JP4892059B2

JP4892059B2 - 衝撃及び発射装置

Info

Publication number: JP4892059B2
Application number: JP2009510972A
Authority: JP
Inventors: ゴヤール，スレッシュ
Original assignee: アルカテル−ルーセントユーエスエーインコーポレーテッド
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-05-04
Also published as: CN101443646B; JP2009537820A; US7367214B2; KR20090003333A; WO2008054525A3; WO2008054525A2; CN101443646A; EP2029995B1; KR101018533B1; EP2029995A2; US20070266764A1

Description

本願は米国特許出願番号１１／３７８０１９号「Shock Apparatus」Attorney Docket No. Goyal 10、２００６年３月１７日出願に関連し、その全体が参照としてここに取り込まれる。
本願はまた、米国特許出願番号１１／３７８０８２号「Rotational and Linear Shock Apparatus」Attorney Docket No. Goyal 9-1-1、２００６年３月１７日出願に関連し、その全体が参照としてここに取り込まれる。

本発明は概略として機械的衝撃及び発射物体に関し、より詳しくは、機械的衝撃を与え、物体を発射するための装置及び方法に関する。

多くのタイプのデバイス及び構造物はある期間にわたって印加される所定レベルの加速、即ち、衝撃加速への耐性が要求される。そのような装置の例としては、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭｓ）、ナノデバイス、フォトニックデバイス、及びＲＦデバイスがある。衝撃加速を加えるために使用される装置及び方法には、落下試験、即ち、試験対象物を所定の高さから落下することや、弾道試験、即ち、砲撃によって発射される砲弾に試験対象物を取り付けること等がある。ＳｐｌｉｔＨｏｐｋｉｎｓｏｎＢａｒ法も使用され得る。そのような装置及び方法には現実的な限界がある。例えば、落下試験は対象物が落とされる高さによって制限され、それによって生成され得る加速度が制限される。また、砲弾による方法も危険であり費用がかかってしまう。

また、多くの対象物は所定の速度まで加速される必要がある。そのような対象物の例として、衛星、ある種の乗り物、及び弾薬がある。対象物をある速度まで加速するために使用される装置及び方法には、弾道による方法、試験対象物をロケットに取り付ける方法等がある。そのような方法の１つの限界はそれが危険かつ高価なものとなってしまうことである。

従来技術の種々の欠点が本発明によって対処され、その一実施例は衝撃及び発射装置である。衝撃及び発射装置はキャリッジガイドに沿って移動するよう適合された第１のキャリッジ及び第２のキャリッジであって、第１のキャリッジは第２のキャリッジの質量Ｍ_２よりも大きい質量Ｍ_１を有するような第１のキャリッジ及び第２のキャリッジ；第１及び第２のキャリッジの略直線状の移動経路に関連するキャリッジガイド；及び、キャリッジストッパーであって、第１の位置及び第２の位置に配置することができ、第１の位置にあるときのキャリッジストッパーは少なくとも部分的に第２のキャリッジの移動経路内にあるようなキャリッジストッパーからなる。一実施例において、第２の位置にあるときのキャリッジストッパーは第２のキャリッジの移動経路内にはない。

方法の一実施例は、第１のキャリッジに速度反転のための衝突を与えるステップ；第１のキャリッジに速度反転衝突の後に第２のキャリッジと第１のキャリッジの間に複数の速度増幅のための衝突を与えるステップ（第１のキャリッジは第２のキャリッジの質量Ｍ_２よりも大きい質量Ｍ_１を有する）；第２のキャリッジと第１の位置にあるキャリッジストッパーの間に速度反転のための複数の複数の衝突を与えるステップ；及びキャリッジストッパーの位置を第２の位置に変えるステップからなる。

本発明の上記の構成が詳しく理解されるように、上記に簡単にまとめた発明のより具体的な記載が実施例によって参照され、そのうちのいくつかは添付の図面に示される。しかし、添付の図面は本発明の標準的な実施例のみを図示するものであり、それゆえ、発明は他の同様に有効な実施例を可能とするものであり、添付の図面は発明の範囲を限定するものではない。
なお、理解を容易にするために、同一の符号は、可能なものについては、各図に共通の同一要素を指定するように使用した。

図１は、本発明による衝撃及び発射装置２０の一実施例の断面図であり、図２は図１に示す衝撃及び発射装置２０の実施例の鳥瞰図である。

衝撃及び発射装置２０は、略直線状の経路３２に沿って移動し、互いに衝突させることができる第１のキャリッジ２４及び第２のキャリッジ２８を備える。第１のキャリッジ２４は第１の質量Ｍ_１を有し、第２のキャリッジ２８は第２の質量Ｍ_２を有する。第１の質量Ｍ_１は第２の質量Ｍ_２よりも大きい。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８は経路３２に沿って空間的に配列されている。この空間的配列は、互いに関して、及び衝撃及び発射装置２０の他の部材に関してのものであり、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の相対的質量に従う。

衝撃及び発射装置２０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の経路３２に沿った移動をガイドするためのキャリッジガイド３６を備える。キャリッジガイド３６はまた、衝撃及び発射装置２０の動作中に第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の相対的な空間的配列を維持することができる。

第１及び第２のキャリッジ２４及び２８並びにキャリッジガイド３６は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８のキャリッジガイド３６に沿った移動を与えるように適合されている。一実施例において、キャリッジガイド３６は第１のキャリッジ２４の表面４４及び第２のキャリッジ２８の表面４８と接触する表面４０を備える。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の表面４４及び４８はキャリッジガイド３６の表面４０に沿って移動する。例えば、一実施例では、キャリッジガイド３６は少なくとも１つのガイドロッド５２を備え、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８はガイドロッド５２に沿ってスライドすることによって経路３２に沿って移動する。図１に示す一実施例において、キャリッジガイド３６は一対のガイドロッド５２を備える。図３は単一のキャリッジガイドロッド５２を有するキャリッジガイド３６を備える衝撃及び発射装置２０の実施例の断面図である。

