JP3861116B2 - フレーム構造体及びフレーム構造体を構成する構造ユニット - Google Patents

Description

本発明は、輸送時にはコンパクトな形状に変形・収納し、組立て時には容易に展開して組み立てることができる構造ユニット及びこれを組み立てたフレーム構造体であって、特に宇宙空間への輸送及び宇宙空間における組立てに好適な構造ユニット及びこれを組み立てたフレーム構造体に関する。

従来、宇宙空間で利用される長大なマスト状の展開構造体として、大型の構造体では国際宇宙ステーションのトラスセグメント、各種観測センサや太陽電池を取り付けるための伸展マスト、深宇宙探査機の太陽発電用アンテナの支持トラス等が製作或いは設計検討されている。このようなものの中には、フレームを構成するトラス構造体をスペースシャトルで運搬可能なサイズに分割し、宇宙空間での組立て作業を軽減するようにしたものがある（提案例１）。また、棒状構造材とワイヤを組み合わせてトラス状マストを形成するものでは（提案例２）、ワイヤを強く引っ張って構造体全体の剛性を高め、ワイヤを緩めてコンパクトに収納することが提案されている。さらにまた、長くて柔軟な袋を気体などで膨らませてマストを形成し、これを何らかの方法で凝固させて構造体として利用するインフレータブル技術も検討されている（提案例３）。

しかしながら、上記提案例１では、構造体の軽量化に伴い容量／重量比が増加することにより、通常、収納容量に制限のあるロケットやスペースシャトルによる輸送効率は低下する。そして、長大なマストを構成しようとすると、軌道上での組立て作業の増加が不可避となる。上記提案例２については、ワイヤの張力に依存して構造体全体の剛性を高めようとしても限界があり、通常の方法では、大型化に伴って構造体全体の柔軟化に対する配慮が不可欠となる。さらに規模が大きくなり、形状も複雑になると、これらの展開動作は極めて複雑になり、動作の信頼性が低下する。また、上記提案例３では、大型宇宙構造体を軽量で廉価に作成することが可能になると予想されているが、形成される形状のばらつきが大きかったり、充分な剛性が得られなかったりするため、インフレータブル技術を有効に活用できる分野が限られる。

しかしながら、大規模の宇宙構造体を必要とする多目的宇宙ステーションや宇宙太陽発電プラットフォーム等の建設においては、可能な限り軽量で且つ軌道上に効率的に輸送可能な形態を有する構造体であることが望まれる。また、通常の場合、宇宙構造体はその軌道と姿勢の制御が必要であることから、相応の剛性と強度を伴う構造でなければならない。さらに、軌道上での建設作業が複雑なために、宇宙飛行士による船外活動や高度な建設作業ロボットが必要になると、そのことによって建設費用が大幅に増大する。

特許第３３７０９６０号 特許第３３７３４６１号

上述の如く、軽量且つ高剛性の大規模宇宙構造体を建設する効果的な機構技術を見いだすことは困難であった。また、高度な作業ロボットを駆使することによって自動的に宇宙構造体を建設することが可能になったとしても、宇宙インフラストラクチャの維持と運用に要する経費の高騰を招くだけでなく、建設に要する時間を軽減することに避けがたい限界が生まれる。

以上の観点から、軽量且つ高剛性の大型宇宙構造体を限られた期間内で建設するためには、その主要な構造部材となる長大なマストを軽量且つ高剛性に構成すると共に、輸送時にはこれをコンパクトに収納し、軌道上ではこれを簡便に展開して、ロボットやマニピュレータを用いて簡便に組み立てることのできる技術・方法が必要となる。

従って、本発明の解決しようとする課題の要点は、収納・展開・組立てが容易であり、且つ最も単純な構造からなる構造ユニットと、これを連結して形成されるフレーム構造体を提案することである。

本発明に係る構造ユニットは、三つの棒材が同一平面上で互いに１２０度の角度を隔てて中央から放射状に延びるよう連結されてなる本体部と、前記各棒材の先端に設けられた、他の二つの構造ユニットに属する二つの棒材と互いに１２０度の角度を隔てて連結できる第一連結機構と、前記三つの棒材のうち少なくとも一つに設けられた、当該棒材の軸方向と前記同一平面の法線方向とを含む平面内で、当該棒材を曲折することができる関節機構とを具備する。

この構造ユニットにおいて、前記本体部の中央に、前記三つの棒状部材が互いに１２０度の角度を隔てて放射状に延びるよう連結する第二連結機構を設け、当該第二連結機構によって、前記三つの棒状部材をほぼ平行に折り畳むことができるようにすることが望ましい。

本発明に係るフレーム構造体は、上記の構造ユニットを、前記関節機構を曲折しない状態でハニカム状に複数連結して平面状にメッシュ構造を形成するか、或いは、前記関節機構を含む棒材が互いに平行になるようハニカム状に複数連結してメッシュ構造を形成し、当該平行な棒材の関節機構を曲折することによって円筒形に形成することによって構成される。

