JP6725786B2 - 結合分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、宇宙航行体から宇宙機を分離するための結合分離装置に関し、特に、人工衛星等の小型の宇宙機を分離するための、締結バンドを用いた結合分離装置に関する。

多段式ロケットにおいて、上段部と下段部とを分離可能に結合するための手段として、従来から帯状の締結バンドが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

締結バンドを用いた段間結合分離装置を採用した多段式ロケットにおいては、上段部と下段部の接合端部のそれぞれの外周にフランジが設けられている。そして、これらのフランジの外周に半円状の２個の締結バンドをフランジを挟持するように被せ、それぞれの締結バンドの端部同士を連結部材を用いて互いに引き寄せることにより、締結バンドを弾性変形させて全体として環状にすることでフランジの外周に密着させ、両フランジの接合状態を維持するようにしている。

そして、上段部を下段部から分離する場合には、連結部材を火工品により破断させ、２個の締結バンドの端部同士の結合を解除する。すると、それぞれの締結バンドは弾性変形状態から解放され、フランジから離れる方向へ移動する。これにより、フランジの接合状態は解除され、上段部は分離スプリングにより上方へ押し出され、下段部から分離される。

このとき、締結バンドが意図しない方向へ移動してロケットに損傷を与えることを防止するため、解放された締結バンドを捕捉するためのバンドキャッチャが、下段部のフランジ近傍の周方向複数箇所に設けられている。

このバンドキャッチャは、締結バンドの外周側に離間して配置されたバンド受けを備え、該バンド受けは、ワイヤの一端を保持する支持部と、ワイヤの他端を牽引するスプリングとを有し、ワイヤがスプリングの付勢力に抗する状態に緊張されて構成されている。そして、緊張されたワイヤの中間部に締結バンドが掛止されている。

このような構造を有するバンドキャッチャは、解放された締結バンドをバンド受けで受け止めると共に、ワイヤの他端をスプリングの復元力により引き込み、締結バンドを捕捉する。

特開平６−９９９００号公報

ところで、宇宙工学の分野においては、多段式ロケットの段間分離以外にも、ロケットからの宇宙機（人工衛星、惑星等の探査機など）の分離や、宇宙空間を航行する探査機からの観測用宇宙機の分離など、様々な態様で、宇宙航行体からの宇宙機の分離が行われる。

このような宇宙航行体からの宇宙機の分離にも、上記した締結バンドを用いた結合分離装置を流用することが可能であるが、分離される宇宙機が小型のものである場合には、以下に示すような問題が生じる。

（１）宇宙機のサイズに合わせて、締結バンドも小型のものを用いることになるが、小型の締結バンドは、多段式ロケットの段間結合分離装置に用いられる大型の締結バンドと比較して、相対的に剛性が高い。このため、端部同士の結合を解除されバンドキャッチャのバンド受けに衝突した際に締結バンドが示す変形挙動（締結バンドの端部に最も近い位置に設けられたバンドキャッチャのバンド受けを支点として、締結バンドの端部（片持ち部位）が、一旦フランジから離れる側に振れた後、フランジへ近づく側に振れ戻る挙動）は、変位量は小さいものの、変位速度が大きい。その結果、振り戻された締結バンドの端部が、宇宙航行体から十分に離れ切っていない宇宙機に衝突し、損傷を与えたり、軌道に影響を与えたりする虞がある。

