JP4705172B2 - 打ち上げロケットと衛星を連結および分離する装置 - Google Patents

Description

本発明は、適当な高度に達すると分離する打ち上げロケット（ｌａｕｎｃｈｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ）および衛星の連結装置に関し、この装置では、衛星と打ち上げ機（ｌａｕｎｃｈｅｒ）のインターフェース・リングに作用する複数のクランプを備えた締め付けバンドによって連結が実施され、またバンドの開放メカニズムを作動させるコマンドを電気的に送信することによって分離が実施される。

より詳細には、本発明は、上述したバンドの開放によって生じる外乱を最小に低減する打ち上げロケットと衛星の連結および分離装置に関する。

宇宙空間へ積荷を運搬する技術の開発が始まって以来、運搬ロケット（ｃａｒｒｙ ｖｅｈｉｃｌｅ）を構成する異なる構造または段階（ｐｈａｓｅｓ）に関して、特に運搬ロケットをその打ち上げ積荷（ペイロード）または衛星に結合する構造または段階に関して、多くの連結および分離システムが開発されてきた。火工ストリング（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ ｓｔｒｉｎｇ）または爆発ボルトに基づく連結は、有効で信頼性はあるが、感度の高い要素に達するまでビークル全体に沿って移動する高レベルの振動性外乱または衝撃を発生する。そのため、これらの種類の連結は、衛星から遠くに位置するビークルのフェーズ分離に使用される。衛星を分離するために、結合効率を維持しながら、上述したような外乱性作用を分離に対して生じないシステムが必要とされている。

ケーブルまたはボルトによって結合支持体をプレローディングすることに基づく連結および分離要素が開発されてきた。ケーブルまたはボルトは、その後、火工カッタまたは熱ナイフによって切断され、あるいはむしろ、既に切断された２つの端部が火工ナットまたは電気機械式ナットによって分離される。これらの、また他の同様なデバイスは、アンテナまたは太陽電池パネルなどの軽量構造の結合および分離には有効であるが、円筒形状のインターフェースを用いた大型構造の結合には最適ではない。これらの場合には、これらの個別要素の多くを円形に配列することが必要とされ、その結果として信頼性が低下し、あるいは少数の個別要素を円形に配列することが必要とされ、その結果として連結荷重が増加する。

回転対称の大型構造物を結合するのに使用される最も有効なシステムの１つは、一組のウェッジまたはＶ形状クランプである「マルマン・クランプ・バンド（Ｍａｒｍａｎ Ｃｌａｍｐ Ｂａｎｄ）」と呼ばれている連結に基づくシステムであり、これらウェッジまたはＶ形状クランプは、クランプの周りで締め付けられる弾性バンドの作用によって、結合すべき（同様にＶ形状である）構造物のインターフェース・リングに対してプレローディングされる。先に述べたシステムに対するこのシステムの主要な利点は、プレローディングが構造物の周りで連続して行われ、局所的な過荷重がなく、またウェッジ作用によってくさび効果が増すことである。対照的に、欠点は、この非常に均一なプレローディングが、インターフェース・リングの軸対称な弾性変形を引き起こし、その弾性変形は、突然緩和されるとそのリングの基本質量の運動エネルギーに変わること、すなわちその対称モードに相当する固有周波数の高加速度の振動信号に変わることである。従って、好ましくない衝撃がやはり得られる。

従来技術に基づくシステムは、通常、２つの火工要素によって切断される２つのボルトによって結合した張力バンドの２つの半割りを使用する。対称平面を有するこの配置構成は、軸対称振動モードの励起性を低減することによって外乱の発生を少し改善するが、これらのモードを励起する大きな能力を依然として維持しており、これは、断面積が小さくて張力の高いスチール・バンド、すなわち非常に延伸性があり、従って張力緩和が非常に速く、非常に対称性があるスチール・バンドが使用されることを考慮すると尚更である。１つの知識を挙げると、直径が１ｍよりわずかに大きいインターフェースの周りを３０ＫＮに締め付けたバンドは、最高５０００Ｇの加速度を有する衝撃を発生する。

その後、バンド・クランプ型の新しいデバイス（スペイン特許第２１３１４７６号の目的）が開発され、そのデバイスは、以降で「ＣＲＳＳ」と称するが、上述した同じパラメータについて誘発された衝撃を２０００Ｇ以下の値に低減する。これを受けて、デバイスは２つの開放スポットを１つに減らしており、これはインターフェース・リングに対するバンドの分離速度を減速することになり、バンド自体をインターフェース・リングから引き離す前に長い間接触したままとし、その結果、インターフェース・リングの自由振動の開始が遅延される。さらに、このシステムは、バンド設計についての基準を修正して断面積の大きなアルミニウム・バンドとなり、剛性すなわち耐荷重性がかなり増加し、それと共に、締め付けられると、バンド自体に蓄積される弾性エネルギーが低減される。これらの利点があるにもかかわらず、緩和コマンドは、火工カッタによって分離終端を結合するボルトを切断することに基づくため、依然として瞬間的であり、インターフェースに関する摩擦力およびシステム動特性にだけ依存する緩和時間は、制御されていない。

