JP3856177B2 - 高速飛翔体 - Google Patents
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- Y02A40/28—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture specially adapted for farming
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然災害による状況探査や、保安・防衛などの軍事分野、とりわけ偵察、早期警戒に有効な探査機器を備えた、例えば砲弾などの高速飛翔体に関し、高速飛翔体を目標地域の上空まで飛翔させ、同飛翔体から気球を放出して、同気球によりその地域の状況を探査することを可能にした高速飛翔体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山火事や震災などの自然災害の発生時には、それらの状況を早期に把握すると共に、時々刻々と変化する状況を常時把握しておく必要がある。従来も、小型のヘリコプターなどによりそれらの状況を把握しているが、一刻も早く、それらの状況を知ることは、多くの人命などに係わる場合には、特に重要である。
【０００３】
また、軍事面から見ると、広域かつ大規模な戦闘においては、多様な種類の軍事車両などが投入されるため、軍事衛星、航空機等により情報を得ることも可能であるが、極く限られた局地戦、とりわけ砲兵部隊単位での野戦において、対峙する部隊の動向を監視することは極めて多くの困難を伴う。このため、通常ＦＯと呼ばれる偵察部隊による監視活動が行われている。しかし、近年の部隊は高機動力化されており、正確な情報を得ることは非常に困難になりつつある。また火砲陣地が発見された場合には直ちに攻撃・撃破される危険性があるため、野戦部隊は数１０キロメートル前方の対峙する部隊の動静、情報をいち早く入手し、しかるべき戦術を取る必要があり、そのために如何に早く正確な情報を得られるかが、戦況を大きく左右する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような自然災害や局地戦を想定して、迅速で且つ正確な情報を入手するため、様々な情報の入手手段が開発されている。例えば、無人飛行機や無人ヘリコプター等による情報入手手段がある。これらは無人機に画像データを送信するシステムを組み合わせたものであるが、数１０キロメートル前方まで飛翔させる能力を付与することは装置が大掛かりになり実現は難しい。また、それらの機器を数１０キロメートル前方まで搬送して飛翔させるには迅速性の確保が難しいという間題点がある。
【０００５】
一方、情報の入手の迅速性を確保するため、砲弾内部に画像データを取り込むシステムとデータの送信器を内蔵し、飛翔しながら取得した画像データを送信する観測砲弾も検討されている。しかし、砲弾は毎秒数１００回転しながら安定性を確保しているため、正確な観測を実現するためには種々の技術課題があると言われている。また、砲弾は秒速が数１００メートルで飛翔するため、観測時間が極めて短いという問題点もある。
【０００６】
最も実現性あるシステムとしては、砲弾内に画像データを取り込むシステムとデータ送信機を内蔵し、所定の高度で砲弾弾底部から放出してパラシュートにより落下させながらデータを送信するシステムがある。迅速で且つほぼ正確な情報が得られる利点がある反面、パラシュートの落下時間内しか情報が得られないという問題点がある。
【０００７】
本発明は上記従来技術の課題に鑑み、その具体的な目的は砲弾等の高速飛翔体を利用して、目標地点における迅速で且つ正確な情報を長時間にわたって得られる高速飛翔体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者等は上述のごとき従来の課題を踏まえて、多角的な検討を加えた結果、空中に長時間滞留させる手段として気球を使うことが有効であることに着眼した。通常、気球にはヘリウムガスが使用されている。これは不活性であり、しかも単分子の元素からなり、しかも分子量が小さく、同一容積内の気球のペイロードを大きく設計できる利点がある。このため、民生用途、とりわけ商業宣伝分野において多用されている。
【０００９】
しかし、ヘリウムガスを減容する手段としては、液体ヘリウムとする以外に方法がなく、これを液体ガスボンベに収容して搬送する必要がある。しかも、液体ヘリウムは絶対零度近くの温度まで冷却する必要があり、そのためには大掛かりな装置が必要である。従って、小型砲弾等の限られたスペース内に軽ガス発生源を設け、飛翔中に気球に軽ガスを供給する利用分野においては、液体ヘリウムは事実上利用することは困難である。
【００１０】
一方、ヘリウムガスを高圧に保持する方法にあって、例えば３立方メートルのヘリウムガスを３リットルに圧縮すると１０００気圧となり、この圧力を保持する客器としてアルミニウム合金（Ａ７０７５ＴＥ−Ｔ６２ 耐力５００N/mm2 ）を用いた場合、容器外形を１４０ミリメートル、安全率を２倍として、肉厚２７．５ミリメートルが必要となる。従って、容器の内径は８５ミリメートルとなり、３リットルの容積を実現するためには最低でも長さ５３センチメートルが必要である。このサイズは通常のりゅう弾砲内に収納可能ではあるが、他のペイロードを収納するスペースが確保できないことが判明した。
【００１１】
このヘリウムガスに変わる気体としては水素ガスがある。水素ガスはヘリウムガスに比べて爆発等の危険性は高いが、かって飛行船等にも用いられた実績を持つ。しかも、近年、水素吸蔵合金と呼ばれる金属水素化物の形で水素が様々な分野において採用されており、例えば、ヒートポンプ、燃料電池、ニッケル水素電池などの分野で盛んに利用されつつある。この水素吸蔵合金は単位体積当たり液体水素と同等以上の水素を貯蔵できる能力があり、水素の吸蔵放出の平衡圧力・温度も合金の組成を適宜選択することにより、ある程度自由に調整できる。かかる理由から、この水素吸蔵合金を採用することが最も有利であると考えた。勿論、砲弾等の高速飛翔体のスペース内に収容が可能であるなら、前述の液体ヘリウムガスを採用することもできる。
【００１２】
すなわち、本発明は砲弾等の高速飛翔体の限られたスペース内に軽ガス発生源を設けると共に、折り畳まれた気球を収納し、更には時限起爆装置や多様な観測機器等を作動制御するための制御部を内蔵させる可能性について鋭意検討し、本発明に到達したものである。
【００１３】
本件の請求項１に係る発明は、砲弾等の高速飛翔体がぺイロードを分離放出する機構を有し、前記ぺイロードは、少なくとも折り畳まれて収納された気球と、同気球を膨張させる軽ガスの発生源と、同気球の膨張時期等を制御する制御部とを有してなり、前記ペイロードが所定の落下速度とスピン数に達した後、前記気球が放出され、その気球の放出後、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるためのクラッチブレーキ機構を有してなることを特徴としている。
以下に、高速飛翔体に収容する前記ペイロードの各構成要素に対する検討結果を示す。
【００１４】
１．「ガス発生源」としての水素吸蔵合金を用いた水素発生装置
一般的な水素吸蔵合金を用いて、１５０リットル (Ｈ2)／Ｋｇ（合金）の水素吸蔵が可能である。いま、３立方メートルの水素ガスを発生させるためには約２０Ｋｇの水素吸蔵合金が必要となる。同合金の比重は８程度なので、合金容積は２．５リットルと見積もられる。内径１４０ミリメートルの砲弾内に厚み５ミリメートルの容器を設けて合金を収納させる場合、長さ１９センチ程度の容積が必要となる。この寸法は、前述のヘリウムガスボンベの長さに比べて約１／３程度である。
【００１５】
このような寸法であれば、砲弾内に収納するスペースの間題は解消されるため、水素発生源として水素吸蔵合金を用いる場合、水素を放出させるための熱源を如何に確保するかが、次の課題となる。通常の水素吸蔵合金は水素を放出させるために水素１モル当たり７Ｋｃａ１程度の熱量が必要であると言われている。標準状態の水素ガス３立方メートル（＝１３４モル）では、９４０Ｋｃａｌの熱量となる。
【００１６】
そこで、本発明にあっては、前記軽ガスの発生源として水素吸蔵合金を採用することが好ましい。この水素吸蔵合金としては、チタンマンガン系、チタン鉄系、マグネシウムニッケル系、カルシウムニッケル系、ランタンニッケル系、ミッシュメタルニッケル系、ランタンリッチミッシュメタルニッケル系から選ばれた合金からなる。
前記水素吸蔵合金の加熱源として、酸化還元反応による反応熱を利用することを規定している。すなわち、水素吸蔵合金から水素を放出させるに必要な熱量を確保するために酸化還元反応による反応熱を用いることが最良の選択である。一般に酸化還元反応は大きな反応熱が得られる反面、酸化剤と還元剤が共存するため貯蔵安定性に問題があり、また、反応が急激すぎて制御が難しい場合が多い。そこで、前記水素吸蔵合金と酸化剤とが金属板からなる隔壁を介して分離されるように構成して、前記水素吸蔵合金と酸化剤との接触を阻止するようにするとよい。