一実施例において、キャリッジガイド３６の表面４０に接触する第１及び第２のキャリッジ２４の表面４４及び４８はキャリッジガイド３６の表面４０と比較的低い摩擦を与える。例えば、一実施例では、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々が、表面４４及び４８を有する少なくとも１つのベアリング５６を備える。図１の実施例において、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々は、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８のガイドロッド５２に沿った移動を容易にする一対の直線ベアリング５６を備える。

キャリッジガイド３６の他の実施例もある。一実施例では、キャリッジガイド３６は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を少なくとも部分的に囲む構造物６０を備える。例えば、図４ａは、キャリッジガイド３６が第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を完全に囲む中空円筒６４を備える衝撃及び発射装置２０の実施例の断面図である。図４ｂは図４ａに示す衝撃及び発射装置２０の実施例の鳥瞰図である。さらに他の実施例では、キャリッジガイド３６は、少なくともある程度の時間は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に接触せずに第１及び第２のキャリッジ２４及び２８をガイドする手段を備える。例えば、キャリッジガイド３６は、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に相互に作用する磁界を発生して第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に力を及ぼしてそれらをガイドする手段を備えていてもよい。選択的に、キャリッジガイド３６は、例えば、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に加えられる圧力ガス又は液体を発生する手段のような、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８をガイドする力を及ぼす他の手段を備えてもよい。

衝撃及び発射装置２０は第２のキャリッジ２８の移動と選択的に相互作用することができるキャリッジストッパー６８を備える。キャリッジストッパー６８は、第２のキャリッジ２８の移動に対して速度反転の変化を与えるような第１の態様で第２のキャリッジ２８の移動と相互作用する第１の状態７２を有する。キャリッジストッパーはまた、第２のキャリッジ２８の移動に対して第２の態様で第２のキャリッジ２８の移動と相互作用するか、第２のキャリッジ２８の移動と相互作用しない第２の状態７６を有する。

一実施例では、キャリッジストッパー６８は選択的に位置決め可能なキャリッジストッパー６８である。本実施例において、キャリッジストッパー６８の第１の状態７２はキャリッジストッパー６８の第１の位置７２ａに、キャリッジストッパー６８の第２の状態７６はキャリッジストッパー６８の第２の位置７６ａ（７６ｂ）にある。図１に示す実施例では、キャリッジストッパー６８は選択的に位置決め可能なキャリッジストッパー６８である。

図５ａは選択的に位置決め可能なキャリッジストッパー６８の第１の位置７２ａの一実施例を示すものである。キャリッジストッパー６８の第１の位置７２ａは少なくとも部分的に第２のキャリッジ２８の移動経路３２内にある。第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８と第２のキャリッジ２８との相互作用はキャリッジストッパー６８と第２のキャリッジ２８との衝突である。第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８は第２のキャリッジ２８の移動に対する防壁となり、速度反転のための衝突を第２のキャリッジ２８に与える。

図５ｂは選択的に位置決め可能なキャリッジストッパー６８の第２の位置７６ａの一実施例を示すものである。図５ｂに示す実施例では、第２の位置７６ａにおいて、キャリッジストッパー６８のどの部分も第２のキャリッジ２８の移動経路３２内にはない。

図５ｃは選択的に位置決め可能なキャリッジストッパー６８の第２の位置７６ｂの実施例を示すものである。図５ｃに示す実施例では、第２の位置７６ｂにおいて、キャリッジストッパー６８は少なくとも部分的に第２のキャリッジ２８の移動経路３２内にあるが、第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８とは異なる態様で第２のキャリッジ２８と相互作用する。

一実施例では、キャリッジストッパー６８の第１の位置７２ａは静止位置である。他の実施例では、キャリッジストッパーの第１の位置７２ａは非静止位置であり、即ち、キャリッジストッパーは第１の位置７２ａにあるが移動する。

衝撃及び発射装置２０はキャリッジストッパー６８の第１の状態７２と第２の状態７６の間の切換のための手段８８、例えば、切換装置８８を備える。一実施例では、切換手段８８は：第１のキャリッジ２４の位置、第１のキャリッジ２４の速度、第２のキャリッジ２８の速度、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８の間で起こった衝突回数、又は第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８の間で起こった衝突回数のうちの少なくとも１つに応じて動作する。一実施例では、切換手段８８は第１の状態７２と第２の状態７６の間でキャリッジストッパー６８を物理的に少なくともある程度移動させるための手段を備える。切換手段８８の実施例はキャリッジストッパー６８を、キャリッジストッパー６８を回転させ、又は直線移動させる等して様々な方法で移動させることができる。選択的に、切換手段８８は：電気モータ又は空気アクチュエータのうちの少なくとも１つを備える。図６に切換手段８８を備える衝撃及び発射装置２０の一実施例を示す。

一実施例では、衝撃及び発射装置２０は、第１のキャリッジ２４の位置、第１のキャリッジ２４の速度、第２のキャリッジ２８の速度、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８の間で起こった衝突回数、又は第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８の間で起こった衝突回数のうちの少なくとも１つを検出するための手段９２を備える。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の速度を検出することは、速度の大きさ又は速度の方向の少なくとも１つを検出することを含む。一実施例では、検出するための手段９２は検出器９２からなる。選択的に、検出手段９２は光学センサ又は加速度計の少なくとも１つを備える。