「ＣＢＯＤ」（ＳＡＡＢ ＥＲＩＣＳＳＯＮおよびＳＴＡＲＳＹＳ制御式開放メカニズムによって開発されたバンド）と称される、この緩和時間を制御する能力を有する別のデバイスが最近開発された。このシステムは、ＣＲＳＳなどの単一端部でのバンド開放を組み込み、エネルギー・ブレーキングおよび吸収メカニズムを付加する。このメカニズムは、２つの終端に配置された２つのネジを保持することによって、システムの開放に作用する。これらのネジは、リアクション・ホイールに関連するネジ山を貫通するように押し込まれている。ネジに伝達されるバンド張力は、リアクション・ホイールの回転運動を強制的に起こさせて、バンドは、リアクション・ホイールから自分自身を解放する。ホイール内に生じる回転運動エネルギーは、システムを減速することを可能にするエネルギーである。このシステムを用いると、衝撃加速度は、６０ＫＮの張力について、１０００Ｇ未満の値まで減少する。

このシステムの欠点は、リング・インターフェースからのバンドの分離を確実にするために、完全に且つ同時にネジの解放を必要とするために、信頼性が失われることである。さらに、バンド張力が緩和するので、ネジの引き出しに利用可能なエネルギーが少なく、従って展開のための安全マージンが減少する。システムは、マルマン型バンドの弾性値を維持しており、その値は、リアクション・ホイール内で大きなネジ経路を必要とし、インターフェース直径が大きい場合に大きくなる。一方、ネジ・サイズは、バンド張力を直接支持するときに重要になる可能性がある。すなわち、大きな積荷を運搬する必要性が増加するにつれて（これはバンド張力を増加させることによって達成される）、メカニズムを直接通過する荷重が大きくなる。

米国特許第５，１５７，８１６号に記載されるＨｕｅｓｓｌｅｒによって提案されたシステムは、上述した問題の多くを解決し、同時に、提案された制御解放メカニズムによって分離性能を改善している。そのシステムが提案するメカニズムは、上述した場合と同様に、引張による代わりに、圧縮によって働くようにされたボルトを含む。これは、バンドの端部を、合流点を超えて延ばし、２つの関節によって、バンドの端部をボルトの端部に結合させることによって達成される。バンド張力は、ボルト内の圧縮力に変換され、システムを開放するために、ボルトを切断することは必要とされず、システムを不安定平衡から抜け出させることだけが必要とされる。これは、システムを解放することになる任意の火工デバイスまたは電気機械式デバイスを用いて、システムを開放および保持する傾向を有する不安定位置にシステムを設置することによって達成される。このシステムの主要な利点は、開放中にボルトの回転運動を減速するバネが付加されることである。この制動バネは、システム要件に合うように調整されることができる。さらに、システムが開放するときに、開放し続けるのに必要とされる張力が減少し、従って、安全マージンが増加する。システムの欠点は、締め付けを実施するための専用のメカニズムを必要とすることである。実際、メカニズム自体は、締め付けシステムとして提案されており、これは、メカニズムの開始位置に、それを作動させた結果に関連する不確実性を持たせており、したがって性能再現性の保証の欠如をもたらす。

円筒構造コンポーネントを互いに結合するための公知の他の装置が、米国特許第５，４１１，３１９号に開示されている。この特許文献は、宇宙船などの構造物コンポーネントの円筒本体部、および１つのロケット・セクションまたは解放可能な結合デバイスによって互いに結合された２つのロケット・セクションを開示しており、構造物コンポーネントは、互いに向かい合い、結合デバイスによって囲まれる半径方向に突出したフランジを有し、結合デバイスは可撓性張力印加要素を有している。

本発明は、上述の問題を解決し、且つ、システムの特徴とシステムを作動させることの両方に関して、これらのシステムの全体性能を改善することを意図したものである。

本発明は、打ち上げロケットと衛星の連結および分離装置を提案するものであり、この装置は、公知の装置のように、内部チャネルを有するバンドを有し、この内部チャネルには、両方のビークルの間の結合インターフェースを構成するリング上に適用される複数のクランプが摺動式に配置され、またバンドのロッキング要素およびそれを解除する手段を含むバンドの端部の結合および分離デバイスを備え、またこの打ち上げロケットと衛星の連結および分離装置は、公知の装置とは対照的に、
（１）バンドとクランプのアセンブリを半径方向に締め付ける手段も有し、また
（２）結合および分離デバイスは、２つの段階でバンドの制御された開放を可能にするメカニズムも含み、そのうちの第１段階では、バンドの端部は、リングとの接触を維持しながら変位し、バンドの締め付けに相当する弾性エネルギーが消散され、また第２段階では、バンドは、その停止位置に達するまでリングから分離する。

本発明の目的は、バンドが結合する構造物上で締め付けられたバンドを分離することよって生じる、締め付け中に蓄積された弾性エネルギーの突然の解放に起因する衝撃を最小にすることである。言及する制御開放メカニズムは、構造物からのバンドの実際の分離の前に、エネルギーのかなりの部分を消散させ、従って、結果として得られる衝撃は、残留エネルギーによって誘発される衝撃にすぎないことになる。

