JP2952257B2 - 減衰器械キネマチックマウント - Google Patents

減衰器械キネマチックマウント

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JP2952257B2
JP2952257B2 JP10260503A JP26050398A JP2952257B2 JP 2952257 B2 JP2952257 B2 JP 2952257B2 JP 10260503 A JP10260503 A JP 10260503A JP 26050398 A JP26050398 A JP 26050398A JP 2952257 B2 JP2952257 B2 JP 2952257B2
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    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
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    • B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
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    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • F16C2326/00—Articles relating to transporting
    • F16C2326/47—Cosmonautic vehicles, i.e. bearings adapted for use in outer-space

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、減衰器械キネマチ
ックマウントに関する。
【０００２】
【従来の技術】現在及び近い将来のいくつかの宇宙飛行
任務の推進重量効率を達成するために、宇宙船構造体に
はその構成に際して軽量かつ堅牢な先端的な複合材料の
使用が必要である。残念ながら、これらの軽量複合材料
は、ボルト結合された金属構造体とは違って、固有減衰
特性又は振動散逸特性をほとんど有していない。従っ
て、軽量で減衰性が低いために、多くの構造的サブシス
テムが、その器械及び電子観測機器を含めて、その機能
を損なう危険な高いレベルの振動を受けることがある。
ここで、特に関心を引くのが、精密キネマチックマウン
ト（ＫＭ）に取付けられた器械である。それらの構造技
術のために、これらのＫＭは固有減衰性がほとんどな
く、従って、飛行中に器械の振動環境を促進することに
なる。これらの環境作用は動力推進飛行中及びロケット
噴射装置（火工装置）の分離／切離しの場合に生じる。
事実、１９８４年までの宇宙船打上げ（打上げ回数６０
０回）のうちの１４％が振動／衝撃に関連した故障を経
験している。これらの故障の中で、５０％は大惨事につ
ながる任務の失敗を招いている。
【０００３】現在、宇宙船構造体全体の総振動応答レベ
ルを下げるグラファイト構造体の改良したものを形成す
るための努力が進行中である。軽量グラファイト複合材
料の構造を使用した多数の宇宙計画についての試験及び
解析の結果により、達成の見込みがある振動低減のレベ
ルでは、すでに開発済みの器械をその設計レベルの範囲
内に抑えるのに不十分となる可能性があることを示して
いる。従って、もし宇宙船構造体の振動低減が不十分で
あることが明らかになれば、器械用の付加的な振動低減
技術の開発を確認し、そのための準備を行う必要があ
る。図１では、器械１０は、破線により表された長方形
の立体である。器械１０は、その平面に対して垂直な荷
重だけに耐える６つの小さな精密研磨した平らなパッド
１２、１４、１６、１８、２０、２２により支持されて
いる（個別には、これらのパッドは曲げモーメントに耐
えることはできない）。重力の下では、３つのパッド１