他の実施例では、衝撃及び発射装置２０は第１のキャリッジ２４と衝突することができる第１のターゲット１００を備える。しかし、選択的に、第１のターゲット１００は衝撃及び発射装置２０ではない装置又は環境の一部であってもよい。一実施例では、第１のターゲット１００は、例えば、地面、設備、台の上、又は他の動かない面のような固定位置の物体である。他の実施例では、第１のターゲット１００は移動する物体又は少なくともある時間帯は移動する物体である。例えば、一実施例では、第１のターゲット１００は第１のキャリッジ２４に向けて上方に移動するように選択的に移動されるプレートからなる。

一実施例では、衝撃及び発射装置２０は第２のキャリッジ２８と衝突することができる第２のターゲット１０４を備える。

第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の形状、寸法及び重量のバリエーションが可能である。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々は、例えば第１若しくは第２のキャリッジ２４若しくは２８又は第１若しくは第２のターゲット１００若しくは１０４等の他の物体との衝突が起こる部分となる少なくとも１つの衝突部分３０を備える。一実施例では、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の各々は複数の衝突部分３０を備え、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々の複数の衝突部分３０の選択されたサブセットが相違して適用される。一実施例では、第１のキャリッジ２４は第１のターゲット１００と衝突する少なくとも１つの衝突部分３０ａを備え、第２のキャリッジ２８と衝突する少なくとも１つの衝突部分３０ｂを備える。一実施例では、第２のキャリッジは第１のキャリッジと衝突する少なくとも第１の衝突部分３０ｃ、第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８と衝突する少なくとも１つの衝突部分３０ｄ、及び第２のターゲット１０４又は第２の状態７６ｂの実施例におけるキャリッジストッパー６８のいずれかと衝突する少なくとも１つの衝突部分３０ｅを備える。

第１及び第２のターゲット１００及び１０４の形状、寸法及び重量のバリエーションが可能である。第１のターゲット１００は第１のキャリッジ２４に衝突する少なくとも１つの衝突部分３０ｆを備える。一実施例では、第２のターゲットは第２のキャリッジ２８に衝突する衝突部分３０ｇを備える。

キャリッジストッパー６８も少なくとも１つの衝突部分３０を備える。例えば、第１の状態７２にあるキャリッジストッパーは第２のキャリッジ２８と衝突する衝突部分３０ｈを備える。一実施例では、第２の状態７６ｂの実施例におけるキャリッジストッパーは第２のキャリッジ２８の衝突部分３０ｅと衝突する衝突部分３０ｉを備える。

一実施例において、キャリッジストッパー６８は第２のターゲット１０４に接合されていてもよい。キャリッジストッパー６８を第２のターゲット１０４に接合することは、キャリッジストッパー６８が第２のターゲット１０４と一体化することを選択的に含む。例えば、図５ｄ−ｆは、キャリッジストッパー６８が第２のターゲット１０４に接合された衝撃及び発射装置２０の実施例を示す。図５ｄは第１の状態７２で接合されたキャリッジストッパー６８の実施例を示す。図５ｅは、第２の位置７６ａからなる第２の状態７６の実施例における接合されたキャリッジストッパー６８の実施例を示す。図５ｅに図示するように、切換手段８８は選択的にヒンジ９０を備える。図５ｆは、第２の位置７６ａからなる第２の状態７６の他の実施例における接合されたキャリッジストッパー６８の実施例を示す。図５ｆに図示する実施例では、切換手段８８はキャリッジストッパー６８の衝突部分３０ｈを引っ込めて、第１の状態７２から第２の状態７６に切り換える。

一実施例では、衝撃及び発射装置２０は装置ガイド９６を備える。装置ガイド９６はキャリッジガイド３６並びに第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の動きを集合的にガイドすることができる。図６に示す衝撃及び発射装置２０の実施例は、少なくとも１つの装置ガイドロッド９８、例えば、２つの装置ガイドロッド９８を備える装置ガイド９６の一実施例を有する。装置ガイド９６は、例えば、キャリッジガイド３６並びに第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に共通の速度を与えるように使用することができる。衝撃及び発射装置２０は装置ガイド９６と衝撃及び発射装置２０の少なくとも１つの他の部材との間のインターフェイス１０６を備える。一実施例では、インターフェイス１０６は装置ガイド９６の少なくとも１つの面に接触するインターフェイス面１０８を備える。一実施例では、インターフェイス１０６は衝撃及び発射装置２０の他の部材と一致する。図６に示す実施例では、衝撃及び発射装置２０は装置ガイド９６とキャリッジガイド３６の間にインターフェイス１０６を備え、それは第２のターゲット１０４と少なくとも部分的に一致する。

第２のターゲット１０４を備える衝撃及び発射装置２０の実施例は試験対象物１１２に機械的衝撃を与えるのに特に有用である。例えば、図１に示す衝撃及び発射装置２０の実施例は機械的衝撃を試験対象物１１２に加えることができる。

機械的衝撃は試験対象物１１２に印加される加速である。等価的には、衝撃は試験対象物１１２の速度の変化として特徴付けることもできる。衝撃は時間の関数としての加速度からなる。一実施例では、衝撃及び発射装置２０は衝撃加速パルス１１６からなる衝撃加速を加える。図７ａ−ｃは衝撃加速パルス１１６の実施例を表わすグラフを示す。図７ａ−ｃにおいて、ｘ軸は時間を表し、ｙ軸は加速度を表し、曲線は衝撃加速パルス１１６を表し、その曲線の下部領域の大きさは、試験対象物１１２への衝撃加速パルス１１６によってもたらされた速度の変化を表す。選択的に、衝撃及び発射装置２０は、パルス１１６とは異なる形の時間の関数としての加速からなる衝撃加速を加える。