消散メカニズムは、単純な作動原理を有する。分離が開始されると、蓄積された弾性エネルギーの一部は、質量を移動するのに使用され（弾性エネルギーを運動エネルギーに変換する）、それと同時に、バンドは、バンドが結合する構造物から分離しないように、すなわち接触を失うことなく摩擦しながら（これは熱エネルギーへの変換を生じる）構造物の接線方向に移動するようにされており、それにより、実際の分離の時点で、残留エネルギーの低減が達成される。

例えば、火工カッタによるロック・ボルトの破断によるロッキング要素の解放によって引き起こされるバンドの全体の分離において、先に説明した衝撃に付加される（より重要なことには、高周波数の）衝撃が誘発されることも考慮されなければならない。本発明による装置では、ロック・ボルトなどのロッキング要素によって支持される張力は、エネルギーの低いカッタなどの解除要素を使用することを可能にするレバー・システムなどによって低減されるので、衛星に伝達される衝撃が低減される。

換言すれば、このメカニズムは、バンドの終端が、低速の、好ましくは、接線方向の初期運動、および高速の、好ましくは、後続の半径方向の運動を行うようにさせるものである。

この制御された開放メカニズムは、運動の解放を強制するように連結されたＨｕｅｓｓｌｅｒ型システムの要素に対して、Ｈｕｅｓｓｌｅｒボルトに相当するが大きい質量を有している要素の並進運動エネルギーに運動を変換することによって運動を減速させるシステムを付加し、それによって性能がかなり改善される。一方で、ＣＢＯＤにおける完全に且つ同時にネジを解放する必要に関連する信頼性の問題が解決される。

本発明の別の目的は、開放および閉鎖メカニズムの始動とバンドの始動の結合を回避することであり、それは、バンドとクランプのアセンブリを半径方向に締め付けるための押さえバーのような手段を使用することによって達成される。バンドとクランプとの間に配置されたこれらの押さえバーは、バンド上に載り、インターフェース・リングに対してクランプを押さえ、これらのリングに対するクランプのプレローディングをもたらす。

これは、公知のすべてのシステムとまったく異なった方法で装置を実施することを意味する。公知のシステムでは、バンドの締め付けは、クランプのプレローディングをもたらす。本発明では、逆のことが起こる。すなわち、本発明は、必要な予荷重をクランプに与えることによって始まり、予荷重から張力が生じる。Ｈｕｅｓｓｌｅｒメカニズムの利点維持および改善されつつ、制御された開放メカニズムについての設計基準、およびバンドがＣＢＯＤメカニズムのように外されるという問題、ならびにクランプとバンドとの間の摩擦によって生じる性能損失による締め付け制限の問題はしたがって解決される。

本発明の他の特徴および利点は、添付した図に関する対象物の例証的な実施例の以下の詳細な説明から集められるであろう。

述べたように、本発明は、図１に概略的に示す２つの要素にフォーカスしている。２つの要素とは、バンドの分離によって誘発される衝撃を低減することを可能にする、バンド１１の開放・閉鎖デバイス４１に含まれる制御された開放メカニズム、および完全に分離された大型衛星を支持することを可能にする、クランプ１３用の押さえバー１９によるバンド１１とクランプ１３のアセンブリの締め付けメカニズムであり、２つの要素は、相応して、それ自身の機能要件に従って互いに独立に設計されてもよく、また結合されると互いを乱すことなくその機能を実施し続ける。

バンド１１とクランプ１３のアセンブリの締め付けメカニズムの実施例は、図２〜４を参照して最初に述べられる。

バンド１１とクランプ１３のアセンブリは、打ち上げ機１５と衛星１７のインターフェースの最大結合能力を提供することが可能であるように、すなわち小さなインターフェース直径によって考えられる最大荷重を支持することが可能であるように設計される。これは、打ち上げ機と衛星の荷重によって生じる軸方向フローを支持する能力と、バンド−クランプ・システムのプレテンションによってバンド−クランプ・システムに生じる半径方向フローを支持する能力との関係を定義する式を最適化することによって達成される。この式は、第１近似では、Φａ＝Φｒ／２ｘ（ｔａｇα−μ）であり、ここで、
Φａ＝バンド−クランプによってプレローディングされるインターフェースが支持することができる最大軸方向フロー
Φｒ＝バンドを締め付けることによってクランプに生じる半径方向フロー
α＝インターフェース・リングに関するクランプ・ウェッジの両方の接触角度の平均角度
μ＝接触摩擦係数
である。

従って、ウェッジ角度および接触摩擦係数が固定であるバンド−クランプ型結合システムの場合、システム能力を増加させることを可能にする唯一の変量は、クランプに生じる半径方向フローを増加させることであり、従って、半径方向フローを生じる能力か、半径方向フローを維持する能力か、またはインターフェース外周に沿う半径方向フローの変動を減少させる能力を改善する任意の設計要素が、その能力の直接の改善をもたらすことになる。

本発明によれば、実際に、締め付け時に求められる目的である半径方向フローは、直接生じ、長さＬｍのクランプ１３上での半径方向の力Ｆ、すなわちバンド１１上に載り、クランプ１３を押さえながら進むネジ１９による値Φｒ＝Ｆ／Ｌｍの半径方向フローＦｍを発生する。

クランプ１３上の半径方向フローＦｍは、反作用として、バンド１１に逆の半径方向フローＦｂを生成し、半径方向フローＦｂは締め付けをもたらす。すなわちその張力は、クランプ１３を押さえるために生成された半径方向フローの結果であり、その逆ではない。

