JP3963307B2 - モジュールの固定・分離・捕捉装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙用補給モジュールの宇宙輸送機への固定・分離・捕捉装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、宇宙における補給モジュールの運用を示す概念図である。この図に示すように、曝露パレット１と曝露カーゴ１ａからなる補給モジュールは、（１）ロケットの宇宙輸送機２（キャリア）に搭載して地上から打ち上げ、（２）宇宙ステーション３（ＩＳＳ）に接近し、（３）宇宙ステーション３に近接した状態で位置決め（バーシング）する。次いで、（４）補給モジュール１，１ａをキャリア２から取出し、（５）宇宙ステーション３のＪＥＭ曝露部３ａに取り付ける。その後、（６）曝露パレット１に取付けられた曝露カーゴ１ａの交換等を行った後、（７）補給モジュール１，１ａをＪＥＭ曝露部３ａから取り外し、（８）キャリア２内に挿入し、（９）宇宙ステーション３（ＩＳＳ）から離脱させ、（１０）補給モジュール１，１ａを地上に回収又は廃棄する。なお、この図において、２ａは曝露パレット１をハンドリングするためのロボットアームである。
【０００３】
図８は、曝露カーゴ１ａを曝露パレット１に取り付けた補給モジュールの全体斜視図である。この図に示すように、曝露パレット１は、全体がほぼ長方形の台座であり、その表面に複数の曝露カーゴ１ａがカーゴ取付機構で取付けられている。各曝露カーゴ１ａ及び曝露パレット１には、ＦＲＧＦと呼ぶロボットアーム２ａの把持部材４が取付けられ、ロボットアーム２ａによる移動ができるようになっている。また、曝露カーゴ１ａにはＰＩＵと呼ぶ雄連結部材と、これと嵌合するＥＦＵと呼ぶ雌連結部材とが設けられ、ＰＩＵとＥＦＵとの連結により、動力線及び信号線を連結できるようになっている。なお、曝露パレット１のＰＩＵは、宇宙輸送機２内の図示しないＥＦＵと連結する。
【０００４】
図９は、補給モジュールを格納した宇宙輸送機２（キャリア）の全体斜視図である。この図に示すように、中空円筒形のキャリア２の側面（図で右側）には開口部が設けられており、補給モジュールはこの開口部を通して図中に両矢印で示すようにキャリア２の軸線に垂直に出し入れできるようになっている。また、曝露パレット１を、好ましくは、図中にＢで示す４隅でキャリア２に固定し、打ち上げ時または回収／廃棄時の衝撃に耐えるようになっている。また、ロボットアーム２ａによる移動では、補給モジュールをキャリア２内に完全に押し込むことが困難となるため、途中から曝露パレット１を捕捉して定位置まで引き込むための装置が例えばＡで示す位置に必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したＢ点における着脱（固定と分離）、及びＡ点における捕捉と引き込みのために、従来は、主として火薬を用いた火工品やモータ等を用いた作動機構が提案されていた。しかし、火薬を用いた火工品、例えばロケットと衛星間の分離機構では、火薬の爆発により衝撃荷重が発生するため、宇宙輸送機２の姿勢変化や機器の損傷のおそれがあった。また、火工品の場合、衝撃的に作動するため、軌道上での捕捉・再固定のようなゆっくりとした作動には適用できない問題点があった。更に、モータ等を用いた作動機構では、軌道上での捕捉・結合のようなゆっくりとした作動には適用できるが、打ち上げ時の高Ｇに耐える固定はできない。また、モータ等を使用するため構造等が複雑となり、大型化、高コストとなる問題点があった。
【０００６】
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、（１）打ち上げ時に、補給モジュールを宇宙輸送機２（キャリア）にガタなく確実に固定して打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、（２）軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリア２から分離することができ、（３）ロボットアームによって補給モジュールを宇宙ステーション３に取り付け／取り外しができ、かつ使用後にキャリア２内に再挿入でき、（４）挿入された補給モジュールを捕捉して定位置まで引き込み、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定ができる、モジュールの固定・分離・捕捉装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、前記捕捉固定装置（１０）は、曝露パレット（１）に取付られた円柱状のトラニオン（１０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられたトラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）とからなり、トラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）は、トラニオンを定位置の手前で捕捉し定位置まで移動させる捕捉アーム（１２）と、該捕捉アームを定位置の手前から定位置まで旋回させて定位置で固定するトグル駆動装置（１４）と、捕捉アームの定位置側への旋回を拘束して捕捉アームを待機位置に保持するアーム保持装置（１６）と、捕捉位置と定位置のトラニオンを検出するトラニオン検出装置（１８）とを備え、前記捕捉アーム（１２）は、待機位置においてアーム保持装置（１６）に付勢する状態で接触しそのガタをなくす予圧機構（１３）を内蔵する、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、把持部材（４）をロボットアームで把持して曝露パレット（１）とこれに取付けられた曝露カーゴ（１ａ）を自由にハンドリングすることができる。また、捕捉固定装置（１０）により、把持部材を把持して曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込み、定位置で固定することができる。更に、複数（例えば４隅）の分離固定装置（２０）により、曝露パレットの複数で宇宙輸送機を固定し、軌道上で分離し、再突入前に再固定することができる。
【０００９】
【００１０】
また、トグル駆動装置（１４）で捕捉アーム（１２）を定位置の手前から定位置まで旋回させて、円柱状のトラニオン（１０ａ）を捕捉アーム（１２）で定位置の手前で捕捉して定位置まで移動させることができる。また、アーム保持装置（１６）により、打ち上げ時に捕捉アームを待機位置に保持することができる。更に、トラニオン検出装置（１８）により捕捉位置と定位置のトラニオンを検出して、トグル駆動装置（１４）の開始時点と終了時点を検出できる。
また、アーム保持装置（１６）と捕捉アーム（１２）との間の隙間（ガタ）をなくし、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができる。
【００１１】
前記トグル駆動装置（１４）は、トグルリンク機構（１４ａ）とこれを定位置の手前から定位置まで移動させる直動アクチュエータ（１４ｂ）からなる。この構成により、トグルリンク機構（１４ａ）で定位置の手前から定位置までの旋回時に作動力を高めることができ、かつ定位置においてオーバーセンターに設定することにより再突入時の高Ｇに駆動力なしで耐えることができる。
【００１２】
【００１３】
