JP6637260B2

JP6637260B2 - 人工衛星の分離装置

Info

Publication number: JP6637260B2
Application number: JP2015125465A
Authority: JP
Inventors: 達也兼近
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: JP2017007529A

Description

本発明は、ロケットのフェアリング内に搭載した上段の第１衛星及び下段の第２衛星を上段から順次分離するのに用いられる人工衛星の分離装置に関するものである。

従来の人工衛星の分離装置としては、例えば、複数人工衛星搭載機構の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の分離装置は、ロケットのフェアリング内に上段の第１衛星と下段の第２衛星とを搭載したものである。フェアリングは、第１衛星を収容する上部フェアリングと、第２衛星を収容する下部フェアリングとに分割されており、その中間には、第１衛星と第２衛星との間を仕切るアダプタが設けてある。アダプタは、下部フェアリングの上部にヒンジを介して結合してあり、第１衛星の搭載用台座として用いられる。

また、上記の分離装置は、第１衛星とアダプタとの間に、第１衛星の第１分離機構を備えると共に、第２衛星とロケット最上段との間に、第２衛星の第２分離機構を備え、さらに、上部及び下部のフェアリングの間にフェアリング分離機構を備えると共に、下部フェアリングに、アダプタをロケット外側に回動させるアダプタ駆動機構を備えている。この分離装置は、フェアリング分離機構により上部フェアリングを分離した後、第１分離機構により第１衛星を分離し、その後、アダプタ駆動機構によりアダプタをロケット外側に回動させ、最終的に、第２分離機構により第２衛星を分離する。

特開平８−１６４８９９号公報

ところが、上記したような従来の人工衛星の分離装置は、下部フェアリングにアダプタを結合することで、軌道上の障害になり得るデブリ（宇宙ごみ）の発生を防ぐものであるが、第１及び第２の分離機構、並びにフェアリング分離機構及びアダプタ駆動機構を備えた構成であったため、構造及び制御が複雑であると共に、重量軽減が難しいという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、構造及び制御の簡略化や軽量化を実現することができると共に、デブリの発生も防ぐことができる人工衛星の分離装置を提供することを目的としている。

本発明に係わる人工衛星の分離装置は、ロケットのフェアリング内に搭載した上段の第１衛星及び下段の第２衛星を上段から順次分離する装置であって、下段分離機構により第２衛星を分離可能に搭載した衛星基台と、衛星基台において第２衛星の周囲に配置され且つ第１衛星を支持する複数の支持体とを備えている。そして、分離装置において、各支持体は、その下端部が、衛星基台に対してロケット内外方向に回動自在に連結してあると共に、その上端部に第１衛星を分離可能に結合する上段分離機構と、上段分離機構の分離動作に伴って当該支持体をロケット外側に回動させる展開用スプリングとを備えると共に、展開用スプリングの反発力に抗した状態で、上段分離機構により拘束されて第１衛星を支持する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる人工衛星の分離装置は、フェアリングを開放すると、各支持体により支持された第１衛星が宇宙空間に曝露状態になる。そして、分離装置は、各支持体に備えた上段分離機構により第１衛星を分離すると、その分離動作に伴って、展開用スプリングの作用により各支持体がロケット外側へ自動的に回動し、第２衛星を宇宙空間に曝露状態にする。その後、分離装置は、下段分離機構により第２衛星の分離を行うこととなる。

このように、本発明に係わる人工衛星の分離装置は、各支持体が、第１衛星の支持機能及び分離機能を兼ね備えたものとなっており、第１衛星の分離後には、展開用スプリングだけの簡易な構造により各支持体が自動的に回動するので、構造及び制御の簡略化や軽量化を実現することができ、しかも、各支持体が衛星基台から分離することがないので、デブリの発生も防ぐことができる。

本発明に係わる人工衛星の分離装置の一実施形態を説明する拡大図付きのロケットの側面図である。分離装置の分離前の状態を示す断面説明図である。片側を省略して第１衛星の分離を示す断面説明図（Ａ）、第１衛星の分離後の状態を示す断面説明図（Ｂ）、及び第２衛星の分離を示す断面説明図（Ｃ）である。