図２および図３は、３つのネジ１９用のナット２１を有する各クランプ１３について３つの貫通ドリル穴２３を備えるバンド１１を示す。ネジ１９は、ナット２１内にねじ込まれ、ネジ１９がクランプ１３に達すると、プレローディングが始まる。

プレローディング作用は、プレローディングの前と後の同じ断面を示す図４に見られる。ここでは、クランプ１３に対する押さえネジ１９の力の作用およびクランプ１３上に載るナット２１の反作用によって、クランプ１３とバンド１１との分離がどれほど増加するかを観察することができる（ラインＬは、両方の位置の異なる要素間の異なる相対的分離を認識するのに役立つ）。こうして、インターフェース・リング１５、１７はプレローディングされ、同時に、バンド１１は反作用によって締め付けられる。これはすべて、バンド１１とクランプ１３との間の、またはクランプ１３とインターフェース・リング１５、１７との間の接線方向の任意の種類の相対運動がない状態で実施される。従って、摩擦による張力損失は存在しない。

従って、張力Ｔで締め付けられる従来システムに関して生成される予荷重に等しい予荷重を生成するために、ネジによって生成されなければならない力は、Ｆ＝Ｌｍ×Ｔ／Ｒであり、ここで、Ｒはインターフェースの半径である。

その力Ｆを生成するために、伝達効率ＣでゲージＤのネジが必要とされ、そのネジに対して、値Ｍ＝Ｃ×Ｆ×Ｄを有する締め付けトルクＭが適用されることを考慮する。

長さＬｍのクランプを有するインターフェースの長さをカバーするために、必要なクランプの数Ｎは、Ｎ＝２×π×Ｒ／Ｌｍである。

また、１つのクランプにつき１つのネジを仮定すると、必要なネジの数は、Ｎ＝２×π×Ｃ×Ｄ×Ｔ／Ｍである。

提案されたシステムの比較される効率についての知識を与えるために、例えば締め付けトルクを１０Ｎ×ｍ（１００００Ｎ×ｍｍ）に制限する、効率Ｃ＝０．２およびゲージＤ＝８ｍｍのネジを用いて、Ｔ＝６００００Ｎまでバンドが締め付けられなければならない場合、６０個のネジが必要になることになる。この数のネジを用いると、半径Ｒ＝６００ｍｍのインターフェースに対する締め付けは、長さＬｍ＝６２ｍｍの６０個のクランプを押さえる（または、長さ１２４ｍｍの３０個のクランプが、それぞれ２つのネジによって押さえられる）ことを必要とする。

この締め付けメカニズムは、従来のクランプ／バンド・システムで使用される古典的な締め付けメカニズムとまったく異なる。これらのシステムでは、アダプタ／衛星結合インターフェースを同様に圧迫する、クランプの周りに配置された金属バンドは、機械的に両端部から引っ張るか、熱的に加熱して端部を結合してその後冷却されるか、または両方の組合せによって締め付けられる。これらすべての場合において、バンド方向（すなわち以降でインターフェースの接線方向と称する）の締め付けに関して意図されるものは、バンドの垂直方向（すなわち以降で半径方向と称する）に、クランプ上の、およびこれらから結合インターフェース上への荷重フローを生じることである。接線方向張力Ｔによって生じるこの半径方向フローΦｒの値は張力に正比例し、インターフェースの半径Ｒに逆比例し、すなわちΦｒ＝Ｔ／Ｒである。

従来の機械式締め付けシステムに関する基本的な差は、従来システムでは、バンドとクランプとの間の接線方向運動による摩擦によって生成される損失を補償するために、システムが、そこから引っ張られる端部の張力（Ｔｏ）を増加させることが必要であることである。張力（Ｔｏ）は、法則Ｔ（θ）＝Ｔｏ×ｅ^−μθによって定量化され、ここで、μは摩擦係数であり、θは締め付け地点を基準にして張力が測定される角度である。そのため、締め付け端部に対向する端部（θ＝πラジアン）上で同じ６００００Ｎを達成するために、摩擦係数がμ＝０．１である場合、締め付け端部に８２０００Ｎを加えることが必要となることになり、従って３０％に近い損失が起こることになる。

対照的に、提案されたシステムの場合、バンドとクランプとの間に接線方向運動が存在しないため、これらの損失は存在しないことになる。性能を低下させる唯一の因子は、摩擦に依存するネジ自体の効率によって生じるが、この因子は、値Ｃを持つ締め付けトルク計算に既に含まれる。

スペイン特許第２１３１４７６号に開示される熱フーピング（ｈｏｏｐｉｎｇ）によって締め付けられるバンドの場合、半径方向フローは、バンドと、バンドがリング上で収縮するときにバンドが結合するリングとの間の接触インターフェースで生成されるフーピング・ストレスによって達成される。バンドとリングとの間に接線方向運動が存在しないため、システムは上述した損失を持たない。しかし、インターフェースを形成する要素間の余裕および遊び、円の局所的また全体的均一性の欠如、ならびに剛性の欠如によって、フーピングの効率の損失が存在する。フーピングは、バンドを閉鎖し、すべてのこれらの欠陥を吸収する前に、バンドの端部を近づけるための初期の機械式締め付けおよびを必要とし、そうでなければ、余裕および柔軟性をすべて補償するのに十分なバンド温度に上げることが必要であることになる。一方、構造インターフェースおよびバンドを構築するのに使用される材料（両方共、通常、アルミニウム）は、制限された熱膨張係数を有するため、フーピング温度を上げることによってターゲットの張力を増加させることが可能であるにすぎず、これは、次に、これらの材料の機械的特性の低下によって制限を受ける。

