(57)【要約】【課題】球殻を支持するボス部境界で応力が大きくなることを防止しつつ、簡易な構成でタンク殻を支えることが可能なタンクを提供する。【解決手段】タンク１０は、複数の金属板１１により形成された球殻１２と、該球殻１２の表面の赤道部となる大円部１３に沿って取り付けられた複数のタブ１４と、を有する構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属板により形成された球殻と、
該球殻の表面の大円部に沿って取り付けられた複数のタブと、を有することを特徴とするタンク。
【請求項２】
前記各タブは、前記大円部に沿って固着される基端部と、この基端部より幅狭にされた先端部とを有する形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のタンク。
【請求項３】
前記タブは、前記球殻の大円部の曲率半径と同じ曲率をなす湾曲状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のタンク。
【請求項４】
前記各タブの先端部は、球殻を支持するタンク支持構造物に回動自在に軸支されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のタンク。
【請求項５】
前記タンク支持構造物は、前記球殻に面した側の上部が内側に傾斜する傾斜部を有しており、
前記各タブは、その先端部が前記タンク支持構造物の傾斜部に連結された状態で、前記球殻に対して接線をなすように配置されていることを特徴とする請求項４に記載のタンク。
【請求項６】
前記球殻の大円部に沿って固定されたベルト状の取り付け部材に、前記タブの基端部が固定されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のタンク。
【請求項７】
前記球殻の表面の大円部に沿って前記タブが等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のタンク。
【請求項８】
前記タブを取り付ける範囲は、周方向に１／４周ずつ位置をずらして間欠的に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のタンク。
【請求項９】
金属板により形成された球殻表面の大円部に沿って複数のタブを取り付け、このタブを介して前記球殻を支持構造物に支持させる方法であって、
前記各タブは、前記大円部に沿って固着される基端部と、この基端部より幅狭にされた先端部とを有する形状をなすことを特徴とするタンクの支持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、宇宙空間で使用される姿勢制御用エンジンシステム等の推進系に燃料又は各種流体を供給する球殻状のタンクおよびその支持方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、人工衛星の推進系は、タンクモジュール、注排弁モジュール、スラスタモジュールなど複数のモジュールで構成される。
その中でも、特にタンクモジュールは、重量の大部分を占めており、推進系の信頼性を左右する重要なモジュールである。推進系のタンクには燃料タンクや、酸化剤タンク、高圧ガスタンクなど数種類があるが、そのほとんどが高圧の流体を収容することから、球殻構造であり、球殻を衛星構体からブラケットやロッドなどで支持する構造である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、タンクモジュールとしての薄肉型タンクが示されている。この特許文献１のタンクモジュール１は、図１０及び図１１に示されるように、球体を形成しその内部に燃料又はその他、各種流体が貯留されるタンク殻２と、該タンク殻２の板厚方向の軸上に沿うようにタンク殻２の支持点を２箇所有するブラケット３とを具備し、ブランケット３を介して球殻２をベースＢ上に支持する構成である。該ブラケット３は、タンク殻２上に溶接されたボス部４との間に設置されたジョイント（図示略）を介して、該タンク殻２に接続される構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２２６６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示される薄肉型タンクは、支持軸であるブラケット３の先端部が、ジョイント部（図示略）を介在してタンク殻２上のボス部４に連結される構成であるので、図１２及び図１３に示されるように、タンク殻２に対して内圧や静的加速度をかけると、ボス部４の境界周辺にてタンク殻２に加わる応力が大きくなり、内圧や振動といった機械環境により損傷するリスクがある。
