結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法
【課題】飛翔体と構造物との結合を分離するとき、分離衝撃を低減することが可能な結合分離装置を提供する。
【解決手段】結合分離装置は、飛翔体の載置部材２０と載置部材２０に載置された構造物３０とを係合するクランプバンド６と、クランプバンド６の両端部を結合又は分離する第１結合部４とを具備する。第１結合部４は、クランプバンド６の周方向に対して垂直な方向を軸Ｃとして回転可能な回転部４３、４６と、回転部４３、４６を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部８とを備える。両端部を結合するとき、両端部は互いに逆方向から回転部４３、４６に係合され、回転保持部８は回転部４３、４６を回転不可能にする。両端部を分離するとき、回転保持部８は回転部４３、４６を回転可能にし、両端部は回転部４３、４６の回転で回転部４３、４６から脱離する。
【解決手段】結合分離装置は、飛翔体の載置部材２０と載置部材２０に載置された構造物３０とを係合するクランプバンド６と、クランプバンド６の両端部を結合又は分離する第１結合部４とを具備する。第１結合部４は、クランプバンド６の周方向に対して垂直な方向を軸Ｃとして回転可能な回転部４３、４６と、回転部４３、４６を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部８とを備える。両端部を結合するとき、両端部は互いに逆方向から回転部４３、４６に係合され、回転保持部８は回転部４３、４６を回転不可能にする。両端部を分離するとき、回転保持部８は回転部４３、４６を回転可能にし、両端部は回転部４３、４６の回転で回転部４３、４６から脱離する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法に関し、特に、飛翔体に構造物を結合し、結合された構造物を飛翔体から分離する結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛翔体（例示：ロケット）と構造物（例示：人工衛星）とを結合・分離する結合分離システムが知られている。ロケットの結合分離システムでは、衛星とロケットとの結合を、金属製のクランプバンドで締め付けることで行われている。図１は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。結合分離システムは、結合分離装置１０１とＰＡＦ（Ｐａｙｌｏａｄ Ａｔｔａｃｈｅｄ Ｆｉｔｔｉｎｇ）構造１２０とを備えている。ＰＡＦ構造１２０は、ロケットに搭載され、衛星を載置する円筒形状の台座である。結合分離装置１０１は、ＰＡＦ構造１２０と、その上に搭載された衛星側構造１３０とを結合又は分離する。ただし、衛星側構造１３０は、円筒形状を有する衛星側の部材である。ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０の直径は概ね等しい。そして両者が結合される場合、結合分離装置１０１に締め付けられて、本来の直径よりも小さい直径に押し込められる。それにより、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０には歪応力が発生している。結合分離装置１０１は、クランプバンド１０６と結合部１０４とを備えている。
【０００３】
クランプバンド１０６は、ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０との結合部分の成す円周形状に沿って設けられている。クランプバンド１０６は、複数のブロック１０３と、ストラップ１０２とを備えている。複数のブロック１０３は、ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０との結合部分の成す円周形状に沿って並んで設けられている。ブロック１０３は、ＰＡＦ構造１２０の端部１２０ａと衛星側構造１３０の端部１３０ａとを併せて係合する凹部１０３ａ（例示：断面がＶ字型の溝、以下Ｖ溝ともいう）を有している。ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０とは、端部１２０ａと端部１３０ａとが凹部１０３ａで係合することで、互いに結合している。ストラップ１０２は、複数のブロック１０３における凹部１０３ａと反対の面に結合している。複数のブロック１０３とストラップ１０２とは一体である。ストラップ１０２を締め付けることで、複数のブロック１０３を、凹部１０３ａと反対の面から結合部分に向かって押し込んでいる。結合部１０４は、ストラップ１０２の両端部１０２ａを結合して、クランプバンド１０６の締め付けを保持する。結合部１０４は、ストラップ１０２の一方の端部１０２ａに設けられたボルト状部材（図示されず）と、他方の端部１０２ａに設けられたナット状部材（図示されず）とに例示される。結合部１０４は、ボルト状部材をナット状部材にねじ込むことで、ストラップ１０２の両端部１０２ａを結合する。クランプバンド１０６には、外側のロケット本体に取り付けられた複数のバネ１０５により外向きの力が加えられている。
【０００４】
結合分離装置１０１では、衛星とロケットとの結合の解除（分離）は、火工品を用いて行う。火工品は、その動作時に切断治具を高速に移動させ、結合部１０４のボルト状部材を切断する。そのボルト状部材の切断により、ストラップ１０２の両端１０２ａが分離される。それにより、クランプバンド１０６が、クランプバンド１０６の張力及びバネ１０５の力で高速に外側に引っ張られる。その結果、複数のブロック１０３も高速に外側に移動するので、衛星とロケットとの結合が解除される。
【０００５】
関連する技術として、米国特許ＵＳ６４５４２１４号公報に、宇宙船の二つの部分を結合する装置及び方法が開示されている。クランプは、宇宙船の第１部分と第２部分とを開放可能に結合し、及び宇宙船の第１部分と第２部分とを分離するときに開放可能な圧縮応力のエネルギーを蓄積する操作が可能である。クランプは、第１端部と第２端部を備えている。少なくとも一つのエネルギー蓄積システムは、クランプを開いて宇宙船の第１部分と第２部分とを分離するときにクランプの圧縮応力の少なくとも一部を回転のエネルギーに変換する操作が可能である。エネルギー蓄積システムは、ネジ部を含む第１結合部と、ネジ部を含む第２結合部と、第１結合部と第２結合部のネジ部を相補的に係合する操作が可能な結合装置とを備える。結合装置は、クランプの第１端部と第２端部とを結合する操作が可能である。分離の間、結合部と結合装置とは、第１結合部と第２結合部が結合装置から開放されるように互いに回転可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許ＵＳ６４５４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１及び図２に示される結合分離装置１０１では、衛星とロケットとの結合を解除（分離）するとき、結合部１０４のボルト状部材が切断されて、クランプバンド１０６の張力及びバネ１０５の力で高速に外側に引っ張られる。その結果、クランプバンド１０６の締め付け力によりブロック１０３を介して押さえつけられていたＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０における中心から外側方向に向かう力（歪応力）が開放される。図３は、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０における歪応力が開放された時の様子を示す模式図である。この図は、図２と同様の断面を示している。衛星側構造１３０は、結合時には、歪応力を蓄積した状態で、Ｐ０の位置にある。しかし、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０は、結合部１０４のボルト状部材が切断されブロック１０３が開放された後は自由に動ける。そのため、極めて高速に歪応力を開放して、歪応力の無い位置であるＰＡへ移ろうとする。その結果、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０は、ＰＡの位置を略中心として激しく振動することになる。すなわち、火工品による衝撃に加えて、締め付け力の開放が瞬時に行われることにより、衛星側構造１３０に衝撃が発生してしまうことになる。このような分離衝撃が大きい場合には、衛星側機器の設計条件を厳しくする必要が出て、コストや重量等の面で問題となる。
【０００８】
本発明の目的は、飛翔体（例示：ロケット）と構造物（例示：衛星）との結合を分離するとき、分離衝撃を低減することが可能な結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該結合を分離するとき、衛星側構造の歪エネルギーが瞬間的に開放されることによる衝撃を低減することが可能な結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法を提供することにある。
【０００９】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明の結合分離装置は、飛翔体の載置部材（２０）と載置部材（２０）に載置された構造物（３０）とを係合するクランプバンド（６）と、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を結合又は分離する第１結合部（４）とを具備する。第１結合部（４）は、クランプバンド（６）の周方向に対して垂直な方向を軸（Ｃ）として回転可能な回転部（４３、４６）と、回転部（４３、４６）を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部（８）とを備える。両端部（２ａ、２ｂ）を結合するとき、両端部（２ａ、２ｂ）は互いに逆方向から回転部（４３、４６）に係合され、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転不可能にする。両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転可能にし、両端部（２ａ、２ｂ）は回転部（４３、４６）の回転で回転部（４３、４６）から脱離する。
【００１２】
本発明では、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、瞬間的に分離するのではなく、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにしている。そのため、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばすことができる。それにより、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【００１３】
上記の結合分離装置において、回転部（４３、４６）は、両端部（２ａ、２ｂ）が係合するラッチ部（４６）と、ラッチ部（４６）と共に軸（Ｃ）を中心に回転する回転体（４３）とを含むことが好ましい。回転体（４３）の慣性モーメントにより、回転部（４３、４６）の回転動作が制御されることが好ましい。
この場合、両端部（２ａ、２ｂ）を係合する箇所（ラッチ部）と、慣性モーメントにより回転動作を制御する箇所（回転体）とを異ならせているので、回転動作の制御を容易に行うことができる。また、回転動作を慣性モーメント制御することは、回転体の質量（分布）や大きさなどの複数のパラメータで制御でき、所望の性能を付与しやすくできる。
【００１４】
上記の結合分離装置において、ラッチ部（４６）における両端部（２ａ、２ｂ）の各々の係合する位置は、軸（Ｃ）に対して対称な位置であることが好ましい。
この場合、両端部（２ａ、２ｂ）の動作が対称的になると考えられ、回転体（４３）を含めた回転動作をより安定的に行わせることができる。
【００１５】
上記の結合分離装置において、両端部（２ａ、２ｂ）の各々の係合する位置と軸（Ｃ）との距離は、回転体（４３）の半径よりも小さいことが好ましい。
この場合、回転開始の抵抗を相対的に大きくできるので、回転体（４３）の大きさを小さくしても、回転に要する時間を所望の値に設定しやすくすることができる。それにより、回転体（４３）の省スペース化や低質量化を図ることができる。
【００１６】
上記の結合分離装置において、クランプバンド（６）の途中の部分を結合又は分離する第２結合部（７）を更に具備することが好ましい。
