JP4169132B2 - 低地球軌道にペイロードを打ち上げるための装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は衛星のようなペイロードを低地球軌道に乗せるために使用する航行体に関する。この新規な航行体は、ターボファンエンジンを推力とする航空機、ラムジェットを推力とする航空宇宙航行体及びペイロードを軌道に乗せるためのロケットブースターを含む３段を使用する。
背景技術
現在、地球軌道にペイロードを打ち上げるために幾つかの方法が使用されている。これらの方法には、フランスのアリアン、ロシアのプロトン、中国の長征及び米国の様々なロケットのように、ロケットを推力とする航行体が含まれる。更に、米国のスペースシャトルがあるが、これもロケットを推力とするシステムである。スペースシャトル以外のロケットを推力とする航行体は、信頼性の程度に変化があるか又は信頼性に欠ける。また、このような航行体は、ペイロードを軌道に打ち上げるためにそれぞれ組み立てられる必要があり、高価となる傾向がある。
米国のスペースシャトルの場合、以前に打ち上げられたときには、打ち上げ用の航行体が信頼性あるものであることが証明された。しかしながら、打ち上げのための準備工程は、時間がかかり、高価である。スペースシャトルはまた、打ち上げ費用を低減するために、幾つかの再使用可能な要素を使用する。これらの再使用可能な要素を再整備するのは高価であることが明らかとなった。スペースシャトルの作業場の一部は、打ち上げ作業のための高価な設備を含むが、これは唯一つの場所、フロリダに設けられている。
これらのシステムの全ては、固体又は液体の推進剤の貯蔵が必要なロケットを使用し、この推進剤は燃料及び酸化剤を含み、大気中より入手可能な酸素を利用しない。軌道速度を達成するために多量の推進剤の消費を要する。例えば、スペースシャトルは、ペイロードとして、打ち上げ総重量の２％以下を運搬する。従って、残り重量の大部分は推進剤と構造体である。スペースシャトルのようなロケットは、エンジンの燃焼中に毎秒数トンの推進剤を使用する。ロケットエンジンでは、典型的には、推進剤を高圧にて供給する必要があり、これはターボ機械類の価格、複雑性及び信頼性に直接衝撃を与える。
これらのロケットシステムの大部分は、大きな重いペイロードを放出するように設計されていた。これらのロケットシステムは、ペイロードを軌道に打ち上げるために使用されるとき、大きな重い衛星を静止軌道を含む高地球軌道に乗せるために使用されることができる。しかしながら、上述のように、現在使用されているシステムに固有な高価格及び信頼性の問題は、大きな寸法の空間を使用することを妨げている。
他の方法は、米国特許第４２６５４１６号の背景技術の説明にて例示として提案されており、１９８１年５月５日に付与された米国特許第４２６５４１６号及び他の特許、例えば、１９８９年２月７日に付与された米国特許第４８０２６３９号及び１９９５年４月４日に付与された米国特許第５４０２９６５号によって開示されている。これらの特許では、ペイロードを軌道に乗せるための補助手段である第１段として水平離陸する運搬用航空機を使用する。このような試案では、ターボファンエンジンは、航行体の飛行の一部として使用され、それによって大気の使用が可能となり、搭載しなければならない酸化剤の重量が減少する。しかしながら、米国特許第４２６５４１６号及び第４８０２６３９号の場合、第１段のブースター段階の運搬又は補助航行体及び軌道航行体のために広範囲の設計が必要となる。これらは、実行可能性及び運転価格の両者に関する技術的リスクを含む従来に無い要素である。ある例では、ラムジェットエンジンの使用が提案されている。しかしこの技術を、上述の打ち上げ技術に適用するには未だ確証されていない技術を開発する必要がある。
米国特許第５４０２９６５号の場合には、既に実証されている運搬用補助航行体の使用が開示されている。このシステムは第１段の補助段階として既に実証されている航空機を使用する。大気圏段階を含む次の飛行段階に対して、多段ロケットの推力による航行体が開示されている。これも、ロケットが自身の酸化剤を装備しなければならない点で、上述の非効率性を有する。この開示例より、ペイロード用航行体又は再飛行航行体は商用航空機の主翼の下に装着された多段ロケットの端部上に装着されるべきであるように見える。このシステムは非回収的なロケット補助推力段を使用する。
