JP5691537B2

JP5691537B2 - 宇宙機器固定分離装置

Info

Publication number: JP5691537B2
Application number: JP2011005719A
Authority: JP
Inventors: 雷太天方; 司朗金子
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012144206A

Description

本発明は、宇宙機器固定分離装置に関する。

一般的に、人工衛星や探査機などの宇宙機器は、ロケットの先端部に固定され、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により覆われている。そして、宇宙機器は、打ち上げ後、所定のタイミングでロケットのペイロードフェアリングが分離開頭すると共に、固定具である爆発ボルトなどの火工品が爆発すると、ロケットから分離される。しかしながら、固定具に火工品を用いた場合には、爆発による衝撃が発生するので、当該衝撃に対する耐性が宇宙機器及びロケットに要求され、その要求を満足するために、宇宙機器及びロケットの部品点数増や重量増が引き起こされる。そのため、火工品を用いずに分離を実現する発明として、下記特許文献１には、パラフィンアクチュエータを用いた固定分離具が提案されている。

特開２００２−１９３２００号公報

しかしながら、上記パラフィンアクチュエータでは、パラフィンを加熱する必要があるので、加熱に必要となる燃料や電力をロケットに余分に搭載しなければならず、また宇宙機器に熱による悪影響が生じる可能性がある。また、上記パラフィンアクチュエータでは、パラフィンの熱膨張が利用されているが、パラフィンが所定の体積に膨張するまでに要する時間は加熱状況によってばらつくので、所望のタイミングで宇宙機器を分離することが難しい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、加熱を必要とせず、所望のタイミングで宇宙機器を分離することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、宇宙機器固定分離装置に係る第１の解決手段として、宇宙機器が載置される載置台と、前記宇宙機器に係合することにより当該宇宙機器を前記載置台に締結する複数の締結具と、前記複数の締結具各々に設けられ、前記載置台に前記締結具を回動自在に支持すると共に、前記締結具に前記宇宙機器との係合を解除する方向の付勢力を付与する複数の締結具支持具と、前記締結具に連結されるロッドを有し、作動ガスが充填されると前記ロッドが移動して前記締結具を前記宇宙機器に係合させる複数のガスシリンダと、一端が前記ガスシリンダに接続されると共に他端が開放され、前記作動ガスが通過するガス配管と、該ガス配管に設けられる遮断弁と、前記宇宙機器が前記載置台から離間する方向に付勢力を付与する付勢手段とを具備するという手段を採用する。

本発明では、宇宙機器固定分離装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、複数の前記ガスシリンダと前記ガス配管の他端との距離は等距離であるという手段を採用する。

本発明では、宇宙機器固定分離装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記作動ガスは、窒素あるいはヘリウムであるという手段を採用する。

本発明によれば、パラフィンアクチュエータではなく、ガスシリンダを用いて宇宙機器を固定するので、宇宙機器の分離時に加熱を必要としない。また、ガスシリンダのガスの放出時間は環境にあまり左右されないため、遮断弁が開放されてから宇宙機器が分離されるまでに要する時間は安定している。そのため、本発明は、所望のタイミングで宇宙機器を分離しやすい。

本発明の第１実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ａを備えたロケットＲの概略構成図である。本発明の第１実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ａの構成を模式的に示す上面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。本発明の第１実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ａの動作を示す図である。本発明の第２実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ｂの構成を模式的に示す上面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。本発明の第２実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ｂの動作を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
最初に第１実施形態について説明する。
第１実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ａは、ロケットＲの先端に収容され、人工衛星（宇宙機器）ＳｔをロケットＲに固定すると共に、人工衛星ＳｔをロケットＲから分離するものである。
上記人工衛星Ｓｔは、図１及び図２に示すように、円筒形の下部にフランジＳｔ１が形成された形状をしており、打ち上げられたロケットＲから宇宙空間に放出された後には、地球の軌道上を周回しながら軍事や通信などの各分野に利用される。