この場合、第２結合部（７）の種類によっては、第１結合部（４）の装着用の治具として用いたり、第１結合部（４）の予備として用いたりすることができる。
【００１７】
上記の結合分離装置において、第２結合部（７）は、クランプバンド（６）における第１結合部（４）と同一構造であることが好ましい。
この場合、結合分離装置における第１結合部（４）の予備とし、その冗長性を持たせることができる。
【００１８】
上記の結合分離装置において、回転部（４３、４６）は、その上側及び下側のうちの少なくとも一方に軸用の軸受（４２、４７）を有することが好ましい。
この場合、回転部（４３、４６）の回転をより安定的に行わせることができる。
【００１９】
上記の結合分離装置において、回転体（４３）は、開口部（１５）を有することが好ましい。回転保持部（８）は、ピン（１４ａ）と、ピン（１４ａ）を開口部（１５）に出し入れする駆動部（１４ｂ）とを備える。開口部（１５）にピン（１４ａ）を入れることで、回転体（４３）の回転を不可能にすることが好ましい。開口部（１５）からピン（１４ａ）を抜くことで、回転体（４３）の回転を可能にすることが好ましい。
この場合、ピンの出し入れという簡便な方法で、回転体（４３）の動作を制御することができる。
【００２０】
本発明の結合分離システムは、飛翔体に搭載され、構造物（３０）を載置する載置部材（２０）と、載置される構造物（３０）を載置部材（２０）に結合し又は分離する、上記各段落のいずれか一つに記載の結合分離装置（１）とを具備する。第１結合部（４）は、載置部材（２０）に取り付けられる。
【００２１】
本発明では、上述された本発明の結合分離装置（１）を用いている。そのため、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにすることができる。それにより、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばして、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【００２２】
本発明の結合分離方法は、飛翔体に構造物を結合し又は分離する結合分離システムを用いた結合分離方法である。ここで、結合分離システムは、飛翔体に搭載され、構造物（３０）を載置する載置部材（２０）と、載置される構造物（３０）を載置部材（２０）に結合し又は分離する結合分離装置（１）とを具備する。結合分離装置（１）は、載置部材（２０）と構造物（３０）とを係合するクランプバンド（６）と、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を結合又は分離する第１結合部（４）とを備える。第１結合部（４）は、クランプバンド（６）の周方向に対して垂直な方向を軸（Ｃ）として回転可能な回転部（４３、４６）と、回転部（４３、４６）を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部（８）とを備える。第１結合部（４）は、載置部材（２０）に取り付けられている。両端部（４３、４６）を結合するとき、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転不可能にし、両端部（２ａ、２ｂ）は互いに逆方向から回転部（４３、４６）に係合される。
結合分離方法は、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転保持部（８）により回転部（４３，４６）を回転可能にするステップと、クランプバンド（６）の張力で両端部（２ａ、２ｂ）を互いに逆方向に引っ張ることにより回転部（４３、４６）を回転させるステップと、両端部（２ａ、２ｂ）が回転部（４３、４６）から脱離するステップとを具備する。
【００２３】
本発明では、上述された本発明の結合分離システムを用いている。そのため、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにすることができる。それにより、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばして、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、飛翔体と構造物との結合を分離するとき、分離衝撃を低減することが可能となる。また、本発明により、当該結合を分離するとき、衛星側構造の歪エネルギーが瞬間的に開放されることによる衝撃を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略平面図である。
【図２】図２は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略断面図である。
【図３】図３は、ＰＡＦ構造及び衛星側構造における歪応力が開放された時の様子を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの構成を示す概略平面図である。
【図５】図５は、図４のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略平面図である。
【図７】図７は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略正面図である。
【図８】図８は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略右側面図である。
【図９】図９は、図４の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。
【図１０】図１０は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの動作を示すフロー図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係る第１結合部及びその近傍の動作を示す概略平面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【図１４】図１４は、図４の結合分離システムの第１結合部の変形例及び近傍の構成を示す概略右側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。ここでは、結合分離システムが搭載される飛翔体としてロケット、飛翔体に結合され分離される構造物として衛星、の場合を例にして説明する。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る結合分離装置及び結合分離システムの構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの構成を示す概略平面図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。結合分離システムは、結合分離装置１と、ＰＡＦ（Ｐａｙｌｏａｄ Ａｔｔａｃｈｅｄ Ｆｉｔｔｉｎｇ）構造２０とを備えている。
【００２８】
ＰＡＦ構造２０（載置部材）は、ロケットに搭載され、衛星を載置する円筒形状の台座である。結合分離装置１は、ＰＡＦ構造２０と、その上に載置された衛星側構造３０とを結合又は分離する。ただし、衛星側構造３０は、円筒形状を有する衛星側の部材である。ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の直径は概ね等しい。そして両者が結合される場合、結合分離装置１に締め付けられて、本来の直径よりも小さい直径に押し込められる。それにより、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０には歪応力が発生している。結合分離装置１は、クランプバンド６と、第１結合部４と、回転保持部８とを備えている。なお、図４に示すように、更に第２結合部７を備えていても良い。
【００２９】
クランプバンド６は、ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０との結合部分の成す円周形状に沿って設けられている。クランプバンド６を締め付けることにより、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０は内側に変形する。すなわち、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０は、係合時に、変形に伴う歪応力（歪エネルギー）を内包することになる。クランプバンド６は、複数のブロック３と、ストラップ２とを備えている。
【００３０】
複数のブロック３は、ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０との結合部分の成す円周形状に沿って並んで設けられている。ブロック３は、ＰＡＦ構造２０の端部２０ａと衛星側構造３０の端部３０ａとを併せて係合する凹部３ａを有している。凹部３ａは略Ｖ字型の溝を形成している。ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０とは、端部２０ａと端部３０ａとが合わさって山型の凸部を形成し、当該凸部が凹部３ａに係合することで、互いに結合している。ブロック３は、例えば、アルミニウムで形成されている。
【００３１】
ストラップ２は、両端部を後述される結合部４により結合された環形状を有する。ストラップ２は、複数のブロック３における凹部３ａと反対の面に結合している。複数のブロック３とストラップ２とは一体である。ストラップ２を締め付けることで、複数のブロック３を凹部３ａと反対の面から結合部分に向かって押し込んでいる。
【００３２】
ＰＡＦ構造２０及び衛星構造体３０の中心方向に向かうこの締め付け力で、複数のブロック３を当該中心方向に押し込んでいる。その押し込む力で、凹部３ａにおいて、当該中心から外側方向に向かうＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の力を抑え込んでいる。その押え込む力とＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の歪応力との釣り合いにより、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０とクランプバンド６との係合を維持することができる。クランプバンド６には、外側のロケット本体（図示されず）に取り付けられた複数のバネ５により外向きの力が加えられている。ストラップ２は、例えば、鋼（スチール）で形成されている。
【００３３】
第１結合部４は、ストラップ２の両端部を結合して、クランプバンド６による締め付けを維持する。又は、両端部の結合を分離して、クランプバンド６による締め付けを開放する。第１結合部４の詳細は後述する。回転保持部８は、ＰＡＦ構造２０に取り付けられ、後述される第１結合部４の回転マスを回転できないように固定し、又はその固定を開放して回転可能にする。それにより、第１結合部４の結合を保持し、又はその結合を開放する。
【００３４】
第２結合部７を備える場合には、その第２結合部７は、クランプバンド６の途中の位置（例示：第１結合部４と対向する位置）に設けられる。第２結合部７は、例えば、図１で説明した結合部１０４と同じ構成を用いることができる。すなわち、第２結合部７は、ボルト状部材をナット状部材にねじ込むことで、ストラップ２の両端部を結合する。ここで、第２結合部７は、クランプバンド６の取り付けを容易にするために設けられる。そのため、第２結合部７は切断されず、したがって火工品を用いない。ただし、衛星分離のときに第１結合部４で分離できない場合のバックアップとして分離可能としてもよいし、従来どおり分離するようにしてもよい。その分離を行うとき、歪応力の急速な開放による振動の低減が重要であり、火工品による振動が重要でない場合には、火工品でボルト状部材を切断して結合の分離を行っても良い。
【００３５】
また、第２結合部７の構成を第１結合部４と同一構成とすることも考えられる。その場合、第１結合部４の予備用として、第１結合部４の冗長性を持たせることができる。あるいは、第２結合部７にも同様に結合分離をさせても良い。その場合、結合の分離は、第１結合部４と同時に行う。更に、第１結合部４や第２結合部７のような構成を、複数個所設けることも可能である。
【００３６】
次に、第１結合部４の詳細について説明する。
図６〜図８は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略図である。図６は平面図、図７は正面図、及び図８は右側面図である。