第２のターゲット１０４を備えない衝撃及び発射装置２０の実施例は試験対象物１１２を発射するのに特に有用である。図８は、第２のターゲット１０４を備えず、試験対象物１１２を発射するのに有用な衝撃及び発射装置２０の一実施例を示す。

試験対象物１１２は、衝撃及び発射装置２０を用いて試験あるいは操作することが望ましいような何らかの対象物からなる。試験対象物１１２は様々な寸法、形状及び質量のものからなる。一実施例では、試験対象物１１２は比較的小さく、例えば、ＭＥＭｓデバイス等である。一実施例では、試験対象物１１２は比較的大きく、例えば、宇宙衛星等である。試験対象物１１２は衝撃及び発射装置２０の種々の部材に永久的又は一時的に取り付けられ得る。一実施例では、試験対象物１１２は第２のターゲット１０４に取り付けられる。一実施例では、試験対象物１１２は第２のキャリッジ２８に取り付けられる。一実施例では、試験対象物１１２は第２のキャリッジ２８と一致する。

衝撃及び発射装置２０を動作させる適切な方法は、第１のキャリッジ２４と第１のターゲット１００の間で速度反転のための衝突を与えるステップを含む。速度反転のための衝突は第１のキャリッジ２４の移動方向の変化を与える。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８には、第１のターゲット１００に向けて第１の方向Ｄ_１に初速度Ｖ_１ａ及びＶ_２ａがそれぞれ与えられる。一実施例では、第１のキャリッジ２４、第２のキャリッジ２８、キャリッジガイド３６及びキャリッジストッパー６８には全て同じ初速度が方向Ｄ_１で与えられる。第１のキャリッジ２４は第１のターゲット１００に衝突し、方向を反転する。速度反転のための衝突の後、第１のキャリッジ２４は第１のターゲット１００とは反対の第２の方向Ｄ_２かつ第２のキャリッジ２８の方に第２の速度Ｖ_１ｂを有する。

図１に示す実施例では、第１の方向Ｄ_１は下向きであり第２の方向Ｄ_２は上向きである。しかし、他の実施例として、方向Ｄ_１及びＤ_２は必ずしもそれぞれ下方向及び上方向でなくてもよく、それぞれ上方向及び下方向、水平方向、又はそれぞれ第１のキャリッジ２４から第１のターゲット１００に向かう方向及び第１のキャリッジ２４から第２のキャリッジ２８に向かう方向となるような方向であればよい。方向Ｄ_１が下方向となる実施例の利点は、重力が、少なくともある程度、初速度Ｖ_１ａ及びＶ_２ａを与えるように利用できることである。

速度Ｖ_１ｂは第１のキャリッジ２４と第１のターゲット１００との衝突の弾性係数ｅ_１に関係する。衝突の弾性係数ｅは衝突に関与する物体の運動エネルギー保存による測定値である。例えば、ｅ＝１の完全弾性衝突では１００％の復元があり、関与する物体の運動エネルギーを完全に保存する。ｅ＝０の完全非弾性衝突では０％の復元があり、関与する物体の運動エネルギーは保存されない。一実施例では、第１のターゲット１００は移動せず、初速度が０である。この前提では、Ｖ_１ｂとｅ_１の関係は、Ｖ_１ｂ＝−ｅ_１Ｖ_１ａである。弾性係数ｅ_１は第１のキャリッジ２４の衝突部分３０ａ及び第１のターゲット１００の衝突部分３０ｆの材料及び構造的プロパティに関係する。弾性係数ｅ_１＝１、即ち１００％の場合にはＶ_１ｂ＝−Ｖ_１ａとなる。一般的に、ｅ_１は可能な限り高い方が望ましい。

本方法は、第１のキャリッジ２４と第１のターゲット１００の間の速度反転衝突の後に、第２のキャリッジ２８と第１のキャリッジ２４の間に複数の速度増幅衝突を与えるステップを含む。第１のキャリッジ２４を関与する速度反転衝突の後に、第１のキャリッジ２４は第２のキャリッジ２８の向きの方向Ｄ_２に速度Ｖ_１ｂで移動し、第２のキャリッジ２８に第１のキャリッジ２４の向きの方向Ｄ_１に初速度Ｖ_２ｂが与えられる。第１及び第２のキャリッジ２４及び２８は互いに衝突して第２のキャリッジ２８に速度増幅衝突を与える。速度増幅衝突の後に、第２のキャリッジ２８はキャリッジストッパー６８の向きの第２の方向Ｄ_２に第２の速度Ｖ_２ｂを有し、第１のキャリッジ２４も第２の方向Ｄ_２に第３の速度Ｖ_１ｃを有する。

