(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペイロードを収容し且つホスト宇宙機から制御可能に射出するように構成されたシステムであって、
前記ホスト宇宙機に取り付けられたペイロード射出機構であって、前記ホスト宇宙機に取り付けられた基礎板、及びペイロード解放板を含むペイロード射出機構と、
前記ペイロード解放板に解放可能に取り付けられたペイロード組立体であって、ペイロードが取り付け可能なペイロード組立体と、を備えており、
前記ペイロード射出機構が、少なくとも二つの展開組立体を含み、その一端においては前記基礎板に対する第1のヒンジ結合により、また、その他端においては前記ペイロード解放板に対する第2のヒンジ結合により、前記基礎板に結合され、前記少なくとも二つの展開組立体は、格納位置と最大の伸張位置との間で伸長可能であり、前記第1及び第2のヒンジ結合はそれぞれヒンジ軸を有し、前記ヒンジ軸が相互に平行していないことにより、前記少なくとも二つの展開組立体が展開の際には前記ペイロード組立体の平面が前記基礎板と平行にとどまるように展開を抑制されているものであって、
前記ペイロード解放板の幾何学的中心に対する前記ペイロード質量中心の位置に関わらず前記ペイロード射出機構によって生成された慣性力ベクトルが前記ペイロード射出機構から前記ペイロード組立体を開放するときに前記ペイロードの質量中心を通って作用するようにして、前記ホスト宇宙機から離れる方向にペイロード組立体を射出するために、前記ペイロード射出機構が前記ペイロード解放板の幾何学的中心が質量中心に一致していないペイロードに対応する、システム
【請求項２】
前記少なくとも二つの展開組立体が、少なくとも二つの展開ヒンジ組立体であり、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体がそれぞれ、各ヒンジ板の長さに沿った共通の中間軸に沿ってヒンジ式に連結された二つの前記ヒンジ板を含み、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体のそれぞれのうちの一方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記基礎板にヒンジ式に連結されかつ下部ヒンジ軸を定義し、他方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記ペイロード解放板にヒンジ式に連結されかつ上部ヒンジ軸を定義しており、所与の展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸及び上部ヒンジ軸のそれぞれが、他の全ての展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸、及び上部ヒンジ軸とそれぞれ同一平面上にある、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記ペイロード射出機構が、少なくとも四つの展開ヒンジ組立体を含み、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第1の対が、対向した関係にあり、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第2の対もまた、対向した関係にあり、それにより、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体が矩形の形状を形成している、請求項2に記載のシステム。
【請求項４】
前記ペイロード射出機構が、指示に応じてペイロード射出機構から前記ペイロード組立体を解放するための解放機構を含んでいる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項５】
指示された展開の時点まで前記ペイロード射出機構及び前記ペイロード組立体を拘束し且つ固定しておくための少なくとも一つの打上げロック機構を含んでいる、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項６】
前記ペイロード射出機構が、前記ペイロード射出機構を作動させるためのアクチュエータを含んでいる、請求項1〜5のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項７】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのばねを含んでいる、請求項6に記載のシステム。
【請求項８】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのモータを含んでいる、請求項6に記載のシステム。
【請求項９】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに恒久的に取り付け可能である、請求項1〜8のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに解放可能に取り付け可能である、請求項1〜8のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項１１】
ホスト宇宙機からペイロードを射出する方法であって、
ペイロードをペイロード組立体に取り付け、解放機構を使用して前記ペイロード組立体をペイロード射出機構のペイロード解放板に解放可能に固定するステップであって、前記ペイロード射出機構が、少なくとも二つの展開組立体を含み、その一端においては基礎板に対する第1のヒンジ結合により、また、その他端においては前記ペイロード解放板に対する第2のヒンジ結合により、前記基礎板に結合され、前記少なくとも二つの展開組立体は、格納位置と最大の伸張位置との間で伸長可能であり、前記第1及び第2のヒンジ結合はそれぞれヒンジ軸を有し、前記ヒンジ軸が相互に平行していないことにより、前記少なくとも二つの展開組立体が展開の際には前記ペイロード組立体の平面が前記基礎板と平行にとどまるように展開を抑制されていて、前記ホスト宇宙機から前記ペイロード組立体及び前記ペイロードを射出するように前記解放機構が作動されるときに、前記ペイロード解放板の幾何学的中心に対する前記ペイロード質量中心の位置に関わらず前記ペイロード射出機構から前記ペイロード組立体の開放のときに前記ペイロードの質量中心を通って前記ペイロード射出機構によって生成された慣性力ベクトルが作用するようにして、前記ペイロード射出機構が、前記ペイロード解放板の幾何学的中心が質量中心に一致していないペイロードに対応するステップと、
前記解放機構を作動させて、前記ペイロード射出機構が前記ペイロード組立体を前記ホスト宇宙機から離れる方向に付勢できるようにすることにより、前記ペイロード組立体を射出するステップと、を含む方法。
【請求項１２】
前記少なくとも二つの展開組立体が、少なくとも二つの展開ヒンジ組立体であり、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体がそれぞれ、各ヒンジ板の長さに沿った共通の中間軸に沿ってヒンジ式に連結された二つの前記ヒンジ板を含み、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体のそれぞれのうちの一方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記基礎板にヒンジ式に連結されかつ下部ヒンジ軸を定義し、他方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記ペイロード解放板にヒンジ式に連結されかつ上部ヒンジ軸を定義しており、所与の展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸、及び上部ヒンジ軸のそれぞれが、他の全ての展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸、及び上部ヒンジ軸とそれぞれ同一平面上にある、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記ペイロード射出機構が、少なくとも四つの展開ヒンジ組立体を含み、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第1の対が、対向した関係にあり、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第2の対もまた、対向した関係にあり、それにより、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体が矩形の形状を形成している、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記ペイロード射出機構が、指示に応じてペイロード射出機構から前記ペイロード組立体を解放するための解放機構を含んでいる、請求項11〜13のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