また、本発明によれば、中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、前記分離固定装置（２０）は、曝露パレット（１）に取付られた分離ユニット（２０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられた固定ユニット（２０ｂ）と、分離ユニット（２０ａ）と固定ユニット（２０ｂ）を連結する連結装置（２０ｃ）とからなり、分離ユニット（２０ａ）は、曝露パレットの挿入方向に垂直な垂直分離面（２１）とこれに平行な平行固定面（２２）とを有し、該垂直分離面と平行固定面には切頭円錐形の凹孔（２１ａ，２２ａ）が設けられており、固定ユニット（２０ｂ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と嵌合する切頭円錐形の突起部（２３ａ）を有する本体（２３）と、前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）と嵌合する切頭円錐形の突出部（２４ｂ）を有する突出部材（２４）と、前記突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持し、次いで突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）に嵌合させて固定する固定装置（２５）とを有し、連結装置（２０ｃ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に保持し、次いでこれを分離させるようになっている、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置が提供される。
【００１４】
この構成により、打ち上げ時には、連結装置（２０ｃ）により、垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができる。また、打ち上げ後の軌道上では、連結装置（２０ｃ）を分離させるだけで、熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。更に、固定装置（２５）により、突出部（２４ｂ）を凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持し、補給モジュールの使用後に、定位置まで引き込んだ曝露パレット（１）側の凹孔（２２ａ）に突出部（２４ｂ）を嵌合させて、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定することができる。
【００１５】
前記固定装置（２５）は、突出部材（２４）を嵌合方向に付勢する圧縮バネ（２５ａ）と、突出部（２４ｂ）を凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持する保持ピン（２５ｂ）と、該保持ピンを引き抜く直動アクチュエータ（２５ｃ）とからなる。この構成により、直動アクチュエータ（２５ｃ）で保持ピン（２５ｂ）を引き抜き、圧縮バネ（２５ａ）の付勢力で突出部材（２４）を嵌合方向に移動させて、定位置の曝露パレット（１）側の凹孔（２２ａ）に突出部（２４ｂ）を嵌合させることができる。
【００１６】
また、前記連結装置（２０ｃ）は、垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に連結するボルト（２６）と、該ボルトを緩めて分離させるボルト解除アクチュエータ（２７）とからなる。この構成により、ボルト解除アクチュエータ（２７）でボルト（２６）を緩めて分離させるだけで、熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。
【００１７】
更に、前記ボルト（２６）の分離を検出するボルト分離検出装置（２８）と、前記突出部（２３ａ）と凹孔（２２ａ）の嵌合を検出する嵌合検出装置（２９）とを備える。この構成により、ボルト（２６）の分離と、突出部（２４ｂ）と凹孔（２２ａ）の嵌合を検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の固定・分離・捕捉装置を備えた宇宙輸送機の断面図である。この図において、（Ａ）は補給モジュール１が宇宙輸送機２（キャリア）に完全に格納された状態を示し、（Ｂ）は補給モジュール１が格納位置から外側に位置している状態を示している。
【００１９】
図９に示したように、中空円筒形の宇宙輸送機２の側面に開口部が設けられており、曝露パレット１と曝露カーゴ１ａからなる補給モジュールをこの開口部を通して宇宙輸送機２の軸線に垂直に（この図では上方から下方に）挿入して補給モジュールを宇宙輸送機２に固定するようになっている。なお、キャリア２にはガイド２ｂが設けられており、パレット１に設けられた図示しないローラをガイドし、パレットの挿入・引抜きがスムースにできるようになっている。
【００２０】
本発明の固定・分離・捕捉装置は、ロボットアームの把持部材４、捕捉固定装置１０及び分離固定装置２０を備える。把持部材４は、曝露パレット１の一端面（この図で上端面）に取付けられ、図示しないロボットアームで把持して宇宙空間において、曝露パレット１とこれに固定された曝露カーゴ１ａを自由にハンドリングできるようになっている。従って、無重力状態において、ロボットアームにより、補給モジュール１，１ａをキャリア２から取出し、宇宙ステーション３のＪＥＭ曝露部３ａに取り付け、更に、補給モジュール１，１ａをＪＥＭ曝露部３ａから取り外し、キャリア２内に挿入することができる。
【００２１】
捕捉固定装置１０は、把持部材４の再挿入時の作用線上（一点鎖線で示す）に位置し、曝露パレット１を宇宙輸送機２側に引き込みかつ定位置で再固定する。捕捉固定装置１０は、この例では、曝露パレット１の中心部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、把持部材４の再挿入時の作用線上であれば、把持部材４側に設けても、逆側に設けてもよい。
【００２２】
複数（この例では４つ）の分離固定装置２０は、曝露パレット１の複数箇所（この例では４隅）に位置し曝露パレット１と宇宙輸送機２を分離可能に固定しかつ再固定できるようになっている。
【００２３】
図２は、本発明を構成する捕捉固定装置１０の構成図である。この図において、（Ａ）は作動前、（Ｂ）は作動後を示している。図１（Ｂ）及び図２に示すように、捕捉固定装置１０は、曝露パレット１に取付られた円柱状のトラニオン１０ａと、宇宙輸送機２に取付けられたトラニオン捕捉固定装置１０ｂとからなる。
【００２４】
図２において、トラニオン捕捉固定装置１０ｂは、トラニオン１０ａを定位置の手前で捕捉し定位置まで移動させる捕捉アーム１２と、捕捉アーム１２を定位置の手前から定位置まで旋回させて定位置で固定するトグル駆動装置１４と、捕捉アーム１２を待機位置に保持するアーム保持装置１６と、捕捉位置と定位置のトラニオン１０ａを検出するトラニオン検出装置１８とを備える。
【００２５】
トグル駆動装置１４は、トグルリンク機構１４ａとこれを定位置の手前から定位置まで移動させる直動アクチュエータ１４ｂからなる。直動アクチュエータ１４ｂは、この例ではパラフィンアクチュエータであり、ヒータで固体パラフィンを加熱して溶解させ、その熱膨張でトグルリンク機構１４ａを作動させるようになっている。なお、本発明はかかるパラフィンアクチュエータに限定されず、トグルリンク機構１４ａを（Ａ）の待機位置から（Ｂ）の固定位置まで移動させる電動又は液圧の直動シリンダであってもよい。またトグルリンク機構１４ａは、（Ｂ）の固定位置において、２枚のリンクが直線上またはそれよりオーバーセンターして位置し、再突入時の高Ｇに駆動力なしで保持できるようになっている。