【００３７】
ストラップ２の一方の端部２ａには、取付部１１ａ及び引掛け部１２ａが設けられている。取付部１１ａは、引掛け部１２ａを端部２ａに固定的に取り付ける。引掛け部１２ａは、一つの辺を有さない四角い枠の形状を有している。そして、その辺の無い側で取付部１１ａに固定されている。枠の内側に相当する部分を、後述される第１結合部４のラッチ部４６の突出部４６ａに引っ掛かることが可能となっている。同様に、ストラップ２の他方の端部２ｂには、取付部１１ｂ及び引掛け部１２ｂが設けられている。取付部１１ｂは、引掛け部１２ｂを端部２ｂに固定的に取り付ける。引掛け部１２ｂは、一つの辺を有さない四角い枠の形状を有している。そして、その辺の無い側で取付部１１ｂに固定されている。枠の内側に相当する部分を、後述される第１結合部４のラッチ部４６の突出部４６ｂに引っ掛かることが可能となっている。取付部１１ａ、１１ｂ及び引掛け部１２ａ、１２ｂは、ラッチ部４６に引っ掛けるために用いる部材であるから引掛け部と考えることができる。
【００３８】
第１結合部４については、まず図９を参照して説明する。図９は、図２の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。第１結合部４は、取付ブラケット４１と、軸受４２と、回転マス４３と、ラッチ部４６とを備えている。このうち、回転マス４３及びラッチ部４６は、軸受４２を用いて、取付ブラケット４１に回転軸Ｃを中心に回転可能に取り付けられている。
【００３９】
ラッチ部４６は、その上部に、突出部４６ａ及び補助部４６ｂと、突出部４６ｃ及び補助部４６ｄとを有している。突出部４６ａは補助部４６ｄと、及び、補助部４６ｂは突出部４６ｃと、それぞれ互いに背中合わせに設けられている。そして、突出部４６ａと突出部４６ｃとは、回転軸Ｃに対して対称な位置に設けられている。同様に、補助部４６ｂと補助部４６ｄとは、回転軸Ｃに対して対称な位置に設けられている。ストラップ２の引掛け部１２ａは、突出部４６ａと補助部４６ｂとで形成される断面がＵ字型の溝（以下Ｕ溝ともいう）に挿入され、突出部４６ａに引っ掛けられる。同様に、ストラップ２の引掛け部１２ｂは、突出部４６ｃと補助部４６ｄとで形成されるＵ溝に挿入され、突出部４６ｃに引っ掛けられる。これらのＵ溝は、溝の開口部が開いた状態にある。そのため、その溝内から開口部へ向かう方向（成分）の力を引掛け部１２ａ、１２ｂに付与すれば、それらをＵ溝から引き出すことができる。
【００４０】
ラッチ部４６は、その下部に軸部４４ａを有し、更にその下部に軸部４４ｂを有している。軸部４４ａは、回転マス４３の開口部４３ａと嵌合して、ラッチ部４６と回転マス４３とを固定的に結合している。ラッチ部４６の回転軸Ｃを中心とした回転を回転マス４３に伝達する。軸部４４ｂは、軸受４２に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持している。ラッチ部４６は、クランプバンド６の張力により引掛け部１２ａが突出部４６ａを一方向に、引掛け部１２ｂが突出部４６ｂを反対方向にそれぞれ引っ張ることで回転する。
【００４１】
回転マス４３は、略円板上の部材である。ラッチ部４６の軸部４４ａを開口部４３ａに挿入されて、ラッチ部４６と固定的に結合されている。回転マス４３は、ラッチ部４６と一体で回転する。回転マス４３は、ラッチ部４６の回転に際して、ラッチ部４６に慣性モーメント（Ｉ＝ＭＲ２／２：質量Ｍ、半径Ｒの場合）を付与する。それにより、ラッチ部４６の回転動作（回転状態）を制御する。例えば、慣性モーメントを大きくすればするほど、ラッチ部４６の静止状態から回転を開始するまでの時間を長くし、回転開始初期の速度やその上昇（加速度）を低くすることができる。回転動作を所望の状態に制御するためには、例えば、質量Ｍや密度ρや半径Ｒを変更することで行うことができる。また、所望の慣性モーメントを与えることができれば、リング形状のような他の形状であっても良い。回転マス４３の材料は、ステンレスのような金属が例示される。大きさを小さくしたい場合、Ｗ（タングステン）やＰｂ（鉛）のような高密度材料を用いることも可能である。
【００４２】
取付ブラケット４１は、第１結合部４の基部であり、ＰＡＦ構造３０の側面に固定されている。取付ブラケット４１は、上部表面に軸受４２を保持する開口部４１ａを有している。軸受４２は、その開口部４１ａに設けられている。軸受４２は、軸受部４２ａに軸部４４ｂを挿入され、回転マス４３及びラッチ部４６を一体的に回転可能に保持している。
【００４３】
ラッチ部４６と回転マス４３の回転は、軸部４４ａ、４４ｂや回転マス４３や軸受４２の中心を通る回転軸Ｃを中心として回転する。回転軸Ｃ（ｚ軸方向）は、クランプバンド６の周方向（ｘｙ面内方向）に対して垂直な方向である。すなわち、クランプバンド６が結合している時、クランプバンド６の周の上面を含む平面（ｘｙ平面）に対して垂直な方向（ｚ軸方向）である。回転軸Ｃがこのような方向を向くことで、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂがラッチ部４６を引っ張る方向と、回転マス４３の回転面とを同一面上とすることができる。それにより、ラッチ部４６の回転を、軸部４４ａを介して容易に回転マス４３の回転に変換することができる。
【００４４】
次に、図６〜図８を参照して、ラッチ部４６及び回転マス４３の回転は、上述した回転保持部８により制御される。回転保持部８は、取付部材１３と、回転マス保持部１４とを備えている。取付部材１３は、回転マス保持部１４をＰＡＦ構造２０の内側側面に取り付けている。回転マス保持部１４は、回転マス４３を回転しないように固定し、又はその固定を開放して回転可能にする。回転マス保持部１４は、ピンプラーに例示され、駆動部１４ａと、ピン１４ｂとを含む。駆動部１４ａは、ピン１４ｂを回転マス４３に開口された穴１５に挿入することで、回転マス４３を回転できないように固定する。また、駆動部１４ａは、ピン１４ｂを回転マス４３の穴１５から引き抜くことで、回転マス４３を回転可能にする。
【００４５】
回転マス４３が回転可能になると、クランプバンド６の張力により両端部２ａ、２ｂが互いに離れる方向へ移動しようとする。それに伴い、ラッチ部４６及び回転マス４３が回転し、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れて、クランプバンド６が緩む。クランプバンド６が緩むことにより、クランプバンド６が押え込んでいたＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の歪応力がその緩んだ分だけ開放される。そして、その後、回転が進み、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂは最終的に分離して、クランプバンド６がバネ５に引っ張られて結合部分から離れる。クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが分離し、クランプバンド６が離れることにより、衛星側構造３０の歪応力が全て開放される。
【００４６】
このとき、回転マス４３の回転に伴ってクランプバンド６が緩むので、回転に要する時間の分だけ歪応力の開放に時間がかかる。このように、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０は一気に歪応力を開放するのではなく、時間をかけて応力を開放するので、歪応力の開放による振動や衝撃を大幅に抑制することができる。それにより、衛星分離の衝撃を低減することができる。なお、回転保持部８は、回転マス４３を回転不可能に保持し、回転可能にすることができれば、上記形態に限定されるものではない。例えば、上下から回転マス４３を挟んで固定して停止させる方法などが考えられる。
【００４７】
制御装置１６は、回転保持部８の動作を制御する。例えば、制御装置１３がタイマーの場合、制御装置１６は、予め設定された時刻まで、第１結合部４の回転マス４３が回転しないように、回転マス保持部１４のピン１４ｂを回転マス４３の開口部１５に挿入させておく。そして、予め設定された時刻になったら、回転マス保持部１４のピン１４ｂを開口部１５から引き抜き、第１結合部４の回転マス４３が回転可能にする。又は、制御装置１６が、マイクロコンピュータの場合、プログラム制御により、上記回転マス保持部１４のピン１４ｂの出し入れ動作を制御してもよい。更に、その制御に際して、外部の制御装置から他の制御信号を受けて、上記プログラム制御をおこなっても良い。更に、制御装置１６として、ロケット内に搭載された他の制御装置を兼用しても良い。
【００４８】
第１結合部４の回転マス４３の大きさ及び質量に関しては、例えば、以下のように決定される。まず、ラッチ部４６の静止状態から回転を開始するまでの時間や、回転開始初期の速度の上昇（加速度）をどの程度に設定するかを決定する。その後、その初期状態を実現する慣性モーメント（Ｉ＝ＭＲ２／２）を決定する。そのようにして決定された回転マス４３の一例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。図４において、クランプバンド６での締め付け時の荷重が３０ｋＮ、ＰＡＦ構造２０の直径φ０が１０００ｍｍの場合、例えば、回転マス４３の直径は２０ｃｍ程度、回転マス４３の質量は５ｋｇ程度、ＰＡＦ構造２０の質量は１００ｋｇ程度である。これは、回転保持部８から開放されて回転可能になってから、クランプバンド６の両端が離れるまで、数１０ｍｓｅｃ（１０ｍｓｅｃオーダー）にしたい場合である。この場合、従来の火工品を用いた場合（図１）である数ｍｓｅｃ（１ｍｓｅｃオーダー）と比較して、１０倍程度遅くすることができる。
【００４９】
また、ラッチ部４６において引掛け部１２ａ、１２ｂが突出部４６ａ、４６ｂに引っ掛けられたときの回転軸Ｃと引掛け部１２ａ、１２ｂとの距離（以下オフセットともいう）は、回転マス４３の半径よりも小さくなるように設定されている。これは、オフセットのサイズを小さくすると、回転開始の抵抗を相対的に大きくできるからである。そのようにすることで、回転マス４３の大きさを小さくしても、回転に要する時間を所望の値にすることができる。それにより、回転マス４３の省スペース化や低質量化を図ることができる。
【００５０】
図１０は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略斜視図である。
この図は、結合状態をわかりやすく示している。第１結合部４において、引掛け部１２ａは、ラッチ部４６の突出部４６ａに引っ掛けられ、突出部４６ａと補助部４６ｂとが成すＵ溝に嵌っている。同様に、引掛け部１２ｂは、ラッチ部４６の突出部４６ｃに引っ掛けられ、突出部４６ｃと補助部４６ｄとが成すＵ溝に嵌っている。この状態は、回転保持部８（この図において図示されず；図８を参照）が回転マス保持部１４のピン１４ｂを回転マス４３の穴１５に挿入することで保持されている。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態に係る結合分離装置及び結合分離システムの動作（結合分離方法）について説明する。図１１は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの動作を示すフロー図である。図６及び図１２は、本発明の実施の形態に係る第１結合部及びその近傍の動作を示す概略平面図である。図１３Ａ〜図１３Ｂは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【００５２】
事前に、衛星側構造３０は、結合分離システムに取り付けられている。すなわち、衛星側構造３０は、クランプバンド６によりＰＡＦ構造２０に結合している（図４〜図８、図１０）。このとき、クランプバンド６の両端部２ａの引掛け部１２ａ、１２ｂは、ラッチ部４６に引っ掛けられている。回転マス保持部１４はピン１４ｂを回転マス４３の穴１５に挿入することで、回転マス４３を回転できないように固定している。その結果、回転マス４３に固定されたラッチ部４６も同様に、図５〜図８、図１０に示す位置に固定されている。この状態を示したのが、図６及び図１３Ａである。
【００５３】
取り付け方法は、ＰＡＦ構造２０上に衛星側構造３０を載置した後、ブロック３をその周囲に嵌め込み、ストラップ２を締め上げて、その両端部２ａ、２ｂの引掛け部１２ａ、１２ｂをラッチ部４６に引掛ける方法が考えられる。また、クランプバンド６の途中に、図４のように第２結合部７を設ける場合には、ＰＡＦ構造２０上に衛星側構造３０を載置した後、ブロック３をその周囲に嵌め込み、ストラップ２の第１結合部４の結合を完成し、しかる後に従来と同様にして第２結合部７を結合して、ボルト状部材を用いてクランプバンド６を締め上げる方法が考えられる。このとき、クランプバンド６はその自然長と比較して長く引き伸ばされており、その張力は、例えば、約３０ｋＮである。
