JP2012131410A - アダプタおよびペイロード打ち上げ用ロケット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造でペイロードに入力される振動を低減することが可能なアダプタおよびペイロード打ち上げ用ロケットを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るアダプタ１は、ペイロード打ち上げ用ロケットに収容されるペイロードの振動を抑制する、ペイロードとロケット部の間に設けられたアダプタ１であって、外筒１１と内筒１２を有する二重構造の筒部材と、筒部材の一端で外筒１１と内筒１２に結合した第１の弾性部材２１と、筒部材の他端で外筒と内筒に結合した第２の弾性部材２２とを備え、筒部材の一端側の内筒側または外筒側でペイロードと連結し、筒部材の他端側の外筒側または内筒側でロケット部の先端と連結する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ペイロードとロケット部の間に設置されるアダプタ、および該アダプタが設けられたペイロード打ち上げ用ロケットに関するものである。

ペイロード打ち上げ用ロケットは、燃料部やロケットエンジンからなるロケット部の先端側に、人工衛星、探査機などのペイロードが搭載される。打ち上げ用ロケットの飛行中、ペイロードに入力される振動を低減するため、ペイロードとロケット部の間に緩衝体などが設置される。

特許文献１では、打ち上げ用ロケットに搭載される、ダンパを備える荷重振動絶縁に関する技術が開示されている。また、特許文献２では、ロケット機軸方向の振動とペイロードのロッキングを防止する緩衝シリンダ装置を備える制振機構に関する技術が開示されている。さらに、特許文献３では、ロケット機軸方向の振動を緩衝する緩衝体と、ペイロードのロッキングを防止するトーションバーを備える制振機構に関する技術が開示されている。

特表２００１−５０９８６６号公報（図２ａ、図２ｂ、図３） 特開２０００−２８９６９７号公報（図１、図２） 特開２０００−２８９６９９号公報（図１、図２）

ロケットの振動荷重は、ロケット機軸方向が主であり、ペイロードとロケット部の間に剛性の低いばねを配置することで、高周波の振動伝達を抑えることができる。但し、ペイロードは上端がロケットに固定されず、下端のみが緩衝体などのばねに固定されるため、ペイロードはロッキング運動が大きくなるという問題がある。そこで、特許文献１では、複数のダンパを組み合わせることによって、並進運動と回転運動を減衰させている。また、特許文献２では、鉛直シリンダと、鉛直シリンダに接続された水平シリンダからなる緩衝シリンダ装置を備えることで、ロケット機軸方向の振動とペイロードのロッキングを同時に抑制している。さらに、特許文献３では、機軸方向に剛性の低い積層ゴムを配置すると共に、トーションバーを配置することで、ペイロードのロッキング運動を抑えることを可能にしている。

しかし、特許文献１〜３の制振機構は、構成部品が多く複雑であり、打ち上げ用ロケットの重量が増加するという問題がある。また、この制振機構は、各部品のコストや組み立てコスト、製品管理に必要なコストが高価である。さらに、複雑な機構であることから、制振機構全体の信頼性を確保することが困難である。すなわち、制振機構を構成する積層ゴムやリンク機構の動特性の非線形性、温度特性、組立公差などのばらつきなど複数の要因があるため、安定した品質を確保しづらいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構造でペイロードに入力される振動を低減することが可能なアダプタおよびペイロード打ち上げ用ロケットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアダプタおよびペイロード打ち上げ用ロケットは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るアダプタは、ペイロード打ち上げ用ロケットに収容されるペイロードの振動を抑制する、ペイロードとロケット部の間に設けられたアダプタであって、外筒と内筒を有する二重構造の筒部材と、筒部材の一端で外筒と内筒に結合した第１の弾性部材と、筒部材の他端で外筒と内筒に結合した第２の弾性部材とを備え、筒部材の一端側の内筒側または外筒側でペイロードと連結し、筒部材の他端側の外筒側または内筒側でロケット部の先端と連結する。

