JP5569136B2 - ペイロード保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、ペイロード保護装置に関する。

従来から、ロケットの先端部に搭載されたペイロード（例えば、人工衛星や探査機等）をロケット打ち上げ時の過酷な環境から保護するために、ペイロードフェアリングと呼ばれる先端が円錐形状のカバー部品をロケット先端部に装着することが一般的である。このペイロードフェアリングは、互いに結合された複数のフェアリング片から構成されており、フェアリング片同士の分離によって開頭動作が可能な分割構造となっている。

例えば、下記特許文献１には、ペイロードフェアリングの内側に、ペイロードフェアリングと結合された分割型ペイロード保護カバーを設けることで、ロケット打ち上げ時の振動衝撃によってペイロードフェアリングの内壁から降り注ぐ塵埃からペイロードを保護する技術が開示されている。この技術によれば、ロケット打ち上げ時には、分割型ペイロード保護カバーによって塵埃からペイロードを保護でき、ペイロードの分離時には、ペイロードフェアリングの開頭動作に伴って分割型ペイロード保護カバーが分割されるため、問題なくペイロードをロケットから分離できる。

特開平７−１６５１９９号公報

一般的に、ペイロードフェアリングの分離開頭は、フェアリング片同士の結合に用いられている締結ボルトの爆破によって実現されている。このため、ペイロードフェアリングの分離開頭時には、締結ボルトの爆破によって生じた破片からペイロードを保護する必要がある。これに対して、上記特許文献１の技術は、ロケット打ち上げ時に生じた塵埃からペイロードを保護することを目的としており、ペイロードフェアリングの開頭開始と同時に分割型ペイロード保護カバーの分割が開始されるため、締結ボルトの爆破によって生じた破片が分割型ペイロード保護カバー内に侵入し、ペイロードに衝突する可能性がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ロケット打ち上げシーケンス（リフトオフからペイロードの分離まで）の全工程において、ロケットに搭載されたペイロードを確実に保護することの可能なペイロード保護装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、ペイロード保護装置に係る第１の解決手段として、ロケットに搭載されたペイロードを保護するペイロード保護装置であって、真空引きポートを有し、前記ペイロードを覆うように前記ロケットに装着されたペイロードフェアリングと、前記ペイロードフェアリングの内側において、前記ペイロードを覆うように設けられた保護カバーと、前記ペイロードフェアリングの開頭動作に対し時間遅れを持って前記保護カバーの頭頂部を開放する保護カバー開放手段とを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、ペイロード保護装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記保護カバー開放手段として、前記ペイロードフェアリングの開頭動作前において弛緩状態にある一方、前記ペイロードフェアリングの開頭動作に伴って引張され、その引張力によって前記保護カバーの頭頂部が切断されるように張られたワイヤーを具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、ペイロード保護装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記保護カバー開放手段として、前記ワイヤーに加えて、前記保護カバーの頭頂部に貼付された発熱体を具備する、という手段を採用する。

また、本発明では、ペイロード保護装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記発熱体は、電熱線或いは太陽光を吸収する金属板である、という手段を採用する。

また、本発明では、ペイロード保護装置に係る第５の解決手段として、上記第２〜第４のいずれかの解決手段において、前記保護カバーの頭頂部は、他の部位より薄肉構造となっている、という手段を採用する。

また、本発明では、ペイロード保護装置に係る第６の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記保護カバーは、前記頭頂部を開閉自在とする、互いに嵌合する部分による開閉構造を有し、前記保護カバー開放手段として、前記ペイロードフェアリングの開頭動作前において弛緩状態にある一方、前記ペイロードフェアリングの開頭動作に伴って引張され、その引張力によって前記開閉構造が開くように張られたワイヤーを具備する、という手段を採用する。

本発明に係るペイロード保護装置によれば、ペイロードフェアリングの内側に設けられた保護カバーの頭頂部を、ペイロードフェアリングの開頭動作に対し時間遅れを持って開放するため、ペイロードフェアリングの分離開頭時における締結ボルトの爆破によって生じた破片からペイロードを保護することが可能となる。
また、本発明に係るペイロード保護装置によれば、ペイロードフェアリングの内側に保護カバーを設けたため、ロケット打ち上げ時の振動衝撃によってペイロードフェアリングの内壁から降り注ぐ塵埃からもペイロードを保護することができる。
さらに、本発明に係るペイロード保護装置によれば、ロケット打ち上げ前に、ペイロードフェアリングに設けられた真空引きポートを利用してペイロードフェアリング内を真空状態にまで減圧しておくことが可能となる。従来から、ロケット打ち上げ時に発生する音響振動が、ペイロードフェアリング内の空気を介してペイロードに伝達されることがペイロードの破損原因の１つとして知られているが、上記のようにペイロードフェアリング内を真空状態としておくことで、音響振動からもペイロードを保護することができる。
このように、本発明に係るペイロード保護装置によれば、ロケット打ち上げシーケンスの全工程において、ロケットに搭載されたペイロードを確実に保護することが可能となる。

