(57)【要約】【課題】  スピン衛星の液滴型タンク系に偏心が生じても各液滴型タンク内の液体量を均等に保持できるようにする。【解決手段】  周方向に配した推薬液３の液滴型タンク１の液取出口２同士を液取出管４にて接続し、ガス入口５同士を連通管６を介し連通させて液滴型タンク系を形成する。連通管６における各液滴型タンク１との接続個所同士の間に遮断弁７を設け、所要個所にガス供給部８を開閉弁１０付きのガス供給管９を介し接続する。スピン衛星からの物体分離の直前に、制御器１２により上記開閉弁１０を開操作させて、ガス供給部８より各液滴型タンク１へ所要圧力のヘリウムガス１１を供給した後、物体分離に際して、遮断弁７により連通管６を介した各液滴型タンク１同士の連通状態を遮断させる。各液滴型タンク１内の推薬液３の液面にガス圧を作用させた状態とすることにより、ガス圧の反力によって各液滴型タンク１間での推薬液３の移動を阻止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク系を備えてなるスピン衛星より所要の物体の分離を行う直前に、複数のタンク内にガスを供給して液面側に所要のガス圧を作用させ、上記物体の分離に際して、上記液面側に所要のガス圧を作用させた状態のまま上記各タンク内にガスを封入して各タンク間の液体の移動を抑えるようにすることを特徴とするスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法。
【請求項２】
液取出管に連通されている複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、スピン衛星より物体の分離を行う直前に、上記連通管を経て各タンク内へ所要のガス圧を作用させてから、上記物体の分離に際して、上記連通管を遮断弁で遮断させて各タンク内にガスを封入させるようにした請求項１記載のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法。
【請求項３】
スピン衛星におけるタンク系を構成する液取出管に連通させてある複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、所要圧力のガスを各タンク内へ供給することができるようにすると共に、上記連通管に、各タンク間を遮断するための遮断弁を設けてなる構成を有することを特徴とするスピン衛星における物体分離時の液体移動防止装置。
【請求項４】
スピン衛星より所要の物体の分離を行う直前に、連通管を通して各タンクの液面側へ所要のガスを供給するように指令を与え、且つスピン衛星より物体の分離に際して、上記遮断弁へ閉止指令を与える機能を有する制御器を備えた請求項３記載のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン衛星より所要の物体を分離するときに、重心位置が変化することに伴ってスピン軸がシフトしても、周方向所要間隔の複数個所に配設してある各タンク間で収納液体が移動して各タンク内の液体配分量が不均等になることを防止するために用いるスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星の姿勢を安定させるための手法としては、内蔵したホイールを回転させることにより三軸方向の姿勢制御を行う三軸姿勢制御方式と、衛星全体を所要回転数でスピンさせることにより姿勢の安定化を図る方式がある。このうち、衛星全体をスピンさせて姿勢の安定化を図るようにしてあるスピン衛星（スピン安定型衛星）では、搭載されている推薬液や酸化剤等の液体に対し、スピンによる遠心力が作用するようになる。又、上記スピン衛星を、スピン軸方向の一端側に設けてあるエンジンによって推進させるときには、上記推薬液や酸化剤等の液体に対し、推進加速度によりスピン軸方向の一端側へ向いた重力が作用するようになる。そのために、上記スピン衛星では、上述したような遠心力と重力のうち、どちらが支配的な場合であっても、推薬液や酸化剤等をそれぞれのタンクより安定して取り出すことができるようにするために、上記推薬液や酸化剤の供給系として、図７（イ）（ロ）に示すような液滴型タンク系をそれぞれ備えるようにしてある。
【０００３】
すなわち、上記液滴型タンク系として、たとえば、推薬液用の液滴型タンク系は、図７（イ）（ロ）に示す如く、推薬液３を収納するためのタンクとして、円錐と球が接合したような形状のタンク、所謂液滴型タンク（ティアドロップ型タンク、涙滴型タンク）１を形成し、該液滴型タンク１の円錐部の頂点部分には、液取出口２を設ける。更に、スピン衛星の重心Ｃを通る偏心がないときのスピン軸（以下、単にスピン軸という。図７（イ）（ロ）にｚ軸で示す）に直角なｘｙ平面内にて、上記スピン軸（ｚ軸）を中心とする周方向所要の等間隔個所、たとえば、図７（イ）に示す如く、周方向１２０度ピッチの３個所に、上記液滴型タンク１をそれぞれ配置すると共に、該各液滴型タンク１における液取出口２が、それぞれ上記スピン軸（ｚ軸）より最も離隔する機体外周側の端部で、且つ図７（ロ）に矢印ｇで示す如き上記推進加速度による重力の作用する方向（＋ｚ方向）側の端部に位置するように、各液滴型タンク１を、図７（ロ）に示す如く、円錐部の母線がスピン軸（ｚ軸）とほぼ平行になるよう傾斜させて、図示しない支持構造により保持させるようにしてある。更に、上記各液滴型タンク１の液取出口２には、スピン軸（ｚ軸）を中心として上記各液滴型タンク１の液取出口２を取り囲むリング状配置としてある液取出管４における周方向の対応する個所がそれぞれ接続してあり、更に、該液取出管４における周方向の所要個所に、図示しないエンジンへ推薬液３を供給するための推薬液供給ライン（図示せず）を接続するようにしてある。
【０００４】
