(57)【要約】【課題】故障した宇宙航行機の牽引作業並びに廃棄除去作業を容易且つ安全に行なうことができるようにする。【解決手段】軌道上の宇宙航行機１００を牽引するための牽引装置１はケーブル１０を備えており、該ケーブル１０の第１端１１は、牽引される状況になり得る宇宙航行機１００に恒久的に連結しておくための端部であり、該ケーブル１０の第２端１２は、牽引のために少なくとも一時的に牽引宇宙航行機２００に連結可能に構成されている。前記ケーブル１０の前記第２端１２に、連結部材１３と位置合せ支援部材１４とが取付けられている。前記連結部材１３は、前記牽引宇宙航行機２００に装備されている相手側連結部材２１３に機械的に連結するための部材であり、前記位置合せ支援部材１４は、前記牽引宇宙航行機２００が前記連結部材１３を容易に検出できるようにするための部材である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道上の宇宙航行機（１００）を牽引するための牽引装置（１）において、
ケーブル（１０）を備えており、該ケーブル（１０）の第１端（１１）は、牽引される状況になり得る宇宙航行機（１００）に恒久的に連結しておくための端部であり、該ケーブル（１０）の第２端（１２）は、牽引のために少なくとも一時的に牽引宇宙航行機（２００）に連結可能に構成されており、
前記ケーブル（１０）の前記第２端（１２）に、連結部材（１３）と位置合せ支援部材（１４）とが取付けられており、前記連結部材（１３）は、前記牽引宇宙航行機（２００）に装備されている相手側連結部材（２１３）に機械的に連結するための部材であり、前記位置合せ支援部材（１４）は、前記牽引宇宙航行機（２００）が前記連結部材（１３）を容易に検出できるようにするための部材である、
ことを特徴とする牽引装置。
【請求項２】
前記ケーブル（１０）の前記第２端（１２）に、前記ケーブル（１０）及び／または前記宇宙航行機（１００）の首振り運動を抑制するように質量（１９）が付与されていることを特徴とする請求項１記載の牽引装置。
【請求項３】
前記質量（１９）は前記連結部材（１３）及び／または前記位置合せ支援部材（１４）によって提供されていることを特徴とする請求項２記載の牽引装置。
【請求項４】
前記ケーブル（１０）の長さが５ｍ〜２５ｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項５】
前記連結部材（１３）は規格化されたアダプタであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項６】
前記位置合せ支援部材（１４）は反射部材及び／または永久磁石部材から成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項７】
前記ケーブル（１０）をまとめた状態で収容するケーブル収容機構（１５）を備えており、制御信号を受取ったならば、該ケーブル収容機構（１５）は、前記牽引宇宙航行機（２００）に装備されている前記相手側連結部材（２１３）に前記ケーブル（１０）を連結して前記宇宙航行機（１００）を牽引できるようにするために、前記ケーブル（１０）を放出することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項８】
前記ケーブル収容機構（１５）は、前記ケーブル（１０）の放出を制御するトリガ装置（１６）に接続されていることを特徴とする請求項７記載の牽引装置。
【請求項９】
前記トリガ装置（１６）は電気的に作動する装置であることを特徴とする請求項８記載の牽引装置。
【請求項１０】
前記トリガ装置（１６）は自立型電源（１７）から電力の供給を受けるようにしてあることを特徴とする請求項９記載の牽引装置。
【請求項１１】
前記トリガ装置（１６）は機械的に作動する装置であることを特徴とする請求項８乃至１０の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項１２】
前記トリガ装置（１６）に接続された検出手段（１８）を備えており、該検出手段（１８）は、牽引宇宙航行機（２００）の接近を検出するように構成され、且つ、所定距離以内への接近が検出されたならば、前記ケーブル（１０）の放出を開始させるための制御信号を前記トリガ装置（１６）へ送出するように構成されていることを特徴とする請求項８乃至１１の何れか１項記載の牽引装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１項記載の牽引装置（１）を備えたことを特徴とする宇宙航行機。
【請求項１４】
請求項１乃至１２の何れか１項記載の牽引装置（１）のケーブル（１０）の前記第２端（１２）に装備されている連結部材（１３）と機械的に連結させるための相手側連結部材（２１３）を備えていることを特徴とする牽引宇宙航行機。
