JP5625324B2 - 飛翔体速度検出システムおよび飛翔体速度検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛翔体の打ち込み試験における飛翔体の貫通後の残留速度を検出する飛翔体速度検出システムおよび飛翔体速度検出方法に関する。

飛行機に用いられる例えばジェットエンジンのファンケースや船舶や車両に用いられる装甲板の材料特性、特に耐弾性能を評価するため、ファンケースや装甲板に相当する供試体に高速で飛翔体を打ち込んで、飛翔体の貫通の有無を確認したり、貫通限界速度や貫通後の残留速度を測定して供試体に吸収されたエネルギーを推定する耐弾性能試験が実施されている。かかる試験において、貫通後とはいえ、飛翔体は毎秒数百メートルの速度で空間を移動するため、その飛翔速度（残留速度）の測定は容易ではない。

飛翔体の残留速度の代表的な測定方法は２つに分類される。１つは、複数の時点を固定し、その時点間の移動距離を測定する手法で、例えば、高速度カメラと高速ストロボの組み合わせにより飛翔体を数万コマ／秒で連続的に撮像し、飛翔体の移動距離を時点間で除算して速度を導出する方法である。このとき、飛翔体を３以上の時点で撮像可能であれば、その３以上の時点間それぞれの移動距離を最小二乗法により平均化することで、より高精度に飛翔体の残留速度を導出することができる。

もう１つは、複数の通過点を固定し、その通過点の通過時間を測定する手法で、例えば、飛翔体の飛翔軌道上の複数の通過点に検速紙を設置し、検速紙間の距離を、飛翔体が検速紙を切断した時点間で除算して速度を導出する方法である（例えば、特許文献１）。また、所定の間隔で配置された通過検出器で飛翔体が通過する時点を測定すると共に、その通過時点をトリガとして飛翔体を撮像し、撮像画像における飛翔体の形状に基づいて通過時点を補正し直してから正確な通過時点間の速度を導出する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。

特開２００３−００４７５６号公報 特開２００５−２０１７２８号公報

しかし、上述した高速度カメラや高速ストロボは非常に高価であり、常備性やバックアップ性に乏しい。また、飛翔体の短い飛翔期間に高速度カメラの撮像タイミングを同期させる高度な処理も要し、さらに、飛翔体が供試体を貫通することによって飛翔体と共に供試体の破片や粉塵が舞った場合に撮像画像内の飛翔体を特定できなくなり正確な速度を割り出せないといった問題が生じていた。

また、検速紙や通過検出器を用いる場合であっても、飛散する供試体の破片や粉塵を排除することができないため、検知した対象が飛翔体であるか破片であるかを特定できず、通過時点を正確に計測することができなかった。

本発明は、このような課題に鑑み、簡易かつ安価な構成で、飛翔体の貫通によって供試体の破片や粉塵が飛散する場合においても、飛翔体の残留速度を確実に特定可能な、飛翔体速度検出システムおよび飛翔体速度検出方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、供試体への飛翔体の打ち込み試験における供試体を貫通した後の飛翔体の残留速度を検出する本発明の飛翔体速度検出システムは、飛翔体の飛翔方向に対向する面が露出された緩衝材を支持する筐体と、飛翔体の飛翔方向に移動自在に筐体を摺動させる摺動機構とを有する飛翔体より質量が大きい摺動装置と、飛翔体が緩衝材に到達した後の摺動装置の移動速度を測定する速度測定装置と、測定された摺動装置の移動速度と、摺動装置と飛翔体との質量比とに基づいて飛翔体の残留速度を特定する速度特定装置と、を備える。

本発明では、運動量保存の法則を用い、質量は小さいが高速に飛翔する飛翔体の運動量を質量が大きい摺動装置の運動量に置換し、摺動装置の比較的低速な移動速度を測定することで飛翔体の残留速度を特定する。こうして、高価な高速度カメラや高速ストロボを用いることなく、簡易かつ安価な構成で、飛翔体の残留速度を確実に特定することができる。また、飛翔体の貫通によって生じる破片や粉塵の質量および速度は飛翔体と比較して小さいので摺動装置の運動量への影響も小さく、供試体の破片や粉塵による誤計測の誘発を回避することも可能となる。

速度測定装置は、摺動装置の移動軌跡を連続的に撮像可能な撮像装置を含んで構成され、複数の撮像時点の撮像画像間における摺動装置の変位に基づいて摺動装置の移動速度を導出してもよい。

上述したように、本発明では、低速かつ占有体積の大きい摺動装置の移動速度を測定するだけで、飛翔体の残留速度を特定することができる。したがって、安価なカメラ、例えば、市販のビデオカメラやデジタルスチルカメラ等で十分な測定精度を確保できる。また、本発明では、飛翔体および飛翔体の貫通によって生じる破片や粉塵を一旦摺動装置で受容した後、摺動装置のみを撮像すればよいので、破片や粉塵が舞った場合においても占有体積の大きい摺動装置を確実に視認でき、飛翔体の速度を容易に特定することが可能となる。

速度測定装置は、摺動装置の移動方向に並置された２つの接触子と、摺動装置と２つの接触子との接触時点を特定可能な時点特定器と、を含んで構成され、２つの接触子との接触時点の差分時間と２つの接触子間の距離とに基づいて摺動装置の移動速度を導出してもよい。

