲を封密的に覆っている。

【0015】

与圧壁１１の外周には宇宙空間を浮遊するゴミや残骸などのデブリによる与圧壁１１の損傷を防止する防護壁１２が設けられている。防護壁１２は、与圧壁１１の外周側に、与圧壁１１から間隔Ｌ１を開けて設けられ、与圧壁１１の外周を防護する。与圧壁１１と防護壁１２との間は、外壁空間１５とされている。即ち、宇宙施設１００の周囲は、与圧壁１１と防護壁１２の二重構造となっている。外壁空間１５は、与圧壁１１と防護壁１２により囲まれた閉塞空間である。本実施形態では、外壁空間１５を貯水タンクとして使用することにより宇宙放射線を減衰させる。

【0016】

有人の宇宙施設では、飲料水などの生活用水が使用される。例えば、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）に物資を搬入する補給機「こうのとり６号」では、一回に６００リットルの飲料水を輸送しているため、それまで存在していた水を含めて１０００リットル程度の水が存在している。本実施形態では、この水を使用して宇宙放射線を減衰させる。

【0017】

与圧壁１１及び防護壁１２は、例えばアルミ合金で形成されている。アルミ合金とは、アルミニウムに、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）などを含めることにより強度を高めた合金である。

【0018】

なお、図１に示す断面図において、内部空間１４と外壁空間１５の比率は、実際の宇宙施設１００の比率を表していない。理解を促進するため、内部空間１４に対して外壁空間１５の厚さ、即ち間隔Ｌ１を誇張して記載している。

【0019】

本実施形態では、外壁空間１５内の少なくとも一部に水を充填し、充填した水により宇宙放射線の進入を抑制する。外壁空間１５内に充填する水は、宇宙施設で使用する飲料水などの生活用水である。即ち、外壁空間１５は、宇宙施設１００で使用する水を貯留する貯水タンクとしての機能を有している。

【0020】

次に、外壁空間１５内を真空にした場合及び水を充填した場合における、宇宙放射線の減衰について説明する。図２Ａ、図２Ｂは、防護壁１２に１００［ＭeV］の陽子Ｐｒを照射したときの、陽子Ｐｒの軌跡を示す説明図であり、図２Ａは外壁空間１５内が真空の場合、図２Ｂは外壁空間１５内に水を充填した場合を示している。

【0021】

図２Ａに示すように、外壁空間１５内が真空の場合には、防護壁１２の外側から照射された陽子Ｐｒは、外壁空間１５内でほとんど減衰せずに防護壁１２及び与圧壁１１を通過して内部空間内に進入している。

【0022】

一方、図２Ｂに示すように、外壁空間１５内に水が充填されている場合には、防護壁１２の外側から照射された陽子Ｐｒは、外壁空間１５内に充填されている水の層で減衰し、内部空間内にはほとんど進入していない。

【0023】

図３Ａ～図５Ｂは、外壁空間１５を模擬するために、２枚のアルミ合金板を１０ｃｍの間隔を開けて平行に配置した装置を準備し、２枚のアルミ合金板の間の空間を真空とした場合、及び空間に水を充填した場合において、２枚のアルミ合金板を通過した陽子及び中性子のエネルギーを示すグラフである。例えば、周知の粒子輸送シミュレータ「PHITS」を使用してシミュレーションを行うことにより結果を得ることができる。

【0024】

図３Ａ～図５Ｂにおいて、破線は中性子のエネルギーを示し、実線は陽子のエネルギーを示している。

【0025】

図３Ａ、図３Ｂは、照射する陽子のエネルギーを１００［ＭeV］とした場合において、２枚のアルミ合金板の間の空間内を真空とした場合、及び空間内に水を充填した場合に、２枚のアルミ合金板を通過した陽子、中性子のエネルギーを示している。

【0026】

図３Ａに示すように、空間内を真空とした場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は９０［ＭeV］に達している。これに対して図３Ｂに示すように、空間内に水を充填した場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は１０［ＭeV］程度である。

【0027】

図４Ａ、図４Ｂは、照射する陽子のエネルギーを１５０［ＭeV］とした場合において、２枚のアルミ合金板の間の空間内を真空とした場合、及び空間内に水を充填した場合に、２枚のアルミ合金板を通過した陽子、中性子のエネルギーを示している。

【0028】

図４Ａに示すように、空間内を真空とした場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は１４０［ＭeV］に達している。これに対して図４Ｂに示すように、空間内に水を充填した場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は１００［ＭeV］程度である。