【請求項１５】
前記牽引装置（１）に装備されている前記連結部材（１３）の位置合せ支援部材（１４）を検出するための検出手段（２１４）を備えていることを特徴とする請求項１４記載の牽引宇宙航行機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軌道上の宇宙航行機を牽引するための牽引装置に関する。本発明は更に、例えば人工衛星などの宇宙航行機並びに牽引宇宙航行機に関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙空間の利用がこれまで長期に亘って行なわれ、また、より多くの用途に利用されるようになりつつあることから、多くのスクラップが発生しており、その発生したスクラップによって、例えば衛星や有人宇宙船などの宇宙航行機が危険にさらされている。一般的に、宇宙航行機は、その使用寿命が尽きるときに、自律的な制御によってみずからを「廃棄除去」するようにしておくべきである。しかしながら、使用寿命が尽きる前に宇宙航行機に故障が発生したならば、その故障の状況によっては、自律的な廃棄除去が確実に実行されるとは限らない。
【０００３】
そこで考え出されたのが、故障した宇宙航行機を、牽引宇宙航行機と呼ばれる特別の宇宙航行機によって廃棄除去することである。これを行なうには、故障した例えば衛星などの宇宙航行機の直近まで牽引宇宙航行機を航行させ、そして、その牽引宇宙航行機をエンジンノズルなどの適宜の箇所にドッキングさせる必要がある。しかしながらこのドッキング作業は容易ではなく、それは、故障した宇宙航行機はしばしば首振り運動（歳差運動）をしているからである。しかも、その故障した宇宙航行機と接触することは絶対に避けなければならず、なぜならば、もし接触したならば牽引宇宙航行機が損傷を被るおそれがあるからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の目的は、故障した宇宙航行機の牽引作業を容易且つ安全に行なうことのできる牽引装置を提案することにある。また更に、故障した宇宙航行機の牽引作業並びに廃棄除去作業を容易且つ安全に行なえる宇宙航行機並びに牽引宇宙航行機を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えた牽引装置、請求項１３に記載した特徴を備えた宇宙航行機、それに、請求項１４に記載した特徴を備えた牽引宇宙航行機によって達成される。従属請求項は、特に有利な構成例の特徴を記載したものである。
【０００６】
本発明は軌道上の宇宙航行機を牽引するための牽引装置を提供する。この牽引装置はケーブルを備えており、該ケーブルの第１端は、牽引される状況になり得る宇宙航行機に恒久的に連結しておくための端部であり、該ケーブルの第２端は、牽引のために少なくとも一時的に牽引宇宙航行機に連結可能に構成されており、前記ケーブルの前記第２端に、連結部材と位置合せ支援部材とが取付けられており、前記連結部材は、前記牽引宇宙航行機に装備されている相手側連結部材に機械的に連結するための部材であり、前記位置合せ支援部材は、前記牽引宇宙航行機が前記連結部材を容易に検出できるようにするための部材である。
【０００７】
前記宇宙航行機及び前記牽引宇宙航行機は例えば衛星などである。ただし衛星のみに限られず、それらは有人宇宙航行機であってもよい。
【０００８】
前記牽引装置は、故障の発生に対処するための備えとして、新たに打ち上げる宇宙航行機の各々に装備しておくことが好ましく、そうしておくことによって、故障が発生した場合にその牽引装置を用いて牽引を行なうことができる。
【０００９】
以上の構成において、本発明に係る前記牽引装置に備えられている前記ケーブルは、牽引宇宙航行機とそれに牽引される宇宙航行機との間に十分な離隔距離を確保した状態で、両者を「ドッキング」することを可能にしており、これによって、牽引宇宙航行機とそれに牽引される宇宙航行機とが衝突するおそれが非常に小さくなっている。また、本発明に係る前記牽引装置は、それを宇宙航行機に装備するに際して、当該宇宙航行機の非常に小さな設置空間しか占有せずに設置し得るものである。また、故障した宇宙航行機を牽引することに関しては、その基本的な利点として、更に多くの宇宙廃棄物を作り出すことになる衝突の発生を防止できるということがある。また、前記牽引装置の前記ケーブルの先端に前記位置合せ支援部材を備えたことにより、前記牽引宇宙航行機が前記ケーブルの先端の位置特定を容易に行なえるようになっている。またそれにより、前記連結部材と前記相手側連結部材との連結が容易に且つ迅速に行なえるようになっている。
【００１０】
