(57)【要約】  軌道上の宇宙機に燃料補給するためのツール、システム、及び方法を開示する。ツール及びシステムは、二元推進薬(酸化剤及び燃料)又は単元推進薬(典型的にはヒドラジン)のどちらかによって推進されるように構成された宇宙機への補給を可能とするように構成される。燃料補給ツールは、本来燃料補給が準備されていない人工衛星への補給に特に適しているが、システムは、燃料補給するように特に設計された人工衛星にも使用することができる。【選択図】図１Ａ，１Ｂ
2015500159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第2の人工衛星の回転して取り外し可能なアクセス構成部品を開くための、第1の人工衛星に取り付けられたツールであって、
前記第2の人工衛星上の前記アクセス構成部品が、第1の軸に沿って同軸状に整列された回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、
前記ツールがハウジングを備え、
前記ハウジングは、
前記ハウジング内に取り付けられ、ギヤシフタが結合されたモータと、
前記ハウジング内に取り付けられ、第2の軸に沿って同軸状に順に重ねて整列された少なくとも第1及び第2の自在レンチ機構を含むレンチ機構と、
前記ハウジング内に取り付けられ、前記第1及び第2の自在レンチ機構に結合された差動ギヤボックスであって、前記ギヤシフタが受けたトルクを前記第1の自在レンチ機構と前記第2の自在レンチ機構とに均等に分配するように構成されている差動ギヤボックスと
を含み、
前記第2の軸が前記第1の軸と一致した状態で、前記レンチ機構を前記アクセス構成部品上に降ろして前記ツールが位置決めされると、前記第1の自在レンチ機構が、前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品の前記回転特徴構成に係合し、前記第2の自在レンチ機構が前記アクセス構成部品の前記静的特徴構成に係合し、その結果、前記レンチ機構が、前記静的特徴構成にトルクを反作用させながら前記回転特徴構成に二方向性のトルクを加えるように、前記回転特徴構成及び前記静的特徴構成に均等で且つ相反する力を加える、ツール。
【請求項２】
前記差動ギヤボックスが少なくとも第1及び第2の出力軸を介して前記少なくとも二つの自在レンチ機構に結合され、
前記ギヤシフタが前記ギヤボックスに結合されており、
前記ギヤシフタが、前記モータからのトルクを前記ギヤボックスに伝達するように構成されており、
前記ギヤボックスが、前記ギヤシフタから受けた前記トルクを前記少なくとも第1及び第2の出力軸に伝達するように構成されている、請求項1に記載のツール。
【請求項３】
前記ツールが、軌道上の第1の人工衛星と第2の人工衛星の間で一種以上の流体を交換するためのツールであり、
ロボットツールが前記第1の人工衛星上に取り付けられており、
前記第2の人工衛星の前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品が、前記回転特徴構成及び静的特徴構成を有する少なくとも一つの充填/排出バルブを含み、
前記ツールが、前記ハウジング内に取り付けられ前記第1の人工衛星上の一以上の流体供給源に嵌合し且つ前記第1の人工衛星と前記第2の人工衛星との間に選択的に流体を通すように構成された流体交換器サブシステムを含み、
前記ギヤシフタが前記流体交換器サブシステムに結合されている、請求項2に記載のツール。
【請求項４】
前記少なくとも一つの充填/排出バルブが、前記充填/排出バルブの前記回転特徴構成及び静的特徴構成と同軸状に整列された関連回転特徴構成を持つ回転して取り外し可能な二次シールフィッティングを含み、
前記レンチ機構が、前記第1及び第2のレンチ機構と同軸状に整列された少なくとも一つの第3の自在レンチ機構を含み、
前記差動ギヤボックスが第3の出力軸を含み、
前記第3の出力軸が前記第3のレンチ機構に結合されており、
前記第3のレンチ機構が、前記二次シールフィッティングの前記関連回転特徴構成に係合してそれに二方向性のトルクを加えるように構成されている一方で、前記第2の自在レンチ機構が、前記充填/排出バルブ上の前記静的特徴構成に前記二方向性のトルクを反作用させる、請求項3に記載のツール。
【請求項５】
前記第3の自在レンチ機構が、前記二次シールフィッティングを把持し、且つ、前記加えられたトルクが前記二次シールフィッティングを前記充填/排出バルブから係脱させた時点で前記二次シールフィッティングを確保するように構成されている、請求項4に記載のツール。
【請求項６】
前記差動ギヤボックスが、差動的に対を成す出力軸をオペレータが選択的に切り替えることができるシフティング差動ギヤボックスである、請求項4に記載のツール。
【請求項７】
前記差動ギヤボックスが、前記第1及び第2の出力軸と前記第2及び第3の出力軸とをオペレータが選択的に切り替えることができるシフティング差動ギヤボックスである、請求項4に記載のツール。
【請求項８】