【００２６】
アーム保持装置１６は、この例では、ストッパーピン１６ａを引き抜く作動をするパラフィンアクチュエータであり、このストッパーピン１６ａの突出により、作動前の捕捉アーム１２が打ち上げ時の振動等で作動側に移動しないように保持している。また、捕捉アーム１２は、アーム保持装置１６に付勢してそのガタをなくす予圧機構１３を内蔵している。この予圧機構１３は、ストッパーピン１６ａに付勢する圧縮バネを内蔵し、その付勢力でアーム保持装置１６（ストッパーピン１６ａ）と捕捉アーム１２との間の隙間（ガタ）をなくしている。
【００２７】
トラニオン検出装置１８は、トラニオン１０ａと当接して軸方向に移動する直動ロッド１９と、直動ロッド１９の移動位置を検出するリミットスイッチ１８ａ，１８ｂとからなり、トラニオン１０ａが定位置の手前（図で左側）に位置する捕捉位置と定位置とを検出するようになっている。
【００２８】
図３は、図２の捕捉固定装置１０の作動説明図である。この図において、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は捕捉位置検出状態、（Ｃ）はソフトドック状態、（Ｄ）は固定状態を示している。初期状態（Ａ）において、アーム保持装置１６のストッパーピン１６ａが突出しており、捕捉アーム１２が打ち上げ時の振動等で作動側に移動しないように保持している。また、予圧機構１３の圧縮バネの付勢力でストッパーピン１６ａと捕捉アーム１２との間の隙間（ガタ）をなくしている。この状態で打ち上げ時から、再突入前の補給モジュールのキャリア２内への再挿入時まで、そのまま保持される。
【００２９】
補給モジュールのキャリア２内への再挿入時には、図１（Ｂ）に示す状態まで、ロボットアームにより、補給モジュール１，１ａをキャリア２内に挿入する。次いで、更に挿入すると、（Ｂ）に示すように、トラニオン１０ａが定位置の手前の捕捉まで移動し、この位置がリミットスイッチ１８ａで検出される。この検出により、パラフィンアクチュエータ１６が作動しストッパーピン１６ａを引き抜く。
【００３０】
次いで、ソフトドック状態（Ｃ）のように、パラフィンアクチュエータ１４ｂが作動して、捕捉位置にあるトラニオン１０ａを捕捉アーム１２で挟持して捕捉し、更に、そのまま捕捉アーム１２が固定位置まで旋回して、固定状態（Ｄ）となり、リミットスイッチ１８ｂでこの位置が検出される。
【００３１】
図４は、本発明を構成する分離固定装置２０の構成図である。図１（Ｂ）及び図４に示すように、分離固定装置２０は、曝露パレット１に取付られた分離ユニット２０ａと、宇宙輸送機２に取付けられた固定ユニット２０ｂと、分離ユニット２０ａと固定ユニット２０ｂを連結する連結装置２０ｃとからなる。
【００３２】
図４において、分離ユニット２０ａは、曝露パレット１の挿入方向（図で左右方向）に垂直な垂直分離面２１とこれに平行な平行固定面２２とを有する。また、垂直分離面２１と平行固定面２２にはそれぞれ切頭円錐形の凹孔２１ａ，２２ａが設けられている。
【００３３】
また、固定ユニット２０ｂは、本体２３、突出部材２４及び固定装置２５を備える。本体２３は、垂直分離面２１の凹孔２１ａと嵌合する切頭円錐形の突起部２３ａを有する。また、突出部材２４は、平行固定面２２の凹孔２２ａと嵌合する切頭円錐形の突起部２４ｂを有する。
【００３４】
固定装置２５は、突出部材２４を嵌合方向に付勢する圧縮バネ２５ａと、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持する保持ピン２５ｂと、保持ピン２５ｂを引き抜く直動アクチュエータ２５ｃとからなる。直動アクチュエータ２５ｃは、この例ではパラフィンアクチュエータであるが、電動又は液圧の直動シリンダであってもよい。この構成により、直動アクチュエータ２５ｃの作動前は、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持し、次いで必要な時に直動アクチュエータ２５ｃで保持ピン２５ｂを引き抜き突出部２４ｂを凹孔２２ａに嵌合させて固定するようになっている。
【００３５】
連結装置２０ｃは、垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に連結するボルト２６と、ボルト２６を緩めて分離させるボルト解除アクチュエータ２７とからなる。この図では、ボルト２６が緩んだ状態を示している。なお、ボルト解除アクチュエータ２７は、形状記憶合金の加熱により、形状記憶合金が元の形状に戻る作動でボルト２６を緩む方向に回転駆動するボルトリトラクタであるのがよい。この構成により、連結装置２０ｃにより、打ち上げ時に垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、かつ軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。
【００３６】
図４において、固定ユニット２０ｂは、更に、ボルト２６の分離を検出するボルト分離検出装置２８と、突出部２４ｂと凹孔２２ａの嵌合を検出する嵌合検出装置２９を備える。ボルト分離検出装置２８は、本体２３に圧縮バネ２８ａで離脱方向（図で右方向）に付勢された移動板２８ｂと、この移動板２８ｂの離脱方向への移動を検出するリミットスイッチ２８ｃとからなる。移動板２８ｂには、ボルト解除アクチュエータ２７の一方が固定されており、ボルト２６が緩んだ状態で圧縮バネ２８ａの付勢力で移動板２８ｂが離脱方向へ移動し、リミットスイッチ２８ｃでこれを検出するようになっている。また、嵌合検出装置２９は、突出部２３ａの突出を直接検出するリミットスイッチからなる。
【００３７】
図５は、図４の分離固定装置２０の分離・引抜時の作動説明図である。この図において、（Ａ）は打上時、（Ｂ）は分離時、（Ｃ）は引抜時を示している。なお、各図において、上図は平面図、下図は連結装置２０ｃの断面図である。打上時から軌道上での分離・引抜までの工程において、上述した固定装置２５は、突出部２４ｂが凹孔２２ａから外れた状態で保持され、全く作動せず、連結装置２０ｃのみが作動する。打上時（Ａ）には、曝露パレット１に取付られた分離ユニット２０ａと、宇宙輸送機２に取付けられた固定ユニット２０ｂとを連結装置２０ｃで連結し、垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えるようになっている。打上後の軌道上において、分離時（Ｂ）には、ボルト解除アクチュエータ２７によりボルト２６を緩めて分離ユニット２０ａと固定ユニット２０ｂを分離させる。また、この状態で圧縮バネ２８ａの付勢力で移動板２８ｂが離脱方向へ移動し、リミットスイッチ２８ｃでこれを検出する。この検出により、ロボットアームにより、曝露パレット１をキャリア２から更に引き抜き、キャリア２から完全に取り出すことができる。
【００３８】
図６は、図４の分離固定装置２０の引込・固定時の作動説明図である。この図において、（Ａ）は捕捉・引込時、（Ｂ）は引込完了時、（Ｃ）は固定時を示している。なお、各図において、上図は平面図、下図は連結装置２０ｃの断面図である。軌道上での捕捉・引込から固定後の再突入までの工程において、連結装置２０ｃは、図５（Ｂ）（Ｃ）に示した分離状態を保持され、全く作動せず、固定装置２５のみが作動する。軌道上での捕捉・引込時（Ａ）までは、保持ピン２５ｂの突出により、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持している。次いで、引込完了時（Ｂ）に直動アクチュエータ２５ｃで保持ピン２５ｂを引き抜き、そのまま突出部２４ｂを凹孔２２ａに嵌合させて固定（Ｃ）する。