本実施形態におけるペイロード保護装置Ａの構成概略図である。 打ち上げ射場におけるペイロード保護装置Ａの組み付け作業工程図である。 ロケット打ち上げシーケンスの各工程におけるペイロード保護装置Ａの状態を表す図である。 ペイロード保護装置Ａの変形例に関する説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態におけるペイロード保護装置Ａの構成概略図である。この図１に示すように、本実施形態におけるペイロード保護装置Ａは、ロケットＲの先端部に搭載されたペイロードＰ（例えば、人工衛星や探査機等）を保護するものであり、ペイロードフェアリング１、保護カバー２、ワイヤー３及び４から構成されている。

ペイロードフェアリング１は、ペイロードＰを覆うようにロケットＲの先端部に装着された中空のカバー部品である。このペイロードフェアリング１は、互いに結合された２つのフェアリング片１ａ及び１ｂから構成されており、これらフェアリング片１ａ及び１ｂの分離によって開頭動作が可能な２分割構造となっている。これらフェアリング片１ａ及び１ｂの結合部には、両者の結合に用いられている締結ボルトを爆破することで分離開頭を実現する分離機構（図示省略）が設けられている。

また、これらフェアリング片１ａ及び１ｂは、ヒンジ機構（図示省略）を介してロケットＲの先端部に取り付けられており、宇宙空間において上記の分離機構が作動して締結ボルトが爆破されるとロケットＲの中心軸線を中心として左右に分離傾倒（分離開頭）し、一定の傾き角度に到達した時点でヒンジ機構から外れて自動的に投棄されるものである。

さらに、フェアリング片１ａには、ペイロードフェアリング１の内部を減圧して真空状態とするために、外部に設置された真空ポンプ（図示省略）との接続を可能とする真空引きポート１ｃが設けられている。なお、真空引き時間を短縮するために、フェアリング片１ａだけでなく、フェアリング片１ｂを含むペイロードフェアリング１の全体に真空引きポート１ｃを複数設けても良い。

保護カバー２は、ペイロードフェアリング１の内側において、ペイロードＰを覆うように設けられた伸縮性を有するカバー部品であり、例えば厚さ数ミリメートルの高分子系材料（ポリエチレン等）を用いて製作されたものである。つまり、本実施形態におけるペイロード保護装置Ａは、ペイロードフェアリング１及び保護カバー２による二重保護構造を採用している。このとき、保護カバー２は柔軟性を有する素材や金属であってもよい。

ワイヤー３及び４は、ペイロードフェアリング１の開頭動作前において弛緩状態にある一方、ペイロードフェアリング１の開頭動作に伴って引張され、その引張力によって保護カバー２の頭頂部が切断されるように張られたステンレスワイヤーであり、ペイロードフェアリング１の開頭動作に対し時間遅れを持って保護カバー２の頭頂部を開放する保護カバー開放手段として設けられたものである。

詳細には、ワイヤー３は、フェアリング片１ａの傾倒動作前において弛緩状態にある一方、フェアリング片１ａの傾倒動作に伴って引張され、その引張力によって保護カバー２の頭頂部に右向き（フェアリング片１ａの傾倒方向）の外力が加わるように、フェアリング片１ａと保護カバー２との間に張られている。また、ワイヤー４は、フェアリング片１ｂの傾倒動作前において弛緩状態にある一方、フェアリング片１ｂの傾倒動作に伴って引張され、その引張力によって保護カバー２の頭頂部に左向き（フェアリング片１ｂの傾倒方向）の外力が加わるように、フェアリング片１ｂと保護カバー２との間に張られている。

つまり、ペイロードフェアリング１の開頭動作に伴ってフェアリング片１ａ及び１ｂの傾き角度が大きくなる程、ワイヤー３及び４によって保護カバー２の頭頂部を左右に引っ張る力が強くなり、その力が保護カバー２の引っ張り強度を上回った時点で保護カバー２の頭頂部が切断される構成となっている。このような構成により、ペイロードフェアリング１の開頭動作に対し時間遅れを持って保護カバー２の頭頂部が開放されることになる。