更に、上記各液滴型タンク１におけるスピン軸（ｚ軸）寄りの端部には、ガス入口５が設けてあり、該各液滴型タンク１のガス入口５同士を、連通管６を介して互いに連通接続すると共に、該連通管６における所要個所に、スピン衛星の所要個所に搭載してある図示しないヘリウムガス等の気蓄器を、調圧弁を備えたガス供給管（図示せず）を介して接続した構成としてある。
【０００５】
上記の如き構成としてあることにより、スピン衛星をスピン軸（ｚ軸）を中心として図中矢印で示した方向にスピンさせることによって遠心力が支配的に作用している状態のときには、上記各液滴型タンク１内に収納されている推薬液３が、上記遠心力によって各液滴型タンク１内にて機体外周方向へ押し付けられ、この際、スピンが十分速くて作用する遠心力が十分大きいときには、上記推薬液３の液面は、図７（イ）に示す如く、液取出口２同士が互いに液取出管４を介して連通接続されている各液滴型タンク１内にて、スピン軸（ｚ軸）を中心とする円筒面となる。これにより、スピン衛星に搭載されている推薬液３を、上記遠心力によって、各液滴型タンク１内にほぼ均等に分散させて収納させることができると共に、該各液滴型タンク１の上記スピン軸（ｚ軸）より離隔した端部側に配置されるようにしてある液取出口２より、安定して推薬液３を取り出すことができるようにしてある。又、上記推薬液３が消費されるときには、各液滴型タンク１内の推薬液３がほぼ均等に減少されるようにしてある。
【０００６】
一方、スピン衛星にて、推進加速度による重力ｇが支配的になるときには、各液滴型タンク１内にて、上記重力ｇの作用する方向へ推薬液３が寄せられるようになるが、各液滴型タンク１は、円錐部頂点の液取出口２が上記重力ｇの作用する方向側の端部に位置するようにしてあるため、この場合にも、液滴型タンク１内に収納されている推薬液３を液取出口２より安定して取り出すことができるようにしてある。
【０００７】
上記のように、各液滴型タンク１内より推薬液３の取り出しを行うと、該各液滴型タンク１内に空間部が生じるようになる。このため、気蓄器よりガス供給管を通して導かれるヘリウムガスを、調圧弁にて所要圧力に調圧した後、連通管６よりガス入口５を経て各液滴型タンク１へ供給して該各液滴型タンク１内の空間部に充填できるようにしてある。
【０００８】
なお、図７（ロ）では、液滴型タンク１以外の機器の記載を省略している。
【０００９】
ところで、スピン衛星では、実施すべきミッションにより、たとえば、衛星本体外周部の周方向等間隔位置に保持させてある同質量の複数の物体を、所要の時間間隔をおいて順に分離、放出させる作業を行う場合がある。この場合、すべての物体の分離、放出作業の終了後に初期状態のスピン軸（ｚ軸）を中心とする周方向の重量バランスが回復されるように設定してあるとしても、上記複数の物体の放出を順次行わせる途中の段階、たとえば、第１の物体のみを分離、放出させた段階では、スピン衛星の重心の位置が、当初の重心Ｃ位置よりずれ、たとえば、図７（イ）に示すＧの位置へ変位することがある。
【００１０】
上記のようにしてスピン衛星に重心位置の変位が生じると、該スピン衛星のスピン軸が、上記変位後の重心Ｇを通るようにシフトされ、シフト後の新たなスピン軸を中心にスピン衛星全体のスピンが行われるようになる。このため、上記液滴型タンク系では、回転が偏心されることになる。上記のように液滴型タンク系が偏心されると、各液滴型タンク１内に収納されている推薬液３は、その液面が、変位後の重心Ｇを通る新たなスピン軸を中心とした円筒面となろうとするため、図７（イ）に二点鎖線で示す如く、変位後の新たな重心Ｇ位置より遠い液滴型タンク１では、内部の推薬液３の量が増加する一方、新たな重心Ｇに近い液滴型タンク１では、内部の推薬液３の量が減少するように、各液滴型タンク１間で推薬液３の移動が生じ、該各液滴型タンク１内の推薬液３の量が均等ではなくなる。
【００１１】
上記各液滴型タンク１間で推薬液３の移動が生じて、該各液滴型タンク１の推薬液３の収納量に大きなアンバランスが生じると、たとえば、推薬液３の残量が十分あるにもかかわらず、変位後の重心Ｇ位置に近い液滴型タンク１が空になってしまう虞があり、このようにして一部の液滴型タンク１が空になってしまう場合には、推薬液３の消費効率の著しい低下が生じる問題が懸念される。又、エンジンが上記空になった液滴型タンク１内よりガスを吸い込んでしまう虞も懸念される。
【００１２】
更に、上記各液滴型タンク１では、球に円錐を接合した形状としてあることに起因して、スピン衛星のスピンが十分速くて液面がスピン軸に平行なときには、液滴型タンク１内の推薬液３の量が減少するにしたがって、該液滴型タンク１内の推薬液３自体の重心位置が、図７（イ）（ロ）におけるｚ座標が大きくなる方向へずれるようになる。このために、スピン軸のまわりに配されている各液滴型タンク１内の推薬液３の量が大きく異なる場合には、各液滴型タンク１の重心位置がｚ軸方向に相違するようになるため、衛星−液体系の慣性主軸がスピン軸と平行にならずに傾きを生じる虞も懸念される。
【００１３】
そこで、本発明者は、上記した各問題が、いずれも、各液滴型タンク１間にて推薬液３の移動が生じることに起因していることに着目して、スピン衛星から物体を分離することにより重心位置が当初の重心位置よりずれるときにも、各液滴型タンクの推薬液配分量を均等に保持できるようにして、上述したような問題が生じる虞を低減させることができるようにするための手法を提案している（たとえば、非特許文献１参照）。
【００１４】
