JP4220521B2 - 翼付き宇宙船 - Google Patents

Description

本発明は翼付き宇宙船に関する。

帰還宇宙船の大気圏再突入は、大きな構造負荷及び熱負荷のためにクリティカルな飛行段階である。滑空着陸を意図した現在の水平着陸式宇宙船は、三軸制御を必要とし、そして着陸時にパラシュートを用いて下降する初期の短胴形宇宙船（Mercury, Gemini等）に比較してより大きな揚力を必要としている。

本発明は、再突入時に安定した大きな抗力モードに再設定可能であって、そして滑空着陸用の標準飛行状態に復帰可能な翼付き宇宙船に関する。本発明は軌道を外れた宇宙船に関して説明しているけれども、軌道飛行の可能な航空機にも適用可能なものである。

宇宙船が左右の翼を支持している胴体を有していて、その左右の翼は、蝶番取付けされ外端部を備えた後方翼区画を有していて、該外端部は後方へ向かって延伸しているテールブームを支持しており、そのテールブームがラダーを備えた垂直尾翼と後方エッジエレボンを備えた水平尾翼とを有している。胴体と後方翼区画との間に連結された昇降装置は、後方翼区画及びテールブームを、宇宙飛行及び大気圏飛行時の標準翼形と、安定し制御された大気圏再突入時の上向きの大きな抗力状態との間で作動することができるようになっている。

図１−３は準軌道宇宙船１０を図示していて、宇宙空間でのロケット推進飛行用、再突入後の亜音速飛行用及び着陸飛行用の形状である。図１において宇宙船は、後部着陸装置１１、着陸用に引き出されたノーズスキッド１２と共に図示されているが、これらは他の図では省略されている。

宇宙船は、前方にパイロット用区画室を備えた胴体１３を有している。後方胴体部分１５はハイブリッド燃料式ロケットエンジンを収容し取り付けていて、後方ノズル１６が図示されている。翼１７が、胴体に固定された左右の前方区画１９及び２０と、ヒンジライン２３周囲を上向きに可動なお互いに連結された左右の後方区画２１及び２２と、を有している。後方区画２１及び２２は翼幅全体又は翼弦の約１／３である。後方翼区画の端部に固定された左右テールブーム２４及び２５が後方に向かって延伸している。

電動駆動式スタビレータすなわち水平尾翼２７が、各ブームの外側面に固定され、そこから外向きに延伸していて、各々はヒンジ付きエレボン２８を取り付けていて、エレボン２８はパイロットによる前後左右軸の制御のために独立に可動となっている。ラダー２９が、方向制御のためにテールブームの水平尾翼の後方端部に可動に蝶番取り付けされている。この形状は大気圏飛行において優れた安定性と制御性とを提供していて、引き起こし及び着陸用の三軸制御を用いて十分な揚力及び滑走範囲が可能である。

宇宙飛行からの再突入に先立って、宇宙船は（以下に説明するアクチュエータにより）、高抗力形状に再設定され、後方翼区画及びテールブームがヒンジライン２３周囲で上向きに移動され傾斜される。図４−６に図示するこの大きな抗力状態は“フェザリング（feathered）”形状と呼ばれていて、傾斜角が大きく、通常の形状である“非フェザリング（unfeathered）”翼から６５°の範囲内である。

図７−９は後方翼及びテールブームをフェザリング形状と非フェザリング形状との間で上下する昇降装置３２を図示している。テールブームはシリンダ３４及び可動ピストン３５とを備えた二つの空気式アクチュエータ３３を含んでいる。各シリンダの下端部が回動可能にブラケット３６に取り付けられていて、そのブラケット３６は宇宙船の胴体に固定されている。ピストン３５の端部３７が回動可能にブラケット３８に取り付けられていて、そのブラケット３８は後方翼区画の内面３９に固定されている。アクチュエータは宇宙船に取り付けられた加圧空気シリンダ（図示せす）により駆動される。

パイロットにより制御されたアクチュエータ３３の加圧が後方翼区画及びテールブームを上下に駆動する。宇宙船のこれらの後方パーツの偶発的な作動を防止するために、かつ非フェザリング形状での飛行中のアクチュエータ３３を無負荷にするためにロック装置４０が備えられている。ロック装置４０がシリンダ４２を備えた一対の左右の空気式アクチュエータ４１を有していて、そのシリンダ４２は回動可能にブラケット３６に取り付けられた下端部を有している。剛なクロスバー４５により接続された後方延伸リンク４４に回動可能に接続されている端部を備えたピストン４３がシリンダ４２から延伸している。クロスバーは宇宙船胴体に取り付けられた左右のブラケットにより回転可能に支持されている。各リンク４４の翼端はクロスバーに取り付けられた上向きに延伸するロック部材４８であって、各ロック部材は、宇宙船が非フェザリング形状の場合に前方に延伸する端部４９を有していて、その端部４９は係合ピン５０をおおって差し込まれていて、そのピン５０は各後方翼区画の内部トレーリングエッジに取り付けられている。

