新しいスリップ リング アセンブリが高機能を実現

宇宙の過酷な環境では、宇宙エンジニアは堅牢で信頼性の高い衛星のために特殊なコンポーネントと材料を調達する必要があります。 これらの多くの特殊なコンポーネントの中で、特に興味深いの 1 つはスリップ リング アセンブリです。これにより、回転する衛星の配線障害が回避されます。

最近、ローザンヌ工科大学 (EPFL) のスイス プラズマ センター (SPC) の研究者らは、太陽光発電衛星の高電圧に耐えることができる新設計のスリップ リング アセンブリを発表しました。 この記事では、スリップ リング アセンブリ、衛星におけるその役割、および SPC による新しい研究について説明します。

多くの電気機械デバイス、特に回転するものでは、信頼性に関する重要な課題の 1 つは配線です。 たとえば、回転面に固定センサーが取り付けられたデバイスでは、センサーに電力を供給し I/O を読み取るワイヤーがねじれ、通常の構成では最終的に断線する可能性があります。 スリップ リング アセンブリは、この問題を解決する重要なコンポーネントです。

スリップ リング アセンブリは、固定構造から回転装置に電力と信号を供給するために特別に設計された電気機械装置です。 標準のスリップ リング アセンブリは、回転シャフトの周囲にある一連の固体金属リングで構成されています。 リングが回転すると、固定デバイスからの入力ワイヤに接続された一連のブラシ接点がリングとの一定の接続を維持し、電気信号の伝達を可能にします。 各リングは、同様にシャフト上で回転可能な出力ワイヤに接続されます。

衛星が適切に動作し、地球と通信するには、地球に対して同じ向きを維持する必要があります。 衛星は軌道上にあるため、時間の経過とともに向きは自然に変化します。 この問題を解決するために、ほとんどの衛星は一定の間隔で回転して位置を合わせ続けます。

スリップ リング アセンブリを使用すると、内部ケーブルが故障する危険がなく、衛星が自由に回転できます。 衛星では、スリップ リングは主に、システムに搭載された太陽電池アレイと、搭載コンピュータ、センサー、スラスター システムなどの他のコンポーネントとの間に電力を供給するために使用されます。

スリップ リング アセンブリは比較的低い電圧で動作します。 スリップ リングが 200 V に達すると、アーク発生の可能性が大幅に増加します。 現在、人工衛星はより強力になり、より高い電圧が必要になるため、欧州宇宙機関は APRIOM (Advanced sliP Ring for high-vOltage Mechanism) プログラムを開始し、より良いスリップ リング ソリューションを考案するようエンジニアに求めています。

今週、SPCの研究者らはBeyond Gravityと協力し、欧州宇宙機関の支援を受けて、衛星に必要な高電圧に耐えることができる新しいスリップリングアセンブリの設計に成功した。 新しいリングは、衛星スリップ リング アセンブリの電圧範囲を現在の 28 ～ 100 V から 300 ～ 600 V まで引き上げると言われています。このリングはすでに 400 ～ 500 V、8 A の範囲内で機能しています。

高電圧を超えて、SPC のスリップ リング アセンブリは低圧でも高性能を示し、最大 40 kW の電力を伝達しました。 SPCは、新しいスリップリング技術で使用される特定の設計技術の詳細をまだ公表していない。

衛星における高電圧のニーズの高まりに応えることに加えて、このスリップ リング アセンブリに関する SPC チームの取り組みは、宇宙での電気的故障のリスク、つまり衛星に重大な損傷を与えるプラズマを生成する可能性のある事象のリスクを克服することを目的としています。

衛星は打ち上げから宇宙の深真空に至るまでに計り知れない圧力変化を受け、真空状態に依存する電気部品に総合的な影響を及ぼします。 これまでのソリューションは、この圧力を管理するために複雑な電気回路構成に依存していましたが、これらの回路は衛星の機能に干渉する可能性があります。 新しいスリップ リング アセンブリは、極低圧 (10-5 mbar) から臨界圧力値 (~1 mbar) まで動作でき、この問題を解決します。

また、リングは毎日何度も回転する必要があり、30 年間使用すると 11,000 回転に達します。これにより、時間の経過とともにコンポーネントが摩耗する可能性があります。 それでも、新しいコンポーネントは高い機械的信頼性を実証し、25,000 回転後も動作を維持しました。これは、静止衛星での 60 年以上の標準動作に相当します。