これは、図８（イ）に示す如く、図７（イ）（ロ）に示したと同様に周方向に１２０度ピッチで３つの液滴型タンク１を備えた構成としてあるスピン衛星の液滴型タンク系において、スピン衛星からの物体分離により重心位置が当初の重心Ｃより重心Ｇの位置へ変位したことに伴い、この変位後の新たな重心Ｇ位置を通るようにスピン軸がシフトさせられて、液滴型タンク系が偏心させられ、これにより、各液滴型タンク１内の推薬液３が、その液面が上記重心Ｇを通る新たなスピン軸を中心とする円筒面になるよう各液滴型タンク１間を移動しようとするときに、上記新たな重心Ｇ位置に近い液滴型タンク１をスピン軸から遠くへ離れるように移動させるようにすることである。すなわち、上記新たな重心Ｇ位置に近いために内部の推薬液３の量が減少して、図８（イ）に示す如く空になる虞のある液滴型タンク（図８（イ）における左下に位置する液滴型タンク）１を、図８（ロ）に示す如く、新たな重心Ｇ位置を通るスピン軸より離れるように移動させることにより、各液滴型タンク１内の推薬液３の配分量を均等にさせるようにするものである。なお、図８（イ）（ロ）では、液滴型タンク１以外の機器の記載を省略してある。
【００１５】
【非特許文献１】内海（M.Utsumi）,「涙滴形タンク系における推進薬の位置（Position of Propellant in Teardrop Tank Systems）」,ジャーナル  オブ  スペースクラフト  アンド  ロケッツ（Journal of Spacecraft and rockets），（米国）,米国航空宇宙学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc.），１９９７年，第３４巻，第６号，ｐ.７９９−８０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところが、上記非特許文献１に記載された方法は、スピン衛星より物体を分離するときに重心位置が変化してスピン軸がシフトしても、液滴型タンク１を移動させることにより、各液滴型タンク１内に収納されている推薬液の量をほぼ均等に保持できるようにするものであるため、一部の液滴型タンク１が空になる虞はなく、推薬液３の消費効率の著しい低下が生じる虞や、エンジンがガスを吸い込んでしまう虞、衛星−液体系の慣性主軸に傾きが生じる虞、等を防止するために有効なものであるが、該非特許文献１に記載された方法を実施する際には、液滴型タンク１をゆっくり移動させるようにしないと、スロッシング（液面の振動）が起こり、スピン衛星の制御系にとって障害となる振動外乱を引き起こす虞が生じる。
【００１７】
又、上記非特許文献１に記載された方法を実施するためには、液滴型タンク１の移動装置が必要になると共に、液滴型タンク１を移動させるためのスペースをスピン衛星内部に予め確保しておく必要があり、このため、スペースや重量の面から制約が大きくなるというのが実状である。
【００１８】
そこで、本発明は、スピン衛星から物体を分離することに伴って、該スピン衛星における重心位置が変化して、変化後の重心位置を通るようにスピン軸がシフトして、液滴型タンク系が偏心するようになっても、液滴型タンクを移動させることなく各液滴型タンク間における液体の移動を未然に防止できるようにして、各液滴型タンクに収納してある液体の量をほぼ均等なまま保持できるようにし、これにより、液滴型タンクに推薬液を収納している場合には、推薬液消費効率が著しく低下したり、空になった液滴型タンクからエンジンへガスが吸い込まれるようになる虞を未然に防止でき、更には、衛星−液体全系の慣性主軸に傾きが生じる虞を未然に防止できるスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するために、タンク系を備えてなるスピン衛星より所要の物体の分離を行う直前に、複数のタンク内にガスを供給して液面側に所要のガス圧を作用させ、上記物体の分離に際して、上記液面側に所要のガス圧を作用させた状態のまま上記各タンク内にガスを封入して各タンク間の液体の移動を抑えるようにするスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法、及び、スピン衛星におけるタンク系を構成する液取出管に連通させてある複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、所要圧力のガスを各タンク内へ供給することができるようにすると共に、上記連通管に、各タンク間を遮断するための遮断弁を設けてなるスピン衛星における物体分離時の液体移動防止装置とする。
【００２０】
より具体的には、液取出管に連通されている複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、スピン衛星より物体の分離を行う直前に、上記連通管を経て各タンク内へ所要のガス圧を作用させてから、上記物体の分離に際して、上記連通管を遮断弁で遮断させて各タンク内にガスを封入させるようにする方法とし、更に、スピン衛星より所要の物体の分離を行う直前に、連通管を通して各タンクの液面側へ所要のガスを供給するように指令を与え、且つスピン衛星より物体の分離に際して、上記遮断弁へ閉止指令を与える機能を有する制御器を備えた構成とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）タンク系を備えてなるスピン衛星より所要の物体の分離を行う直前に、複数のタンク内にガスを供給して液面側に所要のガス圧を作用させ、上記物体の分離に際して、上記液面側に所要のガス圧を作用させた状態のまま上記各タンク内にガスを封入して各タンク間の液体の移動を抑えるようにするスピン衛星における物体分離時のタンク内液体の移動防止方法、及び、スピン衛星におけるタンク系を構成する液取出管に連通させてある複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、所要圧力のガスを各タンク内へ供給することができるようにすると共に、上記連通管に、各タンク間を遮断するための遮断弁を設けてなる構成を有するスピン衛星における物体分離時の液体移動防止装置とし、より具体的には、液取出管に連通されている複数のタンク間に、ガスの連通管を設けて、スピン衛星より物体の分離を行う直前に、上記連通管を経て各タンク内へ所要のガス圧を作用させてから、上記物体の分離に際して、上記連通管を遮断弁で遮断させて各タンク内にガスを封入させるようにした方法及び装置としてあるので、スピン衛星からの物体の分離に伴って該スピン衛星の重心が変位し、これにより、スピン軸がシフトされて、上記タンク系が偏心されることによって各タンク間で液体の移動が生じようとするときに、移動先となるタンク内への液体の流入を該タンク内に既に所要圧力で封入されているガスが圧縮されることによって更に上昇するガス圧の反力により阻止することができる。 