本発明では、飛翔体および飛翔体の貫通によって生じる破片や粉塵を一旦摺動装置で受容した後、摺動装置との接触時点のみを特定すればよいので、破片や粉塵が舞った場合においても摺動機構によって移動軌跡が定まった摺動装置との接触時点を確実に測定でき、飛翔体の速度を容易に特定することが可能となる。

速度測定装置は、自体の移動速度を導出可能な速度センサを含んで構成され、摺動装置と一体的に用いられてもよい。

飛翔体に関しては、その質量や材質の均一性が求められるが、摺動装置は、供試体との貫通も想定されていないので自由に構成することができ、質量の制限もない。したがって、様々な電子機器を付設することも可能である。ここでは、速度センサを摺動装置に直接付す構成により、正確に摺動装置の速度を測定できる。さらに、速度センサの質量を筐体の質量として換算できるので、その分筐体のダミーウェイトを少なくすることが可能となる。

速度測定装置は、摺動装置の移動方向に伸縮自在な弾性体を含んで構成され、摺動装置が弾性体を押縮したときの弾性体の縮み量に基づいて摺動装置の移動速度を導出してもよい。

ここでは、運動エネルギー保存の法則を用いて、摺動装置の運動エネルギーを弾性体の弾性エネルギーに置換し、その弾性体の縮み量に基づいて摺動装置の移動速度を間接的に導出することができる。

上記課題を解決するために、供試体への飛翔体の打ち込み試験における供試体を貫通した後の飛翔体の残留速度を検出する本発明の飛翔体速度検出方法は、飛翔体の飛翔方向に対向する面が露出された緩衝材を支持する筐体を有し飛翔体より質量が大きい摺動装置を飛翔体の飛翔方向に移動自在に設置し、飛翔体を供試体に射出し、供試体を貫通した飛翔体が緩衝材に到達した後の摺動装置の移動速度を測定し、測定された摺動装置の移動速度と、摺動装置と飛翔体との質量比とに基づいて飛翔体の残留速度を特定する。

上述した、飛翔体速度検出システムの技術的思想に基づく構成要素やその説明は、当該摺動装置や飛翔体速度検出方法にも適用可能である。

本発明によれば、簡易かつ安価な構成で、飛翔体の貫通によって供試体の破片や粉塵が飛散する場合においても、飛翔体の残留速度を確実に特定することが可能となる。

第１の実施形態における飛翔体速度検出システムの概略的な配置関係を示した説明図である。 摺動装置の構成を説明するための説明図である。 低機能撮像装置を用いた速度測定を説明するための説明図である。 他の速度測定装置を説明するための説明図である。 他の速度測定装置を説明するための説明図である。 飛翔体速度検出方法の全体的な流れを示したフローチャートである。 第２の実施形態における飛翔体速度検出システムの準備段階の概略的な配置関係を示した説明図である。 飛翔体が衝止材に衝突した状態を示す説明図である。 飛翔体の飛翔速度と衝止材の痕跡情報との関係情報を説明するための説明図である。 多層の衝止材を説明するための説明図である。 飛翔体速度検出システムの測定段階の概略的な配置関係を示した説明図である。 飛翔体速度検出方法の全体的な流れを示したフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（耐弾性能試験）
例えば、飛行機のジェットエンジンにおけるファンを包囲するファンケースは、不慮の事故により高速のファンが脱離してもそのファンケースからのファンの放出を防止すべく、高いコンテインメント性能が求められる。コンテインメント性能は、ファンケースの外壁に相当する供試体の厚み方向に、ファンに見立てた飛翔体を高速で打ち込んだときの供試体の変形状態や飛翔体の最終的な速度によって求めることができる。

具体的に、例えば、任意の速度で飛翔体を供試体に射出し、飛翔体が貫通しない限界速度を求めたり、貫通が５０％の確率で生じ得る速度を求めたりする。本実施形態では、このような耐弾性能試験の一態様である打ち込み試験（高速衝突試験）における貫通後の残留速度測定を説明する。打ち込み試験では、飛翔体を高速で射出し、供試体を貫通させた後の残留速度を測定して貫通前後の飛翔体の速度から供試体に吸収されたエネルギーを定量的に求めることができる。しかし、測定対象である飛翔体は、毎秒数百メートルの残留速度で空間を移動しているというだけで測定困難である上、貫通後においては供試体の破片や粉塵の飛散によって視覚的な識別さえ容易ではなくなる。

ここでは、このような飛翔体の貫通によって供試体の破片や粉塵が飛散する場合においても、飛翔体の残留速度を簡易かつ安価な構成で確実に特定可能な、飛翔体速度検出システムを説明し、その後、飛翔体速度検出方法を詳述する。

（第１の実施形態：飛翔体速度検出システム１００）
図１は、飛翔体速度検出システム１００の概略的な配置関係を示した説明図である。飛翔体速度検出システム１００は、射出装置１１０と、供試体固定装置１２０と、摺動装置１３０と、速度測定装置１４０と、速度特定装置１５０とを含んで構成され、打ち込み試験を実現する。

射出装置１１０は、圧縮ガスや爆薬の爆発エネルギーを利用して飛翔体１１２を加速し、供試体１２２に高速で衝突させる。飛翔体１１２は、球形や円柱形の剛体、例えば銅で形成され、射出装置１１０によって射出された後、初速毎秒数百メートルで飛翔する。供試体固定装置１２０は、当該打ち込み試験の対象である供試体１２２の飛翔体１１２との衝突面が飛翔体１１２の飛翔方向に垂直になるように供試体１２２を固定する。