【００３９】
上述したように、本発明のモジュールの固定・分離・捕捉装置は、以下の特徴を有する。
（１）打ち上げ時の固定機構として、テーパを持つ凸型部品と凹型部品を組み合わせた分離固定装置２０を補給モジュール（パレット）の４隅に配置した。
（２）軌道上捕捉機構として、パラフィンアクチュエータ１４ｂにより駆動されるトグルリンク機構１４ａから構成される捕捉固定装置１０をキャリアの中央に配置し、ロボットア−ムによって位置決めされた補給モジュール（パレット）のトラニオン１０ａを捕捉し、引き込めるようにした。また、捕捉可能状態、捕捉完了状態をリミットスイッチで検出できるようにした。更に、パラフィンアクチュエータ１６と予圧機構１３により、打ち上げ時にリンク機構１４ａを保持できるようにした。
（３）軌道上での再固定機構として、ピン２４をスプリング２５ａにより穴に打ち込む機構を採用した。スプリングピン２４はパラフィンアクチュエータ２５ｃ（ＰｉｎＰｕｌｌｅｒ）により保持され、（２）の捕捉完了後にパラフィンアクチュエータが駆動され、保持が解除されることにより、穴に打ち込まれる。
（４）打ち上げ時の固定機構２７と軌道上での固定機構２５を一体化した。
【００４０】
この構成により、以下の効果が得られる。
（１）凸型部品、凹型部品の組合せにより、補給モジュール（パレット）と輸送機（キャリア）の各軸方向の自由度を確実に固定できるとともに、分離時には軌道上で熱変形があっても確実に分離できる。また、分離時の衝撃荷重も低減される。
（２）パラフィンアクチュエータとリンク機構から構成される捕捉機構により、ロボットアームの位置決め誤差や抵抗荷重があっても、確実に補給モジュール（パレット）側のトラニオンを捕捉・引き込みできる。また、全体をコンパクトにすることができる。
（３）捕捉可能状態、捕捉完了状態の検出ができるため、ロボットアームとの協調動作により、確実な捕捉が可能となる。
（４）トグルリンク機構の採用により、大きな固定保持力を発生できる。捕捉完了時は、オーバーセンター状態となるため、外力が加わっても、捕捉用アームが逆駆動されず、捕捉状態を確実に維持できる。
（５）予圧機構とパラフィンアクチュエータにより、打ち上げ時の振動環境で、軌道上捕捉機構が損傷／劣化することを防止できる。
（６）軌道上固定機構として、ピンを打ち込むことにより、簡易な機構で確実に固定できる。また、ピン保持陽にパラフィンアクチュエータ（ＰｉｎＰｕｌｌｅｒ）を採用したことにより全体をコンパクトにすることができる。
（７）打ち上げ時固定機構と軌道上固定機構を統合化することにより、軌道上固定時に、凸型部品と凹型部品が再び嵌まり込み、横方向の自由度を拘束できるとともに、全体をコンパクトにすることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように、本発明のモジュールの固定・分離・捕捉装置は、（１）打ち上げ時に、補給モジュールを宇宙輸送機２（キャリア）にガタなく確実に固定して打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、（２）軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリア２から分離することができ、（３）ロボットアームによって補給モジュールを宇宙ステーション３に取り付け／取り外しができ、かつ使用後にキャリア２内に再挿入でき、（４）挿入された補給モジュールを捕捉して定位置まで引き込み、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固定・分離・捕捉装置を備えた宇宙輸送機の断面図である。
【図２】 本発明を構成する捕捉固定装置の構成図である。
【図３】 図２の捕捉固定装置の作動説明図である。
【図４】 本発明を構成する分離固定装置の構成図である。
【図５】 図４の分離固定装置の分離・引抜時の作動説明図である。
【図６】 図４の分離固定装置の引込・固定時の作動説明図である。
【図７】 宇宙における補給モジュールの運用を示す概念図である。
【図８】 補給モジュールの全体斜視図である。
【図９】 補給モジュールを格納した宇宙輸送機の全体斜視図である。
【符号の説明】
１ 曝露パレット、１ａ 曝露カーゴ、２ 宇宙輸送機（キャリア）、２ａ ロボットアーム、３ 宇宙ステーション（ＩＳＳ）、４ 把持部材、１０ 捕捉固定装置、１０ａ トラニオン、１０ｂ トラニオン捕捉固定装置、１２ 捕捉アーム、１３ 予圧機構、１４ トグル駆動装置、１４ａ トグルリンク機構、１４ｂ 直動アクチュエータ、１６ アーム保持装置、１８ トラニオン検出装置、２０ 分離固定装置、２０ａ 分離ユニット、２０ｂ 固定ユニット、２０ｃ 連結装置、２１ 垂直分離面、２１ａ，２２ａ 凹孔、２２ 平行固定面、２３ａ 突起部、２３ 本体、２４ 突出部材、２４ｂ 突出部、２５ 固定装置、２５ａ 圧縮バネ、２５ｂ 保持ピン、２５ｃ 直動アクチュエータ、２６ ボルト、２７ ボルト解除アクチュエータ、２８ ボルト分離検出装置、２９ 嵌合検出装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙用補給モジュールの宇宙輸送機への固定・分離・捕捉装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、宇宙における補給モジュールの運用を示す概念図である。この図に示すように、曝露パレット１と曝露カーゴ１ａからなる補給モジュールは、（１）ロケットの宇宙輸送機２（キャリア）に搭載して地上から打ち上げ、（２）宇宙ステーション３（ＩＳＳ）に接近し、（３）宇宙ステーション３に近接した状態で位置決め（バーシング）する。次いで、（４）補給モジュール１，１ａをキャリア２から取出し、（５）宇宙ステーション３のＪＥＭ曝露部３ａに取り付ける。その後、（６）曝露パレット１に取付けられた曝露カーゴ１ａの交換等を行った後、（７）補給モジュール１，１ａをＪＥＭ曝露部３ａから取り外し、（８）キャリア２内に挿入し、（９）宇宙ステーション３（ＩＳＳ）から離脱させ、（１０）補給モジュール１，１ａを地上に回収又は廃棄する。なお、この図において、２ａは曝露パレット１をハンドリングするためのロボットアームである。
【０００３】
図８は、曝露カーゴ１ａを曝露パレット１に取り付けた補給モジュールの全体斜視図である。この図に示すように、曝露パレット１は、全体がほぼ長方形の台座であり、その表面に複数の曝露カーゴ１ａがカーゴ取付機構で取付けられている。各曝露カーゴ１ａ及び曝露パレット１には、ＦＲＧＦと呼ぶロボットアーム２ａの把持部材４が取付けられ、ロボットアーム２ａによる移動ができるようになっている。また、曝露カーゴ１ａにはＰＩＵと呼ぶ雄連結部材と、これと嵌合するＥＦＵと呼ぶ雌連結部材とが設けられ、ＰＩＵとＥＦＵとの連結により、動力線及び信号線を連結できるようになっている。なお、曝露パレット１のＰＩＵは、宇宙輸送機２内の図示しないＥＦＵと連結する。
【０００４】
