JPS63503374A - 宇宙船のクランピング接続器アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 宇宙船のクランピング接続器アセンブリ本発明は宇宙船の分離可能なコンポーネ ント部品を保持するカップリング接続器アセンブリに関する。さらに特定すれば 、本発明は宇宙船の分離可能なコンポーネントを保持するのに使用される引張り ストラップによる軸方向の張力を変化させることなく、相対的な回転を防止しが っせん断およびねじり力を伝達する■形りランプ接続器アセンブリに関する。

持する接続器アセンブリは、宇宙船のブースト時および上昇飛行時、場合によっ ては再突入時においても基本的な荷重伝達経路を構成する重要な構造部品である 。たとえば、宇宙船では、軌道上に乗る際にその１部たとえば推進モータを切離 す場合が多い。当然のことであるが、宇宙船の打上げには大きなコストがかかる ので、宇宙船の接続アセンブリは軽量であるばかりでなく、信頼性が高くなけれ ばならず、また一般的にも補修等が容易でなければならない。

１９５０年代から今日に至るまで、この特殊な分野ではこの接続器アセンブリの 設計はコンポーネント部品の破損を最少にすることが第１に要求されてきた。も ちろん、今日においても、宇宙船はコストが高く、また人間が搭乗しているこト モあって、この接続器アセンブリには人間が介在することなく自動的に作動する ような高い信顆性が要求されている。

また、外宇宙に到達するような宇宙船では、そのペイロードを増加させるため、 重量の軽減が要求されている。この分野における望ましいものとしては、爆発形 接続器アセンブリの代わりに、張力バンド形のクランピングアセンブリが好まし く、このようなものを宇宙船の分離すべきコンポーネントの接続に使用すれば、 電気装置等のペイロードの好ましくない振動等に起因する熱衝撃による暴発の危 険を防止することができる。

１９６０年代においては、このような接続器アセンブリは「マーマン・バンド」 と称される形式のものが用いられ、このものは、複数のＶ７肩のリテーナまたは くさび形のシュ一部材によって宇宙船の分離すべきコンポーネント外周に形成さ れたフランジをＶ形にクランプするものである。そして、分離可能な複数の引張 りバンドが互いに離間した一対の爆発引張りボルトによって接続されており、こ のボルトによりＶバンドカップリング部材を保持しているこの引張りストラップ を調整できるように構成されている。この引張りストラップによって、複数のＶ 字状のリテーナを径方向内側に押え、宇宙船の分離すべきコンポーネント部品の 円筒形ハウジングのフランジにこれらがくさび状に嵌合し、このコンポーネント を軸方向に結合する。このＶバンドカップリングは、原則的にはこの接続アセン ブリの接続部を横断する軸方向の荷重および曲げ荷重を支持する。また、このく さび形のリテーナとフランジ面との間の摩擦によって、多少のせん断トルク荷重 は支持することができる。この宇宙船に大きなせん断トルク荷重が作用するよう な場合には、フランジ間にキーを挿入するか、または摩擦力が作用するせん断ト ルク荷重より大きくなるように引張りストラップに加える荷重を注意深く調整す る。

スペースシャトルが登場する以前は、分離すべき宇宙船のコンポーネント部品を 接続する手段としては基本的にはＶバンド形カップリングであり、このものは引 張りストラップが周囲を囲んでおり、宇宙船のコンポーネント部品を軸方向に接 続していた。通常は、せん断およびトルク荷重を支持するためには、バンドの摩 擦、および宇宙船のコンポーネント部品の円筒状の構造体のフランジ間の摩擦が 利用されていた。

このせん断荷重およびトルク荷重が生じる原因としては、特に固体燃料ロケット における燃料の周期的な燃焼特性、燃焼停止時における燃料容器の重力中心の変 動、ロケットを制御するためのノズルの方向変化、所定の軌道上に乗るためのロ ケットの軌道変化、飛行時におけるロケット自体の変形、振動、等による過渡的 な荷重によって生じる。通常、飛行時における縦方向の荷重とすべての方向の横 方向の荷重との比は約１０：１である。