摺動装置１３０は、射出装置１１０と供試体固定装置１２０とを結ぶ直線上に設けられ、供試体１２２を貫通した飛翔体１１２を受け、運動量保存の法則に則って飛翔体１１２の飛翔方向に移動する。摺動装置１３０の具体的な構成は後ほど詳述する。

速度測定装置１４０は、摺動装置１３０の移動速度を測定する。速度特定装置１５０は、パーソナルコンピュータ等の計算機で構成され、速度測定装置１４０によって測定された摺動装置１３０の移動速度と、摺動装置１３０と飛翔体１１２との質量比とに基づいて飛翔体１１２の残留速度を特定する。

本実施形態における飛翔体速度検出システム１００では、運動量保存の法則を用い、質量は小さいが高速で飛翔する飛翔体１１２の運動量を質量が大きい摺動装置１３０の運動量に置換し、摺動装置１３０の比較的低速な移動速度を測定することで飛翔体１１２の残留速度を確実に特定することができる。

こうして、高価な高速度カメラや高速ストロボを用いることなく、簡易かつ安価な構成で、飛翔体１１２の残留速度を確実に特定することができる。また、飛翔体１１２の貫通によって生じる供試体１２２の破片や粉塵１２４の質量および速度は飛翔体と比較して小さいので摺動装置１３０の運動量への影響も小さく、供試体１２２の破片や粉塵による誤計測の誘発を回避することも可能となる。以下、上述した摺動装置１３０、速度測定装置１４０、速度特定装置１５０の具体的な構成を説明する。

（摺動装置１３０）
図２は、摺動装置１３０の構成を説明するための説明図である。摺動装置１３０は、緩衝材１３２と、筐体１３４と、摺動機構１３６とを含んで構成される。

緩衝材１３２は、図２（ａ）のように、飛翔体１１２の飛翔方向に対向する面を露出させ、飛翔体１１２の摺動装置１３０への衝突の衝撃を和らげるべく、図２（ｂ）のように飛翔体１１２を埋没させて運動エネルギーを吸収する役を担う。緩衝材１３２は、複数の紙や段ボールを重畳させた厚さ３０ｍｍ〜１００ｍｍの紙束、木材、防振ゴム、粘度、高粘性固体状のゲル等の弾性を有する部材で構成することができる。また、緩衝材１３２は、上述した弾性部材に限らず、飛翔体１１２を跳ね返したり、緩衝材１３２を部分的に分離させたりすることなく、高速の飛翔体１１２を衝止できれば様々な弾性部材を採用することができる。また、緩衝材１３２の面の露出は直接的な露出に限らず、運動量を伝達可能な表皮体を介する場合も含む。

当該打ち込み試験においては、図２（ｂ）に示すように、飛翔体１１２と共に供試体１２２の破片や粉塵１２４も緩衝材１３２に到達する可能性がある。しかし、上述したように、本実施形態では、飛翔体１１２を被写体や接触対象として用いるのではなく、飛翔体１１２の質量を利用しているので、そもそも質量の小さい破片や粉塵１２４は摺動装置１３０の移動に影響を与えない。

また、高速かつ剛性の高い飛翔体１１２を緩衝材１３２で衝止する構成により、飛翔体１１２を受け付けるための別途の設備を設ける必要もなく、さらに、飛翔体１１２の跳ね返りによる機材破損等の被害を回避でき、打ち込み試験の安全性を高めることが可能となる。

筐体１３４は、図２（ａ）のように、緩衝材１３２の飛翔体１１２の飛翔方向に対向する面以外の面を支持し、飛翔体１１２の運動量を吸収する。したがって、筐体１３４および緩衝材１３２は、図２（ｂ）のように、飛翔体１１２の運動量に相当する運動量で飛翔体１１２の飛翔方向に移動する。本実施形態では、緩衝材１３２の露出面以外を包囲して支持しているが、かかる場合に限られず、後述する摺動機構１３６の機能の障害になることなく、緩衝材１３２による飛翔体１１２の衝止を実現できれば、様々な支持機構を採用し得る。

摺動機構１３６は、地面側に固定されたリニアガイドレール１３６ａと、筐体１３４側に固定され、リニアガイドレール１３６ａを回転しながら滑動する滑車１３６ｂとで構成され、図２（ｂ）のように、筐体１３４を飛翔体１１２の飛翔方向に移動自在に摺動させる。

上述したように本実施形態では運動量保存の法則を用いているため、摺動装置１３０は、質量ｍ、残留速度（飛翔速度）ｖで飛翔する飛翔体１１２を緩衝材１３２に衝止することで、リニアガイドレール１３６ａ上を移動速度Ｖで摺動することとなる。ここで、移動速度Ｖを測定できれば、摺動装置１３０の質量Ｍ（ただし、摺動機構１３６におけるリニアガイドレール１３６ａを除く）を用いて飛翔体１１２の残留速度ｖは、