２、１４、１６が器械１０の重量を支持する、すなわ
ち、これらのパッドはｚ方向において抑制力を働かせ
る。それに加えて、これらのパッドは器械１０がｘ軸及
びｙ軸に沿って回転するのを抑制する。パッド１８、２
０は、器械１０がｙ軸に沿って並進するのと、ｚ軸に沿
って回転するのを抑制する。最後に、パッド２２は器械
１０がｘ軸に沿って並進するのを抑制する。
【０００４】しかしながら、実際には、並進だけを抑制
し、回転（すなわち、曲げ作用）を抑制しない支持体の
リニア（直線）システムを構成することは非常に困難で
ある。従来の構成の３種類のキネマチックマウントを図
２〜図４に示す。これらの３種類のマウントは、図２〜
図４では、それぞれ２４、３０、３６により表示されて
いる。これらのマウントは、一緒に取付けられたバー３
０、３２、３４、３８、４０、４２、４４の集合体を含
んでいる。マウント２４（図２）は、矢印２５により示
したように、主としてバー３０の長手方向軸線に沿って
軸線方向に器械を抑制するように構成されている。バー
３０の頂部及び底部には、ヒンジの動作を模倣し、それ
により、横方向の並進及び３つの軸に沿った回転の抑制
を最小限にするために、ノッチ２６、２８が形成されて
いる。同様の方法により、マウント３０（図３）、マウ
ント３６（図４）は、それぞれ矢印３１、３７により示
すように、主として２方向の並進、３方向の並進を抑制
するように構成されている。器械は、従来の配置のマウ
ント２４、３０、３６を介して、宇宙船に取付けられて
いる。特定の器械の場合には、理想的なキネマチックマ
ウントが必要とする６つの抑制装置以外の追加の抑制装
置が有することのできる剛性の最大値を定める特別の性
能要件が考えられることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図２に示すようなキネ
マチックマウントは限定的な成功しか収めていない。た
とえこれらのマウントが打上げ荷重を安全に運ぶために
構成されたものであるにしても、これらの構造は、器械
１０に伝わる荷重を最小限にするための備えがない。特
に、マウントが採用している６サスペンションモードで
は、振動減衰の効果はほとんどないことが予想され、従
って、取付けられた器械１０に対する飛行荷重が増大す
ることになる。
【０００６】本発明の目的は、新規な減衰機能を搭載し
たキネマチックマウントを提供することにある。本発明
の他の目的は、潜在的な損傷性の飛行荷重から器械を保
護するために、受動エネルギー散逸メカニズムを有する
キネマチックマウントを提供することにある。本発明の
付随的目的は、既存のＫＭ構造体に合体させることがで
きるキネマチックマウントを提供することにある。本発
明のさらなる目的は、製造の複雑性及びコストを大きく
減らすために６つの同一のストラットエレメントを使用
するキネマチック取付け構成を提供することにある。
【０００７】本発明の他の目的は、マウントサスペンシ
ョンモードをほぼ非連結にするために、６ストラット構
成をわずかに再配置し、それによりＫＭの性能をさらに
高めることにある。本発明のさらにもう１つの目的は、
既存の構造の場合よりも少なくとも１〜２桁大きい大き
さの減衰を与える、臨界減衰の５〜１７％のモーダル減
衰値をもたらすクーポンサンプルマウントについてのモ
ーダル振動試験を実現するキネマチックマウントを提供
することにある。
【０００８】
【発明を解決するための手段】これらの目的及びその他
の目的は、第１及び第２の減衰手段を有する器械支持手
段を備え、減衰手段及び器械支持手段が所望の性能特性
を提供するように配置されている減衰器械キネチックマ
ウントにより達成される。この装置は、その一般的な性
格のために、整列安定性が重要な多数の精密器械又は光
学器械／センサに適用することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】キネマチックマウントは、精密光
学器械及びその他の高性能機械用のベース支持体として