前記差動ギヤボックスにおけるギヤ位置を切り替えるために前記ギヤシフタに選択的に係合するように構成されたアクチュエータを含んでいる、請求項7に記載のツール。
【請求項９】
前記アクチュエータが、前記エンドエフェクタ上に取り付けられた直線アクチュエータであり、且つ、遠隔オペレータによる制御用に構成されており、オペレータによって指示されると、前記ギヤシフタに係合して、前記ギヤシフタを前記ギヤボックスの選択されたギヤ間で動かす、請求項8に記載のツール。
【請求項１０】
前記アクチュエータが、前記ハウジング上に取り付けられ、且つ、遠隔オペレータによる制御用に構成されており、オペレータによって指示されると、前記ギヤシフタに係合して、前記ギヤシフタを前記ギヤボックスの選択されたギヤ間で動かす、請求項8に記載のツール。
【請求項１１】
前記第2の人工衛星が、少なくとも二種の異なる流体を受けるように構成され、且つ、異なるフールプルーフカップリング特徴構成をそれぞれが有する少なくとも一つの第1の充填/排出バルブ及び第2の充填/排出バルブを含み、
前記ハウジング内に取り付けられた前記流体交換器サブシステムが、前記第1及び第2の充填/排出バルブと嵌合するようにそれぞれ関連付けられた対応するフールプルーフカップリング特徴構成を有する少なくとも二つの流体流路を含んでいる、請求項3に記載のツール。
【請求項１２】
流体交換器サブシステムが、前記ハウジング内の少なくとも二つの位置の間で可動であるように構成されており、それにより、
第1の位置にあるときには、前記少なくとも二つの流体流路のうちの第1の流体流路が、前記第1の人工衛星上の第1の流体供給源及び前記第1の充填/排出バルブに結合され、次いで前記少なくとも二つの流体流路のうちの第2の流体流路が、前記第2の充填/排出バルブ及び前記第1の人工衛星上の第2の流体供給源から係脱され、
第2の位置にあるときには、前記第2の流体流路が、前記第1の人工衛星上の前記第2の流体供給源及び前記第2の充填/排出バルブに結合され、次いで前記第1の流体流路が、前記第1の充填/排出バルブ及び前記第1の人工衛星上の前記第1の流体供給源から係脱され、
前記流体交換器サブシステムが、前記第1及び第2の位置の間で前記流体交換器サブシステムを動かすための前記アクチュエータによって係合されるように構成された接合面を含んでいる、請求項11に記載のツール。
【請求項１３】
それぞれの自在レンチ機構がハウジングを含み、
前記ハウジングが、回転軸と、歯付きカムロックにそれぞれ枢動可能に取り付けられた一対の対向したナットカムと、を備え、
前記ナットカムのそれぞれが爪部材を含み、
前記カムロックが輪形カムに並進的に取り付けられており、
前記輪形カムが、前記ハウジング内に同軸状に取り付けられ且つ前記ハウジングに対して回転可能であり、
前記ハウジングがさらに、前記輪形カムの動きを制限するために前記輪形カムと前記ハウジングとの間に取り付けられた移動止めばねと、前記ハウジング内に取り付けられ且つ前記ハウジングに対して回転可能である、内側及び外側の歯付き面を有する歯付き駆動輪と、を備え、
前記カム爪が前記歯付き駆動輪に係合されており、それにより、前記歯付き駆動輪が前記差動ギヤボックスからの出力軸によって回転されると、前記ナットカムが、ファセット面付き回転要素の対向した外側面に接触するまで回転して駆動され、その時点で、前記歯付きカムロックが、径方向外方に摺動して前記駆動輪の前記歯付き内側面に係合し、それにより前記駆動輪及び前記輪形カムが相互にロックされて、前記出力軸によって加えられたトルクを前記ファセット面に伝達することが可能とされている、請求項1から12のいずれか一項に記載のツール。
【請求項１４】
前記レンチ機構が前記ハウジングの第1の端部に隣接して取り付けられ、
前記ハウジングの前記第1の端部が、前記レンチ機構と前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品との係合を可能とするように構成されており、
前記レンチ機構と前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品との前記係合を観測して遠隔オペレータによる前記レンチ機構の制御を可能にするために、前記ハウジングの前記第1の端部周辺の領域に配置され且つそのための視界を有する前記ハウジングに取り付けられた視覚システムを含んでいる、請求項1から13のいずれか一項に記載のツール。
【請求項１５】
ロボットアームの遠位端部上に取り付けられたエンドエフェクタによる前記ツールの把握及び操作を可能とするために前記ハウジング上に取り付けられた特徴構成を含み、前記特徴構成がグラプルフィクスチャを含んでいる、請求項1から14のいずれか一項に記載のツール。
【請求項１６】
前記ハウジングが、少なくとも一つの電力及びデータ用コネクタと、前記第1の人工衛星上の少なくとも一つの流体貯蔵タンクから少なくとも一つの流体流路に接続された少なくとも一つの流体カップリングと、を含み、