しかし、スペースシャトルの貨物室に乗せて宇宙船を打上げる場合には、せん断 およびトルク荷重がかなり大きくなる。

すなわち第４図に示す如く、このペイロードである宇宙船は、第１段ロケット１ ０２推力線からずれており、縦方向の荷重と横方向の荷重との比が１＝１に近付 くことがある。さらに、このような宇宙船は切離し可能に片持ち支持されており 、この支持箇所は破壊しない程度の最少限の箇所でしか支持されておらず、さら に余分の横方向の振動が発生することになる。

さらにまた、このスペースシャトル１００では、必要な場合にはこれらクランピ ング接続アセンブリは再突入にも耐えられるように設計することを要求されてお り、このような場合には大きな横方向の荷重が作用することを考慮しなければな らない。

また、横方向の荷重が作用する場合には、この問題を解決するために宇宙船のコ ンポーネント部品のフランジ間にスプラインを形成することがおこなわれている 。このようにすることによって、伝達されるせん断およびトルク荷重が増大する が、分離すべきコンポーネント部品の間で固着が生じる可能性が増大する。地上 に対して外宇宙では、金属製部品が摩擦することによってこれらが固着したり溶 着したりする可能性が高い。

さらに、スペースシャトルで打上げられる宇宙船はロケットで打上げられる宇宙 船より直径が大きく、この直径はさらに大形化する傾向があり、伝達できるせん 断やねじり荷重を大きくして宇宙船の分離すべきコンポーネント部品間の相対的 な回転を防止する必要がある。

スペースシャトルで打上げられる宇宙船で必要とされるせん断荷重は以下の通り である。

横方向の荷重のバランスは Ｓ−ｍｇＴ　横方向荷重 Ｆ　ａｘ≦ｍｇＡ　軸方向荷重 量−宇宙船の質量 Ｄ−クランプの直径 Ｈ−接続クランプ上の宇宙船の重心 ｇＴ−横方向の加速度 ｇＡ−軸方向の加速度 ｆ−クランプの摩擦係数（必要な伝達せん断荷重）これらを代入すると、 この式（２）にスペースシャトルおよび使い捨て形のロケットの諸元を代入して みると表１．のようになる。

表　１ 荷重係数　形状変数　せん断係数 スペースシャトルで打上げられる宇宙船のせん断係数は使い捨て形のロケットで 打上げられる宇宙船のせん断係数よりはるかに大きく、このせん断係数０．４で は摩擦だけでは十分な信頼性が得られない。したがって、せん断荷重を支持する 機械的な部材が必要になる。

また、この接続器アセンブリに要求される条件としては、上記の引張りベルトは この方性で十分に改良されて高い信頼性があるので、現在ではこの引張りベルト に余分の張力を作用させることなく、このベルトを゛改良することなくより大き なせん断およびねじり荷重に耐えるように設計することが必要な条件である。

この問題を解決するためになされた従来の例を第７図に示す。このものは、接続 器アセンブリ２００に一連のアルミニウム製のくさび形ブロック２０２が備えら れており、これらは接続フランジ部材２０６，２０７に嵌合し、引張りバンド２ ０４によって固定されている。上記のフランジ部材２０６の内側面には、約６０ 個の円錐形の凹部が設けられ、これらはフランジの直径まわりに離間して配列さ れ、これらの内部に嵌合するせん断支持コーン２１４にはねじ棒２１２が取付け られ、これらねじ棒は下側フランジ部材２０８に形成されたねじ孔２１０に螺合 し、上記のコーンが調整できるように構成されている。したがって、これらのせ ん断支持コーンとフランジ部材２０６の凹部との間の間隙をなくすように構成さ れている。しかし７、このようなものは、固着が生じないことを確認する必要が あり、たとえば宇宙船の試験の際に分離すべきコンポーネント部品が物理的に分 離するか等、この宇宙船の分離すべきコンポーネント部品のせん断支持コーンが 固着しないことを確認する必要があり、この試験のためには適当な高価な試験治 具を必要とする。また、明らかなことであるが、コーンの円錐面の傾斜は、１５ °ないし２０°の鋭角であり、せん断荷重やミ各アライメント等により軸方向の 反力が生じ、引張りバンドの径方向の荷重が増大することになる。