指示された展開の時点まで前記ペイロード射出機構及び前記ペイロード組立体を拘束し且つ固定しておくための少なくとも一つの打上げロック機構を含んでいる、請求項11〜14のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ペイロード射出機構が、前記ペイロード射出機構を作動させるためのアクチュエータを含んでいる、請求項11〜15のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１７】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのばねを含んでいる、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのモータを含んでいる、請求項16に記載の方法。
【請求項１９】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに恒久的に取り付け可能である、請求項11〜18のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２０】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに解放可能に取り付け可能である、請求項11〜18のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２１】
ペイロードを収容し且つ微小重力環境において制御可能に射出するためのシステムであって、
推進システム、誘導システム、及び遠隔測定システムを含むホスト宇宙機と、
前記ホスト宇宙機に取り付けられたペイロード射出機構であって、前記ホスト宇宙機に取り付けられた基礎板、及びペイロード解放板を含むペイロード射出機構と、
前記ペイロード解放板に解放可能に取り付けられたペイロード組立体であって、ペイロードが取り付けられるペイロード組立体と、
を備えており、
前記ペイロード射出機構が、少なくとも二つの展開組立体を含み、その一端においては前記基礎板に対する第1のヒンジ結合により、また、その他端においては前記ペイロード解放板に対する第2のヒンジ結合により、前記基礎板に結合され、前記少なくとも二つの展開組立体は、格納位置と最大の伸張位置との間で伸長可能であり、前記第1及び第2のヒンジ結合はそれぞれヒンジ軸を有し、前記ヒンジ軸が相互に平行していないことにより、前記少なくとも二つの展開組立体が展開の際には前記ペイロード組立体の平面が前記基礎板と平行にとどまるように展開を抑制されているものであって、
前記ペイロード解放板の幾何学的中心に対する前記ペイロード質量中心の位置に関わらず前記ペイロード射出機構によって生成された慣性力ベクトルが前記ペイロード射出機構から前記ペイロード組立体を開放するときに前記ペイロードの質量中心を通って作用するようにして、前記ホスト宇宙機から離れる方向にペイロード組立体を射出するために、前記ペイロード射出機構が、前記ペイロード解放板の幾何学的中心が質量中心に一致していないペイロードに対応し、
前記システムがさらに、
前記ペイロード射出機構からの前記ペイロード組立体の解放を制御するようにプログラムされたコンピュータ制御システムと、
前記ペイロード射出機構の遠隔操作を可能にするように構成された通信システムと、
を備えている、システム。
【請求項２２】
前記少なくとも二つの展開組立体が、少なくとも二つの展開ヒンジ組立体であり、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体がそれぞれ、各ヒンジ板の長さに沿った共通の中間軸に沿ってヒンジ式に連結された二つの前記ヒンジ板を含み、前記少なくとも二つの展開ヒンジ組立体のそれぞれのうちの一方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記基礎板にヒンジ式に連結されかつ下部ヒンジ軸を定義し、他方のヒンジ板が、前記第1のヒンジ結合に沿って前記ペイロード解放板にヒンジ式に連結されかつ上部ヒンジ軸を定義しており、所与の展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸、及び上部ヒンジ軸のそれぞれが、他の全ての展開ヒンジ組立体の前記共通の中間軸、下部ヒンジ軸、及び上部ヒンジ軸とそれぞれ同一平面上にある、請求項21に記載のシステム。
【請求項２３】
前記ペイロード射出機構が、少なくとも四つの展開ヒンジ組立体を含み、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第1の対が、対向した関係にあり、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体の二つの対のうちの第2の対もまた、対向した関係にあり、それにより、前記少なくとも四つの展開ヒンジ組立体が矩形の形状を形成している、請求項22に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ペイロード射出機構が、指示に応じてペイロード射出機構から前記ペイロード組立体を解放するための解放機構を含んでいる、請求項21〜23のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項２５】
指示された展開の時点まで前記ペイロード射出機構及び前記ペイロード組立体を拘束し且つ固定しておくための少なくとも一つの打上げロック機構を含んでいる、請求項21〜24のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ペイロード射出機構が、前記ペイロード射出機構を作動させるためのアクチュエータを含んでいる、請求項21〜25のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのばねを含んでいる、請求項26に記載のシステム。
【請求項２８】
前記アクチュエータが、前記ペイロード射出機構を作動させるためのモータを含んでいる、請求項26に記載のシステム。
【請求項２９】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに恒久的に取り付け可能である、請求項21〜28のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ペイロード組立体が、前記ペイロードに解放可能に取り付け可能である、請求項21〜28のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項３１】
前記ペイロード射出システムが、複数回のペイロード射出手順のためにセットし直すことが可能である、請求項1〜10のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項３２】
前のペイロードが射出された後に前記ホスト宇宙機上に係留されている追加のペイロードを前記ペイロード解放板上に配置するための自動ローディング機構を含んでいる、請求項31に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ホスト宇宙機と前記ペイロードとの間の電力及びデータの伝達が、電気機械的接続を介するものである、請求項21〜30のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項３４】
再捕捉特徴がペイロードの再捕捉を可能にするように、前記ペイロード組立体上に取り付けられた前記再捕捉特徴を含んでいる、請求項21〜30のいずれか1項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記再捕捉特徴のうちの少なくとも一つが、引っ掛けデバイスから成る、請求項34に記載のシステム。
【請求項３６】
前記ペイロード射出機構が、前記ペイロードが前記ペイロード射出機構から射出されてからほとんど回転しないことを確実にするために、その中に前記ペイロードの質量中心が配置される確定された容積を有している、請求項21〜30のいずれか1項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ペイロードを軌道まで運びそのペイロードを制御された方法でホスト宇宙機から射出するためにホスト宇宙機にペイロードをホストするためのシステムに関する。ペイロード射出システムは、ホスト宇宙機からペイロードを制御された方法で射出することを可能にする、完全なシステムである。制御された方法での射出は、射出されるペイロードが解放時に射出軸に対して斜めの角運動量又は線運動量を持たない射出として定義される。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星が軌道まで(軌道のタイプに関わらず)打ち上げられる際、打上げ機の質量及び容積容量の一部が使用されないことが多い。本明細書で開示されるシステムの一つの目的は、ペイロードがその意図されたミッションを始めることができる軌道まで追加的な別個のペイロードを送達するために、この余りの容積及び質量容量を使用することである。ホストされたペイロードを特定の軌道に送達するこの概念は、「DARPA Phoenix Payload Orbital Delivery (POD) System: "FedEx to GEO"、Dr.ブルック  サリバンら、AAAIAA Space 2013 Conference and Exposition、2013年9月10-12日、サンディエゴ、カリフォルニア、で説明されている。この文書に記載されたように、ペイロードは、限定されるものではないが、別の小型の(マイクロ又はナノ)宇宙機、別の人工衛星に補給するための交換材料(例えば、燃料)、別の宇宙機の修理を軌道上で行うための交換用構成要素、新規の宇宙システム又は宇宙機の宇宙空間での組立のための構成要素などの宇宙システムを含む。