本発明の構造ユニットは、その本体部が、三つの棒材が同一平面上で互いに１２０度の角度を隔てて中央から放射状に延びるよう連結されたいわゆる三ツ矢型であり、また各棒材は第一連結機構を含めて同一のものから構成されるため、全体としてきわめて単純な構造とすることができる。さらに、上記のような第二連結機構を設けることによって、輸送時には、三つの棒状部材をほぼ平行に折り畳み、構造ユニットをコンパクト収容し、建設時にはって容易に三ツ矢型に展開することが可能になるので、宇宙輸送の効率化が図られる。

本発明のフレーム構造体は、前記構造ユニットを連結するだけで形成されるので、例えば宇宙における建設作業の単純化、省力化が図られる。また、構造ユニットを任意の数だけ連結することによって、長大なフレーム構造体とすることができる。しかも、前記構造ユニットを連結すると正六角形を基本ユニットとするハニカム構造になるので、柔構造となり、外力に対してある程度柔軟に変形して外力を吸収できるという利点が得られる。

かかるフレーム構造体によって、宇宙空間に長大なマストやチューブのフレームとなる構造体を容易に組み立てることが可能になる。さらに、棒材の中央に設けられた関節機構の関節角を変更することにより、平板状から曲面状のフレーム構造体に変更可能であり、さらに両端を連結すれば、円筒状のフレーム構造体を構成することが可能となる。

以下に添付図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。以下では説明を簡潔にするために、三ツ矢型の構造ユニットを構成する三つの棒材すべてに関節機構が設けられている場合について述べる。ただし、特許請求の範囲の記載から明らかなように、棒材のすべて又は一部に間接機構が設けられていない構造ユニットも、本発明の技術的範囲に含まれる。

図１及び図２は、両端に連結機構を備え、中央に関節機構を備えた棒材の一例を示している。棒材１０は、連結機構１３を備えた第１棒材部１１と、連結機構１４を備えた第２棒材部１２と、両棒材部１１、１２を一軸自由で繋ぐ関節機構１５からなる。関節機構１５は、図２に例示するように、棒材１０を中央で所定の角度に曲折し、その曲折角を固定して維持する機能を有する。連結機構１３は、特許請求の範囲に記載した「第一連結機構」の一実施形態であり、連結機構１４及び一対の蝶番１６は、特許請求の範囲に記載した「第二連結機構」の一実施形態である。

図３、図４及び図５は、構造ユニットに設けられている連結機構１４及び一対の蝶番１６の機能を示した図である。

図３は、構造ユニットを構成する三本の棒材１０が概ね平行となるように折り畳んだ状態（蝶番の連結角が約５度）を示している。構造ユニットを輸送する場合は、このように構造ユニットをコンパクトに折り畳むことによって、収容スペースを削減することができる。図４は、棒材を展開する途中の状態（蝶番の連結角が約１１０度）を示している。

図５は、三つの棒材の展開を完了し（蝶番の連結角が１２０度）、両端の蝶番が連結されて三ツ矢型の構造ユニット２０が形成された状態を示している。蝶番を連結固定する機構には既存の一般的な技術を適用できるので、ここではその説明を省略する。なお、以下では、曲折角を０度とした構造ユニットにおいて、各棒材と平行な方向を「棒材方向」という。したがって、一つの構造ユニットには、三つの棒材方向が含まれる。

図６、図７及び図８は、三ツ矢型の構造ユニット２０を８個、規則的に一列に連結した構造チェーン３０を示している。構造チェーン３０を構成する構造ユニットの数は、４以上の任意の偶数である。以下、この数を周囲数Ｎと呼ぶ。

図６は、すべての関節機構の曲折角が０度の場合であり、すべての構造チェーン３０は同一平面上に配置される。図７は、構造ユニットの連結方向（列方向）と平行な棒材方向において、各棒材の関節機構を１５度程度に曲折した場合である。これを側面から見ると、構造チェーン３０は概ね１２０度の円弧をなしている。図８は、列方向の各棒材の関節機構を４５度に曲折した場合であり、構造チェーン３０の両端は連結されて円環状になる。このように構造チェーンを円環状にする場合には、上記の関節機構の角度を３６０度のＮ分の１に設定する。

図９は、図６の構造チェーン３０を、４個並列に連結して形成される構造シート４０を示している。連結される構造チェーンの数は、２以上の任意の数である。以下、この数を段数Ｍと呼ぶ。形成される構造シートの面積は、前述の周囲数Ｎ及び段数Ｍに比例する。

図１０は、段数を図９の４から６に増やし、さらに上段及び下段の突出した棒材３１に対し棒材１０と同じ補強棒材３２を連結配置して、六角形を形成するように構造的に補強した構造シート４０を例示している。