したがって、航空宇宙工学の分野では、宇宙船の分離可能な２個のコンポーネン ト部品を結合するクランピング接続器アセンブリの改良が今でも必要である。

発明の概要 本発明は、宇宙船の分離すべき第１および第２のコンポーネントを互いに分離可 能に結合する引張りストラップを備えたクランピング接続器アセンブリに関する 。これら宇宙船のコンポーネント部品には、それぞれフランジ部材が形成され、 これらには外側のクランプ面と接触面とが形成されている。

これらの接触面は円滑な平面に仕上げられ、外宇宙において反復使用に耐えられ るように設計されている。このクランピング接続アセンブリの保持部材すなわち 遊動くさび部材は、第１および第２の宇宙船のコンポーネント部品のフランジ部 材に引張りストラップの径方向の荷重を伝達するように構成されている。

好ましい実施例においては、保持部材のクランプ面間にシアービンが設けられ、 上記引張りストラップの張力を増加させることなくせん断およびねじり荷重を受 けることができ、また接続アセンブリの固着を防止し−（接触面を円滑に分離す ることができるように構成されている。この宇宙船のコンポーネント部品のフラ ンジ部の外周には複数の凹部が形成され−に記のシアービンがこれら凹部内に嵌 合するように構成されている。また、これらシアービンを凹部内に押圧する板ば ねが設けられている。

本発明の目的および特徴は、以下の図面を参照した実施例の説明によって明白に なるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の実施例の宇宙船の側面図；第２図は、クランピング接続アセ ンブリの一部の平面図；第３図は、本発明の接続アセンブリの分解斜視図；第４ 図は、スペースシャトルおよびロケットの側面図；第５図は、本発明の実施例の 一部を切断して示す斜視図；第６図は、本発明の実施例の一部の断面図；台７図 は従来例の断面図である。

実施例の詳細な説明 以下の説明によって本航空宇宙工学の当業者であれば本発明を実施することが可 能であり、またこの実施例は本発明者によって考えられた本発明のベストモード である。以下の説明によって、比較的コストが低く、製造が容易であるクランピ ング接続アセンブリが示されるが、当業者であればこの他にも各種の変形が可能 である。

本発明のせん断荷重支持構造は、■バンドの張力やくさび形保持部材に作用する 荷重に影響されるものではない。本発明は、摩擦力に依存せず、また特別な治具 を必要とせず、従来のＶ形りランプの分離試験装置によってシアービンの分離の 試験を行なうことができるものである。本発明のせん断荷重支持能力は、宇宙船 の分離すべきコンポーネント部品のフランジ間に間隙がある場合でもその能力を 発揮できるものである。

第１図には、人工衛星等の宇宙船２の概略を示し、第１の分離可能な部分４およ び第２の分離可能な部分６とから構成されている。たとえば、軌道に乗る衛星部 分４と推進モータ部分６とは、クランピング接続アセンブリ８によって分離可能 に接続されている。

第３図および第５図に示すように、コンポーネント部分４は第１のフランジ１０ が設けられ、またコンポーネント部分６には第２のフランジ１２が設けられてい る。これらの、軸方向（Ａ−Ａ）における上および下面は、それぞれクランプ面 ３０．　３２として形成されている。また、これらの間の接触面３１は、円滑な 平面に形成されている。また、これらのフランジの外周面は円筒状に形成され、 複数の四部２０が形成されている。また、リテーナすなわちくさび形クランプ部 材］４が設けられ、これには上および下の保持フランジ２２゜２４が形成され、 これらの内側には保持クランプ面２６゜２８が形成され、上記のフランジ部材１ ０．１２の外側のクランプ面３０．３２に嵌合するように構成されている。