本発明によれば、筒部材は、一端で第１の弾性部材と結合し他端で第２の弾性部材と結合しつつ、筒部材の一端の内筒側（又は外筒側）において人工衛星などのペイロードと連結し、筒部材の他端の外筒側に（又は内筒側）おいてロケット部先端と連結する。そして、ロケット機軸方向の振動荷重が入力されたとき、第１の弾性部材と第２の弾性部材が機軸方向に曲げ変形して、ペイロードの機軸方向の振動を抑制し、ロッキング振動が入力されたとき、第１の弾性部材と第２の弾性部材が軸力方向の剛性で抵抗してペイロードのロッキング振動を抑制する。筒部材は円錐台形状でもよいし円柱形状でもよく、また平面が円形状に限られず、四角などの多角形状を有する多角錐台形状また多角柱形状でもよい。

上記発明において、第１の弾性部材または第２の弾性部材は、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きいことが望ましい。

本発明によれば、第１の弾性部材または第２の弾性部材は、曲げ剛性が低く、引張剛性および圧縮剛性が高くなり、ロケット機軸方向の振動に対しては曲げ変形で柔らかく振動を抑制し、ロッキング振動に対しては軸力方向に剛となり振動を抑制する。第１の弾性部材または第２の弾性部材は、例えば内筒と外筒に結合したリング形状の板ばね、または内筒と外筒に結合し上部または下部から見たとき放射状に設けられた複数の棒状部材でもよい。

上記発明において、第１の弾性部材または第２の弾性部材に沿って第１の減衰部材が設けられてもよい。

本発明によれば、第１の減衰部材によって、ペイロードに入力されたロケット機軸方向の振動やロッキング振動を効率良く減衰させることができる。第１の減衰部材は、例えば、第１の弾性部材または第２の弾性部材が板ばねであるとき、板ばねに貼付された粘弾性部材である。粘弾性部材は拘束材と板ばねに挟まれるように設置されてもよい。拘束材は板ばねよりも変形が小さい部材とすることで粘弾性部材を更にひずませることができる。

上記発明において、外筒と内筒の間に第２の減衰部材が設けられてもよい。

本発明によれば、ペイロードに入力されたロケット機軸方向の振動やロッキング振動を効率良く減衰させることができる。第２の減衰部材は、外筒と内筒からなる二重構造の間に設けられ、例えば、粘弾性部材またはワイヤーロープ（例えばエニダイン社製のワイヤーロープ防振器）である。

上記発明において、第１の弾性部材または第２の弾性部材は板ばねであってもよい。

第１の弾性部材または第２の弾性部材が板ばねであれば、構造上安定して、ペイロードのロケット機軸方向の振動を抑制したり、ロッキング振動を抑制したりすることができる。

本発明に係るペイロード打ち上げ用ロケットは、上記いずれかの構成のアダプタが設けられている。

本発明によれば、アダプタがペイロードのロケット機軸方向の振動を抑制し、ロッキング振動を抑制するため、制振機構として複雑な部材が不要となり、簡単かつ信頼性が高い構造で振動を低減できる。

本発明によれば、簡易な構造でペイロードに入力される振動を低減することができる。

本発明の打ち上げ用ロケットの先端部分を示す縦断面図である。 本発明のアダプタを示す縦断面図である。 本発明のアダプタを示す斜視図である。 本発明のアダプタの一部を切り出した部分斜視図である。 本発明のアダプタの板ばね部、粘弾性部材および拘束材を示す部分拡大図である。 本発明のアダプタを示す縦断面図である。 本発明のアダプタを示す縦断面図である。 本発明のアダプタの変形例を示す上面図である。 従来のアダプタおよびばねによる支持方式を示す側面図である。 本発明のアダプタによる支持方式を示す側面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、打ち上げ用ロケット１０の構成について説明する。図１は、本発明の打ち上げ用ロケット１０の先端部分を示す縦断面図である。

打ち上げ用ロケット１０は、アダプタ１と、ペイロード２と、ロケット部３と、フェアリング４などからなる。アダプタ１は、後述する構成を有しており、ペイロード２とロケット部３の間に設けられ、ロケット機軸方向の振動とロッキング振動を抑制する。ペイロード２は、例えば人工衛星や探査機などである。ペイロード２は、下端がアダプタ１の上端と接続されるが、上端は打ち上げ用ロケット１０のいずれの箇所にも固定されずフリーとされた自由端となっている。