また、上記ロケットＲは、図１に示すように、ロケット機体Ｒｂ、ペイロードフェアリングＰｆ及び支持構造Ｓｐを備えている。なお、図１において、符号Ｘは、ロケットＲの機軸を示している。
ロケット機体Ｒｂは、例えば、多段ロケット機体であり、機体同士を分離する分離機構や、液体燃料及び酸化剤を収容するタンクや、ロケットエンジンなどを備え、ロケットエンジンにおいて液体燃料と酸化剤とを化合させることによりロケットＲの推力を発生させる。また、ロケット機体Ｒｂには、図１に示すように、その先端部に人工衛星Ｓｔが搭載されている。

ペイロードフェアリングＰｆは、図１に示すように、人工衛星Ｓｔを覆うようにロケット機体Ｒｂの先端部に装着された人工衛星保護用のカバー部品であり、中空の円筒形状部Ｐｆ１及び円錐形状部Ｐｆ２から構成されている。このペイロードフェアリングＰｆは、ロケット機体Ｒｂの機軸Ｘを中心に分離開頭可能な構造であり、分離開頭後、ロケット機体Ｒｂから切り離されて宇宙空間に自動的に投棄される。
支持構造Ｓｐは、ロケット機体Ｒｂの先端部に設置され、複数の棒部材が用いられて立体的に組み立てられたものであり、人工衛星固定分離装置Ａ全体を下方からロケット機体Ｒｂに支持するものである。

人工衛星固定分離装置Ａは、図２に示すように、載置台１、締結具２、締結具支持具３、ガスシリンダ４、分離用スプリング５、ガス配管６及び遮断弁７から構成されている。
載置台１は、人工衛星Ｓｔが載置される円板状の台であり、支持構造Ｓｐによってロケット機体Ｒｂに固定され、外周に沿って締結具２が取り付けられている。

締結具２は、人工衛星ＳｔのフランジＳｔ１に係合する先端部２ａと、ガスシリンダ４に対して回転自在に連結される下端部２ｂとが設けられ、載置台１の外周に締結具支持具３により回動自在に支持され、等間隔に１６個配置されている。締結具２は、下端部２ｂがガスシリンダ４に押圧されることにより先端部２ａが人工衛星Ｓｔに接近する方向に回動し、フランジＳｔ１に係合する。

締結具支持具３は、１６個の締結具２各々に設けられ、載置台１に締結具２を回動自在に支持する。締結具支持具３には、ねじりバネが取り付けられており、このねじりバネにより締結具２に人工衛星Ｓｔとの係合を解除する方向の付勢力を付与する。すなわち、締結具２は、ガスシリンダ４により下端部２ｂが押圧されてない場合には、締結具支持具３の付勢力により先端部２ａが人工衛星Ｓｔから離間する方向に回動し、人工衛星Ｓｔとの係合を解除する。

ガスシリンダ４は、支持構造Ｓｐの内部に固定されており、１６個の締結具２各々に設けられている。ガスシリンダ４は、作動ガスが充填された場合に載置台１に平行かつ外周方向に突出するとともに作動ガスが放出されたされた場合に後退するロッド４ａを備える。各ガスシリンダ４では、ロッド４ａが締結具２各々の下端部２ｂに回動自在になるように連結されている。このガスシリンダ４は、作動ガス充填時には、ロッド４ａが最も突出した状態になることにより締結具２の下端部２ｂを押圧し、この押圧により締結具２を人工衛星Ｓｔに係合させる。また、ガスシリンダ４は、ガス放出時には、ロッド４ａが最も後退する、つまり最も収納された状態になることにより締結具２の下端部２ｂを載置台１の中心方向に引っ張り、これにより締結具２に人工衛星Ｓｔとの係合を解除させる。なお、ガスシリンダ４に使用される作動ガスは、燃えにくくかつガスシリンダ４及び後述のガス配管６が酸化されにくい不活性ガスが望ましく、例えばヘリウムガスや窒素ガスなどである。