図９は、補給モジュールを格納した宇宙輸送機２（キャリア）の全体斜視図である。この図に示すように、中空円筒形のキャリア２の側面（図で右側）には開口部が設けられており、補給モジュールはこの開口部を通して図中に両矢印で示すようにキャリア２の軸線に垂直に出し入れできるようになっている。また、曝露パレット１を、好ましくは、図中にＢで示す４隅でキャリア２に固定し、打ち上げ時または回収／廃棄時の衝撃に耐えるようになっている。また、ロボットアーム２ａによる移動では、補給モジュールをキャリア２内に完全に押し込むことが困難となるため、途中から曝露パレット１を捕捉して定位置まで引き込むための装置が例えばＡで示す位置に必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したＢ点における着脱（固定と分離）、及びＡ点における捕捉と引き込みのために、従来は、主として火薬を用いた火工品やモータ等を用いた作動機構が提案されていた。しかし、火薬を用いた火工品、例えばロケットと衛星間の分離機構では、火薬の爆発により衝撃荷重が発生するため、宇宙輸送機２の姿勢変化や機器の損傷のおそれがあった。また、火工品の場合、衝撃的に作動するため、軌道上での捕捉・再固定のようなゆっくりとした作動には適用できない問題点があった。更に、モータ等を用いた作動機構では、軌道上での捕捉・結合のようなゆっくりとした作動には適用できるが、打ち上げ時の高Ｇに耐える固定はできない。また、モータ等を使用するため構造等が複雑となり、大型化、高コストとなる問題点があった。
【０００６】
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、（１）打ち上げ時に、補給モジュールを宇宙輸送機２（キャリア）にガタなく確実に固定して打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、（２）軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリア２から分離することができ、（３）ロボットアームによって補給モジュールを宇宙ステーション３に取り付け／取り外しができ、かつ使用後にキャリア２内に再挿入でき、（４）挿入された補給モジュールを捕捉して定位置まで引き込み、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定ができる、モジュールの固定・分離・捕捉装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、前記捕捉固定装置（１０）は、曝露パレット（１）に取付られた円柱状のトラニオン（１０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられたトラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）とからなり、トラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）は、トラニオンを定位置の手前で捕捉し定位置まで移動させる捕捉アーム（１２）と、該捕捉アームを定位置の手前から定位置まで旋回させて定位置で固定するトグル駆動装置（１４）と、捕捉アームの定位置側への旋回を拘束して捕捉アームを待機位置に保持するアーム保持装置（１６）と、捕捉位置と定位置のトラニオンを検出するトラニオン検出装置（１８）とを備え、前記捕捉アーム（１２）は、待機位置においてアーム保持装置（１６）に付勢する状態で接触しそのガタをなくす予圧機構（１３）を内蔵する、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置が提供される。
【０００８】
上記本発明の構成によれば、把持部材（４）をロボットアームで把持して曝露パレット（１）とこれに取付けられた曝露カーゴ（１ａ）を自由にハンドリングすることができる。また、捕捉固定装置（１０）により、把持部材を把持して曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込み、定位置で固定することができる。更に、複数（例えば４隅）の分離固定装置（２０）により、曝露パレットの複数で宇宙輸送機を固定し、軌道上で分離し、再突入前に再固定することができる。
【０００９】
【００１０】
また、トグル駆動装置（１４）で捕捉アーム（１２）を定位置の手前から定位置まで旋回させて、円柱状のトラニオン（１０ａ）を捕捉アーム（１２）で定位置の手前で捕捉して定位置まで移動させることができる。また、アーム保持装置（１６）により、打ち上げ時に捕捉アームを待機位置に保持することができる。更に、トラニオン検出装置（１８）により捕捉位置と定位置のトラニオンを検出して、トグル駆動装置（１４）の開始時点と終了時点を検出できる。
また、アーム保持装置（１６）と捕捉アーム（１２）との間の隙間（ガタ）をなくし、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができる。
【００１１】
前記トグル駆動装置（１４）は、トグルリンク機構（１４ａ）とこれを定位置の手前から定位置まで移動させる直動アクチュエータ（１４ｂ）からなる。この構成により、トグルリンク機構（１４ａ）で定位置の手前から定位置までの旋回時に作動力を高めることができ、かつ定位置においてオーバーセンターに設定することにより再突入時の高Ｇに駆動力なしで耐えることができる。
【００１２】
【００１３】
また、本発明によれば、中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、前記分離固定装置（２０）は、曝露パレット（１）に取付られた分離ユニット（２０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられた固定ユニット（２０ｂ）と、分離ユニット（２０ａ）と固定ユニット（２０ｂ）を連結する連結装置（２０ｃ）とからなり、分離ユニット（２０ａ）は、曝露パレットの挿入方向に垂直な垂直分離面（２１）とこれに平行な平行固定面（２２）とを有し、該垂直分離面と平行固定面には切頭円錐形の凹孔（２１ａ，２２ａ）が設けられており、固定ユニット（２０ｂ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と嵌合する切頭円錐形の突起部（２３ａ）を有する本体（２３）と、前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）と嵌合する切頭円錐形の突出部（２４ｂ）を有する突出部材（２４）と、前記突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持し、次いで突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）に嵌合させて固定する固定装置（２５）とを有し、連結装置（２０ｃ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に保持し、次いでこれを分離させるようになっている、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置が提供される。
【００１４】
この構成により、打ち上げ時には、連結装置（２０ｃ）により、垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができる。また、打ち上げ後の軌道上では、連結装置（２０ｃ）を分離させるだけで、熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。更に、固定装置（２５）により、突出部（２４ｂ）を凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持し、補給モジュールの使用後に、定位置まで引き込んだ曝露パレット（１）側の凹孔（２２ａ）に突出部（２４ｂ）を嵌合させて、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定することができる。