提案されたシステムのさらなる利点は、プレローディングが、各クランプに、他のクランプと独立に生じることであり、できる限り均一な半径方向フロー分布を得ることを可能にし、インターフェース・リングが、通常の幾何形状に関して持つ場合がある逸脱を補正する。

このシステムの別のさらなる利点は、締め付けを開始するために、バンドの終端がロックされることが必要なだけであることである。これは、本明細書で提案された閉鎖メカニズムの初期位置が、システム締め付け要件によって調節されないこと、またはその逆であることを可能にするものである。または、換言すれば、メカニズム設計は、バンド設計と独立しており、またその逆である。この独立性は、とりわけ以下の特徴を提供する。
（１）閉鎖メカニズムは、特許第２１３１４７６号の場合と同様に、バンドを締め付けるのに使用されず、締め付け中にバンドの終端の接線方向運動を生じること、従って、この機能に適合する摩擦機能をバンド内に画定することを強制するであろう。
（２）メカニズムの主要なパラメータは、衝撃を減衰させる必要性に応じて選択される。従って、メカニズムの開始角度、要素の長さ、およびメカニズムの質量は、展開動特性である所望の機能およびその主要な結果（誘発される衝撃）が最適化されるように決定される。
（３）メカニズムのパラメータの選択は、その後適用される任意のバンド張力について、同様に、任意のバンド直径について有効である。
（４）システムの設置は、バンド張力によっても、メカニズムの位置によっても荷重が生じない状態で、緩和状態のメカニズムとバンドに関して始まり、はるかに多く初期ゼロに調整されるように測定および制御要素を位置決めすることを可能にする。

バンド内の開放および閉鎖デバイスの制御された開放メカニズムは、ここで、図５〜９に関して述べられるであろう。

制御された開放メカニズムの展開動特性は、このデバイスから望まれる性能に本質的な影響を及ぼす。上述したように、半径方向フローを増加させることによる、バンド１１とクランプ１３のアセンブリの能力の増加に関する実際上の制限は、バンド張力の突然の緩和が、次いでインターフェース・リング１５、１７に蓄積された弾性エネルギーの突然の緩和を生じることである。この弾性エネルギーは、これらのリングの運動エネルギーに変換され、リングは、円形状に連続しており、円形状に分配されたバネおよび質量のシステムの役目を果たし、その初期状態のいずれかの側で振動する。短時間持続性過渡信号であり、且つ全体の周波数スペクトル内で異なる加速度成分を有するこの振動は、衛星が、分離によって誘発される衝撃として認識するものである。この衝撃は、一定の加速度レベルの後に、衛星機器に損傷を与える可能性がある。これらの加速度レベルは、突然解放されたエネルギーに依存し、解放時間に存在するプレローディングの程度の直接関数である。そのため、分離によって生じる振動信号に対する衛星機器の感度は、システムの最大予荷重、従ってシステムの能力を制限する。

弾性エネルギーを突然解放するときに、励起されるすべてのインターフェース・リング振動モードの中で最も重要なモードは、それが最大加速度に相当し、次いでスペクトルの残りを決定するモードであるため、リング・ブリージング・モードと呼ばれる。このモードは、まるで初期リング半径の膨張および収縮が起こるかのような、すべてのリング断面の同相振動の結果である。この振動の周波数およびこの振動モードに相当する最大加速度は、突然の解放の前にシステムが有するプレローディングに容易に関連付けられる。このために、一定の均一な半径方向フローが生じるときにインターフェース・リングに蓄積される蓄積弾性エネルギーは、このブリージング・モードでは、リングの運動エネルギーに変換されるという仮説が考えられる。誘発された半径方向加速度とバンド張力との間の関係は、Ａｒ＝０．５Ｔ／（Ｒ×Ａ×ρ）、Ｆｒ＝（Ｅ／ρ）^０．５／（２×π×Ｒ）であり、ここで、
Ａｒ＝リングの軸対称モードで誘発された半径方向加速度
Ｆｒ＝軸対称モードまたはブリージング・モードの周波数
Ｔ＝突然の解放時のバンド張力
Ｅ＝リング材料の弾性係数
Ｒ＝衛星インターフェース・リングの平均半径
Ａ＝衛星リングの断面積
ρ＝衛星リングの容積密度
である。

上記式に関して、分離において誘発される衝撃加速度は、この張力の突然の解放時に存在する張力に正比例し、一方、振動運動の周波数は、インターフェース・リング直径に依存するだけであることが見てわかる。

従って、誘発された衝撃を低減する唯一の方法は、バンド張力を低減することであるが、これは、先に示されたように、システム能力を犠牲にする。

本発明によれば、バンド張力の緩和は、２つの段階で実施される。２つの段階とは、
（１）バンド張力が、その間に残留値にゆっくり減少する第１段階と、
（２）残留張力の緩和が、そこでは突然であるか、または、非常に速い第２段階と
である。