図１２では、タンク殻２にかかる応力の程度が、経線と緯線とによって区画されたメッシュ毎に、ドット濃度の薄いＡ１（低応力）〜ドット濃度の濃いＡ６（高応力）により段階的に示されている。特に、図１３に示すように、ボス部４の境界周辺にかかる応力（符号Ｓ１で示す）は、ボス部４の境界周辺以外の応力（符号Ｓ２で示す）と比較して、全体的に高くなる傾向を示している。
【０００６】
さらに、損傷のリスクを低減するためにはタンク殻２の板厚を厚くすることが最も有効な方法であるが、板厚を厚くすると重量が増えるという問題が一方で生じる。
衛星は、ロケットで打ち上げるため重量に制限があり、タンクの重量増加は衛星全体の重量増加に繋がることから好ましいことではない。
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、球殻を支持するボス部境界で応力が大きくなることを防止しつつ、簡易な構成でタンク殻を支えることが可能なタンクを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
すなわち、本発明のタンクは、複数の金属板により形成された球殻と、該球殻の表面の大円部に沿って取り付けられた複数のタブと、を有することを特徴とする。
【０００９】
そして、上記のように構成された発明では、複数の金属板により形成された球殻と、該球殻の表面の大円部に沿って取り付けられた複数のタブと、を有するタンクであるので、大円部上の複数のタブを介して球殻をタンク支持構造物などに吊るすようにすれば、特定のタブにおいて球殻との連結部に応力が集中することが防止され、該球殻に対して無理な力が加わることが防止される。
また、複数のタブは球殻の表面の大円部に沿って取り付けられているので、隣接するタブ間における球殻の大円部に沿う測地線と、該タブ間の最短距離との差異が、タブが大円部以外の外周面にある場合と比較して小さくなる。その結果、球殻上の隣接するタブ間に捩じれ等の応力が生じることが防止され、安定した球殻の支持構造が実現される。
また、球殻の大円部に複数のタブを取り付けるだけの構成であるので、従来のボスによる支持構造と比較して、簡易な構成でタンクの球殻を支えることが可能となる。
【００１０】
また、本発明では、前記各タブは、前記大円部に沿って固着される基端部と、この基端部より幅狭にされた先端部とを有する形状をなすことを特徴とする。
【００１１】
そして、上記のように構成された発明では、各タブは、大円部に沿って固着される基端部と、この基端部より幅狭にされた先端部とを有する形状をなしているので、該幅狭に形成された箇所にて重量が軽減され、これによって全体の軽量化を図ることができる。
【００１２】
また、本発明では、前記タブは、前記球殻の大円部の曲率半径と同じ曲率をなす湾曲状に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
そして、上記のように構成された発明では、球殻の大円部の曲率半径と同じ曲率をなす湾曲状にタブが形成されることで、該タブが球殻に密着し、該タブと球殻との間に歪が発生することを防止できる。また、平板から製造し易く、その製造コストを低く抑えることができる。
【００１４】
また、本発明では、前記各タブの先端部は、球殻を支持するタンク支持構造物に回動自在に軸支されていることを特徴とする。
【００１５】
そして、上記のように構成された発明では、各タブの先端部は、球殻を支持するタンク支持構造物に回動自在に軸支されることによって、該タンク支持構造物と球殻との間で生じる歪が、タブの回動部分で吸収され、これにより球殻とタブとの固着箇所で余計な応力が生じることが防止される。
【００１６】
また、本発明では、前記タンク支持構造物は、前記球殻に面した側の上部が内側に傾斜する傾斜部を有しており、前記各タブは、その先端部が前記タンク支持構造物の傾斜部に連結された状態で、前記球殻に対して接線をなすように配置されていることを特徴とする。
【００１７】
そして、上記のように構成された発明では、各タブの先端部がタンク支持構造物の傾斜部に連結された状態で、該タブが球殻に対して接線をなすように配置されているので、該球殻が、タンク支持構造物内に吊り下げられつつ該タンク支持構造物に収容された状態となる。その結果、球殻がタンク支持構造物内に安定した状態で吊り下げられることになり、タンク支持構造体とタブとの間、タブと球殻との間の固着部分で余計な応力が生じることが防止され、安定した球殻の支持構造が実現される。
【００１８】
また、本発明では、前記球殻の大円部に沿って固定されたベルト状の取り付け部材に、前記タブの基端部が固定されたことを特徴とする。
【００１９】
そして、上記のように構成された発明では、球殻の大円部に沿って固定されたベルト状の取り付け部材に、タブの基端部が固定されているので、球殻におけるタブの基端部周辺に応力が集中することが防止され、ベルト状の取り付け部材を通じて、該球殻の大円部全体に応力を分散させることが可能となる。