…（数式１）
で特定することが可能となる。したがって、以下で説明する速度測定装置１４０は、飛翔体１１２ではなく、低速の摺動装置１３０を測定する。

ところで、飛翔体１１２に関しては、その質量や材質の均一性が求められるが、摺動装置１３０の質量は自由に調整することができる。したがって、飛翔体１１２の質量、想定される残留速度、および速度測定装置１４０で測定し易い速度に基づいて摺動装置１３０の質量を調整できるように構成してもよい。

また、摺動機構１３６を通じた摩擦エネルギーの損失は最小限に抑えることが望ましいが、エネルギー損失が無視できない場合は、そのエネルギー損失を考慮した校正曲線を予め求めておくことで試験時にはエネルギー損失を考慮しなくてよくなる。飛翔体１１２や摺動装置１３０の移動に伴う空気との摩擦エネルギーは、同様に校正曲線で吸収することもできるが、当該飛翔体速度検出システム１００を真空中で実行してもその影響を回避することが可能となる。

さらに、飛翔体１１２と摺動装置１３０との移動方向が異なる場合、その２つの方向がなす角に応じて摺動装置１３０の移動速度を補正することもできるが、上記同様、校正曲線に吸収することもできる。校正曲線は、飛翔体１１２を、供試体１２２に貫通させることなく、摺動装置１３０に直接射出することで取得できる。ここでは、供試体１２２の破片や粉塵１２４が無いので、レーザー速度計等既存の様々な速度計で飛翔体１１２の飛翔速度を測定することが可能となる。

（速度測定装置１４０）
速度測定装置１４０は、摺動装置１３０の移動速度、概ね数ｍ／ｓｅｃ以下の速度を直接的または間接的に測定することができる。ここでは、直接的な速度測定装置１４０として、１．低機能撮像装置、２．接触子および時点特定器、３．速度センサを、間接的な速度測定装置１４０として、４．弾性体を説明する。また、ここで説明する速度測定手段に限らず、レーザー速度計をはじめとする非接触光学式の速度計等、様々な速度計を用いることもできる。以下で説明する速度測定手段はすべて互いに補完（バックアップ）できる関係にあるので、一度の打ち込み試験で飛翔体１１２の残留速度を複数導出し、その中の確からしい値または平均値を測定結果として採用することも可能である。

（１．低機能撮像装置）
まず、速度測定装置１４０として、摺動装置１３０の移動軌跡を連続的に撮像可能な撮像装置、特に、高速度カメラではない、数コマ／秒程度の撮像が可能な低機能の撮像装置、例えば、市販のビデオカメラやデジタルスチルカメラ等を用いることができる。

図３は、低機能撮像装置を用いた速度測定を説明するための説明図である。低機能の撮像装置の連続撮像によって撮像された、図３（ａ）に示すような複数の撮像時点の撮像画像（１）、（２）、（３）間における摺動装置１３０の変位（移動距離）ｄ_１、ｄ_２、…を特定し、その値を図３（ｂ）のようにプロットする。そして、複数の撮像時点間の変位との差分の二乗平均が最小となる近似曲線（一次近似曲線）１３８の勾配を摺動装置１３０の移動速度とすることができる。

ここでは、低速かつ占有体積の大きい摺動装置１３０の移動速度を測定するだけで、飛翔体１１２の残留速度を特定することができる。したがって、上述したような安価なカメラで十分な測定精度を確保できる。また、本実施形態では、飛翔体１１２および飛翔体１１２の貫通によって生じる破片や粉塵１２４を一旦摺動装置１３０で受容した後、摺動装置１３０のみを撮像すればよいので、破片や粉塵１２４が舞った場合においても占有体積の大きい摺動装置１３０を確実に視認でき、飛翔体１１２の速度を容易に特定することが可能となる。

（２．接触子および時点特定器）
図４は、他の速度測定装置１４０を説明するための説明図である。他の速度測定装置１４０としては、銀ペーストを螺旋状に配した検速紙や対象物との接触抵抗を検出する素子等を摺動装置１３０の移動方向に２つ並置した接触子１４２と、摺動装置１３０と２つの接触子１４２との接触時点を特定可能なオシロスコープ等の時点特定器１４４と、を含んで構成される。

図４を参照すると、摺動装置１３０の移動速度Ｖは、２つの接触子１４２との接触時点（図４（ｂ）、図４（ｃ）の時点）の差分時間ｔと、予め把握されている２つの接触子間の距離ｄ_ｓとを用い、関係式Ｖ＝ｄ_ｓ／ｔによって導出される。

ここでは、飛翔体１１２および飛翔体１１２の貫通によって生じる破片や粉塵１２４が一旦摺動装置１３０で受容され、摺動装置１３０との接触時点のみを特定すればよいことになるので、破片や粉塵１２４が舞った場合においても摺動機構１３６によって移動軌跡が定まった摺動装置１３０との接触時点のみを確実に測定でき、飛翔体１１２の速度を容易に特定することが可能となる。

（３．速度センサ）
さらに他の速度測定装置１４０として、自体の移動速度を導出可能な速度センサを摺動装置１３０と一体的に用いることもできる。飛翔体１１２に関しては、その質量や材質の均一性が求められるが、摺動装置１３０は、供試体１２２との貫通も想定されていないので自由に構成することができ、質量の制限もない。したがって、様々な電子機器を付設することも可能である。ここでは、速度測定装置１４０として速度センサを摺動装置１３０に直接付す構成により、正確に摺動装置１３０の速度を測定できる。さらに、速度センサの質量を筐体１３４の質量として換算できるので、その分筐体１３４のダミーウェイトを少なくすることが可能となる。