広範に使用されている。宇宙空間用の場合、これらのマ
ウントは以下の２つの主たる要件を満たしていなければ
ならない。１）これらのマウントより精度の低い宇宙船
構造体へ取付けることにより、これらのマウントが、器
械の安定性に悪影響を及ぼさないこと。２）これらのマ
ウントは、打上げ中に、強力かつ安定した支持システム
を器械に提供し、取付けられた器械に伝わる荷重を最小
限にすること。もし取付けシステムが器械の６つの剛性
体モードだけを抑制し、器械のその他のあらゆる運動の
自由度を制限しないのであれば、第１の要件を満たすこ
とができる。これは、非理想的な宇宙船インタフェース
と熱膨張率の違いによる予測不能なモーメント荷重から
器械を基本的に隔離する静的決定取付けシステムと等価
である。
【００１０】本発明の好ましい実施の形態によれば、キ
ネマチックマウントは、振動減衰材料をマウントの中に
挿入することにより改良されている。これらの減衰材料
は減衰メカニズムを６つのマウントサスペンションモー
ドに導入し、それにより、熱への散逸を起こし、器械へ
の高いエネルギー外乱を減少させる。キネマチックマウ
ントの改良により、強度、剛性及び運動学的な特性のよ
うな、不可欠な特徴が損なわれることはない。減衰メカ
ニズムは、マウントの機械仕上げヒンジ又は曲げ位置２
６、２８、３２、３４、３８、４０、４２、４４のとこ
ろに提供することができる。上記の６つのマウントサス
ペンションモードの場合には、マウントの最も活動的部
分はこれらの曲げヒンジ位置に存在することになる。局
部的なダンパ（減衰器）をこれらの位置に構成すること
により、これらの比較的活動的な領域を利用することが
できる。これを多数の方法により行うことができ、ダン
パの構造の２つの実施の形態を図５及び図６に示す。
【００１１】ダンパの構造の第１の実施の形態を図５で
確認できる。この実施の形態は、曲げ領域６２のまわり
に配置された球形ダンパ４６を使用している。曲げ領域
６２は、器械支持手段２４として使用されるバーストッ
ク３０のノッチ２６、２８により形成されている。球形
ダンパ４６は、同心配置された２つの部分シェル４８、
５０で構成されている。第１シェル４８は一部が第２シ
ェル５０の上に配置されている。第２シェル５０は中実
の構造のものであってもよい。これらの２つの部分シェ
ル４８、５０は、一方の側面がシェル５０の外部表面に
接合され、他方の側面がシェル４８の内部表面に接合さ
れた粘弾性（ＶＥＭ）減衰材料の比較的軟らかい層５２
により、相互に連結されている。両方の部分シェルは、
位置５８、６０でマウントのバー部分に剛性取付けされ
た円筒形延長部５４、５６を有する。マウント４６は打
上げ荷重の下で変形するので、マウント４６がバーの両
端２６、２８が曲げヒンジ位置６２において弾性的な回
転を受ける。回転の中心６２でのいかなる曲げ作用も、
減衰粘弾性層５２をせん断変形させることにより、球形
ダンパ４６を作動させ、それにより、振動エネルギーを
熱の形態で散逸させる。適正なせん断係数、材料損失係
数及び厚さを有する適当なＶＥＭ５２を選定することに
より、相当程度のレベルの減衰をキネマチックマウント
４６のサスペンション振動モードに実現することができ
る。１つの実施の形態では、２つの部分シェル４８、５
０はチタン合金で構成されている。変形形態では、２つ
の部分シェルは非金属である。
【００１２】一見したところでは、ダンパの追加が望ま
しくない曲げ剛性をマウント４６に加え、適切なキネマ
チックマウントの働きを損なうように思われるかもしれ
ない。しかしながら、そうではないことが判明してい
る。これは、ＶＥＭ特性が、知られている方法で、振動
数（及び温度）依存性を有するからである。サスペンシ
ョンモーダル振動数が発生する比較的高い振動数におい
ては、ＶＥＭせん断係数が比較的高く、マウント４６に
加わる曲げ剛性を高くし、それにより、打上げ荷重も散
逸させる。しかしながら、キネマチックマウントの働き
が必要とされる軌道上にある場合には、熱荷重が非常に
低い荷重率又は振動数で発生する。典型的には、１ヘル
