JP4703793B2 - 荷重絶縁装置 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、荷重を取り付けた基礎装置から荷重を絶縁するように作動可能な装置に関し、特に新規なサスペンションおよび減衰コンセプトを用いて並進自由度における荷重および基礎間の振動を絶縁し、回転自由度に関して剛性を高めることに関する。
２．従来技術の説明
荷重振動絶縁は自動車、機械等さまざまな分野において応用されるが、本発明は打上げ用ロケットに搭載されたペイロードまたは人工衛星の打上げ時の振動絶縁の環境において説明する。絶縁は、弾性メンバを打ち上げ用ロケットとペイロードと間に置き、次いで減衰メンバを弾性メンバ前後に置いて減衰することにより達成される。この種の応用においては、ペイロードを重心に支持することが困難なために並進運動が回転運動内にクロス・カップリングし、それによってペイロードの揺れが生じる。この回転は望ましくない。なぜならば、慣性計測ユニット（ＩＭＵ’ｓ）等のペイロードに関しては、ロケットに対するその位置合せが維持されなければならず、かつ人工衛星に関しては、揺れによって人工衛星と空気力学的フェアリング（aerodynamic faring）の内部間の利用可能な「ラトル・スペース（rattle space）」が消尽されるからである。したがって、回転自由度は剛性にし、並進自由度は回転自由度より剛性をソフトに、即ち、小さくすることが有利である。
従来技術では、一般的に様々な角度で取り付けられた独立したスプリング／ダンパ装置によりペイロードを支持し、各自由度において適切な剛性を与えていた。そのような構成においては、各スプリング／ダンパ装置が他のスプリング／ダンパ装置とは独立に作動する。別のアプローチとしては、剛性および減衰をペイロード基部周囲に配分する方法が採られている。これらの絶縁システムの回転剛性はペイロードの重心オフセットおよび基部（マウンティング・サークル）の径によって限定され、スプリング／ダンパ装置の角度を変えることによって適切な剛性をある程度選択することはできるが、その結果は限定される。
ドイツ特許ＤＥ４４０６６５０ＡＬは、大きさの異なる与圧チャンバを使用しその間をスロットル無しにクロス接続した空気圧スプリング・システムを示している。
フランス特許２４３４７３９は、ピストンを使用してシリンダを２つのチャンバに分割し、コンジットでそれらの２つを交叉状に接続する鉄道車両支持体を示している。
フランス特許２２７６６２３は、支持されかつミサイルのペイロードを支持するのに適したボディの周辺部周りの複数のクロス接続された油圧チャンバ・スペースを示している。
発明の簡単な説明
本発明は、相対する減衰要素を無関係に作動させるのではなく、交差結合することによって相対する減衰要素間の並進運動における減衰サスペンションはソフトにし、回転運動における減衰サスペンションは剛性にして、従来技術の限界を克服する。本発明はまた、システムに接続されたアキュムレータを使用することにより、温度変化に対して流体膨張を体積補償し、かつシステムを与圧することもできる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来技術のスプリング／ダンパ装置を示す。
第２ａ図および第２ｂ図は、打上げ用ロケットとペイロード間の絶縁部における本発明のスプリング／ダンパ装置（スプリングは省略）の上面図および側面図である。
第３図は、本発明の交差結合配置を示す図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１図は、現在入手可能な従来技術のスプリング／ダンパ装置１を示す。スプリング／ダンパ１は、ハウジング４を有する粘性ダンパ３の周囲に巻かれたスプリング２を有する。スプリング２は静剛性を与え、ダンパ３は減衰力を与えるが、その減衰力はハウジング４のチャンバ５および６内の流体によって生じ、この流体はチャンバ５および６を分離するピストン７の周囲か、またはピストン７内の制限通路７ａを通って流れる。ピストン７は、シールを介して上向きにチャンバ６の頂部内に延び、かつシールを介して下向きにチャンバ５の底部に延びるピストン・ロッド８を有する。スプリング／ダンパ1がペイロードと打上げ用ロケット間に接続された時にわずかに回転することができるように回転ピボット9がピストン・ロッド8とハウジング4の下部に接続される。このことは、第２ａ図と第２ｂ図で更に良く分かろう。