【0029】

図５Ａ、図５Ｂは、照射する陽子のエネルギーを２００［ＭeV］とした場合において、２枚のアルミ合金板の間の空間内を真空とした場合、及び空間内に水を充填した場合に、２枚のアルミ合金板を通過した陽子、中性子のエネルギーを示している。

【0030】

図５Ａに示すように、空間内を真空とした場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は１９０［ＭeV］に達している。これに対して図５Ｂに示すように、空間内に水を充填した場合には、２枚のアルミ合金板を通過した陽子のエネルギーの最大値は１４０［ＭeV］程度である。即ち、２枚のアルミ合金板の間の空間内に水を充填することにより、２枚のアルミ合金板を通過する陽子のエネルギーを著しく低減できていることが理解される。

【0031】

図６は、エネルギー分布が１～２００［ＭeV］で一様な陽子を、２枚のアルミ合金板に照射したときの、２枚のアルミ合金板を通過した陽子の割合を示すグラフである。図６に示す曲線Ｓ１は２枚のアルミ合金板の間の空間内を真空とした場合、曲線Ｓ２は空間内に水を充填した場合を示している。

【0032】

図６から理解されるように、空間内が真空の場合（曲線Ｓ１）には、１００［ＭeV］以上で陽子はほとんど減少していない。つまり、縦軸に示す「進入陽子の割合」がほぼ１．０（１００％）となっている。これに対して、空間内に水を充填している場合には、１４０［ＭeV］以上の陽子は存在せず、それ以下のエネルギーでも０．８（８０％）以下になっていることが理解される。即ち、２枚のアルミ合金板（図１に示す与圧壁１１及び防護壁１２）で囲まれる２枚のアルミ合金板の間の空間（図１に示す外壁空間１５）内に水を充填することにより、外壁空間１５内を通過する陽子の数、及び陽子のエネルギーが減衰している。

【0033】

次に、図７、図８、図９を参照して、外壁空間１５内に水を充填する実施例について説明する。

【0034】

［第１の実施例］
図７は、外壁空間１５内に水を充填する第１の実施例を示す説明図である。図中、ハッチングで示す領域は、水を充填している領域を示している。第１の実施例では、図７に示すように外壁空間１５内の全体に水を充填する。即ち、宇宙施設１００の内部空間１４の周囲全体に水を充填することにより、外部空間の全方向から照射される宇宙放射線の進入を抑制することができる。

【0035】

［第２の実施例］
図８は、外壁空間１５内に水を充填する第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例では、図８に示すように外壁空間１５内を周囲方向に沿って複数の分割区域に区分する。具体的には、図８に示すように、円筒形状を有する宇宙施設の、軸方向に伸びる複数（図では１２枚）の仕切板１７を設置して、外壁空間１５内を円周方向に沿って１２個の分割区域１８に区分する。

【0036】

このうち、宇宙放射線Ｒａが照射される方向に存在する分割区域１８内に、水を充填する。図８に示す例では、連続する３つの分割区域１８-1、１８-2、１８-3に水を充填する例を示している。即ち、外壁空間１５を複数の分割区域１８に区分し、分割区域１８のうち、少なくとも一つの分割区域１８に、水を充填する。このような構成とすることにより、外壁空間１５の容量に対して、貯留する水量が少ない場合でも、宇宙施設１００に照射される宇宙放射線Ｒａを効率良く遮蔽することができる。即ち、宇宙放射線が到来する方向を予め認識し、この到来方向を向く分割区域１８内に水を充填することにより、少ない水量で宇宙放射線を減衰することができる。なお、水を充填する分割区域１８は３個に限定されるものではなく、２個以下、或いは４個以上であってもよい。

【0037】

また、水を充填する分割区域１８を、図１に示すように、宇宙施設１００が飛行する方向を中心として所定の角度となる範囲に設定してもよい。例えば、所定の角度を１５０°とした場合には、宇宙施設１００の飛行方向を中心として１５０°となる範囲の分割区域１８に水を充填してもよい。即ち、宇宙施設１００は円筒形状をなし、この円筒形状の径方向における断面の、宇宙施設１００の進行方向（飛行方向）を基準とした所定角度の範囲となる外壁空間１５に水を充填してもよい。