（４．弾性体）
図５は、他の速度測定装置１４０を説明するための説明図である。ここでは、他の速度測定装置１４０として、摺動装置１３０の移動方向に伸縮自在なバネ等の弾性体１４６が挙げられる。かかる速度測定装置１４０は、図５（ａ）のように、弾性体１４６の一端がリニアガイドレール１３６ａ同様地面側に固定され、他端が記録ペン１４８を備えて移動自在に構成されている。そして、摺動装置１３０が移動速度Ｖで弾性体１４６に到達し、弾性体１４６を押縮したときの最大の縮み量ｄ_Ｐに基づいて、運動エネルギー保存の法則により摺動装置１３０の移動速度Ｖを導出する。本実施形態では縮み量ｄ_Ｐの測定に記録ペンを用いているが、非接触光学式の距離センサ等、既存の様々な距離センサを用いることもできる。

具体的に、摺動装置１３０の質量をＭ、移動速度をＶ、飛翔体１１２の質量をｍとしたときの運動エネルギーＥ_１は、

…（数式２）
となり、摺動装置１３０の速度が０になったときの弾性体１４６の縮み量をｄ_Ｐ、弾性係数をｋとしたときの弾性エネルギーＥ_２は、

…（数式３）
となる。運動エネルギー保存の法則から運動エネルギーＥ_１＝弾性エネルギーＥ_２となるので、摺動装置１３０の移動速度Ｖは、

…（数式４）
で導き出せる。

かかる弾性体１４６による速度測定装置１４０は、上述した他の速度測定装置１４０を補完することを想定しているため、摺動装置１３０の摺動領域を設けるべく弾性体１４６を地面側に固定し、摺動装置１３０と離隔させて配置しているが、単独で用いる場合、摺動装置１３０と弾性体１４６とを予め連結しておくことで、摺動装置１３０と弾性体１４６との衝突に付随するエネルギー損失を削減することができる。ただし、衝突に付随するエネルギー損失が生じたとしても、上述した校正曲線に吸収させさえすれば、高精度に摺動装置１３０の移動速度を特定することも可能である。

（速度特定装置１５０）
速度特定装置１５０は、このようにして測定された摺動装置１３０の移動速度Ｖと、摺動装置１３０と飛翔体１１２との質量比（Ｍ：ｍ）とに基づいて飛翔体１１２の残留速度を上述した数式１を用いて特定する。

したがって、摺動装置１３０と飛翔体１１２との質量比を例えば９９：１とした場合、摺動装置１３０と飛翔体１１２との速度比は１：１００となり、摺動装置１３０の移動速度Ｖを数十ｃｍ／ｓｅｃ〜数ｍ／ｓｅｃとした場合、飛翔体１１２の残留速度ｖは、数十ｍ／ｓｅｃ〜数百ｍ／ｓｅｃといった具合に導き出せる。

かかる残留速度ｖの計算では、数式１のように飛翔体１１２の残留速度ｖと摺動装置１３０の移動速度Ｖとを線形関数で示しているが、他の損失エネルギーで校正した場合、単なる一次式となるとは限らない。しかし、少なくとも１対１で単調増加する漸増関数で示すことができるので、いずれにしても摺動装置１３０の移動速度Ｖから飛翔体１１２の残留速度ｖを一義的に求めることは可能である。

以上、説明した飛翔体速度検出システム１００によって、簡易かつ安価な構成で、飛翔体１１２の貫通によって供試体１２２の破片や粉塵１２４が飛散する場合においても、飛翔体１１２の残留速度ｖを確実に特定することが可能となる。

また、供試体１２２への飛翔体１１２の打ち込み試験における供試体１２２を貫通した後の飛翔体１１２の残留速度を検出する飛翔体速度検出方法も提供される。以下、このような飛翔体速度検出方法を詳細に説明する。

（飛翔体速度検出方法）
図６は、飛翔体速度検出方法の全体的な流れを示したフローチャートである。ここでは、まず、飛翔体１１２より質量が大きい摺動装置１３０を飛翔体１１２の飛翔方向に移動自在に設置し（Ｓ２００）、射出装置１１０に所定の速度で飛翔体１１２を供試体１２２に向けて射出させる（Ｓ２０２）。

そして、飛翔体１１２が供試体１２２を貫通し緩衝材１３２に到達すると、摺動装置１３０が運動量保存の法則に従ってリニアガイドレール１３６ａ上を摺動し（Ｓ２０４）、速度測定装置１４０が摺動装置１３０の移動速度を測定する（Ｓ２０６）。

最後に、速度特定装置１５０は、測定された摺動装置１３０の移動速度Ｖと、摺動装置１３０と飛翔体１１２との質量比（Ｍ：ｍ）とに基づいて、数式１を用い飛翔体１１２の残留速度を特定する（Ｓ２０８）。こうして、飛翔体速度検出方法においても、簡易かつ安価な構成で、飛翔体１１２の貫通によって供試体１２２の破片や粉塵１２４が飛散する場合においても、飛翔体１１２の残留速度ｖを確実に特定することが可能となる。

