JP4722362B2 - 搭載物への音響振動の伝達を最小にする方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動絶縁（vibration isolation）の分野に関し、特に、発射中のミサイルの搭載物（payload）の振動絶縁に関する。更に本発明は、大気圏を通過する時に搭載物に伝達される音響波によって生じる振動、特に音の壁を通過するときの振動又は地上のロケットエンジンの最初の点火から反射される振動の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行中の発射飛行体から搭載物に伝達される振動を低減するために使用される多数の振動絶縁装置が開発されてきた。この種の１つの有効な装置は、米国特許第5,947,240号に見られる。
このような装置は、ロケットエンジンによって大気中を推進される飛行体から伝達される機械的振動の低減に集中された。非常に大きな衝撃波が生じるほぼ音速で大気を通る飛行体によって生じる振動を低減する試みはほとんどなされていなかった。これらの衝撃波は、搭載物の周囲のシュラウドを大きな力で振動し、これらの振動は、シュラウドの空気を通して搭載物に伝達される。音響振動は、ピークにおいて、載機器に加えられる振動全体の約半分になると評価され、音響振動アイソレータの必要性が生じる。
【０００３】
本発明は、大気中を飛行中に生じる振動及び音速を超えるときに生じる衝撃波が起こるとき、それらを搭載物に伝達する媒体をなくすか、低減し、搭載物が振動を受けないように発射前、又は発射中に搭載物の周りの空気を真空とすることによって音響振動の問題を解消する。
【０００４】
【発明の実施の形態】
衛星（satellite）のような搭載物を打ち上げるロケットは、一般にロケットブースター又は発射飛行体（launch vehicle）と搭載物（payload）との間に振動絶縁体を備えて製造され、ブースターと搭載物の間を伝達される振動を絶縁又は最小にする。上述した米国特許第5,947,240号に示される絶縁体は、この課題を達成するために非常に有効であることが証明された。しかしながら、この振動絶縁体は、大気を通るブースター及び搭載物の迅速な速度によって、又は地上の飛行体エンジンの最初の点火からの反射によって、また、飛行体ハウジングと搭載物との間の音響的な結合によって伝達される振動については、ほとんど機能しない。
【０００５】
打ち上げ中に、搭載物を保護するために、ブースターが大気を進行中に生じるとき搭載物が空気のラッシュに露出されないように搭載物の周りに外側ケーシング又はシュラウドが配置される。シュラウドは、ブースターを密封するが、大気が次第に希薄になるとき、シュラウドの内圧が爆発力まで蓄積されないように複数の穴を有する。
【０００６】
ブースタ及び搭載物が連続して加速して上昇するとき、高速の飛行によって飛行体の胴体に生じる衝撃（buffeting）は、シュラウドを振動させ、この振動は、シュラウドの空気を通して搭載物に伝達される。この衝撃は、音速又はその近傍でピークに達し、相当の大きさの衝撃波が起こり、搭載物に深刻な打撃を与える。この危険性を低減するために、シュラウドは、衝撃及び衝撃波からの曲げとたわみに抵抗するように重い材料でつくられる。もちろん、これは望ましくない。なぜならば、シュラウドの重量を増加させ、大気圏を離れるために飛行体がさらに大きな重量を打ち上げなければならないからである。
【０００７】
ブースターと搭載物が音速を超え、大気圏を出ると、シュラウドの必要性はなくなり、一般に、この時に廃棄される。それらを廃棄するためにシュラウドの部品を分離するために使用される爆発力は、空気が存在する場合に、搭載物に衝撃を与える。この後には、音響衝撃が生じない。なぜならば、搭載物の周りに大気がないからである。
【０００８】