（２）各連結部材の破断は、同時に発せられる指令を受けて行われるので、理想的には同時に生じる。この場合、締結バンドは、その全弧長の中央部が径方向外側に移動するような並進運動をすることになる。しかしながら、連結部材の破断は火工品を用いて行われるため、火工品の発火のタイミングのずれや燃焼状態の違いに起因して、実際には各連結部材の破断のタイミングは僅かにずれる可能性が高い。この場合、締結バンドは、破断の遅れた連結部材の側へ引き寄せられ、径方向外側に向かう速度成分のみならず周方向の速度成分をも有する複雑な運動をすることになる。そのため、締結バンドが、バンドキャッチャのバンド受けに想定外の状態で衝突し、跳ね返った締結バンドが宇宙機に衝突し、上記と同様の問題を引き起こす虞がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、小型の宇宙機を分離するために小型の締結バンドを用いた場合であっても、連結部材の破断後に締結バンドが宇宙機に衝突することを防止し得る結合分離装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するべく、本発明の結合分離装置は、宇宙航行体と、前記宇宙航行体に結合された宇宙機と、前記宇宙航行体及び前記宇宙機の接合端部のそれぞれの外周に設けられたフランジと、それぞれが部分円弧形状を有し、互いに接合された前記両フランジの外周に被せられる複数の締結バンドと、隣接する前記締結バンドの端部同士を互いに引き寄せ、前記締結バンドを弾性変形させた状態で環状をなすよう連結する複数の連結部材と、前記宇宙機を前記宇宙航行体から分離するために前記連結部材を破断させた後に、解放された前記締結バンドを捕捉するためのバンドキャッチャと、を備え、解放された前記締結バンドが前記環状の周方向に移動することを抑制するための周方向移動抑制ユニットを備え、前記周方向移動抑制ユニットは、前記締結バンドに固定された締結バンド側案内部材と、前記バンドキャッチャの周方向両側に形成された案内面と、から構成され、前記締結バンド側案内部材と前記案内面とが、前記連結部材の破断後に、互いに当接した状態を維持することにより、前記締結バンドを径方向に案内するように構成されたことを特徴とするものである。

本発明の結合分離装置によれば、連結部材の破断によりフランジから離れる方向へ移動する締結バンドは、環状の周方向への移動が抑制されて径方向外側に向かう速度成分のみを有する状態で並進運動することになる。そのため、締結バンドがバンドキャッチャに如何なる状態で衝突するか否かを事前に精度良く予測でき、これを踏まえてそれぞれのバンドキャッチャを設計しておくことにより、解放された締結バンドを確実に捕捉できると共に、意図しない跳ね返りが生じることによる締結バンドの宇宙機への衝突を防止することができる。

本発明に係る結合分離装置によれば、小型の宇宙機を分離するために小型の締結バンドを用いた場合であっても、連結部材の破断後に締結バンドが宇宙機に衝突することを防止することができる。

宇宙航行体及びこれに結合された宇宙機を、宇宙機の側から見た平面図である。 図１におけるＵ−Ｕ断面図であって、マルマンバンドとバンドキャッチャとを示す図である。 本発明に係る結合分離装置における周方向移動抑制ユニットの一実施態様を示す斜視図である。 周方向移動抑制ユニットの一実施態様において用いられる径方向移動案内部材を示す斜視図である。 連結部材破断後に、マルマンバンドがバンドキャッチャによって捕捉される状況を示す図である。 マルマンバンドの端部に最も近い位置に設けられ、緩衝部材を備えるバンドキャッチャを示す斜視図である。 図６のバンドキャッチャを、宇宙航行体及び宇宙機の軸方向から見た平面図である。 マルマンバンドの外周面に設けられるワイヤガイドを示す図である。

以下、本発明に係る結合分離装置を図面に基づいて説明する。

図１は、宇宙航行体１、及びこれに結合された宇宙機２を、宇宙機２の側から見た平面図である。また、図２は、図１におけるＵ−Ｕ断面図であって、マルマンバンド（締結バンド）３とバンドキャッチャ４とを示す図である。なお、宇宙航行体１は、ロケットや、宇宙空間を航行する惑星等の探査機とすることができる。また、宇宙機２は、人工衛星や、惑星等の探査機に搭載された観測用宇宙機とすることができる。

宇宙航行体１と宇宙機２とは、図２に示すように、その接合端部にそれぞれフランジ１１，１２を備えている。これらフランジ１１，１２の外周には、図１に示すように、半円状の２個のマルマンバンド３が被せられており、それぞれのマルマンバンド３の端部同士は、プーラ（連結部材）３１を用いて連結され互いに引き寄せられている。その結果、それぞれのマルマンバンド３は弾性変形して全体として環状をなし、その内周面に周方向に間隔をあけて複数配置されたクランプ３２が、図２に示すように、フランジ１１，１２を挟持するように両フランジの外周に密着し、両フランジの接合状態を維持する。

宇宙機２を宇宙航行体１から分離する場合には、プーラ３１を火工品により破断させ、２個のマルマンバンド３の端部同士の結合を解除する。すると、それぞれのマルマンバンド３は弾性変形状態から解放され、フランジ１１，１２から離れる方向（径方向外側）へ移動する。これにより、フランジ１１，１２の接合状態は解除され、宇宙機２は、宇宙航行体１に固定された分離スプリング（図示せず）により図２において上方へ押し出され、宇宙航行体１から分離される。

