JP4604215B2 - テザー伸展装置 - Google Patents

Description

本発明は、テザー伸展装置、特にモータおよびセンサ等のアクティブな制御要素を付加することなく簡素な機構によってテザー伸展の終端フェーズ時での過大な衝撃力を抑制することが可能なテザー伸展装置に関するものである。

地球軌道上には、制御不能となった人工衛星もしくはロケットのフェアリングまたは上段推進装置等が放置されたままになっている。これらはスペースデブリ（以下、「デブリ」という。）と総称されている。このデブリは地球軌道上を高速で飛行しているため、人工衛星等のスペースクラフトまたは宇宙ステーション等の宇宙構造物に衝突する場合は、これらの人工衛星等を損傷させ、又は他のデブリに衝突する場合は別の微細デブリを大量に発生させる虞がある。そのため、ミッションが終了した人工衛星等は適宜回収されて地球軌道上から除去する必要がある。
そのデブリを回収する方法として、スペースシャトル等の宇宙往還機からロボットアームを使用してオペレータが直接回収する方法の他に、テザー（tether）という導電性の材料から成るひも又はワイヤをロボットアームによってデブリに取り付け、電子授受装置によってそのテザーが通電し地球の回りの形成されている磁場層を横切ることにより、その電流とその磁場との相互作用によって電磁力が発生し、その電磁力がデブリの軌道周回に対する制動力としてデブリに作用し、それによりデブリの軌道半径が小さくなり大気圏に再突入し、大気との摩擦熱によりデブリを焼失する方法がある。また、その方法を実施するためのスペースデブリ軌道変換用テザー装置が公知となっている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００４−９８９５９号公報

上記テザーは、通常、先端にエミッタ装置と呼ばれる電子授受装置が取り付けられて終端をドラムに係止され巻かれた状態にある。そして、テザーに相対速度が付与されるとテザーはドラムから伸展する。そして、ドラムに巻かれてある全てのテザーが解けてテザーがピンと張り出す瞬間（以下、「終端フェーズ」という。）にテザーおよびドラムに過大な衝撃力が作用し、その結果、テザーが切断する虞がある。そのためテザー切断の防止策として、センサによってテザーが終端フェーズに近づく時期を検知し、その検知情報に基づいてテザーを送り出すローラを電動機によって制動し、テザーが十分に減速された状態でテザーの伸展が終了するようにする方法が考えられる。
しかし、センサや電動機によって終端フェーズでの減速機構を構成すると、デブリ伸展機構が複雑になる上に、ローラが電動機に直結しているために、テザーの初期および中期フェーズにおいてローラの回転抵抗力が増加してテザーの伸展速度が低下する問題があった。
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題は、モータおよびセンサ等のアクティブな制御要素を付加することなくテザー伸展の終端フェーズ時の過大な衝撃力を吸収する制動機能を有するテザー伸展装置を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明では、テザーの一の端が固定されながら巻かれている回動可能な回転リールと、前記回転リールから連続しながらテザーが巻かれている固定リールと、前記固定リールから連続してテザーの他の端が固定されている放出ベースと、前記回転リール及び前記固定リールを収容するカバーケースと、前記カバーケースに相対速度を与えるテザー放出手段と、前記回転リールの回動を抑制する回動抑制手段とを具備し、前記テザー放出手段により前記カバーケースに相対速度が与えられると前記テザーは前記固定リールから解けて伸展し順次回転リールに伸展移行することを特徴とする。
上記第１の発明のテザー伸展装置では、放出手段によってカバーケースに相対速度が付与されると、テザーは固定リールから解けて伸展し、固定リールにおいて全てのテザーが解けて、次の連続する回転リールからテザーが伸展すると同時に回転リールが回転するようになる。しかし、テザー及び回転リールは、回動抑制手段によって制動力を受け、その結果、テザーの伸展速度および回転リールの回転速度が減速される。これにより、テザーは伸展の終端フェーズを迎える前に制動力を受け減速されることになり伸展の終端フェーズでの過大な衝撃力が好適に抑制されることになる。

第２の発明では、前記固定リールのテザーは、該固定リールの軸方向に沿って折り返しながら積層されて巻かれていることとした。
上記第２の発明のテザー伸展装置では、テザーは固定リールを回転させることなく伸展し、伸展の終了フェーズにのみ制動力を受けるようになる。これにより、伸展の初期および中期フェーズにおいて伸展速度が低下することはない。