速度Ｖ_２ｂは第１キャリッジ２４と第２のキャリッジ２８との衝突の弾性係数ｅ_２、及び第１キャリッジ２４と第２のキャリッジ２８の間の力学的関係により、第１及び第２の質量Ｍ_１及びＭ_２の相対的大きさに関係する。弾性係数ｅ_２は第１のキャリッジ２４の衝突部分３０ｂ及び第２のキャリッジ２８の衝突部分３０ｃの材料及び構造的プロパティに関係する。一般的に、ｅ_２は可能な限り高い方が望ましい。第１のキャリッジ２４の第１の質量Ｍ_１が第２のキャリッジ２８の第２の質量Ｍ_２よりも大きいので、ある程度衝突の結果として、第２のキャリッジ２８は速度反転及び速度増幅の両方を経験する。例えば、Ｍ_１／Ｍ_２≒∞、Ｖ_１ａ＝Ｖ_２ａ、ｅ_１＝１、及びｅ_２＝１という前提の下、衝突後に、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８双方が方向Ｄ_２に移動し、第１のキャリッジ２４はほとんど変化しない速度Ｖ_１ｃ≒Ｖ_１ｂを有し、第２のキャリッジ２８は速度Ｖ_２ｂ≒−３Ｖ_２ａを有する。従って、この前提では、第２のキャリッジ２８は速度の変化ΔＶ_２≒４Ｖ_２ａを経験する。なお、この前提はＭ_１／Ｍ_２≒∞、ｅ_１＝１及びｅ_２＝１といった理想化された仮定を含んでいるものの、第２のキャリッジ２８に与えられる速度増幅の原理を示している。さらに、速度増幅はまた、必ずしもＭ_１／Ｍ_２≒∞、ｅ_１＝１及びｅ_２＝１が成立しないような理想化されていない前提においても得ることができる。一実施例では、速度増幅パフォーマンスの第１のレベルがＭ_１／Ｍ_２＞３で達成することができ、他の実施例では、速度増幅パフォーマンスの第２のレベルがＭ_１／Ｍ_２＞１０で達成することができる。

本方法は、第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８の間で複数の速度反転のための衝突を与えるステップを含む。例えば、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間の第１の速度反転衝突の後で、第２のキャリッジ２８が第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８の向きの第２の方向Ｄ_２に速度Ｖ_２ｂで移動する。第２のキャリッジ２８は第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８に衝突し、速度反転衝撃が与えられる。第２のキャリッジ２８と第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８間の速度反転衝突の後、第２のキャリッジ２８は第１のキャリッジ２４への方向Ｄ_１に速度Ｖ_２ｃで移動する。

速度Ｖ_２ｃは第２のキャリッジ２８とキャリッジストッパー６８の間の衝突の弾性係数ｅ_３に関係する。一実施例では、キャリッジストッパー６８は移動せず、速度は０である。この前提では、Ｖ_２ｃとｅ_３の関係は：Ｖ_２ｃ＝−ｅ_３Ｖ_２ｂとなる。弾性係数ｅ_３は第２のキャリッジ２８の衝突部分３０ｄ及び第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８の衝突部分３０ｈに関係する。一般的に、ｅ_３は可能な限り高い方が望ましい。

第２のキャリッジ２８とキャリッジストッパー６８との速度反転衝突の後、第２のキャリッジ２８は再び第１のキャリッジ２４（未だ第２のキャリッジ２８の向きの第２の方向Ｄ_２に動いている）の向きの第１の方向Ｄ_１に動いている。この時点で、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間の複数の速度増幅衝突のうちの２番目のものが起こる。この第２の速度増幅衝突の後、第２のキャリッジ２８は再び第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８の向きの方向Ｄ_２に向けられ、第２のキャリッジ２８とキャリッジストッパー６８間の第２の速度反転衝突が起こる。このような態様で、このプロセスが反復され、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間の複数の速度増幅衝突、及び第２のキャリッジ２８と第１の位置７２ａにあるキャリッジストッパー６８間の複数の速度反転衝突がなされる。第２のキャリッジ２８に与えられる全体の速度増幅は複数の速度増幅衝突にわたって累積的なものとなる。

本方法はキャリッジストッパー６８の状態を第１の状態７２から第２の状態７６に切り換えるステップを含む。この切換は第２のキャリッジ２８が所望の速度又は全体の速度増幅に到達したことに基づいて行われる。一実施例では、本方法は：第１のキャリッジ２４の位置、第１のキャリッジ２４の速度、第２のキャリッジ２８の速度、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間で起こった衝突回数、又は第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８間で起こった衝突回数のうちの少なくとも１つを特定するステップを含み、上記切換は、その特定するステップが、第２のキャリッジ２８が所望の速度に到達した、又は到達しそうなことを示す所定の結果を返すことに応答する。

一実施例では、キャリッジストッパー６８を第２の段階７６に切り換えることは、第２のキャリッジ２８が第２のターゲット１０４に衝突できるような第２の位置７６ａにキャリッジストッパー６８を切り換えることからなる。一実施例では、キャリッジストッパー６８を第２の段階７６に切り換えることは、第２のキャリッジ２８が第２の位置７６ｂにあるキャリッジストッパーに衝突できるような第２の位置７６ｂにキャリッジストッパー６８を切り換えることからなる。一実施例では、試験対象物１１２は第２のキャリッジ２８に取り付けられ、第２のキャリッジ２８の第２のターゲット１０４又は第２の位置７６ｂにあるキャリッジストッパー６８との衝突によって試験対象物１１２に衝撃加速を与える。一実施例では、試験対象物１１２は第２のターゲット１０４又は第２の位置７６ｂにあるキャリッジストッパー６８に取り付けられ、第２のキャリッジ２８の第２のターゲット１０４又は第２の位置７６ｂにあるキャリッジストッパー６８との衝突によって、第２のキャリッジ２８の衝撃を試験対象物１１２に与える。

一実施例では、キャリッジストッパー６８の第２の位置７６ａへの切換によって、第２のキャリッジ２８が衝撃及び発射装置２０から発射される。例えば、衝撃及び発射装置２０は衛星、砲弾、乗り物等の発射に用いることができる。

一実施例では、本方法は、第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８間に複数の速度反転衝突を与えつつ、第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８を第２のキャリッジ２８の向き、即ち方向Ｄ_１に移動させるステップを含む。この実施例では、複数の速度反転衝突は第２のキャリッジ２８と第１の状態７２にあるキャリッジストッパー６８間の速度増幅衝突ともなる。

