JP2019084932A - 連結分離機構と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】取扱いが容易であり、使用前に作動確認ができ、かつ信頼性が高い連結分離機構と方法を提供する。【解決手段】嵌合空洞３２、１対又は複数対のヒンジ板３４、及び、膨張収縮管３６を備える。嵌合空洞３２は、第１連結部材２５Ａに設けられ、端部側が開口し端部側が狭い１対のテーパ内面３２ａを有する。１対又は複数対のヒンジ板３４は、第２連結部材２５Ｂに設けられ、端部近傍にヒンジ３４ａを有し嵌合空洞側に延び、かつ互いに逆方向に揺動する。ヒンジ板３４は、互いに内方に揺動時に嵌合空洞３２の開口３２ｂを通過可能であり、かつ互いに外方に揺動時に開口３２ｂより外側に開く。膨張収縮管３６は、嵌合空洞内に収容され、ガス圧で膨張可能であり、嵌合空洞内において、外方に揺動時のヒンジ板３４の間に挟持されている。【選択図】図７

Description

本発明は、ロケット等の移動体に係り、さらに詳しくは、互いに隣接する連結部材の連結分離機構と方法に関する。

惑星探査等のミッションを目的とするロケットは、通常、多段式ロケットであり、その先端部に人工衛星等を搭載する。
ロケット先端部の衛星搭載部分（衛星包絡域）を囲むフェアリングをノーズフェアリングと呼ぶ。
ノーズフェアリングは、人工衛星等を外部（宇宙空間等）に放出する際に、２以上に分割され、人工衛星等と干渉せずに外側に離脱する必要がある。この機構を開頭機構と呼ぶ。

上述したフェアリングの開頭機構は、例えば特許文献１、２、及び非特許文献１に開示されている。

特開２０００−１８５６９９号公報 特開平１１−２０７９８号公報

"Ｍ−Ｖロケットの構造・機構"、［ｏｎｌｉｎｅ］、宇宙航空研究開発機構特別資料、２００８年２月、［平成２９年４月２４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ．ｅｘｓｔ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｄｓｐａｃｅ／ｂｉｔｓｔｒｅａｍ／ａ−ｉｓ／３５５０９／１／６４１１２００４．ｐｄｆ＞

図１は、３段式ロケット１の一例を示す図である。この３段式ロケット１は、２つの段接手２ａ，２ｂにより連結された３段のロケット３ａ，３ｂ，３ｃからなる。ノーズフェアリング４は、３段ロケット３ｃの衛星搭載部分（衛星包絡域）を囲んでいる。

図２は、ノーズフェアリング４の側面図である。
ノーズフェアリング４は、この例では円筒形部分（シリンダ部５ａ）、円錐形部分（コーン部５ｂ）、及び、先端部分（ノーズキャップ５ｃ）からなる。

ノーズフェアリング４の分割位置は、この例では、３つの円形分割位置６ａ，６ｂ，６ｃと、２つの直線分割位置７ａ，７ｂである。

以下、円形分割位置６ａ，６ｂ，６ｃを分離する機構を、「曲分離機構」と呼び、直線分割位置７ａ，７ｂを分離する機構を、「直分離機構」と呼ぶ。また、特に必要な場合を除き、両者を単に「分離機構」と呼ぶ。

図３は、従来の分離機構８の一例を示す図であり、（Ａ）は分離前、（Ｂ）は分離後である。
この例において、互いに隣接してノーズフェアリング４の一部を構成する２つのセグメント９を第１セグメント９ａと第２セグメント９ｂと呼ぶ。

図３（Ａ）において、第１セグメント９ａにはプレート１０が挿入されており、シェアピン１１によってプレート１０と第１セグメント９ａとが結合されている。また、第１セグメント９ａとプレート１０に囲まれる部分には、紐状の火薬を中心に装填した扁平管１２が挿入されている。
この分離機構８は、図３（Ｂ）に示すように、扁平管１２の火薬を発火することにより、扁平管１２が円形になる力が働き、その力によりシェアピン１１が切断され、第１セグメント９ａと第２セグメント９ｂを分離するようになっている。