【００５４】
このようにして結合分離装置１を用いてＰＡＦ構造２０に取り付けられている衛星側構造３０を分離するには、以下の分離シーケンスを用いる。
【００５５】
まず、制御装置１６は、衛星側構造３０を分離する時刻に達した段階で、回転保持部８の回転マス保持部１４をＯＮにする。回転マス保持部１４は、回転マス４３の穴１５からピン１４ａを引き抜く（ステップＳ０１）。それにより、回転マス４３が回転可能になる。その結果、回転マス４３に固定されたラッチ部４６も回転可能になる。
【００５６】
ラッチ部４６が回転可能になると、締め上げられていたクランプバンド６の張力により両端部２ａ、２ｂが互いに離れる方向へ移動しようとする。すなわち、引掛け部１２ａ、１２ｂが互いに反対の方向に離れようとする。その離れることに伴い、突出部４６ａ、４６ｂが互いに反対方向に引っ張られることにより、ラッチ部４６が回転し始める（ステップＳ０２）。ラッチ部４６は回転マス４３と一体であり、回転マス４３はラッチ部４６よりも大きさが大きく且つ質量が大きい。そのため、ラッチ部４６の回転（回転の速度や加速度）は回転マス４３の慣性モーメントで概ね決定されることになる。したがって、例えば、慣性モーメントを相対的に大きくしておけば、回転マス４３の回転を相対的に緩やかにすることができる。それにより、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れる速度を相対的に遅くすることができる。ラッチ部４６の回転によりクランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れて、クランプバンド６の周方向の長さが、実質的に延伸したようになる。このようにしてクランプバンド６が緩み、その締め付け力が弱まることで、クランプバンド６が少し外側に移動できるので、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０は位置Ｐ０から位置Ｐ１へ少し外側に広がることができる。それにより、クランプバンド６が押え込んでいた衛星側構造３０の歪応力がその緩んだ分だけ開放される。その状態を示したのが、図１２及び図１３Ｂである。
【００５７】
そして、その後、ラッチ部４６の回転が進むと、ラッチ部４６のＵ溝はクランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの移動方向へその開口部を向けることになる。その結果、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂはＵ溝から最終的に飛び出し、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの結合が分離する。そして、クランプバンド６は、バネ５に引っ張られて衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０との結合部分から離れる。クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが分離し、クランプバンド６が離れることにより、衛星側構造３０は何の拘束受けなくなる。その結果、衛星側構造３０の歪応力は全て開放される（ステップＳ０３）。それにより、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０との結合が開放される（分離する）。
【００５８】
以上のような結合分離システムの動作により、衛星が分離される。
【００５９】
本実施の形態では、クランプバンド６により結合部分に付与されている締め付け力を、従来の場合と比較して時間をかけて緩やかに開放する機構が設けられている。この機構では、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの結合を分離するとき、両端部２ａ、２ｂが第１結合部４から離れようとする運動を、回転マス４３の回転運度で制御している。両端部２ａ、２ｂにはクランプバンド６の張力がかかっている。その張力を瞬時に開放するのではなく、その張力に回転マス４３を回転させる仕事をさせることで、張力の開放に回転マス４３の慣性モーメントに対応した時間がかかるようにしている。それにより、クランプバンド６の締め付け力を従来の場合と比較して時間をかけて緩やかに開放することができる。その結果、締め付け力開放による衝撃を大幅に低減することが可能となる。
【００６０】
また、本実施の形態では、第１結合部４として、ラッチ部４６の回転で結合及び解除を行う構成という、火工品以外の構成（火薬を使用していない部材）を用いることができる。それにより、火工品による衝撃を緩和することも可能である。火工品を使用しない場合、運用制約が無くなる。加えて、再利用が可能なため、実際の使用の前に、現物で試験をすることが可能となる。
【００６１】
更に、本実施の形態では、衛星側構造３０やＰＡＦ構造２０の構造、すなわち衛星とロケットとのインターフェースをこれまでと同じにすることができる。そのため、衛星から見て他のロケットと互換性を維持することができる。
【００６２】
なお、上記実施の形態では、回転マス４３の片側に軸受４２を有する第１結合部４を用いている。しかし、本発明はこの例に限定されるものではなく、回転マス４３の両側に軸受を有する第１結合部４を有していても良い。その例を示しているのが、図１４及び図１５である。以下にその例について説明する。
【００６３】
図１４は、図４の結合分離システムの第１結合部の変形例及びその近傍の構成を示す概略右側面図である。図１５は、図１４の結合分離システムの第１結合部の変形例の構成を示す概略分解図である。第１結合部４は、取付ブラケット４１と、軸受４２と、回転マス４３と、上部取付ブラケット４８と、上部軸受４７と、ラッチ部４６とを備えている。
【００６４】
ラッチ部４６は、その上部に、突出部４６ａ及び補助部４６ｂと、突出部４６ｃ及び補助部４６ｄとを有している。これらの構成は、図９の場合と同様である。また、ラッチ部４６は、その下部に、軸部４４ｃ、４４ａ、４４ｂを有している。軸部４４ｃは、上部軸受４７に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持する。軸部４４ａは、回転マス４３の開口部４３ａと嵌合して、ラッチ部４６と回転マス４３とを固定的に結合する。回転マス４３の回転をラッチ部４６に伝達する。軸部４４ｂは、軸受４２に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持する。
【００６５】
上部取付ブラケット４８は、回転マス４３とラッチ部４６の上部との間に設けられ、ＰＡＦ構造３０の側面に固定されている。上部取付ブラケット４８は、上部軸受４７を保持するための貫通する開口部４８ａを有している。軸受４７は、その開口部４８ａに設けられ、軸受部４７ａに軸部４４ｃを挿入され、回転マス４３及びラッチ部４６を一体的に回転可能に保持する。
【００６６】
なお、取付ブラケット４１、軸受４２、及び回転マス４３の構成は、図９の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
ラッチ部４６と回転マス４３の回転は、軸部４４や回転マス４３や軸受４２の中心を通る軸（回転軸）Ｃを中心として、回転する。回転軸Ｃ（ｚ軸方向）は、クランプバンド６の周方向（ｘｙ面内方向）に対して垂直な方向である。すなわち、クランプバンド６が結合している時、クランプバンド６の周の上面を含む平面（ｘｙ平面）に対して垂直な方向（ｚ軸方向）である。
【００６８】
この場合にも、図５〜図８の場合と同様の効果を得ることができる。
更に、この場合、軸受４２に加えて、大きな力がかかるラッチ部４６上部の近傍に軸受４７を設けている。このように、ラッチ部４６上部の近傍にも軸受４７を設け、回転マス４３の両側で軸部を支持しているので、ラッチ部４６から離れた軸受４２だけで軸部を支える図５〜図８の場合と比較して、ラッチ部４６及び回転マス４３の回転を安定的に行うことができる。
【００６９】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００７０】
１、１０１ 結合分離装置
２、１０２ ストラップ
２ａ、２ｂ、１０２ａ 端部
３、１０３ ブロック
３ａ 凹部
４、１０４ （第１）結合部
５、１０５ バネ
６、１０６ クランプバンド
７ 第２結合部
８ 回転保持部
１１ａ、１１ｂ 取付部
１２ａ、１２ｂ 引掛け部
１３ 取付部材
１４ 回転マス保持部
１４ａ 駆動部
１４ｂ ピン
１５ 穴
１６ 制御装置
２０、１２０ ＰＡＦ構造
２０ａ 端部
３０、１３０ 衛星側構造
３０ａ 端部
４１ 取付ブラケット
４１ａ 開口部
４２ 軸受
４２ａ 軸受部
４３ 回転マス
４３ａ 開口部
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ 軸部
４６ ラッチ部
４６ａ、４６ｃ 突出部
４６ｂ、４６ｄ 補助部
４８ 上部取付ラケット
４８ａ 開口部
４７ 上部軸受
４７ａ 軸受部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法に関し、特に、飛翔体に構造物を結合し、結合された構造物を飛翔体から分離する結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛翔体（例示：ロケット）と構造物（例示：人工衛星）とを結合・分離する結合分離システムが知られている。ロケットの結合分離システムでは、衛星とロケットとの結合を、金属製のクランプバンドで締め付けることで行われている。図１は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。結合分離システムは、結合分離装置１０１とＰＡＦ（Ｐａｙｌｏａｄ Ａｔｔａｃｈｅｄ Ｆｉｔｔｉｎｇ）構造１２０とを備えている。ＰＡＦ構造１２０は、ロケットに搭載され、衛星を載置する円筒形状の台座である。結合分離装置１０１は、ＰＡＦ構造１２０と、その上に搭載された衛星側構造１３０とを結合又は分離する。ただし、衛星側構造１３０は、円筒形状を有する衛星側の部材である。ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０の直径は概ね等しい。そして両者が結合される場合、結合分離装置１０１に締め付けられて、本来の直径よりも小さい直径に押し込められる。それにより、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０には歪応力が発生している。結合分離装置１０１は、クランプバンド１０６と結合部１０４とを備えている。
【０００３】
クランプバンド１０６は、ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０との結合部分の成す円周形状に沿って設けられている。クランプバンド１０６は、複数のブロック１０３と、ストラップ１０２とを備えている。複数のブロック１０３は、ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０との結合部分の成す円周形状に沿って並んで設けられている。ブロック１０３は、ＰＡＦ構造１２０の端部１２０ａと衛星側構造１３０の端部１３０ａとを併せて係合する凹部１０３ａ（例示：断面がＶ字型の溝、以下Ｖ溝ともいう）を有している。ＰＡＦ構造１２０と衛星側構造１３０とは、端部１２０ａと端部１３０ａとが凹部１０３ａで係合することで、互いに結合している。ストラップ１０２は、複数のブロック１０３における凹部１０３ａと反対の面に結合している。複数のブロック１０３とストラップ１０２とは一体である。ストラップ１０２を締め付けることで、複数のブロック１０３を、凹部１０３ａと反対の面から結合部分に向かって押し込んでいる。結合部１０４は、ストラップ１０２の両端部１０２ａを結合して、クランプバンド１０６の締め付けを保持する。結合部１０４は、ストラップ１０２の一方の端部１０２ａに設けられたボルト状部材（図示されず）と、他方の端部１０２ａに設けられたナット状部材（図示されず）とに例示される。結合部１０４は、ボルト状部材をナット状部材にねじ込むことで、ストラップ１０２の両端部１０２ａを結合する。クランプバンド１０６には、外側のロケット本体に取り付けられた複数のバネ１０５により外向きの力が加えられている。