前記ケーブルの前記第２端に、前記ケーブル及び／または前記牽引される側の宇宙航行機の首振り運動を抑制するように質量が付与されている構成とすることが好ましい。牽引される側の宇宙航行機は多くの場合、首振り運動をする状態に陥っているものであり、この首振り運動が発生している場合には、牽引宇宙航行機のドッキング作業が本来的に困難な作業とならざるを得ない。そこで、牽引される側の宇宙航行機の慣性モーメントを増大させることで、場合により発生する首振り運動を抑制できるようにするために、前記牽引宇宙航行機に連結するための端部である前記ケーブルの前記先端に質量を付与するのである。これによって、前記牽引装置の前記ケーブルの前記第２端に装備されている前記連結部材と、前記牽引宇宙航行機に装備されている前記相手側連結部材とを連結する作業が容易になる。前記質量が前記連結部材及び／または前記位置合せ支援部材それ自体によって提供されている構成とすることは特に好ましく、なぜならば、そのような構成では、その他の部材を付加する必要がないからである。
【００１１】
牽引作業を実行するに際して、牽引される側の故障した宇宙航行機と牽引宇宙航行機との衝突を防止するには、前記ケーブルの長さを５ｍ〜２５ｍとすると好都合であり、また特に８ｍ〜１２ｍとするとよく、多くの場合１０ｍとすることが好ましい。
【００１２】
更なる構成例として、前記連結部材を、規格化されたアダプタとするのもよい。そうすれば、１基の牽引宇宙航行機によって、様々な構造の宇宙航行機を牽引することが可能になる。
【００１３】
更に、前記牽引宇宙航行機が、前記ケーブルの先端である前記第２端の検出及び捕捉を容易に行なえるようにするために、前記位置合せ支援部材を反射部材及び／または永久磁石部材から成るものとするのもよい。前記反射部材は、光を利用した検出方式に対応した反射部材とすることもでき、ＲＦ（無線周波数）を利用した検出方式に対応した反射部材とすることもできる。前記反射部材及び／または前記永久磁石部材は、前記ケーブルの前記連結部材の表面に取付けるようにしてもよく、その内部に装備するようにしてもよい。同様に、前記連結部材それ自体を反射性及び／または永久磁性を有する部材とするのもよい。そうすることによって、前記連結部材と前記牽引宇宙航行機に装備されている前記相手側連結部材との当接箇所の構造を簡明化することができる。更に、前記連結部材と前記相手側連結部材との連結箇所の構造に応じて、ロックとロック解除とが可能なロック機構を装備するのもよく、そうすることによって、所定の限界荷重が作用するまでは、前記連結部材と前記相手側連結部材との機械的な連結状態が確実に維持されるようにすることができる。
【００１４】
特に好適な更なる構成例によれば、前記牽引装置は、前記ケーブルを省スペース状態で収容するケーブル収容機構を備えており、制御信号を受取ったならば、該ケーブル収容機構は、前記牽引宇宙航行機に装備されている前記相手側連結部材に前記ケーブルを連結して前記宇宙航行機を牽引できるようにするために、前記ケーブルを放出する。従って、前記ケーブルの前記第１端は、前記ケーブル収容機構を介して、牽引される状況になり得る宇宙航行機に機械的に連結されることになる。かかるケーブル収容機構を備えることにより、前記宇宙航行機が故障を発生するまでは、前記ケーブルを該ケーブル収容機構に収容しておくことができる。制御信号を受取ったときにはじめて、前記ケーブルは前記ケーブル収容機構により解放されて、故障した宇宙航行機から離れる方向へ移動し、そして、前記牽引宇宙航行機が、牽引及び廃棄除去を実行するために当該ケーブルを捕捉することができるようになる。
【００１５】
更に、前記ケーブル収容機構は、前記ケーブルの放出を制御するトリガ装置に接続されているようにすることが好ましい。そうした場合の１つの構成例として、前記トリガ装置を電気的に作動する装置とするのもよい。この構成例では更に、前記宇宙航行機の電気系統に故障が発生した場合にも、前記トリガ装置の機能を維持できるように、前記トリガ装置が自立型電源から電力の供給を受けるようにしており、そして、その供給電力によってトリガ動作が実行され、ひいては前記ケーブル収容機構からの前記ケーブルの放出が実行されるようにしている。前記トリガ装置を、電気的に作動する装置とすることに替えて、機械的に作動する装置としてもよく、或いは、電気的にも機械的にも作動する装置としてもよい。それらの場合には、例えば蓄勢スプリングなどを備えるようにして、前記自立型電源が故障したときなどには、そのスプリングの弾発力によって前記ケーブルが放出されるようにしておくとよい。前記トリガ装置を電気的にも機械的にも作動する装置とすることは、ケーブルを放出するための構成に冗長性を付与する（即ち、フェイル・セーフ方式とする）ことができるという点で好ましいものである。
【００１６】