衝撃及び発射装置２０によって生成された衝撃加速のプロパティは、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８、第１及び第２のターゲット１００及び１０４、並びにそれらの衝突部分３０の材料及び構造的プロパティを選択することによって選択できる。一実施例では、特定の衝突部分３０のプロパティが選択されて第２のキャリッジ２８及び試験対象物１１２が受ける衝撃加速パルス１１６を整形する。例えば、図７ａに代表的な高さ及び幅の衝撃加速パルス１１６の一実施例を示す。図７ｂには、高さが増加し、幅が減少した、即ち、パルス１１６のピーク加速度が増加し、持続時間が減少した衝撃加速パルス１１６の実施例を示す。図７ｃには、高さが減少し、幅が増加した、即ち、パルス１１６のピーク加速度が減少し、持続時間が増加した衝撃加速パルス１１６の実施例を示す。一般的に、同じパルス１１６の面積、即ち、パルス１１６によって与えられる同じ速度変化を保ちつつ、比例的にパルス１１６の高さを増加させ幅を減少させること、又はパルス１１６の高さを減少させ幅を増加させることが可能である。

一実施例では、比較的増大された加速の衝撃を与えるために、衝突部分３０の材質又は構造の少なくとも１つが選択されて、比較的大きくかつ短期間の衝撃加速の衝突を生成することが可能な比較的短い時間定数の弾性応答を与える。これらの比較的短い時間定数の弾性衝突を生成するための適切な材料の例として、例えば、金属、硬化プラスチック、石英、ダイヤモンド等のような比較的硬い弾性材料からなる衝突部分３０がある。一実施例において、第２のキャリッジ２８と第２のターゲット１０４、又は第２のキャリッジ２８と第２の状態７６ｂにあるキャリッジストッパー６８、及び試験対象物１１２を関与させる衝突が、可能な限り大きい加速を受けることが望ましい。従って、一実施例では、本段落に記載した材質及び構造は特に、互いに衝突する第２のキャリッジ２８の衝突部分３０ｅ、３０ｇ、３０ｉ、第２のターゲット１０４及び第２の状態７６ｂにあるキャリッジストッパー６８に使用される。

一実施例では、比較的低減された加速度の衝撃を与えるために、衝突部分３０の材質又は構造の少なくとも１つが選択されて、比較的小さくかつ長期間の衝撃加速の衝突を生成することが可能な比較的長い時間定数の弾性応答を与える。これらの比較的長い時間定数の弾性衝突を生成するための適切な材料の例として、例えば、エラストマー、発泡樹脂、ゴム等のような比較的柔らかい弾性材料からなる衝突部分３０がある。一実施例では、必ずしも第２のターゲット１０４又は第２の状態７６ｂにあるキャリッジストッパー６８を関与させない衝突が可能な限り大きい加速を受ける必要はなく、従って、重要なのは可能な限り高い弾性係数を達成することとなる。従って、一実施例では、本段落に記載した材質及び構造は、第２のターゲット１０４又は第２の状態７６ｂにあるキャリッジストッパー６８を含む衝突に関与しない衝突部分３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｈに使用される。

一実施例では、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々は部分的にプレートからなる。プレートの大きさ、厚さ及び材質は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８各々の所定の質量を与えるように選択される。一実施例では、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８は少なくとも部分的に中空であり、それらの衝突部分３０の剛性をある程度決定するように選択された内部構造を有する。また、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の異なる中空化は第１のキャリッジ２４の第２のキャリッジ２８よりも大きい質量を得るために用いられる。

一実施例では、衝突部分３０は突起部３１又は曲面３３のうちの少なくとも１つを備える。突起部３１又は曲面３３を備える衝突部分３０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８並びに第１及び第２のターゲット１００及び１０４による衝撃加速の所望の伝達特性を与え、衝撃加速パルス１１６の整形に寄与し、衝突の弾性係数をある程度増加させるために用いられる。一実施例では、例えば図１に示すように、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の各々はプレートに半球状の突起部３１を備える。一実施例では、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８は、衝突の衝撃加速プロパティを変化させるとともに、衝撃及び発射装置２０の動作特性全体を決定するために、異なる半球状突起部３１が第１及び第２のキャリッジ２４及び２８において交換可能である。

一実施例では、キャリッジガイド３６は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の移動を制限するエンドストッパー３８を備える。例えば、第２のターゲット１０４に関連して、エンドストッパー３８は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の移動をキャリッジガイド３６及びそれに関連する経路３２から離れないように規整する。エンドストッパー３８は第１のキャリッジ２４の衝突部分３０が第１のターゲット１００に衝突できるように穴３９を備える。選択的に、エンドストッパー３８は、例えばスプリング又はパッドのような、エンドストッパー３８と第１のターゲット１００間の緩やかな衝突を可能とする手段５０を備える。

略直線の経路３２は所定量だけ直線から逸れることがある。一実施例では、略直線の経路３２は完全に直線の経路３２ａからなる。一実施例では、略直線の経路３２は完全に直線の経路３２ａから、略直線の経路３２と完全に直線の経路３２ａのなす角度３４の分だけ逸れる。なお、角度３４は約１５°よりも大きくない。例えば、図９ａ及びｂに、完全に直線の経路３２から１５°よりも大きくない角度３４だけ逸れた略直線の経路３２の実施例を示す。具体的には、図９ａは所定の角度の逸れ内に入る曲線の経路３２を示す、図９ｂは、点を結ぶ経路３２が所定の角度の逸れ内に入るように完全に直線の経路３２ａから点毎にずれた経路３２を示す。

衝撃及び発射装置２０の一実施例として、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８等の移動する物体の全ての運動エネルギーを効率的に利用するために、比較的高い弾性係数の衝突とすることが望ましく、衝撃及び発射装置２０は複数の衝突がｅ≧０.５の弾性係数ｅを有することを可能とする。