第２ａ図および第２ｂ図は、荷重１０を支持しかつ打上げ用ロケット１２から荷重１０を絶縁するためのスプリング／ダンパの配置の構成方法を示す。図では、符号２０〜２７により示す８つのスプリング／ダンパが荷重１０とロケット１２と間の振動絶縁部３９に長方形に配置されて構成されている。各スプリング／ダンパは、第１図の場合のように第１および第２のチャンバに分割される。第１図のスプリング２の様なスプリングは、徒に複雑にしないために第２ａ図および第２ｂ図には示していない。システムをすべての自由度において完全に束縛するには最小限６つのスプリング／ダンパを要するが、第２ａ図および第２ｂ図では、好ましい実施形態に好都合の数として８つのスプリング／ダンパを示してある。それより少数あるいは多数にすること、また長方形以外の構成も使用することができることは理解されるであろう。
第２ａ図および第２ｂ図では、ダンパ２０および２１が共通ポイント３０で荷重１０に共に接続され、ダンパ２１および２２が共通ポイント３１でロケット１２に接続され、ダンパ２２および２３が共通ポイント３２で荷重１０に接続され、ダンパ２３および２４が共通ポイント３３でロケット１２に接続され、ダンパ２４および２５が共通ポイント３４で荷重１０に接続され、ダンパ２５および２６が共通ポイント３５でロケット１２に接続され、ダンパ２６および２７が共通ポイント３６で荷重１０に接続され、ダンパ２７および２０が共通ポイント３７でロケット１２に接続される。
各ダンパは隣り合うダンパのピストンに接続するように図示してあるが、これらの接続は独立にし、かつ荷重１０およびロケット１２に独立のポイントで接続するようにもできる。各スプリング／ダンパは、第２ｂ図の側面から見たロケット１２と荷重１０の間では角度αであり、かつ第２ａ図の上面から見たロケット１２と荷重１０と間では角度θにある。角度αおよびθを調節することにより、回転軸および並進軸における様々な剛性と減衰の比率を調整することができる。回転軸周りの剛性および減衰はダンパ角度を変更することにより極わずかに制御することしかできないのに対し、回転軸周りの剛性および減衰はダンパのマウンティング・サークルの間隔の拡縮によりより良く調節できるが、そのためにシステムのスペース要求事項が変わる。
本発明においては、交差結合コンジット４０〜４７を設けることにより、相対して配置されたダンパ・チャンバ間での流体流れが可能になり、かつアキュムレータ４９が交差結合された各コンジットに第３図で良く分かるような接続により接続される。
第３図に、相対して配置された２つのダンパ２１および２６を例示するが、いうまでもなく第２ａ図および第２ｂ図のダンパとその相対して配置されたダンパはいずれも同様に相互接続される。第３図において、ダンパ２１は、非圧縮性流体が充填され、ピストン５４によって分離された第１すなわち上部チャンバ５０および第２すなわち下部チャンバ５２をハウジング５３内に有する。チャンバ５０および５２間の流体は、交差コンジット４２、４３によって流れるため、ピストン５４を通す、またはその周りの制限通路は不要である。第１のピストン・ロッド５６は、ピストン５４から上向きに延び、ダンパ２１の外に至り、そこでポイント３０で（第２図には示さず）第１図のピボット９と同様のピボット５７により荷重１０に接続される。第２のピストン・ロッド５８は、ピストン５４から下向きに延び出てダンパ２１の外に出て、そこで何にも接続されない。ピストン・ロッド５８の目的は、第１および第２のチャンバ５０および５２内の流体に晒されるピストン５４の面積をその上下両面とも同じにすることにある。それによって、ピストン・ロッド５６がダンパ２１内外に移動時にピストン５４により両チャンバ５０および５２内で等しい体積の（但し符号は逆）非圧縮性流体を吐き出すことができる。
ダンパ２１のハウジング５３は、下向きに延びロケット１２にポイント３１（第２図に示さず）で接続する「Ｕ」字形構造５９に第１図のピボット９と同様の別のピボット５７により接続される。
上部すなわち第１のベロー６０と下部すなわち第２のベロー６２を使用した耐密シールがダンパ２１の端部に示されている。これらのシールでチャンバ５０および５２に運動伝達できる流体シールが形成されている。コンジット６４がベロー６０および６２の内部にそれぞれ結合されるが、このコンジットは流体流れに対して比較的に制約なしに選択される。いうまでもなく、スライディング・ノンハーメチック・シール等他の様々な密封技術を用いても、本発明の装置の作動に影響することはない。スプリング６６は、第１図のように取り付けることができるが、第３図では、ダンパ２１に平行な負荷経路（ｌｏａｄ ｐａｔｈ）に取り付けることによって静剛性を与える。スプリング配置は、同軸としてもあるいは弾性構造のように配置しても、本発明の装置の作動に影響することはない。