【０００４】
結合分離装置１０１では、衛星とロケットとの結合の解除（分離）は、火工品を用いて行う。火工品は、その動作時に切断治具を高速に移動させ、結合部１０４のボルト状部材を切断する。そのボルト状部材の切断により、ストラップ１０２の両端１０２ａが分離される。それにより、クランプバンド１０６が、クランプバンド１０６の張力及びバネ１０５の力で高速に外側に引っ張られる。その結果、複数のブロック１０３も高速に外側に移動するので、衛星とロケットとの結合が解除される。
【０００５】
関連する技術として、米国特許ＵＳ６４５４２１４号公報に、宇宙船の二つの部分を結合する装置及び方法が開示されている。クランプは、宇宙船の第１部分と第２部分とを開放可能に結合し、及び宇宙船の第１部分と第２部分とを分離するときに開放可能な圧縮応力のエネルギーを蓄積する操作が可能である。クランプは、第１端部と第２端部を備えている。少なくとも一つのエネルギー蓄積システムは、クランプを開いて宇宙船の第１部分と第２部分とを分離するときにクランプの圧縮応力の少なくとも一部を回転のエネルギーに変換する操作が可能である。エネルギー蓄積システムは、ネジ部を含む第１結合部と、ネジ部を含む第２結合部と、第１結合部と第２結合部のネジ部を相補的に係合する操作が可能な結合装置とを備える。結合装置は、クランプの第１端部と第２端部とを結合する操作が可能である。分離の間、結合部と結合装置とは、第１結合部と第２結合部が結合装置から開放されるように互いに回転可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許ＵＳ６４５４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１及び図２に示される結合分離装置１０１では、衛星とロケットとの結合を解除（分離）するとき、結合部１０４のボルト状部材が切断されて、クランプバンド１０６の張力及びバネ１０５の力で高速に外側に引っ張られる。その結果、クランプバンド１０６の締め付け力によりブロック１０３を介して押さえつけられていたＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０における中心から外側方向に向かう力（歪応力）が開放される。図３は、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０における歪応力が開放された時の様子を示す模式図である。この図は、図２と同様の断面を示している。衛星側構造１３０は、結合時には、歪応力を蓄積した状態で、Ｐ０の位置にある。しかし、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０は、結合部１０４のボルト状部材が切断されブロック１０３が開放された後は自由に動ける。そのため、極めて高速に歪応力を開放して、歪応力の無い位置であるＰＡへ移ろうとする。その結果、ＰＡＦ構造１２０及び衛星側構造１３０は、ＰＡの位置を略中心として激しく振動することになる。すなわち、火工品による衝撃に加えて、締め付け力の開放が瞬時に行われることにより、衛星側構造１３０に衝撃が発生してしまうことになる。このような分離衝撃が大きい場合には、衛星側機器の設計条件を厳しくする必要が出て、コストや重量等の面で問題となる。
【０００８】
本発明の目的は、飛翔体（例示：ロケット）と構造物（例示：衛星）との結合を分離するとき、分離衝撃を低減することが可能な結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該結合を分離するとき、衛星側構造の歪エネルギーが瞬間的に開放されることによる衝撃を低減することが可能な結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法を提供することにある。
【０００９】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明の結合分離装置は、飛翔体の載置部材（２０）と載置部材（２０）に載置された構造物（３０）とを係合するクランプバンド（６）と、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を結合又は分離する第１結合部（４）とを具備する。第１結合部（４）は、クランプバンド（６）の周方向に対して垂直な方向を軸（Ｃ）として回転可能な回転部（４３、４６）と、回転部（４３、４６）を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部（８）とを備える。両端部（２ａ、２ｂ）を結合するとき、両端部（２ａ、２ｂ）は互いに逆方向から回転部（４３、４６）に係合され、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転不可能にする。両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転可能にし、両端部（２ａ、２ｂ）は回転部（４３、４６）の回転で回転部（４３、４６）から脱離する。
【００１２】
本発明では、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、瞬間的に分離するのではなく、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにしている。そのため、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばすことができる。それにより、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【００１３】
上記の結合分離装置において、回転部（４３、４６）は、両端部（２ａ、２ｂ）が係合するラッチ部（４６）と、ラッチ部（４６）と共に軸（Ｃ）を中心に回転する回転体（４３）とを含むことが好ましい。回転体（４３）の慣性モーメントにより、回転部（４３、４６）の回転動作が制御されることが好ましい。
この場合、両端部（２ａ、２ｂ）を係合する箇所（ラッチ部）と、慣性モーメントにより回転動作を制御する箇所（回転体）とを異ならせているので、回転動作の制御を容易に行うことができる。また、回転動作を慣性モーメント制御することは、回転体の質量（分布）や大きさなどの複数のパラメータで制御でき、所望の性能を付与しやすくできる。
【００１４】
上記の結合分離装置において、ラッチ部（４６）における両端部（２ａ、２ｂ）の各々の係合する位置は、軸（Ｃ）に対して対称な位置であることが好ましい。
この場合、両端部（２ａ、２ｂ）の動作が対称的になると考えられ、回転体（４３）を含めた回転動作をより安定的に行わせることができる。
【００１５】
上記の結合分離装置において、両端部（２ａ、２ｂ）の各々の係合する位置と軸（Ｃ）との距離は、回転体（４３）の半径よりも小さいことが好ましい。
この場合、回転開始の抵抗を相対的に大きくできるので、回転体（４３）の大きさを小さくしても、回転に要する時間を所望の値に設定しやすくすることができる。それにより、回転体（４３）の省スペース化や低質量化を図ることができる。
【００１６】
上記の結合分離装置において、クランプバンド（６）の途中の部分を結合又は分離する第２結合部（７）を更に具備することが好ましい。
この場合、第２結合部（７）の種類によっては、第１結合部（４）の装着用の治具として用いたり、第１結合部（４）の予備として用いたりすることができる。
【００１７】
上記の結合分離装置において、第２結合部（７）は、クランプバンド（６）における第１結合部（４）と同一構造であることが好ましい。
この場合、結合分離装置における第１結合部（４）の予備とし、その冗長性を持たせることができる。
【００１８】
上記の結合分離装置において、回転部（４３、４６）は、その上側及び下側のうちの少なくとも一方に軸用の軸受（４２、４７）を有することが好ましい。
この場合、回転部（４３、４６）の回転をより安定的に行わせることができる。
【００１９】
上記の結合分離装置において、回転体（４３）は、開口部（１５）を有することが好ましい。回転保持部（８）は、ピン（１４ａ）と、ピン（１４ａ）を開口部（１５）に出し入れする駆動部（１４ｂ）とを備える。開口部（１５）にピン（１４ａ）を入れることで、回転体（４３）の回転を不可能にすることが好ましい。開口部（１５）からピン（１４ａ）を抜くことで、回転体（４３）の回転を可能にすることが好ましい。
この場合、ピンの出し入れという簡便な方法で、回転体（４３）の動作を制御することができる。
【００２０】
本発明の結合分離システムは、飛翔体に搭載され、構造物（３０）を載置する載置部材（２０）と、載置される構造物（３０）を載置部材（２０）に結合し又は分離する、上記各段落のいずれか一つに記載の結合分離装置（１）とを具備する。第１結合部（４）は、載置部材（２０）に取り付けられる。
【００２１】
本発明では、上述された本発明の結合分離装置（１）を用いている。そのため、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにすることができる。それにより、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばして、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【００２２】
本発明の結合分離方法は、飛翔体に構造物を結合し又は分離する結合分離システムを用いた結合分離方法である。ここで、結合分離システムは、飛翔体に搭載され、構造物（３０）を載置する載置部材（２０）と、載置される構造物（３０）を載置部材（２０）に結合し又は分離する結合分離装置（１）とを具備する。結合分離装置（１）は、載置部材（２０）と構造物（３０）とを係合するクランプバンド（６）と、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を結合又は分離する第１結合部（４）とを備える。第１結合部（４）は、クランプバンド（６）の周方向に対して垂直な方向を軸（Ｃ）として回転可能な回転部（４３、４６）と、回転部（４３、４６）を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部（８）とを備える。第１結合部（４）は、載置部材（２０）に取り付けられている。両端部（４３、４６）を結合するとき、回転保持部（８）は回転部（４３、４６）を回転不可能にし、両端部（２ａ、２ｂ）は互いに逆方向から回転部（４３、４６）に係合される。
結合分離方法は、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転保持部（８）により回転部（４３，４６）を回転可能にするステップと、クランプバンド（６）の張力で両端部（２ａ、２ｂ）を互いに逆方向に引っ張ることにより回転部（４３、４６）を回転させるステップと、両端部（２ａ、２ｂ）が回転部（４３、４６）から脱離するステップとを具備する。
【００２３】
本発明では、上述された本発明の結合分離システムを用いている。そのため、クランプバンド（６）の両端部（２ａ、２ｂ）を分離するとき、回転体（４３、４６）の回転動作により少しずつ両端部（２ａ、２ｂ）を離して行くようにすることができる。それにより、回転体（４３、４６）の回転にかかる時間分だけ分離に係る時間を延ばして、当該時間分だけクランプバンド（６）が緩む余裕を与えることができる。そのクランプバンド（６）の緩みを利用して、構造物（３０）がクランプバンド（６）に締め付けられて生じている歪応力を緩やかに開放することができる。その結果、分離衝撃を大幅に低減することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、飛翔体と構造物との結合を分離するとき、分離衝撃を低減することが可能となる。また、本発明により、当該結合を分離するとき、衛星側構造の歪エネルギーが瞬間的に開放されることによる衝撃を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略平面図である。
【図２】図２は、一般的な結合分離システムの構成を示す概略断面図である。
【図３】図３は、ＰＡＦ構造及び衛星側構造における歪応力が開放された時の様子を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの構成を示す概略平面図である。