一実施例では、衝撃及び発射装置２０は第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８の間の所定の離隔距離を与える少なくとも１つのスペーサ８０を備える。スペーサ８０は第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８を離隔させ、衝撃及び発射装置２０の動作中の衝突の所望の時間的順序を維持する。即ち、スペーサ８０は第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８を離隔させ、第１のキャリッジ２４と第１のターゲット１００との速度反転衝突の後まで、第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８との衝突を防止する。

スペーサ８０は、第１のキャリッジ２４と第１のターゲット１００間の衝突後まで第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間の所望の所定離隔距離を得るための何らかの適切な装置又は手段であればよい。一実施例では、スペーサ８０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を、例えば第２のターゲット１０４又はキャリッジガイド３６のような他の部材から吊り下げる。例えば、一実施例では、スペーサ８０は第２のターゲット１０４に取り付けられた線材８０ａからなり、第２のターゲット１０４から第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を貫通してそれらを吊り下げる。選択的に、線材の構成は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の充分な移動の自由を与えて、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を関与させる全ての衝突を可能とする。選択的に、線材８０ａの強度は、それが適切な瞬間に切れて適切な順序の衝突を可能とするように選択することができる。一実施例では、衝撃及び発射装置２０は、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を独立に位置させる複数のスペーサ８０を備える。一実施例では、スペーサ８０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の各々を貫通した後は障害を有し、それにより、各々を互いに、及び第２のターゲット１０４から所定距離だけ吊り下げる。

一実施例では、スペーサ８０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を初期位置に保持する少なくとも１つの収縮可能なアームからなり、適切な瞬間に第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を解放するように収縮する。

一実施例では、スペーサ８０は第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間のスプリング８０ｂ又は他の収縮可能な物体からなる。スプリング８０ｂの圧縮特性、例えばバネ係数は、例えば静止し又は第１の速度で動く第１の前提では第１のキャリッジ２４と第２のキャリッジ２８間の適切な離隔を維持し、例えば第２のセットの速度又は加速度差の存在下の第２の前提では圧縮し、それゆえ第１及び第２のキャリッジ２４及び２８が互いに適切な瞬間に衝突するように、選択される。

一実施例では、離隔スペーサ８０の替わりに、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも１つが同様の機能を達成する一体化構造又は部分を備える。例えば、一体化構造又は部分は選択的に圧縮できるようにしてもよい。

一実施例では、衝撃及び発射装置２０は、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８並びに選択的にキャリッジガイド３６等の他の部材に所定の初速度を与える推進手段１２０を備える。推進手段１２０は種々の形態をとることができる。図６に推進手段１２０を備える衝撃及び発射装置２０の一実施例を示す。図示する実施例においては、推進手段１２０はスプリング１２２からなる。スプリング１２２は圧縮及び調整されて所定の初速度を第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に与える。

しかし、スプリング１２２が唯一の可能な推進手段１２０ではない。他の実施例では、推進手段１２０は、例えば砲撃のような弾道手段からなる。一実施例では、推進手段１２０はガス源からなる。例えば、一実施例では、圧縮ガス源が第１及び第２のキャリッジ２４及び２８に照準を合わせて所定の初速度を与える。ガス源はまた、選択的に加熱されたガスからなる。一実施例では、推進手段１２０は：永久磁石、電磁石又は超伝導磁石の少なくとも１つからなる磁石を有する推進手段である。磁力推進手段は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも１つに磁界をかけるように構成される。

一実施例では、推進手段１２０は第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも一方の内部にある。例えば、実施例によっては、上述のいずれかの推進手段１２０が全体的に又は部分的に第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも一方の内部にあり、第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも一方から第１及び第２のキャリッジ２４及び２８の少なくとも一方の周辺に力を与えて第１及び第２のキャリッジ２４及び２８を所定の初速度まで加速するように構成される。

衝撃及び発射装置２０の実施例は、比較的高い加速度を与えることを可能とする複数の速度増幅衝突を可能とする。他の方法や装置に対する本発明の１つの有利な効果は、それによって高い加速度が比較的囲まれた安全な装置内で可能となることである。本発明によって可能となる複数の速度増幅衝突は、総合的に見て空間的に囲まれた（小さく畳まれた）ものとして記載してきた。即ち、衝撃及び発射装置２０は、落下試験方法又は装置においては同じような加速度を得るために試験対象物１１２を非現実的に高い場所から落下させることを要していたような加速度を達成できる。従来例に対して本発明の衝撃及び発射装置２０はより小さい空間で同じ結果を得ることができ、従って、落下試験で必要とされていた大きな空間と比べて空間的に囲まれたものとみなすことができる。同様に、弾道試験によって同じような加速度を得るのでは危険であり費用もかかってしまう。

衝撃及び発射装置２０の背景で記載してきたが、ここに記載した本方法は、他の背景においては他の装置と関連したアプリケーションを有する。

上記は本発明の実施例に向けられてきたが、発明の他の及び更なる実施例が本発明の基本的範囲から離れることなく想到され、発明の範囲は特許請求の範囲によって特定される。ここに開示される種々の実施例又はそれらの部分が組み合わされて更なる実施例を案出することができる。さらに、上、横、下、前、後等の文言は相対的又は位置関係的な用語であり、図面に示す代表的実施例に対して用いられるものであり、それらの文言は適宜入れ替えることができる。