また、張力ストラップすなわちベルト１６が設けられ、このベルトはたとえばチ タニウム材料で形成され、従来と同様にこのベルト・によってフランジ１０．１ ２の周囲に配置された保持部材１４に軸方向の荷重を与える作用をなす。この引 張りストラップ］−６は、略Ｖ字状の保持部材］４に径方向内側の荷重をノｊえ 、これらがフランジ１０，１２をくさび作用によって締付け、第１図のＡ−Ａで 示す軸方向に結合する。

前に説明１．たように、これら保持部材コ、４は、原則的にはこれらコンポーネ ント部／Ａ４．６の間の軸方向および曲げの荷重し、か支持しない。

このＶ形接続アセンブリに作用する基本的に２つの荷重は、引張りまたは圧縮荷 重Ｐ、。および曲げモーメントＭである。

これらの荷重は、接続部の周２πＲの単位長さあたりの荷重の大きさＮで表わす ことができる： この軸方向の荷重の大きさＮＰは： また曲げ荷重の大きさＮＭは： である。ここで、φは与えられたモーメントベクトルの線からの４１り定値であ る。

そして、合計の最大荷重の大きさＮは：もちろん、上記の最大設計荷重に対して 、温度の補償係数や安全係数が乗じられる。この最大設計荷重はＶ形作ＦＪｉ部 ’ｔ’Ｊ−やフランジの寸法等によって与えられる。たとえば、このような構造 部材が永久変形なしにクリテカル荷重に耐え、この接続部分て振動による衝撃や ずベリが生じないように設計するには、これらフランジ間やフランジと保持部材 との間が離れないようにこれらの部品の弾性や初期荷重を設定する。

このＶ形の保持部材によって発生されるくさび作用の荷重とストラップの張力と は、このＶ形の角度に比例し、この角度が小さくなる程バンドの張力すなわちこ のバンドの端部を接続するカップリング接続器が支持すべき荷重が小さくなる。

当然のことであるが、このバンドの張力が小さい方が軽量となるので好ましい。

しか１−１軸方向の荷重が作用した場合において、摩擦および保持部材１４とフ ランジ１０．１２との固着等を考慮すると、この角度には下限がある。

このようなＶ形の接続器では、原則的に摩擦力以上のせん断およびトルク荷重は 伝達することができない。従来は、これら大きなせん断およびねじり荷重を支持 するためには、スプラインを設けるか、または突没自在のシアーコーンを形成す ることによってこの問題を解決していた。このような方法によって基本的なＶ形 の接続器に上記のような機能が与えられるが、この接続部が確実に分離するか否 かを試験する必要がある。本発明は、このクランピング接続アセンブリに別の構 成を追加する必要がなく、また引張りストラップ１６や保持部材］４にさらに別 の機能を要求することなく上記の要求を達成するものである。

第２図には、このクランピング接続アセンブリ８の一部の平面図を示し、また宇 宙船の周囲に離間して配置された複数の遊動形の保持部材１４を示す。爆発ボル ト４４によってねじ締め機構４６を介してベルトの張力を調整することができる 。通常、この引張りペルトコ、６は圧延された薄形のもので、周全体にわたって 荷重を均一にするように構成され、またねじ締め機構４６を締めることによって その張力を増加させることができる。そして、第５図および第６図に示すように 、各保持フランジ２２．２４の間の開口３４内にはそれぞれたとえばシアーピン １８が設けられている。このシアーピンの断面形状は円形または長円形であり、 第５図および第６図に示すようにフランジの四部２０との間に引張りバンド］６ の径方向のｒ１釘重を増加させるような嵌合面は形成されないように構成されて いる。また、これらのシアー　ピンはスプリング部材たとえば板ばね４０によっ て径方向内側に付勢され、これらがある程度径方向外側に移動できるように構成 され、保持フランジ２２．２４におけるこれらシアーピンと対応する四部２０と の間の誤差を吸収できるように構成されている。