（２）したがって、各タンクに収納してある液体の量をほぼ均等なまま保持できる。これにより、上記各タンクが推薬液用のタンクの場合には、一部のタンクが空になって推薬液消費効率が著しく低下したり、空になったタンクからエンジンへガスが吸い込まれるようになる虞を未然に防止できる。 
（３）更に、各タンク内の液体の量をほぼ均等に保持できることから、該各タンク内の液体の重心位置のスピン軸に沿う方向の差異を小さく抑えることができて、衛星−液体全系の慣性主軸に傾きが生じる虞を未然に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の一形態として、推薬液用の液滴型タンク系へ適用する場合を示すもので、図７に示したと同様の構成としてあるスピン衛星の推薬液用の液滴型タンク系において、各液滴型タンク１のガス入口５同士を連通接続している連通管６の所要個所、たとえば、各液滴型タンク１との接続部同士の間に、遮断弁７をそれぞれ設け、且つ上記連通管６の所要位置に、ガスボンベの如き所要のガス供給部８を、開閉弁１０付きのガス供給管９を介し接続した構成とする。これにより、上記連通管６上の各遮断弁７を開放した状態にて、上記開閉弁１０を開操作することにより、上記ガス供給部８よりガス供給管９を通して導かれる所要圧力のガス、たとえば、ヘリウムガス１１を、上記連通管６を経て各液滴型タンク１にガス入口５より供給することができるようにする。又、各液滴型タンク１へのヘリウムガス１１の供給後、上記連通管６を各遮断弁７により遮断させると共に、上記ガス供給管９上の開閉弁１０を閉操作することにより、上記各液滴型タンク１内の空間部に、上記所要圧力で供給されたヘリウムガス１１を封入できて、該各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側に、上記封入されたヘリウムガス１１のガス圧を作用させることができるようにする。
【００２４】
更に、スピン衛星から物体を分離する直前に上記開閉弁１０を開け、上記ガス供給部８よりガス供給管９、連通管６を経て上記各液滴型タンク１内へ上記ヘリウムガス１１を供給させて、各液滴型タンク１内における推薬液３の液面側に所要のガス圧を作用させた状態とすると共に、物体の分離に際して、上記各遮断弁７と開閉弁１０を閉じて各液滴型タンク１間を遮断させるようにするための制御器１２を備える。
【００２５】
詳述すると、上記制御器１２は、スピン衛星から物体を分離させるための図示しない分離装置と連携して、スピン衛星から物体を分離させる時期に関する情報を事前に受けるようにしてあり、上記分離装置によるスピン衛星からの物体の分離作業を行う直前に、上記ガス供給管９上の開閉弁１０へ開指令を与えて該開閉弁１０を開操作させるようにしてある。又、該開閉弁１０の開操作で、上記ガス供給部８よりガス供給管９を通して所要圧力のヘリウムガス１１が、上記連通管６を経て各液滴型タンク１のガス入口５より供給されて各液滴型タンク１内に所要のガス圧が作用させられると、上記分離装置による物体の分離に際して、上記各遮断弁７と開閉弁１０を閉じるように指令を与えて、該各遮断弁７を閉じて各液滴型タンク１間を遮断させることにより、上記各液滴型タンク１内へ供給した上記所要圧力のヘリウムガス１１のガス圧を、該各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側に作用させた状態で、各液滴型タンク１内のヘリウムガス１１を封じることができるようにしてある。
【００２６】
上記制御器１２による各遮断弁７の遮断操作は、上記の如き物体の分離に際して行うが、そのタイミングは、各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側へ上記所要圧力のヘリウムガス１１によるガス圧を供給した後であれば、物体の分離直前、物体の分離と同時であってもよく、あるいは、スピン衛星の重心位置がシフトして液滴型タンク系が偏心しても、各液滴型タンク１同士の間で推薬液３の移動が実際に生じるまでには数秒のタイムラグがあることから、物体の分離直後であってもよい。
【００２７】
上記ガス供給部８より導いたヘリウムガス１１により各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側へ作用させるガス圧は、５０Ｎ／ｍ２以上とする。これは、各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側へ作用させるガス圧が５０Ｎ／ｍ２よりも低いと、液滴型タンク系に偏心が生じて、各液滴型タンク１間で推薬液３が移動しようとするときに、該推薬液３の移動先となる液滴型タンク１内のガス圧をあまり高めることができず、このため、後述するように液滴型タンク１内で高められるガス圧の反力により上記推薬液３の移動を阻止するという効果があまり期待できないためである。一方、上記各液滴型タンク１内の推薬液３の液面側へ作用させるガス圧の上限は、各液滴型タンク１の耐圧能力を考慮して、液滴型タンク系に偏心が生じて、各液滴型タンク１間で推薬液３が移動しようとするときに、該推薬液３の移動先となる液滴型タンク１内の圧力が、該各液滴型タンク１に損傷を及ぼす虞のない圧力範囲に収まるように設定するようにする。したがって、上記ガス圧は、たとえば、１９６Ｎ／ｍ２と設定するようにすればよい。