漸減段階（あるいは減速段階）と呼ばれることになる第１段階の間、バンドとインターフェース・リングで構成されたシステムは一緒に移動するため、バンドとリングの接触は、インターフェース・リングがブリージング・モードで自由に振動することを防止するであろう。このため、この段階で解放される弾性エネルギーが、何らかのシステム要素によって吸収されるか、または変換されることがさらに必要である。この段階が終了すると、システムは残留エネルギーを保持し、バンドは、同様に残留張力を有するであろう。

第２段階の間、バンドは、インターフェース・リングから離れ、インターフェース・リングが、固有ブリージング・モードで自由に振動することが可能になるであろう。バンドの残留張力およびリングの残留エネルギーは、システムの最終機能、すなわち最終的に誘発されることになる衝撃、および衛星の放出を保証するための完全な開放を規定するであろう。この第２段階が速ければ速いほど、衛星放出を乱さないことが大きく保証される。

各段階についての緩和の最適化は、システム能力を減少させる必要なしに、また衛星放出を乱すことなく、衝撃を低減する利益を生むであろう。各段階について時間を管理するために、これらの時間を制御する何らかのタイプのメカニズムが必要とされる。すなわち、メカニズムは、火工カッタによってボルトを切断するタイプの従来システムで生じる突然の緩和を、上で述べた２段階の制御された緩和に変換する。

こうして、本発明は、バンドの制御された開放を可能にすることができるメカニズムを提供し、それによりメカニズムは、両方の開放段階時間の比を最適化し、開放遅延時間を制御することができる漸減段階、および運動を一層加速することができる最終開放段階を実施する。この２重の目的が達成される方法は、図５に概略的に示すメカニズム、３つの剛性要素によって連結された４つの関節を有するメカニズムによって達成され、３つの剛性要素は、バンド１１に平行に延びる中央支持体３３および中央支持体に関して角度βを形成する２つの側面連結ロッド３５である。

支持体３３は、先に述べたボルトなどの保持要素によってその移動がロックされるが、メカニズムは、２つの連結ロッド３５を通して支持体の一方の側から他の側へ荷重を伝達することが可能である。支持体３３が解放されると、バンド内の張力Ｔがメカニズムを移動させ、それによって連結ロッド３５の角度が増加し、支持体３３が上に変位し、接線方向速度Ｖｔを張力が完全に緩和し、残留張力Ｔｒだけが残っているある角度に相当する最大値に増加させる。ここから支持体３３は漸減し、ついには速度が変わる。この時点で、支持体３３の慣性は初期作用と逆の作用を及ぼし、速度Ｖｒでの半径方向へのバンドの解放に役立つ。

システム動特性、従って、その最終機能を決定するパラメータは、
Ｌ＝連結ロッド３５の長さ
β＝支持体３３に関する連結ロッド３５の角度
Ｍ＝支持体３３の質量
である。

連結ロッド３５の長さは、強制運動によって正の作用を有する。連結ロッド３５が長ければ長いほど、バンド１１と連結ロッドを連結する関節の経路は、始めは非常に小さく、その後増加する接線方向成分を有する。これは、漸減段階では望ましい。しかし、考えられる最大長は、開放後のバンド直径を規定するため制限され、また、これは衛星によって課される限界を超えない。

初期角度が小さければ小さいほど、初期分離は上述した同じ運動学的理由から遅くなる。すなわち、漸減はより効果的になるであろう。メカニズムの角度はゼロ（平衡位置に相当することになる）であってよいが、摩擦力を考慮して解放を保証するために、早期の実用的な限界を有する。

最後に、支持体の質量Ｍは、移動する質量の残りの作用を無視すると、バンド解放動特性を最もよく決定する質量である。質量Ｍが大きければ大きいほど、より多くのエネルギーが、速度の２乗に比例して吸収され、また運動に対抗する慣性力は、大きければ大きいほど、連結ロッドを通してバンドの関節端にかかり、伝播し、バンドの解放を漸減するであろう。この質量の限界は、総システム重量の目標（ａｉｍ）に関連する問題にすぎない。

図６および図７は、制御された開放メカニズムの第１の実施例に関する開放および閉鎖デバイス４１を３つの位置で示す。開放および閉鎖デバイス４１は、例えばボルト４７などの保持要素を含む、バンド１１を開放し閉鎖する従来のメカニズム４６を備え、ボルト４７はバンドの端部を結合し、衛星をその打ち上げ機から分離するときに、例えば火工カッタ４８によって解放されてもよく、また制御された開放メカニズムは、連結ロッド４５によってバンドの２つの端部７、９に関節式に連結される支持体４３によって形成される。

上から下までの述べる位置の最初の位置では、打ち上げロケットから衛星を分離するためのコマンドの前の開始位置が示され、バンドの端部７、９が非常に接近している。第２の位置は中間位置であり、バンド１１は、インターフェース・リング１５、１７からまだ分離されていないが、端部７、９が分離したとすると、バンドの張力は緩和している。最後に、第３の位置は、パーキング位置とも呼ばれる最終位置を示し、バンド１１がインターフェース・リング１５、１７から完全に分離し、従って衛星放出が自由にできる（ｆｒｅｅ）ことを観察することができる。