【０００３】
現在の軌道ペイロード射出システムは、ペイロード質量中心が射出機構の力の中心に厳密に位置合わせされることを必要とし、さもなければ、射出時に著しいタンブリング速度(tumble rate)(解放時の射出軸に対して斜めの望ましくない角速度及び並進速度)が生成され、このタンブリング速度は、ほとんどの場合、非常に否定的な状態と見なされる。打上げ時に未知のままであるが規定容積内にある機構の力の中心とペイロード質量中心との間のオフセットに適応することにより、ペイロードを収容することに関する融通性を高めることが可能になる。この融通性は、特定のパッケージング要件又は不規則な形状を有し得る複数のペイロード部品が存在する場合に、特に有益である。同様に、重心に対する規定容積を可能な限り大きくする努力が、ペイロードを収容することの融通性を最大限に高める。
【０００４】
当技術分野の現況は、独立したばねのアレイ(例えば、市販のライトバンド(Lightband)(商標))、又は非常に小型のペイロード(ナノサット)のためのガイドレールシステム(即ち、ピコサテライトオービタルデプロイヤ(Pico-Satellite Orbital Deployer)PPOD)を使用するが、独立したばねのアレイは、質量中心が射出機構の幾何学的中心から離間している場合に著しいタンブリング速度を引き起こす可能性があり、ガイドレールシステムは、より大型のペイロード-数十キログラムを超え数百キログラムまで-にはうまく釣り合わず、さらに、解放時に詰まり又は拘束を起こす危険性がある。
【０００５】
既存の射出方法は、オフセットした質量中心を含むペイロードをタンブリングさせずに射出することができない。これは、射出技法によるものである。多くの既存の方法は、射出デバイスの幾何学的中心上に存在するか又は平均すると射出デバイスの幾何学的中心になる力を働かせる。ペイロードの質量中心がこの射出デバイスの幾何学的中心からオフセットしていると、ペイロードはタンブリングすることになる。産業における共通の技法は、ペイロードを射出するためにばねを使用することである。ペイロード質量中心が幾何学的中心からオフセットしている場合、ばねによる力は均等に分散されない。これにより、ばねが解放されたときにペイロードのタンブリングがもたらされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、微小重力環境においてホスト宇宙機からペイロードを射出するシステム及び方法を提供する。このシステム及び方法は、幾何学的に中央に配置された質量中心をペイロードが有することを必要としない。このシステム及び方法はまた、ペイロードの質量中心の位置の影響を受けずに、射出されるペイロードのタンブリング速度を最小限に抑える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書では、任意のペイロードの組を格納してそのペイロードの組を低タンブリング速度を伴って制御された速度で打上げ及び射出することができると同時に制限された容積内でのいかなる質量中心のオフセットにも対応することができる、ペイロード射出システム(PES)デバイスが開示される。バラスト積み又は釣合わせの必要性が排除され、したがって、それらのペイロードに対する設計空間の制限が解かれる。質量中心の位置の影響を受けないことは、展開ヒンジ組立体構成を使用することによって可能となり、この展開ヒンジ組立体構成は、出力リンクの一方向における直線運動を可能にしながらも他の全ての方向における運動を制限する、二つ以上の非平行な折り畳みヒンジ構成を使用する。本明細書で開示されるPESの一つの非限定的な実施形態は、機構全体に最適な剛性を提供するように選択された四つ(4)のヒンジパネル組立体を使用する。しかし、射出されるペイロードの質量に応じて、僅か二つの非平行な折り畳みヒンジ構成を有するPESが使用されてもよく、また、より大質量のペイロードに対しては、ヒンジ構成の数は、具体的なペイロードのサイズ及び質量に必要とされる数まで三つ(3)、四つ(4)、五つ(5)と増やされてもよいことが、明らかになるであろう。PESの剛性は、機構が慣性力ベクトルを質量中心の位置に移すのを可能にすることによりオフセットした質量中心の位置に対処するのに不可欠である。言い換えれば、ペイロード射出機構は、少なくとも二つの展開ヒンジ組立体によって生成された慣性力ベクトルをペイロード組立体の質量中心の位置に移すために予め選択された剛性を有する。
【０００８】
したがって、本明細書では、ペイロードをホストしてホスト宇宙機から制御可能に射出するためのシステムが開示される。デバイスは、ホスト宇宙機に取り付けられた基礎板と、ペイロード射出機構と、ペイロードの射出速度を可能とするために射出エネルギーを蓄えるばねなどの複数の射出デバイスと、基礎板及びペイロード解放板の両方に取り付けられる複数のヒンジパネル組立体とを含み、複数のヒンジパネル組立体は、そのうちの少なくとも二つが非平行なヒンジ軸を有するように配置され、そのためペイロード解放板は、基礎板に対して平行にしか進むことができない。ペイロード、又は複数のペイロードは、ペイロードシャシ上に配置され、且つ、ホスト宇宙機に解放可能に固着される。保持デバイスが解放されて、ペイロード射出機構が、能動的に(動力付きアクチュエータを有する被指示デバイス)又は受動的に(ばねなどの蓄積エネルギーデバイス)、自由に射出できるようになると、射出が起こる。展開ヒンジ組立体は展開されて、射出速度が達せられるまでペイロード解放板を射出方向に案内し且つ加速し、そして展開ヒンジ組立体は、ペイロード及び取り付けられたペイロードシャシが射出システムから完全に分離した時点で、それらの最大行程に達する。
【０００９】
ペイロードをホストしてホスト宇宙機から制御可能に射出するためのシステムの一実施形態は、ホスト宇宙機に取り付けられたペイロード射出機構を含み、このペイロード射出機構は、ホスト宇宙機に取り付けられる基礎板、及びペイロード解放板を含む。ペイロード組立体がペイロード解放板に解放可能に取り付けられ、ペイロードがペイロード組立体に取り付け可能である。ペイロード射出機構は、ペイロード射出機構の幾何学的中心に対するペイロードのペイロード質量中心の位置に関わらずペイロード射出機構からのペイロード組立体の解放の瞬間にペイロード組立体に作用する力がペイロード組立体とペイロード解放板との間の界面に実質的に均等に及ぶように、ペイロード組立体をホスト宇宙機から射出するように構成される。
【００１０】
本開示の機能上の態様及び有利な態様に関するさらなる理解は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによって実現され得る。
【００１１】
次いで、単なる一例として、図面を参照しながら実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】格納形態にあるペイロード射出システム(100)の下面斜視図である。この図は、ペイロード組立体200と、基礎板430並びに取り付けられた打上げロック組立体410及び解放機構460を含む機械的取付け組立体400との相対位置を示す。
【図２】後続の図のための断面が取得される箇所を示す、格納形態にあるペイロード射出システム100の図1の矢印2に沿った端面図である。
【図３】展開形態にあるペイロード射出システム100の等角図である。この図は、ペイロード組立体200とペイロード射出機構(PEM)300との相対位置を示し、ペイロード射出機構300は、機械的取付け組立体400、展開ヒンジ組立体500、及びペイロード解放板組立体600を含む。
【図４】後続の図のための断面が取得される箇所を示す、展開形態にあるペイロード射出システム100の図3の矢印4に沿った端面図である。
【図５】未使用の電池ベイ720又は外側表面710のうちの未使用の部分などの、ペイロード射出システム100がホスト宇宙機700上に存在することが可能な位置を示す等角図である。
【図６ａ−ｂ】印加される射出力760の中心からの又は複数の射出ばね765の幾何学的中心785からのペイロード800の質量中心750の側方変位790によって生じる回転又はタンブリング770を示す図である。
【図７】上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、下部ヒンジ板505、基礎板430、及びペイロード解放板610の簡易化した描写を含む、ヒンジ板の二つ(2)の対を用いて本システムで使用される簡易化したリンケージの等角図である。
【図８】ペイロード800、ペイロード取付け特徴225、ペイロードシャシ210、取付け板430、PES-ホストコネクタ440、打上げロック組立体410、解放機構460、及び展開ヒンジ組立体500を含む、格納形態における主要な組立体の相対位置を示す、図2の線8-8に沿った断面図である。
【図９】ペイロード800、ペイロード組立体200、ペイロード取付け特徴225、ペイロードシャシ210、ペイロード電気ボックス240、取付け板430、PES-ホストコネクタ440、打上げロック組立体410、解放機構460、ロック取付け板413、ペイロード解放板610、緩衝器アーム650、緩衝器651、並びに上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、下部ヒンジピン505、展開ばね508、及び緩衝器シャフト540を有する展開ヒンジ組立体500を含む、展開形態における主要な組立体の相対位置を示す、図4の線9-9に沿った断面図である。