以上が本実施形態におけるペイロード保護装置Ａの構成に関する説明であり、以下では図２を参照しながら打ち上げ射場におけるペイロード保護装置Ａの組み付け作業工程について説明すると共に、図３を参照しながらロケット打ち上げシーケンスの各工程におけるペイロード保護装置Ａの状態について説明する。

図２は、打ち上げ射場におけるペイロード保護装置Ａの組み付け作業工程図である。まず、図２（ａ）に示すように、ロケットＲの先端部にペイロードＰを搭載した後、図２（ｂ）に示すように、ペイロードＰを覆うように保護カバー２をロケットＲの先端部に装着する。なお、この時点では、保護カバー２がペイロードＰに接触していても構わないが、ペイロードＰの表面を傷つけないように注意を払う必要がある。

続いて、図２（ｃ）に示すように、ペイロードフェアリング１（フェアリング片１ａ及び１ｂ）と、ワイヤー３及び４の組み付け作業を行う。具体的には、まず、フェアリング片１ａをヒンジ機構を介してロケットＲの先端部に取り付け、フェアリング片１ａと保護カバー２の間にワイヤー３を張った後、フェアリング片１ａをロケットＲに対して直立状態にさせる。

そして、フェアリング片１ｂをヒンジ機構を介してロケットＲの先端部に取り付け、フェアリング片１ｂと保護カバー２の間にワイヤー４を張った後、フェアリング片１ｂをロケットＲに対して直立状態にさせ、爆破による分離機構付きの締結ボルトを用いて、フェアリング片１ａ及び１ｂを互いに向かい合わせた状態で結合する。これにより、内部が密閉され且つ内部に保護カバー２及びペイロードＰを収容するペイロードフェアリング１が完成する。また、この時点では、ワイヤー３及び４は弛緩状態となっている。

最後に、図２（ｄ）に示すように、フェアリング片１ａに設けられた真空引きポート１ｃと、外部に設置された真空ポンプとを接続し、真空ポンプによってペイロードフェアリング１の内部気圧を真空状態にまで減圧する。この時、保護カバー２の内部気圧と外部気圧との間に差圧が生じる（内部気圧の方が高い）ため、伸縮性を有する保護カバー２は膨張し、ペイロードＰと保護カバー２との間に空間が形成される。なお、真空引き終了後、真空引きポート１ｃは閉じられ、以後、ペイロードフェアリング１の内部は真空状態に保持される。以上のような各作業によってペイロード保護装置ＡがロケットＲに組み付けられ、ロケットＲの打ち上げ準備が完了する。

図３は、ロケット打ち上げシーケンスの各工程におけるペイロード保護装置Ａの状態を表す図である。まず、図３（ａ）に示すように、ロケットエンジンの点火によってロケットＲの打ち上げが行われる（リフトオフ）。ここで、従来から、ロケット打ち上げ時に発生する音響振動が、ペイロードフェアリング１内の空気を介してペイロードＰに伝達されることがペイロードＰの破損原因の１つとして知られているが、本実施形態では、上記のようにペイロードフェアリング１内を真空状態としておくことで、音響振動からペイロードＰを保護することができる。

また、本実施形態では、ペイロードフェアリング１の内側に保護カバー２を設けたため、ロケット打ち上げ時の振動衝撃によってペイロードフェアリング１の内壁から降り注ぐ塵埃からもペイロードＰを保護することができる。なお、本実施形態では、従来と同様に、ペイロードフェアリング１がロケットＲの先端部に装着されていることにより、ロケットＲが宇宙空間に向けて飛翔している間に、ペイロードＰが過酷な環境に曝されることを防ぐことができる。

そして、ロケットＲは宇宙空間に到達後、ペイロードＰの分離・軌道投入体勢に入る。この時、図３（ｂ）に示すように、ペイロードフェアリング１の分離機構が作動して締結ボルトが爆破され、ペイロードフェアリング１は左右に分離開頭し始める（つまりフェアリング片１ａ及び１ｂが左右に傾倒し始める）。ここで、締結ボルトの爆破によって生じた破片が飛散するが、保護カバー２の頭頂部はペイロードフェアリング１の開頭動作に対し時間遅れを持って切断（開放）されるため、この時点では未だ保護カバー２の頭頂部は切断されておらず、締結ボルトの爆破によって生じた破片からペイロードＰを保護することができる。