第３の発明では、前記固定リールのテザーは、前記一の端が前記他の端よりも下方に位置するように積層されて巻かれていることとした。
上記第３の発明のテザー伸展装置では、伸展の初期フェーズおよび中期フェーズで伸展されるテザーが固定リールの上層にあるため、テザーは固定リールから容易に解け伸展することが可能になる。

第４の発明では、前記固定リールのテザーは、弾性体から成る固定バンドによって固定されて積層されていることとした。
上記第４の発明のテザー伸展装置では、固定バンドは弾性体から成り、テザーの伸展に対応して径が縮まるので、伸展の初期フェーズから終了フェーズにかけて固定リールにおけるテザーの形状を好適に保持する。

第５の発明では、前記テザー放出手段は、弾性体の弾性エネルギーを利用したものであることとした。
上記第５の発明のテザー伸展装置では、カバーケースつまりテザーに容易に相対速度を付与することができる。

第６の発明では、前記テザーの形状はテープ状であることとした。
上記第６の発明のテザー伸展装置では、テザーが切断しにくくなる。

第７の発明では、前記回動抑制手段は、磁性体および永久磁石で構成される渦電流ブレーキであることとした。
上記第７の発明のテザー伸展装置では、モータおよびセンサ等のアクティブな制御要素を付加することなく渦電流ブレーキという簡素な機構によって伸展の終了フェーズでのテザーおよび回転リールの伸展速度および回転速度を好適に減速し、テザー伸展の終端フェーズでの過大な衝撃力の発生を抑止する。

第８の発明では、前記磁性体および前記永久磁石は回転リールの外周端近傍に取り付けられていることとした。
上記第８の発明のテザー伸展装置では、磁性体および永久磁石の相互作用によって発生する電磁力で大きな制動トルクを回転リールに作用させることが可能になる。

本発明のテザー伸展装置によれば、モータおよびセンサ等のアクティブな制御要素を付加することなく磁性体および永久磁石で構成される渦電流ブレーキによって伸展の終了フェーズでのテザーおよび回転リールの伸展速度および回転速度を好適に減速し、テザー伸展の終端フェーズにおける過大な衝撃力の発生を好適に抑止する。また、制動トルクは回転リールの回転速度に応じて発生する機構となるので、トルク制御機器等が不要となる。特に、磁性体および永久磁石は回転リールの外周端近傍に配設されているため、小さな電磁力で大きな制動トルクを回転リールに作用させることが可能になる。また、テザーは伸展の終了フェーズにのみ制動力を受けるので、初期および中期フェーズにおいてテザーの伸展速度が低下することはない。また、テザーの形状はテープ状であるため、テザーが切断しにくくなる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るテザー伸展装置１００を示す要部断面説明図である。
このテザー伸展装置１００は、テザーの一の端が固定されながら回動可能な回転リール１０と、回転リール１０から連続しているテザーＴが軸方向に沿って積層されて巻かれている固定リール２０と、その回転リール１０及び固定リール２０を支持するブラケット３０と、その回転リール１０や固定リール２０やブラケット３０を収容するカバーケース４０と、カバーケース４０に相対速度を付与する放出手段としてのバネ５０と、そのバネ５０の一の端を固定すると共にテザーＴの他の端を固定している放出ベース６０と、バネ５０の圧縮状態を保持する放出手段としての固定ワイヤ７０と、その固定ワイヤ７０を切断する切断装置８０とを具備して構成されている。なお、バネ５０の他の端すなわちカバーケース４０側の他の端は自由端となっている。また、カバーケース４０の放出ベース６０と反対側の端部には、エミッタ装置（電子授受装置）Ｅが取り付けられている。

テザーＴは、例えばアルミ材などの導電性の高い金属をベースに必要に応じて樹脂材を付加した材料で構成されている。また、テザーＴの形状は、テープ状であることが好ましい。テープ状とすることによりテザーＴが切断しにくくなる。

また、回転リール１０は、図３にて後述するように渦電流ブレーキを有し、その渦電流ブレーキによってテザー伸展の終端フェーズにおける過大な衝撃が好適に抑制される。これにより、テザーＴは伸展の終端フェーズにおいてテザーＴが破断したり、或いは回転リール１０が衝撃力により損傷したりすることが防止される。