図１は、本発明による、衝撃加速を与えることができる衝撃及び発射装置の実施例の断面図である。図２は図１に示す衝撃及び発射装置の実施例の鳥瞰図である。図３は単一のキャリッジガイドロッドを有する衝撃及び発射装置の実施例の断面図である。図４ａは包含構造からなるキャリッジガイドを有する衝撃及び発射装置の実施例の断面図である。図４ｂは図４ａに示す衝撃及び発射装置の実施例の鳥瞰図である。図５ａは第１の位置の一実施例を示す図である。図５ｂは第２の位置の実施例における一実施例におけるキャリッジストッパーを有する衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図５ｃは、他の第２の位置の実施例にあるキャリッジストッパーの実施例を有する衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図５ｄは、第２のターゲットの実施例に接合された第１の位置の実施例にあるキャリッジストッパーの実施例を有する衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図５ｅは第２の位置の実施例における接合されたキャリッジストッパーの実施例を有する衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図５ｆは第２の位置の実施例における接合されたキャリッジストッパーの他の実施例を有する衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図６は装置ガイドを備えた衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図７ａは衝撃及び発射装置が与えることができる衝撃加速パルスの実施例を示す図である。図７ｂは衝撃及び発射装置が与えることができる衝撃加速パルスの実施例を示す図である。図７ｃは衝撃及び発射装置が与えることができる衝撃加速パルスの実施例を示す図である。図８は対象物を発射することができる衝撃及び発射装置の実施例を示す図である。図９ａは衝撃及び発射装置に関連する移動の略直線状の経路の実施例を示す図である。図９ｂは衝撃及び発射装置に関連する移動の略直線状の経路の実施例を示す図である。

Claims

機械的衝撃を与えて、物体を発射する方法であって、
第１のキャリッジに速度反転のための衝突を与えるステップと、
該第１のキャリッジへの速度反転のための衝突の後に第２のキャリッジと該第１のキャリッジの間に速度増幅のための複数の衝突を与えるステップであって、該第１のキャリッジが該第２のキャリッジの質量ｍ_２よりも大きい質量ｍ_１を有する、ステップと、
該第２のキャリッジと第１の位置にあるキャリッジストッパーの間に速度反転のための複数の衝突を与えるステップであって、前記第１の位置にあるキャリッジストッパーは前記第２のキャリッジの移動経路中の少なくとも一部にあるステップと、
該キャリッジストッパーの位置を第２の位置に変えるステップと、
を備える方法。
請求項１の方法において、前記第１のキャリッジに速度反転のための衝突を与えるステップが、
該第１のキャリッジと静止した物体の間の衝突を与えるステップ
からなる方法。
請求項１の方法であって、
該第１及び第２のキャリッジに、推進手段によって発生した初速度を与えるステップからなり、
該第２のキャリッジと該第１のキャリッジの間に複数の速度増幅のための衝突を与えるステップが、該第２のキャリッジの最終的に増幅された速度を決定するために該第２のキャリッジと該第１のキャリッジの間の速度増幅のための衝突の回数を選択するステップからなる方法。
請求項１の方法において、該キャリッジストッパーの該第１及び第２の位置が静止位置である方法。
請求項１の方法であって、該第２のキャリッジとターゲットの間に衝撃加速を与えるための衝突を与えるステップからなり、該衝撃加速を与えるための衝突が、前記第２のキャリッジと該第１のキャリッジの間に複数の速度増幅のための衝突を与えるステップの後に与えられる方法。
請求項１の方法において、前記キャリッジストッパーの位置を変えるステップが、該第２のキャリッジと該キャリッジストッパーの間の速度反転のための所定回数の衝突を検出するステップを含む方法。
請求項１の方法であって、
第１及び第２のキャリッジの移動を略直線の経路に沿ってガイドするステップ
からなる方法。
衝撃及び発射装置であって、
キャリッジガイドに沿って移動するように適合された第１及び第２のキャリッジであって、該第１のキャリッジが該第２のキャリッジの質量ｍ_２よりも大きい質量ｍ_１を有する、第１及び第２のキャリッジ、
該第１及び第２のキャリッジの略直線の移動経路に関連付けられた該キャリッジガイド、及び
第１の位置及び第２の位置に位置することができるキャリッジストッパーであって、該第１の位置にあるときの該キャリッジストッパーは該第２のキャリッジの移動経路中の少なくとも一部にあるキャリッジストッパー
からなる衝撃及び発射装置。
請求項８の衝撃及び発射装置において、該第２の位置にあるときの該キャリッジストッパーが該第２のキャリッジの移動経路内になく、該衝撃及び発射装置が、
該キャリッジガイドに固定して取り付けられたターゲットを備え、
該キャリッジストッパーが該第２の位置にあるときに、該第２のキャリッジが該キャリッジガイドに沿って一方向に移動して該ターゲットに当ることができるように、該ターゲットが配置され、
該ターゲットが第１の衝突部分を備え、該第２のキャリッジが第２の衝突部分を備え、該ターゲットと該第２のキャリッジとの衝突中に該第２のキャリッジが受ける衝撃の波形に影響するように該第１及び第２の衝突部分の特性が選択され、該特性が、該第１及び第２の衝突部分の材質、又は該第１及び第２の衝突部分の構造的プロパティの少なくとも一方を含む衝撃及び発射装置。
装置であって、
第１のキャリッジに速度反転のための衝突を与えるための手段と、
第２のキャリッジと該第１のキャリッジの間に速度増幅のための複数の衝突を与えるための手段であって、該第１のキャリッジが該第２のキャリッジの質量ｍ_２よりも大きい質量ｍ_１を有する手段と、
該第２のキャリッジと第１の位置にあるキャリッジストッパーの間に速度反転のための複数の衝突を与えるための手段であって、前記第１の位置にあるキャリッジストッパーは前記第２のキャリッジの移動経路中の少なくとも一部にある手段と、
該キャリッジストッパーの位置を第２の位置に切り換えるための手段と、
からなる装置。