図７に従うと、支持体４３が、Ｃセクションを有する湾曲形状を有すること、ならびにシャフトを用いて連結ロッド４５を組立てるためのインターフェース、ならびに分離コマンドを受信し且つメカニズムの運動をロックする保持器４７を解放することができる爆発ナット４８、およびバンドに関してメカニズムをそのパーキング位置に固定することができる一対のクリップ５１などの他のデバイス要素を支持体４３が有することを観察することができる。

図８ａおよび図８ｂに従うと、制御された解放メカニズムの第２の実施例がここで述べられるであろう。

開放および閉鎖デバイス６１は、この場合、バンド１１の端部に連結する２つのシャフト６７が追従しなければならない運動を規定する２つの溝６５を含む支持体６３を含む。溝６５の形状およびサイズは、溝６５が、異なる傾斜の２つのセクション６８、６９および２つのセクション間の遷移部を有するように設計される。第１セクション６８は、バンド１１の端部の分離運動を漸減させるために、非常に急峻な傾斜によって画定される。垂直ラインに関してこのセクションによって形成される角度は、本発明の第１の実施例における連結ロッドの初期角度に匹敵する設計パラメータである。この角度が小さければ小さいほど、初期分離がゆっくり行われるであろう。運動学的適合性は、両方のシャフトの分離を可能にするために、主支持体を垂直に、すなわち外側に変位させる。このため、支持体の運動中に、支持対の質量と質量の速度の２乗に比例する対応する運動エネルギーを投入することが必要である。従って本発明の第１の実施例のメカニズムに完全に匹敵する消散および漸減メカニズムが存在する。溝６５の第２セクション６９は、所望の時間にシステムを停止させるのに必要とされる運動が加速されるように画定される。両方のセクション間の遷移部は、遷移運動を規定する曲線によって作られる。溝上での走行の終了は、バンドの開放モード、すなわち閉鎖モードに関する幾何形状を規定する。

メカニズムを理解する別の方法は、以下の通りである。シャフトが溝の第１セクションの開始部にあるときのシャフト間の水平距離は、システムの最大張力状態に相当する。シャフトが第１セクションの終了部にあるときのシャフト間の水平距離は、システムの最小張力状態に相当し、最小張力は、必要とされる場合、特にゼロであってよい。距離の差は、システムを締め付け、緩めるのに必要とされる距離の差である。このセクションの長さは、その２つの位置の間でシャフトによって、また支持体による反作用によって通過されなければならず、従って支持体質量と張力と共に、このセクションの長さは、初期張力から最終張力まで張力が減少する時間、すなわち漸減時間を規定する。第２セクションは、張力が最小の地点とこの第２セクションの最終地点との間で、インターフェース・リングからのバンドの分離および開放モード直径での停止が起こるように規定される。

簡潔に言えば、溝６５の設計は、得られることになる運動、従って分離の動特性、その結果、分離によって誘発される衝撃を管理することを可能にする。

本発明の第１の実施例の場合と同様に、参照デバイス、この他の実施例は、主支持体とバンドとの間の相対運動をロックすることおよび解除することを可能にする要素を持たなければならず、それらが匹敵するように、上述したものと厳密に同じコンポーネントが使用されてもよい。

同様に、締め付けシステムは、締め付けシステムを変えることなく、または締め付けシステムに依存することなく、開始位置を規定することを可能にしなければならない。この開始位置は、厳密に、シャフトを第１セクションの開始部に位置決めする位置である。この位置から、締め付けは、参照システムについて規定された同じプロセス、すなわちプッシャ・ネジによってクランプをインターフェース・リングに引き寄せることで始まってもよい。

制御された開放メカニズムの第３の実施例は、ここで図９ａおよび図９ｂに従って述べられる。

開放および閉鎖デバイス７１は、この場合、バンド１１の端部７、９に連結する２つのシャフト７７が追従しなければならない運動を規定する２つの溝７５を含む支持体７３を含む。

支持体７３は、先の実施例と同様に、２つのセクションの時間を管理することを可能にする一定の弾性を有する。その部分について、開放および閉鎖デバイス７１は同様のロッキングおよび解除要素を含む。

この場合、支持体７３は、弾性があり、且つ各溝７５内に隔壁７６が存在するために支持体の下方部分の２つの位置７８、７９を可能にする単一金属部品である。２つの位置の一方、自然な位置７９（開放位置）に相当する位置では、支持体は、シャフト７７がその位置を通過するための十分な余裕を残す。他の位置、変形位置７８（閉鎖位置）に相当する位置では、上側部分に接触するまで支持体を変形させ、また分離を作動させることになる火工ナットに結合したままにされるネジによって加えられた予荷重によってその位置に支持体を保持することによって、この余裕は取り消される。

この最後の位置から始めて、シャフト７７の運動はロックされ、一方、火工ナットは、関連するネジを保持する。分離コマンドが与えられると、シャフトは、シャフトを保持した傾斜壁に追従し、傾斜壁の角度および長さは、溝付きメカニズムと同じ方法で張力緩和および漸減時間を規定する。シャフトは、放出開口に達すると、支持体７３の端部によって保持されるまで、水平運動で急速に変位する。