移動したマルマンバンド３を捕捉するためのバンドキャッチャ４が、図１に示すように、宇宙航行体１のフランジ１１の近傍の周方向複数箇所に設けられている。なお、図示した実施例においては、バンドキャッチャ４を１個のマルマンバンド３につき３個設けているが、その個数はこれに限定されない。

バンドキャッチャ４は、図２に示すように、マルマンバンド３の外周側に離間して配置されたバンド受け４１を備えている。該バンド受け４１は、環状をなすマルマンバンド３の中心軸に平行で、かつ、環状をなすマルマンバンド３の接線に平行な平面内を延在するように設けられている。また、バンド受け４１は、ワイヤ４２の一端を保持するワイヤ支持部４３と、ワイヤの他端を牽引するスプリング４４とを備えており、ワイヤ４２がスプリング４４の付勢力に抗する状態に緊張されている。そして、ワイヤ４２の中間部には、マルマンバンド３の外周面に設けられたワイヤガイド３３が掛止されている。

このような構造を有するバンドキャッチャ４は、解放されたマルマンバンド３をバンド受け４１で受け止めると共に、ワイヤ４２の他端をスプリング４４の復元力によりワイヤ引込孔４５を通じて図２において下方へ引き込み、マルマンバンド３を捕捉する。

そして、本発明に係る結合分離装置においては、プーラ３１の破断のタイミングがずれた場合など如何なる場合であっても、解放されたマルマンバンド３が、環状の周方向に移動することを抑制し、径方向外側に向かう速度成分のみを有する状態で並進運動するよう、マルマンバンド３の周方向移動抑制ユニット５が設けられている。

この周方向移動抑制ユニット５の一実施態様について、図３に基づいて説明する。
周方向移動抑制ユニット５は、マルマンバンド３の全弧長の中央部において、その外周面に固定された径方向移動案内部材５１（締結バンド側案内部材）を備えて構成されている。ここでは、周方向移動抑制ユニット５は、例えばマルマンバンド３の全弧長の中央部に設けたバンドキャッチャ４に対応して設けられている。

径方向移動案内部材５１は、図４に示すように、当該径方向移動案内部材５１をマルマンバンド３の外周面に固定するための取付板部５２と、取付板部５２の一側端に一体または別体に設けられた２本の案内ピン５３とを備えている。

取付板部５２は、マルマンバンド３の外周面と当接する側の面５４が、マルマンバンド３の外周面と同一の曲率を有するように形成されていると共に、周方向に間隔をあけて配置された複数の開口部５５を備えている。当該開口部５５は、径方向移動案内部材５１をマルマンバンド３に固定するための締結具５６を通すために設けられたものである。

案内ピン５３は、取付板部５２の宇宙航行体１側の端部から宇宙航行体１の軸方向に延在するように設けられている。この案内ピン５３は、互いに他の案内ピン５３と対向する側の面が、バンドキャッチャ４の周方向の両側に設けられた案内面４６と当接するように配置されている。ここで、バンドキャッチャ４の２つの案内面４６は、両者の中央に位置する仮想平面が環状をなすマルマンバンド３の中心軸線を含む平面となるように形成されている。

なお、図示した実施例においては、開口部５５を３個設けているが、その個数はこれに限定されない。また、開口部５５は、周方向に長い長円形状を有するものとして形成されていることが好ましい。これにより、２本の案内ピン５３のそれぞれが、バンドキャッチャ４の２つの案内面４６のそれぞれに当接した状態となるよう、径方向移動案内部材５１の周方向位置を調整しながら、径方向移動案内部材５１をマルマンバンド３に固定することができる。

以上のように構成された周方向移動抑制ユニット５により、プーラ３１の破断によってフランジ１１，１２から離れる方向へ移動したマルマンバンド３は、図５に作動前（ａ）と作動後（ｂ）を示すように、２本の案内ピン５３のそれぞれがバンドキャッチャ４の２つの案内面４６のそれぞれに当接して案内面４６に沿い摺動し（矢印方向）、径方向外側に向かう速度成分のみを有する状態で、すなわち周方向移動を抑制された状態で、並進運動することになる。