図２は、固定リール２０におけるテザーＴの巻き状態を示す説明図である。なお、説明の都合上、テザーＴの単層のみを例示してあるが、実際は複数にわたり積層されている。
テザーＴは、固定リール２０の軸方向に沿って折り返されて積層されている。また、積層する順は、回転リール１０に固定される一の端が、放出ベース６０に固定される他の端よりも下になるような順である。これにより、固定リール２０を回転させずにテザーＴを解くことが可能になる。また、伸展の初期および中期フェーズにおいて渦電流ブレーキの制動力を受けることはなく、その結果、伸展の初期および中期フェーズにおいてテザーＴの伸展速度が低下することはない。

また、テザーＴは、固定リール２０の周方向に沿って折り返されて積層されている構成としても良い。なお、積層する順は、上記軸方向の場合と同じく、回転リール１０に係止される一の端が、放出ベース６０に係止される他の端よりも下になるような順である。

また、積層されたテザーＴの形状は、固定ベルト２１によって保持されるか、あるいは接着剤等で仮止めされている。なお、固定ベルト２１の材質は、弾性体である。これにより、伸展の初期フェーズから終了フェーズにかけて固定リールにおけるテザーＴの形状を好適に保持する。

図３は、図１の回転リール１０を示す要部断面説明図である。
この回転リール１０は、テザーＴの一の端を固定するドラム１１と、ドラム１１を取り付けるドラムアタッチメント１２と、シャフト１３を支持するベアリング１４と、永久磁石１５ａが外周端近傍に取り付けられている磁石アタッチメント１５と、ベアリング１４の軸方向に対する移動を制限するストッパ１６とを有している。

ドラム１１およびドラムアタッチメント１２はシャフト１３に対して回動自由である。一方、磁石アタッチメント１５は、シャフト１３に固定されている。また、シャフト１３は、図１のブラケット３０に固定されている。さらに、ドラムアタッチメント１２には、磁石アタッチメント１５の永久磁石１５ａに対向する位置に磁性体１２ａが取り付けられている。

磁性体１２ａは高透磁率の磁性材、例えば純鉄，ケイ素鋼，パーマロイ，Ｍｎ−Ｚｎフェライト等の高透磁率の軟磁性材が望ましい。また、永久磁石１５ａは、例えば炭素鋼，ＫＳ鋼，ＭＫ鋼，ＯＰ鋼，Ｂａフェライト等の硬磁性材が望ましい。

磁性体１２ａおよび永久磁石１５ａは渦電流ブレーキを構成している。すなわち、ドラム１１が回転すると、永久磁石１５ａに対する磁性体１２ａの相対速度が生じ、磁性体１２ａを貫く磁束が変化し、磁性体１２ａにはその磁束の変化を妨げる向きに渦電流が発生する。結果、その渦電流と永久磁石１５ａの磁場の相互作用によって電磁力がドラム１１の回転を妨げる向き（相対速度がゼロになる向き）に発生する。また、磁性体１２ａおよび永久磁石１５ａは各々ドラムアタッチメント１２の外周端近傍および磁石アタッチメント１５の外周端近傍に配設されているため、小さな電磁力で大きな制動トルクが発生する。

ここで再び図１に戻り、テザーＴが伸展の初期フェーズから伸展の終端フェーズまでの一連の動作を説明する。
切断装置８０が固定ワイヤ７０を切断すると、バネ５０が延びることによりカバーケース４０と放出ベース６０が相対的に分離し、その結果、カバーケース４０に相対速度が与えられる。これにより、テザーＴは順次、固定リール２０から解けて伸展し、固定リール２０に積層されて巻かれている分が全て解けた後に、テザーＴは回転リール１０に移行する。その時、テザーＴから回転リール１０にテンションが加わってドラム１１が回転し、さらにテザーＴが伸展される。しかし、磁性体１２ａおよび永久磁石１５ａから構成される渦電流ブレーキによって、ドラム１１の回転速度に比例した回転制動力が生じ、徐々にドラム１１の回転速度およびテザーＴの伸展速度が減速されながらテザーＴの伸展は終了する。これにより、全てのテザーＴが伸展される前に伸展速度が減速され、伸展の終端フェーズにおける過大な衝撃が抑えられる。