ツよりもずっと低いこれらの低い振動数においては、Ｖ
ＥＭ５２のせん断係数は、高い振動数の範囲と比べて、
少なくとも２０〜３０の係数で（２０〜３０分の１
に）、劇的に低下する。従って、金属製曲げヒンジ６２
による曲げ剛性の影響に比べれば、熱荷重状況に加わる
ダンパの剛性は無視することができる。特定の宇宙適格
ＶＥＭ５２のこれらの新規な振動数依存特性のために、
ＶＥＭ５２は飛行中の減衰キネマチックマウント用の実
用的な材料の候補となる。
【００１３】ダンパの構造の変形形態を図６に示す。こ
の実施の形態は円筒形スロットダンパ６６を使用する。
ダンパ６６は、複数のスロット６５の内部に配置された
一連のＯリング６８を使用する。Ｏリングは宇宙適格の
高減衰のＶＥＭ製である。スロット６５は、形成された
曲げヒンジ６４のまわりに配置されている。単一の曲げ
ヒンジ６２を使用する代わりに、多数の短い曲げ部がマ
ウントバーストック６４に機械加工される。Ｏリング６
８は、器械１０に加えられる振動力に応じて、引張力又
は圧縮力を受ける。マウント６６を製造するためには、
軽量で、強度が大きいことから、一般的にはチタン合金
が使用される。上記の球形ダンパが、ＶＥＭにせん断変
形を起こすことにより機能するのに対して、この構造の
場合には、ＶＥＭに圧縮／引張を起こす。減衰性能に関
する限りは、圧縮／引張時の材料の減衰係数又は損失係
数はせん断の場合と同じである。図６をより詳細に見れ
ば、ＶＥＭ製Ｏリングの代わりにＶＥＭ製ワッシャを使
用することもできることが明らかになる。いずれも場合
においても、曲げ剛性特性の違いは、適応可能な程度の
小さなものである。
【００１４】一連の平ワッシャ６８をモデル化し、解析
を行った。このモデルは、各々の長さが３．８１ミリメ
ートル（０．１５インチ）であり、直径が７．９３７５
ミリメートル（０．３１２５インチ）の一連の４つのア
ルミニウム（クーポンサンプルはアルミニウムを使用し
て製造されるので、この試作にはアルミニウムを選定し
た）曲げ部と、各々の厚さが０．５０８ミリメートル
（０．０２０インチ）であり、直径が３３．３３７５ミ
リメートル（１．３１２５インチ）の４つのＶＥＭワッ
シャの固体の有限要素モデルを含んでいる。解析結果に
より、３Ｍ社製のＩＳＤ１１２材料で製造されたＶＥＭ
ワッシャの場合には、６つのサスペンションモードを臨
界モーダル減衰の１０％も減衰させることができること
を明らかにしている。１０％の減衰は、未対策のマウン
トに比べて少なくとも１桁の減衰の増加である。従っ
て、これらのサスペンションモードによる器械１０の飛
行によって誘発されたランダム振動の応答は、未対策の
マウントによる応答の（１／１０）の平方根又は０．３
２のレベルまで、ほぼ低下することになる。器械は高エ
ネルギーマウントモードにおいて約１／３の荷重しか受
けていないので、減衰対策なしの構成の場合に比べて大
きな性能の向上であると考えられる。
【００１５】上の節では、キネマチックマウント（Ｋ
Ｍ）を機能させるために、６つの抑制装置の無限の配置
が存在すると述べた。上記の目的を達成する限りにおい
ては、自由な選択で、別の減衰ＫＭの構造のコンセプト
を、本発明により使用することもできる。剛性／重量比
が非常に優れているために、トラス構造体を使用するこ
ともできる。変形例として、ＫＭシステムを提供するた
めに、図３に示したマウント３０の形状の３つの減衰バ
ージョンのセットを使用することもできる。これらは器
械１０のベースに様々な形状で配列することができる。
古典的な配列パターンを図７に示す。この図では、見や
すくするために、６つのマウントトラスエレメント７４
の各々が、線エレメントとして描かれている。前の節
（図５及び図６）で検討した減衰曲げヒンジの構造４
６、６６はこの場合にも同様に十分に適用可能である。
図６の構造から類推すると、図７に示す６つのストラッ
ト７４の各々は、図８に示す形をとることもできる。６
つのバー７４の全てを同一のものにすることもできるの
で、図８及び図９の実施の形態は、単一ストラットの構