【００２８】
上記ガス供給部８としては、たとえば、従来、各液滴型タンク１内の推薬液３の消費に合せてガス入口５側へ調圧したヘリウムガスを供給できるようスピン衛星に装備されているヘリウムガスの気蓄器を用いるようにすれば、スペースの面で有利なものとすることが可能となる。
【００２９】
なお、図１における上記ガス供給部８、ガス供給管９、開閉弁１０、制御器１２の配置は、それぞれ液滴型タンク系に対する取付状態の概要を示すための便宜上の配置であり、それぞれの実際の配置を反映するものではない。その他、図７（イ）（ロ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００３０】
以上の構成としてある本発明のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止装置を使用する場合は、通常は、連通管６上の遮断弁７を開放した状態で各液滴型タンク１内の推薬液３の供給を行なわせるようにしておき、スピン衛星から物体の分離を行う直前に、制御器１２により開閉弁１０を開操作させて、ガス供給部８よりガス供給管９を通して導いた所要圧力のヘリウムガス１１を連通管６を経て各液滴型タンク１へ供給した後、上記スピン衛星からの物体の分離に際して、たとえば、分離直後に、制御器１２により開閉弁１０を閉じると共に、上記連通管６上の各遮断弁７を閉作動させて各液滴型タンク１間の連通を遮断する。
【００３１】
この状態にて、上記スピン衛星からの物体の分離、放出に伴い、該スピン衛星の重心Ｃが、たとえば、重心Ｇの位置へ変位すると、この変位後の重心Ｇ位置を通るようにスピン衛星のスピン軸がシフトされ、このため、上記液滴型タンク系は偏心されるようになる。このために、各液滴型タンク１内に収納されている推薬液３は、その液面が上記シフト後の新たなスピン軸を中心とする円筒面になるように、すなわち、上記各液滴型タンク１内の推薬液３は、上記新たなスピン軸に近い液滴型タンク１では減少し、上記新たなスピン軸に遠い液滴型タンク１では増加するように各液滴型タンク１間で移動しようとする。しかし、推薬液３の移動先となる液滴型タンク１では、推薬液３が流入すると、該流入する推薬液３の分だけ該液滴型タンク１内に封入されているヘリウムガス１１の体積が減少され、この体積の減少に伴ってガス圧が上昇されるようになるが、上記各液滴型タンク１内には、予め、上記ヘリウムガス１１が所要圧力、たとえば、１９６Ｎ／ｍ２と高い圧力で封入されているため、上記体積の減少によって更にガス圧が上昇されると、その反力により推薬液３の流入が阻止されるようになる。
【００３２】
このように、本発明のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置によれば、上記のようにスピン衛星におけるスピン軸がシフトして、液滴型タンク系が偏心されるようになっても、上記各液滴型タンク１間における推薬液３の移動を阻止することができる。したがって、液滴型タンク１を移動させることなく各液滴型タンク１に収納してある液体の量をほぼ均等なまま保持でき、これにより、一部の液滴型タンク１が空になって推薬液消費効率が著しく低下したり、空になった液滴型タンクからエンジンへガスが吸い込まれるようになる虞を未然に防止でき、更には、衛星−液体全系の慣性主軸に傾きが生じる虞を未然に防止できる。
【００３３】
上記のように、各液滴型タンク１内に所要圧力でヘリウムガス１１を封入し、且つ遮断弁７により連通管６を介した各液滴型タンク１同士の連通を遮断した状態であっても、該各液滴型タンク１内には、上記ヘリウムガス１１が所要圧力で封入されているため、該各液滴型タンク１からの図示しないエンジンへの推薬液３の供給は問題なく行なうことができる。その後、スピン衛星から予定されているすべての物体の分離が終了して、該スピン衛星の重心位置が初期状態の重心Ｃの位置に復帰した場合は、上記各遮断弁７を開放して、連通管６を介した各液滴型タンク１同士の連通状態を回復させるようにすればよい。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１では、連通管６を、偏心がないときのスピン軸（ｚ軸）を中心として上記各液滴型タンク１よりも内周側に配置したリング状のものとして示したが、各液滴型タンク１のガス入口５同士を連通接続でき、且つ各液滴型タンク１との接続個所同士の間に遮断弁７を設けることができれば、形状は自在に設定してよいこと、液滴型タンク系を、スピン軸の周方向に１２０度ピッチで３つの液滴型タンク１を備えてなるものとして説明したが、周方向等間隔位置に設けてあれば、２つ又は４つ以上の液滴型タンク１を備えた液滴型タンク系にも適用できること、制御器１２は、スピン衛星に装備されている他の制御装置に一体に組み込まれるようにしてもよいこと、液滴型タンク１に収納された液体の液面にガス圧を作用させるために各液滴型タンク１へ供給するガスとしてヘリウムガス１１を示したが、供給対象となる液滴型タンク１に収納されている液体と反応する虞のない気体であれば、使用環境を適宜考慮してヘリウムガス１１以外のガスを用いるようにしてもよいこと、スピン衛星に搭載される液滴型タンク系であれば、酸化剤用の液滴型タンク系等、推薬液用の液滴型タンク系以外にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明者の行った本発明の有効性を解析により検証した結果について説明する。
【００３６】
ここで、先ず、解析に用いたモデルの座標系について説明する。