【００１７】
また、酸化還元反応は、反応に伴って低沸点成分（炭酸ガスなどの気体や水）を発生する反応系、反応を開始するためにマグネシウムと酸素が必要な反応系などがほとんどである。その中で着目した反応系は、過塩素酸塩と金属粉末の反応系である。とりわけ過塩素酸カリウムと鉄の組合せにおいて、第３成分として塩化カリウムを添加した反応系は、貯蔵安定性に優れ、過激な反応を第３成分として添加した塩化カリウムにより、より穏やかな反応にできる利点がある。純粋な鉄と過塩素酸カリウムの組合せでは鉄１モル当たり２００Ｋｃａ１に近い反応熱が得られる点も魅力的である。
【００１８】
２．高速飛翔体からのペイロード放出機構
砲弾等の高速飛翔体に内蔵したペイロードを、同飛翔体から放出する方法は近年開発されたカーゴ弾の機構がある。本機構は砲弾先頭部に取り付けられた信管部に時限機構を設け、発射するときの加速度により時限機構が作動し、発射時に砲身内に設けられたライフルにより砲弾が高速回転して、信管内のセーフ／アーム切替機構をアーム状態にロックし、所定時間に達すると信管内の起爆機構が電気的に発火し、伝爆機構を伝わり、メインの火薬を爆発させて弾底部を破壊してペイロードを放出する機構である。本発明の気球放出機構に対しても同様な機構が採用できる。
【００１９】
３．放出後の減速機構
砲弾の飛翔時の速度は、通常、数百メートル／秒である。これを減速させる方法としては、ロケットモータの使用、パラシュート等の使用などが考えられるが、出来るだけ容積を占めないためには、後者の方が有利である。しかし、砲弾は飛翔を安定させるために、通常、高速でスピンしている。そのため、放出されるペイロードも同様のスピン運動を続けるため、通常の落下傘をロープ等で固定した方式ではロープによじれが発生し、落下傘が開傘しないと考えられる。
本発明にあって、放出直後の前記気球が落下傘形態を有していることが好ましく、軽ガスが供給されたのちには膨張して気球形態となる。
【００２０】
更に減速を確実にするため、前記ペイロードは補助傘を有していることが望ましく、その好ましい形態はＲＡＩＤ傘形態であり、ペイロードの放出と同時に前記補助傘が開傘する。更に、好ましくは前記ペイロードが高スピン状態を減スピンさせるための抵抗翼を有すると共に、同抵抗翼を開翼する機構を有している。そして、前記ペイロードが所定の落下速度とスピン数に達した後、前記気球を放出するように制御する。
【００２１】
なお、一部の砲弾には飛翔を安定させるため、安定翼を持つものがある。これらは火砲から放出直後もしくは飛翔中に安定翼を開翼し、砲弾自身のスピンを積極的に止め、もしくはスロースピン状態で飛翔し続ける。また、ロケットモータで推進するミサイルも安定翼により飛翔の安定性を得ている。これらの高速飛翔体に対しては前述のごとく落下傘及びロープのよじれ現象は起こりにくいと考えられるが、音速を越える高速で飛翔している状態で落下傘形状の減速機構を作動させることは、落下傘、ロープ等の強度的な制約が発生する可能性が高い。このため、減速機構を２段で作動させるために、第一段目の減速機構としてＲＡＩＤ傘を開傘する方式を採用して、第２段で放出直後は落下傘形態をもつ気球をもって減速を確実にする。
【００２２】
請求項２に係る発明にあっては、更に気球に対する水素ガスの供給時期を規定しており、前記気球と軽ガス発生源とのスピン数が同期した後、前記水素吸蔵合金から水素が気球に供給されるものであり、請求項３に係る発明によれば、所定の水素ガスが気球に供給された後、軽ガス発生源を切り離す機構と、前記軽ガス発生源の切り離し後に、気球のガス導入部を密封する機構とを有している。そして、これらの作動タイミングは、上記制御部に設置されるタイマーや送受信器への外部からの送信などにより決められる。更に、探査範囲を拡大するために、前記気球が高度方向及び／又は水平方向の移動手段を有していることが望ましい。
【００２３】
４．放出後の減スピン機構
通常スピン数を減じる方法としては抵抗翼が考えられる。円周等配に配置した複数枚の抵抗翼を飛翔中に開翼する。開翼方式としては、蝶番式に取り付けられた抵抗翼が遠心力の作用により開翼する方式、ボルト等で取り付けられていた固定ピンを火薬力により吹き飛ばし、遠心力の作用により開翼する方式など種々の方式がある。これらの技術をペイロード部に適用して、ペイロードの減スピンを可能にする。
【００２４】
なお、前述の安定翼を持つ砲弾等においては、砲弾自身が十分に減スピンしている場合、放出後の減スピン機構は必ずしも必要ないことは明らかである。通常、放出後の減スピン機構が必要なスピン数は数１０回転／秒以上であると考えられる。
【００２５】
５．クラッチブレーキ機構
上記技術を組み合わせて、放出後のペイロードの速度とスピン数とを減少させた後には、ペイロードの速度が数１０メートル／秒、スピン数が数１０回転／秒となる。この状態で気球の放出を行うと、ガスを導入する導入部のよじれが発生し、本発明の実現化が難しい。このため、気球をパラシュート状に放出し、先ず十分な減速を行う必要がある。一方、マスの大きな水素発生装置側は回転運動を持続するようとし、気球部は空気抵抗を受けて徐々に回転数を減ずる方向に向かう。このためペイロードを２つのパートに分割し、それぞれのパート間に回転数を同期する機構を挿入する必要がある。
【００２６】
請求項１に係る発明は、前記気球の放出後、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるためのクラッチブレーキ機構を更に有していることを規定している。
すなわち、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるための最も単純で且つ確実に機能する機構として、クラッチブレーキ機構を採用することが最良と判断した。このクラッチ機能により、気球部放出後、さらなる減速と減スピンを行い、砲弾から放出後１０秒程度で、ペイロードの速度が約１０メートル／秒、数回転／秒のスピン数が実現できる。
【００２７】
前記ペイロードは、更に各種の探査手段を有しており、前記探査手段としては、全方位測位装置、撮影装置、情報処理装置、送受信装置、中継装置から選ばれた１種類以上の装置からなる。更に、前記ペイロードが、更に各種の薬剤散布手段を有していると、例えば山火事などの発生時に、前記探査手段によりその火災の状況とかを把握する共に、消化剤を上空から散布して、消火始動の迅速化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照しつつ具体的に述べる。図１は本発明の高速飛翔体の内部構造を模式的に示しており、同図によれば高速飛翔体として砲弾１を利用しており、因みにその弾殻の全長が８００ミリメートル、弾頭１ａ以外の空洞部分１ｂの外径は１５５ミリメートル、同空洞部分１ｂの空洞長さは６００ミリメートルである。
【００２９】
図示例による本発明に係る高速飛翔体は、同図に示すように補助傘部１０、気球部２０、クラッチブレーキ部３０、センサ部４０並びに水素発生源５０が、前記弾殻１の空洞部分１ｂにその弾底から弾頭に向けて順次配されている。前記センサ部４０は図示せぬ制御部を含んでいる。次に、本発明の第１実施例に係る高速飛翔体の細部について具体的に説明する。
【００３０】
「補助傘部１０」
補助傘部１０は、図１に模式的に示すように気球部２０に連結されており、その形態は図２に示すように開傘したときに底部開口が狭くて天井部が広い逆円錐台形状となる内部が空洞な強靱な織布からなり、その逆円錐台部分１１の周面に底部が開いた３角巾様のヒレ体１２が円周方向に複数取り付けられ、そのヒレ体１２の内部対応する前記逆円錐台部分１１には空気取入口１１ａが形成されている。いま補助傘部１０が砲弾１から放出されると同時に同補助傘１０ａが開き、前記ヒレ体１２から前記空気取入口１１ａから空気を取り込み、同補助傘１０ａの膨張形態を維持して、急速に落下速度を低下させる。
【００３１】
補助傘１０ａの材質は機械的強度に優れたポリエステル系の織布が用いられる前述の形態を得るため、布地の合わせ部を縫合し、空気の透過性を減ずるため、合成樹脂を塗布する。開傘時の大きさは、直径約７００ミリメートルである。なお、補助傘１０ａの大きさは、砲弾のサイズやペイロードの重量等により、適宜決定される。
【００３２】
ペイロードは、砲弾１が所望の高度及び所望の距離に達すると、時限信管機構により放出薬を発火させ、砲弾底部から放出される。放出されたペイロードは放出された加速度によりセンサ部４０に内蔵された時限信管機構が計時を開始し、以下すべての動作は時限機構により時間制御される。
【００３３】
補助傘１０ａには補助傘用カバー１０ｂが被着されており、同カバー１０ｂは、図３に示すように同カバー１０ｂと気球部２０とを接続しているボルト１３、同ボルト１３をロックしているロックピン１４により固定されており、同ロックピン１４を火薬力等により破壊することにより、固定ボルト１３とボルト孔に配置された圧縮バネ１５の復元力により吹き飛ばされる。前記火薬力の起動は、周辺の条件に基づき様々に制御でき、前記ロックピン１４を破壊する時期は任意に調節することが可能である。ペイロードの放出後、直ちに補助傘カバー１０ｂが吹き飛ばされ、補助傘１０ａが開傘すると同時に、気球部２０のケース外周面に数箇所配置された抵抗翼２１ａが開翼する。本実施例では４個の抵抗翼２１ａが配設されている。