（第２の実施形態：飛翔体速度検出システム３００）
上述した第１の実施形態では、運動量保存の法則を用い、高速で飛翔する飛翔体１１２の運動量を摺動装置１３０の運動量に置換し、摺動装置１３０の比較的低速な移動速度を測定することで飛翔体１１２の残留速度を特定した。本実施形態では、供試体１２２を貫通した飛翔体１１２をさらに衝止材に衝突させると、飛翔体１１２の飛翔速度と衝突後の衝止材の痕跡とに所定の関係が成り立つことに着目し、その関係を利用して、飛翔体１１２の残留速度を特定する。

飛翔体速度検出システム３００では、飛翔体１１２の飛翔速度と飛翔体１１２による衝止材の痕跡との関係を予め導出しておき、同一の条件で速度不定の飛翔体１１２を衝止材に衝突させたときの痕跡から飛翔体１１２の残留速度を逆算する。したがって、飛翔体速度検出システム３００は、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材の痕跡との関係情報を導出する準備段階と、飛翔体１１２を実際に供試体１２２に打ち込む測定段階との２段階を経て飛翔体１１２の残留速度を特定することとなる。以下、準備段階と測定段階とに分けて飛翔体速度検出システム３００を説明する。

（準備段階）
図７は、飛翔体速度検出システム３００の準備段階の概略的な配置関係を示した説明図である。飛翔体速度検出システム３００は、射出装置１１０と、衝止材固定装置３３０と、痕跡測定装置３４０と、速度特定装置３５０とを含んで構成され、予め飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材の痕跡情報との関係情報を導出する。第１の実施形態における構成要素として既に述べた射出装置１１０は、実質的に機能が同一なので重複説明を省略し、ここでは、構成が相違する衝止材固定装置３３０と、痕跡測定装置３４０と、速度特定装置３５０とを主に説明する。

飛翔体速度検出システム３００において射出装置１１０に射出される飛翔体１１２は、第１の実施形態同様、球形や円柱形の剛体、例えば銅で形成されている。ここでは、打ち込み対象である供試体１２２や後述する衝止材との関係で、飛翔体１１２の材質（硬度）、形状、寸法（質量）等の形態が選択される。ここで選択された形態は測定段階でも維持される。

衝止材固定装置３３０は、飛翔体１１２を最終的に衝止する衝止材３３２の面が飛翔体１１２の飛翔方向に垂直になるように衝止材３３２を固定する。衝止材３３２は、アルミ等、基本的に飛翔体１１２より硬度の低い金属で形成される。また、衝止材３３２は飛翔体１１２の想定飛翔速度に応じてその材質（硬度）等の形態が選択され、選択された形態は測定段階でも維持される。ここでは、衝止材３３２を平面板で形成する例を挙げるが、かかる場合に限られず、飛翔体１１２の飛翔方向が変動する場合を考慮して、貫通点が中心となる球を描くように対向面を内側に屈曲させた曲板を用いることもできる。

準備段階において射出装置１１０は、供試体１２２を介すことなく衝止材固定装置３３０の衝止材３３２に飛翔体１１２を直接射出する。

図８は、飛翔体１１２が衝止材３３２に衝突した状態を示す説明図である。図８（ａ）のように衝止材３３２に向かって垂直に飛翔してくる直径Ｄの球形の飛翔体１１２は、衝突後、図８（ｂ）のように衝止材３３２に埋没し、クレーターのような打痕（痕跡）を形成する。

痕跡測定装置３４０は、レーザー測距装置等の空間距離を測定可能な機器で構成され、飛翔体が衝突した後の衝止材３３２の痕跡情報を測定する。痕跡情報は、例えば、痕跡の深さ、および／または、痕跡の大きさである。痕跡の深さは、図８（ｂ）に示すように、衝止材３３２の既存面から痕跡の最深位置までの距離ｄ_ｄであり、痕跡の大きさは、突出部３４２の最突出部で形成される略円の直径ｄ_ｃである。痕跡の深さや大きさはその測定方法が一義的に確立されていればよく、痕跡の深さを突出部３４２の最突出位置から測定してもよいし、痕跡の大きさとして突出部３４２の最外縁（突出部３４２の立ち上がり部分）で形成される円を測定してもよい。

速度特定装置３５０は、パーソナルコンピュータ等の計算機で構成され、痕跡測定装置３４０によって測定された複数の痕跡情報から飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材の痕跡情報との関係情報を生成する。

図９は、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係情報を説明するための説明図である。図９（ａ）では、飛翔速度を複数異ならせて（例えば７５、１００、１５０、５００ｍ／ｓｅｃ）、射出装置１１０から飛翔体１１２を衝止材３３２に直接衝突させ、痕跡測定装置３４０でそれぞれの痕跡情報を測定している。ここで飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係をプロットすると、図９（ｂ）のようになる。かかる関係情報は、複数次の曲線で近似可能であるが、少なくとも１対１で単調増加する漸増関数で示すことができるので、いずれにしても痕跡情報から飛翔体１１２の残留速度ｖを一義的に求めることは可能である。このとき、環境条件、例えば気温や気圧も考慮するとより高精度な測定が可能となる。

また、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係情報は、近似曲線による関係式で表してもよいが、速度特定装置３５０の処理能力が低い場合、衝止材３３２の痕跡情報から飛翔体１１２の残留速度ｖを一義的に求められるテーブルを用いることもできる。