ロケット部３は、燃料が搭載された燃料部と、ロケットエンジンなどからなる。ロケット部３は、上端がアダプタ１の下端と接続される。打ち上げ用ロケット１０が例えば多段ロケットである場合、フェアリング４を閉じたまま一段ロケット部のロケットエンジンで一定の上空高さに到達した後、フェアリング４が分割され、二段ロケット部（例えば図１のロケット部３）のロケットエンジンでさらに推進して軌道上に到達する。その後、ペイロード２がアダプタ１から分離され、ペイロード２が軌道上を周回する。

次に本発明のアダプタ１の構成について説明する。図２は、本発明のアダプタ１を示す縦断面図である。図３は、本発明のアダプタ１を示す斜視図である。図４は、本発明のアダプタ１の一部を切り出した部分斜視図である。

アダプタ１は、例えば外筒１１と、内筒１２と、上板ばね２１と、下板ばね２２と、粘弾性部材３１などからなる。

外筒１１と内筒１２は、二重構造になっており、外筒１１と内筒１２との組み合わせによって、一つの筒部材が構成される。外筒１１と内筒１２の間は、粘弾性部材３１が設置される以外は中空である。また、内筒１２の内側も中空である。外筒１１と内筒１２はそれぞれ、図２および図３に示すように例えば円錐台形状である。

外筒１１と内筒１２は、上板ばね２１や下板ばね２２よりも剛性は剛である。外筒１１は、図４に示すように板部材１１ａとリブ１１ｂからなる。すなわち、板部材１１ａがリブ１１ｂによって補強されることによって剛性が確保されている。内筒１２の構造も外筒１１と同様である。なお、外筒１１と内筒１２の構造はこの例に限定されず、他の構成であってもよい。

上板ばね２１と下板ばね２２はそれぞれ、第１の弾性部材、第２の弾性部材の一例であり、例えばリング形状である。上板ばね２１は、外筒１１と内筒１２からなる筒部材の上端において、外筒１１と内筒１２の間に設けられ、下板ばね２２は、外筒１１と内筒１２からなる筒部材の下端において、外筒１１と内筒１２の間に設けられる。上板ばね２１、下板ばね２２の外周は、外筒１１と結合し、上板ばね２１、下板ばね２２の内周は、内筒１２と結合する。上板ばね２１、下板ばね２２は、外筒１１、内筒１２と例えばファスナで結合される。

上板ばね２１と下板ばね２２は、ロケット機軸方向に対して垂直方向（図２において左右方向）の剛性がロケット機軸方向（図２において上下方向）の剛性よりも大きい。上板ばね２１と下板ばね２２は、半径方向に切断したときの断面における半径方向の長さと板厚のアスペクト比は、半径方向の長さが長い。このような性質または形状を有することによって、上板ばね２１と下板ばね２２は、曲げ剛性が低く、引張剛性および圧縮剛性が高くなる。

板ばねは一般に構造部材として実績のある部材であり、第１の弾性部材、第２の弾性部材を板ばねとすることで、アダプタ１は構造上安定して振動を抑制できる。

なお、本発明は、第１の弾性部材、第２の弾性部材の一例として、上板ばね２１と下板ばね２２の場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。第１の弾性部材または第２の弾性部材は、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きければよい。図８を用いて、第１の弾性部材の変形例を説明する。図８は、本発明のアダプタ１の変形例を示す上面図である。棒状部材２３は、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きい。なお、棒状部材２３は、断面が円形でもよいし四角形などの多角形でもよい。そして、外筒１１と内筒１２の上端において、第１の弾性部材として複数の棒状部材２３が放射状に配置される。外筒１１と内筒１２の下端にも同様に複数の棒状部材を放射状に配置してもよい。このような構成によって、外筒１１と内筒１２の間の部材は、上板ばね２１と下板ばね２２と同様に、曲げ剛性が低く、引張剛性および圧縮剛性が高くなる。

図２に示した粘弾性部材３１は、第２の減衰部材の一例であり、一端が外筒１１に接続し他端が内筒１２に接続して、外筒１１と内筒１２からなる二重構造の間に設けられる。粘弾性部材３１が設けられることによって、アダプタ１はペイロード２に入力されたロケット機軸方向の振動やロッキング振動を効率良く減衰させることができる。粘弾性部材３１は、例えばアクリル高分子であり、弾性的な性質を有しつつ、せん断力が入力されて変形したとき、変形力を熱エネルギーに変換して振動を減衰する。