本発明は、ペイロードを軌道に打ち上げるために３段の航行体を使用する。この航行体は宇宙空間にて実験を行うための２又は３段目の航行体として使用されてよい。この航行体は、適当な空気力学的航行体と作動高度範囲に亘る各段のための推力源を使用する。ロッキードＣ−５、アントノフＡＮ−１２４のようなターボファンを推力とする従来の航空機が、水平離陸及び初期の補助段階のために使用される。これは、第２及び第３段の輸送のための修正を伴うが、これはリスクが少ない現存の技術を使用する。
ターボファン型航空機の主翼の下に担持されたこの第２段は、航空宇宙航行体であり、これは噴射ラムジェットの推力による段である。航空宇宙航行体はターボファン型航空機より落下し、大気圏外の高度まで飛行する。この時点で、航行体は、例えば、宇宙空間での実験を行うために宇宙空間環境内にて使用されてよい。もし、衛星を低地球軌道に乗せる必要がある場合には、この航空宇宙航行体は、そのカーゴベイにペイロードを搭載したロケットブースターを搭載する。ロケットブースターは航空宇宙航行体より放出され、衛星のようなペイロードを軌道に乗せることを補助する。
これらの全ての段は、回収可能且つ再使用可能である。航空宇宙航行体は、航空機と同様に通常の滑走路に着陸するために帰還する。ロケットブースターは、そのペイロードを放出し、軌道より逸れる。大気圏内まで降下すると、パラシュートが開き、ロケットブースターはその後回収用航空機によって回収される。最初の２段はエンジンを使用するが、エンジンは燃料酸化剤の代わりに大気を使用するから、航行体の重量を軽減させる。それによって、既知のロケット推進航行体と比較して性能に多大の改善が得られる。
発明の開示
本発明の第１の目的は、ペイロードを低地球軌道に打ち上げるためのリスクが最小の技術システムを提供することである。更に本発明の目的は、地球上の様々な場所にて、様々な天候条件でも、衛星を打ち上げることができる打ち上げ装置を提供することである。更に他の目的は、打ち上げシステムにおいて、燃料酸化剤の代わりに大気の使用を最大化することである。更に他の目的は、軌道に乗せるときに航行体によって誘発されるペイロードに加わる応力を最小化し、比較的より柔軟な搭載を可能とすることである。他の目的は、特定の軌道上の欠陥がある単一の衛星を置き換えるための柔軟な能力を提供することである。他の目的は、全ての段が通常再使用可能であり、しかも次の打ち上げまでの維持費が少ない打ち上げ装置を提供することである。更に他の目的は、打ち上げ場所として、現存の飛行場を利用することができる打ち上げ装置を提供することである。
ここに提示された記述に従って、記述及び図面を参照すれば、本発明の他の目的が明らかとなろう。
本発明を実施するための最良の形態
軌道打ち上げ装置は、水平離陸及び低地球軌道までの飛行の３段の航行体である。この装置は、噴射ラムジェット航空宇宙航行体を搭載したターボファン型航空機を含み、航空宇宙航行体はペイロードを軌道に乗せるためのブースターロケットを搭載する。ターボファン推進型航空機は十分な長さを有する通常の滑走路より離陸してよい。ターボファン型航空機は、通常の打ち上げ作業のための装備、設備、燃料等を使用する。離陸の後、ターボファン型航空機は通常３５，０００フィート（１１ｋｍ）の高度まで上昇し、ペイロードを適当な軌道に乗せるために都合がよい位置まで飛行する。その位置及び適当な高度になると、この第１段は他の段を放出する。放出された段は安全に降下し第１段から離れる。
第２段の噴射ラムジェット航空宇宙航行体は、大気中を上昇し加速する。航空宇宙航行体が大気圏外まで上昇すると、ラムジェットは停止され、第２段は第３段の放出の準備のためにより高い高度まで惰性飛行を続ける。航空宇宙航行体のカーゴベイのドアが開かれ、典型的な低地球軌道衛星の場合、通常３００，０００フィート（９１．５ｋｍ）の高度にて、第３段のブースターロケットが放出される。ペイロード９を搭載したブースターロケット５は、（図示しない）スリング及びスリングウィンチ又は他の適当な手段を使用してカーゴベイ６より放出されてよい。ブースターロケットは高度１，６５０，０００フィート（５０３ｋｍ）まで上昇し、毎秒約２５，０００フィート（７．６ｋｍ）の速度まで加速する。