【００２０】
また、本発明では、前記球殻の表面の大円部に沿って前記タブが等間隔に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
そして、上記のように構成された発明では、球殻の表面の大円部に沿ってタブを等間隔に配置することにより、これら複数のタブにより安定した状態で球殻を支持することができる。
【００２２】
また、本発明では、前記タブを取り付ける範囲は、周方向に１／４周ずつ位置をずらして間欠的に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
そして、上記のように構成された発明では、前記タブを取り付ける範囲を、周方向に１／４周ずつ位置をずらして間欠的に設定することにより、捩れ荷重が生じるタブを省くことができ、その結果、該間欠的に設置したタブにより安定した状態で球殻を支持することができる。
【００２４】
また本発明は、金属板により形成された球殻表面の大円部に沿って複数のタブを取り付け、このタブを介して前記球殻を支持構造物に支持させる方法であって、前記各タブは、前記大円部に沿って固着される基端部と、この基端部より幅狭にされた先端部とを有する形状をなすことを特徴とする。
【００２５】
そして、上記のように構成された発明では、大円部上の複数のタブを介して支持構造物に支持させるので、特定のタブにおいて球殻との連結部に応力が集中することが防止される。また、複数のタブは球殻の表面の大円部に沿って取り付けられているので、隣接するタブ間における球殻の大円部に沿う測地線と、該タブ間の最短距離との差異が、タブが大円部以外の外周面にある場合と比較して小さくなり、球殻上の隣接するタブ間に捩じれ等の応力が生じることが防止され、安定した球殻の支持構造が実現される。また、球殻の大円部に複数のタブを取り付けるだけの構成であるので、従来のボスによる支持構造と比較して、簡易な構成でタンクの球殻を支えることが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複数の金属板により形成された球殻と、該球殻の表面の大円部に沿って取り付けられた複数のタブと、を有するタンクであるので、これら大円部上の複数のタブを介して球殻をタンク支持構造物などに吊るすようにすれば、特定のタブにおいて球殻との連結部に応力が集中することが防止され、該球殻に対して無理な力が加わることが防止される。
また、複数のタブは球殻の表面の大円部に沿って取り付けられているので、隣接するタブ間における球殻の大円部に沿う測地線と、該タブ間の最短距離との差異が、タブが大円部以外の外周面にある場合と比較して小さくなる。その結果、球殻上の隣接するタブ間に捩じれ等の応力が生じることが防止され、安定した球殻の支持構造が実現される。
また、球殻の大円部に複数のタブを取り付けるだけの構成であるので、従来のボスによる支持構造と比較して、簡易な構成でタンクの球殻を支えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係るタンクの球殻を示す斜視図である。
【図２】球殻に設置されるタブを示す正面図である。
【図３】球殻を支持するタンク支持構造物を示す正面図である。
【図４】図３にＩＶで示す部分における、タブを介した球殻とタンク支持構造物との連結状態を示す図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】球殻の応力分布を示すグラフである。
【図７】第２実施形態に係るタンクの球殻を示す平面図である。
【図８】球殻上のタブの設置状態を示す斜視図である。
【図９】タンクの座標軸と４５度方向に位置するタブの応力分布を示すグラフである。
【図１０】従来に係るタンクモジュールを示す斜視図である。
【図１１】タンクモジュールの球殻とブラケットとの位置関係を示す斜視図である。
【図１２】ボス部の境界周辺における応力分布を示す解析図である。
【図１３】図１２の解析図のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う応力分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係るタンク１０を示す斜視図である。この図に示すタンク１０は、複数の金属板１１を接合することにより形成された球殻１２と、球殻１２の周面の赤道部となる大円部１３に沿って取り付けられた複数のタブ１４と、を有する構造である。前記金属板１１は、球殻１２の経線と緯線とに囲まれた領域を切り出した平面形状をなすもので、前記経線と緯線との密度は(間隔すなわ金属板１１の辺の長さは)、生産性とコストとを考慮して最適な値に設定されている。各タブ１４は、図２に示すように大円部１３に沿って溶接により固着される基端部１５と、この基端部１５より幅狭にされた先端部１６とを有する形状をなしている。