分離用スプリング５は、図２に示すように、載置台１に４個埋め込まれ、人工衛星Ｓｔの下方から人工衛星Ｓｔが載置台１から離間する方向に付勢力を付与するものである。人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除されると、分離用スプリング５の付勢力によりロケットＲから宇宙空間に放出される。

ガス配管６は、図２に示すように、支持構造Ｓｐの内部に固定されており、一端がガスシリンダ４各々に接続されると共に他端が開放されることで作動ガスの放出口６ａが設けられ、各ガスシリンダ４と放出口６ａとの距離が等距離になっている。つまり、ガス配管６は、ガスシリンダ４各々から等距離で１本の配管に集約され、集約された配管に放出口６ａが設けられている。これにより、ガスシリンダ４各々の作動ガスが均等な速度で放出される。なお、以下では、ガス配管６が１本に集約された位置を、集約位置６ｂと称する。
遮断弁７は、電磁石の磁力を用いてプランジャを動かすことで弁を開閉する電磁弁であり、ガス配管６の集約位置６ｂと放出口６ａとの間に設けられ、ガスシリンダ４の作動ガスの放出と放出の遮断とを開閉動作により制御する。

次に、上記構成の人工衛星固定分離装置Ａの動作について説明する。
人工衛星固定分離装置Ａでは、人工衛星Ｓｔの分離タイミングになるまで、締結具２が人工衛星ＳｔのフランジＳｔ１に係合することで人工衛星Ｓｔを載置台１に締結する。人工衛星固定分離装置Ａでは、分離タイミングになると、遮断弁７が開放され、全てのガスシリンダ４の作動ガスがガス配管６を通過し、放出口６ａから放出される。これによって、各ガスシリンダ４のロッド４ａが後退するので、各締結具２は、図３（ａ）に示すように、締結具支持具３に設けられたねじりバネの付勢力により人工衛星Ｓｔとの係合を解除する方向に回動する。これにより、人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除される。そして、人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除されると、図３（ｂ）に示すように、分離用スプリング５の付勢力によりロケットＲから宇宙空間に放出される。

このような本人工衛星固定分離装置Ａによれば、パラフィンアクチュエータではなく、ガスシリンダ４を用いて人工衛星Ｓｔを固定するので、人工衛星Ｓｔの分離時に加熱を必要としない。また、人工衛星固定分離装置Ａにおいて、ガスシリンダ４の作動ガスの放出時間は環境にあまり左右されないため、遮断弁７が開放されてから人工衛星Ｓｔが分離されるまでに要する時間は安定している。そのため、人工衛星固定分離装置Ａは、所望のタイミングで人工衛星Ｓｔを分離しやすい。さらに、人工衛星固定分離装置Ａでは、各ガスシリンダ４から放出口６ａまでの距離が等距離であることにより各ガスシリンダ４から作動ガスが均等な速度で放出されるので、各締結具２の解除タイミングが一致する。これにより、人工衛星固定分離装置Ａは、人工衛星Ｓｔの姿勢を傾けることなく、所望の方向に放出することができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。
第２実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ｂは、第１実施形態に係る人工衛星固定分離装置Ｂと同様に、ロケットＲの先端に収容され、人工衛星ＳｔをロケットＲに固定すると共に、人工衛星ＳｔをロケットＲから分離する。なお、人工衛星Ｓｔ及びロケットＲについては、上述したものと同様であるので詳細な説明を省略する。

人工衛星固定分離装置Ｂは、締結具２の形状及びガスシリンダ４の使われ方が上記第１実施形態の人工衛星固定分離装置Ａと相違する。したがって、人工衛星固定分離装置Ｂにおいて第１実施形態の人工衛星固定分離装置Ａと同一の機能構成要素には同一符号を付す。
人工衛星固定分離装置Ｂは、図４に示すように、載置台１、締結具２、締結具支持具３、ガスシリンダ４、分離用スプリング５、ガス配管６及び遮断弁７から構成されている。