また、取付けブラケット３６が設けられ、これらはシアーピン１８の頭部４２を 支持し２、また引張りバンド１６を保持するように構成されている。また、図示 はしていないが、この取付はブラケットは分離した後にこのクランピング接続ア センブリの部品がばらばらにならないようにこれらを保持する作用をなす。

また、図示はしていないが、別の構成としては、この保持部材の保持フランジ２ ２．２４側に四部を形成し、宇宙船のコンポーネント部分の第１および第２のフ ランジの上面および下面にボスすなわちシアー凸部を形成してもよい。これらフ ランジの凸部は保持部材１４の四部と嵌合し、これらフランジの接触面は円滑な 平面としておくことができ、これによってせん断荷重やねじれ荷重を支持し、フ ランジ相互の回転を防止することができる。よって、この実施例では、この保持 フランジ間に設けられたシアーピンによって、これら保持部材とフランジとが協 働してフランジ部材の相対的な移動を防止し、せん断よびねしり荷重を伝達する ことができる。もちろんこのような構成おいては、上記保持部材は曲げモーメン トを受けることになるので、この保持部材はこれに対応しで設計しなおす必要が ある。

以上、実施例について本発明の詳細な説明したが、当業者であれば各種の変形が 可能であることは明白である。よって、本発明は以下の請求の範囲によって規定 される。

国際調査報先 八ＮＮＥ：’、Ｔｏ　ＴＦ、Ｅ　ＩＮＴＥλＮＡτｌ０ＮＡＬ　Ｓ乙ζＲＣＨＲ Ｅ：’ＯＲＴ　ＯＮ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．引張りストラップを備えたＶ形接続アセンブリによって分離可能に接続され た第１および第２のコンポーネントを有する宇宙船であって、軸方向荷重および 曲げモーメントの両方を受けるものにおいて、上記接続アセンブリの構成は：上 記宇宙船の第１のコンポーネントに形成され第１の凹部を有する第１のフランジ 部材と； 上記宇宙船の第２のコンポーネントに形成され第２の凹部を有する第２のフラン ジ部材と； 上記引張りストラップの径方向の荷重を上記第１および第２のフランジ部材に伝 達しこれらフランジ部材を保持する保持部材と； 上記の保持部材に設けられ上記第１および第２の凹部に嵌合するシアーピンを備 え、このシアーピンおよび凹部が協働して上記フランジ部材の問の相対的な回転 運動を防止し、このシアーピンによって、上記引張りストラップによる軸方向の 荷重を増加させることなく、かつ分離を妨げる固着を生じることなく、せん断お よびねじり荷重を伝達することを特徴とするカップリング接続アセンブリ。
2. ２．前記各フランジ部材の凹部は、各接触面からフランジ部材の周縁に沿う嵌合 面にわたって形成されていることを特徴とする前記請求の範囲第１項記載のクラ ンピング接続アセンブリ。
3. ３．前記保持部材には第１および第２の保持フランジが形成され、これらフラン ジには開口が形成され、この開口内には前記シアーピンが遊動自在に支持されて いることを特徴とする前記請求の範囲第２項記載のクランピング接続アセンブリ 。
4. ４．前記シアーピンを開口の一方側に付勢するスプリング部材が設けられている ことを特徴とする前記請求の範囲第３項記載のクランピング接続アセンブリ。