【図１０】ペイロードシャシ210、保持ボルト414、ペイロード接点221、コネクタ位置合わせ特徴220、ペイロード電気コネクタ230、及びペイロード電気ボックス240を有するペイロード組立体200の下面図を示す、図9の矢印10に沿った図である。
【図１１】明瞭にするために展開ヒンジ組立体500及びペイロード解放板組立体600が省かれた機械的取付け組立体400の俯瞰図を示す、図9の矢印11に沿った図である。この図は、基礎板430、ロック取付け板413、解放板接点433、コネクタ位置合わせピン434、ペイロード-PEMコネクタ435、回路基板436、並びにPES-ホストコネクタ440a及び440bの相対位置を示す。この実施形態では、各課題に対して等しく且つ独立した二つの電気回路確実にもたらされるように、電気的冗長性のシステムが設けられている。さらに、PES-ホストコネクタ440aを介してペイロードをホスト700に接続するペイロードハーネス432は、PES-ホストコネクタ440bを介してペイロード射出システム100上の種々の機構及びセンサをホスト宇宙機700に接続する打上げロックハーネス431から離されている。
【図１２】展開形態における展開ヒンジ組立体500のうちの一つの斜視図である。この図は、基礎板430、解放板接点433、ロック取付け板413、及び下部ヒンジブラケット507の相対位置を示す。下部ヒンジブラケット507には、上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、下部ヒンジピン505、ペイロード解放板610の一部としての上部ヒンジブラケット506、展開ばね508、上部ヒンジ軸受509、中間ヒンジ軸受510、下部ヒンジ軸受511、及び緩衝器シャフト540が取り付けられている。ペイロード解放板610はまた、緩衝器アーム650及び緩衝器651を含む。
【図１３】展開形態における展開ヒンジ組立体500のうちの一つの、図4の線9-9に沿った断面図である。この図は、基礎板430、ロック取付け板413、及び下部ヒンジブラケット507の相対位置を示す。下部ヒンジブラケット507には、上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、下部ヒンジピン505、ペイロード解放板610の一部としての上部ヒンジブラケット506、展開ばね508、上部ヒンジ軸受509、中間ヒンジ軸受510、下部ヒンジ軸受511、及び緩衝器シャフト540が取り付けられている。ペイロード解放板610はまた、緩衝器アーム650及び緩衝器651を含む。
【図１４】格納形態にある展開ヒンジ組立体500のうちの一つの、図2の線8-8に沿った断面図である。この図は、ペイロードシャシ210、ペイロード取付け特徴225、打上げロック組立体410、ロック制御ハーネス412、基礎板430、及び下部ヒンジブラケット507の相対位置を示す。下部ヒンジブラケット507には、上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、下部ヒンジピン505、ペイロード解放板610の一部としての上部ヒンジブラケット506、展開ばね508、上部ヒンジ軸受509、下部ヒンジ軸受511、及び緩衝器シャフト540が取り付けられている。
【図１５】明瞭にするためにペイロード組立体200が省かれた、格納形態にある展開ヒンジ組立体500のうちの一つの、図2の線15-15に沿った斜視断面図である。この図は、緩衝器651が緩衝器シャフト540に係合する方法と、ロック取付け板413、基礎板430、上部ヒンジ板501、下部ヒンジ板502、上部ヒンジピン503、中間ヒンジピン504、展開ばね508、中間ヒンジ軸受510、ペイロード解放板610、及び緩衝器アーム650の相対位置とを示す。
【図１６】格納形態にある打上げロック組立体410のうちの一つの、図2の線16-16に沿った部分断面図である。この図は、ペイロードシャシ210、打上げロック組立体410、ロック解放機構411、ロック制御ハーネス412、ロック取付け板413、保持ボルト414、圧縮形態にある後退ばね415、ロックボルトハウジング416、ばねハウジング417、ロードセル418、ロードセルハウジング419、ロードセルハーネス420、基礎板430、及び打上げロックハーネス431の相対位置を示す。
【図１７】展開形態にある打上げロック組立体410のうちの一つの、図4の線17-17に沿った部分断面図である。この図は、ロック解放機構411、ロック制御ハーネス412、ロック取付け板413、基礎板430、及び打上げロックハーネス431の相対位置を示す。
【図１８】展開形態にある打上げロック組立体410のうちの一つの、図4の線18-18に沿った部分断面図である。この図は、ペイロードシャシ210、保持ボルト414、伸張形態にある後退ばね415、ロックボルトハウジング416、ばねハウジング417、ロードセル418、ロードセルハウジング419、及びロードセルハーネス420の相対位置を示す。
【図１９】格納形態にある展開荷重経路のうちの一つの、図2の線19-19に沿った部分断面図である。この図は、ペイロードシャシ210、ペイロード接点221、ペイロード解放板610、解放板接点433、及び基礎板430の相対位置を示す。
【図２０】格納形態にある解放機構460を示す、図2の線8-8に沿った部分断面図である。この図は、解放機構460、解放シャフト461、解放ナット462、ワッシャ463、取付け板464、ロック制御ハーネス412、基礎板430、ペイロード-PEMコネクタ435、回路基板436、PEMハーネスソケット437、ペイロード電気コネクタ230、ペイロードハーネスピン231、及びペイロード電気ボックス240の相対位置を示す。
【図２１】展開形態にある解放機構460のペイロード側の、図4の線9-9に沿った部分断面図である。この図は、ペイロードシャシ210、解放シャフトヘッド461a、解放ナット462、ワッシャ463、ペイロード電気コネクタ230、ペイロードハーネスピン231、及びペイロード電気ボックス240の相対位置を示す。
【図２２】展開形態における解放機構460のホスト側の、図4の線9-9に沿った部分断面図である。この図は、基礎板430、解放機構460、解放シャフトスタブ461b、取付け板464、ロック制御ハーネス412、ペイロード-PEMコネクタ435、回路基板436、及びPEMハーネスソケット437の相対位置を示す。
【図２３】ペイロードハーネス432、コネクタ位置合わせピン434、ペイロード-PEMコネクタ435、及び回路基板436を示す、PEM300とペイロード組立体200との間のホスト側電気接点の斜視図である。
【図２４】ペイロード電気コネクタ230、コネクタ位置合わせ特徴220、及びペイロード電気ボックス240を示す、PEM300とペイロード組立体200との間のペイロード側電気接点の斜視図である。
【図２５ａ】展開ヒンジ組立体500がその行程の終わりに達するまでペイロード解放板組立体600及びペイロード組立体200を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速させ、そしてペイロード組立体200がペイロード解放板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で進み続ける展開シーケンスを示す、図2の線8-8に沿った一連の部分断面図であって、解放される準備ができている機構を示す図である。打上げロック410は解放されており、展開ばね508は解放機構460の保持作用によって所定の位置に保持されている。
【図２５ｂ】展開ヒンジ組立体500がその行程の終わりに達するまでペイロード解放板組立体600及びペイロード組立体200を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速させ、そしてペイロード組立体200がペイロード解放板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で進み続ける展開シーケンスを示す、図2の線8-8に沿った一連の部分断面図であって、機構が作動されたところを示す図である。解放機構460は作動しており、展開ばね508はもはや拘束されておらず、上部ヒンジパネル501及び下部ヒンジパネル502を回転させている。これにより、ペイロード解放板組立体600が機械的取付け組立体400から離れる方向に加速される。この時点では、解放板組立体600及びペイロード組立体200は、機構の加速度によってのみ相互に保持されている。
【図２５ｃ】展開ヒンジ組立体500がその行程の終わりに達するまでペイロード解放板組立体600及びペイロード組立体200を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速させ、そしてペイロード組立体200がペイロード解放板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で進み続ける展開シーケンスを示す、図2の線8-8に沿った一連の部分断面図であって、機構がペイロード解放板組立体600を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速し続けているところを示す図である。
