JP4078712B2 - ペイロードの防振装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、打上げ用ロケットに搭載したペイロードを振動・衝撃から保護するペイロードの防振装置に係り、特に、防振性能を高めつつクリアランス・ロスを小さくできる防振装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
人工衛星等のペイロードは打上げ用ロケットの先端部に搭載されるが、従来、ペイロードはロケットの先端部に固定されており、ロケットに生じているエンジンによる振動やフェアリングの空気摩擦による振動が直にペイロードに伝わるので好ましくない。
【0003】
振動を遮断するためにペイロードの底面全体にゴムを介在させることが考えられる。これによりペイロードがロケットから大きな振動を受けることはなくなる。しかし、ペイロードとなる衛星は例えば直径2m高さ7mと底面の大きさに比しての高さが高いために、底面だけで支持すると一点支持になり、ペイロードの先端部の揺動を招きやすいという不具合がある。しかも、僅かの揺動角度でもペイロードの先端部の振幅が大きくなり、ペイロードの先端部がロケットのフェアリングの内壁に接触・衝突する可能性がある。
【0004】
本出願人は、先に、打上げ用ロケットの先端部の周囲に推進軸に対して所定の傾斜角で傾斜されてペイロードを弾性的に支持する複数の弾性支持部材を設けた防振装置を提案している(特願平10−111975号)。
【0005】
これにより、ペイロードの先端部の揺動はなくなり、ペイロードは起立姿勢を保ったまま推進軸に沿う方向(以下、推進方向という)又は推進軸に向かう方向(以下、水平方向という)に小さく振動することになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記弾性支持部材による全く受動的な防振装置にあっては、固有振動数近傍での振動(共振)を抑えることは不可能であり、共振振動数での振幅が極端に大きくなることが避けられない。上記防振装置では、ペイロードの起立姿勢を保つことはできるが、共振によりペイロードはロケットから受ける振動よりもかえって大きく推進方向又は水平方向に振動することになる。このような大きな振動は、ペイロードに搭載した機器に衝撃(G)を与え、或いは有人の場合、搭乗員に衝撃を与えることになり、好ましくない。また、水平方向の振幅が大きくなると、ペイロードがフェアリングの内壁に接触・衝突する可能性もあり、ペイロードとフェアリングとの間のクリアランス・ロスが大きくなる。
【0007】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、防振性能を高めつつクリアランス・ロスを小さくできる防振装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、打上げ用ロケットの先端部に伸縮可能な複数の支持部材を介してペイロードを搭載し、上記ペイロードの変位量を検出するセンサを設け、この変位量に基づいて上記ペイロードの振動が小さくなるよう上記各支持部材の伸縮特性を制御する制御回路を設け、上記支持部材を推進軸の周囲の少なくとも3箇所にそれぞれ推進軸に沿う方向に伸縮するよう配置し、かつ推進軸の周囲の少なくとも2箇所にそれぞれ推進軸に向かう方向に伸縮するよう配置したものである。
【0010】
上記支持部材を動力により伸縮するアクチュエータで構成し、上記制御回路により各アクチュエータの伸縮運動を制御するようにしてもよい。
【0011】
上記支持部材を伸縮に対する抵抗を示しその抵抗の減衰が制御可能な可変減衰ダンパで構成すると共に上記打上げ用ロケットの先端部の周囲に推進軸に対して所定の傾斜角で傾斜されて上記ペイロードを弾性的に支持する複数の弾性支持部材を設け、上記制御回路により各可変減衰ダンパの減衰特性を制御するようにしてもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0013】