【００３４】
「気球部２０」
図１に示すように、気球部２０は、円筒状の気球収納ケース２１と、その外周面の周方向に等配されて取り付けられる抵抗翼２１ａと、前記ケース２１に折り畳まれた状態で収納された気球２２とからなり、前記気球２２のガス導入部２２ａが上記軽ガス発生源５０のガス放出部５１ａと連結されている。
【００３５】
前記気球２２の材質には上記補助傘１０ａと同様に機械的強度に優れたポリエステル系の織布が用いられる。ポリエステル織布だけでは気体の透過性がかなり高いので、通常、ハングライダー、パラシュート等で行われている目止め処理がなされる。その目止め処理材にはウレタン等が用いられている。なお、ポリエステル織布の重量は３５ｇ／ｍ2 を用いた。
【００３６】
気球２２の大きさは、搭載するセンサ部４０の重量や体積により、増減することは当然である。いま、３ｋｇ重のセンサ部４０を搭載する場合、気球２２の半径は球状の場合に約９００ミリメートルであるが、前述のごとく気球２２の放出時にはパラシュート形状のままで放出する必要があるため、半径約１１５０ミリメートルの半球状をなしており、そのセンサ部側に軽ガスを導入する導入部２２ａが付属されている（図１）。このガス導入部２２ａは、図４及び図５に示すようにトランペット状の形態をなしており、先端径が約５０ミリメートルである。
【００３７】
この気球２２は、水素ガスが導入されて膨張が完了するまでは水素発生源５０とジョイントしており、砲弾１から放出されて補助傘１０ａがペイロードから切り離された直後には、図４に示すようにパラシュート形態を保持し、水素ガスが導入されると、図５に示すように膨張した完全な気球形態となる。
【００３８】
「抵抗翼２１ａ」
本実施例による気球部２０のケース２１の外周部に等配された抵抗翼２１ａは、遠心力の作用で開翼する方式を採用している。すなわち、図１に略示するように前記ケース２１の外周面から突出する支持部と同支持部に抵抗翼２１ａの一端が回動自在にピン支持され、ケース２１のスピンにより遠心力で開翼する。しかして、この抵抗翼２１ａは上記補助傘カバー１０ｂと同様に、一定時間を折り畳まれた状態で飛翔し、その後所望の時間で自動的に開翼する方式を取ることも可能である。
【００３９】
抵抗翼２１ａの材質は、軽量なアルミニウム合金の他に、ＳＵＳ、高張力鋼など種々な金属を挙げることができる。発射諸元（砲弾の速度、スピン数の影響）、ペイロードの重量等から強度計算し、これらの材料から適切な材料を選定する。
【００４０】
「クラッチブレーキ機構部３０」
図６は気球部２０、クラッチブレーキ機構部３０及びセンサ部４０の構造を模式的に示している。クラッチブレーキ３１は、同図に示すように中心部に気球部２０の上記ガス導入部２２ａが貫挿され、その外周部に気球部２０と一体化されたフランジ付きの円筒状ハウジング３２と、前記センサ部４０の中央を貫通し、前記ハウジング３２の円筒部３２ａに外嵌されたフランジ付きの円筒部材３３と、前記ハウジング３２のフランジ部３２ｂ及び前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂの間にあって、前記フランジ部３２ｂの裏面側に配された皿バネ３４と、同皿バネ３４及び前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂの間に配された第１摺接摩擦板３５と、前記フランジ部３３ｂ及び前記センサ部４０の間に配された第２摺接摩擦板３６とから構成される。
【００４１】
前記皿バネ３４により前記第１摺接摩擦板３５を前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂ及び第２摺接摩擦板３６を介して前記センサ部４０に常に強く押し付けている。前記ハウジング３１に外嵌された円筒部材３３は水素発生源５０の水素ガス放出部５１と接続されている。第１及び第２摺接摩擦板３５，３６は同一材料からなり、通常、乾式クラッチで採用される各種の摺動材料が用いられる。本実施例ではＬＢＣ（鉛青銅）を用いている。
【００４２】
「水素発生源５０」
図７は水素発生源５０である水素発生装置を模式的に示している。同図によれば、円筒状密閉タンクからなる外容器５１に収容された発熱剤層５２と水素吸蔵合金層５３とが多重円筒状に交互に配され、発熱剤層には選択した鉄／過塩素酸カリウム／塩化カリウムの組合せからなる発熱剤が充填されており、前記水素吸蔵合金層５２には水素吸蔵合金が充填されている。そして、前記発熱剤層５２と水素吸蔵合金層５３とは金属隔壁５４をもって完全に隔絶されている。水素吸蔵合金層５３の厚さと発熱剤層５２の厚さ、及び両者の位置関係は、熱収支から最適になるように工夫されている。
【００４３】
前記外容器５１にはＳＵＳ３０４が使われ、隔壁５４にはＳＵＳ３１６が使われている。勿論、他の適当な材質を選択することもできる。外容器５１の外径を１４０ミリメートル、内径を１３０ミリメートル、長さを２９０ミリメートルとして計算した結果、発熱剤の重量は約３．２Ｋｇ、水素吸蔵合金は２１．２Ｋｇが収納可能である。このときの水素ガスの発生量は３．２立方メートルを確保でき、発生熱量は約３Ｍｃａ１となる。この熱量は水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応熱（９４０Ｋｃａ１）を補い、さらにケーシング等の金属部材を３００℃以上に加熱するのに十分な発熱量である。
【００４４】
本実施例によれば、発熱剤及び水素吸蔵合金からなる水素発生源５０は、外径１４０ミリメートル、内径１３０ミリメートルの外容器５１内に上述のごとく収納されており、そのガス放出部５１ａはセンサ部４０を貫通して延びる上記ガス導入用の円筒部材３３を介して気球２２に接続されている。
【００４５】
既述したように、砲弾からペイロード部が放出され、１０秒程度を経過した時点で気球部２０と水素発生装置５０のスピン数が同期する。この時点で発熱剤層５２の発熱が始まり、水素吸蔵金属層５３から水素ガスの放出が開始される。図示せぬ着火パッドの中心部に着火することにより発熱は同心円状に配された多重層の中心部側から開始する。着火後の１秒以内に３００℃以上まで加熱が進行する。
【００４６】
着火後、約３分経過した時点で、水素発生装置５０のガス放出部５１ａと上記円筒部材３３とのジョイント部の接合を火薬力により吹き飛ばし、重量のある水素発生装置の切り離しを行う。なお、ジョイント部の構造は、図８に示すように、円筒部材３３の水素発生装置側の端部にフランジ３３ｃを形成すると共に、同フランジ３３ｃを前記水素ガス放出部５１ａの端部フランジ５１ａ′に突き合わせ、これを蝶番構造を持つカバー５４で固定している。カバー５４を固定している火薬入りボルト５５を火薬力で除去することにより、前記円筒部材３３と前記ガス放出部５１ａとを容易に切り離すことができる。この切り離し後に、ジョイント部に内蔵されたバルブ機構が自動的に管路を密封し、ガスの流出を防止する。
【００４７】
図９及び図１０は、前記バルブ機構の例を示している。図９に示すバルブ機構によれば、前記円筒部材３３の内部にピン３７を径方向に回転自在に支持させており、そのピン３７には円筒部材３３の内径を有する円板３８が一体に固着されている。また、前記円板３８が前記ピン３４を中心として回転するとき、その回転角が制限される。そのため、前記円筒部材３３の内壁面には、その円周方向に延びるリング状又は円弧状のストッパ３９が突設されている。前記円板３８が回転していない状態にあるときは、同円板３８の板面は軸線方向に平行に向けられており、前記円筒部材３３と前記ガス放出部５１ａとが切り離されると、例えば前記円板３８に偏心して一端を固着したワイヤなどにより引っ張られて、円板３８を回転させて、円筒部材３３の管路を閉塞する。この閉塞姿勢にある円板３８の姿勢を維持させるために、同円板３８に前記ストッパ３９と係合する係合手段を取り付けておくことも可能である。図１０に示すバルブ機構は、前記円筒部材３３の管路中にチェック弁３８′を介装するものである。
【００４８】
「センサ部４０」
センサ部４０には、各種の「探査手段」を搭載している。この探査手段としては、情報の伝達を主目的とするＣＣＤカメラ、画像処理装置、送受信装置、中継装置、全方位測位器、各種の情報処理装置、制御部等がコンパクトに治められており、その探査の目的に応じて、前記各種の機器を単独に或いはそれらの機器のうち必要なものを組み合わせて搭載すればよい。また、前記制御部は各種のデータ処理を行うとともに、それらの処理結果に基づき前記機器類やペイロードの作動装置に作動信号を送る。
【００４９】