そして、タブ１４は、基端部１５より幅狭にされた先端部１６を有しているので、該幅狭に形成された箇所にて重量が軽減される。
【００２９】
タブ１４は、タンク１０の大円部１３に沿って等間隔に配置されたものであって、互いに直交する水平２軸（ｘ軸、ｙ軸で示す）上の円周上にて対称となる位置関係に配列するために、円周を４の倍数で分割した箇所に配置する必要がある。分割数は、シミュレーションの結果に基づき正ｎ角形の周長とその内接円の円周の比が所定の値以下となるように決定してもよい。例えば、本例では、タブ１４による大円部１３の分割数は２４、２８、３２とするが、それは、正ｎ角形の周長とその内接円の円周の比は、ｎ／πｔａｎ（π/ｎ）で表され、シミュレーションの結果両者の差を０．６％以下にすることで望ましい結果を得ており、このためには２４分割以上とする必要がある、からである。
【００３０】
また、タブ１４の形状は生産性の面から平面形状としたいが、その場合、大円部に１３に沿う円周の分割数が少ないと、タブ１４の基端部１５底辺とタンク１０とを固着する際に、固着箇所の隙間が大きくなってしまう。一方、大円部１３の分割数を大きくしすぎると工数が増加して生産性低下につながる。よって上述したように、タブ１４による大円部１３の分割数を、２４、２８、３２とすることが適当である。
また、このとき、タブ１４は平面形状をなすことに限定されず、球殻１２の大円部１３の曲率半径と同じ曲率をなす湾曲状に形成しても良い。そして、このような湾曲形状とすることにより、タブ１４が球殻１２に密着し、該タブ１４と球殻１２との間に歪が発生することを防止できる。また、平板からも製造し易く、その製造コストを低く抑えることができる。
また、複数のタブ１４は、球殻１２の表面の赤道部となる大円部１３に沿って取り付けられているので、隣接するタブ１４間における球殻１２の大円部１３に沿う測地線と、該タブ１４間の最短距離との差異が、タブ１４が大円部１３以外の外周面（例えば、図１に符号Ｌで示す小円部）にある場合と比較して小さくなる。その結果、球殻１２上の隣接するタブ１４間に捩じれ等の応力が生じることが防止される。
【００３１】
タブ１４の先端部１６は、図３及び図４に示されるように、衛星本体となるタンク支持構造物２０に対して回転を許容するように一本のボルト２１（例えば、Ｍ６−Ｍ８ボルト）で締結されている。
また、図３に示すようにタンク支持構造物２０は、全体として円錐形状をなしており、球殻１２に面した側の上部が内側に傾斜する傾斜部２２を有している。
この状態で、図４に示されるように、各タブ１４は、その先端部１６がタンク支持構造物２０の傾斜部２２にボルト２１により軸２１Ａを中心として回動自在に連結され、これとともに、タンク支持構造物２０から球殻１２に向けて該球殻１２に対して接線Ｔをなすように配置されている。また、タブ１４の先端部１６を、衛星本体となるタンク支持構造物２０の傾斜部２２に取り付ける場合、これらの間に隙間が形成されないようにするために取り付け部材２３が介在されている。
【００３２】
そして、このようなタブ１４が球殻１２に対して接線をなす配置により、球殻１２が、タンク支持構造物２０内に吊り下げられつつ該タンク支持構造物２０内に収容された状態となる（図３参照）。その結果、球殻１２がタンク支持構造物２０内に安定した状態で吊り下げられることになり、タンク支持構造体とタブ１４との間、タブ１４と球殻１２との間の固着部分で余計な応力が生じることが防止され、安定した球殻１２の支持構造が実現される。
また、タンク支持構造物２０と球殻１２との間で生じる歪が、タブ１４のボルト２１による回動部分で吸収されることにより、球殻１２とタブ１４の基端部１５との固着箇所で余計な応力が生じることも防止される。
【００３３】
なお、図３の例では、タンク支持構造物２０内に径の異なる２個の球殻１２を上下に配置したが、該球殻１２の設置数は特に限定されるものではない。
また、図５は、タンク支持構造物２０の下側に配置された球殻１２のＶ−Ｖ線に沿う断面図であって、この球殻１２は、大円部１３を３２分割した箇所にタブ１４が設置されている。
図５においてタブ１４の設置により球殻１２に生じる応力を示したのが、図６である。この図６は、球殻１２を緯線と経線とにより区画される多数の領域（いわゆるメッシュ）に分割し、各メッシュの生じる応力を示している。球殻１２にかかる応力の程度が、ドットの濃度の薄いＢ１（低応力）からドットの濃度の濃いＢ６（高応力）に至る6段階に示されている。そして、この図６に示すように、タブ１４により、球殻１２の大円部１３に沿う円周を等間隔に支持するために、該球殻１２にほぼ均等の圧力がかかり、内圧や静加速度での応力が連結部に集中することを避けることができる。応力の集中を防止できれば機械環境に対する信頼性も向上させることができる。その結果、タンク１０の球殻１２の板厚を均等にすることができその生産性が向上する。