図1に示されるように、打上げ用ロケット1の先端部には本発明の防振装置を載せる平坦なベース3と、ペイロード2を覆うフェアリング(図示せず)が設けられている。ペイロード2はその底面が円盤状のプラットフォーム4に固定されている。このプラットフォーム4は、ベース3に対向する平面を有し、その平面の中心には推進軸Aに重なる位置にベース3に向かって延びた突起4aが形成されている。プラットフォーム4は、ベース3に設けられた5つの支持部材5に支持されている。このうち3つの支持部材5aは、基端部がベース3に固定され、先端部がプラットフォーム4に固定されている。これら3つの支持部材5aは、推進軸Aの周囲の3箇所に配置され、それぞれの支持部材5aが推進軸Aに沿う方向に伸縮するようベース3に対して起立させて設けられている。また、残り2つの支持部材5bは、基端部が推進軸Aの周囲の2箇所に配置されたベース3上の突起3aに固定され、先端部が突起4aに固定されている。これら2つの支持部材5bは、2つの支持部材5bが互いに直交しそれぞれの推進軸Aに向かう方向に伸縮するようベース3に対して傾斜させて配置されている。
【0014】
上記5つの支持部材5は、動力により伸縮するアクチュエータ、例えば、油圧シリンダで構成される。
【0015】
ベース3上には、各アクチュエータ(支持部材)5の伸縮運動を制御する制御回路を収容したコントローラボックス6と電源7とが設けられている。図示しないが、ペイロード2の変位量を検出するセンサとして、プラットフォーム4とベース3との相対的な位置(ペイロード2とロケット1との相対的な位置)を検出する位置センサと、ペイロード2の絶対的加速度を検出する加速度センサとが設けられている。絶対的加速度を積分して絶対的速度を得るようにしてもよい。
【0016】
コントローラボックス6に収容されている制御回路は、各アクチュエータの伸縮運動を制御するものである。
【0017】
制御回路の制御ブロック構成は、後述する図3の制御ブロック構成に準ずるものであり、ペイロード2の相対的な変位量と絶対的な変位量とを用いて各アクチュエータの伸縮運動を制御するようになっている。
【0018】
別の実施形態を説明する。
【0019】
図2に示されるように、上記5つの支持部材5は、可変減衰ダンパで構成されている。可変減衰ダンパは、シリンダとシリンダ内外に流体を流通させる細孔とを有し、伸縮に対してはシリンダ内の流体が抵抗を示し、細孔における流体の流通によりその抵抗が減衰するようになっている。そして、この細孔の径が調節可能に構成され、そのことによって減衰力(ダンピングレート)が制御可能になっているものである。
【0020】
また、この実施形態にあっては、ペイロードを弾性的に支持する4つの弾性支持部材8が設けられている。これら4つの弾性支持部材8は、基端部が推進軸Aの周囲の4箇所に配置されたベース3上の傾斜支持角調整継手3bに固定され、先端部がプラットフォーム4に固定されている。これら弾性支持部材8は、それぞれ推進軸Aに対して所定の傾斜角で傾斜されている。弾性支持部材8は、シリコン積層ゴムからなる。
【0021】
4つの弾性支持部材8において、ペイロード2の重心の高さ、ペイロード2の軸から弾性支持部材8までの水平距離、弾性支持部材8の縦方向と横方向の剛性等を用いた数式によりペイロード2に揺動が起きない条件が一意に決まる。この条件から推進軸Aに対する弾性支持部材8の傾き角αが導かれる。このとき、推進方向の固有振動数、水平方向の固有振動数も一意に決まる。
【0022】
図2の防振装置は、4つの弾性支持部材8からなる受動的な防振装置と、5つの可変減衰ダンパ5からなる準能動的な防振装置とを組み合わせたものと言うことができる。
【0023】
図3は、図2の防振装置の制御ブロック図である。
【0024】