5. ５．引張りストラップを備えたＶ形接続アセンブリによって分離可能に接続され た第１および第２のコンポーネントを有する宇宙船であって、軸方向荷重および 曲げモーメントの両方を受けるものにおいて、上記接続アセンブリの構成は；上 記宇宙船の第１のコンポーネントに形成され、第１の嵌合面と第２の接触面とを 有し、この第１の面と第２の面とは鋭角をなす第１のフランジ部材と； 上記宇宙船の第２のコンポーネントに設けられ、第１の嵌合面と上記第１のフラ ンジ部材の接触面に接触する第２の接触面とを有し、上記第１の面と第２の面は 鋭角をなし、各接触面は円滑な面に形成された第２のフランジ部材と；上記引張 りストラップの径方向の荷重を上記第１および第２のフランジ部材に伝達しこれ らを互いに保持する保持部材を備え、この保持部材は上記第１および第２のフラ ンジ部材の第１の嵌合面と嵌合する一対の嵌合面を有し、上記引張りストラップ の径方向の荷重によってこれらフランジ部材間に軸方向の力を発生させ； 上記第１および第２のフランジ部材と上記保持部材に設けられ協働して上記フラ ンジ部材の接触面間の相対的な回転運動を防止する手段を備え、この手段には上 記保持部材に設けられた少なくとも１個のシアーピンを備え、このシアーピンは 、上記引張りストラップによる軸方向の荷重を増大させることなく、かつ接触面 の円滑な分離を妨げることなくせん断荷重および回転荷重を支持し、またこの手 段には上記フランジ部材の周縁部に形成され上記シアービンと嵌合する少なくと も一対の凹部を備えていることを特徴とするクランピング接続アセンブリ。
6. ６．前記保持部材には開口を有する第１および第２の保持フランジが形成され、 これら開口には前記シアーピンが遊動自在に支持されていることを特徴とする前 記請求の範囲第５項記載のクランピング接続アセンブリ。
7. ７．前記シアーピンを前記開口の一方側に付勢するスプリング部材を備えたこと を特徴とする前記請求の範囲第６項記載のクランピング接続アセンブリ。
8. ８．引張りストラップを備えたＶ形接続アセンブリによって分離可能に接続され た第１および第２のコンポーネントを存する宇宙船であって、軸方向荷重および 曲げモーメントの両方を受けるものにおいて、上記接続アセンブリの構成は；上 記宇宙船の第１のコンポーネントに形成され、第１の嵌合面と第２の接触面とを 有し、この第１の面と第２の面とは鋭角をなす第１のフランジ部材と； 上記宇宙船の第２のコンポーネントに設けられ、第１の嵌合面と上記第１のフラ ンジ部材の接触面に接触する第２の接触面とを存し、上記第１の面と第２の面は 鋭角をなし、各接触面は円滑な平らな面に形成された第２のフランジ部材と；上 記引張りストラップの径方向の荷重を上記第１および第２のフランジ部材に伝達 しこれらを互いに保持する複数の保持部材を備え、これらの保持部材は上記第１ および第２のフランジ部材の第１の嵌合面と嵌合する一対の嵌合面を有し、上記 引張りストラップの径方向の荷重によってこれらフランジ部材間に軸方向の力を 発生させ； 上記第１および第２のフランジ部材と上記保持部材に設けられ協働して上記フラ ンジ部材の接触面間の相対的な回転運動を防止する手段を備え、この手段には上 記保持部材の嵌合面の間に配置された少なくとも１個のシアーピンを備え、この シアーピンは、上記引張りストラップによる軸方向の荷重を増大させることなく 、かつ接触面の円滑な分離を妨げることなくせん断荷重および回転荷重を支持し 、またこの手段には上記フランジ部材の周縁部に形成され上記シアーピンと嵌合 する少なくとも一対の凹部を備えていることを特徴とするクランピング接続アセ ンブリ。
9. ９．前記保持部材には開口を有する第１および第２の保持フランジが形成され、 これら開口には前記シアーピンが遊動自在に支持されていることを特徴とする前 記請求の範囲第８項記載のクランピング接続アセンブリ。
10. １０．前記シアービンを前記開口の一方側に付勢するスプリング部材を備えたこ とを特徴とする前記請求の範囲第９項記載のクランピング接続アセンブリ。