本発明は、シュラウドが振動を伝達することができないようにシュラウドの周りの空気を除去することによって音響振動を除去する。これは飛行体が発射台を離れる前に地上で行われるか、上昇する途中で行われる。双方の方法において利点及び欠点がある。発射台を出る前にシュラウドが真空とされたとき、ポンプ及び配管類が残され、重量が減少するが、シュラウドの材料は、シュラウドの外側に作用する大気圧力容器に対抗するように十分強くなければならない。もしシュラウドが上昇中に真空とされる場合には、圧力が次第に低減され、途中の衝撃（buffeting）が低減され、外側からの大気圧が最小にされる。ブースターが音速に達するとき、シュラウドの内側の圧力は、非常に小さく衝撃を最小にするが、真空機構の重量を支持しなければならず、又はシュラウドを真空にするいくつかのある方法を使用しなければならない。
【０００９】
また、本発明は、ポンプを設けることなく上昇の途中でシュラウドを次第に真空にする別の方法を提供する。さらに詳細には、ベンチュリ管の原理を用いて、ブースタを通過する大気の通路にそれを配置するか、又は飛行体の排気部分の外側への空気の流れにベンチュリ管の開放端を露出することにより、ベンチュリ管の開放端を横切るように廃棄ガス又は空気を通過させることによって真空とする。いずれの場合にも、ベンチュリ管の他端の圧力の低下は飛行体が上昇するにつれて、シュラウドの内側をさらに真空にする。
ブースターが上昇するにつれて、シュラウドの内側の圧力が低下しすぎるのを防止するために、小さい差圧弁、バープ弁をベンチュリ管内に配置してシュラウド内の圧力を大気圧より低いある所定の圧力に維持することができる。
【００１０】
本発明の種々の実施の形態のいくつかを図面を参照しながら説明する。図１は、実際に発射する前の打ち上げ飛行体すなわちブースター１０を示している。人工衛星のような搭載物１２は、振動アイソレータ１４によってブースター１０に取り付けられていることが示されており、この振動アイソレータ１４は、上述した米国特許第5,947,240号に説明されているものと同様である。図面において、外側ケーシング又はシュラウド２０が示されており、このシュラウド２０は、シュラウド１２によって形成されたスペース２２に搭載物１２を収容して密封するように密封状態でブースター１０の上部に取り付けられている。シュラウド２０は、ブースター及び搭載物１２が所定の位置になった後、ブースター１０から容易に取り外すことができるように２つ又は３つのクラムシェル形状につくられる。
【００１１】
図１において、パイプ２６に接続されるポンプ２４が示され、このパイプ２６は、シュラウド２０の内側に接続される。起動時にポンプ２４は、シュラウド２０の内側のスペースを真空にする。発射前に真空化が実行されるとき、パイプ２６が密封され、ポンプ２４が廃棄される。もし発射中のスペース２２をゆっくり真空にすることが望ましいならば、ポンプ２４は、ブースター１０に取り付けられたままであり、大気中を上方に移動する。ブースター１０と搭載物１２が上昇するとき、ポンプ２４は、シュラウド２０の内側の圧力を少しづつ低減し続け、スペース２２をシュラウド２０の外側の大気圧に対して所定の圧力に維持する。これは、シュラウドの材料を他の場合よりも軽くすることができる。空気は、スペース２２がブースター１０の速度が音速を超える直前に真空とされ、搭載物１２への衝撃波を防ぐように連続して除去される。
【００１２】
図２は、別の実施の形態を示し、図１の部品と同じ部品は、同じ参照番号を有する。図２において、発射の後に大気中をポンプ２４のない状態でブースター及び搭載物が上昇する間にシュラウド２０のスペース２２が真空とされる。ポンプを使用する代わりに、排気３４に露出される開放端３２を有するベンチュリ管３０が示される。ベンチュリ管３０の他端は、パイプ２６に取り付けられる。飛行体が上昇すると、バンチュリ管３０の開放端３２を排気ガスが勢いよく流れ、パイプ２６がスペース２２からの空気を除去し、ブースター１０及び搭載物１２が音速の壁を達する直前に完全に真空になるようにする。真空にする速度をさらによく制御するために、複数のベンチュリ管を使用することができる。例えば、排気ガス３４に露出された開放端３２ａを有するベンチュリ管３０ａは、パイプ２６ａを通してシュラウド２０の内側のスペース２２に接続され、真空にする速度を増大する。必要ならば、他のベンチュリ管（図示せず）も使用することができる。
【００１３】