【００１５】
前記固定装置（２５）は、突出部材（２４）を嵌合方向に付勢する圧縮バネ（２５ａ）と、突出部（２４ｂ）を凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持する保持ピン（２５ｂ）と、該保持ピンを引き抜く直動アクチュエータ（２５ｃ）とからなる。この構成により、直動アクチュエータ（２５ｃ）で保持ピン（２５ｂ）を引き抜き、圧縮バネ（２５ａ）の付勢力で突出部材（２４）を嵌合方向に移動させて、定位置の曝露パレット（１）側の凹孔（２２ａ）に突出部（２４ｂ）を嵌合させることができる。
【００１６】
また、前記連結装置（２０ｃ）は、垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に連結するボルト（２６）と、該ボルトを緩めて分離させるボルト解除アクチュエータ（２７）とからなる。この構成により、ボルト解除アクチュエータ（２７）でボルト（２６）を緩めて分離させるだけで、熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。
【００１７】
更に、前記ボルト（２６）の分離を検出するボルト分離検出装置（２８）と、前記突出部（２３ａ）と凹孔（２２ａ）の嵌合を検出する嵌合検出装置（２９）とを備える。この構成により、ボルト（２６）の分離と、突出部（２４ｂ）と凹孔（２２ａ）の嵌合を検出することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の固定・分離・捕捉装置を備えた宇宙輸送機の断面図である。この図において、（Ａ）は補給モジュール１が宇宙輸送機２（キャリア）に完全に格納された状態を示し、（Ｂ）は補給モジュール１が格納位置から外側に位置している状態を示している。
【００１９】
図９に示したように、中空円筒形の宇宙輸送機２の側面に開口部が設けられており、曝露パレット１と曝露カーゴ１ａからなる補給モジュールをこの開口部を通して宇宙輸送機２の軸線に垂直に（この図では上方から下方に）挿入して補給モジュールを宇宙輸送機２に固定するようになっている。なお、キャリア２にはガイド２ｂが設けられており、パレット１に設けられた図示しないローラをガイドし、パレットの挿入・引抜きがスムースにできるようになっている。
【００２０】
本発明の固定・分離・捕捉装置は、ロボットアームの把持部材４、捕捉固定装置１０及び分離固定装置２０を備える。把持部材４は、曝露パレット１の一端面（この図で上端面）に取付けられ、図示しないロボットアームで把持して宇宙空間において、曝露パレット１とこれに固定された曝露カーゴ１ａを自由にハンドリングできるようになっている。従って、無重力状態において、ロボットアームにより、補給モジュール１，１ａをキャリア２から取出し、宇宙ステーション３のＪＥＭ曝露部３ａに取り付け、更に、補給モジュール１，１ａをＪＥＭ曝露部３ａから取り外し、キャリア２内に挿入することができる。
【００２１】
捕捉固定装置１０は、把持部材４の再挿入時の作用線上（一点鎖線で示す）に位置し、曝露パレット１を宇宙輸送機２側に引き込みかつ定位置で再固定する。捕捉固定装置１０は、この例では、曝露パレット１の中心部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、把持部材４の再挿入時の作用線上であれば、把持部材４側に設けても、逆側に設けてもよい。
【００２２】
複数（この例では４つ）の分離固定装置２０は、曝露パレット１の複数箇所（この例では４隅）に位置し曝露パレット１と宇宙輸送機２を分離可能に固定しかつ再固定できるようになっている。
【００２３】
図２は、本発明を構成する捕捉固定装置１０の構成図である。この図において、（Ａ）は作動前、（Ｂ）は作動後を示している。図１（Ｂ）及び図２に示すように、捕捉固定装置１０は、曝露パレット１に取付られた円柱状のトラニオン１０ａと、宇宙輸送機２に取付けられたトラニオン捕捉固定装置１０ｂとからなる。
【００２４】
図２において、トラニオン捕捉固定装置１０ｂは、トラニオン１０ａを定位置の手前で捕捉し定位置まで移動させる捕捉アーム１２と、捕捉アーム１２を定位置の手前から定位置まで旋回させて定位置で固定するトグル駆動装置１４と、捕捉アーム１２を待機位置に保持するアーム保持装置１６と、捕捉位置と定位置のトラニオン１０ａを検出するトラニオン検出装置１８とを備える。
【００２５】
トグル駆動装置１４は、トグルリンク機構１４ａとこれを定位置の手前から定位置まで移動させる直動アクチュエータ１４ｂからなる。直動アクチュエータ１４ｂは、この例ではパラフィンアクチュエータであり、ヒータで固体パラフィンを加熱して溶解させ、その熱膨張でトグルリンク機構１４ａを作動させるようになっている。なお、本発明はかかるパラフィンアクチュエータに限定されず、トグルリンク機構１４ａを（Ａ）の待機位置から（Ｂ）の固定位置まで移動させる電動又は液圧の直動シリンダであってもよい。またトグルリンク機構１４ａは、（Ｂ）の固定位置において、２枚のリンクが直線上またはそれよりオーバーセンターして位置し、再突入時の高Ｇに駆動力なしで保持できるようになっている。
【００２６】
アーム保持装置１６は、この例では、ストッパーピン１６ａを引き抜く作動をするパラフィンアクチュエータであり、このストッパーピン１６ａの突出により、作動前の捕捉アーム１２が打ち上げ時の振動等で作動側に移動しないように保持している。また、捕捉アーム１２は、アーム保持装置１６に付勢してそのガタをなくす予圧機構１３を内蔵している。この予圧機構１３は、ストッパーピン１６ａに付勢する圧縮バネを内蔵し、その付勢力でアーム保持装置１６（ストッパーピン１６ａ）と捕捉アーム１２との間の隙間（ガタ）をなくしている。
【００２７】
トラニオン検出装置１８は、トラニオン１０ａと当接して軸方向に移動する直動ロッド１９と、直動ロッド１９の移動位置を検出するリミットスイッチ１８ａ，１８ｂとからなり、トラニオン１０ａが定位置の手前（図で左側）に位置する捕捉位置と定位置とを検出するようになっている。
【００２８】
図３は、図２の捕捉固定装置１０の作動説明図である。この図において、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）は捕捉位置検出状態、（Ｃ）はソフトドック状態、（Ｄ）は固定状態を示している。初期状態（Ａ）において、アーム保持装置１６のストッパーピン１６ａが突出しており、捕捉アーム１２が打ち上げ時の振動等で作動側に移動しないように保持している。また、予圧機構１３の圧縮バネの付勢力でストッパーピン１６ａと捕捉アーム１２との間の隙間（ガタ）をなくしている。この状態で打ち上げ時から、再突入前の補給モジュールのキャリア２内への再挿入時まで、そのまま保持される。
【００２９】
補給モジュールのキャリア２内への再挿入時には、図１（Ｂ）に示す状態まで、ロボットアームにより、補給モジュール１，１ａをキャリア２内に挿入する。次いで、更に挿入すると、（Ｂ）に示すように、トラニオン１０ａが定位置の手前の捕捉まで移動し、この位置がリミットスイッチ１８ａで検出される。この検出により、パラフィンアクチュエータ１６が作動しストッパーピン１６ａを引き抜く。
【００３０】
次いで、ソフトドック状態（Ｃ）のように、パラフィンアクチュエータ１４ｂが作動して、捕捉位置にあるトラニオン１０ａを捕捉アーム１２で挟持して捕捉し、更に、そのまま捕捉アーム１２が固定位置まで旋回して、固定状態（Ｄ）となり、リミットスイッチ１８ｂでこの位置が検出される。