上述した分離機構８は、扁平管１２の作動用に火薬を使うため、火薬の薬量管理や安全管理等の取扱いが難しい。
また、一旦作動させると、再使用ができないため、使用前に作動確認ができない。そのため、信頼性が低下する。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、取扱いが容易であり、使用前に作動確認ができ、かつ信頼性が高い連結分離機構と方法を提供することにある。

本発明によれば、互いに隣接する連結部材の端部同士を連結し分離する連結分離機構であって、
前記連結部材の一方に設けられ、端部側が開口し前記端部側が狭い１対のテーパ内面を有する嵌合空洞と、
前記連結部材の他方に設けられ、端部近傍にヒンジを有し嵌合空洞側に延び、かつ互いに逆方向に揺動する１対又は複数対のヒンジ板と、
前記嵌合空洞内に収容され、ガス圧で膨張可能な膨張収縮管と、を備え、
前記ヒンジ板は、互いに内方に揺動時に前記嵌合空洞の前記開口を通過可能であり、かつ互いに外方に揺動時に前記開口より外側に開き、
前記膨張収縮管は、前記嵌合空洞内において、外方に揺動時の前記ヒンジ板の間に挟持されている、連結分離機構が提供される。

また、本発明によれば、上記の連結分離機構を用いた連結分離方法であって、
連結時に、前記膨張収縮管を、前記ヒンジ板を前記ヒンジを中心に互いに反対方向外方に揺動させた間に挟持し、前記膨張収縮管を前記ガス圧で膨張させて内部に封入し、
分離時に、前記膨張収縮管を、前記ガス圧の除去により収縮させる、連結分離方法が提供される。

本発明によれば、膨張収縮管は、嵌合空洞内において、外方に揺動時のヒンジ板の間に挟持されており、連結時に、膨張収縮管をガス圧で膨張させて内部に封入する。
ヒンジ板は、互いに外方に揺動時に嵌合空洞の開口より外側に開くので、膨張収縮管の膨張により、連結時に、ヒンジ板を嵌合空洞のテーパ内面に押し付けて２つの連結部材の端部同士を連結する。

また、ヒンジ板は、互いに内方に揺動時に嵌合空洞の開口を通過可能であり、分離時に、膨張収縮管を、ガス圧の除去により収縮させる。
膨張収縮管が、ガス圧の除去により収縮すると、ヒンジ板がテーパ内面から内方に揺動して、ヒンジ板が嵌合空洞の開口を通過可能となり、２つの連結部材の端部同士を分離する。

本発明は、分離時に火薬を用いないので、取扱いが容易である。
また、ガス圧の除去により収縮した膨張収縮管は、ガス圧で再度膨張させることができるので、再利用が容易であり、使用前に作動確認ができる。
また、分離時の使用環境は、外圧が低い宇宙空間なので、分離時に内部を外部空間と連通させるだけで、内部に封入されたガスを外部に放出して、ガス圧を除去することができる。

従って、複雑な構造機器を必要とせず、トラブルが発生し難く、信頼性を高めることができる。

３段式ロケットの一例を示す図である。 ノーズフェアリングの側面図である。 従来の分離機構の一例を示す図である。 本発明による連結分離機構を備えたノーズフェアリングの側面図である。 ヒンジの一例を示す図である。 図４のＣ部の断面図である。 本発明による連結分離機構の説明図である。 本発明による連結分離方法の説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図４は、本発明による連結分離機構３０を備えたノーズフェアリング２０の側面図である。
この図において、ノーズフェアリング２０は、ノーズキャップ２２と、機軸の周方向に分割された複数の連結部材２４とで構成される。