上述のような装置、構成部材を組合せ、一連の手順に従って空気中を高速で飛翔する飛翔体には多様な探査機能を期待できる。すなわち、飛翔体を目標地に高速で飛翔させ、所定の時間を経過したのち同飛翔体からペイロードを放出させると同時に補助傘１０ａを開傘させ、ペイロードを所定の減速と減スピンを達成させたのちに、気球２０に水素ガスを送り込み膨張させて、空中を浮遊させる。このとき、例えば地上の観測用飛翔体であれば、センサ部４０に内蔵された可視ＣＣＤカメラ或いはＩＲカメラなどにより地上の画像データを取得して、これを所定の観測本部に送信する。また、飛翔体が各種データの中継用であれば、前記センサ部４０に内蔵する送受信装置や情報処理装置によって、地上或いは海上に設置され或いは散布されたた各種センサからの受信情報を中継し、或いは空中を浮遊する気球２２に連設されたセンサ部４０が取得する各種情報を所定の基地に直接伝達する。
【００５０】
更には、上記センサ部４０を介して伝達された情報により、地上に散布及び／または設置されたセンサを活性化させて、光、音、ミリ波など所定の応答信号を発するようにさせることもできる。また、飛行機、ヘリコプター、気球など空中飛翔体及び／又は浮遊体からの情報を受信し、遠方の情報処理装置に情報を伝達することができ、またその逆も可能である。
【００５１】
次に、本発明の他の実施例について簡単に説明する。
図１１は、本発明による高速飛翔体の他の実施例を示している。この実施例にあって、前記実施例と異なる主な点は、砲弾１の外周部に４枚の安定翼２を有する点である。
【００５２】
弾頭先端部にある信管３の時限機構の働きにより、火砲から放出された後、所定時間の経過後に安定翼２が火薬力の作用により開翼し、主に砲弾１のスピン数のみが減少する。本実施例の場合、飛翔距離１５キロメートルで開翼させた。開翼時の高度はおよそ５．８キロメートル、このときの砲弾の飛翔速度は毎秒２９０メートル、スピン数は毎秒２００回転である。
【００５３】
砲弾１のスピン数は単調に減少し、飛翔距離約１８キロメートルでスピン数は１０数回転にまで低下する。このときの砲弾の速度は毎秒約３００メートル、高度は約３０００メートルである。この時点で内蔵したペイロードの放出を行った。
【００５４】
「補助傘部１０」
補助傘１０ａは前記実施例と同様の材質、形状、大きさのものを用いた。この補助傘１０ａにぶら下がる気球部２０、センサ部４０、水素発生装置５０の重量は約４０Ｋｇであって、空気抵抗係数を１．１２６とすると、最終的こ毎秒４０メートル弱まで減速される。
【００５５】
「抵抗翼２１ａ」
スピン数をより減じるための抵抗翼２１ａは、本実施例の上記安定翼２を有した砲弾であって、しかも十分に減スピンした状態で気球部２０の放出を行う場合には必ずしも必要としない。この程度の回転数に対しては、次に作動するクラッチブレーキ機構により、十分対処できるためである。
【００５６】
「気球部２０」
気球部２０の材質、形状、大きさは、上記実施例と同一のものを使用した。半径約１１５０ミリメートルの半球状の気球が受け持つ重量は約４０Ｋｇであるので、空気抵抗係数を１．１２６と仮定すると、最終的に毎秒１２メートル程度まで減速される。このときの高度は約２千数百メートルである。
【００５７】
「クラッチブレーキ機構部３０」
上記実施例と同じ構造、寸法のものを採用した。重量のある水素発生装置５０のスピン数が気球部２０と同じ回転数に低下するまでの時間は約２秒である。
【００５８】
「水素発生装置５０」
水素発生装置も前記実施例と同様の外径１４０ミリメートル、内径１３０ミリメートルの円筒状の金属ケース入りのものを使用した。水素吸蔵合金はランタンニッケルアルミニウムを主成分とするＡＢ５型合金で、水素吸蔵量は１５０リットル／合金Ｋｇである。また、発熱剤は鉄／過塩素酸カリウム系で第３成分として塩化カリウムを混合したものである。組成は鉄１．０５、過塩素酸カリウム１．００、塩化カリウム１．０のモル比であり、反応は過塩素酸カリウムの量で律速するように工夫されている。なお、水素吸蔵合金は本実施例以外にも多数の種類があり、上記材料に限定したものではない。同様に発熱剤の好ましい組合せは、本実施例以外にも多数あり、上記成分や組成に限定するものではない。
【００５９】
水素発生装置の一方の端には発熱剤を活性化する（着火する）ための電気式発火装置が設けられており、約１アンペアの電流を加えることにより、内部のピエゾ素子が発熱し発火させる構造を採用している。
【００６０】
着火後、約３分が経過すると、水素発生装置５０と気球部２０の中間に設けられ、既述した構造を有するジョイント部の接合を火薬力により吹き飛ばし、重量のある水素発生装置５０の切り離しを行う。なお、切り離し後の円筒部材３３の管路は同円筒部材に内蔵された上述のバルブ機構により自動的に閉塞され、ガスの流出を防止する。
【００６１】
通常、砲弾は同一条件下で何発か発射する場合は極めて精度が高く、例えば射程３０キロメートルにおいても公差は射程の数百分の１以内といわれている。このため目標の風上側で気球を展開すれば、ほぼ確実に目標を捕捉することが可能である。いま、視野角８°と仮定すると、地上から３００メートル上空からの画像データは半径２１メートル、５００メートル上空では半径３５メートルのデータが得られ、上空１０００メートルからは半径７０メートルのデータが得られる。これらの数値は静止目標に対しては十分と思われる。従つて、気球部２０もしくは前述のジョイント部に内蔵されたバルブ機構などに気球内部の水素ガスを放出する機構を設け、高度を徐々に低下させながら地上観測することも可能である。
【００６２】
しかし、移動目標に対してはこのような運用では目標を見失う可能性が高い。例えば、時速４０キロメートルで移動中の車両が半径７０メートルの円内を通過する時間は１２．６秒であり、この間の情報だけで移動中の車両の将来位置を予測することは困難である。このときは、気球に高度を変化させる装置を付設することが重要である。飛行船ではバロネットと呼ばれる空気室を設け、この小室の空気圧を変化させて浮力の調節を行っている。本実施例における気球部２０にも同様の機構を設けることが好ましいが、スペース上の制約を受けるため、前記空気室を付設することは難しい。これに代わるものとして、回転翼による高度変更装置が有効である。
【００６３】
いま、複数枚のブレードからなるロータを考える。ロータの回転面を一種の作動円盤と見なしたとき、円盤面積Ｓを単位時間に通過する空気の質量ｍは、空気密度をρ、空気の通過速度をＶとすると、ｍ＝ρＳＶなる式で与えられる。また、回転円盤の推力Ｔは円盤を通過する際に空気に与えられる速度の増分を２ｖとすると、Ｔ＝２ｍｖで与えられる。ここで、半径５センチメートルのブレードで毎秒５０センチメートルの空気を通過させると、推力Ｔは０．０１キログラム・メートル／秒２となる。ペイロードが約３キログラムなので、この推力により発生する加速度は３．４×１０-3メートル／秒2 となる。空気抵抗等を無視すれば、その加速度を用いれば、５００メートル上昇するために約３８５秒が必要である
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速飛翔体の代表的な砲弾構造例を模式的に示す縦断面図である。
【図２】前記高速飛翔体に内蔵される補助傘の開傘形態例を模式的に示す立体図である。
【図３】前記高速飛翔体に内蔵される補助傘と気球の連結構造例を模式的に示す説明図である。
【図４】前記気球の膨張前の形態例を示す正面図である。
【図５】同気球の膨張後の形態を示す正面図である。
【図６】高速飛翔体に内蔵される気球部、クラッチブレーキ、センサ部の構造例を示す断面図である。
【図７】前記気球部に接続される水素発生装置の内部構造例を模式的に示す構造説明図である。
【図８】水素ガス導入部と同ガス放出部との接合構造例を模式的に示す構造説明図である。
【図９】水素ガス導入部と同ガス放出部との切り離し後に作動するバルブ構造例を示す説明図である。
【図１０】同じく他のバルブ例を示す断面図である。
【図１１】本発明の高速飛翔体の他の実施例を模式的に示す外形図である。
【符号の説明】
１ 砲弾（高速飛翔体）
１ａ 弾頭
１ｂ 空洞部分
２ 安定翼
１０ 補助傘部
１０ａ 補助傘
１０ｂ 補助傘用カバー
１１ 逆円錐台部分
１１ａ 空気取入口
１２ ヒレ体
１３ ボルト
１４ ロックピン
１５ 圧縮バネ
２０ 気球部
２１ 気球収納ケース
２１ａ 抵抗翼
２２ 気球
２２ａ ガス導入部
３０ クラッチブレーキ部
３１ クラッチブレーキ
３２ ハウジング
３２ａ 円筒部
３２ｂ フランジ部
３３ 円筒部材
３３ａ 円筒部
３３ｂ フランジ部
３３ｃ フランジ
３４ 皿バネ
３５ 第１摺接摩擦板
３６ 第２摺接摩擦板
３７ ピン
３８ 円板
３８′ チェック弁
３９ ストッパ
４０ センサ部
５０ 水素発生源（水素発生装置）
５１ 外容器
５１ａ ガス放出部
５１ａ′ 端部フランジ
５２ 発熱剤層
５３ 水素吸蔵合金層
５４ 金属隔壁
５５ 火薬入りボルト
５６ カバー