【図２５ｄ】展開ヒンジ組立体500がその行程の終わりに達するまでペイロード解放板組立体600及びペイロード組立体200を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速させ、そしてペイロード組立体200がペイロード解放板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で進み続ける展開シーケンスを示す、図2の線8-8に沿った一連の部分断面図であって、展開ヒンジ組立体500がそれらの完全伸張状態にあり且つ完全停止に達した時点の機構を示す図である。
【図２５ｅ】展開ヒンジ組立体500がその行程の終わりに達するまでペイロード解放板組立体600及びペイロード組立体200を機械的取付け組立体400から離れる方向に加速させ、そしてペイロード組立体200がペイロード解放板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で進み続ける展開シーケンスを示す、図2の線8-8に沿った一連の部分断面図であって、展開ヒンジ組立体500がそれらの完全伸長状態にあって完全停止に達した後、ペイロード組立体200が展開板組立体600から分離してそれ自体の慣性の下で自由に移動できる機構を示す図である。
【図２６】地球703と通信するための通信アンテナ701有するホスト宇宙機700を示すブロック図であり、宇宙機700の未使用の電池ベイ720又は未使用の外表面領域710などの区画に取り付けられたペイロード射出システム100を宇宙機700が有しているブロック図である。
【図２７】メモリストレージデバイス1220、入力/出力デバイス及びインタフェース1230、電源1260、内部ストレージ1240、並びに通信インタフェース1250に適合した、ペイロード射出システム100に結合された中央プロセッサ1210を含む、非限定的で例示的なコンピュータシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下で論じる詳細に準拠して、本開示の様々な実施形態及び態様を説明する。以下の説明及び図面は、本開示を例示するものであり、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。多くの具体的な詳細は、本開示の様々な実施形態の十分な理解を提供するために記述される。しかし、場合により、本開示の実施形態の簡潔な詳解を提供するために、良く知られた詳細又は型通りの詳細は記述されない。
【００１４】
本明細書において、「含む(comprise)」及び「含んでいる(comprising)」という用語は、包括的且つ非限定的なものであって排他的なものではないと解釈されるべきである。具体的には、明細書及び特許請求の範囲において使用される場合、「含む」及び「含んでいる」という用語並びにそれらの変化形は、特定の特徴、ステップ、又は構成要素が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップ、又は構成要素の存在を除外すると解釈されるべきではない。
【００１５】
本明細書において、「例示的な(exemplary)」という用語は、「実例、例、又は例示としての役割を果たすこと」を意味するものであり、本明細書で開示される他の構成によりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。
【００１６】
本明細書において、「約(about)」及び「おおよそ(approximately)」と言う用語は、粒子、混合物の組成物、又は他の物理的な特性若しくは特徴の寸法の範囲に関連して使用された場合、平均すると寸法の大部分が条件を満たすが統計的には寸法がこの範囲外に存在し得る実施形態を除外しないように、寸法の範囲の下限から上限内に存在し得る僅かな変動を含むように意図されている。そのような実施形態を本開示から除外する意図はない。
【００１７】
本明細書において、「動作可能に接続される(operably connected)」という用語は、二つのデバイス間の通信手段を指す。この通信手段は、有線通信又は無線通信であり得る。
【００１８】
本明細書において、「タンブリング速度(tumble rate)」という用語は、射出されたペイロードの運用及び/又は再捕捉に有害な、ペイロード又はペイロード組立体の質量中心に関連する3軸直交基準座標係の任意の軸の周りでの転倒回転速度(toppling rotational rate)のことである。
【００１９】
図5を参照すると、ホスト宇宙機700は、その外側に余りの質量及び容積容量を有することが多い。図5に示されるように、これには宇宙機700の未使用の電池ベイ720又は未使用の外表面領域710が含まれ得るが、これらはペイロード射出システム100をホストするために使用することができ、図26を参照されたい。この機構の一つの実施形態では、ペイロード射出システム100及びその取り付けられたペイロード800を収容するためにこれらの空きスペースを使用することが提案されている。他の実施形態は、宇宙機の主要機能に加えてペイロードを運ぶのとは対照的に宇宙機の主要機能の一部として複数のペイロードを運んで射出するように特に設計された宇宙機を含み得る。
【００２０】
上述のように、軌道などの微小重力環境においてホスト宇宙機700からペイロードを射出する幾つかの既存の方法は、単一のベクトルに沿って射出力を加え、したがって、ペイロードの質量中心が射出力のベクトルから少しでもずれると、ペイロードの質量中心とペイロードのベクトル及び質量との間の距離に直接関係するモーメントが生じる。
【００２１】
図6aに示されるように、射出力760は、方向780に沿って加えられる。ペイロード800の質量中心750は、方向780からある程度の距離790だけオフセットしている。この少し離れた力の組合せは、ペイロード800を回転又はタンブリングさせるモーメント又は偶力770をもたらす。射出機構そのものはこの作用を補正することができず、ペイロードの態様に支障を来すことが多い質量中心の位置の非常に厳格な管理を伴ってペイロードが製造されること、又は、ペイロード自体がタンブリングを補正するために資源を消費しなければならないことが求められる。
【００２２】
同様に、他のペイロード射出法は、図6bに示されるように射出力を提供するために、既知の領域にわたって分散された複数のばね765の動作に依存する。この場合、質量中心750とばねの群の幾何学的中心795との間に少しでも距離があることは、質量中心750に近い方のばねが比例的にペイロード800の質量のより多くに対してそれらの力を働かせることを意味する。この場合もやはり、質量中心から離れたばねほどより速く伸張するので、モーメント又は偶力が生じ、ペイロード800に回転又はタンブリング770を与える。また、やはり同様に、射出機構そのものは、ペイロードに対する同様の有害な影響を有するこの作用を補正することができない。
【００２３】
射出されるペイロードのタンブリング作用を軽減する方法が幾つか存在する。それらの方法は、ペイロードにバラストを積んで質量中心を射出力ベクトルと並べること、及び、ペイロードを案内することを含む。ペイロードにバラストを積むことは、質量及び容積の面で費用がかかり、また、ペイロードの質量特性に関する正確で固有の知識を必要とする。このことはまた、各ペイロードに対して独自に行われなければならず、運用の融通性が低下する。PPODの場合のように、射出速度に至る全加速を通してペイロードを案内するには、ガイドが必要になる。直線ガイドは、ペイロードがガイドの終わりに近づくときに詰まり又は拘束を起こす傾向があり、ガイドの有効な係合は、ゼロまで減少する。
【００２４】
本ペイロード射出システムは、たとえペイロードの質量中心が全体の射出力ベクトルから著しく離れているか又はその可能性がある場合でも、誘発される回転速度又はタンブリングの程度を無視できるほどのものにしてペイロードを射出するために、複数の展開ヒンジ組立体500(図7)を使用する。この機構に重要なことは、一つの平面の別の平面に対する平行運動を生じさせる二つ以上の連結されたヒンジのシステムを使用することである。ペイロード射出機構300は、少なくとも二対のヒンジを使用し、この少なくとも二対のヒンジは、平行な二つの平面に接続され且つ相互に角度を付けて配置されており、したがって、二つの平面の相互に対する可能な運動を、平行であるように抑制する。
【００２５】
本システムは、三つ以上の展開ヒンジ組立体500を使用することにより、より大型のペイロードを取り扱うために容易にスケールアップすることができる。本明細書で開示され且つ図示されるペイロード射出システム100は、四つ(4)の展開ヒンジ組立体500を有するが、より大型のペイロードに対しては、五つ、六つ、七つ、及びそれ以上の数の展開ヒンジ組立体500が使用されてもよい。二つのヒンジは或る角度で位置しているので、それらのヒンジは、上部ヒンジ軸、中間ヒンジ軸、及び下部ヒンジ軸のそれぞれにおいて一連の平行な平面を効果的に描いて、たとえペイロード解放板610の幾何学的中心に対するペイロードの質量中心の変動が存在していても、基礎板430及びペイロード解放板610を平行なままであるように抑制する。
【００２６】