後方翼区画をロック解除するために、アクチュエータ４１がピストン４３を延伸位置から引きもどすべく加圧され、従ってクロスバー４５が回転され、ロック部材端部４９がピンから後方に向かって離間し、ピストンをロック解除する。シリンダ３４の作動は、後方翼区画を上昇したフェザリング状態に駆動する。再突入後に後方翼区画を引きもどす場合、アクチュエータ４１が再度加圧され、ロック装置を再係合するべくピストン４３が延伸されるようになっている。

宇宙船は、フェザリング形状で大気圏に再突入中に、全速度における前後左右揺動に対してシャトルコックのような安定状態を狙いかつ維持する。この形状において翼の迎角は非常に大きく、マッハ３の領域の超音速において約５４°と推定され、そして亜音速において約６４°と推定される。このことが所望される大きな空気抵抗をもたらし、空気抵抗は約２のファクターで揚力を上廻る空気抵抗をもたらし、そして小さな構造負荷及び熱負荷とをもたらしている。宇宙船は、軌道修正のための揚力ベクトルの方向を調節するために再突入時に向きを変えることができる。図４における矢印５２は再突入時における宇宙船の典型的な速度ベクトルである。

亜音速に減速された宇宙船の再突入後に、宇宙船は滑空比が７−８の範囲の非フェザリング状態に再設定される。例えば、もし宇宙船が高度約１５，２４０ｍ（約５０，０００ft）で非フェザリング状態に設定されると、所望される着陸地点から約８０．５km（約５０mile）越えて水平滑空する。三軸制御を用いることにより、宇宙船を容易に帰還させることができ、そして水平滑走着陸のために引き起こすことができる。

図１は、準軌道宇宙船の側面図であって着陸時のものである。 図２は、宇宙船の正面図であって着陸装置が引き出されたものである。 図３は、宇宙船の平面図である。 図４は、宇宙船の側面図であって再突入時のものである。 図５は、宇宙船の再突出時の前方上方から見た斜視図である。 図６は、宇宙船の再突出時の後方上方から見た斜視図である。 図７は、宇宙船の尾翼及びテール・ブーム昇降装置の斜視図であって、一部が切断されている。 図８は、昇降装置の詳細図である。 図９は、右側の尾翼区画の昇降装置の部分側面図である。

Claims (8)

1. 胴体と、該胴体から延伸している左右の翼と、昇降装置とを具備する宇宙船であって：
   該左右の翼が、蝶番取り付けされた後方翼区画を有しており、該後方翼区画が外端部を備えていて、該外端部は後方へ向かって延伸しているテールブームを支持していて、該テールブームがラダーを備えた垂直尾翼とエレボンを備えた水平尾翼とを有しており；
   該昇降装置は該胴体と該後方翼区画との間に連結されていて、該後方翼区画が、該昇降装置により標準翼形状から該左右の翼に対して上向き状態へ移動されるようになっていて、該上向き状態は、宇宙飛行後の再突入時に該宇宙船を減速するために大きな抗力を提供するものであり、その後該昇降装置は、該宇宙船が制御されたほぼ水平な滑空着陸をできるように、該後方翼区画を該標準翼形に引きもどすようになっている；
   宇宙船。
2. 該上向き状態での再突入は安定なものであって、該胴体はほぼ水平になっている、請求項１に記載の宇宙船。
3. 蝶番取り付けされた該後方翼区画が、該翼の幅全体の約１／３の幅である、請求項１に記載の宇宙船。
4. 該後方翼区画が、該上向き状態において約６５°上向きに回転されている、請求項１に記載の宇宙船。
5. 該昇降装置が空気式アクチュエータを含んでいる、請求項１に記載の宇宙船。
6. 該後方翼区画を該標準翼形にロックするためのパイロットが制御するロック装置を具備していて、該ロック装置は該昇降装置の作動前に係合解除されるようになっている、請求項１に記載の宇宙船。
7. 該ロック装置が空気式アクチュエータを含んでいる、請求項６に記載の宇宙船。
8. 該後方翼区画同士を一体に固定するための手段をさらに具備する、請求項１に記載の宇宙船。

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