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然災害による状況探査や、保安・防衛などの軍事分野、とりわけ偵察、早期警戒に有効な探査機器を備えた、例えば砲弾などの高速飛翔体に関し、高速飛翔体を目標地域の上空まで飛翔させ、同飛翔体から気球を放出して、同気球によりその地域の状況を探査することを可能にした高速飛翔体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山火事や震災などの自然災害の発生時には、それらの状況を早期に把握すると共に、時々刻々と変化する状況を常時把握しておく必要がある。従来も、小型のヘリコプターなどによりそれらの状況を把握しているが、一刻も早く、それらの状況を知ることは、多くの人命などに係わる場合には、特に重要である。
【０００３】
また、軍事面から見ると、広域かつ大規模な戦闘においては、多様な種類の軍事車両などが投入されるため、軍事衛星、航空機等により情報を得ることも可能であるが、極く限られた局地戦、とりわけ砲兵部隊単位での野戦において、対峙する部隊の動向を監視することは極めて多くの困難を伴う。このため、通常ＦＯと呼ばれる偵察部隊による監視活動が行われている。しかし、近年の部隊は高機動力化されており、正確な情報を得ることは非常に困難になりつつある。また火砲陣地が発見された場合には直ちに攻撃・撃破される危険性があるため、野戦部隊は数１０キロメートル前方の対峙する部隊の動静、情報をいち早く入手し、しかるべき戦術を取る必要があり、そのために如何に早く正確な情報を得られるかが、戦況を大きく左右する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような自然災害や局地戦を想定して、迅速で且つ正確な情報を入手するため、様々な情報の入手手段が開発されている。例えば、無人飛行機や無人ヘリコプター等による情報入手手段がある。これらは無人機に画像データを送信するシステムを組み合わせたものであるが、数１０キロメートル前方まで飛翔させる能力を付与することは装置が大掛かりになり実現は難しい。また、それらの機器を数１０キロメートル前方まで搬送して飛翔させるには迅速性の確保が難しいという間題点がある。
【０００５】
一方、情報の入手の迅速性を確保するため、砲弾内部に画像データを取り込むシステムとデータの送信器を内蔵し、飛翔しながら取得した画像データを送信する観測砲弾も検討されている。しかし、砲弾は毎秒数１００回転しながら安定性を確保しているため、正確な観測を実現するためには種々の技術課題があると言われている。また、砲弾は秒速が数１００メートルで飛翔するため、観測時間が極めて短いという問題点もある。
【０００６】
最も実現性あるシステムとしては、砲弾内に画像データを取り込むシステムとデータ送信機を内蔵し、所定の高度で砲弾弾底部から放出してパラシュートにより落下させながらデータを送信するシステムがある。迅速で且つほぼ正確な情報が得られる利点がある反面、パラシュートの落下時間内しか情報が得られないという問題点がある。
【０００７】
本発明は上記従来技術の課題に鑑み、その具体的な目的は砲弾等の高速飛翔体を利用して、目標地点における迅速で且つ正確な情報を長時間にわたって得られる高速飛翔体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明者等は上述のごとき従来の課題を踏まえて、多角的な検討を加えた結果、空中に長時間滞留させる手段として気球を使うことが有効であることに着眼した。通常、気球にはヘリウムガスが使用されている。これは不活性であり、しかも単分子の元素からなり、しかも分子量が小さく、同一容積内の気球のペイロードを大きく設計できる利点がある。このため、民生用途、とりわけ商業宣伝分野において多用されている。
【０００９】
しかし、ヘリウムガスを減容する手段としては、液体ヘリウムとする以外に方法がなく、これを液体ガスボンベに収容して搬送する必要がある。しかも、液体ヘリウムは絶対零度近くの温度まで冷却する必要があり、そのためには大掛かりな装置が必要である。従って、小型砲弾等の限られたスペース内に軽ガス発生源を設け、飛翔中に気球に軽ガスを供給する利用分野においては、液体ヘリウムは事実上利用することは困難である。
【００１０】
一方、ヘリウムガスを高圧に保持する方法にあって、例えば３立方メートルのヘリウムガスを３リットルに圧縮すると１０００気圧となり、この圧力を保持する客器としてアルミニウム合金（Ａ７０７５ＴＥ−Ｔ６２ 耐力５００N/mm2 ）を用いた場合、容器外形を１４０ミリメートル、安全率を２倍として、肉厚２７．５ミリメートルが必要となる。従って、容器の内径は８５ミリメートルとなり、３リットルの容積を実現するためには最低でも長さ５３センチメートルが必要である。このサイズは通常のりゅう弾砲内に収納可能ではあるが、他のペイロードを収納するスペースが確保できないことが判明した。
【００１１】
このヘリウムガスに変わる気体としては水素ガスがある。水素ガスはヘリウムガスに比べて爆発等の危険性は高いが、かって飛行船等にも用いられた実績を持つ。しかも、近年、水素吸蔵合金と呼ばれる金属水素化物の形で水素が様々な分野において採用されており、例えば、ヒートポンプ、燃料電池、ニッケル水素電池などの分野で盛んに利用されつつある。この水素吸蔵合金は単位体積当たり液体水素と同等以上の水素を貯蔵できる能力があり、水素の吸蔵放出の平衡圧力・温度も合金の組成を適宜選択することにより、ある程度自由に調整できる。かかる理由から、この水素吸蔵合金を採用することが最も有利であると考えた。勿論、砲弾等の高速飛翔体のスペース内に収容が可能であるなら、前述の液体ヘリウムガスを採用することもできる。
【００１２】
すなわち、本発明は砲弾等の高速飛翔体の限られたスペース内に軽ガス発生源を設けると共に、折り畳まれた気球を収納し、更には時限起爆装置や多様な観測機器等を作動制御するための制御部を内蔵させる可能性について鋭意検討し、本発明に到達したものである。
【００１３】
本件の請求項１に係る発明は、砲弾等の高速飛翔体がぺイロードを分離放出する機構を有し、前記ぺイロードは、少なくとも折り畳まれて収納された気球と、同気球を膨張させる軽ガスの発生源と、同気球の膨張時期等を制御する制御部とを有してなり、前記ペイロードが所定の落下速度とスピン数に達した後、前記気球が放出され、その気球の放出後、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるためのクラッチブレーキ機構を有してなることを特徴としている。
以下に、高速飛翔体に収容する前記ペイロードの各構成要素に対する検討結果を示す。
【００１４】
１．「ガス発生源」としての水素吸蔵合金を用いた水素発生装置
一般的な水素吸蔵合金を用いて、１５０リットル (Ｈ2)／Ｋｇ（合金）の水素吸蔵が可能である。いま、３立方メートルの水素ガスを発生させるためには約２０Ｋｇの水素吸蔵合金が必要となる。同合金の比重は８程度なので、合金容積は２．５リットルと見積もられる。内径１４０ミリメートルの砲弾内に厚み５ミリメートルの容器を設けて合金を収納させる場合、長さ１９センチ程度の容積が必要となる。この寸法は、前述のヘリウムガスボンベの長さに比べて約１／３程度である。
【００１５】
このような寸法であれば、砲弾内に収納するスペースの間題は解消されるため、水素発生源として水素吸蔵合金を用いる場合、水素を放出させるための熱源を如何に確保するかが、次の課題となる。通常の水素吸蔵合金は水素を放出させるために水素１モル当たり７Ｋｃａ１程度の熱量が必要であると言われている。標準状態の水素ガス３立方メートル（＝１３４モル）では、９４０Ｋｃａｌの熱量となる。
【００１６】
そこで、本発明にあっては、前記軽ガスの発生源として水素吸蔵合金を採用することが好ましい。この水素吸蔵合金としては、チタンマンガン系、チタン鉄系、マグネシウムニッケル系、カルシウムニッケル系、ランタンニッケル系、ミッシュメタルニッケル系、ランタンリッチミッシュメタルニッケル系から選ばれた合金からなる。
前記水素吸蔵合金の加熱源として、酸化還元反応による反応熱を利用することを規定している。すなわち、水素吸蔵合金から水素を放出させるに必要な熱量を確保するために酸化還元反応による反応熱を用いることが最良の選択である。一般に酸化還元反応は大きな反応熱が得られる反面、酸化剤と還元剤が共存するため貯蔵安定性に問題があり、また、反応が急激すぎて制御が難しい場合が多い。そこで、前記水素吸蔵合金と酸化剤とが金属板からなる隔壁を介して分離されるように構成して、前記水素吸蔵合金と酸化剤との接触を阻止するようにするとよい。
【００１７】
また、酸化還元反応は、反応に伴って低沸点成分（炭酸ガスなどの気体や水）を発生する反応系、反応を開始するためにマグネシウムと酸素が必要な反応系などがほとんどである。その中で着目した反応系は、過塩素酸塩と金属粉末の反応系である。とりわけ過塩素酸カリウムと鉄の組合せにおいて、第３成分として塩化カリウムを添加した反応系は、貯蔵安定性に優れ、過激な反応を第３成分として添加した塩化カリウムにより、より穏やかな反応にできる利点がある。純粋な鉄と過塩素酸カリウムの組合せでは鉄１モル当たり２００Ｋｃａ１に近い反応熱が得られる点も魅力的である。