造だけを使用することもできる。マウントエレメント３
０及び３６の各々を金属のブロックから一体構造で機械
加工することもできるので、これは大きな構造の簡素化
になる。対照的に、図８及び図９に示した構造の場合
は、標準のバーブロックの簡単な機械加工だけを行えば
よい。好ましい実施の形態では、標準バーブロックはチ
タン合金にすることもできる。
【００１６】上記のマウントコンセプトの構造が単純で
あることに加えて、提案した取付けコンセプトには、そ
れ以外の利点及び望ましい特徴もある。図７に示すよう
な古典的な“ｖ”字形形態を使用するのではなく、軸線
方向の作用線が器械１０の内部の選ばれた箇所において
交差するように、各対のストラット３０を配列すること
ができる。もしこれらの３つの作用線の交差点を、器械
の質量中心と同じ水平面にくるように選んだ場合に、器
械１０の６つのサスペンション振動モードが、ほぼ非連
結になる。この取付け機構は、ＫＭであることに加え
て、重心取付けシステムを構成している。動的外乱が器
械内に内在している適用においては、６つのほぼ非連結
のモードを得ることが重要な場合が多い。例えば、もし
器械が、マウント振動数の近くで、その質量中心を通過
する横方向の不均衡力を誘発する場合には、非連結のモ
ードを有する器械は横方向に動くだけであり、器械の照
準線の方向を回転的に乱すことはない。確かに、全ての
器械がこのタイプの性能を必要とするわけではないかも
しれないが、しかしながら、もしそうである場合には、
提案されている取付け機構がこの能力を提供する。
【００１７】本発明のコンセプトは、 ・器械用支持手段。 ・支持手段に連結され、振動を減衰させるストラットで
あって、このストラットは、一体構造（モノリシック）
ではなく、バーストックから構成されている。 ・ストラットを曲げるための手段。 減衰の特徴は、 ＊球形 ＊円筒形 を含む。ストラットをどのように形成するか、すなわ
ち、「古典的な」配列；取付けのための構造。
【００１８】・理想的にはチタン製であるキネマチック
マウント。
【００１９】上記の説明から、本発明が、減衰キネマチ
ックマウントの使用により、潜在的な損傷性の飛行荷重
から器械を保護することを可能にすることが高く評価さ
れよう。各種の実施の形態の例示により本発明について
の説明を行ってきたが、当業者には、本発明の真の精神
と範囲から逸脱することなく、各種の変更を行い、その
エレメントについては、等価物で代替することもできる
ことが了解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のキネマチックマウントの配置の例であ
る。
【図２】 従来のキネマチックマウントの構造の例であ
る。
【図３】 従来のキネマチックマウントの構造の例であ
る。
【図４】 従来のキネマチックマウントの構造の例であ
る。
【図５】 本発明の好ましい実施の形態によるダンパの
構造の横断面図である。
【図６】 本発明のもう１つの好ましい実施の形態によ
るダンパの構造の横断面図である。
【図７】 キネマチックマウントの配置パターンの例で
ある。
【図８】 本発明の好ましい実施の形態による単一スト
ラットの側面図である。
【図９】 図８の線Ａ−Ａにおける単一のストラットの
横断面図である。
【符号の説明】
１０ 器械 １２ 精密研磨した平らなパッド １４ 精密研磨した平らなパッド １６ 精密研磨した平らなパッド １８ 精密研磨した平らなパッド ２０ 精密研磨した平らなパッド ２２ 精密研磨した平らなパッド ２４ マウント ２５ 矢印 ２６ ノッチ ２８ ノッチ ３０ マウント ３０ バー ３１ 矢印 ３２ バー ３４ バー ３６ マウント ３７ 矢印 ３８ バー ４０ バー ４２ バー ４４ バー ４６ 曲げ領域 ４８ 部分シェル ５０ 部分シェル ５２ 粘弾性減衰材料層 ５４ 円筒形延長部 ５６ 円筒形延長部 ５８ 位置 ６０ 位置 ６２ 球形ダンパ ６４ 曲げヒンジ ６５ スロット ６６ 円筒形スロットダンパ ６８ Ｏリング ７４ マウントトラスエレメント