以下、図面に基づいて、本発明に係わる人工衛星の分離装置の一実施形態を説明する。
図１に示すロケットＲは、頭部にフェアリングＦを備えており、フェアリングＦ内に、人工衛星の分離装置とともに上段の第１衛星Ｓ１及び下段の第２衛星Ｓ２が搭載してある。分離装置は、上段の第１衛星Ｓ１及び下段の第２衛星Ｓ２を上段から順次分離する装置である。フェアリングＦは、例えば開頭式に開放可能である。

人工衛星の分離装置は、概略として、下段分離機構Ｊ２により第２衛星Ｓ２を分離可能に搭載した衛星基台１と、衛星基台１において第２衛星Ｓ２の周囲に配置され且つ第１衛星Ｓ１を支持する複数の支持体２とを備えている。

下段分離機構Ｊ２は、図示を省略したが、例えば、衛星基台１と第２衛星Ｓ２とを分離可能に連結するセパレーションナットや、第２衛星Ｓ２に分離力を付与する分離用スプリングなどで構成してある。衛星基台１は、ロケットＲの最上段に固定してある。

この実施形態の支持体２は、上端部を頂点とするトラス構造を有するもので、機軸回りに等間隔で配置してあり、図示例の場合は、９０度間隔で４カ所に配置してある。各支持体２は、図２に示すように、その下端部が、ヒンジ３により、衛星基台１に対してロケット内外方向に回動自在に連結してある。なお、図２では、手前中央の支持体の図示を省略している。

また、各支持体２は、その上端部に第１衛星Ｓ１を分離可能に結合する上段分離機構Ｊ１と、上段分離機構Ｊ１の分離動作に伴って当該支持体２をロケット外側に回動させる展開用スプリング４とを備えている。展開用スプリング４は、ヒンジ３に取り付けたねじりコイルばねであり、支持体２に対してロケット外側方向への反発力を付与する。

さらに、上段分離機構Ｊ１は、各支持体２と第１衛星Ｓ１とを結合する結合手段５と、第１衛星Ｓ１に頭部６Ａを当接させた分離用ロッド６と、結合手段５の結合解除に伴って分離用ロッド６を介して第１衛星Ｓ１に分離力を付与する分離用スプリング７とを備えている。

より具体的には、各支持体２は、上端部からロケット内側に延出するガイド片８と、ガイド片８よりも下位側の位置でロケット内側に延出する支持片９と、上端部からロケット外側に突出する結合用フランジ１０とを有している。これに対して、第１衛星Ｓ１の下端部には、支持体２における結合用フランジ１０の上面に当接する結合用フランジ１１を有している。

上記支持体２に対して、結合手段５は、周知の分離バンドであって、金属製のバンド５Ａの片面に、上下に当接させた結合用フランジ１０，１１に係合する適数のコマ５Ｂを設けたものである。この結合手段５は、各支持体２の上端部を通る円周の約半分の長さを有するものを２本備えていて、それらの端部同士をボルトやセパレーションナット等の連結具で連結して全周を緊締し、各支持体２と第１衛星Ｓ１を分離可能に結合する。なお、連結具としてボルトを用いた場合には、ボルトカッタが装着される。

分離用ロッド６は、支持体２のガイド片８及び支持片９を上下動自在に貫通し、上端側となる頭部６Ａを第１衛星Ｓ１の下部に当接させている。分離用スプリング７は、圧縮コイルばねであって、分離用ロッド６の外側に装着してあり、ガイド片８を上下に貫通した状態で、分離用ロッド６の頭部６Ａと支持片９との間に介装されている。なお、分離用ロッド６は、上限位置を規制する部分を設けることで、支持体２から離脱しない構成にしても良く、これにより分離用スプリング７の離脱も防止できる。

さらに、分離装置は、衛星基台１に、分離用スプリング７を圧縮した状態において分離用ロッド６により上方向の移動が規制された支持体拘束用のストッパ１２と、ストッパ１２に上方向の力を付与する移動用スプリング１３とを備えると共に、支持体２に、ストッパ１２と係合し且つストッパ１２の上限位置で係合を解除するストッパ受け部１４を備えている。