回収のために、航空宇宙航行体は帰還飛行し、飛行場に水平に着陸する。ブースターロケットは、軌道より逸れ、パラシュートを展開し、パラシュート降下回収装置を有する航空機によって回収される。第１段として使用されるターボファン型航空機はこのような回収のために使用されてよいが、第２の航空機が使用されてよい。第１段のターボファン型航空機は飛行場に着陸するために帰還飛行をする。
第１図を参照して説明する。軌道打ち上げ装置１の基本的な動作概念及び要素が描かれている。ロッキードＣ−５又はアントノフＡＮ−１２４のような十分な容量を有するターボファン型航空機２が、打ち上げの準備のために、その主翼４の下に、航空宇宙航行体３を搭載する。ブースターロケット５及びペイロード９が、カーゴベイ６内にある。航空宇宙航行体３の好ましい装着位置は、エンジン及びパイロンを除去した後の、機体側のターボファン型エンジンの装着部である。航空宇宙航行体用のパイロン８は航空宇宙航行体３を運搬するために使用される。
第２図から第４図を参照する。航空宇宙航行体３は、ターボファン型航空機２の離着陸中に、ターボファン型航空機２のロール、積み荷による構造的撓み又は着陸装置上のタイヤの扁平化等の好ましくない条件下でも、大地との間に十分な間隙が提供されるように寸法的な設計がなされる。ターボファン型航空機２は、ミッション管制塔センタ及びモニターステーション（図示なし）を有し、それらは、航空宇宙航行体用のパイロン８を経由して、航空宇宙航行体３、ブースターロケット５及びペイロード９と通信するためのインターフェースを有する。航空宇宙航行体３の尾翼１０及び主翼１１は、ターボファン型航空機２との間に間隙ができるように、設計される。
第５図及び第６図を参照して説明する。ターボファン型航空機２は第３段のブースターロケット５の回収用航行体として機能するように、その寸法が設計される。第５図に示されているように、ターボファン型航空機２には、パラシュート降下回収装置１２が装備されており、これはフルトン式回収装置がその周知の例である。展開されたパラシュート回収装置１３によって制御されながら、ブースターロケット５が大気圏中を降下すると、ターボファン型航空機２は、その頭部１６の捕獲ヨーク１５によって上部のパラシュート吊り上げワイヤ１４を捕獲する。引きずっているブースターロケット５は下部の吊り上げワイヤのパラシュート１７に取付られる。次に、回収可能なケーブル１９が、ウィンチのワイヤの留め金１８によって、上部のパラシュート吊り上げワイヤ１４の残部に取付られ、膨らんだパラシュート５９は切断され、回収可能なケーブル１９が巻き取られ、ブースターロケット５はターボファン型航空機２のカーゴベイの後部の出入り口２０に運び込まれる。そこでブースターロケット５は、ウィンチ２２によってターボファン型航空機２のカーゴベイ２１内に引っ張り込まれる。
第７図は航空宇宙航行体３の斜視図であり、内部の構成が見えるように機体フレームの一部は想像線によって描かれている。第８図及び第９図は、それぞれ航空宇宙航行体３の分割平面図及び底面図と正面図である。機体２３は最小抗力型機体であり、前部２４はカーゴベイ６の周りに設計された推進効率を得るための７度の低い前部５８を有する。主翼１１のスパンは、ターボファン型航空機２による運搬条件のために制限され、ブースターロケット５を軌道に乗せるために高速度にて急上昇することができるような寸法となっている。主翼１１は、加速中に姿勢偏奇が最小となるように配置されている。方向転換のための適当な寸法の昇降舵（エレボン）３３が設けられている。後部２５は尖頭形をなしており、そこに垂直尾翼１０及びエンジン室３１が装着されている。垂直尾翼１０には方向舵３４が装着されている。
噴射ラムジェットエンジン２７のためのナセル入口２９の位置は、中間部３７の下である。ナセルの平坦な流線型構造３０は後方へ、後部２５とエンジン室３１の間にて、尾翼端部２６及びエンジン排気ノズル３２まで続いている。主翼１１の下には、空気液化ナセル入口２８及び空気液化ナセル５７がある。
航空宇宙航行体３は、ブースターロケット５及びペイロード９を搭載しても、その重心が、航空宇宙航行体３が空の時の重心に略一致するように、設計されている。このように設計することによって、ペイロード９を搭載したブースターロケット５がカーゴベイのドア３５を経由して放出されても航空宇宙航行体３の重心の移動が最小化される。航空宇宙航行体３は、適当な位置に装着された引っ込み可能な着陸装置を有しており、それは、後部２５の両側にそれぞれ設けられた中間部着陸装置３６と頭部の着陸装置３８とである。