したがって、プーラ３１が破断した後のマルマンバンド３の運動状態は、事前に精度良く予測できるため、これを踏まえてそれぞれのバンドキャッチャ４を設計しておくことにより、解放されたマルマンバンド３を確実に捕捉できると共に、意図しない跳ね返りが生じてマルマンバンド３が宇宙機２に衝突することを防止できる。

なお、以上の説明では、周方向移動抑制ユニット５を、径方向移動案内部材５１と、バンドキャッチャ４に設けた案内面４６とが協働する態様のものとして説明したが、周方向移動抑制ユニット５の態様は、これに限定されるものではない。

例えば、バンドキャッチャ４を、１個のマルマンバンド３につき偶数（２ｎ）個設けた場合においては、それぞれｎ個のバンドキャッチャ４を、マルマンバンド３の全弧長の中央部を中心として両側に振り分けて配置することが好ましいが、このとき、マルマンバンド３の全弧長の中央部と対向する位置には、バンドキャッチャ４が配置されないこととなる。このような場合には、マルマンバンド３の全弧長の中央部に別途径方向移動案内部材を取り付け、その案内ピンと当接する案内面を有する部材を、宇宙航行体の外周に設けてもよい。
また、その場合において、径方向移動案内部材に案内ピンを１本のみ設け、宇宙航行体の外周に設ける部材を、周縁の面が当該案内ピンの周方向両側と当接する１本のスロットを備えて構成してもよい。

さらに、宇宙航行体の外周に設ける部材側に案内ピンを設け、マルマンバンドの外周に固定される径方向移動案内部材側を、前記案内ピンと当接する案内面を有するものとして構成してもよい。

このように、周方向移動抑制ユニット５は、マルマンバンド３の全弧長の中央部に配置されるという要件を満足するものであれば、その具体的な形態は、当業者が種々設計し得るものである。

以上説明したように、周方向移動抑制ユニット５を設けることにより、プーラ３１の破断によって解放されたマルマンバンド３をバンドキャッチャ４によって確実に捕捉することができる。
一方、以上説明した結合分離装置では、マルマンバンド３の端部がバンドキャッチャ４のバンド受け４１を支点としてフランジ側へ振り戻される現象（以下、「跳ね返り」という。）を防止することはできない。

そこで、マルマンバンド３の端部に最も近い位置に設けられたバンドキャッチャ４７（図１参照）に、緩衝部材６を設けるとよい。具体的には、図６及び図７に示すように、バンドキャッチャ４７のバンド受け４１に、周方向においてマルマンバンド３の端部側へ延出したバンド受け延出部４８を設け、そのマルマンバンド３と対向する側の面に、緩衝部材６を取り付ける。

なお、バンド受け延出部４８は、バンド受け４１に対して、マルマンバンド３の曲率に合わせて当該マルマンバンド３側へ僅かに屈曲させることが好ましい。これにより、マルマンバンド３と緩衝部材６との衝突が、緩衝部材６の広い範囲において生じ、マルマンバンド３の運動エネルギーを効果的に減殺して、跳ね返りを防止することができる。

なお、緩衝部材６としては、これに限定されないが、ハニカム部材を用いることが好ましい。ハニカム部材は、例えばアルミニウム等の金属により形成されているため、軽量であると共に、解放され移動したマルマンバンド３との衝突により適度に変形し、その運動エネルギーを効果的に減殺することができる。また、金属製のハニカム部材は、過酷な宇宙環境においても劣化することなく長期間にわたり使用され得るものである。

次に、本発明に係る結合分離装置においてマルマンバンド３の外周面に設けられるワイヤガイド３３の形状について、図８に基づいて説明する。
図８は、マルマンバンド３の解放前後における、ワイヤガイド３３及びワイヤ４２の状態、ワイヤ挿通孔３４の形状を示す図である。

ワイヤ挿通孔３４は、トーラス（円環面）として形成されている。

本発明に係る結合分離装置のワイヤガイド３３では、ワイヤ挿通孔３４を、図８に示すような形状に形成することにより、ワイヤ４２は、マルマンバンド３の解放前においては、ワイヤ挿通孔３４のトーラス（円環面）に沿って滑らかに湾曲した状態となっており、マルマンバンド３の解放後には、マルマンバンド３の移動と共に、当該トーラス（円環面）に沿って滑らかに案内される。