更に、前記牽引装置が、前記トリガ装置に接続された検出手段を備えており、該検出手段が、牽引宇宙航行機の接近を検出するように構成され、且つ、例えば所定距離以内への接近が検出されたならば、前記ケーブルの放出を開始させるための制御信号を前記トリガ装置へ送出するように構成されているようにするのもよい。これに関して、前記検出手段と前記牽引宇宙航行機とは、例えば相互通信などを行なうようにするとよく、その相互通信は例えば赤外線インターフェースなどを介して行なうようにするとよい。牽引される側の前記宇宙航行機が前記牽引宇宙航行機の接近を検出する方式は、光を利用した検出方式とするのもよい。ただし、その接近を検出する検出方式は、その他の様々な検出方式とすることもできる。
【００１７】
本発明は更に、以上に記載した構成の牽引装置を備えたことを特徴とする例えば衛星などの宇宙航行機を提供するものである。本発明に係る宇宙航行機は、本発明に係る牽引装置に関して以上に述べた利点と同じ利点を有するものである。
【００１８】
本発明は更に、以上に記載した構成の牽引装置のケーブルの前記第２端に装備されている連結部材と機械的に連結させるための相手側連結部材を備えていることを特徴とする、例えば（牽引）衛星などの牽引宇宙航行機を提供するものである。
【００１９】
特に好適な更なる構成例においては、前記牽引宇宙航行機が、前記牽引装置に装備されている前記連結部材の位置合せ支援部材を検出するための検出手段を備えている。この構成例では、前記牽引宇宙航行機の前記検出手段は、例えばカメラや、その他の様々なセンサから成るものとすることができる。
【００２０】
以下に、図面に示した実施の形態に即して、本発明について更に詳細に説明して行く。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る牽引装置の模式図であり、この牽引装置は、牽引される状況になり得る宇宙航行機に、即ち、故障したならば牽引宇宙航行機によって牽引されて廃棄除去される宇宙航行機に装備されている。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に参照符号１を付して示したのは本発明に係る牽引装置である。牽引装置１は、牽引される状況になり得る宇宙航行機１００（以下、衛星と称する）に取付けられている。牽引装置１は、故障した衛星１００に牽引宇宙航行機２００（以下、牽引衛星と称する）が連結するのを容易にする「牽引支援機構」である。本発明に係る牽引装置１の利点を享受するには、新たに打ち上げる衛星１００の各々にこの牽引装置１を装備しておくようにする。
【００２３】
牽引装置１はケーブル１０を備えており、このケーブル１０の第１端１１は、牽引装置１のケーブル収容機構１５の表面または内部に止着されている。また、ケーブル１０の先端である第２端１２は、衛星１００を牽引するために少なくとも一時的に牽引衛星２００に連結できるように構成されている。ケーブル１０の第２端１２には連結部材１３が備えられており、この連結部材１３は、牽引衛星２００に装備されている相手側連結部材２１３に機械的に連結するための部材である。牽引衛星２００が連結部材１３の認識及び捕捉を容易にできるようにするために、第２端１２には更に、牽引衛星２００が連結部材１３を容易に検出できるようにするための位置合せ支援部材１４が備えられている。位置合せ支援部材１４は、例えば反射部材及び／または永久磁石部材などから成るものとするとよい。位置合せ支援部材１４と連結部材１３とは、図１に模式図で示した構成では、２個の個別の部材とされているが、ただし、このように個別の部材とすることは必ずしも必要ではない。即ち、連結部材１３それ自体を、反射性及び／または永久磁性を有する部材として構成することによって、相手側連結部材２１３の側から連結部材１３を容易に認識及び捕捉できるようにするのもよい。
【００２４】
衛星１００が故障したときに、その故障した衛星はしばしば首振り運動（歳差運動）をしており、そのことが牽引作業を困難にしている。そこで、ケーブル１０の先端である第２端１２に質量を付与することにより、故障した衛星１００の慣性モーメントを増大させることが考えられる。これによって、場合によって発生している首振り運動が抑制されるため、捕捉作業が、また特に、連結部材１３と相手側連結部材２１３との連結作業が容易になる。このような質量を付与するには、ケーブル１０の第２端１２に適宜の部材を付加することが考えられる。或いはまた、連結部材１３及び／または位置合せ支援部材１４によって、このような質量が提供されているようにするのもよい。
【００２５】