【００１８】
２．高速飛翔体からのペイロード放出機構
砲弾等の高速飛翔体に内蔵したペイロードを、同飛翔体から放出する方法は近年開発されたカーゴ弾の機構がある。本機構は砲弾先頭部に取り付けられた信管部に時限機構を設け、発射するときの加速度により時限機構が作動し、発射時に砲身内に設けられたライフルにより砲弾が高速回転して、信管内のセーフ／アーム切替機構をアーム状態にロックし、所定時間に達すると信管内の起爆機構が電気的に発火し、伝爆機構を伝わり、メインの火薬を爆発させて弾底部を破壊してペイロードを放出する機構である。本発明の気球放出機構に対しても同様な機構が採用できる。
【００１９】
３．放出後の減速機構
砲弾の飛翔時の速度は、通常、数百メートル／秒である。これを減速させる方法としては、ロケットモータの使用、パラシュート等の使用などが考えられるが、出来るだけ容積を占めないためには、後者の方が有利である。しかし、砲弾は飛翔を安定させるために、通常、高速でスピンしている。そのため、放出されるペイロードも同様のスピン運動を続けるため、通常の落下傘をロープ等で固定した方式ではロープによじれが発生し、落下傘が開傘しないと考えられる。
本発明にあって、放出直後の前記気球が落下傘形態を有していることが好ましく、軽ガスが供給されたのちには膨張して気球形態となる。
【００２０】
更に減速を確実にするため、前記ペイロードは補助傘を有していることが望ましく、その好ましい形態はＲＡＩＤ傘形態であり、ペイロードの放出と同時に前記補助傘が開傘する。更に、好ましくは前記ペイロードが高スピン状態を減スピンさせるための抵抗翼を有すると共に、同抵抗翼を開翼する機構を有している。そして、前記ペイロードが所定の落下速度とスピン数に達した後、前記気球を放出するように制御する。
【００２１】
なお、一部の砲弾には飛翔を安定させるため、安定翼を持つものがある。これらは火砲から放出直後もしくは飛翔中に安定翼を開翼し、砲弾自身のスピンを積極的に止め、もしくはスロースピン状態で飛翔し続ける。また、ロケットモータで推進するミサイルも安定翼により飛翔の安定性を得ている。これらの高速飛翔体に対しては前述のごとく落下傘及びロープのよじれ現象は起こりにくいと考えられるが、音速を越える高速で飛翔している状態で落下傘形状の減速機構を作動させることは、落下傘、ロープ等の強度的な制約が発生する可能性が高い。このため、減速機構を２段で作動させるために、第一段目の減速機構としてＲＡＩＤ傘を開傘する方式を採用して、第２段で放出直後は落下傘形態をもつ気球をもって減速を確実にする。
【００２２】
請求項２に係る発明にあっては、更に気球に対する水素ガスの供給時期を規定しており、前記気球と軽ガス発生源とのスピン数が同期した後、前記水素吸蔵合金から水素が気球に供給されるものであり、請求項３に係る発明によれば、所定の水素ガスが気球に供給された後、軽ガス発生源を切り離す機構と、前記軽ガス発生源の切り離し後に、気球のガス導入部を密封する機構とを有している。そして、これらの作動タイミングは、上記制御部に設置されるタイマーや送受信器への外部からの送信などにより決められる。更に、探査範囲を拡大するために、前記気球が高度方向及び／又は水平方向の移動手段を有していることが望ましい。
【００２３】
４．放出後の減スピン機構
通常スピン数を減じる方法としては抵抗翼が考えられる。円周等配に配置した複数枚の抵抗翼を飛翔中に開翼する。開翼方式としては、蝶番式に取り付けられた抵抗翼が遠心力の作用により開翼する方式、ボルト等で取り付けられていた固定ピンを火薬力により吹き飛ばし、遠心力の作用により開翼する方式など種々の方式がある。これらの技術をペイロード部に適用して、ペイロードの減スピンを可能にする。
【００２４】
なお、前述の安定翼を持つ砲弾等においては、砲弾自身が十分に減スピンしている場合、放出後の減スピン機構は必ずしも必要ないことは明らかである。通常、放出後の減スピン機構が必要なスピン数は数１０回転／秒以上であると考えられる。
【００２５】
５．クラッチブレーキ機構
上記技術を組み合わせて、放出後のペイロードの速度とスピン数とを減少させた後には、ペイロードの速度が数１０メートル／秒、スピン数が数１０回転／秒となる。この状態で気球の放出を行うと、ガスを導入する導入部のよじれが発生し、本発明の実現化が難しい。このため、気球をパラシュート状に放出し、先ず十分な減速を行う必要がある。一方、マスの大きな水素発生装置側は回転運動を持続するようとし、気球部は空気抵抗を受けて徐々に回転数を減ずる方向に向かう。このためペイロードを２つのパートに分割し、それぞれのパート間に回転数を同期する機構を挿入する必要がある。
【００２６】
請求項１に係る発明は、前記気球の放出後、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるためのクラッチブレーキ機構を更に有していることを規定している。
すなわち、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるための最も単純で且つ確実に機能する機構として、クラッチブレーキ機構を採用することが最良と判断した。このクラッチ機能により、気球部放出後、さらなる減速と減スピンを行い、砲弾から放出後１０秒程度で、ペイロードの速度が約１０メートル／秒、数回転／秒のスピン数が実現できる。
【００２７】
前記ペイロードは、更に各種の探査手段を有しており、前記探査手段としては、全方位測位装置、撮影装置、情報処理装置、送受信装置、中継装置から選ばれた１種類以上の装置からなる。更に、前記ペイロードが、更に各種の薬剤散布手段を有していると、例えば山火事などの発生時に、前記探査手段によりその火災の状況とかを把握する共に、消化剤を上空から散布して、消火始動の迅速化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照しつつ具体的に述べる。図１は本発明の高速飛翔体の内部構造を模式的に示しており、同図によれば高速飛翔体として砲弾１を利用しており、因みにその弾殻の全長が８００ミリメートル、弾頭１ａ以外の空洞部分１ｂの外径は１５５ミリメートル、同空洞部分１ｂの空洞長さは６００ミリメートルである。
【００２９】
図示例による本発明に係る高速飛翔体は、同図に示すように補助傘部１０、気球部２０、クラッチブレーキ部３０、センサ部４０並びに水素発生源５０が、前記弾殻１の空洞部分１ｂにその弾底から弾頭に向けて順次配されている。前記センサ部４０は図示せぬ制御部を含んでいる。次に、本発明の第１実施例に係る高速飛翔体の細部について具体的に説明する。
【００３０】
「補助傘部１０」
補助傘部１０は、図１に模式的に示すように気球部２０に連結されており、その形態は図２に示すように開傘したときに底部開口が狭くて天井部が広い逆円錐台形状となる内部が空洞な強靱な織布からなり、その逆円錐台部分１１の周面に底部が開いた３角巾様のヒレ体１２が円周方向に複数取り付けられ、そのヒレ体１２の内部対応する前記逆円錐台部分１１には空気取入口１１ａが形成されている。いま補助傘部１０が砲弾１から放出されると同時に同補助傘１０ａが開き、前記ヒレ体１２から前記空気取入口１１ａから空気を取り込み、同補助傘１０ａの膨張形態を維持して、急速に落下速度を低下させる。
【００３１】
補助傘１０ａの材質は機械的強度に優れたポリエステル系の織布が用いられる前述の形態を得るため、布地の合わせ部を縫合し、空気の透過性を減ずるため、合成樹脂を塗布する。開傘時の大きさは、直径約７００ミリメートルである。なお、補助傘１０ａの大きさは、砲弾のサイズやペイロードの重量等により、適宜決定される。
【００３２】
ペイロードは、砲弾１が所望の高度及び所望の距離に達すると、時限信管機構により放出薬を発火させ、砲弾底部から放出される。放出されたペイロードは放出された加速度によりセンサ部４０に内蔵された時限信管機構が計時を開始し、以下すべての動作は時限機構により時間制御される。
【００３３】
補助傘１０ａには補助傘用カバー１０ｂが被着されており、同カバー１０ｂは、図３に示すように同カバー１０ｂと気球部２０とを接続しているボルト１３、同ボルト１３をロックしているロックピン１４により固定されており、同ロックピン１４を火薬力等により破壊することにより、固定ボルト１３とボルト孔に配置された圧縮バネ１５の復元力により吹き飛ばされる。前記火薬力の起動は、周辺の条件に基づき様々に制御でき、前記ロックピン１４を破壊する時期は任意に調節することが可能である。ペイロードの放出後、直ちに補助傘カバー１０ｂが吹き飛ばされ、補助傘１０ａが開傘すると同時に、気球部２０のケース外周面に数箇所配置された抵抗翼２１ａが開翼する。本実施例では４個の抵抗翼２１ａが配設されている。
【００３４】
「気球部２０」
図１に示すように、気球部２０は、円筒状の気球収納ケース２１と、その外周面の周方向に等配されて取り付けられる抵抗翼２１ａと、前記ケース２１に折り畳まれた状態で収納された気球２２とからなり、前記気球２２のガス導入部２２ａが上記軽ガス発生源５０のガス放出部５１ａと連結されている。