前部の燃料タンク３９と後部の燃料タンク４０が設けられている。様々な形式のペイロード９を収容するために、カーゴベイ２６に交換可能な形式の燃料タンク４２が使用されてよい。頭部先端４３と主翼先端４１は姿勢制御ロケット４４と位置制御用燃料タンク４５を有する。後部２５は、また空気液化装置４６を収容する。
第１０図及び第１１図はペイロード９を搭載した再使用可能なブースターロケット５を示す。この組み合わせは次に、カーゴベイ６に配置され、その後に、航空宇宙航行体３はターボファン型航空機２に取付られる。ブースターロケット５は、ロケットのエンジン４９に燃料を供給するための液体水素タンク４７と液体酸素タンク４８を有する。燃料タンク圧力装置５０は適当な位置に配置され且つタンク４７，４８に接続されている。ブースターロケット５は、大気圏に再突入する間にロケットのエンジン４９を保護するために、ロケットエンジン用の展開可能な再突入用カバー５１を有する。このロケットエンジン用再突入用カバー５１は、構成要素を保護するために熱を遮断することができるような材料より製造され、再突入の間に航行体を安定化させることができるような形状に製造される。また、姿勢制御装置５３が設けられている。パラシュート回収装置１３はロケットのエンジン４９と反対側の端部に装着されている。低地球軌道に衛星を打ち上げる場合、長さ３５０インチ（８．９ｍ）、直径１３０インチ（３．３ｍ）、総重量約３０，０００ポンド（１３．６トン）のブースターロケット５は、４５０秒の比衝撃にて３１，０００ポンド（１４トン）の推力を提供するように、その寸法が決められる。航空宇宙航行体３より適当な位置にて放出されることによって、ブースターロケット５は、１，７６０ポンド（７９８ｋｇ）の衛星を１，６５０，０００フィート（５０３ｋｍ）の円形極軌道に乗せることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は軌道打ち上げ装置の作動段を示す。第２図はターボファン型航空機の側面図である。第３図はターボファン型航空機の前面図である。第４図はターボファン型航空機の平面図である。第５図は展開したパラシュート回収装置とターボファン型航空機によってロケットブースターが捕獲されたことを示す図である。第６図はターボファン型航空機のカーゴ領域の切開図である。第７図は、航空宇宙航行体の内部を示すために航空宇宙航行体を部分的に破線によって示す図である。第８図は、航空宇宙航行体を長軸方向の中心線に沿って分割した上面及び底面図である。第９図は航空宇宙航行体の側面図である。第１０図はブースターロケットの側面切開図である。第１１図はブースターロケットの端面図である。符号の説明
１…軌道打ち上げ装置、２…ターボファン型航空機、３…航空宇宙航行体、４…主翼、５…ブースターロケット、６…カーゴベイ（貨物室）、７…エンジン装着部、８…パイロン、９…ペイロード、１０…尾翼、１１…主翼、１２…パラシュート降下回収装置、１３…パラシュート回収装置、１４…上部パラシュート吊り上げワイヤ、１５…捕獲ヨーク、１６…頭部、１７…下部吊り上げワイヤパラシュート、１８…留め金、１９…回収ケーブル、２０…後部アクセス、２１…カーゴベイ、２２…ウィンチ、２３…機体、２４…前部、２５…後部、２６…尾翼端部、２７…噴射ラムジェットエンジン、２８…空気液化室入口、２９…ナセル入口、３０…流線型構造、３１…エンジン室（ナセル）、３２…エンジン排気ノズル、３３…昇降舵（エレボン）、３４…方向舵、３５…カーゴベイのドア、３６…中間部着陸装置、３７…中間部、３８…前部着陸装置、３９，４０ 燃料タンク、４１…主翼先端部、４２…燃料タンク、４３…頭部、４４…姿勢制御装置、４５…燃料タンク、４６…空気液化装置、４７，４８…タンク、４９…ロケットエンジン、５０…圧力タンク、５１…再突入カバー、５３…姿勢制御装置、５７…空気液化ナセル、５８…前部、５９…パラシュート

Claims (18)

1. ａ）航空宇宙航行体と、
   ｂ）前記航空宇宙航行体を担持し且つ放出する手段を有するように修正されたターボファン型航空機と、を有し、該航空宇宙航行体は、
   ｉ）前部とカーゴベイを有する中間部と後部とを供えた機体と、
   ｉｉ）上記機体に装着された１対の主翼と、方向舵を有する尾翼と、