ここで、測定段階における飛翔体１１２の残留速度を予め予想できる場合、準備段階において、その残留速度に合わせ衝止材３３２の硬度を選択することもできる。例えば、残留速度が低くなると予想できる場合、硬度の低い（降伏点の低い）衝止材３３２を選択することで、飛翔体１１２の飛翔速度が低い場合であっても、痕跡の深さや大きさが比較的顕著な値になり、低速の残留速度を細かい分解能で測定することが可能となる。また、残留速度が高くなることが予想できる場合、硬度の高い（降伏点の高い）衝止材３３２を選択することで、飛翔体１１２が高速で衝止材３３２に衝突する場合であっても、適度な大きさの痕跡を残すことができ、当然、貫通してしまうこともない。

ただし、測定段階における飛翔体１１２の残留速度のレンジが広範囲に及ぶ場合、問題が生じ得る。例えば、残留速度が低い場合を想定して、硬度の低い（降伏点の低い）衝止材３３２のみを準備した場合、飛翔体１１２の残留速度が低いうちはよいが、飛翔体１１２の残留速度が高くなると痕跡の深さおよび大きさが増大してしまい衝止材３３２を貫通してしまう可能性すら生じる。したがって、厚みが大きい衝止材３３２を予め準備しなければならない。

また、残留速度が高い場合を想定して、硬度の高い（降伏点の高い）衝止材３３２のみを準備した場合、飛翔体１１２の残留速度が低いとき飛翔体１１２が衝止材３３２との衝突後跳ね返ってしまい、十分な測定結果を得ることができない可能性がある。

ここで、硬度が異なる複数の衝止材３３２を準備しておき、その複数の衝止材３３２それぞれについて後述する測定段階同様、実際に供試体１２２を貫通させ、各衝止材３３２の痕跡を比較して１の衝止材３３２を選択してから準備段階に入ることも考えられる。しかし、このような試験構成は多くの供試体１２２や衝止材３３２を無駄に費やすことになるので有効な手段とは言えない。そこで、硬度が異なる肉薄な板を複数重畳させて１の衝止材３３２を生成し、準備段階および測定段階で用いることとする。

図１０は、多層の衝止材３３２を説明するための説明図である。ここでは、図１０（ａ）に示すように、飛翔体１１２の飛翔方向に対向する面側に硬度の低い板３６０を配置し、飛翔方向に進むに連れ硬度が高い板３６２、３６４を重畳する。飛翔体１１２の飛翔速度と各板３６０、３６２、３６４との痕跡情報（ここでは痕跡の深さおよび大きさの両方を指す）との関係情報が、それぞれ図１０（ｂ）における軌跡３７０、３７２、３７４のようになるとき、飛翔体１１２と多層化された衝止材３３２とによる痕跡情報３７６は、飛翔体１１２が板３６０に衝突した後、板３６２に到達する地点Ａまで、板３６０の軌跡３７０上を推移し、飛翔体１１２が板３６２に到達した後、板３６４に到達する地点Ｂまで、板３６２の軌跡３７２と等しい勾配で推移し、板３６４に到達した後は、板３６４の軌跡３７４と等しい勾配で推移する。

このように、上記の多層化された衝止材３３２を用いると、飛翔体１１２の飛翔速度が低い場合には、板３６０の領域において、痕跡の深さや大きさが比較的顕著な値になり、低速の残留速度を細かい分解能で測定できる。また、飛翔体１１２の飛翔速度が高い場合には、板３６２または板３６４の領域において、その痕跡を確実に測定することが可能となる。したがって、測定段階における飛翔体１１２の残留速度のレンジが広範囲に及ぶ場合であっても、一様な、多層化された１種類の衝止材３３２によって飛翔体１１２の残留速度を確実に特定することができるようになる。ここでは、説明の便宜上、３枚の板を多層化する構成を述べたが、層数はかかる場合に限られず、飛翔体１１２の残留速度のレンジや求められる分解能に応じて２枚とすることも、４枚以上とすることも可能である。

（測定段階）
図１１は、飛翔体速度検出システム３００の測定段階の概略的な配置関係を示した説明図である。測定段階において、飛翔体速度検出システム３００は、射出装置１１０と、供試体固定装置１２０と、衝止材固定装置３３０と、痕跡測定装置３４０と、速度特定装置３５０とを含んで構成され、打ち込み試験（高速衝突試験）を実現する。供試体固定装置１２０は第１の実施形態において既に説明しているので、ここではその詳細な説明を省略する。

射出装置１１０は、飛翔体１１２を加速し、供試体固定装置１２０に固定された供試体１２２に高速で衝突させる。飛翔体１１２は、供試体１２２を貫通して衝止材固定装置３３０に固定された衝止材３３２に衝突する。

速度特定装置３５０は、痕跡測定装置３４０で測定された痕跡情報に基づいて、予め準備段階で求められた、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係情報を用い飛翔体１１２の残留速度を特定する。例えば、痕跡の大きさが１．６ｍｍであれば、図９（ｂ）を参照して残留速度を略３００ｍ／ｓｅｃと特定することが可能である。また、準備段階において、多層化された衝止材３３２を用いた場合、測定段階でも同一形態の衝止材３３２を利用し、図１０（ｂ）の痕跡情報３７６を参照して残留速度を特定することができる。

本実施形態における飛翔体速度検出システム３００では、飛翔体１１２の飛翔速度と衝突後の衝止材３３２の痕跡情報とに所定の関係が成り立つことを利用しているので、衝止材３３２の痕跡さえ測定できれば、衝突した飛翔体１１２の残留速度を確実に特定することができる。