【００３７】
図２は解析に用いた座標系を示すもので、図１に示したと同様に、周方向１２０度ピッチで配列された３つの液滴型タンクを備えた構成としてあるスピン衛星の液滴型タンク系において、ｚ軸を偏心がないときの重心Ｃを通るスピン軸とし、そのまわりのある基準方向をｘ軸として衛星に固定された回転座標系Ｃｘｙｚを定義して、各液滴型タンクｉ（ｉ＝１，２，３）のｘ軸方向から測った方位角をαｉとする。又、スピン衛星の推進時に作用する推進加速度による＋ｚ方向の重力を重力ｇとする。
【００３８】
更に、図２において、スピン衛星からの物体の分離に起因して変位した衛星−液体全系の重心を重心Ｇとする。これにより、スピン衛星のスピン軸は、最初のｚ軸上の位置から、上記変位後の重心Ｇを通るζ軸上の位置へシフトして、該スピン衛星は、上記ζ軸を中心に液滴型タンク系に偏心が生じた状態でスピンするものとする。
【００３９】
物体分離の具体的諸元は後の計算例で与える。本解析では、液体を含まないときの衛星本体、分離物体、液体の重心のｚ座標はいずれも０に近いものとする。このため、物体分離による衛星−液体全系の重心の変位のｚ成分は小さいものとなる。なお、このような設定が重量バランスの面で好ましく一般的に採用されているものであり、このために、上記ｚ軸とζ軸とは平行であると近似できる。図２に示された座標系は全て回転する衛星に固定された座標系であり、上で説明したＣｘｙｚ以外の座標系は、以下のように定義される。先ず、未知の重心位置のｘ，ｙ，ｚ座標をｘＧ，ｙＧ，ｚＧとすると、
【数１】
2006281907.tif 000003
となる。
【００４０】
次に、各液滴型タンクｉの中心はｘ軸から計って方位角αｉの方向にあるため、Ｃｘｙｚをｚ軸回りにαｉ回転させて、上記各液滴型タンクｉを参照するための座標系Ｃｘ１ｉｙ１ｉｚ１ｉを定めると、
【数２】
2006281907.tif 000004
となる。
【００４１】
更に、上記各液滴型タンクｉは、円錐と球が接合した形（液滴型）をしているものであるため、該各液滴型タンクｉの対称軸が−ｚ方向となす角をγとして、Ｃｘ１ｉｙ１ｉｚ１ｉをｙ１ｉ軸回りにπ−γ回転させ、原点を円錐部の頂点まで移動させて、座標系Ｏ２ｉｘ２ｉｙ２ｉｚ２ｉを定めると、
【数３】
2006281907.tif 000005
となる。
【００４２】
最後に、図２には示していないが、液体質量や重心位置などの計算に必要な、複雑な形状をした液体領域全体に亘る体積積分を便利に行うために、ｚ２ｉ軸とタンク壁面の交点を原点とすると共に、球形部の半径をａとして以下のように球座標をとる。
【数４】
2006281907.tif 000006
【００４３】
衛星−液体全系の重心を通る座標系と上記球座標との関係は、各液滴型タンクｉに関して以下の形に表せる。
【数５】
2006281907.tif 000007
【００４４】
したがって、この球座標を用いることにより、各液滴型タンク内液体の質量、重心位置、慣性テンソルが以下のように計算できる。
【数６】
2006281907.tif 000008
【数７】
2006281907.tif 000009
【数８】
2006281907.tif 000010
【数９】
2006281907.tif 000011
ここで、Ｒ積分の上限、下限となるタンク壁面、液面のＲ座標、シータ積分の上限角は幾何学的に求めるものとする。なお、この手続きの詳細は、非特許文献１に示されている。
【００４５】
次に、上記のように設定された座標系を用いて、本発明の有効性の検証を行うために用いた解析手順について説明する。
【００４６】
先ず、解くべき問題を以下のように設定する。すなわち、物体分離前、全質量Ｍｆの液体推進薬が、各タンク共通に供給されたガス圧ｐｇ０の下で各液滴型タンクｉにＭｆ／３ずつ均等配分されているとする。この条件下で、物体分離直後にガス遮断弁を閉めた後の、各液滴型タンクｉ内の液体量（定常収束値）を予測することを考える。注意すべき点は、衛星−液体全系の重心Ｇの位置が、最初に規定されて与えられるものではなく、未知であることである。すなわち、上記重心Ｇを適当に仮定して液体位置を決定し、その液体位置に基づいて衛星−液体全系の重心を求めても、求めた重心は最初に仮定した重心Ｇに一致しない。このため、求めた重心と仮定した重心とが一致するまで反復計算が必要となる。また、液体の体積を調整するための積分定数の決定と、各液滴型タンクｉの液取出口同士を接続している液取出管内の液圧連続性を満たすための各液滴型タンクｉ内液体量の決定にも反復計算を要するので、多重の反復計算ループが必要となる。
【００４７】
図３は具体的手順のフローを示すもので、以下に示すようにしてある。
【００４８】
すなわち、先ず、ステップ１（Ｓ１）として、衛星−液体全系の重心Ｇの位置を仮定し（この仮定位置をＧｏｌｄとする）、液体の平衡方程式を導く。この方程式は、ナビエ・ストークス方程式で動的な項を省略し、外力として重力、遠心力を考えてこれらと圧力勾配の間の平衡条件を課すことにより、各液滴型タンクｉ（ｉ＝１，２，３）内の液体について以下のように表せる。
【数１０】
2006281907.tif 000012
更に、これらの方程式を積分して次式を得る。
【数１１】
2006281907.tif 000013
ここで、Ｃｉは積分定数である。
【００４９】
次に、ステップ２（Ｓ２）として、各液滴型タンクｉ内の液体量Ｍｆ１（ｉ＝１，２，３）を仮定する。この仮定値に対応する各液滴型タンクｉ内に封入されるヘリウムガス１１（図１参照）の体積は、液滴型タンクｉの体積ｖｔを用いると
【数１２】
2006281907.tif 000014
となるので、各液滴型タンクｉ内のガス圧は
【数１３】
2006281907.tif 000015