ケーブル収容機構１５は、衛星１００が故障を発生していない限りは、ケーブル１０を省スペース状態（即ち、コンパクトにまとめた状態）で収容している。トリガ装置１６が制御信号を受取ったならば、ケーブル収容機構１５は、牽引衛星２００に装備されている相手側連結部材２１３にケーブル１０を連結して衛星１００を牽引できるようにするために、ケーブル１０を放出する。トリガ装置１６への制御信号の送出は、例えば、牽引衛星２００の接近が検出されときに、その時点で衛星１００に故障が発生していたならば、この制御信号の送出が行なわれるようにしておくとよい。牽引装置１は更に、トリガ装置１６に接続された検出手段１８を備えており、この検出手段１８は牽引衛星２００の接近を検出するように構成されている。牽引衛星２００の接近を判定する判定条件が満たされたならば、この検出手段１８がトリガ装置１６へ制御信号を送出するようにしてあり、それによってケーブル収容機構１５がケーブル１０を放出するように制御される。
【００２６】
その具体例としては、例えば光センサやレーダなどを用いて、所定距離以内への接近を検出手段１８が検知できるようにしておくとよい。牽引衛星２００を衛星１００に接近させる接近作業は、例えば双方向通信リンクによる交信を行ないながら実行するようにするのもよい。またその場合には、基本的に、それら牽引衛星２００と衛星１００との各々に適宜の通信インターフェースを装備しておけばよく、例えば赤外線インターフェースなどを用いることができる。
【００２７】
トリガ装置１６が制御信号を受取ることによって牽引装置１はトリガされ、即ち、ケーブル収容機構１５が作動してそれまで収容していたケーブル１０を放出する。衛星１００の電源が故障したときにもケーブル１０の放出が確実に行なわれるようにするために、牽引装置１は、例えば独立した太陽電池などの、自立型電源１７を備えたものとすることが好ましい。自立型電源１７からは、少なくとも検出手段１８に電力を供給するようにしておく。また、トリガ装置１６が電気的に作動する装置である場合には、自立型電源１７がトリガ装置１６にも電力を供給するようにしておくのがよい。これに加えて更に、トリガ装置１６ないしケーブル収容機構１５に例えば蓄勢スプリングなどの機械的な作動機構を備えて、そのスプリングの弾発力でケーブル１０を放出できるようにしておくとよい。こうすることで、牽引装置１が果たすべき機能に関して冗長性を確保することができる。即ち、牽引装置１の電源が故障した場合には、例えばスプリングの弾発力などによってケーブル１０が自動的に放出されるようにしておくことができる。これによって、いかなる状況下でも牽引衛星２００をドッキングさせるためのドッキング部位を確実に利用することができるようになる。
【００２８】
ケーブル１０の長さは５ｍ〜２５ｍであり、また特に８ｍ〜１２ｍとするとよく、多くの場合、約１０ｍとすることが好ましい。かかる長さとすることで、牽引の実行中に牽引衛星２００と牽引される衛星１００との間に十分な距離を確保することができる。またそれによって衝突を防止することができる。
【００２９】
牽引衛星２００に装備されている相手側連結部材２１３は、図示例では牽引衛星２００の捕捉アーム２１０に取付けられている。この構成とすることで、連結部材１３を捕捉するために、相手側連結部材２１３を移動制御することができる。更に、捕捉アーム２１０は、複数の関節を備えた多関節型アームとするのがよく、そうすることで、相手側連結部材２１３の移動性能を最大限に確保することができる。
【００３０】
更に、牽引衛星２００は、牽引装置１の連結部材１３の位置合せ支援部材１４を検出するための検出手段２１４を備えている。この検出手段２１４は、光センサ、無線検出センサ、或いはその他の適宜のセンサを用いて検出を行なうものとすることができる。
【００３１】
１基の牽引衛星２００が、できるだけ多くの（故障した）衛星１００の牽引及び廃棄除去を行なえるようにするために、連結部材１３（及び相手側連結部材２１３）は、規格化されたアダプタとして構成されたものとすることが好ましい。そうすることで、連結作業が実行容易となり、ひいては、１基の牽引衛星に何度もの任務を実行させることが可能になる。
【００３２】
位置合せ支援部材１４は、好ましくは連結部材１３と協働して、牽引されることになる衛星１００の首振り運動を抑制する質量１９を構成するものであり、この位置合せ支援部材１４を付加することによって、牽引衛星２００に複雑な捕捉システムを装備する場合と比較して、牽引衛星２００を格段に低コストのものとすることができ、なぜならば、首振り運動が抑制されるために捕捉作業が容易となり、双方の連結部材１３、２１３を連結する作業が容易となるからである。
【符号の説明】
【００３３】
１  牽引装置
１０  ケーブル
１１  ケーブルの第１端
１２  ケーブルの第２端
１３  連結部材
１４  位置合せ支援部材
１５  ケーブル収容機構
１６  トリガ装置
１７  電源
１８  検出手段
１９  質量
１００  宇宙航行機（衛星）
２００  牽引宇宙航行機（牽引衛星）
２１０  捕捉アーム
２１３  連結部材１３の相手側連結部材
２１４  検出手段
【図１】
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