【0038】

［第３の実施例］
図９は、外壁空間１５内に水を充填する第３の実施例を示す説明図である。第３の実施例では、図９に示すように、外壁空間１５内の与圧壁１１と防護壁１２との間に、中間壁１３を設けることにより、外壁空間１５内を径方向に２分割する。即ち、中間壁１３は、与圧壁１１と防護壁１２との間を区分する。与圧壁１１と中間壁１３との間の空間を第１の空間３１とし、中間壁１３と防護壁１２との間の空間を第２の空間３２とする。

【0039】

更に、前述した第２の実施例と同様に、仕切板１７を設置することにより、第１の空間３１及び第２の空間３２内を、周囲方向に沿って複数の分割区域１８に区分する。

【0040】

このうち、宇宙放射線Ｒａが照射される方向に存在する分割区域１８内に、水を充填する。図９に示す例では、４つの分割区域１８-11、１８-12、１８-13、１８-14に水を充填する例を示している。即ち、与圧壁１１と防護壁１２との間を区分する中間壁１３を更に備え、与圧壁１１と中間壁１３で区分される第１の空間３１、及び中間壁１３と防護壁１２で区分される第２の空間３２をそれぞれ複数の分割区域１８に区分し、第１の空間３１の分割区域、及び第２の空間３２の分割区域のうちの少なくとも一つの分割区域１８に水を充填する。

【0041】

このような構成とすることにより、水を充填する層が厚い領域、薄い領域を適宜設定することができ、より多くの宇宙放射線Ｒａが照射される領域に水を充填することができる。このため、外壁空間１５内に貯留する水量が少ない場合でも、宇宙施設１００に照射される宇宙放射線Ｒａを効率良く遮蔽することができる。

【0042】

このように、本実施形態に係る隔壁構造は、宇宙空間に設置された宇宙施設１００を、外部空間から遮蔽する隔壁構造であって、宇宙施設１００の内部空間１４が所定の空気圧となるように、宇宙施設１００の周囲を封密的に覆う与圧壁１１と、与圧壁１１の外周側に、与圧壁１１から間隔を開けて設けられ、与圧壁１１の外周を防護する防護壁１２と、を備え、与圧壁１１と防護壁１２との間に形成された外壁空間１５の少なくとも一部に、水を充填する。

【0043】

このため、宇宙施設１００の外部から宇宙施設１００の内部空間１４に進入する宇宙放射線のエネルギーを低減することができ、内部空間１４で使用する電子機器に生じる誤動作、及び素子の焼損を防止することができる。

【0044】

本実施形態では、与圧壁１１と防護壁１２で覆われる外壁空間１５を複数の分割区域１８に区分し、少なくとも一つの分割区域１８に水を充填する。このため、宇宙施設１００の周囲で、宇宙放射線が照射される方向を特定し、この方向に存在する分割区域１８に水を充填することにより、充填する水の量が少なく外壁空間１５内全体に水を充填できない場合であっても、効率よく宇宙放射線のエネルギーを低減することができる。

【0045】

本実施形態では図１に示したように、宇宙施設１００は円筒形状をなし、円筒形状の径方向における断面の、宇宙施設１００の進行方向を基準とした所定角度（例えば、１５０°）の範囲となる外壁空間１５に水を充填する。即ち、宇宙施設１００の進行方向を中心として所定角度となる分割区域１８に水を充填することにより、より多くの宇宙放射線が照射される方向からの放射線を低減することができる。

【0046】

本実施形態では、図９に示したように、与圧壁１１と防護壁１２との間を区分する中間壁１３を備えており、与圧壁１１と中間壁１３の間の第１の空間３１、及び中間壁１３と防護壁１２の間の第２の空間３２をそれぞれ複数の分割区域１８に区分し、第１の空間３１の分割区域１８、及び第２の空間３２の分割区域１８のうちの少なくとも一つに水を充填する。このため、円筒形状をなす宇宙施設１００の径方向において、水を充填する厚みを変化させることができ、宇宙放射線の進入を低減することが可能になる。

【0047】

本実施形態では、外壁空間１５を、宇宙施設１００内で使用する水を貯留する貯水タンクとしている。このため、宇宙施設１００内での必需品となる生活用水を、宇宙放射線を遮蔽するための水として使用することができ、宇宙施設１００を利用する際に要するコストを低減することが可能になる。

【0048】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

【符号の説明】

【0049】

１１ 与圧壁
１２ 防護壁
１３ 中間壁
１４ 内部空間
１５ 外壁空間
１７ 仕切板
１８ 分割区域
３１ 第１の空間
３２ 第２の空間
１００ 宇宙施設

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】