載置台１は、人工衛星Ｓｔが載置される円板状の台であり、支持構造Ｓｐによってロケット機体Ｒｂに固定され、外周に沿って締結具２が取り付けられている。
締結具２は、第１実施形態とは異なり、コの字形状をしており、人工衛星ＳｔのフランジＳｔ１に係合する先端部２ａと、ガスシリンダ４に対して回転自在に連結される末端部２ｃとが設けられ、下側の角が締結具支持具３によって載置台１の外周に回動自在に支持され、等間隔に１６個配置されている。締結具２は、末端部２ｃがガスシリンダ４に引っ張られることにより先端部２ａが人工衛星Ｓｔに接近する方向に回動し、フランジＳｔ１に係合する。

締結具支持具３は、１６個の締結具２各々に設けられ、コの字形状である締結具２の下側の角が回転支点になるように載置台１に締結具２を回動自在に支持する。締結具支持具３には、ねじりバネが取り付けられており、このねじりバネにより締結具２に人工衛星Ｓｔとの係合を解除する方向の付勢力を付与する。すなわち、締結具２は、ガスシリンダ４により末端部２ｃが引っ張られてない場合には、締結具支持具３の付勢力により先端部２ａが人工衛星Ｓｔから離間する方向に回動し、人工衛星Ｓｔとの係合を解除する。

ガスシリンダ４は、支持構造Ｓｐの内部に固定されており、１６個の締結具２各々に設けられている。ガスシリンダ４は、作動ガスが充填された場合に載置台１の垂直方向に後退すると共に作動ガスが放出されたされた場合に突出するロッド４ａを備える。各ガスシリンダ４では、ロッド４ａが締結具２各々の末端部２ｃに回動自在になるように連結されている。このガスシリンダ４は、作動ガス充填時には、ロッド４ａが最も後退する、つまり最も収納された状態になることにより締結具２の末端部２ｃを引っ張り、これにより締結具２を人工衛星Ｓｔに係合させる。また、ガスシリンダ４は、作動ガス放出時には、ロッド４ａが最も突出した状態になることにより締結具２の末端部２ｃを押圧し、この押圧により締結具２に人工衛星Ｓｔとの係合を解除させる。なお、ガスシリンダ４に使用される作動ガスは、燃えにくくかつガスシリンダ４及び後述のガス配管６が酸化されにくい不活性ガスが望ましく、例えばヘリウムガスや窒素ガスなどである。

分離用スプリング５、図２に示すように、載置台１に４個埋め込まれ、人工衛星Ｓｔの下方から人工衛星Ｓｔが載置台１から離間する方向に付勢力を付与するものである。人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除されると、分離用スプリング５の付勢力によりロケットＲから宇宙空間に放出される。

次に、上記構成の人工衛星固定分離装置Ｂの動作について説明する。
人工衛星固定分離装置Ｂでは、人工衛星Ｓｔの分離タイミングになるまで、締結具２が人工衛星ＳｔのフランジＳｔ１に係合することで人工衛星Ｓｔを載置台１に締結する。人工衛星固定分離装置Ｂでは、分離タイミングになると、遮断弁７が開放され、全てのガスシリンダ４の作動ガスがガス配管６を通過し、放出口６ａから放出される。これによって、各ガスシリンダ４のロッド４ａが突出するので、各締結具２は、図５（ａ）に示すように、締結具支持具３に設けられたねじりバネの付勢力により人工衛星Ｓｔとの係合を解除する方向に回動する。これにより、人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除される。そして、人工衛星Ｓｔは、締結具２による固定が解除されると、図５（ｂ）に示すように、分離用スプリング５の付勢力によりロケットＲから宇宙空間に放出される。