なお、図４に示すように、伸展したテザーＴでは、エミッタ装置Ｅが宇宙空間のプラズマ層との間で電子の授受を行うため、テザーＴに電流Ｉが流れるようになる。そして、通電したテザーＴが宇宙空間の磁場Ｂを横切る際にその電流Ｉと磁場Ｂの相互作用により進行方向に対し逆向きの力（ローレンツ力）Ｆが発生し、デブリＤはその力Ｆを受けて減速する。その結果、デブリＤには重力（引力）が遠心力より強く作用し、徐々にデブリの周回軌道半径が小さくなり終いにはデブリＤは大気圏に突入して大気との摩擦熱により焼失する。

また、これとは別に、テザーＴに外部電源より電圧を印加することにより強制的に電流を流し、その電流と磁場Ｂとの相互作用により力を発生させ、その力を例えばテザー伸展装置１００をデブリに取り付けるテザー衛星の増速用として利用することにより、テザー伸展装置１００をテザー衛星の軌道を変換する推進装置として利用することができる。

上記テザー伸展装置１００によれば、モータおよびセンサ等のアクティブな制御要素を付加することなく磁性体１２ａおよび永久磁石１５ａで構成される渦電流ブレーキによって伸展の終了フェーズでのテザーＴおよび回転リール１０の伸展速度および回転速度を好適に減速し、テザー伸展の終端フェーズにおける過大な衝撃力の発生を好適に抑止する。また、制動トルクは回転リールの回転速度に応じて発生する機構となるので、トルク制御機器等が不要となる。特に、磁性体１２ａおよび永久磁石１５ａは回転リール１０の外周端近傍に配設されているため、小さな電磁力で大きな制動トルクを回転リール１０に作用させることが可能になる。また、テザーＴは伸展の終了フェーズにのみ制動力を受けるので、初期および中期フェーズにおいてテザーの伸展速度が低下することはない。また、テザーＴの形状はテープ状であるため、テザーＴが切断しにくくなる。

本発明のテザー伸展装置は、デブリまたはロケット上段部を減速する推進装置あるいはデブリを回収するテザー衛星を増速する推進装置に対して好適に適用することが可能である。

本発明の実施形態に係るテザー伸展装置を示す断面要部断面説明図である。 固定リールにおけるテザーの巻き状態を示す説明図である。 図１の回転リールを示す要部断面説明図である。 デブリを減速する推進装置としてのテザー伸展装置を示す説明図である。

符号の説明

Ｔ テザー
１０ 回転リール
２０ 固定リール
１２ａ 磁性体
１５ａ 永久磁石
３０ ブラケット
４０ カバーケース
５０ バネ
６０ 放出ベース
７０ 固定ワイヤ
８０ 切断装置
１００ テザー伸展装置

Claims (7)

1. テザーの一の端が固定されながら巻かれている回動可能な回転リールと、前記回転リールから連続しながらテザーが巻かれている固定リールと、前記固定リールから連続してテザーの他の端が固定されている放出ベースと、前記回転リール及び前記固定リールを収容するカバーケースと、前記カバーケースに相対速度を与えるテザー放出手段と、前記回転リールの回動を抑制する回動抑制手段とを具備し、
   前記固定リールのテザーは、該固定リールの軸方向に沿って折り返しながら同周方向に沿って積層されて巻かれ、前記テザー放出手段により前記カバーケースと前記放出ベースが相対的に分離し該カバーケースに相対速度が与えられると、前記テザーは前記固定リールから解けて伸展し順次前記回転リールに伸展移行し、前記回動抑制手段から制動力を受けるように構成されていることを特徴とするテザー伸展装置。
2. 前記固定リールのテザーは、前記一の端が前記他の端よりも下方に位置するように積層されて巻かれている請求項１に記載のテザー伸展装置。
3. 前記固定リールのテザーは、弾性体から成るバンドによって固定されて積層されて巻かれている請求項１又は２に記載のテザー伸展装置。
4. 前記テザー放出手段は、弾性体の弾性エネルギーを利用したものである請求項１に記載のテザー伸展装置。
5. 前記テザーの形状はテープ状である請求項１から４のいずれかに記載のテザー伸展装置。
6. 前記回動抑制手段は、磁性体および永久磁石で構成される渦電流ブレーキである請求項１に記載のテザー伸展装置。
7. 前記磁性体および前記永久磁石は回転リールの外周端近傍に取り付けられている請求項６に記載のテザー伸展装置。

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