【図５】図５は、図４のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。
【図６】図６は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略平面図である。
【図７】図７は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略正面図である。
【図８】図８は、図４の結合分離システムの第１結合部及び近傍の構成を示す概略右側面図である。
【図９】図９は、図４の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。
【図１０】図１０は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの動作を示すフロー図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態に係る第１結合部及びその近傍の動作を示す概略平面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【図１４】図１４は、図４の結合分離システムの第１結合部の変形例及び近傍の構成を示す概略右側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の結合分離装置、結合分離システム、及び結合分離方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。ここでは、結合分離システムが搭載される飛翔体としてロケット、飛翔体に結合され分離される構造物として衛星、の場合を例にして説明する。
【００２７】
本発明の実施の形態に係る結合分離装置及び結合分離システムの構成について説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの構成を示す概略平面図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面の構成を示す概略断面図である。結合分離システムは、結合分離装置１と、ＰＡＦ（Ｐａｙｌｏａｄ Ａｔｔａｃｈｅｄ Ｆｉｔｔｉｎｇ）構造２０とを備えている。
【００２８】
ＰＡＦ構造２０（載置部材）は、ロケットに搭載され、衛星を載置する円筒形状の台座である。結合分離装置１は、ＰＡＦ構造２０と、その上に載置された衛星側構造３０とを結合又は分離する。ただし、衛星側構造３０は、円筒形状を有する衛星側の部材である。ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の直径は概ね等しい。そして両者が結合される場合、結合分離装置１に締め付けられて、本来の直径よりも小さい直径に押し込められる。それにより、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０には歪応力が発生している。結合分離装置１は、クランプバンド６と、第１結合部４と、回転保持部８とを備えている。なお、図４に示すように、更に第２結合部７を備えていても良い。
【００２９】
クランプバンド６は、ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０との結合部分の成す円周形状に沿って設けられている。クランプバンド６を締め付けることにより、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０は内側に変形する。すなわち、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０は、係合時に、変形に伴う歪応力（歪エネルギー）を内包することになる。クランプバンド６は、複数のブロック３と、ストラップ２とを備えている。
【００３０】
複数のブロック３は、ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０との結合部分の成す円周形状に沿って並んで設けられている。ブロック３は、ＰＡＦ構造２０の端部２０ａと衛星側構造３０の端部３０ａとを併せて係合する凹部３ａを有している。凹部３ａは略Ｖ字型の溝を形成している。ＰＡＦ構造２０と衛星側構造３０とは、端部２０ａと端部３０ａとが合わさって山型の凸部を形成し、当該凸部が凹部３ａに係合することで、互いに結合している。ブロック３は、例えば、アルミニウムで形成されている。
【００３１】
ストラップ２は、両端部を後述される結合部４により結合された環形状を有する。ストラップ２は、複数のブロック３における凹部３ａと反対の面に結合している。複数のブロック３とストラップ２とは一体である。ストラップ２を締め付けることで、複数のブロック３を凹部３ａと反対の面から結合部分に向かって押し込んでいる。
【００３２】
ＰＡＦ構造２０及び衛星構造体３０の中心方向に向かうこの締め付け力で、複数のブロック３を当該中心方向に押し込んでいる。その押し込む力で、凹部３ａにおいて、当該中心から外側方向に向かうＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の力を抑え込んでいる。その押え込む力とＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の歪応力との釣り合いにより、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０とクランプバンド６との係合を維持することができる。クランプバンド６には、外側のロケット本体（図示されず）に取り付けられた複数のバネ５により外向きの力が加えられている。ストラップ２は、例えば、鋼（スチール）で形成されている。
【００３３】
第１結合部４は、ストラップ２の両端部を結合して、クランプバンド６による締め付けを維持する。又は、両端部の結合を分離して、クランプバンド６による締め付けを開放する。第１結合部４の詳細は後述する。回転保持部８は、ＰＡＦ構造２０に取り付けられ、後述される第１結合部４の回転マスを回転できないように固定し、又はその固定を開放して回転可能にする。それにより、第１結合部４の結合を保持し、又はその結合を開放する。
【００３４】
第２結合部７を備える場合には、その第２結合部７は、クランプバンド６の途中の位置（例示：第１結合部４と対向する位置）に設けられる。第２結合部７は、例えば、図１で説明した結合部１０４と同じ構成を用いることができる。すなわち、第２結合部７は、ボルト状部材をナット状部材にねじ込むことで、ストラップ２の両端部を結合する。ここで、第２結合部７は、クランプバンド６の取り付けを容易にするために設けられる。そのため、第２結合部７は切断されず、したがって火工品を用いない。ただし、衛星分離のときに第１結合部４で分離できない場合のバックアップとして分離可能としてもよいし、従来どおり分離するようにしてもよい。その分離を行うとき、歪応力の急速な開放による振動の低減が重要であり、火工品による振動が重要でない場合には、火工品でボルト状部材を切断して結合の分離を行っても良い。
【００３５】
また、第２結合部７の構成を第１結合部４と同一構成とすることも考えられる。その場合、第１結合部４の予備用として、第１結合部４の冗長性を持たせることができる。あるいは、第２結合部７にも同様に結合分離をさせても良い。その場合、結合の分離は、第１結合部４と同時に行う。更に、第１結合部４や第２結合部７のような構成を、複数個所設けることも可能である。
【００３６】
次に、第１結合部４の詳細について説明する。
図６〜図８は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略図である。図６は平面図、図７は正面図、及び図８は右側面図である。
【００３７】
ストラップ２の一方の端部２ａには、取付部１１ａ及び引掛け部１２ａが設けられている。取付部１１ａは、引掛け部１２ａを端部２ａに固定的に取り付ける。引掛け部１２ａは、一つの辺を有さない四角い枠の形状を有している。そして、その辺の無い側で取付部１１ａに固定されている。枠の内側に相当する部分を、後述される第１結合部４のラッチ部４６の突出部４６ａに引っ掛かることが可能となっている。同様に、ストラップ２の他方の端部２ｂには、取付部１１ｂ及び引掛け部１２ｂが設けられている。取付部１１ｂは、引掛け部１２ｂを端部２ｂに固定的に取り付ける。引掛け部１２ｂは、一つの辺を有さない四角い枠の形状を有している。そして、その辺の無い側で取付部１１ｂに固定されている。枠の内側に相当する部分を、後述される第１結合部４のラッチ部４６の突出部４６ｂに引っ掛かることが可能となっている。取付部１１ａ、１１ｂ及び引掛け部１２ａ、１２ｂは、ラッチ部４６に引っ掛けるために用いる部材であるから引掛け部と考えることができる。
【００３８】
第１結合部４については、まず図９を参照して説明する。図９は、図２の結合分離システムの第１結合部の構成を示す概略分解図である。第１結合部４は、取付ブラケット４１と、軸受４２と、回転マス４３と、ラッチ部４６とを備えている。このうち、回転マス４３及びラッチ部４６は、軸受４２を用いて、取付ブラケット４１に回転軸Ｃを中心に回転可能に取り付けられている。
【００３９】
ラッチ部４６は、その上部に、突出部４６ａ及び補助部４６ｂと、突出部４６ｃ及び補助部４６ｄとを有している。突出部４６ａは補助部４６ｄと、及び、補助部４６ｂは突出部４６ｃと、それぞれ互いに背中合わせに設けられている。そして、突出部４６ａと突出部４６ｃとは、回転軸Ｃに対して対称な位置に設けられている。同様に、補助部４６ｂと補助部４６ｄとは、回転軸Ｃに対して対称な位置に設けられている。ストラップ２の引掛け部１２ａは、突出部４６ａと補助部４６ｂとで形成される断面がＵ字型の溝（以下Ｕ溝ともいう）に挿入され、突出部４６ａに引っ掛けられる。同様に、ストラップ２の引掛け部１２ｂは、突出部４６ｃと補助部４６ｄとで形成されるＵ溝に挿入され、突出部４６ｃに引っ掛けられる。これらのＵ溝は、溝の開口部が開いた状態にある。そのため、その溝内から開口部へ向かう方向（成分）の力を引掛け部１２ａ、１２ｂに付与すれば、それらをＵ溝から引き出すことができる。
【００４０】
ラッチ部４６は、その下部に軸部４４ａを有し、更にその下部に軸部４４ｂを有している。軸部４４ａは、回転マス４３の開口部４３ａと嵌合して、ラッチ部４６と回転マス４３とを固定的に結合している。ラッチ部４６の回転軸Ｃを中心とした回転を回転マス４３に伝達する。軸部４４ｂは、軸受４２に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持している。ラッチ部４６は、クランプバンド６の張力により引掛け部１２ａが突出部４６ａを一方向に、引掛け部１２ｂが突出部４６ｂを反対方向にそれぞれ引っ張ることで回転する。
【００４１】
回転マス４３は、略円板上の部材である。ラッチ部４６の軸部４４ａを開口部４３ａに挿入されて、ラッチ部４６と固定的に結合されている。回転マス４３は、ラッチ部４６と一体で回転する。回転マス４３は、ラッチ部４６の回転に際して、ラッチ部４６に慣性モーメント（Ｉ＝ＭＲ２／２：質量Ｍ、半径Ｒの場合）を付与する。それにより、ラッチ部４６の回転動作（回転状態）を制御する。例えば、慣性モーメントを大きくすればするほど、ラッチ部４６の静止状態から回転を開始するまでの時間を長くし、回転開始初期の速度やその上昇（加速度）を低くすることができる。回転動作を所望の状態に制御するためには、例えば、質量Ｍや密度ρや半径Ｒを変更することで行うことができる。また、所望の慣性モーメントを与えることができれば、リング形状のような他の形状であっても良い。回転マス４３の材料は、ステンレスのような金属が例示される。大きさを小さくしたい場合、Ｗ（タングステン）やＰｂ（鉛）のような高密度材料を用いることも可能である。
【００４２】
取付ブラケット４１は、第１結合部４の基部であり、ＰＡＦ構造３０の側面に固定されている。取付ブラケット４１は、上部表面に軸受４２を保持する開口部４１ａを有している。軸受４２は、その開口部４１ａに設けられている。軸受４２は、軸受部４２ａに軸部４４ｂを挿入され、回転マス４３及びラッチ部４６を一体的に回転可能に保持している。
【００４３】