【００３５】
前記気球２２の材質には上記補助傘１０ａと同様に機械的強度に優れたポリエステル系の織布が用いられる。ポリエステル織布だけでは気体の透過性がかなり高いので、通常、ハングライダー、パラシュート等で行われている目止め処理がなされる。その目止め処理材にはウレタン等が用いられている。なお、ポリエステル織布の重量は３５ｇ／ｍ2 を用いた。
【００３６】
気球２２の大きさは、搭載するセンサ部４０の重量や体積により、増減することは当然である。いま、３ｋｇ重のセンサ部４０を搭載する場合、気球２２の半径は球状の場合に約９００ミリメートルであるが、前述のごとく気球２２の放出時にはパラシュート形状のままで放出する必要があるため、半径約１１５０ミリメートルの半球状をなしており、そのセンサ部側に軽ガスを導入する導入部２２ａが付属されている（図１）。このガス導入部２２ａは、図４及び図５に示すようにトランペット状の形態をなしており、先端径が約５０ミリメートルである。
【００３７】
この気球２２は、水素ガスが導入されて膨張が完了するまでは水素発生源５０とジョイントしており、砲弾１から放出されて補助傘１０ａがペイロードから切り離された直後には、図４に示すようにパラシュート形態を保持し、水素ガスが導入されると、図５に示すように膨張した完全な気球形態となる。
【００３８】
「抵抗翼２１ａ」
本実施例による気球部２０のケース２１の外周部に等配された抵抗翼２１ａは、遠心力の作用で開翼する方式を採用している。すなわち、図１に略示するように前記ケース２１の外周面から突出する支持部と同支持部に抵抗翼２１ａの一端が回動自在にピン支持され、ケース２１のスピンにより遠心力で開翼する。しかして、この抵抗翼２１ａは上記補助傘カバー１０ｂと同様に、一定時間を折り畳まれた状態で飛翔し、その後所望の時間で自動的に開翼する方式を取ることも可能である。
【００３９】
抵抗翼２１ａの材質は、軽量なアルミニウム合金の他に、ＳＵＳ、高張力鋼など種々な金属を挙げることができる。発射諸元（砲弾の速度、スピン数の影響）、ペイロードの重量等から強度計算し、これらの材料から適切な材料を選定する。
【００４０】
「クラッチブレーキ機構部３０」
図６は気球部２０、クラッチブレーキ機構部３０及びセンサ部４０の構造を模式的に示している。クラッチブレーキ３１は、同図に示すように中心部に気球部２０の上記ガス導入部２２ａが貫挿され、その外周部に気球部２０と一体化されたフランジ付きの円筒状ハウジング３２と、前記センサ部４０の中央を貫通し、前記ハウジング３２の円筒部３２ａに外嵌されたフランジ付きの円筒部材３３と、前記ハウジング３２のフランジ部３２ｂ及び前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂの間にあって、前記フランジ部３２ｂの裏面側に配された皿バネ３４と、同皿バネ３４及び前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂの間に配された第１摺接摩擦板３５と、前記フランジ部３３ｂ及び前記センサ部４０の間に配された第２摺接摩擦板３６とから構成される。
【００４１】
前記皿バネ３４により前記第１摺接摩擦板３５を前記円筒部材３３のフランジ部３３ｂ及び第２摺接摩擦板３６を介して前記センサ部４０に常に強く押し付けている。前記ハウジング３１に外嵌された円筒部材３３は水素発生源５０の水素ガス放出部５１と接続されている。第１及び第２摺接摩擦板３５，３６は同一材料からなり、通常、乾式クラッチで採用される各種の摺動材料が用いられる。本実施例ではＬＢＣ（鉛青銅）を用いている。
【００４２】
「水素発生源５０」
図７は水素発生源５０である水素発生装置を模式的に示している。同図によれば、円筒状密閉タンクからなる外容器５１に収容された発熱剤層５２と水素吸蔵合金層５３とが多重円筒状に交互に配され、発熱剤層には選択した鉄／過塩素酸カリウム／塩化カリウムの組合せからなる発熱剤が充填されており、前記水素吸蔵合金層５２には水素吸蔵合金が充填されている。そして、前記発熱剤層５２と水素吸蔵合金層５３とは金属隔壁５４をもって完全に隔絶されている。水素吸蔵合金層５３の厚さと発熱剤層５２の厚さ、及び両者の位置関係は、熱収支から最適になるように工夫されている。
【００４３】
前記外容器５１にはＳＵＳ３０４が使われ、隔壁５４にはＳＵＳ３１６が使われている。勿論、他の適当な材質を選択することもできる。外容器５１の外径を１４０ミリメートル、内径を１３０ミリメートル、長さを２９０ミリメートルとして計算した結果、発熱剤の重量は約３．２Ｋｇ、水素吸蔵合金は２１．２Ｋｇが収納可能である。このときの水素ガスの発生量は３．２立方メートルを確保でき、発生熱量は約３Ｍｃａ１となる。この熱量は水素吸蔵合金の水素放出時の吸熱反応熱（９４０Ｋｃａ１）を補い、さらにケーシング等の金属部材を３００℃以上に加熱するのに十分な発熱量である。
【００４４】
本実施例によれば、発熱剤及び水素吸蔵合金からなる水素発生源５０は、外径１４０ミリメートル、内径１３０ミリメートルの外容器５１内に上述のごとく収納されており、そのガス放出部５１ａはセンサ部４０を貫通して延びる上記ガス導入用の円筒部材３３を介して気球２２に接続されている。
【００４５】
既述したように、砲弾からペイロード部が放出され、１０秒程度を経過した時点で気球部２０と水素発生装置５０のスピン数が同期する。この時点で発熱剤層５２の発熱が始まり、水素吸蔵金属層５３から水素ガスの放出が開始される。図示せぬ着火パッドの中心部に着火することにより発熱は同心円状に配された多重層の中心部側から開始する。着火後の１秒以内に３００℃以上まで加熱が進行する。
【００４６】
着火後、約３分経過した時点で、水素発生装置５０のガス放出部５１ａと上記円筒部材３３とのジョイント部の接合を火薬力により吹き飛ばし、重量のある水素発生装置の切り離しを行う。なお、ジョイント部の構造は、図８に示すように、円筒部材３３の水素発生装置側の端部にフランジ３３ｃを形成すると共に、同フランジ３３ｃを前記水素ガス放出部５１ａの端部フランジ５１ａ′に突き合わせ、これを蝶番構造を持つカバー５４で固定している。カバー５４を固定している火薬入りボルト５５を火薬力で除去することにより、前記円筒部材３３と前記ガス放出部５１ａとを容易に切り離すことができる。この切り離し後に、ジョイント部に内蔵されたバルブ機構が自動的に管路を密封し、ガスの流出を防止する。
【００４７】
図９及び図１０は、前記バルブ機構の例を示している。図９に示すバルブ機構によれば、前記円筒部材３３の内部にピン３７を径方向に回転自在に支持させており、そのピン３７には円筒部材３３の内径を有する円板３８が一体に固着されている。また、前記円板３８が前記ピン３４を中心として回転するとき、その回転角が制限される。そのため、前記円筒部材３３の内壁面には、その円周方向に延びるリング状又は円弧状のストッパ３９が突設されている。前記円板３８が回転していない状態にあるときは、同円板３８の板面は軸線方向に平行に向けられており、前記円筒部材３３と前記ガス放出部５１ａとが切り離されると、例えば前記円板３８に偏心して一端を固着したワイヤなどにより引っ張られて、円板３８を回転させて、円筒部材３３の管路を閉塞する。この閉塞姿勢にある円板３８の姿勢を維持させるために、同円板３８に前記ストッパ３９と係合する係合手段を取り付けておくことも可能である。図１０に示すバルブ機構は、前記円筒部材３３の管路中にチェック弁３８′を介装するものである。
【００４８】
「センサ部４０」
センサ部４０には、各種の「探査手段」を搭載している。この探査手段としては、情報の伝達を主目的とするＣＣＤカメラ、画像処理装置、送受信装置、中継装置、全方位測位器、各種の情報処理装置、制御部等がコンパクトに治められており、その探査の目的に応じて、前記各種の機器を単独に或いはそれらの機器のうち必要なものを組み合わせて搭載すればよい。また、前記制御部は各種のデータ処理を行うとともに、それらの処理結果に基づき前記機器類やペイロードの作動装置に作動信号を送る。
【００４９】
上述のような装置、構成部材を組合せ、一連の手順に従って空気中を高速で飛翔する飛翔体には多様な探査機能を期待できる。すなわち、飛翔体を目標地に高速で飛翔させ、所定の時間を経過したのち同飛翔体からペイロードを放出させると同時に補助傘１０ａを開傘させ、ペイロードを所定の減速と減スピンを達成させたのちに、気球２０に水素ガスを送り込み膨張させて、空中を浮遊させる。このとき、例えば地上の観測用飛翔体であれば、センサ部４０に内蔵された可視ＣＣＤカメラ或いはＩＲカメラなどにより地上の画像データを取得して、これを所定の観測本部に送信する。また、飛翔体が各種データの中継用であれば、前記センサ部４０に内蔵する送受信装置や情報処理装置によって、地上或いは海上に設置され或いは散布されたた各種センサからの受信情報を中継し、或いは空中を浮遊する気球２２に連設されたセンサ部４０が取得する各種情報を所定の基地に直接伝達する。