【００３１】
図４は、本発明を構成する分離固定装置２０の構成図である。図１（Ｂ）及び図４に示すように、分離固定装置２０は、曝露パレット１に取付られた分離ユニット２０ａと、宇宙輸送機２に取付けられた固定ユニット２０ｂと、分離ユニット２０ａと固定ユニット２０ｂを連結する連結装置２０ｃとからなる。
【００３２】
図４において、分離ユニット２０ａは、曝露パレット１の挿入方向（図で左右方向）に垂直な垂直分離面２１とこれに平行な平行固定面２２とを有する。また、垂直分離面２１と平行固定面２２にはそれぞれ切頭円錐形の凹孔２１ａ，２２ａが設けられている。
【００３３】
また、固定ユニット２０ｂは、本体２３、突出部材２４及び固定装置２５を備える。本体２３は、垂直分離面２１の凹孔２１ａと嵌合する切頭円錐形の突起部２３ａを有する。また、突出部材２４は、平行固定面２２の凹孔２２ａと嵌合する切頭円錐形の突起部２４ｂを有する。
【００３４】
固定装置２５は、突出部材２４を嵌合方向に付勢する圧縮バネ２５ａと、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持する保持ピン２５ｂと、保持ピン２５ｂを引き抜く直動アクチュエータ２５ｃとからなる。直動アクチュエータ２５ｃは、この例ではパラフィンアクチュエータであるが、電動又は液圧の直動シリンダであってもよい。この構成により、直動アクチュエータ２５ｃの作動前は、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持し、次いで必要な時に直動アクチュエータ２５ｃで保持ピン２５ｂを引き抜き突出部２４ｂを凹孔２２ａに嵌合させて固定するようになっている。
【００３５】
連結装置２０ｃは、垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に連結するボルト２６と、ボルト２６を緩めて分離させるボルト解除アクチュエータ２７とからなる。この図では、ボルト２６が緩んだ状態を示している。なお、ボルト解除アクチュエータ２７は、形状記憶合金の加熱により、形状記憶合金が元の形状に戻る作動でボルト２６を緩む方向に回転駆動するボルトリトラクタであるのがよい。この構成により、連結装置２０ｃにより、打ち上げ時に垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、かつ軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリアから分離することができる。
【００３６】
図４において、固定ユニット２０ｂは、更に、ボルト２６の分離を検出するボルト分離検出装置２８と、突出部２４ｂと凹孔２２ａの嵌合を検出する嵌合検出装置２９を備える。ボルト分離検出装置２８は、本体２３に圧縮バネ２８ａで離脱方向（図で右方向）に付勢された移動板２８ｂと、この移動板２８ｂの離脱方向への移動を検出するリミットスイッチ２８ｃとからなる。移動板２８ｂには、ボルト解除アクチュエータ２７の一方が固定されており、ボルト２６が緩んだ状態で圧縮バネ２８ａの付勢力で移動板２８ｂが離脱方向へ移動し、リミットスイッチ２８ｃでこれを検出するようになっている。また、嵌合検出装置２９は、突出部２３ａの突出を直接検出するリミットスイッチからなる。
【００３７】
図５は、図４の分離固定装置２０の分離・引抜時の作動説明図である。この図において、（Ａ）は打上時、（Ｂ）は分離時、（Ｃ）は引抜時を示している。なお、各図において、上図は平面図、下図は連結装置２０ｃの断面図である。打上時から軌道上での分離・引抜までの工程において、上述した固定装置２５は、突出部２４ｂが凹孔２２ａから外れた状態で保持され、全く作動せず、連結装置２０ｃのみが作動する。打上時（Ａ）には、曝露パレット１に取付られた分離ユニット２０ａと、宇宙輸送機２に取付けられた固定ユニット２０ｂとを連結装置２０ｃで連結し、垂直分離面２１の凹孔２１ａと本体２３の突起部２３ａを嵌合した状態に保持して、打ち上げ時の高Ｇに耐えるようになっている。打上後の軌道上において、分離時（Ｂ）には、ボルト解除アクチュエータ２７によりボルト２６を緩めて分離ユニット２０ａと固定ユニット２０ｂを分離させる。また、この状態で圧縮バネ２８ａの付勢力で移動板２８ｂが離脱方向へ移動し、リミットスイッチ２８ｃでこれを検出する。この検出により、ロボットアームにより、曝露パレット１をキャリア２から更に引き抜き、キャリア２から完全に取り出すことができる。
【００３８】
図６は、図４の分離固定装置２０の引込・固定時の作動説明図である。この図において、（Ａ）は捕捉・引込時、（Ｂ）は引込完了時、（Ｃ）は固定時を示している。なお、各図において、上図は平面図、下図は連結装置２０ｃの断面図である。軌道上での捕捉・引込から固定後の再突入までの工程において、連結装置２０ｃは、図５（Ｂ）（Ｃ）に示した分離状態を保持され、全く作動せず、固定装置２５のみが作動する。軌道上での捕捉・引込時（Ａ）までは、保持ピン２５ｂの突出により、突出部２４ｂを凹孔２２ａから外れた状態に保持している。次いで、引込完了時（Ｂ）に直動アクチュエータ２５ｃで保持ピン２５ｂを引き抜き、そのまま突出部２４ｂを凹孔２２ａに嵌合させて固定（Ｃ）する。
【００３９】
上述したように、本発明のモジュールの固定・分離・捕捉装置は、以下の特徴を有する。
（１）打ち上げ時の固定機構として、テーパを持つ凸型部品と凹型部品を組み合わせた分離固定装置２０を補給モジュール（パレット）の４隅に配置した。
（２）軌道上捕捉機構として、パラフィンアクチュエータ１４ｂにより駆動されるトグルリンク機構１４ａから構成される捕捉固定装置１０をキャリアの中央に配置し、ロボットア−ムによって位置決めされた補給モジュール（パレット）のトラニオン１０ａを捕捉し、引き込めるようにした。また、捕捉可能状態、捕捉完了状態をリミットスイッチで検出できるようにした。更に、パラフィンアクチュエータ１６と予圧機構１３により、打ち上げ時にリンク機構１４ａを保持できるようにした。
（３）軌道上での再固定機構として、ピン２４をスプリング２５ａにより穴に打ち込む機構を採用した。スプリングピン２４はパラフィンアクチュエータ２５ｃ（ＰｉｎＰｕｌｌｅｒ）により保持され、（２）の捕捉完了後にパラフィンアクチュエータが駆動され、保持が解除されることにより、穴に打ち込まれる。
（４）打ち上げ時の固定機構２７と軌道上での固定機構２５を一体化した。
【００４０】
この構成により、以下の効果が得られる。
（１）凸型部品、凹型部品の組合せにより、補給モジュール（パレット）と輸送機（キャリア）の各軸方向の自由度を確実に固定できるとともに、分離時には軌道上で熱変形があっても確実に分離できる。また、分離時の衝撃荷重も低減される。
（２）パラフィンアクチュエータとリンク機構から構成される捕捉機構により、ロボットアームの位置決め誤差や抵抗荷重があっても、確実に補給モジュール（パレット）側のトラニオンを捕捉・引き込みできる。また、全体をコンパクトにすることができる。
（３）捕捉可能状態、捕捉完了状態の検出ができるため、ロボットアームとの協調動作により、確実な捕捉が可能となる。
（４）トグルリンク機構の採用により、大きな固定保持力を発生できる。捕捉完了時は、オーバーセンター状態となるため、外力が加わっても、捕捉用アームが逆駆動されず、捕捉状態を確実に維持できる。
（５）予圧機構とパラフィンアクチュエータにより、打ち上げ時の振動環境で、軌道上捕捉機構が損傷／劣化することを防止できる。