この例において、複数の連結部材２４の分割部２１は、機軸に対しねじれのない曲線である。

各連結部材２４は、その機軸方向末端部２４ｂ（図の下端）に、ヒンジ２６を有する。ヒンジ２６は、機体１４に設けられた回転軸１５を介して機体１４に連結され、連結部材２４を回転軸１５を中心に外方に回動し、かつ機体１４から離脱させるようになっている。
ここで、機体１４とは、ノーズフェアリング２０を有するロケット（例えば３段ロケット３ｃの本体部分である。

図５は、ヒンジ２６の一例を示す図である。この図は、（Ａ）〜（Ｄ）の順で、機体１４から連結部材２４が離脱する状態を示している。

図５（Ａ）は、離脱前を示している。この図において、ヒンジ２６は、機体１４に設けられた回転軸１５に嵌合し機軸方向末端部が開口したＵ字状の機軸方向溝２６ａと、回転軸１５から間隔を隔てて平行に位置する固定軸２７と、を有する。
また、機体１４は、固定軸２７に嵌合し回転軸１５を中心とし半径方向外方が開口したＵ字状の半径方向溝１６を有する。
上述した構成により、図５（Ａ）に示すように、回転軸１５と機軸方向溝２６ａとの嵌合により、ヒンジ２６に作用する半径方向の力を回転軸１５で支持することができる。また、固定軸２７と半径方向溝１６との嵌合により、ヒンジ２６に作用する機軸方向の力を半径方向溝１６で支持することができる。

図５（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、連結部材２４の先端部２４ａを開放した状態を示している。
連結部材２４の先端部２４ａが開放され、連結部材２４に半径方向外方向きの外力（例えば遠心力）が作用すると、連結部材２４は回転軸１５を中心にして外方に傾動（開頭）する。
この傾動（開頭）の初期には、（Ｂ）（Ｃ）に示すように、固定軸２７と半径方向溝１６とが嵌合しているため、回転軸１５と機軸方向溝２６ａとの嵌合が維持される。

次いで、（Ｄ）に示すように、所定の角度で固定軸２７と半径方向溝１６との嵌合が外れると、回転軸１５と機軸方向溝２６ａとの嵌合も外れるので、機体１４から連結部材２４が離脱する。

上述したヒンジ２６の構成により、連結部材２４の先端部２４ａを開放するだけで、機体１４から連結部材２４を離脱させることができる。すなわちヒンジ２６は、回転軸１５を中心に回転する所定の角度（例えば６０〜７０度）で機体１４から離脱するようになっており、開頭後に自動的に離脱する。

図６（Ａ）は、図４のＣ部の断面図である。
この図において、ノーズキャップ２２は、複数の連結部材２４の機軸方向先端部２４ａ（図の上端）を把持する把持部２３を有する。把持部２３は、この例では、機軸を中心とする内面を有するリング状部材であり、ノーズキャップ２２の下端内側に一体的に固定されている。
また、先端部２４ａには、把持部２３と機軸方向に嵌合する外面を有する支持部材２４ｃが上端内側に一体的に固定されている。

図６（Ａ）において、開頭機構は、さらに、分離装置２８を備える。
分離装置２８は、開頭時に、ノーズキャップ２２を機軸方向先端側（図で上側）に移動し、把持部２３を先端部２４ａから離脱させる。

分離装置２８は、この例では、シリンダ２８ａとピストンロッド２８ｂとを有する。
シリンダ２８ａはブラケット２８ｃを介して連結部材２４の１つに固定され、ピストンロッド２８ｂの先端はノーズキャップ２２の一部に接している。
分離装置２８は、例えば火薬のガス圧でピストンロッド２８ｂをシリンダ２８ａから突出させ、ノーズキャップ２２を機軸方向先端側（図で上側）に移動するようになっている。
またこの例で、ノーズキャップ２２は、機軸方向先端側に移動可能に、把持部２３（又は支持部材２４ｃ）を介して連結部材２４の１つに連結されている。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の別の実施形態図である。
この図において、シリンダ２８ａとピストンロッド２８ｂは、電動又はガス圧式の直動アクチュエータである。その他の構成は図６（Ａ）と同様である。
かかる直動アクチュエータを用いることにより、火薬を用いないので、打ち上げ前の地上で動作確認を行うことができ、確実な動作を保証することができる。