より具体的には、図7は、ペイロード射出システム100に使用される展開ヒンジ組立体500の簡易図を示す。ねじれ作用を最小限に抑えるために、また、展開ヒンジ組立体500の必要とされる剛性を低くするために、ペイロード射出システム100は、一対の対向したリンケージを使用し、各対は、相互に直角に配置された二つの上部ヒンジ板501及び二つの下部ヒンジ板502からなる。図面の機構は、各リンケージヒンジが中間ヒンジピン504を中心に外方に曲がることを示すが、機構をより小型化するために、目下の実施形態は、内方に曲がる一つの対と、外方に曲がる別の対とを有する。ヒンジの動作の向きは、簡潔さ及び減少した質量以外には、機構の有効性に関係しない。
【００２７】
図1に示された格納形態での射出場所までの打上げ及び任意の動力輸送のために、ペイロード組立体200は、一つ以上の打上げロック組立体410によってペイロード射出機構300の基礎板430に固着される。ペイロード射出機構300は格納形態にあり、展開ばね508(図9)は、それらの蓄積エネルギーが最大の状態で格納されている。
【００２８】
ペイロードを射出することが決定されると、打上げロック組立体410は、解放するように指示され、次いでペイロード射出機構300及び展開ばね508は、解放機構460によって保持される。適切な時点で、解放機構460は解放するように指示され、それが行われると、展開ばね508の蓄積エネルギーが、上部ヒンジパネル501及び下部ヒンジパネル502を真っ直ぐに立ち上げさせ始める。コネクタ位置合わせピン434は、それら自体がコネクタ位置合わせ特徴220との接触を解除する前に、ペイロード電気コネクタ230が摺動してペイロード-PEMコネクタ434から手際良く係脱することを確実にする。
【００２９】
展開ヒンジ組立体500の対の動作は、ばね力、機構の摩擦抵抗、及びペイロードの質量によって決定された速度で、また、ペイロード解放板610が基礎板430に平行なままで、ペイロード解放板610を基礎板430から離れる方向に移動させる。
【００３０】
図12に示されるように、展開ヒンジ組立体500の移動の終わりに、上部硬質止め部530が下部硬質止め部531に接触すると、上部ヒンジ板501と下部ヒンジ板502とが接触する。すると、展開ばね508の力はゼロまで減少し、ペイロード解放板610はそれ以上前進しない。ペイロード組立体200及び取り付けられたペイロード800は、解放板組立体600に物理的に取り付けられていないが、ペイロード組立体200は、ペイロード解放板610との間に界面を形成するが決してペイロード解放板610に固定されないようにペイロード解放板610に隣接して物理的に接触しており、したがって、ペイロード組立体200は、展開機構によって生成された一軸の射出力だけを受ける。展開ヒンジ組立体500がそれらの硬質止め部530及び531に到達した時点で、ペイロード組立体200は、ペイロード解放機構300から自由になって、それ自体の慣性により射出ベクトル上を進み続け、ここで、ペイロード組立体の運動は、解放の時点おけるペイロード射出板610に対して垂直である。
【００３１】
次に、図面を参照しながら機構についてより詳細に説明する。
【００３２】
ホスト宇宙機700の打上げ後、並びにペイロード800及びペイロード組立体200の射出が望まれている時点より前の任意の時点で、コンピュータ制御システム1200は、内部プログラミングを介してペイロード射出シーケンスの開始を決定するか、又は、地球703からの信号702によりペイロード射出シーケンスを開始するように指示される。コンピュータ制御システム1200によりペイロードを射出する指示の発行がなされる前は、ペイロード射出システム100は、図1、2、8、及び11に示されるような格納形態にある。
【００３３】
この形態では、ペイロードに必要とされるいかなる電力又はデータも、ホスト宇宙機700からPES-ホストコネクタ440a、ペイロードハーネス432、回路基板436を介して、ペイロード-PEMコネクタ435によって保持されたPEMハーネスソケット437へ移される。次いで、電力及びデータは、ペイロード電気コネクタ230によって保持されたペイロードハーネスピン231を介してペイロード組立体200に渡る。ハーネスが、ペイロードハーネスピン231をペイロード800及びペイロード組立体200に接続する。このハーネスは、ペイロード射出システム100の使用ごとのペイロード800とペイロード組立体との各組合せに固有のものであるので、図示されていない。
【００３４】
ペイロード800の射出を開始する指示は、コンピュータ制御システム1200に提供されるか又はコンピュータ制御システム1200によって生成されて、PES-ホストコネクタ440b及び打上げロックハーネス431を介してペイロード射出機構300へ移される。打上げロックハーネス431は、打上げロック組立体410及び解放機構460並びにペイロード射出機構300の操作及び監視に必要とされ得る任意のセンサ(この実施形態では存在せず)に電力及びデータの接続性をもたらす手段を提供する。
【００３５】
打上げロック組立体410を操作する指示に基づき、また、図16、17、及び18を参照すると、打上げロックハーネス431からの信号及び電力は、各ロック制御ハーネス412に移動する。この実施形態では、打上げロック組立体410は、市販されている分離可能なナットデバイスである。指示に基づき、ロック解放機構411は、ロック解放機構411内のナットを分離させて保持ボルト414を解放する。後退ばね415も解放されて、ばねハウジング417及び保持ボルト414を基礎板430から離れる方向にロックボルトハウジング416内へと上方に移動させて、保持ボルトがペイロード射出システム100に拘束又はかじりを起こさせるのを防止する。
【００３６】
図20、21、及び22を参照すると、ペイロード射出システム100は、始動の前には、展開ばね508がペイロード800を射出するのを防止する解放機構460の作用によって一まとめに保持されている。中央コンピュータシステム1200(図27参照)内のプログラムによって決定される適切な時点において、又はホスト人工衛星700への信号702により地球703から中央コンピュータシステム1200に送られる(図26参照)。中央コンピュータシステム1200からの射出指示が、PES100-ホストコネクタ440b(図11参照)、及び解放機構460に接続する打上げロックハーネス432を介してペイロード射出機構300に移される。
【００３７】
この実施形態では、解放機構460は、市販されている脆弱ボルトデバイスである。指示に基づき、解放機構460は、解放シャフト461を的確な態様で破砕させて、解放シャフトの大部分461bを取付け板464及び基礎板430に取り付けられた解放機構460内に残す。解放シャフトの残りの部分461aは、射出シーケンスの間、解放ナット及びペイロード組立体200に取り付けられたままでいる。
【００３８】
展開ヒンジ組立体500(以下で詳細に説明される)は、ペイロード組立体200をペイロード射出機構300から離れる方向に押し出す。図20、21、22、23、及び24を参照すると、解放機構460の手際良い解放を実現するために、ペイロード-PEMコネクタ435及び回路基板436は、取付け板464に固定され、取付け板464は、基礎板430の平面における制限された運動を可能にし且つその平面に対して直角をなすように、基礎板430に取り付けられる。この運動は、解放機構460並びに電気コネクタ230及び435へのいかなる応力も取り除き、それにより、それらが容易に係脱しないようにすることができる。射出の際のコネクタ230及び435の係脱をさらに案内するために、ペイロード-PEMコネクタ435に対するペイロード電気コネクタ230の位置合わせは、コネクタ位置合わせピン434によって維持され、このコネクタ位置合わせピン434は、ペイロード電気ボックス240の一部分を形成するコネクタ位置合わせ特徴220内に解放可能に取り付けられる。緊密な製造公差及び潤滑表面の複合作用により、コネクタ位置合わせピン434は、コネクタ位置合わせ特徴220内で容易に摺動するにもかかわらず、ペイロード電気コネクタ230とペイロード-PEMコネクタ435との間の不要な運動を抑制する。射出の際に、ペイロード組立体200がペイロード射出機構から離れる方向に移動するにつれて、ペイロード電気コネクタ230の一部であるペイロードハーネスピン231は、PEMコネクタ435の一部であるPEMハーネスソケット437から係脱するが、コネクタ位置合わせピン434は、依然としてコネクタ位置合わせ特徴220内に係合されている。ペイロードハーネスピン231が完全にPEMハーネスソケット437から係脱した後で、コネクタ位置合わせピン434がコネクタ位置合わせ特徴220から係脱する。
【００３９】
展開ヒンジ組立体500は、ペイロード800及びペイロード組立体200の射出を可能にする力を提供する。図12、13、14、及び15を参照すると、展開ヒンジ組立体500は、以下のように動作する。上記のように、解放機構460(図22)が作動されると、ペイロード解放板610は、展開ヒンジ組立体500によって作用を受けられるようになる。具体的には、展開ばね508は、上部ヒンジ板501及び下部ヒンジ板502を折り畳まれた形態又は格納形態(図14)から広げられた形態又は展開形態(図12)へと付勢するように、上部ヒンジ板501及び下部ヒンジ板502に作用するように構成されている。展開ヒンジ組立体500の構成、具体的には二つ以上の連結されたヒンジ対のシステムの使用は、一つの平面の別の平面に対する平行運動を生じさせる。展開ヒンジ組立体500は、二つの平行な平面、即ち基礎板430及びペイロード解放板610に接続され且つ相互に或る角度をなして配置されたヒンジを少なくとも二組使用し、それにより、二つの平面の可能な運動が平行なものになるように制限する。本明細書で開示されるペイロード射出システムの好ましい一実施形態は、四つ(4)の展開ヒンジ組立体500を有しており、また、隣り合った非平行な展開ヒンジ組立体500のいかなる対も、ペイロード解放板610の運動が基礎板430に対して平行なものになるように制限するのに十分であるが、追加の展開ヒンジ組立体500を使用することにより、機構内のねじり荷重が減少し、且つ、展開ヒンジ組立体500の必要とされる剛性が低くなり、有利には機構の質量が減少し、信頼性が向上する。