このような本人工衛星固定分離装置Ｂによれば、パラフィンアクチュエータではなく、ガスシリンダ４を用いて人工衛星Ｓｔを固定するので、人工衛星Ｓｔの分離時に加熱を必要としない。また、人工衛星固定分離装置Ｂにおいて、ガスシリンダ４の作動ガスの放出時間は環境にあまり左右されないため、遮断弁７が開放されてから人工衛星Ｓｔが分離されるまでに要する時間は安定している。そのため、人工衛星固定分離装置Ｂは、所望のタイミングで人工衛星Ｓｔを分離しやすい。さらに、人工衛星固定分離装置Ｂでは、各ガスシリンダ４から放出口６ａまでの距離が等距離であることにより各ガスシリンダ４から作動ガスが均等な速度で放出されるので、各締結具２の解除タイミングが一致する。これにより、人工衛星固定分離装置Ｂは、人工衛星Ｓｔの姿勢を傾けることなく、所望の方向に放出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態には、円筒形の下部にフランジSｔ１が形成された人工衛星Ｓｔが搭載されているが、当該形状以外の人工衛星Ｓｔが搭載されていてもよい。また、上記実施形態は、人工衛星Ｓｔが搭載される固定分離装置に本発明を適用したものであるが、人工衛星Ｓｔ以外の探査機などの宇宙機器が搭載される固定分離装置に本発明を適用するようにしてもよい。

（２）上記実施形態には、１６個の締結具２が取り付けられているが、最低でも２個、人工衛星Ｓｔの固定状態が安定するように望ましくは３個以上取り付けられていればよい。
（３）上記実施形態には、４個の分離用スプリング５が取り付けられているが、本発明はこれに限定されない。分離用スプリング５は、１個以上であればよく、人工衛星Ｓｔの下部全体に対して均等に付勢力を付与するようになっていればよい。

（４）上記実施形態には、各締結具２にガスシリンダ４が１つづつ取り付けられているが、本発明はこれに限定されない。例えば、ガスシリンダ４のロッド４ａの先端を複数に分岐させ、それぞれを各締結具２に連結させ、１つのガスシリンダ４で複数の締結具２を制御するようにしてもよい。また、ガス配管６が放出口６ａの代わりに作動ガスの充填装置を備えてもよい。この場合は、締結具支持具３により各締結具２に宇宙機器Ｓｔと係合する方向の付勢力を付与しておき、作動ガスをガスシリンダ４に充填することによって前記締結具２に連結されたロッド４ａを移動させ、各締結具２による宇宙機器Ｓｔの固定を解除すればよい。

Ｒ…ロケット、Ａ，Ｂ…人工衛星固定分離装置、Ｓｔ…人工衛星（宇宙機器）、Ｓｔ１…フランジ、Ｒｂ…ロケット機体、Ｐｆ…ペイロードフェアリング、Ｐｆ１…円筒形状部、Ｐｆ２…円錐形状部、Ｓｐ…支持構造、１…載置台、２…締結具、２ａ…先端部、２ｂ…下端部、２ｃ…末端部、３…締結具支持具、４…ガスシリンダ、４ａ…ロッド、５…分離用スプリング、６…ガス配管、６ａ…放出口、６ｂ…集約位置、７…遮断弁、

Claims

宇宙機器が載置される載置台と、
前記宇宙機器に係合することにより当該宇宙機器を前記載置台に締結する複数の締結具と、
前記複数の締結具各々に設けられ、前記載置台に前記締結具を回動自在に支持すると共に、前記締結具に前記宇宙機器との係合を解除する方向の付勢力を付与する複数の締結具支持具と、
前記締結具に連結されるロッドを有し、作動ガスが充填されると前記ロッドが移動して前記締結具を前記宇宙機器に係合させる複数のガスシリンダと、
一端が前記ガスシリンダに接続されると共に他端が開放され、前記作動ガスが通過するガス配管と、
該ガス配管に設けられる遮断弁と、
前記宇宙機器が前記載置台から離間する方向に付勢力を付与する付勢手段と
を具備し、
複数の前記ガスシリンダと前記ガス配管の他端との距離は等距離であることを特徴とする宇宙機器固定分離装置。
前記作動ガスは、窒素あるいはヘリウムであることを特徴とする請求項１に記載の宇宙機器固定分離装置。