図７は、本発明による連結分離機構３０の説明図であり、（Ａ）は連結時、（Ｂ）は分離時を示している。
本発明による連結分離機構３０は、互いに隣接する連結部材２４の端部同士を連結し分離する装置である。
「互いに隣接する連結部材２４」は、この例では、フェアリング２０を構成する部材である。
しかし、連結部材２４は、フェアリング２０を構成する部材に限定されず、その他の部材であってもよい。
以下、隣接する２つの連結部材２４を、説明の都合上、第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂとする。第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂの位置は逆であってもよい。

図７（Ａ）（Ｂ）において、連結分離機構３０は、嵌合空洞３２、１対又は複数対のヒンジ板３４、及び膨張収縮管３６を備える。

嵌合空洞３２は、２つの連結部材２４の一方（第１連結部材２５Ａ）の端部に固定された第１ハウジング３３に設けられている。嵌合空洞３２は、端部側（図で下側）が開口し、かつ端部側（下側）が狭い１対のテーパ内面３２ａを有する。すなわち、嵌合空洞３２は、この図において、台形形状であり、台形の短い上辺が端部側に開口している。
この開口３２ｂの開口幅Ｂは、複数のヒンジ板３４が閉じた状態で通過でき、開いた状態では通過できない大きさに設定されている。

１対又は複数対のヒンジ板３４は、２つの連結部材２４の他方（第２連結部材２５Ｂ）の端部に固定された第２ハウジング３５に設けられている。この例において、第２ハウジング３５は断面において１対の側壁３５ａの間に凹部３５ｂを有するコの字形の部材である。１対の側壁３５ａは、連結時において、第１ハウジング３３の端面に当接して、第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂの間の圧縮力を伝達するようになっている。

１対又は複数対のヒンジ板３４は、端部近傍にヒンジ３４ａを有し、嵌合空洞側に延び、かつ互いに逆方向に揺動する。
ヒンジ板３４は、互いに内方に揺動時に嵌合空洞３２の開口３２ｂを通過可能であり、かつ互いに外方に揺動時に開口３２ｂより外側に開くようになっている。

膨張収縮管３６は、ガス圧で膨張可能であり、嵌合空洞内に収容されている。また膨張収縮管３６は、嵌合空洞内において、外方に揺動時のヒンジ板３４の間に挟持されている。膨張収縮管３６は、伸縮性を有するゴム又はプラスチックからなるのがよい。

図４において、連結分離機構３０は、さらに、封入放出弁３８を有する。
この図において、封入放出弁３８は、隣接する２つの連結部材２４の間に２つずつ設けられている。すなわちこの例で、１つの膨張収縮管３６に対して１つの封入放出弁３８が設けられている。
なおこの構成は必須ではなく、１つの封入放出弁３８を複数の膨張収縮管３６に連結してもよい。

封入放出弁３８は、例えば電磁弁であり、膨張収縮管３６に連結され、内部に封入されたガス圧を除去可能な機能を有する。
封入放出弁３８は、連結時に膨張収縮管３６の内部に所定のガス圧のガスを封入し、分離時に内部を外部空間と連通させてガス圧を除去する。
内部に封入するガスは、不活性ガス（窒素又はアルゴン）であるのがよい。また封入するガス圧は、第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂの連結状態を保持できるように設定するのがよい。

図８は、本発明による連結分離方法の説明図である。この図において、図８（Ａ）は、図４のＡ−Ａ断面図に相当する連結時であり、図８（Ｂ）は、分離時である。

図８（Ａ）において、連結分離機構３０は、隣接する２つの連結部材２４の間に設けられ、２つの連結部材２４の端部同士を連結し分離する機能を有する。
この例で、連結分離機構３０は、隣接する２つの連結部材２４の間に２つずつ設けられている。従ってこの例では、周方向に隣接する４つの連結部材２４に対し、合計８つの連結分離機構３０が設けられている。
なお、この構成は必須ではなく、連結分離機構３０は、隣接する２つの連結部材２４の間に１以上を設ければよい。