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 器械支持手段と、 器械支持手段の一端に配置され、第１曲げヒンジのまわ
    りに配置された第１減衰手段と、 第１減衰手段に対向して器械支持手段の第２端に配置さ
    れ、第２曲げヒンジのまわりに配置された第２減衰手段
    と、 を備えていることを特徴とする減衰器械キネマチックマ
    ウント。
  2. 【請求項２】 器械支持手段が単一のストラットを備え
    ることを特徴とする請求項１に記載の減衰器械キネマチ
    ックマウント。
  3. 【請求項３】 単一のストラットがチタン合金で構成さ
    れていることを特徴とする請求項２に記載の減衰器械キ
    ネマチックマウント。
  4. 【請求項４】 器械支持手段が、互に対向して配置され
    た１対のストラットを備えることを特徴とする請求項１
    に記載の減衰器械キネマチックマウント。
  5. 【請求項５】 １対のストラットがチタン合金で構成さ
    れていることを特徴とする請求項４に記載の減衰器械キ
    ネマチックマウント。
  6. 【請求項６】 器械支持手段が２対のストラットを備
    え、これらのストラットの各対が、互に対向して配置さ
    れていることを特徴とする請求項１に記載の減衰器械キ
    ネマチックマウント。
  7. 【請求項７】 ２対のストラットがチタン合金で構成さ
    れていることを特徴とする請求項６に記載の減衰器械キ
    ネマチックマウント。
  8. 【請求項８】 第１及び第２の減衰手段が、内部の部分
    球形シェルと、それの上に同心配置された外部の部分球
    形シェルとを含む球形ダンパであり、外部シェル及び内
    部シェルが、粘弾性減衰材料の比較的軟らかい層に固定
    されており、外部シェル及び内部シェルが、器械支持手
    段に連結する円筒形延長部を有することを特徴とする請
    求項１に記載の減衰器械キネマチックマウント。
  9. 【請求項９】 部分球形シェルがチタンで構成されてい
    ることを特徴とする請求項８に記載の減衰器械キネマチ
    ックマウント。
  10. 【請求項１０】 第１及び第２の減衰手段が、器械支持
    手段のまわりに配置された複数のスロットの内部に配置
    された複数のＯリング又はワッシャを含む円筒形スロッ
    トマウントダンパであることを特徴とする請求項１に記
    載の減衰器械キネマチックマウント。
  11. 【請求項１１】 Ｏリングが宇宙適格の高減衰粘弾性材
    で構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の
    減衰器械キネマチックマウント。
  12. 【請求項１２】 Ｏリングが合金で構成されていること
    を特徴とする請求項１０に記載の減衰器械キネマチック
    マウント。
  13. 【請求項１３】 器械支持手段が３対のストラットを備
    え、各ストラットが他のストラットと同一であり、各対
    のストラットは、二等辺三角形の器械支持ベースを形成
    するように、他の２対のストラットに対して配置されて
    いることを特徴とする請求項１に記載の減衰器械キネマ
    チックマウント。
  14. 【請求項１４】 器械支持手段が３対のストラットを備
    え、各ストラットが他のストラットと同一であり、各対
    のストラットは、軸線方向の作用線が器械の内部の選ば
    れた箇所において交差するように、他の２対のストラッ
    トに対して配置されていることを特徴とする請求項１に
    記載の減衰器械キネマチックマウント。
  15. 【請求項１５】 作用線の交差点が、器械の質量中心と
    同じ水平面内にあることを特徴とする請求項１４に記載
    の減衰器械キネマチックマウント。
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