ラッチ部４６と回転マス４３の回転は、軸部４４ａ、４４ｂや回転マス４３や軸受４２の中心を通る回転軸Ｃを中心として回転する。回転軸Ｃ（ｚ軸方向）は、クランプバンド６の周方向（ｘｙ面内方向）に対して垂直な方向である。すなわち、クランプバンド６が結合している時、クランプバンド６の周の上面を含む平面（ｘｙ平面）に対して垂直な方向（ｚ軸方向）である。回転軸Ｃがこのような方向を向くことで、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂがラッチ部４６を引っ張る方向と、回転マス４３の回転面とを同一面上とすることができる。それにより、ラッチ部４６の回転を、軸部４４ａを介して容易に回転マス４３の回転に変換することができる。
【００４４】
次に、図６〜図８を参照して、ラッチ部４６及び回転マス４３の回転は、上述した回転保持部８により制御される。回転保持部８は、取付部材１３と、回転マス保持部１４とを備えている。取付部材１３は、回転マス保持部１４をＰＡＦ構造２０の内側側面に取り付けている。回転マス保持部１４は、回転マス４３を回転しないように固定し、又はその固定を開放して回転可能にする。回転マス保持部１４は、ピンプラーに例示され、駆動部１４ａと、ピン１４ｂとを含む。駆動部１４ａは、ピン１４ｂを回転マス４３に開口された穴１５に挿入することで、回転マス４３を回転できないように固定する。また、駆動部１４ａは、ピン１４ｂを回転マス４３の穴１５から引き抜くことで、回転マス４３を回転可能にする。
【００４５】
回転マス４３が回転可能になると、クランプバンド６の張力により両端部２ａ、２ｂが互いに離れる方向へ移動しようとする。それに伴い、ラッチ部４６及び回転マス４３が回転し、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れて、クランプバンド６が緩む。クランプバンド６が緩むことにより、クランプバンド６が押え込んでいたＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０の歪応力がその緩んだ分だけ開放される。そして、その後、回転が進み、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂは最終的に分離して、クランプバンド６がバネ５に引っ張られて結合部分から離れる。クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが分離し、クランプバンド６が離れることにより、衛星側構造３０の歪応力が全て開放される。
【００４６】
このとき、回転マス４３の回転に伴ってクランプバンド６が緩むので、回転に要する時間の分だけ歪応力の開放に時間がかかる。このように、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０は一気に歪応力を開放するのではなく、時間をかけて応力を開放するので、歪応力の開放による振動や衝撃を大幅に抑制することができる。それにより、衛星分離の衝撃を低減することができる。なお、回転保持部８は、回転マス４３を回転不可能に保持し、回転可能にすることができれば、上記形態に限定されるものではない。例えば、上下から回転マス４３を挟んで固定して停止させる方法などが考えられる。
【００４７】
制御装置１６は、回転保持部８の動作を制御する。例えば、制御装置１３がタイマーの場合、制御装置１６は、予め設定された時刻まで、第１結合部４の回転マス４３が回転しないように、回転マス保持部１４のピン１４ｂを回転マス４３の開口部１５に挿入させておく。そして、予め設定された時刻になったら、回転マス保持部１４のピン１４ｂを開口部１５から引き抜き、第１結合部４の回転マス４３が回転可能にする。又は、制御装置１６が、マイクロコンピュータの場合、プログラム制御により、上記回転マス保持部１４のピン１４ｂの出し入れ動作を制御してもよい。更に、その制御に際して、外部の制御装置から他の制御信号を受けて、上記プログラム制御をおこなっても良い。更に、制御装置１６として、ロケット内に搭載された他の制御装置を兼用しても良い。
【００４８】
第１結合部４の回転マス４３の大きさ及び質量に関しては、例えば、以下のように決定される。まず、ラッチ部４６の静止状態から回転を開始するまでの時間や、回転開始初期の速度の上昇（加速度）をどの程度に設定するかを決定する。その後、その初期状態を実現する慣性モーメント（Ｉ＝ＭＲ２／２）を決定する。そのようにして決定された回転マス４３の一例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。図４において、クランプバンド６での締め付け時の荷重が３０ｋＮ、ＰＡＦ構造２０の直径φ０が１０００ｍｍの場合、例えば、回転マス４３の直径は２０ｃｍ程度、回転マス４３の質量は５ｋｇ程度、ＰＡＦ構造２０の質量は１００ｋｇ程度である。これは、回転保持部８から開放されて回転可能になってから、クランプバンド６の両端が離れるまで、数１０ｍｓｅｃ（１０ｍｓｅｃオーダー）にしたい場合である。この場合、従来の火工品を用いた場合（図１）である数ｍｓｅｃ（１ｍｓｅｃオーダー）と比較して、１０倍程度遅くすることができる。
【００４９】
また、ラッチ部４６において引掛け部１２ａ、１２ｂが突出部４６ａ、４６ｂに引っ掛けられたときの回転軸Ｃと引掛け部１２ａ、１２ｂとの距離（以下オフセットともいう）は、回転マス４３の半径よりも小さくなるように設定されている。これは、オフセットのサイズを小さくすると、回転開始の抵抗を相対的に大きくできるからである。そのようにすることで、回転マス４３の大きさを小さくしても、回転に要する時間を所望の値にすることができる。それにより、回転マス４３の省スペース化や低質量化を図ることができる。
【００５０】
図１０は、図４の結合分離システムの第１結合部及びその近傍の構成を示す概略斜視図である。
この図は、結合状態をわかりやすく示している。第１結合部４において、引掛け部１２ａは、ラッチ部４６の突出部４６ａに引っ掛けられ、突出部４６ａと補助部４６ｂとが成すＵ溝に嵌っている。同様に、引掛け部１２ｂは、ラッチ部４６の突出部４６ｃに引っ掛けられ、突出部４６ｃと補助部４６ｄとが成すＵ溝に嵌っている。この状態は、回転保持部８（この図において図示されず；図８を参照）が回転マス保持部１４のピン１４ｂを回転マス４３の穴１５に挿入することで保持されている。
【００５１】
次に、本発明の実施の形態に係る結合分離装置及び結合分離システムの動作（結合分離方法）について説明する。図１１は、本発明の実施の形態に係る結合分離システムの動作を示すフロー図である。図６及び図１２は、本発明の実施の形態に係る第１結合部及びその近傍の動作を示す概略平面図である。図１３Ａ〜図１３Ｂは、図１１の各段階における図４のＡ−Ａ断面を示す概略断面図である。
【００５２】
事前に、衛星側構造３０は、結合分離システムに取り付けられている。すなわち、衛星側構造３０は、クランプバンド６によりＰＡＦ構造２０に結合している（図４〜図８、図１０）。このとき、クランプバンド６の両端部２ａの引掛け部１２ａ、１２ｂは、ラッチ部４６に引っ掛けられている。回転マス保持部１４はピン１４ｂを回転マス４３の穴１５に挿入することで、回転マス４３を回転できないように固定している。その結果、回転マス４３に固定されたラッチ部４６も同様に、図５〜図８、図１０に示す位置に固定されている。この状態を示したのが、図６及び図１３Ａである。
【００５３】
取り付け方法は、ＰＡＦ構造２０上に衛星側構造３０を載置した後、ブロック３をその周囲に嵌め込み、ストラップ２を締め上げて、その両端部２ａ、２ｂの引掛け部１２ａ、１２ｂをラッチ部４６に引掛ける方法が考えられる。また、クランプバンド６の途中に、図４のように第２結合部７を設ける場合には、ＰＡＦ構造２０上に衛星側構造３０を載置した後、ブロック３をその周囲に嵌め込み、ストラップ２の第１結合部４の結合を完成し、しかる後に従来と同様にして第２結合部７を結合して、ボルト状部材を用いてクランプバンド６を締め上げる方法が考えられる。このとき、クランプバンド６はその自然長と比較して長く引き伸ばされており、その張力は、例えば、約３０ｋＮである。
【００５４】
このようにして結合分離装置１を用いてＰＡＦ構造２０に取り付けられている衛星側構造３０を分離するには、以下の分離シーケンスを用いる。
【００５５】
まず、制御装置１６は、衛星側構造３０を分離する時刻に達した段階で、回転保持部８の回転マス保持部１４をＯＮにする。回転マス保持部１４は、回転マス４３の穴１５からピン１４ａを引き抜く（ステップＳ０１）。それにより、回転マス４３が回転可能になる。その結果、回転マス４３に固定されたラッチ部４６も回転可能になる。
【００５６】
ラッチ部４６が回転可能になると、締め上げられていたクランプバンド６の張力により両端部２ａ、２ｂが互いに離れる方向へ移動しようとする。すなわち、引掛け部１２ａ、１２ｂが互いに反対の方向に離れようとする。その離れることに伴い、突出部４６ａ、４６ｂが互いに反対方向に引っ張られることにより、ラッチ部４６が回転し始める（ステップＳ０２）。ラッチ部４６は回転マス４３と一体であり、回転マス４３はラッチ部４６よりも大きさが大きく且つ質量が大きい。そのため、ラッチ部４６の回転（回転の速度や加速度）は回転マス４３の慣性モーメントで概ね決定されることになる。したがって、例えば、慣性モーメントを相対的に大きくしておけば、回転マス４３の回転を相対的に緩やかにすることができる。それにより、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れる速度を相対的に遅くすることができる。ラッチ部４６の回転によりクランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが離れて、クランプバンド６の周方向の長さが、実質的に延伸したようになる。このようにしてクランプバンド６が緩み、その締め付け力が弱まることで、クランプバンド６が少し外側に移動できるので、ＰＡＦ構造２０及び衛星側構造３０は位置Ｐ０から位置Ｐ１へ少し外側に広がることができる。それにより、クランプバンド６が押え込んでいた衛星側構造３０の歪応力がその緩んだ分だけ開放される。その状態を示したのが、図１２及び図１３Ｂである。
【００５７】
そして、その後、ラッチ部４６の回転が進むと、ラッチ部４６のＵ溝はクランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの移動方向へその開口部を向けることになる。その結果、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂはＵ溝から最終的に飛び出し、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの結合が分離する。そして、クランプバンド６は、バネ５に引っ張られて衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０との結合部分から離れる。クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂが分離し、クランプバンド６が離れることにより、衛星側構造３０は何の拘束受けなくなる。その結果、衛星側構造３０の歪応力は全て開放される（ステップＳ０３）。それにより、衛星側構造３０とＰＡＦ構造２０との結合が開放される（分離する）。
【００５８】
以上のような結合分離システムの動作により、衛星が分離される。
【００５９】
本実施の形態では、クランプバンド６により結合部分に付与されている締め付け力を、従来の場合と比較して時間をかけて緩やかに開放する機構が設けられている。この機構では、クランプバンド６の両端部２ａ、２ｂの結合を分離するとき、両端部２ａ、２ｂが第１結合部４から離れようとする運動を、回転マス４３の回転運度で制御している。両端部２ａ、２ｂにはクランプバンド６の張力がかかっている。その張力を瞬時に開放するのではなく、その張力に回転マス４３を回転させる仕事をさせることで、張力の開放に回転マス４３の慣性モーメントに対応した時間がかかるようにしている。それにより、クランプバンド６の締め付け力を従来の場合と比較して時間をかけて緩やかに開放することができる。その結果、締め付け力開放による衝撃を大幅に低減することが可能となる。
【００６０】
また、本実施の形態では、第１結合部４として、ラッチ部４６の回転で結合及び解除を行う構成という、火工品以外の構成（火薬を使用していない部材）を用いることができる。それにより、火工品による衝撃を緩和することも可能である。火工品を使用しない場合、運用制約が無くなる。加えて、再利用が可能なため、実際の使用の前に、現物で試験をすることが可能となる。
【００６１】
更に、本実施の形態では、衛星側構造３０やＰＡＦ構造２０の構造、すなわち衛星とロケットとのインターフェースをこれまでと同じにすることができる。そのため、衛星から見て他のロケットと互換性を維持することができる。