ダンパ２６は、ダンパ２１と同様に配置され、ピストン７４によって分離された第１のすなわち上部チャンバ７０および第２のすなわち下部チャンバ７２をハウジング７３内に有する。同じく、チャンバ７０および７２間の流体流れは交差コンジット４２および４３によって与えられるので、ピストン７４を通す、またはその周りの制限通路は不要である。ピストン７４に取り付けられた第１のピストン・ロッド７６は、上向きに延びてダンパ２６の外部に至り、そこでポイント３６（第３図に示さず）で第１図のピストン９と同様のピボット７７を介して荷重１０に接続される。第２のピストン・ロッド７８は、ピストン７４から下向きに延びてダンパ２６の外部に至り、そこでダンパ２１に関して説明したと同じ理由により何にも接続されない。ダンパ２６のハウジングは、下向きに延び、ロケット１２にポイント３５（第３図に示さず）で接続する「Ｕ」字形構造に第１図のピボット９と同様の別のピボット７７により接続される。
上部すなわち第１のベロー８０および下部すなわち第２のベロー８２を使用した耐密シールにより、チャンバ７０および７２に運動伝達流体シールが形成される。コンジット８４がベロー８０および８２の内部に接続し、その間で流体流れが可能になる。スプリング８６は、第１図のスプリング２のように取り付けることができるが、第３図では、ダンパ２６に平行な負荷経路に取り付けられて剛性を与える。ダンパ２６はダンパ２１と同様に作動する。
第３図で、流体コンジット４２はダンパ２１の第１のチャンバ５０とダンパ２６の第２のチャンバ７２と間に接続される。同様に、コンジット４３はダンパ２１の第２のチャンバ５２とダンパ２６の第１のチャンバ７０と間に接続される。より制限的なコンジット９０は、コンジット４２および４３間に接続され、かつアキュムレータ４９にコンジット９２により接続されている。アキュムレータ４９は、ハウジング９４およびハウジング９４内のチャンバ１００を与圧するスプリング９８によって位置決めされるピストン９６を有する。チャンバ１００の圧力はシステムを与圧する。第１図のダンパの相対して位置決めされた対はそれぞれ同様に接続される。また、第１図では単一のアキュムレータ４９がコンジット４０〜４７の全てに接続されているが、複数のアキュムレータを使用し、それぞれ異なる対のコンジットに接続することもできることを理解すべきである。すべての接続を終えた後、システムは撤去されて非圧縮性流体が充填される。
荷重１０のロケット１２に対する並進運動により、第３図の２つのダンパ２１および２６は同じ方向に同じ大きさの運動をする。例えば、ペイロード１０がロケット１２に対して上向きに移動すると、第３図のピストン・ロッド５６と７６がピストン５４と７４と同じく上向きに移動し、非圧縮性流体をチャンバ５０、７０からコンジット４２、４３を介して押し出し、チャンバ７２、５２にそれぞれ押し込む。ピストン５４、７４の面積、流体の粘度、ライン４２、４３の長さと径は、この運動が適切に減衰されるように選択することができる。コンジット４２、４３間の圧力が実質的に等しいので、コンジット９０を介して著しい量の流体流れは生じない。
以上に述べたのと同じ作用が第２ａ図および第２ｂ図の配置の相対して配された各ダンパに関して生起し、その結果、並進運動にともない、コンジット４０〜４７の交差結合配置によってペイロード１０が所望のように減衰される。
他方、ペイロード１０のロケット１２に対する回転運動により、ダンパ２１および２６の反対方向への運動が生起するが、その運動の大きさはダンパの角度およびペイロード１０の回転の中心がどの位置になるかに応じて等しくなったり、不等になったりする。例えば、ペイロード１０が第２ｂ図で図の面に垂直な、ポイント３７を通過する線の周りに時計回りに回転した場合には、この運動によってロケット１２に対してポイント３０が上がり、ポイント３６が下がる。これに対応し、ダンパ２１のピストン・ロッド５６およびピストン５０が上がろうとするのに対し、ダンパ２６のピストン・ロッド７６およびピストン７４は下がろうとする。しかし、チャンバ５０と７２はライン４２によって接続され、非圧縮性流体が充填されているので、この運動はチャンバ５０および７２内の流体圧力の抵抗を受ける。そのため、回転剛性が従来のシステムより大きくなる。なぜならば、この回転はスプリングと油圧の両者の抵抗を受けるからである。またそのために、コンジット４２およびコンジット４３間に圧力差が生じ、流体が制限度の高いコンジット９０に押し出される。コンジット９０の長さおよび径は、この回転運動が適切に減衰されるように選択される。
以上に説明したと同じ作用が第２ａ図および第２ｂ図の配置の相対して配された各ダンパに生起し、その結果、回転運動にともなってコンジット４０〜４７の交差結合配置によりペイロード１０が所望のように減衰される。
温度変化によってシステム内の流体の体積が変化した場合には、アキュムレータ４９のチャンバ１００がスプリング９８の力に抗して必要に応じ拡縮し、チャンバ９４およびコンジット４２および４３間にコンジット９２を介して流体の流れを可能にする。温度変化は本来通常きわめて緩慢に生じるため、制限的コンジット９０および９２を介する必要な流れが達成される。