【００３４】
以上詳細に説明したよう本実施形態に示すタンク１０によれば、複数の金属板１１により形成された球殻１２と、該球殻１２の表面の大円部１３に沿って取り付けられた複数のタブ１４と、を有する構造であるので、これら複数のタブ１４を介して球殻１２をタンク支持構造物２０などに吊るすようにすれば、特定のタブ１４において球殻１２との連結部に応力が集中することが防止され、該球殻１２に対して無理な力が加わることが防止される。
また、複数のタブ１４は球殻１２の表面の大円部１３に沿って取り付けられているので、隣接するタブ１４間における球殻１２の大円部１３に沿う測地線と、該タブ１４間の最短距離との差異が、タブ１４が大円部１３以外の外周面にある場合と比較して小さくなる。その結果、球殻１２上の隣接するタブ１４間に捩じれ等の応力が生じることが防止され、安定した球殻１２の支持構造が実現される。
また、球殻１２の大円部１３に複数のタブ１４を取り付けるだけの構成であるので、従来のボスによる支持構造と比較して、簡易な構成でタンク１０の球殻１２を支えることが可能となる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、球殻１２の大円部１３に沿って等間隔でタブ１４の基端部１５が固定されているが、これらタブ１４は、該球殻１２の大円部１３に沿って固定されたベルト状の取り付け部材に固定しても良い。そして、このようなベルト状の取り付け部材を使用することにより、球殻１２におけるタブ１４の基端部１５周辺に応力が集中することが防止され、球殻１２の大円部１３全体に応力を分散させることが可能となる。
【００３６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。
第２実施形態に係るタンク１０´が、第１実施形態のタンク１０と異なるのは球殻１２におけるタブ１４の設置箇所である。
【００３７】
第１実施形態では、タブ１４を球殻１２の大円部１３に沿って等間隔に配置したが、本実施形態では、図７及び図８に示されるように、座標軸から４５度方向のタブ１４を外し（外した箇所のタブ１４をタブ１４Ａとする）、座標軸と一致する方向（０度、９０度、１８０度、２７０度）のタブ１４のみで球殻１２を支持する構造としている（この箇所に位置するタブ１４をタブ１４Ｂとする）。
すなわち、タブ１４（タブ１４Ｂ）を取り付ける範囲は、周方向に１／４周ずつ位置をずらして間欠的に設けるようにし、このとき、タブ１４（タブ１４Ｂ）は複数個を単位として配置するようにする。
【００３８】
そして、球殻１２の大円部１３に沿ってタブ１４を等間隔に配置した場合には、タンク１０の座標軸と４５度方向に位置するタブ１４（タブ１４Ａ）は、振動方向（矢印（イ）方向）に対して斜めを向いた配置になるため、この箇所のタブ１４（タブ１４Ａ）に捩れの荷重が作用する。
このとき、タブ１４（タブ１４Ａ）に作用する応力分布を各メッシュ毎に示したのが図９である。図９では、タブ１４（タブ１４Ａ）にかかる応力の程度が、ドットの濃度の薄いＣ１（低応力）からドットの濃度の濃いＣ６（高応力）までの6段階に示されている。
この図９に示されるように、タンク１０の座標軸と４５度方向に位置するタブ１４（タブ１４Ａ）の特に上部には大きな応力がかかり、その他の座標軸と一致する方向（０度、９０度、１８０度、２７０度）のタブ１４（タブ１４Ｂ）に比べると損傷のリスクが高くなる。
従って、本実施形態では、座標軸から４５度方向のタブ１４（タブ１４Ａ）は設置せず、座標軸と一致する方向のタブ１４（タブ１４Ｂ）のみで支持することで支持構造の損傷リスクを低減する。
【００３９】
以上詳細に説明したよう本実施形態に示すタンク１０によれば、タブ１４（タブ１４Ｂ）を取り付ける範囲を、周方向に１／４周ずつ位置をずらして間欠的に設定することにより、捩れ荷重が生じるタブ１４（タブ１４Ａ）を省くことができ、その結果、該間欠的に設置したタブ１４により安定した状態で、球殻１２を支持することができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、宇宙空間で使用される姿勢制御用エンジンシステム等の推進系に、燃料又は各種流体を供給する球殻を安定的に支持するためのタンク構造に関する。
【符号の説明】
【００４２】
１０  タンク
１２  球殻
１３  大円部
１４  タブ
１５  基端部
１６  先端部
２０  タンク支持構造物
２２  傾斜部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
2015024859.tif 000013
【図１３】
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【図１０】
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