（６）軌道上固定機構として、ピンを打ち込むことにより、簡易な機構で確実に固定できる。また、ピン保持陽にパラフィンアクチュエータ（ＰｉｎＰｕｌｌｅｒ）を採用したことにより全体をコンパクトにすることができる。
（７）打ち上げ時固定機構と軌道上固定機構を統合化することにより、軌道上固定時に、凸型部品と凹型部品が再び嵌まり込み、横方向の自由度を拘束できるとともに、全体をコンパクトにすることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように、本発明のモジュールの固定・分離・捕捉装置は、（１）打ち上げ時に、補給モジュールを宇宙輸送機２（キャリア）にガタなく確実に固定して打ち上げ時の高Ｇに耐えることができ、（２）軌道上で熱変形があっても確実に補給モジュールをキャリア２から分離することができ、（３）ロボットアームによって補給モジュールを宇宙ステーション３に取り付け／取り外しができ、かつ使用後にキャリア２内に再挿入でき、（４）挿入された補給モジュールを捕捉して定位置まで引き込み、再突入時の高Ｇに耐えるように確実に再固定ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の固定・分離・捕捉装置を備えた宇宙輸送機の断面図である。
【図２】 本発明を構成する捕捉固定装置の構成図である。
【図３】 図２の捕捉固定装置の作動説明図である。
【図４】 本発明を構成する分離固定装置の構成図である。
【図５】 図４の分離固定装置の分離・引抜時の作動説明図である。
【図６】 図４の分離固定装置の引込・固定時の作動説明図である。
【図７】 宇宙における補給モジュールの運用を示す概念図である。
【図８】 補給モジュールの全体斜視図である。
【図９】 補給モジュールを格納した宇宙輸送機の全体斜視図である。
【符号の説明】
１ 曝露パレット、１ａ 曝露カーゴ、２ 宇宙輸送機（キャリア）、２ａ ロボットアーム、３ 宇宙ステーション（ＩＳＳ）、４ 把持部材、１０ 捕捉固定装置、１０ａ トラニオン、１０ｂ トラニオン捕捉固定装置、１２ 捕捉アーム、１３ 予圧機構、１４ トグル駆動装置、１４ａ トグルリンク機構、１４ｂ 直動アクチュエータ、１６ アーム保持装置、１８ トラニオン検出装置、２０ 分離固定装置、２０ａ 分離ユニット、２０ｂ 固定ユニット、２０ｃ 連結装置、２１ 垂直分離面、２１ａ，２２ａ 凹孔、２２ 平行固定面、２３ａ 突起部、２３ 本体、２４ 突出部材、２４ｂ 突出部、２５ 固定装置、２５ａ 圧縮バネ、２５ｂ 保持ピン、２５ｃ 直動アクチュエータ、２６ ボルト、２７ ボルト解除アクチュエータ、２８ ボルト分離検出装置、２９ 嵌合検出装置
Claims (6)
- 中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、
曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、
前記捕捉固定装置（１０）は、曝露パレット（１）に取付られた円柱状のトラニオン（１０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられたトラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）とからなり、
トラニオン捕捉固定装置（１０ｂ）は、トラニオンを定位置の手前で捕捉し定位置まで移動させる捕捉アーム（１２）と、該捕捉アームを定位置の手前から定位置まで旋回させて定位置で固定するトグル駆動装置（１４）と、捕捉アームの定位置側への旋回を拘束して捕捉アームを待機位置に保持するアーム保持装置（１６）と、捕捉位置と定位置のトラニオンを検出するトラニオン検出装置（１８）とを備え、
前記捕捉アーム（１２）は、待機位置においてアーム保持装置（１６）に付勢する状態で接触しそのガタをなくす予圧機構（１３）を内蔵する、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置。 - 前記トグル駆動装置（１４）は、トグルリンク機構（１４ａ）とこれを定位置の手前から定位置まで移動させる直動アクチュエータ（１４ｂ）からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の固定・分離・捕捉装置。
- 中空円筒形の宇宙輸送機（２）の側面に開口部が設けられており、曝露パレット（１）と曝露カーゴ（１ａ）からなる補給モジュールを前記開口部を通して宇宙輸送機の軸線に垂直に挿入して補給モジュールを宇宙輸送機に固定し、宇宙空間でこれを分離し、かつ再挿入時にこれを捕捉し再固定するためのモジュールの固定・分離・捕捉装置において、
曝露パレット（１）の一端面に取付けられた把持部材（４）と、曝露パレットを宇宙輸送機側に引き込みかつ定位置で固定する捕捉固定装置（１０）と、曝露パレットの複数箇所に位置し曝露パレットと宇宙輸送機を分離可能に固定しかつ再固定可能な複数の分離固定装置（２０）と、を備え、
前記分離固定装置（２０）は、曝露パレット（１）に取付られた分離ユニット（２０ａ）と、宇宙輸送機に取付けられた固定ユニット（２０ｂ）と、分離ユニット（２０ａ）と固定ユニット（２０ｂ）を連結する連結装置（２０ｃ）とからなり、分離ユニット（２０ａ）は、曝露パレットの挿入方向に垂直な垂直分離面（２１）とこれに平行な平行固定面（２２）とを有し、該垂直分離面と平行固定面には切頭円錐形の凹孔（２１ａ，２２ａ）が設けられており、
固定ユニット（２０ｂ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と嵌合する切頭円錐形の突起部（２３ａ）を有する本体（２３）と、前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）と嵌合する切頭円錐形の突出部（２４ｂ）を有する突出部材（２４）と、前記突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持し、次いで突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）に嵌合させて固定する固定装置（２５）とを有し、
連結装置（２０ｃ）は、前記垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に保持し、次いでこれを分離させるようになっている、ことを特徴とするモジュールの固定・分離・捕捉装置。 - 前記固定装置（２５）は、突出部材（２４）を嵌合方向に付勢する圧縮バネ（２５ａ）と、突出部（２４ｂ）を前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）から外れた状態に保持する保持ピン（２５ｂ）と、該保持ピンを引き抜く直動アクチュエータ（２５ｃ）とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載の固定・分離・捕捉装置。
- 前記連結装置（２０ｃ）は、垂直分離面（２１）の凹孔（２１ａ）と本体（２３）の突起部（２３ａ）を嵌合した状態に連結するボルト（２６）と、該ボルトを緩めて分離させるボルト解除アクチュエータ（２７）とからなる、ことを特徴とする請求項４に記載の固定・分離・捕捉装置。
- 前記ボルト（２６）の分離を検出するボルト分離検出装置（２８）と、前記突出部（２４ｂ）と前記平行固定面（２２）の凹孔（２２ａ）の嵌合を検出する嵌合検出装置（２９）とを備える、ことを特徴とする請求項５に記載の固定・分離・捕捉装置。
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