本発明は、好ましい実施例に関して全体が述べられたが、これらの実施例は制限しないことが明らかであり、添付の特許請求の範囲によって規定される範囲内に含まれる変更を導入することが可能である。

本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置の平面略図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置の斜視図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置のアセンブリの異なる図のうちの１つの図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置のアセンブリの異なる図のうちの１つの図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置のアセンブリの異なる図のうちの１つの図である。 半径方向張力を加える前と後の、インターフェース・リング上に組み付けられた本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置の２つの断面図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置の制御された開放メカニズムの作動原理を概略的に示す図である。 本発明による打ち上げロケットと衛星の連結装置の制御された開放メカニズムの作動原理を概略的に示す図である。 開放の始めにおける、本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 リングからのバンドの分離が始まるときの、本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 最終停止位置における、本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスの異なる図のうちの１つの図である。 本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスの異なる図のうちの１つの図である。 本発明の第１の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスの異なる図のうちの１つの図である。 開放の始めにおける、本発明の第２の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 最終停止位置における、本発明の第２の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 開放の始めにおける、本発明の第３の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。 最終停止位置における、本発明の第３の実施例による打ち上げロケットと衛星の連結装置の開放および閉鎖デバイスを示す図である。

Claims (5)

1. 打ち上げ機と衛星の連結および分離装置であって、内部チャネルを有するバンド（１１）を有し、該内部チャネル内には複数のクランプ（１３）が摺動式に配置され、該クランプは、両方のビークルの間の結合インターフェースを構成するリング（１５、１７）上に適用され、そして前記バンド（１１）の端部（７、９）の結合および分離デバイス（４１、６１、７１）を備え、該結合および分離デバイスは、そのロッキング要素（４７）およびそれを解除するための手段（４８）を含む打ち上げ機と衛星の連結および分離装置において、
   ａ）前記バンド（１１）−クランプ（１３）アセンブリを半径方向に締め付けるための手段（１９）も有しており、該バンド（１１）−クランプ（１３）アセンブリを半径方向に締め付ける手段は、それらの外周に沿って配列された前記クランプ（１３）のための複数の押圧要素（１９）にあり、該押圧要素（１９）は、前記バンド（１１）上に配列された貫通ドリル穴（２３）内に位置するナット（２１）と協働するネジ（１９）にあり、
   ｂ）前記結合および分離デバイス（４１、６１、７１）は、２つの段階で前記バンド（１１）の制御された開放を可能にするメカニズムも有し、その第１段階では、前記バンド（１１）の前記端部（７、９）が、前記リング（１５、１７）との接触を維持しながら変位し、前記バンド（１１）の締め付けに相当する弾性エネルギーが摩擦により消失し、また第２段階では、前記バンド（１１）が、その停止位置に達するまで、前記リング（１５、１７）から分離する
   ことを特徴とする打ち上げ機と衛星の連結および分離装置。
2. １クランプ（１３）当たりのネジ（１９）の数が１から３までの間からなることを特徴とする請求項１に記載の打ち上げ機と衛星の連結および分離装置。
3. 前記結合および分離デバイス（４１）はまた、質量Ｍの支持体（４３）と、該支持体（４３）および前記バンド（１１）の前記端部（７、９）に関節式に結合される２つの連結ロッド（４５）とを有し、それによって、前記保持要素（４７）が解除されると、第１段階において、前記バンド（１１）の前記端部（７、８）は、前記バンド（１１）の締め付けに相当する弾性エネルギーが消失するまで前記リング（１５、１７）に正接態様で変位し、また第２段階において、前記端部（７、９）は、その停止位置に達するまで、前記リング（１５、１７）に対して半径方向に変位することを可能にされていることを特徴とする請求項１に記載の打ち上げ機と衛星の連結および分離装置。
4. 前記結合および分離デバイス（６１）はまた、前記バンド（１１）の前記端部（７、９）に結合されるシャフト（６７）用の２つの案内溝（６５）を備えた質量Ｍの支持体（６３）を有し、それによって、前記保持要素（４７）が解除されると、第１段階において、前記シャフト（６７）は、前記バンド（１１）の締め付けに相当する弾性エネルギーを消失するように構成された前記案内溝（６５）の第１部分（６８）に沿って変位し、また第２段階において、前記シャフト（６７）は、前記バンド（１１）の停止位置まで該バンド（１１）の移動を案内するように構成された前記案内溝（６５）の第２部分（６９）に沿って変位することを可能にされていることを特徴とする請求項１に記載の打ち上げ機と衛星の連結および分離装置。
5. 前記結合および分離デバイス（７１）はまた、前記バンド（１１）の前記端部（７、９）に結合されるシャフト（７７）が２つの位置（７８、７９）に配置されるように構成された溝（７５）を備えた質量Ｍの支持体（７３）を有し、それによって、前記保持要素（４７）が解除されると、第１段階において、前記シャフト（７７）は、前記バンド（１１）の締め付けに相当する弾性エネルギーを消失させるまで、各溝（７５）内に位置する隔壁（７６）によって与えられる抵抗を克服しながら前記第１位置（７８）から前記第２位置（７９）まで加減なしに変位し、また第２段階において、前記シャフト（７７）は、前記第２位置（７９）に沿ってその停止位置までが変位するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の打ち上げ機と衛星の連結および分離装置。

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