【００５０】
更には、上記センサ部４０を介して伝達された情報により、地上に散布及び／または設置されたセンサを活性化させて、光、音、ミリ波など所定の応答信号を発するようにさせることもできる。また、飛行機、ヘリコプター、気球など空中飛翔体及び／又は浮遊体からの情報を受信し、遠方の情報処理装置に情報を伝達することができ、またその逆も可能である。
【００５１】
次に、本発明の他の実施例について簡単に説明する。
図１１は、本発明による高速飛翔体の他の実施例を示している。この実施例にあって、前記実施例と異なる主な点は、砲弾１の外周部に４枚の安定翼２を有する点である。
【００５２】
弾頭先端部にある信管３の時限機構の働きにより、火砲から放出された後、所定時間の経過後に安定翼２が火薬力の作用により開翼し、主に砲弾１のスピン数のみが減少する。本実施例の場合、飛翔距離１５キロメートルで開翼させた。開翼時の高度はおよそ５．８キロメートル、このときの砲弾の飛翔速度は毎秒２９０メートル、スピン数は毎秒２００回転である。
【００５３】
砲弾１のスピン数は単調に減少し、飛翔距離約１８キロメートルでスピン数は１０数回転にまで低下する。このときの砲弾の速度は毎秒約３００メートル、高度は約３０００メートルである。この時点で内蔵したペイロードの放出を行った。
【００５４】
「補助傘部１０」
補助傘１０ａは前記実施例と同様の材質、形状、大きさのものを用いた。この補助傘１０ａにぶら下がる気球部２０、センサ部４０、水素発生装置５０の重量は約４０Ｋｇであって、空気抵抗係数を１．１２６とすると、最終的こ毎秒４０メートル弱まで減速される。
【００５５】
「抵抗翼２１ａ」
スピン数をより減じるための抵抗翼２１ａは、本実施例の上記安定翼２を有した砲弾であって、しかも十分に減スピンした状態で気球部２０の放出を行う場合には必ずしも必要としない。この程度の回転数に対しては、次に作動するクラッチブレーキ機構により、十分対処できるためである。
【００５６】
「気球部２０」
気球部２０の材質、形状、大きさは、上記実施例と同一のものを使用した。半径約１１５０ミリメートルの半球状の気球が受け持つ重量は約４０Ｋｇであるので、空気抵抗係数を１．１２６と仮定すると、最終的に毎秒１２メートル程度まで減速される。このときの高度は約２千数百メートルである。
【００５７】
「クラッチブレーキ機構部３０」
上記実施例と同じ構造、寸法のものを採用した。重量のある水素発生装置５０のスピン数が気球部２０と同じ回転数に低下するまでの時間は約２秒である。
【００５８】
「水素発生装置５０」
水素発生装置も前記実施例と同様の外径１４０ミリメートル、内径１３０ミリメートルの円筒状の金属ケース入りのものを使用した。水素吸蔵合金はランタンニッケルアルミニウムを主成分とするＡＢ５型合金で、水素吸蔵量は１５０リットル／合金Ｋｇである。また、発熱剤は鉄／過塩素酸カリウム系で第３成分として塩化カリウムを混合したものである。組成は鉄１．０５、過塩素酸カリウム１．００、塩化カリウム１．０のモル比であり、反応は過塩素酸カリウムの量で律速するように工夫されている。なお、水素吸蔵合金は本実施例以外にも多数の種類があり、上記材料に限定したものではない。同様に発熱剤の好ましい組合せは、本実施例以外にも多数あり、上記成分や組成に限定するものではない。
【００５９】
水素発生装置の一方の端には発熱剤を活性化する（着火する）ための電気式発火装置が設けられており、約１アンペアの電流を加えることにより、内部のピエゾ素子が発熱し発火させる構造を採用している。
【００６０】
着火後、約３分が経過すると、水素発生装置５０と気球部２０の中間に設けられ、既述した構造を有するジョイント部の接合を火薬力により吹き飛ばし、重量のある水素発生装置５０の切り離しを行う。なお、切り離し後の円筒部材３３の管路は同円筒部材に内蔵された上述のバルブ機構により自動的に閉塞され、ガスの流出を防止する。
【００６１】
通常、砲弾は同一条件下で何発か発射する場合は極めて精度が高く、例えば射程３０キロメートルにおいても公差は射程の数百分の１以内といわれている。このため目標の風上側で気球を展開すれば、ほぼ確実に目標を捕捉することが可能である。いま、視野角８°と仮定すると、地上から３００メートル上空からの画像データは半径２１メートル、５００メートル上空では半径３５メートルのデータが得られ、上空１０００メートルからは半径７０メートルのデータが得られる。これらの数値は静止目標に対しては十分と思われる。従つて、気球部２０もしくは前述のジョイント部に内蔵されたバルブ機構などに気球内部の水素ガスを放出する機構を設け、高度を徐々に低下させながら地上観測することも可能である。
【００６２】
しかし、移動目標に対してはこのような運用では目標を見失う可能性が高い。例えば、時速４０キロメートルで移動中の車両が半径７０メートルの円内を通過する時間は１２．６秒であり、この間の情報だけで移動中の車両の将来位置を予測することは困難である。このときは、気球に高度を変化させる装置を付設することが重要である。飛行船ではバロネットと呼ばれる空気室を設け、この小室の空気圧を変化させて浮力の調節を行っている。本実施例における気球部２０にも同様の機構を設けることが好ましいが、スペース上の制約を受けるため、前記空気室を付設することは難しい。これに代わるものとして、回転翼による高度変更装置が有効である。
【００６３】
いま、複数枚のブレードからなるロータを考える。ロータの回転面を一種の作動円盤と見なしたとき、円盤面積Ｓを単位時間に通過する空気の質量ｍは、空気密度をρ、空気の通過速度をＶとすると、ｍ＝ρＳＶなる式で与えられる。また、回転円盤の推力Ｔは円盤を通過する際に空気に与えられる速度の増分を２ｖとすると、Ｔ＝２ｍｖで与えられる。ここで、半径５センチメートルのブレードで毎秒５０センチメートルの空気を通過させると、推力Ｔは０．０１キログラム・メートル／秒２となる。ペイロードが約３キログラムなので、この推力により発生する加速度は３．４×１０-3メートル／秒2 となる。空気抵抗等を無視すれば、その加速度を用いれば、５００メートル上昇するために約３８５秒が必要である
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速飛翔体の代表的な砲弾構造例を模式的に示す縦断面図である。
【図２】前記高速飛翔体に内蔵される補助傘の開傘形態例を模式的に示す立体図である。
【図３】前記高速飛翔体に内蔵される補助傘と気球の連結構造例を模式的に示す説明図である。
【図４】前記気球の膨張前の形態例を示す正面図である。
【図５】同気球の膨張後の形態を示す正面図である。
【図６】高速飛翔体に内蔵される気球部、クラッチブレーキ、センサ部の構造例を示す断面図である。
【図７】前記気球部に接続される水素発生装置の内部構造例を模式的に示す構造説明図である。
【図８】水素ガス導入部と同ガス放出部との接合構造例を模式的に示す構造説明図である。
【図９】水素ガス導入部と同ガス放出部との切り離し後に作動するバルブ構造例を示す説明図である。
【図１０】同じく他のバルブ例を示す断面図である。
【図１１】本発明の高速飛翔体の他の実施例を模式的に示す外形図である。
【符号の説明】
１ 砲弾（高速飛翔体）
１ａ 弾頭
１ｂ 空洞部分
２ 安定翼
１０ 補助傘部
１０ａ 補助傘
１０ｂ 補助傘用カバー
１１ 逆円錐台部分
１１ａ 空気取入口
１２ ヒレ体
１３ ボルト
１４ ロックピン
１５ 圧縮バネ
２０ 気球部
２１ 気球収納ケース
２１ａ 抵抗翼
２２ 気球
２２ａ ガス導入部
３０ クラッチブレーキ部
３１ クラッチブレーキ
３２ ハウジング
３２ａ 円筒部
３２ｂ フランジ部
３３ 円筒部材
３３ａ 円筒部
３３ｂ フランジ部
３３ｃ フランジ
３４ 皿バネ
３５ 第１摺接摩擦板
３６ 第２摺接摩擦板
３７ ピン
３８ 円板
３８′ チェック弁
３９ ストッパ
４０ センサ部
５０ 水素発生源（水素発生装置）
５１ 外容器
５１ａ ガス放出部
５１ａ′ 端部フランジ
５２ 発熱剤層
５３ 水素吸蔵合金層
５４ 金属隔壁
５５ 火薬入りボルト
５６ カバー
Claims (3)
- 砲弾等の高速飛翔体がぺイロードを分離放出する機構を有し、
前記ぺイロードは、少なくとも折り畳まれて収納された気球と、同気球を膨張させる軽ガスの発生源と、同気球の膨張時期等を制御する制御部とを有してなり、前記ペイロードが所定の落下速度とスピン数に達した後、前記気球が放出され、その気球の放出後、気球と軽ガス発生源とのスピン数を同期させるためのクラッチブレーキ機構を有してなることを特徴とする高速飛翔体。 - 前記気球と軽ガス発生源とのスピン数が同期した後、前記軽ガス発生源から水素が気球に供給される請求項１記載の高速飛翔体。
- 所定の水素ガスが気球に供給後、軽ガス発生源を切り離す機構と、同気球のガス導入部を密封する機構を有してなる請求項２記載の高速飛翔体。
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