この制御ブロックは、パッシブダンパ系とスカイフックダンパ系とを組み合わせたものである。まず、パッシブダンパ系は、4つの弾性支持部材8からなる受動的な防振装置に相当し、外乱加速度等による機体変位に応じてプラットフォーム4とベース3との相対的な変位が印加され、この変位を微分した速度にパッシブ減衰比を乗じた減衰力が得られる。一方、スカイフックダンパ系は、5つの可変減衰ダンパ5からなる準能動的な防振装置に相当し、ペイロード2に加わる相対的加速度のうち、可変減衰ダンパ5が緩やかに伸縮することにより、高周波のみが伝達され、その加速度成分を積分した相対的速度にアクティブ減衰比を乗じた減衰力が得られる。2つの減衰力を総合したものがプラットフォーム4に作用するので、ペイロード2を含めた質量に応じてプラットフォーム4に加速が生じる。スカイフックダンパ系を制御するペイロード2の加速度・速度は、ベース3との相対的なものではなく絶対的なものであるため、受動的な部材で制御することはできず、アクティブ制御を加えることにより初めて実現できる。具体的には、加速度センサにより得られた絶対的加速度・速度を用いてダンピングレートを変化させることにより、可変減衰ダンパ5の応答周波数を変化させる。
【0025】
図4〜7に、ロケット1に与えた振動周波数に対してペイロード2に生じる加速度のグラフを示す。図4は、前記受動的な防振装置のみによるものである。図示のように、ロケット1の2Hz以下の低周波振動に対してペイロード2には若干の加速度が生じ、7Hz以上の高周波振動に対しては殆ど加速度が生じない。けれども、5Hz近傍において共振するため、極めて大きい加速度が生じる。
【0026】
図5は、図2の防振装置において可変減衰ダンパ5を固定減衰ダンパ5に代えた受動的な防振装置よるものである。5Hz近傍の共振は抑えられているが、高周波の遮断特性がよくない。
【0027】
図6は、図2の実施形態の防振装置によるものである。5Hz近傍の共振は解消され、高周波の遮断特性も優れている。
【0028】
図7は、図1の実施形態の防振装置によるものである。図6と同じように5Hz近傍に共振がなく、図6よりも高周波の遮断特性に優れている。
【0029】
図1の防振装置と図2の防振装置とを比較すると、図1の防振装置は、性能に優れ、構成が簡素である。図2の防振装置は、アクチュエータを動かす動力が必要なく、軽量に構成できる。
【0030】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【0031】
(1)共振を抑えると共に高周波振動を抑えることができ、防振性能が向上する。
【0032】
(2)水平方向の共振を抑えることができるので、クリアランス・ロスを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す防振装置の構成図である。(a)は側面図、(b)はプラットフォームを除いた上面図である。
【図2】本発明の他の実施形態を示す防振装置の構成図である。(a)は側面図、(b)はプラットフォームを除いた上面図である。
【図3】図2の防振装置の制御ブロック図である。
【図4】水平方向の振動伝達特性を示す特性図である。
【図5】水平方向の振動伝達特性を示す特性図である。
【図6】水平方向の振動伝達特性を示す特性図である。
【図7】水平方向の振動伝達特性を示す特性図である。
【符号の説明】
1 打上げ用ロケット
2 ペイロード
5 支持部材
Claims (3)
- 打上げ用ロケットの先端部に伸縮可能な複数の支持部材を介してペイロードを搭載し、上記ペイロードの変位量を検出するセンサを設け、この変位量に基づいて上記ペイロードの振動が小さくなるよう上記各支持部材の伸縮特性を制御する制御回路を設け、
上記支持部材を推進軸の周囲の少なくとも3箇所にそれぞれ推進軸に沿う方向に伸縮するよう配置し、かつ推進軸の周囲の少なくとも2箇所にそれぞれ推進軸に向かう方向に伸縮するよう配置したことを特徴とするペイロードの防振装置。 - 上記支持部材を動力により伸縮するアクチュエータで構成し、上記制御回路により各アクチュエータの伸縮運動を制御するようにしたことを特徴とする請求項1記載のペイロードの防振装置。
- 上記支持部材を伸縮に対する抵抗を示しその抵抗の減衰が制御可能な可変減衰ダンパで構成すると共に上記打上げ用ロケットの先端部の周囲に推進軸に対して所定の傾斜角で傾斜されて上記ペイロードを弾性的に支持する複数の弾性支持部材を設け、上記制御回路により各可変減衰ダンパの減衰特性を制御するようにしたことを特徴とする請求項1記載のペイロードの防振装置。
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