なお、本発明の第２の減衰部材は、上記の粘弾性部材３１に限定されず、ワイヤーロープ（例えばエニダイン社製のワイヤーロープ防振器）でもよい。ワイヤーロープは、たわみによる弾性的な性質を有しつつ、ワイヤーロープ内の摩擦力を熱エネルギーに変換して振動を減衰する。

上板ばね２１と下板ばね２２は、単一部材で構成されてもよいが、図５に示すように、板ばね部４１に沿って粘弾性部材４２が貼付されてもよい。図５は、本発明のアダプタ１の板ばね部４１、粘弾性部材４２および拘束材４３を示す部分拡大図である。板ばね部４１は、上板ばね２１または下板ばね２２である。粘弾性部材４２は、第１の減衰部材の一例であり、拘束材４３と板ばね部４１に挟まれるように設置される。拘束材４３は板ばね部４１よりも変形が小さい部材とすることで粘弾性部材４２を更にひずませることができる。粘弾性部材４２は、上記の粘弾性部材３１と同様の素材、性質を有する。

アダプタ１は、打ち上げ用ロケット１０に設置されるとき、筒部材の上端の内筒１２側、すなわち図２や図４の符号２１ａで示す位置にてペイロード２と連結し、筒部材の下端の外筒１１側、すなわち図２や図４の符号２２ａで示す位置にてロケット部３の先端と連結する。なお、アダプタ１は、筒部材の上端の外筒１１側でペイロードと連結してもよく、このときは筒部材の下端の内筒１２側がロケット部３の先端と連結する。

次に、本発明のアダプタ１の作用について説明する。ここでは、アダプタ１が、筒部材の上端の内筒１２側でペイロード２と連結し、筒部材の下端の外筒１１側でロケット部３の先端と連結している場合について説明する。図６および図７は、本発明のアダプタ１を示す縦断面図である。図６は、ロケット機軸方向の振動を受けて、アダプタ１の内筒１２が機軸方向に移動している状態を示し、図７は、ロッキング振動を受けて、アダプタ１の内筒１２が外筒１１内で回転方向に変位している状態を示す。

アダプタ１にロケット機軸方向の振動が入力されると、図６に示すように、上板ばね２１と下板ばね２２が外筒１１と連結した端部を固定端とし、他側端部、すなわち内筒１２と連結した端部を自由端として曲げ変形する。その結果、アダプタ１は、上板ばね２１と下板ばね２２の曲げ変形によって、ロケット機軸方向の振動を柔らかく抑制できる。

一方、例えばペイロード２がロッキング運動をして、アダプタ１にロッキング振動が入力されると、図７に示すように、上板ばね２１と下板ばね２２が軸力方向（すなわちロケット機軸方向に対して垂直方向）の剛性で抵抗して、ペイロード２のロッキング振動を抑制できる。

上板ばね２１と下板ばね２２がロケット機軸方向にアーム長を持たせて２点配置されているため、本発明のアダプタはロッキング振動に対する剛性を高めることができる。

また、外筒１１と内筒１２の間に粘弾性部材３１などが設けられている場合や、上板ばね２１や下板ばね２２に沿って粘弾性材４２が設けられている場合には、ペイロード２に入力されたロケット機軸方向の振動やロッキング振動を効率良く減衰させることができる。

アダプタの従来品は一重構造であり、本発明のアダプタ１は二重構造となるが、外筒１１と内筒１２の組み合わせで従来のアダプタと同強度とすればよく、従来のアダプタに比べてトータル重量の増加は最小限に抑えられる。また、本発明は、積層ゴムやトーションバーといった機能品が不要であり、重量の増加を最小限に留められる。

また、アダプタ１は、外筒１１と内筒１２が既存のアダプタとほぼ同形状であり、既存のアダプタの製造技術を流用することができる。さらに、アダプタ１は、組み立てが容易であり、構造が比較的簡易であることから製品管理を少なくすることができる。その結果、本発明のアダプタ１は製造コストの上昇を抑えることができる。

またさらに、本発明のアダプタ１は、ロケット機軸方向の振動やロッキング振動を抑制できることから、従来のアダプタと制振機構を兼用した機能を有しており、アダプタ１を打ち上げ用ロケット１０に採用することによって、従来のような制振機構が不要になる。そのため、図１のように従来のペイロードの上端位置が二点鎖線で示す２ａであったとすると、従来必要とした制振機構の高さ分だけ、ペイロード２の位置を下げることができる。したがって、打ち上げ用ロケット１０のフェアリング４内スペースを従来に比べて広く確保できる。