大気の外側に対してスペース２２の中の真空を制御するために、スペース２２と外側の大気との間の差圧が所定の値を超えるときにはいつでも弁３６が、所望の弁に対して差圧を調整するように作動する。
【００１４】
図３は、本発明の更に別の実施の形態を示す。この実施の形態では、図２のパイプ２６及び２６ａは除去され、シュラウドは、打ち上げ飛行体すなわちブースター２０が大気を通過するとき流れる空気に露出されるように大気の外側に延びている開放端４２及び４２ａを有する１つ又は複数のベンチュリ管４０及び４０ａを収容するように設定される。ベンチュリ管４０及び４０ａは、シュラウド２０の内側が飛行体が音速に達する前に真空になるように飛行体がさらに迅速に大気を通過するときスペース２２から空気を引く。所望ならば、作動弁４６は、スペース２２と外側の大気との間の差圧が所定の値を超えないことを保証するために使用される。
【００１５】
したがって、飛行体の搭載物を発射中に生じる音響の振動から保護する新しい及び独得の方法を提供したことが理解できよう。当業者によって多くの変更改造がなされるであろう。例えば、本発明の説明のために単一段の飛行体が使用されるが、多段の飛行体を使用できることも理解できよう。本発明の部品の構成及び飛行体への取付の構成は、複数段の飛行体を使用することができることが理解できよう。本発明の部品の構成及び飛行体への取付けは、複数段の飛行体とともに使用するために変更される必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施の形態の概略図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態の概略図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態の概略図である。

Claims (3)

1. 搭載物（１２）への音響振動の伝達を最小限にする音響振動アイソレーション装置であって、
   前記搭載物（１２）を包囲するシュラウド（２０）と、
   前記搭載物の周りのスペース（２２）を真空にするために前記シュラウドに接続された真空装置（２４、３０、３０ａ、４０、４０ａ）と、
   前記シュラウドの内側と前記シュラウドの周りの大気との間を接続する差圧弁（３６、４６）と、を有し、
   前記差圧弁（３６、４６）は、前記シュラウドの内側と前記シュラウドの周りの大気との間の差圧が所定の値を超えることを防止する音響振動アイソレーション装置。
2. 衝撃波を生じる音速を超える速度で大気圏を通過する発射飛行体（１０）に接続された搭載物（１２）を損傷する振動を防止する方法であって、
   前記発射飛行体（１０）から搭載物（１２）に伝達される機械的な振動を抑えるために前記搭載物と前記発射飛行体との間に振動アイソレータ（１４）を配置する工程と、
   前記搭載物（１２）の周りに密封されたシュラウド（２０）を配置する工程と、
   前記発射飛行体（１０）が大気圏を通過するときの音響振動を抑えると共に音速を超える衝撃波による音響振動を抑えるため、発射飛行体（１０）が音速を通過する前に、シュラウド（２０）を通過して発射飛行体（１０）の排気ガス（３４）中へ伸びるベンチュリ管（３０、３０ａ、４０、４０ａ）を介し、シュラウド内の搭載物（１２）の周りのガスを取り除く工程と、を有する方法。
3. 衝撃波を生じる音速を超える速度で大気圏を通過する発射飛行体（１０）に接続された搭載物（１２）を損傷する振動を防止する方法であって、
   発射飛行体（１０）から前記搭載物（１２）に伝達される機械的な振動を抑えるために前記搭載物と前記発射飛行体との間に振動アイソレータ（１４）を配置する工程と、
   前記搭載物（１２）の周りに密封されたシュラウド（２０）を配置する工程と、
   前記発射飛行体（１０）が大気圏を通過するとき発射飛行体（１０）が音速を通過する前にシュラウド（２０）内のガスが引き出されるように、シュラウドと大気との間に配置されたベンチュリ管（３０、３０ａ、４０、４０ａ）を介しシュラウド内の搭載物（１２）の周りのガスを取り除く工程と、を有する方法。

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