【００４０】
展開ばねが上部ヒンジ板501及び下部ヒンジ板502に作用すると、上部ヒンジ板501及び下部ヒンジ板502は中間ヒンジピン504のまわりで回転し、それにより上部ヒンジ板501は上部ヒンジピン503のまわりで回転させられ、下部ヒンジ板502は下部ヒンジピン505のまわりで回転させられる。隣接する任意の展開ヒンジ組立体500に関連する一つの展開ヒンジ組立体500の物理的配置は、
a)上部ヒンジピン503のすべてが一つの平面内にあり、
b)中間ヒンジピン504のすべてが第2の平面内にあり、
c)下部ヒンジピン505のすべてが第3の平面内にあり、
d)これらのヒンジピン(503、504、及び505)のすべてのヒンジピンの軸が、隣接する展開ヒンジ組立体500のそれらとゼロ以外の角度を形成する(この場合では、それらの軸は直交する)ように、二つの展開ヒンジ組立体500がペイロード展開板610及び基礎板430に取り付けられていることを特徴とする。
【００４１】
このことは、最小で二つの隣接するヒンジ組立体が上部ヒンジ軸、中間ヒンジ軸、及び下部ヒンジ軸のそれぞれにおいて一連の平行な平面を効果的に描いて、展開ばね508が個々の展開ヒンジ組立体500を広げるように働くときに基礎板430又はペイロード解放板610が平行から外れて押し出されるのを防ぐことを意味する。この限定運動は、たとえペイロード800の質量中心750が展開ヒンジ組立体500によって加えられる全射出力ベクトル760からかなりの距離790に位置しているとき(図6a又は6b参照)でもペイロード解放板610を基礎板430に対して平行に移動させるものである。
【００４２】
展開ヒンジ組立体500がそれらの所望の移動限界に到達すると(図13及び14参照)、上部ヒンジ板501上の特徴である上部硬質止め部531は、下部ヒンジ板502上の特徴である下部硬質止め部532と接触し、その展開ヒンジ組立体500の伸張が止まる。角度を付けて配置された展開ヒンジ組立体500の配置により、各展開ヒンジ組立体500は、実質的に同時にその移動が終わることになり、したがって、基礎板430から離れる方向へのペイロード解放板610の射出加速が終わる。
【００４３】
図19を参照すると、格納形態では、ペイロード接点221とペイロード解放板610と解放板接点433との間には、直接荷重は存在しない。作動による振動及び荷重が、三つの構成要素のすべての間に多少の接触を生じさせる可能性があり、解放板接点433は、ペイロード解放板610との間のいかなる過度の運動も制限するように設計されているが、基準状態ではペイロード解放板610から自由な状態を維持する。解放機構460が作動すると、展開ヒンジ組立体500がペイロード解放板610を基礎板430から離れる方向に押し出すように作用するので、ペイロード解放板610は、次いで四つの箇所においてペイロード接点221にしっかりと接触する。展開ヒンジ組立体500の作用によってもたらされたペイロード組立体200の加速は、射出シーケンスの間ペイロード組立体200上のペイロード接点221とペイロード解放板610との制御された接触を保つ力を提供する。展開ヒンジ組立体500がそれらの運動の最大限の範囲に達してもはや加速度を提供しなくなると、ペイロード接点221は、単にペイロード解放板610から離れる方向に移動し、ペイロード組立体200及びペイロード800は、ホスト人工衛星700から独立する。
【００４４】
目下のペイロード射出システム100はペイロード解放板610とペイロード組立体200との間に追加のラッチデバイスを必要としないことが強調されるべきであり、そのような追加のラッチデバイスは、PEMヒンジ組立体500が完全に広がるとき又はその直前に解放するように調節されなければならないはずである。この追加のラッチを必要としないことは、一軸の射出力を提供する展開ヒンジ組立体500によって可能とされ、また、ペイロード800及びペイロード組立体200の質量中心が四つのペイロード接点221によって形成された矩形内に位置していることを前提とする。
【００４５】
上記のように、PEM300のペイロード組立体200への接続は、最終的な解放機構が解放されると、ペイロード解放板610とペイロード接点221との間の接続になる。この接続は、「押圧接触(push-contact)」にすぎない。この接続は、射出事象が始まってから分離が起こらないという危険性がなくなるように選択された。次いでこの接続は、ペイロード組立体200上のペイロード接点221及びペイロード解放板610によって含まれている領域内にペイロード組立体200の質量中心が位置していることを必要とする。このことは、本明細書で開示されるすべての実施形態に当てはまる。さもなければ、射出リンケージによってもたらされる平行運動にかかわらず、転倒効果(tipping effect)が生じるであろう。質量中心がこの接触パターンの外側に位置していた場合にこの転倒を防止するラッチ特徴を追加することも可能であるが、ラッチの解放は、PEM300からの分離の瞬間にペイロード組立体200に干渉しないように調節されなければならないであろう。
【００４６】
図8は、格納形態にあるペイロード射出システム100を示す。ペイロード800は、実際上、宇宙環境に適合するどのようなものであってもよい。これには、小型の人工衛星、人工衛星の下位構成要素、推進剤又はツールなどの宇宙システム消耗品、宇宙システムの組立又は維持のための構成要素、等が含まれるが、これらに限定されない。ペイロード800はまた、単一の品目、ペイロード取付け特徴225を使用してペイロードシャシ210に個別に固定される品目の集合体であってもよい。ペイロード取付け特徴225は、この実施形態では単純なねじ穴であるが、これらの特徴は、ミッション又はペイロードに応じて、受動的な又は能動的な(電動式の)複数の取付け機構であってもよく、そのような取付け機構のそれぞれが、ペイロード800の機械的な取付けを促進することに加えて、ケーブルハーネスを介したホスト700からの電力、データ、及び熱へのアクセスを提供するが、それらの電力、データ、及び熱は、ホスト700を源として、ペイロード-ホストコネクタ440b、ペイロードハーネス432、回路基板436、ペイロード-PEMコネクタ435、ペイロード電気コネクタ230、及びペイロード電気コネクタ230からペイロード800に通じるミッションに特有のハーネスを介して、ペイロードに移動する。これは、各ペイロードに特有のものなので、図示されていない。
【００４７】
機構が動作中に固まらないようにするために、ペイロード射出システム100には幾つかの特徴が組み込まれている。展開ヒンジ組立体500の一般的な構成を示す図12を参照すると、展開ばね508によって加えられる展開力の組合せは、ペイロード射出機構300の幾何学的中心から離れ得るペイロード800の重心750の最大オフセット距離790と相まって、展開ヒンジ組立体500によって抵抗されなければならないモーメント又は偶力770を生じさせる。ヒンジ板501及び502並びにヒンジ軸受509、510及び511の製造公差及び剛性の選択を通じて、システムの質量を最小限に抑えるとともにペイロードオフセット距離790を最大限に高めながらも、機構内に発生する不可避の屈曲に対応することができ、それにより、システムの有用性が最大限に高められる。
【００４８】
図16を参照すると、打上げロック組立体410は、ロック解放機構411がペイロード射出機構300からのペイロード組立体200の解放に失敗する可能性を最小限に抑えるように構成されている。格納形態では、ペイロード射出機構300に対してペイロード組立体200を保持するのに必要とされる的確な固定力は、固定構成要素のうちの一つとしてロードセル418を使用することにより、組立て中に確立される。ロードセルからのデータは、組立て中に読み取ることができ、また、ロードセルハーネス418は、継続的な監視が必要とされなくなった時点で切り離すことができ、又は、ハーネスは、ペイロードハーネスピン231を介してペイロード電気コネクタ230に組み込むことができる。
【００４９】
作動されると、ロック解放機構411は、保持ボルト414を解放し、後退ばね415は、保持ボルト414を奥まったロックボルトハウジング416内へと上方に引き戻して、それらのボルトが機構を詰まらせる可能性を最小限に抑える。
【００５０】