また、図７に示すように、マルマンバンド３の全弧長の中央部に対向する位置以外の位置に配置されたバンドキャッチャ４７においては、マルマンバンド３の解放前は、ワイヤ４２は環状をなすマルマンバンド３の中心軸を含む平面を外れて延在しているが、このような場合であっても、ワイヤ挿通孔３４の外側ガイド面がトーラス（円環面）として形成されているので、ワイヤ４２を滑らかに案内することができる。

１ 宇宙航行体
２ 宇宙機
３ マルマンバンド（締結バンド）
４ バンドキャッチャ
５ 周方向移動抑制ユニット
６ 緩衝部材
１１ フランジ
１２ フランジ
３１ プーラ（連結部材）
３２ クランプ
３３ ワイヤガイド
３４ ワイヤ挿通孔
４１ バンド受け
４２ ワイヤ
４３ ワイヤ支持部
４４ スプリング
４６ 案内面
４７ バンドキャッチャ
４８ バンド受け延出部
５１ 径方向移動案内部材（締結バンド側案内部材）
５２ 取付板部
５３ 案内ピン

Claims (7)

1. 宇宙航行体と、
   前記宇宙航行体に結合された宇宙機と、
   前記宇宙航行体及び前記宇宙機の接合端部のそれぞれの外周に設けられたフランジと、
   それぞれが部分円弧形状を有し、互いに接合された前記両フランジの外周に被せられる複数の締結バンドと、
   隣接する前記締結バンドの端部同士を互いに引き寄せ、前記締結バンドを弾性変形させた状態で環状をなすよう連結する複数の連結部材と、
   前記宇宙機を前記宇宙航行体から分離するために前記連結部材を破断させた後に、解放された前記締結バンドを捕捉するためのバンドキャッチャと、
   を備え、
   解放された前記締結バンドが前記環状の周方向に移動することを抑制するための周方向移動抑制ユニットを備え、
   前記周方向移動抑制ユニットは、
   前記締結バンドに固定された締結バンド側案内部材と、
   前記バンドキャッチャの周方向両側に形成された案内面と、から構成され、
   前記締結バンド側案内部材と前記案内面とが、前記連結部材の破断後に、互いに当接した状態を維持することにより、前記締結バンドを径方向に案内するように構成された、ことを特徴とする、結合分離装置。
2. 前記締結バンド側案内部材は、前記締結バンドに固定されると共に、前記締結バンドの軸線方向に沿って延在する案内ピンを備え、
   当該案内ピンが前記案内面と当接する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の結合分離装置。
3. 前記案内面は、前記締結バンドの全弧長の中央部に対向して配置された前記バンドキャッチャに形成されている、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の結合分離装置。
4. それぞれの前記締結バンドに対応して設けられた複数の前記バンドキャッチャのうち、前記締結バンドの端部に最も近接して配置された前記バンドキャッチャは、解放された前記締結バンドと衝突する部位に緩衝部材を備える、
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の結合分離装置。
5. 前記バンドキャッチャは、環状をなす前記締結バンドの中心軸に平行で、かつ、環状をなす前記締結バンドの接線に平行な平面内を延在するバンド受けと、当該バンド受けから前記締結バンドの端部の方向へ延出すると共に前記緩衝部材が固定されたバンド受け延出部とを備え、
   前記バンド受け延出部は、その先端部が、前記バンド受けが延在する平面を基準として、前記フランジ側へ屈曲している、
   ことを特徴とする、請求項４に記載の結合分離装置。
6. 前記緩衝部材は、ハニカム部材により形成されている、
   ことを特徴とする、請求項４または５に記載の結合分離装置。
7. 前記バンドキャッチャは、ワイヤの一端を保持する支持部と、当該ワイヤの他端を牽引するスプリングとを備え、
   前記ワイヤは、前記スプリングの付勢力に抗する状態に緊張され、その中間部に前記締
   結バンドの外周に固定されたワイヤガイドが掛止されており、
   前記ワイヤガイドに設けられて前記ワイヤを挿通するワイヤ挿通孔は、前記バンドキャッチャ側の案内面がトーラス（円環面）として形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の結合分離装置。

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