こうして、高価な高速度カメラや高速ストロボを用いることなく、簡易かつ安価な構成で、飛翔体１１２の残留速度を確実に特定することができる。また、飛翔体１１２の貫通によって供試体１２２の破片や粉塵１２４が生じたとしても、衝止材３３２に衝突した飛翔体１１２の痕跡を識別し、その飛翔体１１２の痕跡のみによって残留速度を特定するので、供試体１２２の破片や粉塵による誤計測の誘発を回避することも可能となる。

（飛翔体速度検出方法）
図１２は、飛翔体速度検出方法の全体的な流れを示したフローチャートである。準備段階において、まず、供試体１２２を用いず、射出装置１１０から射出した飛翔体１１２を直接衝止材３３２に複数の飛翔速度で衝突させ、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係情報を生成する（Ｓ４００）。

そして、測定段階に移行すると、供試体固定装置１２０に供試体１２２を設置し（Ｓ４０２）、今度は、射出装置１１０に所定の速度で飛翔体１１２を供試体１２２に向けて射出させる（Ｓ４０４）。

飛翔体１１２が供試体１２２を貫通し衝止材３３２に衝突した後、痕跡測定装置３４０を通じて痕跡情報を測定し（Ｓ４０６）、速度特定装置３５０は、痕跡測定装置３４０で測定された痕跡情報に基づいて、予め準備段階で求められた、飛翔体１１２の飛翔速度と衝止材３３２の痕跡情報との関係情報を用い飛翔体１１２の残留速度を特定する（Ｓ４０８）。こうして、飛翔体速度検出方法においても、簡易かつ安価な構成で、飛翔体１１２の貫通によって供試体１２２の破片や粉塵１２４が飛散する場合においても、飛翔体１１２の残留速度ｖを確実に特定することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、本明細書の飛翔体速度検出方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、飛翔体の打ち込み試験における飛翔体の貫通後の残留速度を検出する飛翔体速度検出システムおよび飛翔体速度検出方法に利用することができる。

１００、３００ …飛翔体速度検出システム
１１０ …射出装置
１１２ …飛翔体
１２０ …供試体固定装置
１２２ …供試体
１３０ …摺動装置
１３２ …緩衝材
１３４ …筐体
１３６ …摺動機構
１４０ …速度測定装置
１４２ …接触子
１４４ …時点特定器
１４６ …弾性体
１４８ …記録ペン
１５０、３５０ …速度導出装置
３３０ …衝止材固定装置
３３２ …衝止材
３４０ …痕跡測定装置
３４２ …突出部

Claims (6)

1. 供試体への飛翔体の打ち込み試験における該供試体を貫通した後の該飛翔体の残留速度を検出する飛翔体速度検出システムであって、
   前記飛翔体の飛翔方向に対向する面が露出された緩衝材を支持する筐体と、該飛翔体の飛翔方向に移動自在に該筐体を摺動させる摺動機構とを有する該飛翔体より質量が大きい摺動装置と、
   前記飛翔体が前記緩衝材に到達した後の前記摺動装置の移動速度を測定する速度測定装置と、
   測定された前記摺動装置の移動速度と、前記摺動装置と前記飛翔体との質量比とに基づいて該飛翔体の残留速度を特定する速度特定装置と、
   を備える飛翔体速度検出システム。
2. 前記速度測定装置は、
   前記摺動装置の移動軌跡を連続的に撮像可能な撮像装置を含んで構成され、
   複数の撮像時点の撮像画像間における前記摺動装置の変位に基づいて該摺動装置の移動速度を導出することを特徴とする請求項１に記載の飛翔体速度検出システム。
3. 前記速度測定装置は、
   前記摺動装置の移動方向に並置された２つの接触子と、該摺動装置と該２つの接触子との接触時点を特定可能な時点特定器と、を含んで構成され、
   前記２つの接触子との接触時点の差分時間と該２つの接触子間の距離とに基づいて前記摺動装置の移動速度を導出することを特徴とする請求項１または２に記載の飛翔体速度検出システム。
4. 前記速度測定装置は、自体の移動速度を導出可能な速度センサを含んで構成され、前記摺動装置と一体的に用いられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の飛翔体速度検出システム。
5. 前記速度測定装置は、
   前記摺動装置の移動方向に伸縮自在な弾性体を含んで構成され、
   前記摺動装置が前記弾性体を押縮したときの弾性体の縮み量に基づいて該摺動装置の移動速度を導出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の飛翔体速度検出システム。
6. 供試体への飛翔体の打ち込み試験における該供試体を貫通した後の該飛翔体の残留速度を検出する飛翔体速度検出方法であって、
   前記飛翔体の飛翔方向に対向する面が露出された緩衝材を支持する筐体を有し該飛翔体より質量が大きい摺動装置を該飛翔体の飛翔方向に移動自在に設置し、
   前記飛翔体を前記供試体に射出し、
   前記供試体を貫通した前記飛翔体が前記緩衝材に到達した後の前記摺動装置の移動速度を測定し、
   測定された前記摺動装置の移動速度と、前記摺動装置と前記飛翔体との質量比とに基づいて該飛翔体の残留速度を特定することを特徴とする飛翔体速度検出方法。

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