図20を参照すると、ペイロード組立体200とペイロード射出機構300との間の電気コネクタ230及び435が手際良く分離するようにするために、解放機構460は、取付け板464にしっかりと固定されているが、取付け板464は、径方向及び軸方向における運動の自由度が限られている。このことにより、解放機構460によってしっかりと保持された部品の組立体がペイロード射出機構300の他の部品の動きに対応することが可能になる。このしっかりと保持された部品の組立体は、ペイロード電気コネクタ230が取り付けられたペイロード電気ボックス240、ペイロードハーネスピン231、PEMハーネスソケット437が取り付けられたペイロード-PEMコネクタ435を含む。分離中のコネクタ230及び435の位置合わせをさらに確実にするために、二つのコネクタ位置合わせピン434が二つのコネクタ位置合わせ特徴220内で摺動し、二つのコネクタ位置合わせ特徴220は、拘束が起こらないようにするために、厳しい公差で製造されている。
【００５１】
図15を参照すると、格納形態において展開ヒンジ組立体500が折り畳まれているときには、機構の種々の要素間に或る程度の運動の自由度が存在する。この運動の自由度は、所望されるペイロード組立体200の射出に先立つミッションの段階中に、悪影響をもたらす可能性がある。この実施形態は、ペイロード組立体200の射出に先立って潜在的な要素の運動を制限し且つその勢いを弱めるために、一連の柔軟な緩衝器651を使用する。緩衝器651は、緩衝器アーム650に取り付けられており、緩衝器アーム650は、ペイロード解放板610に取り付けられており、且つ、ペイロード解放機構が格納形態にあるときに緩衝器シャフト540と緩衝器651との間にほんの僅かな干渉が存在するように構成されている。緩衝器651の柔軟性は、緩衝器シャフト540に加えられるばね力をもたらし、このばね力は、中間ヒンジピン504の運動を制限する働きをし、したがって展開ヒンジ組立体500の残りの構成要素を制限及び固定し、それにより、中央コンピュータシステム1200による指示の開始に先立つ潜在的な損傷が防がれる。
【００５２】
図8及び9を参照すると、打上げロック組立体410は、ペイロード組立体200とペイロード射出機構300との間の主要な構造的接続部であり、この接続部は、所望の軌道においてペイロードの射出が開始される時点まで、地球からのホスト宇宙機の打上げ中及び軌道上作業中に生じる力に耐える。
【００５３】
一代替実施形態では、解放機構組立体460は、打上げロック組立体410が必要とされなくなるように、打上げ荷重を完全に支持することができるように設計され得る。この場合、解放機構組立体460の構造は、主要な構造荷重経路として機能し且つ宇宙機の打上げ中に基礎板430の平面に生じる荷重を支持するように構成されるが、ロック解放機構411は、基礎板430に垂直な打上げ荷重に反発するための固定荷重を提供する。
【００５４】
打上げ解放機構411又は解放機構460に使用するために選択することが可能な解放機構が幾つか市販されている。機構の選択は、ミッションの要求事項に依存する。これらの機構には、脆弱ボルトシステム、溶落ち機構(burn through mechanism)、分離形ナットシステム、及び火工技術式システムが含まれるが、これらは当業者にはよく知られるであろう。この実施形態の重要な要素は、打上げ解放機構411が打上げ時の構造荷重に耐えるサイズとなされていること、及び、解放機構が、ペイロード組立体200を射出する最終的な指示の前に展開ばね508を制御するだけのサイズとなされる必要があることである。
【００５５】
一代替実施形態は、展開ばね508の蓄積エネルギーの作用を、ヒンジ板501及び502を展開させる動力付きアクチュエータと交換する。動力付きアクチュエータを使用することにより、ペイロード組立体200に異なる加速度プロファイルを与えることができるが、これは一部の状況又は環境で有利になり得る。
【００５６】
一代替実施形態は、捕捉されたペイロードが捕捉する側の宇宙機に取り付けられ得るか又は捕捉する側の宇宙機によって使用され得ることを目的として、射出されたペイロード800及び取り付けられたペイロード組立体200が宇宙機に取り付けられたデバイスによって把握又は捕捉されることを可能にするのに適した特徴を、ペイロード組立体200に追加する。別の宇宙機によって捕捉されることが望まれる可能性がある場合、ペイロード800は、予備部品、追加の推進剤、又は捕捉する側の宇宙機に追加の特徴を与える機構からなるペイロードであろう。ペイロード組立体200が別の宇宙機によって捕捉されることになっている状況では、ペイロード射出システムによってもたらされる大幅に低下したタンブリング速度は、特に有利である。ペイロード組立体200のタンブリング速度が低下することは、射出されたペイロード組立体200を別の宇宙機が捕捉する難しさを大幅に軽減する。
【００５７】
別の人工衛星によるペイロード組立体200の捕捉を助長する又は可能にする特徴は、限定されるものではないが、二つの宇宙機間の物理的接触及び捕捉を可能にする引っ掛け特徴、捕捉する側の宇宙機による手動又は自動の視覚的追跡、LIDAR追跡、及びレーダー追跡を助長し且つ可能にする視標又はレーター標的、捕捉されるペイロード組立体200が捕捉する側の宇宙機にしっかりと取り付けられることを可能にする相互作用機構を含んで、ペイロード800が利用されることを可能にする。
【００５８】
ペイロード組立体200を捕捉する宇宙機に有用な特徴の幾つかの例は、Orbital Express Demonstration Mission (オーグルビー(Ogilvie)、 A.、Autonomous Satellite Servicing Using the Orbital Express Demonstration Manipulator System, Proceedings of the 8th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, iSAIRAS、パサディナ(Pasadena)、2008年 、及びオーグルビー(Ogilvie), A.、Autonomous Robotic Operations for On-Orbit Satellite Servicing, Sensors and Systems for Space Applications, Proc. Of SPIE Vol 6958, 695809、2008年)で使用されている特徴である。
【００５９】
本ペイロード射出システムは、ホスト宇宙機として使用される任意の適切な人工衛星に組み込むことができる。システムは、遠隔的に配置されたオペレータ、例えば地球上、別の宇宙機内、又は軌道周回宇宙ステーション内に配置されたオペレータによる遠隔操作下にあってもよい。システムはまた、純粋な遠隔操作を受けることに加えて混合した遠隔操作/管理下自律性が存在し得るように、或る程度の水準の管理下自律性を有する局所的なミッションマネージャによって自律的に制御されてもよい。
【００６０】
一代替実施形態は、ペイロード射出機構300を作動後に後退させることを可能にする特徴を追加し、また、解放機構460を脆弱ボルトデバイスなどの一回だけ使用するデバイスから遠隔的にセットし直すことができるデバイスに変更する。後退させる特徴には、ウィンチ及びモータに接続されたケーブル、又は適切な掛け金及びラッチを有するピストンとレバーの装置が含まれ得るが、これらに限定されない。このことは、追加のペイロード800及びペイロード組立体200も射出され得るように、ペイロード射出機構300をセットし直すのに応じて追加のデバイス(図示せず)がそのような追加のペイロード800及びペイロード組立体200を配置することを可能にするであろう。これは、第1のペイロード800が連結されている一つのペイロード射出機構を用いて複数のペイロードが打上げられるが追加のペイロード800がホスト人工衛星上に格納されていて第1のペイロードが射出された後で順次それらの格納位置から取り出されて射出され得る場合に、有用な実施形態である。ホスト人工衛星に取り付けられたオートローダが、追加のペイロードを取り出してそれをペイロード展開板に取り付けるようにプログラムされてもよい。オートローダは、追加のペイロードをそれらの保管場所から解放するように予めプログラムされるであろう。場合により、再打上げ操作が人間のオペレータによって遠隔的に制御され得るように、ホスト人工衛星上に視覚システムが配置されてもよい。
【００６１】
上記の特定の実施形態は例として示されたものであり、それらの実施形態は様々な修正形態及び代替形態の影響を受け易いことが理解されるべきである。特許請求の範囲は開示された特定の形態に限定されるように意図されたものではなく、むしろ本開示の精神及び範囲に含まれる全ての修正形態、均等物、及び代替形態を含むように意図されたものであることが、さらに理解されるべきである。
【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６ａ−ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２５ｃ】
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【図２５ｄ】
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【図２５ｅ】
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【図２６】
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【図２７】
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