【００６２】
なお、上記実施の形態では、回転マス４３の片側に軸受４２を有する第１結合部４を用いている。しかし、本発明はこの例に限定されるものではなく、回転マス４３の両側に軸受を有する第１結合部４を有していても良い。その例を示しているのが、図１４及び図１５である。以下にその例について説明する。
【００６３】
図１４は、図４の結合分離システムの第１結合部の変形例及びその近傍の構成を示す概略右側面図である。図１５は、図１４の結合分離システムの第１結合部の変形例の構成を示す概略分解図である。第１結合部４は、取付ブラケット４１と、軸受４２と、回転マス４３と、上部取付ブラケット４８と、上部軸受４７と、ラッチ部４６とを備えている。
【００６４】
ラッチ部４６は、その上部に、突出部４６ａ及び補助部４６ｂと、突出部４６ｃ及び補助部４６ｄとを有している。これらの構成は、図９の場合と同様である。また、ラッチ部４６は、その下部に、軸部４４ｃ、４４ａ、４４ｂを有している。軸部４４ｃは、上部軸受４７に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持する。軸部４４ａは、回転マス４３の開口部４３ａと嵌合して、ラッチ部４６と回転マス４３とを固定的に結合する。回転マス４３の回転をラッチ部４６に伝達する。軸部４４ｂは、軸受４２に挿入され、ラッチ部４６及び回転マス４３を回転可能に保持する。
【００６５】
上部取付ブラケット４８は、回転マス４３とラッチ部４６の上部との間に設けられ、ＰＡＦ構造３０の側面に固定されている。上部取付ブラケット４８は、上部軸受４７を保持するための貫通する開口部４８ａを有している。軸受４７は、その開口部４８ａに設けられ、軸受部４７ａに軸部４４ｃを挿入され、回転マス４３及びラッチ部４６を一体的に回転可能に保持する。
【００６６】
なお、取付ブラケット４１、軸受４２、及び回転マス４３の構成は、図９の場合と同様であるので、その説明を省略する。
【００６７】
ラッチ部４６と回転マス４３の回転は、軸部４４や回転マス４３や軸受４２の中心を通る軸（回転軸）Ｃを中心として、回転する。回転軸Ｃ（ｚ軸方向）は、クランプバンド６の周方向（ｘｙ面内方向）に対して垂直な方向である。すなわち、クランプバンド６が結合している時、クランプバンド６の周の上面を含む平面（ｘｙ平面）に対して垂直な方向（ｚ軸方向）である。
【００６８】
この場合にも、図５〜図８の場合と同様の効果を得ることができる。
更に、この場合、軸受４２に加えて、大きな力がかかるラッチ部４６上部の近傍に軸受４７を設けている。このように、ラッチ部４６上部の近傍にも軸受４７を設け、回転マス４３の両側で軸部を支持しているので、ラッチ部４６から離れた軸受４２だけで軸部を支える図５〜図８の場合と比較して、ラッチ部４６及び回転マス４３の回転を安定的に行うことができる。
【００６９】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。
【符号の説明】
【００７０】
１、１０１ 結合分離装置
２、１０２ ストラップ
２ａ、２ｂ、１０２ａ 端部
３、１０３ ブロック
３ａ 凹部
４、１０４ （第１）結合部
５、１０５ バネ
６、１０６ クランプバンド
７ 第２結合部
８ 回転保持部
１１ａ、１１ｂ 取付部
１２ａ、１２ｂ 引掛け部
１３ 取付部材
１４ 回転マス保持部
１４ａ 駆動部
１４ｂ ピン
１５ 穴
１６ 制御装置
２０、１２０ ＰＡＦ構造
２０ａ 端部
３０、１３０ 衛星側構造
３０ａ 端部
４１ 取付ブラケット
４１ａ 開口部
４２ 軸受
４２ａ 軸受部
４３ 回転マス
４３ａ 開口部
４４ａ、４４ｂ、４４ｃ 軸部
４６ ラッチ部
４６ａ、４６ｃ 突出部
４６ｂ、４６ｄ 補助部
４８ 上部取付ラケット
４８ａ 開口部
４７ 上部軸受
４７ａ 軸受部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体の載置部材と前記載置部材に載置された構造物とを係合するクランプバンドと、
前記クランプバンドの両端部を結合又は分離する第１結合部と
を具備し、
前記第１結合部は、
前記クランプバンドの周方向に対して垂直な方向を軸として回転可能な回転部と、
前記回転部を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部と
を備え、
前記両端部を結合するとき、前記両端部は互いに逆方向から前記回転部に係合され、前記回転保持部は前記回転部を回転不可能にし、
前記両端部を分離するとき、前記回転保持部は前記回転部を回転可能にし、前記両端部は前記回転部の回転で前記回転部から脱離する
結合分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の結合分離装置において、
前記回転部は、
前記両端部が係合するラッチ部と、
前記ラッチ部と共に前記軸を中心に回転する回転体とを含み、
前記回転体の慣性モーメントにより、前記回転部の回転動作が制御される
結合分離装置。
【請求項３】
請求項２に記載の結合分離装置において、
前記ラッチ部における前記両端部の各々の係合する位置は、前記軸に対して対称な位置である
結合分離装置。
【請求項４】
請求項３に記載の結合分離装置において、
前記両端部の各々の係合する位置と前記軸との距離は、前記回転体の半径よりも小さい
結合分離装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記クランプバンドの途中の部分を結合又は分離する第２結合部を更に具備する
結合分離装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記第２結合部は、前記クランプバンドにおける前記第１結合部と同一構造である
結合分離装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記回転部は、その上側及び下側のうちの少なくとも一方に前記軸用の軸受を有する
結合分離装置。
【請求項８】
請求項２に記載の結合分離装置において、
前記回転体は、開口部を有し、
前記回転保持部は、
ピンと、
前記ピンを前記開口部に出し入れする駆動部と
を備え、
前記開口部にピンを入れることで、前記回転体の回転を不可能にし、
前記開口部から前記ピンを抜くことで、前記回転体の回転を可能にする
結合分離装置。
【請求項９】
飛翔体に搭載され、構造物を載置する載置部材と、
載置される前記構造物を前記載置部材に結合し又は分離する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の結合分離装置と
を具備し、
前記第１結合部は、前記載置部材に取り付けられる
結合分離システム。
【請求項１０】
飛翔体に構造物を結合し又は分離する結合分離システムを用いた結合分離方法であって、
前記結合分離システムは、
前記飛翔体に搭載され、前記構造物を載置する載置部材と、
載置される前記構造物を前記載置部材に結合し又は分離する結合分離装置と
を具備し、
前記結合分離装置は、
前記載置部材と前記構造物とを係合するクランプバンドと、
前記クランプバンドの両端部を結合又は分離する第１結合部と
を備え、
前記第１結合部は、
前記クランプバンドの周方向に対して垂直な方向を軸として回転可能な回転部と、
前記回転部を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部と
を備え、
前記第１結合部は、前記載置部材に取り付けられ、
前記両端部を結合するとき、前記回転保持部は前記回転部を回転不可能にし、前記両端部は互いに逆方向から前記回転部に係合され、
前記結合分離方法は、
前記クランプバンドの両端部を分離するとき、前記回転保持部により前記回転部を回転可能にするステップと、
前記クランプバンドの張力で前記両端部を互いに逆方向に引っ張ることにより前記回転部を回転させるステップと、
前記両端部が前記回転部から脱離するステップと
を具備する
結合分離方法。
【請求項１】
飛翔体の載置部材と前記載置部材に載置された構造物とを係合するクランプバンドと、
前記クランプバンドの両端部を結合又は分離する第１結合部と
を具備し、
前記第１結合部は、
前記クランプバンドの周方向に対して垂直な方向を軸として回転可能な回転部と、
前記回転部を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部と
を備え、
前記両端部を結合するとき、前記両端部は互いに逆方向から前記回転部に係合され、前記回転保持部は前記回転部を回転不可能にし、
前記両端部を分離するとき、前記回転保持部は前記回転部を回転可能にし、前記両端部は前記回転部の回転で前記回転部から脱離する
結合分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の結合分離装置において、
前記回転部は、
前記両端部が係合するラッチ部と、
前記ラッチ部と共に前記軸を中心に回転する回転体とを含み、
前記回転体の慣性モーメントにより、前記回転部の回転動作が制御される
結合分離装置。
【請求項３】
請求項２に記載の結合分離装置において、
前記ラッチ部における前記両端部の各々の係合する位置は、前記軸に対して対称な位置である
結合分離装置。
【請求項４】
請求項３に記載の結合分離装置において、
前記両端部の各々の係合する位置と前記軸との距離は、前記回転体の半径よりも小さい
結合分離装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記クランプバンドの途中の部分を結合又は分離する第２結合部を更に具備する
結合分離装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記第２結合部は、前記クランプバンドにおける前記第１結合部と同一構造である
結合分離装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の結合分離装置において、
前記回転部は、その上側及び下側のうちの少なくとも一方に前記軸用の軸受を有する
結合分離装置。
【請求項８】
請求項２に記載の結合分離装置において、
前記回転体は、開口部を有し、
前記回転保持部は、
ピンと、
前記ピンを前記開口部に出し入れする駆動部と
を備え、
前記開口部にピンを入れることで、前記回転体の回転を不可能にし、
前記開口部から前記ピンを抜くことで、前記回転体の回転を可能にする
結合分離装置。
【請求項９】
飛翔体に搭載され、構造物を載置する載置部材と、
載置される前記構造物を前記載置部材に結合し又は分離する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の結合分離装置と
を具備し、
前記第１結合部は、前記載置部材に取り付けられる
結合分離システム。
【請求項１０】
飛翔体に構造物を結合し又は分離する結合分離システムを用いた結合分離方法であって、
前記結合分離システムは、
前記飛翔体に搭載され、前記構造物を載置する載置部材と、
載置される前記構造物を前記載置部材に結合し又は分離する結合分離装置と
を具備し、
前記結合分離装置は、
前記載置部材と前記構造物とを係合するクランプバンドと、
前記クランプバンドの両端部を結合又は分離する第１結合部と
を備え、
前記第１結合部は、
前記クランプバンドの周方向に対して垂直な方向を軸として回転可能な回転部と、
前記回転部を回転不可能にし、又は回転可能にする回転保持部と
を備え、
前記第１結合部は、前記載置部材に取り付けられ、
前記両端部を結合するとき、前記回転保持部は前記回転部を回転不可能にし、前記両端部は互いに逆方向から前記回転部に係合され、
前記結合分離方法は、
前記クランプバンドの両端部を分離するとき、前記回転保持部により前記回転部を回転可能にするステップと、
前記クランプバンドの張力で前記両端部を互いに逆方向に引っ張ることにより前記回転部を回転させるステップと、
前記両端部が前記回転部から脱離するステップと
を具備する
結合分離方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１６８１７６（Ｐ２０１１−１６８１７６Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３３９７１（Ｐ２０１０−３３９７１）
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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