となる。ここで、ｎはポリトロープ指数（この値が１のとき等温変化、１．４のとき断熱変化）、ｖｇ０は物体分離前の各液滴型タンクｉに共通のガスの体積である。
【００５０】
次いで、ステップ３（Ｓ３）として、上記式（１３）の各液滴型タンクｉ内での液圧が、液面で、上記式（１５）によって与えられるガス圧に等しくなるという条件より、液面形状を決定する方程式を
【数１４】
2006281907.tif 000016
と導き、積分定数Ｃｉを、液体の体積が仮定値（Ｍｆｉ／液体密度）に等しくなるように反復計算で決める。
【００５１】
更に、ステップ４（Ｓ４）にて、上記積分定数Ｃｉが各液滴型タンクｉに関して等しいという条件を満たすかチェックする（この条件は、任意の２つの液滴型タンクｉの液体側（液取出口２（図１参照）側）を接続している液取出管４（図１参照）内で圧力が連続であることを表す）。等しくない場合には、各液滴型タンクｉの液体量仮定値Ｍｆｉを修正してステップ２（Ｓ２）の最初に戻り、上記任意の積分定数Ｃｉが各液滴型タンクｉに関して等しくなるまで繰り返す。
【００５２】
その後、ステップ５（Ｓ５）として、上記ステップ２（Ｓ２）〜ステップ４（Ｓ４）で定まったｐｇｉ、Ｃｉによって決まる液面位置の式（１６）を用いて、衛星−液体全系の重心位置Ｇｎｏｗを計算する。
【００５３】
しかる後、ステップ６（Ｓ６）にて、上記ステップ５（Ｓ５）により算出されるＧｎｏｗが、上記ステップ１（Ｓ１）で最初に仮定したＧｏｌｄに一致するかチェックする。一致しなければ、Ｇｏｌｄを修正してステップ１（Ｓ１）からの過程をＧｎｏｗがＧｏｌｄに一致するまで繰り返す。
【００５４】
（１）
以上の解析手順を用いて、以下の条件の下で計算を行った。
【００５５】
推進薬の密度ρ＝１００９ｋｇ／ｍ３、スピン速度Ω＝１２０ｒｐｍ、重力ｇ＝０．５ｍ／ｓ２、タンクの球形部の半径ａ＝０．２４ｍ、タンク円錐部の頂点の位置のｚ１ｉ軸からの距離Ｌ＝０．５５ｍ、ｘ１ｉｙ１ｉ平面からの高さ位置Ｈ＝０．２７８ｍ、各液滴型タンクｉの円錐部の半頂角θｃ＝４０ｄｅｇ、各液滴型タンクｉの中心線とｚ軸のなす角γ＝４２ｄｅｇとする。
【００５６】
更に、各液滴型タンクｉの球形部中心のｘ軸からの方位角αｉを、図４にモデル図を示す如く、α１＝２１０ｄｅｇ、α２＝９０ｄｅｇ、α３＝−３０ｄｅｇと設定する。
【００５７】
又、衛星本体の液体を保有しないときの質量、慣性モーメント、慣性乗積は、それぞれ、Ｍｒ０＝２００ｋｇ、Ｉｒ０ｘｘ＝Ｉｒ０ｙｙ＝６０ｋｇｍ２、Ｉｒ０ｚｚ＝８０ｋｇｍ２、Ｉｒ０ｘｙ＝Ｉｒ０ｙｚ＝Ｉｒ０ｙｚ＝０、と設定する。
【００５８】
更に又、２個の分離物体の重心位置を、図４に示す如く、衛星本体外周部の方位角３０ｄｅｇと２１０ｄｅｇの位置で、重心は共に円（ｘ２＋ｙ２）１／２＝０．９ｍ、ｚ＝０上としてある。更に、上記各分離物体ｊ（ｊ＝１，２）の質量、主軸回りの慣性モーメントと慣性乗積は、それぞれ、Ｍｒｊ＝４０ｋｇ、Ｉｒｊｘ´ｘ´＝Ｉｒｊｙ´ｙ´＝４ｋｇｍ２、Ｉｒｊｚ´ｚ´＝０．４ｋｇｍ２、Ｉｒｊｘ´ｙ´＝Ｉｒｊｙ´ｚ´＝Ｉｒｊｚ´ｘ´＝０
ただし、各分離物体ｊの主軸ｘ´，ｙ´，ｚ´はそれぞれｘ，ｙ，ｚ軸に平行、とする。
【００５９】
上記の条件の下で、第１の分離物体（ｊ＝１）のみを分離するに当り、本発明のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置を適用して、物体分離直前に各液滴型タンクｉの液面側にガスを供給した後、この供給されたガス圧が液滴型タンクｉ間にて連通管６を通って他の液滴型タンクにｉ移動しないように上記連通管６上の遮断弁７を閉じた場合について、各液滴型タンクｉごとに収納されることとなる液体量Ｍｆｉ、衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔ、各液滴型タンクｉ内液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉを算出し検証した。結果を、図５（イ）（ロ）（ハ）にそれぞれ示す。
【００６０】
なお、図５（イ）及び図５（ハ）において、実線は液滴型タンクｉ＝１についての結果を示し、破線は液滴型タンクｉ＝２及びｉ＝３の場合をそれぞれ示している。（後述する比較例の結果図６（イ）及び図６（ハ）でも同様である。）
図５（イ）に示した各液滴型タンクｉごとに収納される液体量Ｍｆｉの計算結果から、本発明を適用することにより、上記第１の物体の分離に伴って重心位置が重心Ｃより重心Ｇへ変位してスピン衛星のスピン軸がｚ軸位置からζ軸位置へシフトし、これにより液滴型タンク系が偏心した状態においても、各液滴型タンクｉの液体量をほぼ均等な状態で保持できることが判明した。
【００６１】
又、図５（ロ）に示した衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔの計算結果から、慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角を後述する比較例に比して低減できることが判明した。
【００６２】
更に、図５（ハ）に示した各液滴型タンクｉ内液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉの計算結果から、各液滴型タンクｉ内の液体の重心のｚ座標の差異を小さく抑えることができることが判明した。これは、上記図５（イ）の結果から明らかなように、各液滴型タンクｉ内の液体量がほぼ均等化されているためであり、したがって、該各液滴型タンクｉごとの内部の液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉの差異が小さくなることに起因して、上記図５（ロ）に示したように、衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔが小さく抑えられるようになることが判明した。