また、従来の制振機構に設けられていた複雑な摺動部などがなく、本発明のアダプタ１は、製品信頼性が高い。

以上より、本発明のアダプタ１は、ペイロードに入力されるロケット機軸方向の振動に対しては曲げ変形で柔らかく振動を抑制し、ロッキング振動に対しては軸力方向に剛となり振動を抑制する。また、本発明のアダプタ１は従来のアダプタの構造様式を流用した簡易な構造である。

次に、ペイロード２の一例として標準的な人工衛星を仮定し、本発明のアダプタ１と従来のアダプタ５を試設計した例について説明する。従来のアダプタ５は一重構造であり、図９に示すように、アダプタ５の下面に機軸方向に弾性を有してアダプタ５を支持するばね６が設置される。図９は、従来のアダプタ５およびばね６による支持方式を示す側面図である。

一方、本発明のアダプタ１は上述した構成を有し二重構造である。アダプタ１は、上端の符号２１ａで示す位置にて人工衛星２を支持し、下端の符号２２ａで示す位置にて地面に接して支持される。図１０は、本発明のアダプタ１による支持方式を示す側面図である。このとき、従来のアダプタ５およびばね６の支持方式と本発明のアダプタ１による支持方式それぞれについて、機軸方向とロッキング方向の固有振動数を比較する。機軸方向の剛性を同等とした場合にロッキング方向の固有振動数を比較した結果を表１に示す。

表１の結果から分かるように、本発明のアダプタ１による支持方式の固有振動数は、従来の支持方式に比べて、ロッキング方向の固有振動数が２．５倍になる。これは、本発明のアダプタ１による支持方式によるロッキング剛性が、従来の支持方式に比べて６．３倍になっていることを示す。すなわち、本発明のアダプタ１を採用することによって機軸方向の剛性を下げた場合でも、ロッキング剛性の過度な低下を防止できる。なお、アダプタ１のサイジングによって、さらにロッキング剛性を向上させることができる。

なお、上記説明では、外筒と内筒を有する二重構造の筒部材に設けられる第１の弾性部材または第２の弾性部材が、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きいことによって、アダプタは、ロケット機軸方向の振動荷重が入力されたとき、ペイロードの機軸方向の振動を抑制し、ロッキング振動が入力されたとき、ペイロードのロッキング振動を抑制するとした。一方、本発明はこの例に限定されず、アダプタが、ロケット機軸方向の振動荷重が入力されたとき、ペイロードの機軸方向の振動を抑制し、ロッキング振動が入力されたとき、ペイロードのロッキング振動を抑制するものであればよい。したがって、そのようなアダプタを構成することができる部材であれば、上述した第１の弾性部材または第２の弾性部材のように、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きい部材ではなくてもよい。

１ アダプタ
２ ペイロード
３ ロケット部
４ フェアリング
１０ 打ち上げ用ロケット
１１ 外筒
１２ 内筒
２１ 上板ばね（第１の弾性部材）
２２ 下板ばね（第２の弾性部材）
３１ 粘弾性部材

Claims (6)

1. ペイロード打ち上げ用ロケットに収容されるペイロードの振動を抑制する、ペイロードとロケット部の間に設けられたアダプタであって、
   外筒と内筒を有する二重構造の筒部材と、
   前記筒部材の一端で前記外筒と前記内筒に結合した第１の弾性部材と、
   前記筒部材の他端で前記外筒と前記内筒に結合した第２の弾性部材と、
   を備え、
   前記筒部材の一端側の前記内筒側または前記外筒側で前記ペイロードと連結し、前記筒部材の他端側の前記外筒側または前記内筒側でロケット部の先端と連結することを特徴とするアダプタ。
2. 前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材は、ロケット機軸方向に対して垂直方向の剛性がロケット機軸方向の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアダプタ。
3. 前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材に沿って第１の減衰部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のアダプタ。
4. 前記外筒と前記内筒の間に第２の減衰部材が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアダプタ。
5. 前記第１の弾性部材または前記第２の弾性部材は板ばねであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアダプタ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアダプタが設けられたことを特徴とするペイロード打ち上げ用ロケット。

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