図１１及び図１２は、図１０に示した構造シート４０において、一つの棒材方向と平行なすべての棒材の曲折角を変更することにより、構造シート４０が曲面状のフレーム構造体を形成した状態を示している。図１１は関節機構の曲折角を２０度とした場合であり、これを円環形成条件である４５度（＝３６０／Ｎ度）にすることにより、構造シート４０は、図１２に示すような円筒状のフレーム構造体を形成する。

図１３は、図１２のフレーム構造体を測方から見たときの状態を示している。このフレーム構造体の周囲は、すべて同一のハニカム形状のメッシュ構造を形成することとなり、均一な構造特性を持つフレーム構造体を実現することができる。

本実施形態に係るフレーム構造構造体における各関節機構の曲折角についてまとめると、以下のようになる。構造ユニットを連結して平板状のフレーム構造体を形成する場合は、すべての関節機構の曲折角は０度とする。円筒形の周表面またはその一部を形成する曲面状のフレーム構造体を形成する場合は、一つの棒材方向と平行な各棒材の関節機構の曲折角を０度以外の特定の角度に設定し、それ以外の棒材方向と平行な棒材の関節機構の曲折角は０度とする。円筒の周囲がＮ個の構造ユニットによって形成される場合、曲折される関節機構の曲折角は、３６０／Ｎ度に設定する。

以上の説明から明らかなように、本発明は、輸送時には構造ユニットをコンパクトな形状に変形・収納し、組立て時にはこれを容易に展開してフレーム構造体を組み立てることができるので、例えば、宇宙空間で利用される長大なマスト状の展開構造体、大型の構造体では国際宇宙ステーションのトラスセグメント、各種観測センサや太陽電池を取り付けるための伸展マスト、深宇宙探査機の太陽発電用アンテナの支持トラス等に利用することができる。

本発明の一実施形態の構造ユニットを構成する棒材の斜視図である。 本発明の一実施形態の構造ユニットを構成する棒材であって、その関節機構によって曲折させた状態を示した斜視図である。 本発明の一実施形態の構造ユニットを、収納に便利なように折り畳んだ状態（蝶番連結角５度）の示した斜視図である。 本発明の一実施形態の構造ユニットの各棒材を展開する途中の状態（蝶番の連結角が約１１０度）を示した斜視図である。 本発明の一実施形態の構造ユニットを展開した状態（蝶番連結角１２０度）を示した斜視図である。 ８個の構造ユニットを連結して構造チェーンを形成した状態を示した斜視図である。 関節機構の曲折角を１５度として、概ね１２０度の円弧を成した構造チェーンを示す斜視図である。 関節機構の曲折角を４５度として円環にした構造チェーンの斜視図である。 関節機構の曲折角を０度にした構造チェーンを４個連結して形成した構造シートの斜視図である。 関節機構の曲折角を０度にした構造チェーンを６個連結し、且つ周辺部を補強棒材で整形した構造シートの斜視図である。 図１０の構造シートにおいて関節機構の曲折角を２０度にして形成されたフレーム構造体の斜視図である。 図１０の構造シートにおいて関節機構の曲折角を４５度にして形成された円筒状のフレーム構造体の斜視図である。 図１２の側面から見た側面図である。

符号の説明

１０ 棒材
１１ 第１棒材部
１２ 第２棒材部
１３ 連結機構
１４ 連結機構
１５ 関節機構
１６ 蝶番
２０ 構造ユニット
３０ 構造チェーン
３１ 突出した棒材
３２ 補強棒材
４０ 構造シート（フレーム構造体）

Claims (3)

1. フレーム構造体を組み立てるための構成部品となる構造ユニットであって、
   三つの棒材が同一平面上で互いに１２０度の角度を隔てて中央から放射状に延びるよう連結されてなる本体部と、
   前記各棒材の先端に設けられた、他の二つの構造ユニットに属する二つの棒材と互いに１２０度の角度を隔てて連結できる第一連結機構と、
   前記三つの棒材のうち少なくとも一つの棒材のほぼ中央に設けられた、当該棒材の軸方向と前記同一平面の法線方向とを含む平面内で、当該棒材を曲折することができる関節機構とを具備し、
   さらに、前記本体部の中央には、前記三つの棒材が互いに１２０度の角度を隔てて放射状に延びるよう連結する第二連結機構が設けられ、当該第二連結機構は、前記三つの棒材を同一平面内で回動させてほぼ平行に折り畳むことができるようにされていることを特徴とする構造ユニット。
2. 請求項１に記載した複数の構造ユニットを、前記関節機構を曲折しない状態でハニカム状に連結して平面状にメッシュ構造を形成したことを特徴とするフレーム構造体。
3. 請求項１に記載した複数の構造ユニットを、前記関節機構を含む棒材が互いに平行になるようハニカム状に連結してメッシュ構造を形成し、当該平行な棒材の関節機構を曲折することによって円筒形にしたことを特徴とするフレーム構造体。

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