【００６３】
（２）
比較として、上記と同様な条件下において、物体分離直前に各液滴型タンクｉの液面側に供給して作用させるガス圧を、ｐｇ０＝０（Ｎ／ｍ２）とした場合について、図５（イ）（ロ）（ハ）と同様に、各液滴型タンクｉごとに収納されることとなる液体量Ｍｆｉ、衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔ、各液滴型タンクｉ内液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉを算出し検証した。結果を、図６（イ）（ロ）（ハ）にそれぞれ示す。
【００６４】
図６（イ）の各液滴型タンクｉごとに収納されることとなる液体量Ｍｆｉの結果から、物体分離直前にガス圧を作用させない場合には、各液滴型タンクｉ内の液体量に大きなアンバランスが生じ、推薬液３の量が４０ｋｇ程度のときに、多くの推薬液３が残っているにもかかわらず、液滴型タンクｉ＝１が空になってしまうことが分かる。このように空の液滴型タンクｉが生じる液体量を、臨界液体量と呼ぶことにする。
【００６５】
図６（ロ）に示す衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔから明らかなように、慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角は、臨界液体量付近で最大になることが判明した。
【００６６】
この理由としては、液滴型タンクｉが球に円錐を接合したような形状としてあることから、図６（ハ）に示す如く、各液滴型タンクｉ内液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉ（ｉ＝１，２，３）が、液滴型タンクｉ内の液体量が少なくなると、急に増加するため、各液滴型タンクｉ間で内部の液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉ（ｉ＝１，２，３）の差異が大きくなる。このため、上記図６（ロ）に示したように、慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角が、臨界液体量付近で最大になるからである。
【００６７】
したがって、上記図５（イ）（ロ）（ハ）の結果でそれぞれ述べた、各液滴型タンクｉの液体量Ｍｆｉをほぼ均等な状態で保持できる効果、衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角θｔｉｌｔを低減できる効果、及び、各液滴型タンクｉ内液体の重心のｚ座標ｚｆＧｉの差異を小さく抑えることができる効果は、いずれも本発明のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置による効果であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明のスピン衛星における物体分離時の液体移動防止方法及び装置の実施の一形態を示す概要図である。
【図２】本発明の効果を検証するために用いた液滴型タンク系の座標系を示すもので、（イ）は液滴型タンク系を平面的に示した図、（ロ）は（イ）におけるＡ−Ａ矢視方向より示した図である。
【図３】本発明の有効性の検証を行うために用いた解析手順のフローを示す図である。
【図４】本発明の有効性の検証を行うための解析に用いた液滴型タンク系及び分離物体の配置を示す図である。
【図５】本発明の有効性の検証を行うための解析の計算結果を示すもので、（イ）は各液滴型タンクごとに収納されることとなる液体量、（ロ）は衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角、（ハ）は各液滴型タンク内液体の重心のｚ座標を、液滴型タンク系の全液体量との相関としてそれぞれ示すグラフである。
【図６】比較例として、物体分離直前に各液滴型タンクヘガス圧を作用させない状態で物体分離した場合における解析の計算結果を示すもので、（イ）は各液滴型タンクごとに収納されることとなる液体量、（ロ）は衛星−液体全系の慣性主軸のｚ軸方向からの傾き角、（ハ）は各液滴型タンク内液体の重心のｚ座標を、液滴型タンク系の全液体量との相関としてそれぞれ示すグラフである。
【図７】一般に用いられている液滴型タンク系を示すもので、（イ）は概略平面図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。
【図８】スピン衛星より物体を分離することにより重心位置が当初の重心位置よりずれるときにも、各液滴型タンクの推薬液配分量を均等に保持できるようにするために従来提案されている手法を示すもので、（イ）は重心位置の変位に伴って各液滴型タンクの推薬液量に差が生じた状態を、（ロ）は空になる虞のある液滴型タンクを移動させた状態をそれぞれ示す概要図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  液滴型タンク（タンク）
２  液取出口
４  液取出管
５  ガス入口
６  連通管
７  遮断弁
８  ガス供給部
１１  ヘリウムガス（ガス）
１２  制御器
【図１】
2006281907.tif 000017
【図２】
2006281907.tif 000018
【図３】
2006281907.tif 000019
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006281907.tif 000022
【図７】
2006281907.tif 000023
【図８】
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