   ｉｉｉ）エンジン室に搭載された噴射ラムジェットエンジンであって、上記主翼よりも下に略全て配置された噴射ラムジェットエンジンのためのナセル入口及びナセルの平坦な流線型構造とが設けられ、前記機体の尾翼端部にエンジン排気ノズルを有するように構成された噴射ラムジェットエンジンと、
   ｉｖ）ペイロードを運搬し打ち上げるための手段と、
   ｖ）水平着陸装置と、を有することを特徴とする軌道打ち上げ装置。
2. 前記機体に装着された前記１対の主翼は、各々主翼の先端部に設けられ上記航空宇宙航行体の方向変換を可能にする制御手段を有する、請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
3. 前記方向舵は、前記尾翼端部に垂直に装着される、請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
4. 上記機体に装着され上記噴射ラムジェットエンジンに接続された前部及び後部の燃料タンクを更に備える、請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
5. 複数の位置燃料タンクに接続され上記前部の先端部と上記主翼の先端部の各々に装着された複数の姿勢制御ロケットを更に備える、請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
6. 請求項２に記載の軌道打ち上げ装置において、上記制御手段は上記主翼の各々に設けられた昇降舵又はエレボンであることを特徴とする軌道打ち上げ装置。
7. 請求項１に記載の軌道打ち上げ装置において、上記航空宇宙航行体を担持し且つ放出する手段は上記ターボファン型航空機の主翼の下の航空機のエンジンの装着部に取付られた航空宇宙航行体パイロンであることを特徴とする軌道打ち上げ装置。
8. 請求項１に記載の軌道打ち上げ装置において、上記水平着陸装置は引っ込み可能な着陸装置を有することを特徴とする軌道打ち上げ装置。
9. 前記引っ込み可能な着陸装置は、２つの中間部の着陸装置と１つの頭部の着陸装置である、請求項８に記載の軌道打ち上げ装置。
10. 上記ペイロードを運搬し打ち上げるための手段は、カーゴベイに収容されたブースターロケットと、前記カーゴベイからの前記ブースターロケットの放出手段を有する請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
11. 前記ブースターロケットの放出手段は、スリングとスリングウインチである、請求項１０に記載の軌道打ち上げ装置。
12. 前記ブースターロケットは、液体水素タンクと液体酸素タンクとが取り付けられたロケットエンジンと、一対のロケットエンジン用の再突入用カバーと、前記液体水素タンク及び前記液体酸素タンクに接続された複数の燃料タンク圧力装置と、姿勢制御装置と、パラシュート回収装置と、を備える、
    請求項１０又は１１のいずれかに記載の軌道打ち上げ装置。
13. 請求項１２に記載の軌道打ち上げ装置において、上記ターボファン型航空機は上記ブースターロケットを回収するためのパラシュート降下回収装置を含み、上記パラシュート降下回収装置は上記ターボファン型航空機の頭部に装着された捕獲ヨークと、回収ケーブルと、ウィンチワイヤの留め金が上記パラシュート回収装置の上部パラシュート吊り上げワイヤに装着可能な構造のウィンチとを有し、更に、後部の出入り口を有するカーゴベイを有することを特徴とする軌道打ち上げ装置。
14. 前記カーゴベイは複数のドアを備える請求項１に記載の軌道打ち上げ装置。
15. 請求項１記載の軌道打ち上げ装置において、上記カーゴベイは上記噴射ラムジェットエンジンに接続された所定形状の燃料タンクを含むことを特徴とする軌道打ち上げ装置。
16. 請求項１に記載の軌道打ち上げ装置において、上記後部に空気液化冷却装置が設けられ、該空気液化冷却装置は、上記主翼の各々の下の空気液化ナセルを供えた空気ナセル入口を含み、上記空気液化装置は上記噴射ラムジェットエンジンに接続されていることを特徴とする軌道打ち上げ装置。
17. 前記主翼は、高速での急上昇の操縦が可能な大きさである請求項１記載の軌道打ち上げ装置。
18. 前記噴射ラムジェットエンジンのためのナセル入口は、前期機体の前記中間部の下に設けられる請求項１記載の軌道打ち上げ装置。

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