また、上述した例において、フェアリングは、ノーズフェアリング２０であるが、連結分離機構３０は、ノーズフェアリング２０に限定されず、その他のフェアリングの連結・分離に用いてもよい。

本発明の方法では、図７（Ａ）と図８（Ａ）に示すように、連結時に、膨張収縮管３６を、ヒンジ板３４をヒンジ３４ａを中心に互いに反対方向外方に揺動させた間に挟持し、膨張収縮管３６をガス圧で膨張させて内部に封入する。
膨張収縮管３６の膨張により、ヒンジ板３４がテーパ内面３２ａに押し付けられ、隣接する２つの連結部材２４（第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂ）の端部同士が連結される。

本発明の方法では、図７（Ｂ）と図８（Ｂ）に示すように、分離時に、膨張収縮管３６を、ガス圧の除去により収縮させる。収縮した膨張収縮管３６は、嵌合空洞３２に残るのが好ましいが、ヒンジ板３４の間に挟持されてもよく、或いは外部に放出されてもよい。
膨張収縮管３６の収縮により、ヒンジ板３４がテーパ内面３２ａから内方に揺動して、ヒンジ板３４が嵌合空洞３２の開口３２ｂを通過可能となり、隣接する２つの連結部材２４（第１連結部材２５Ａと第２連結部材２５Ｂ）の端部同士を分離する。

上述した構成により、図４に示すように、各連結部材２４は、開頭時に、機体１４の回転による遠心力で、回転軸１５を中心に外方に回動する。

なお、複数の連結部材２４の分割部２１は、図示しないシール部材により、気密にシールされている。このシール部材は、連結部材２４の開頭に対する抵抗が少ない材料で構成されているのがよい。

上述した本発明の実施形態によれば、各連結部材２４の末端部２４ｂは、ヒンジ２６を介して機体１４に連結され、先端部２４ａは、ノーズキャップ２２の把持部２３により把持されている。
従って、ノーズフェアリング２０の開頭前に、各連結部材２４を定位置に保持することができる。

また、隣接する２つの連結部材２４の間に連結分離機構３０が設けられ、２つの連結部材２４の端部同士を連結するので、各連結部材２４に作用する軸方向又は半径方向の力を連結分離機構３０を介して隣接する連結部材２４に伝達することができる。

さらに、開頭時に、分離装置２８により、ノーズキャップ２２を機軸方向先端側に移動し、その把持部２３を各連結部材２４の機軸方向先端部２４ａから離脱させることができる。

また、図７（Ｂ）と図８（Ｂ）に示すように、分離時（すなわち開頭時）に、膨張収縮管３６を、ガス圧の除去により収縮させることにより、ヒンジ板３４がテーパ内面３２ａから内方に揺動して、隣接する連結部材２４の端部同士を分離することができる。

各連結部材２４は、機軸方向末端部２４ｂにヒンジ２６を有するので、先端部２４ａがノーズキャップ２２から離脱し、端部同士が分離されると、機体１４の回転による遠心力が外向きに作用し、各連結部材２４を花が開花するように開頭させることができる。

各連結部材２４が回転軸１５を中心に外方に回動すると、機体全体の機軸まわりの慣性モーメントが大きくなるので、機体１４の回転速度を減速することができる。
また、ヒンジ２６は、回転軸１５を中心に回転すると所定の角度（例えば６０〜７０度）で機体１４から離脱するようになっており、開頭後に自動的に離脱する。

上述した本発明の連結分離機構３０は、分離時に火薬を用いないので、取扱いが容易である。
また、ガス圧の除去により収縮した膨張収縮管３６は、ガス圧で再度膨張させることができるので、再利用が容易であり、使用前に作動確認ができる。
また、分離時の使用環境は、外圧が低い宇宙空間なので、分離時に内部を外部空間と連通させるだけで、内部に封入されたガスを外部に放出して、ガス圧を除去することができる。