ストッパ１２は、逆Ｌ字形の部材であり、先述した分離用ロッド６の下側において、上部の水平辺１２Ａをロケット外側に向けた状態にして、衛星基台１に上下動自在に取り付けてある。ストッパ１２は、水平辺１２Ａの先端に、横方向（図２の紙面垂直方向）に突出した係合部１２Ｂを有している。そして、ストッパ１２は、分離用ロッド６に対して、垂直辺１２Ｃが同軸線上となるように配置してあると共に、垂直辺１２Ｃの外側に、移動用スプリング１３が装着してある。また、移動用スプリング１３は、圧縮コイルばねであって、ストッパ１２の水平辺１２Ａと衛星基台１側に設けたばね座１５との間に介装されている。なお、ストッパ１２は、分離用ロッド６と同様に、上限位置を規制する部分を設けることで、衛星基台１から離脱しない構成にしても良く、これにより移動用スプリング１３の離脱も防止できる。

他方、ストッパ受け部１４は、支持体２の下端部近傍に形成した逆Ｌ字形のスリット若しくは溝であって、ストッパ１２の係合部１２Ｂが摺動自在に係合する幅寸法を有し、上部の水平辺１４Ａがロケット内側に開放されている。これにより、ストッパ受け部１４は、垂直辺１４Ｂにおいて、ストッパ１２の係合部１２Ｂと係合すると共に、ロケット内側に開放された水平辺１４Ａにおいて、ストッパ１２の上限位置で係合部１２Ｂとの係合を解除するものとなっている。

上記構成を備えた人工衛星の分離装置は、図２に示すように、第１衛星Ｓ１及び第２衛星Ｓ２を搭載した状態では、分離用ロッド６が下降限に位置して、頭部６Ａと支持片９との間で分離用スプリング７を圧縮している。また、分離用ロッド６の下端部にストッパ１２の上端部が当接し、これにより、ストッパ１２が下降限に規制されて、水平辺１２Ａとばね座１５との間で移動用スプリング１３を圧縮している。さらに、分離装置は、ストッパ１２の係合部１２Ｂとストッパ受け部１４の垂直辺１４Ｂとが係合している。

この際、各支持体２は、展開用スプリング４の反発力に抗した状態で起立し、上段分離機構Ｊ１の結合手段５、及びストッパ１２とストッパ受け部１４との係合により拘束されて、第１衛星Ｓ１を充分な強度で支持している。

上記の分離装置は、フェアリングＦを開放すると、各支持体２により支持された第１衛星Ｓ１が宇宙空間に曝露状態になり、この状態で上段分離機構Ｊ１を作動させて第１衛星Ｓ１を分離する。この際、上段分離機構Ｊ１は、図３（Ａ）に示すように、連結具を解除して結合手段（分離バンド）５を分離することで、第１衛星Ｓ１と各支持体２との結合を解除し、それまで圧縮されていた分離用スプリング７の作用により、分離用ロッド６を介して第１衛星Ｓ１を分離させる。

続いて、分離装置は、図３（Ｂ）に示すように、第１衛星Ｓ１の分離動作に伴って、展開用スプリング４の作用により各支持体２がロケット外側へ自動的に回動し、第２衛星Ｓ２を宇宙空間に曝露状態にする。

すなわち、分離装置は、分離用スプリング７により分離用ロッド６が上昇すると、それまで圧縮されていた移動用スプリング１３の作用により、分離用ロッド６に連動してストッパ１２が上昇する。この間、ストッパ１２は、係合部１２Ｂがストッパ受け部１４の垂直辺１４Ｂを上昇し、係合部１２Ｂが上限位置である水平辺１４Ａに達すると、ストッパ受け部１４との係合が解除される。

つまり、ストッパ受け部１４は、水平辺１４Ａがロケット内側に開放されているので、この水平辺１４Ａにおいて、ストッパ１２の係合部１２Ｂがロケット内側へ離脱可能となる。また、各支持体２は、展開用スプリング４の反発力が付与されているので、ストッパ１２とストッパ受け部１４との係合解除に伴って、ロケット外側に自動的に回動する。

これにより、分離装置は、第１衛星Ｓ１の分離後に、全ての支持体２がロケット外側に自動的に展開することとなり、第２衛星Ｓ２を宇宙空間に曝露状態にする。このように、分離装置は、各支持体２をロケット外側に回動させることで、第２衛星Ｓ２の周囲を空間のみにし、確実な分離を実施できる環境にする。その後、分離装置は、図３（Ｃ）に示すように、下段分離機構Ｊ２を作動させて第２衛星Ｓ２を分離する。なお、図３（Ｃ）には、下段分離機構Ｊ２の一構成としての分離用スプリング１６及び分離用ロッド１７を示している。