そして、図３（ｃ）に示すように、ペイロードフェアリング１の開頭動作に伴ってフェアリング片１ａ及び１ｂの傾き角度が大きくなり、ワイヤー３及び４によって保護カバー２の頭頂部を左右に引っ張る力が保護カバー２の引っ張り強度を上回った時点で保護カバー２の頭頂部が切断され、ペイロードＰが宇宙空間に露出する。なお、ペイロードフェアリング１の開頭動作がさらに進行し、フェアリング片１ａ及び１ｂの傾き角度が一定の傾き角度に到達すると、これらフェアリング片１ａ及び１ｂはヒンジ機構から外れて自動的に投棄される。この時、保護カバー２、ワイヤー３及び４も一緒に投棄される。

最後に、図３（ｄ）に示すように、ペイロードフェアリング１、保護カバー２、ワイヤー３及び４が投棄された後、ペイロードＰがロケットＲから分離され、軌道に投入される。
ペイロードＰの分離後、ロケットＲも投棄され、ロケット打ち上げシーケンスは終了する。

以上説明したように、本実施形態におけるペイロード保護装置Ａによれば、ロケット打ち上げシーケンス（リフトオフからペイロードＰの分離まで）の全工程において、ロケットＲに搭載されたペイロードＰを確実に保護することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、保護カバー開放手段として、ワイヤー３及び４を設けた場合を例示して説明したが、例えばこれらワイヤー３及び４に加えて、保護カバー２の頭頂部に発熱体を貼付するような構成を採用しても良い。つまり、発熱体から発せられる熱による温度上昇によって保護カバー２の頭頂部を溶解、または引っ張り強度を低下させることにより、ワイヤー３及び４による保護カバー２の切断を確実に行うことができるようになる。

このような発熱体としては、例えば、電熱線或いは太陽光を吸収する金属板を用いることができる。電熱線を用いる場合には、この電熱線に電流を供給するための電源が必要となるが、太陽光を吸収する金属板を用いる場合には、ペイロードフェアリング１が分離開頭し始めると、保護カバー２の頭頂部が太陽光に曝されて金属板が発熱するため、電源等を必要としないというメリットがある。また、保護カバー２の切断をより確実とするために、上記の保護カバー開放手段に加えて、保護カバー２の頭頂部を、他の部位より薄肉構造としても良い。

（２）上記実施形態及び変形例（１）では、ワイヤー３及び４の引張力によって保護カバー２の頭頂部を強制的に切断する場合を説明したが、例えば図４（ａ）に示すように、保護カバー２の頭頂部に、当該頭頂部を開閉自在とする、互いに嵌合する部分による開閉構造５を設け、ワイヤー３及び４の引張力によって開閉構造５が開くような構成を採用しても良い。この場合、ワイヤー３及び４は、ペイロードフェアリング１の開頭動作前において弛緩状態にある一方、ペイロードフェアリング１の開頭動作に伴って引張され、その引張力によって開閉構造５が開くように張られている（図４（ｂ）、（ｃ）参照）。

Ａ…ペイロード保護装置、１…ペイロードフェアリング、１ａ、１ｂ…フェアリング片、１ｃ…真空引きポート、２…保護カバー、３、４…ワイヤー、５…開閉構造

Claims (6)

1. ロケットに搭載されたペイロードを保護するペイロード保護装置であって、
   真空引きポートを有し、前記ペイロードを覆うように前記ロケットに装着されたペイロードフェアリングと、
   前記ペイロードフェアリングの内側において、前記ペイロードを覆うように設けられた保護カバーと、
   前記ペイロードフェアリングの開頭動作に対し時間遅れを持って前記保護カバーの頭頂部を開放する保護カバー開放手段と
   を具備し、
   前記保護カバー開放手段として、前記ペイロードフェアリングの開頭動作前において弛緩状態にある一方、前記ペイロードフェアリングの開頭動作に伴って引張され、その引張力によって前記保護カバーの頭頂部を開放するように張られたワイヤーを具備する
   ことを特徴とするペイロード保護装置。
2. 前記ワイヤーは、前記保護カバーの頭頂部が切断されるように張られていることを特徴とする請求項１に記載のペイロード保護装置。
3. 前記保護カバー開放手段として、前記ワイヤーに加えて、前記保護カバーの頭頂部に貼付された発熱体を具備することを特徴とする請求項２に記載のペイロード保護装置。
4. 前記発熱体は、電熱線或いは太陽光を吸収する金属板であることを特徴とする請求項３に記載のペイロード保護装置。
5. 前記保護カバーの頭頂部は、他の部位より薄肉構造となっていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のペイロード保護装置。
6. 前記保護カバーは、前記頭頂部を開閉自在とする、互いに嵌合する部分による開閉構造を有し、
   前記ワイヤーは、前記開閉構造が開くように張られていることを特徴とする請求項１に記載のペイロード保護装置。

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