したがって、ここに示した減衰システムは並進運動に関してソフトに形成され、かつ減衰し、ペイロードをロケット振動からより良く絶縁し、回転運動を動力学的に剛性を持たせて減衰し、ペイロードの揺れを減少し、かつペイロードおよび空気力学的フェアリング間に要求されるラトル・スペースを減少することができ、あるいはＩＭＵ等のペイロードをその角度位置合せを保持したまま絶縁することができる。
当分野の技術者には多くの変形の考案が可能であろう。例えば、ここではピストン・タイプのダンパを示したが、ベロー・タイプ、その他のタイプのダンパも利用可能であり、また長方形の構成に８つのダンパを示したが、ダンパの別の数および異なる構成も利用可能である。スプリングは、ダンパと共線的に位置合せされたディスクリートな装置とするか、別々に位置決めするもよし、あるいは従応構造等の単独の配分されたスプリングとしてもよい。また、取付は必ずしも荷重の底部とする必要はなく、他に、重心等にすることもできる。したがって、本発明の好ましい実施形態の説明に用いた個々の構造に限定されるものではない。

Claims (2)

1. ミサイルのペイロードとペイロードの打上げ用ロケット間の並進運動を両者間の回転運動より剛性が少ないようにペイロードをロケットにマウントする装置であって、
   複数の少なくとも４つのダンパであって、それぞれが第１および第２の拡張可能な流体チャンバと第１および第２の外部コネクタとを有し、第１および第２の拡張可能な流体チャンバは第１および第２のチャンバの一方の拡張に第１および第２のチャンバの他方の縮小が通常伴うように相互接続され、かつ、第１の外部コネクタがペイロードに、第２の外部コネクタがロケットにそれぞれ接続されてペイロードおよびロケット間に減衰支持を与え、ペイロードとロケットへの接続が長方形を形成する複数のダンパと、
   ペイロードおよびロケット間でダンパに平行に取り付けられた複数のスプリングと、
   複数の流体コンジットとを備え、この複数の流体コンジットの、
   第１のコンジットは、第１のダンパの第１の拡張可能な流体チャンバを第２のダンパの第２の拡張可能なチャンバに交差結合してその間で流体流れを可能にし、かつ、
   第２のコンジットは、第２のダンパの第１の拡張可能な流体チャンバを第１のダンパの第２の拡張可能なチャンバに交差結合してその間で流体流れを可能にし、
   第３のコンジットは、第３のダンパの第１の拡張可能な流体チャンバを第４のダンパの第２の拡張可能なチャンバに交差結合してその間で流体流れを可能にし、かつ、
   第４のコンジットは、第４のダンパの第１の拡張可能な流体チャンバを第３のダンパの第２の拡張可能なチャンバに交差結合してその間で流体流れを可能にし、
   ペイロードおよびロケット間の並進運動により第１、第２、第３および第４のダンパの第１の拡張可能なチャンバは共に拡張し、かつ、第１、第２、第３および第４のダンパの第２の拡張可能なチャンバは共に縮小し、他方、ペイロードおよびロケット間の回転運動により第１および第３のダンパの第１の拡張可能なチャンバと第２および第４のダンパの第２の拡張可能なチャンバは共に拡張し、かつ、第１および第３のダンパの第２の拡張可能なチャンバと第２および第４のダンパの第１の拡張可能なチャンバは共に縮小するように構成されてなることを特徴とする装置。
2. ミサイルのペイロードが、ペイロードと打上げ用ロケット間の並進運動に対しては第１の剛性を以て反応し、ペイロードと打上げ用ロケット間の回転運動に対しては第１の剛性より大きい第２の剛性を以て反応するようにペイロードを打上げ軸沿いに移動可能な打上げ用ロケットから減衰支持する装置であって、
   複数の少なくとも６つの流体ダンパであって、それぞれがハウジングと、ハウジングを第１および第２の容積の変化可能なチャンバに分離する結合装置とを含み、さらに、打上げ軸沿いに見たときに、ダンパが打上げ軸周りに閉じた幾何学的形状を形成するようにペイロードと打上げ用ロケット間に打上げ軸に関して角度を以て接続されてペイロードと打上げ用ロケット間に減衰支持を与える複数の流体ダンパと、
   幾何学的形状の反対側に相互に対向して位置する複数のダンパのそれぞれの第１のチャンバを対向する他のダンパの第２のチャンバに結合する複数の流体コンジットであって、打上げ軸沿いに並進力が生じたときに、各ダンパの第１のチャンバの容積が他のダンパの第２のチャンバ内の流体を反対方向に容積変化させるように変化して第１の剛性を与え、他方、ペイロードと打上げ用ロケット間に回転力が生じたときに、各ダンパの第１のチャンバの容積が他のダンパの第２のチャンバ内の流体を同じ方向に容積変化させるように変化して第２の剛性を与える複数の流体コンジットとを備える装置。

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