従って、複雑な構造機器を必要とせず、トラブルが発生し難く、信頼性を高めることができる。

上述したように、本発明は、フェアリングの連結分離に限定されず、その他の部材の連結分離にも一般的に提供できる。
なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｂ 開口幅、１ ３段式ロケット、２ａ，２ｂ 段接手、３ａ １段ロケット、
３ｂ ２段ロケット、３ｃ ３段ロケット４ ノーズフェアリング、
５ａ シリンダ部、５ｂ コーン部、５ｃ ノーズキャップ、
６ａ，６ｂ，６ｃ 円形分割位置、７ａ，７ｂ 直線分割位置、
８ 分離機構、９ セグメント、９ａ 第１セグメント、９ｂ 第２セグメント、
１０ プレート、１１ シェアピン、１２ 扁平管、１４ 機体、１５ 回転軸、
１６ 半径方向溝、２０ ノーズフェアリング、２１ 分割部、
２２ ノーズキャップ、２３ 把持部、２４ 連結部材、２４ａ 先端部、
２４ｂ 末端部、２４ｃ 支持部材、２４ｄ、２４ｅ 突起部、
２５Ａ 第１連結部材、２５Ｂ 第２連結部材、２６ ヒンジ、
２６ａ 機軸方向溝、２７ 固定軸、２８ 分離装置、２８ａ シリンダ、
２８ｂ ピストンロッド、２８ｃ ブラケット、３０ 連結分離機構、
３２ 嵌合空洞、３２ａ テーパ内面、３２ｂ 開口、３３ 第１ハウジング、
３４ ヒンジ板、３４ａ ヒンジ、３５ 第２ハウジング、３５ａ 側壁、
３５ｂ 凹部、３６ 膨張収縮管、３８ 封入放出弁

Claims (5)

1. 互いに隣接する連結部材の端部同士を連結し分離する連結分離機構であって、
   前記連結部材の一方に設けられ、端部側が開口し前記端部側が狭い１対のテーパ内面を有する嵌合空洞と、
   前記連結部材の他方に設けられ、端部近傍にヒンジを有し嵌合空洞側に延び、かつ互いに逆方向に揺動する１対又は複数対のヒンジ板と、
   前記嵌合空洞内に収容され、ガス圧で膨張可能な膨張収縮管と、を備え、
   前記ヒンジ板は、互いに内方に揺動時に前記嵌合空洞の前記開口を通過可能であり、かつ互いに外方に揺動時に前記開口より外側に開き、
   前記膨張収縮管は、前記嵌合空洞内において、外方に揺動時の前記ヒンジ板の間に挟持されている、連結分離機構。
2. 前記膨張収縮管は、伸縮性を有するゴム又はプラスチックからなる、請求項１に記載の連結分離機構。
3. さらに、前記膨張収縮管に連結され、内部に封入された前記ガス圧を除去可能な封入放出弁を備え、
   前記封入放出弁は、連結時に前記膨張収縮管の内部に前記ガス圧のガスを封入し、分離時に前記内部を外部空間と連通させて前記ガス圧を除去する、請求項１に記載の連結分離機構。
4. 請求項１に記載の連結分離機構を用いた連結分離方法であって、
   連結時に、前記膨張収縮管を、前記ヒンジ板を前記ヒンジを中心に互いに反対方向外方に揺動させた間に挟持し、前記膨張収縮管を前記ガス圧で膨張させて内部に封入し、
   分離時に、前記膨張収縮管を、前記ガス圧の除去により収縮させる、連結分離方法。
5. 前記連結時に、前記ヒンジ板を前記テーパ内面に押し付けて２つの前記連結部材の端部同士を連結し、
   前記分離時に、前記ヒンジ板が前記テーパ内面から内方に揺動して、前記端部同士を分離する、請求項４に記載の連結分離方法。
   

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