なお、第１及び第２の衛星Ｓ１，Ｓ２の分離過程では、衛星基台１を含むロケット最上段の姿勢制御が行われることがあり、分離後には、軌道上の障害にならないようにロケット最上段の処理（軌道変更など）が行われる。

上記実施形態の人工衛星の分離装置は、各支持体が、第１衛星の支持機能と分離機能とを兼ね備えたものとなっており、上下の人工衛星の間にアダプタを備えた従来の分離装置に比べて、アダプタやその駆動機構が不要であるから、部品点数を大幅に削減することができる。しかも、分離装置は、第１衛星Ｓ１の分離後には、展開用スプリング４だけの簡易な構造により各支持体２が自動的に回動し、各支持体２が衛星基台１から分離することもない。これにより、分離装置は、構造及び制御の簡略化や軽量化を実現することができると共に、軌道上の障害になるデブリの発生も防ぐことができる。

また、上記の分離装置は、結合手段５、分離用ロッド６、及び分離用スプリング７を備えた上段分離機構Ｊ１を採用し、衛星基台１に、移動用スプリング１３により分離用ロッド６に連動する支持体拘束用のストッパ１２を備えると共に、支持体２に、ストッパ１２と係合し且つその上限位置で係合を解除するストッパ受け部１４を備えたことから、第１衛星Ｓ１を完全に分離した後に支持体２が回動することとなり、第１衛星Ｓ１の分離と支持体２の回動とをより確実に行うことができる。

なお、本発明に係わる人工衛星の分離装置は、ストッパ１２及びストッパ受け部１４を用いない構成であっても、第１衛星Ｓ１の分離と支持体２の回動を行うことが充分に可能であり、一例として、第１衛星Ｓ１又は支持体２に分離用の案内手段を設けることも可能である。ただし、分離装置は、上記のストッパ１２及びストッパ受け部１４を採用すれば、極めて簡単な構造としたうえで、第１衛星Ｓ１の分離と、これに続く支持体２の回動を確実に且つ円滑に行うことができる。

本発明に係わる人工衛星の分離装置は、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成を変更することが可能である。例えば、上段及び下段の分離機構や、上段分離機構の結合手段には、火工品を含む各種の結合分離装置を採用することができ、また、支持体にあっても、形状や数を変更することが当然可能である。

１衛星基台
２支持体
４展開用スプリング
５結合手段（上段分離機構）
６分離用ロッド（上段分離機構）
７分離用スプリング（上段分離機構）
１２ストッパ
１３移動用スプリング
１４ストッパ受け部
Ｆフェアリング
Ｊ１上段分離機構
Ｊ２下段分離機構
Ｒロケット
Ｓ１第１衛星
Ｓ２第２衛星

Claims

ロケットのフェアリング内に搭載した上段の第１衛星及び下段の第２衛星を上段から順次分離する装置であって、
下段分離機構により第２衛星を分離可能に搭載した衛星基台と、
衛星基台において第２衛星の周囲に配置され且つ第１衛星を支持する複数の支持体とを備え、
各支持体は、その下端部が、衛星基台に対してロケット内外方向に回動自在に連結してあると共に、その上端部に第１衛星を分離可能に結合する上段分離機構と、上段分離機構の分離動作に伴って当該支持体をロケット外側に回動させる展開用スプリングとを備えると共に、展開用スプリングの反発力に抗した状態で、上段分離機構により拘束されて第１衛星を支持することを特徴とする人工衛星の分離装置。
上段分離機構が、各支持体と第１衛星とを結合する結合手段と、第１衛星に頭部を当接させた分離用ロッドと、結合手段の解除に伴って分離用ロッドを介して第１衛星に分離力を付与する分離用スプリングとを備えており、
衛星基台に、分離用スプリングを圧縮した状態において分離用ロッドにより上方向の移動が規制された支持体拘束用のストッパと、ストッパに上方向の力を付与する移動用スプリングとを備えると共に、
支持体に、ストッパと係合し且つストッパの上限位置で係合を解除するストッパ受け部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の人工衛星の分離装置。