前記少なくとも一つの電力及びデータ用コネクタ並びに前記少なくとも一つの流体カップリングが、前記エンドエフェクタ上の対応する電力及びデータ用コネクタ並びに流体流れカップリングと嵌合するように位置決めされている、請求項15に記載のツール。
【請求項１７】
前記ハウジング上の前記電力及びデータ用コネクタが、前記アクチュエータに電力を提供し且つ前記ハウジングに取り付けられた視覚システムを含む様々なセンサに電力及びデータの接続を提供するために、前記アクチュエータに接続されて、遠隔オペレータに映像データを送信し且つ前記遠隔オペレータから前記アクチュエータを指示するための命令を受信するための前記第1の人工衛星上の通信システムに、前記視覚システムからの映像データを送信し、前記視覚システムが、前記レンチ機構と前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品との係合を観測して遠隔オペレータによる前記レンチ機構の制御を可能にするために、前記ハウジングの前記第1の端部周辺の領域に配置され且つそのための視界を有している、請求項16に記載のツール。
【請求項１８】
前記エンドエフェクタが、少なくとも一つの第1のアクチュエータと、第2のアクチュエータと、第3のアクチュエータと、を含み、
前記第1のアクチュエータは、前記ツールが前記エンドエフェクタによって把握され且つ前記第1のアクチュエータが作動されると、前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つの電気コネクタが前進させられて前記ハウジング上の前記少なくとも一つの電気コネクタに差し込まれるように構成されており、
前記第2のアクチュエータは、前記ツールが前記エンドエフェクタによって把握され且つ前記第2のアクチュエータが作動されると、前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つのデータコネクタが前進させられて前記ハウジング上の前記少なくとも一つのデータコネクタに差し込まれるように構成されており、
前記第3のアクチュエータは、前記ツールが前記エンドエフェクタによって把握され且つ前記第3のアクチュエータが作動されると、前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つの流体カップリングが前進させられて前記流体交換器サブシステムに嵌合されるように構成されている、請求項17に記載のツール。
【請求項１９】
前記ハウジングが、前記ハウジングの温度を制御するための断熱及び温度の制御装置を含んでいる、請求項1から18のいずれか一項に記載のツール。
【請求項２０】
指定された可動部品の場所を検知するための、前記ハウジング内に組み込まれた検知手段を含んでいる、請求項1から19のいずれか一項に記載のツール。
【請求項２１】
それぞれのナットカムがカム面を含み、
前記自在レンチ機構が前記ハウジング内で充填/排出バルブ上で回転されると、前記二つのナットカム上の前記カム面が、前記充填/排出バルブ上の前記特徴構成に接触するまで一方が他方に向かって移動する、請求項11に記載のツール。
【請求項２２】
サービス側宇宙機の一以上の選定流体貯蔵タンクと被供給側衛星との間で流体を移送するための、前記サービス側宇宙機に取り付けられたシステムであって、
前記被供給側衛星が、一以上の流体貯蔵タンク、及び前記一以上の流体貯蔵タンクのそれぞれに関連した充填/排出バルブを含み、
それぞれの充填/排出バルブが回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、
前記システムは、
a)  前記一以上の選定流体貯蔵タンクに結合されるエンドエフェクタが取り付けられた、位置決め機構と、
b)  ツールであって、
ハウジング、
前記エンドエフェクタによって把握されるように構成され、前記ハウジングに取り付けられたフィクスチャ、
前記ハウジング内に取り付けられ且つ前記エンドエフェクタに結合されるように構成された、前記被供給側衛星上の前記一以上の流体貯蔵タンクを前記サービス側宇宙機に取り付けられた前記一以上の選定流体貯蔵タンクに結合するための流体選択及びカップリング機構、
前記ハウジング内に配置され、前記一以上のタンク上の各充填/排出バルブを開閉させ且つ前記流体選択及びカップリング機構を前記被供給側衛星上の前記少なくとも一つの充填/排出バルブに嵌合させるように構成されたレンチ機構、
前記ハウジング内に取り付けられ、前記流体選択及びカップリング機構及び前記レンチ機構に結合されたアクチュエータ、を含むツールと、
c)  少なくとも前記ツールと前記一以上の流体貯蔵タンク上の各充填/排出バルブとの間の相対的な変位を判定するためのセンサシステムと、
d)  前記センサ、前記位置決め機構、前記エンドエフェクタ、及び前記アクチュエータと通信して、前記センサからのフィードバックに基づいて前記位置決め機構、前記エンドエフェクタ、及び前記ツールの動作を制御する制御システムと、を備えているシステム。
【請求項２３】
前記アクチュエータが、
モータと、
前記モータが結合されているギヤシフタと、
前記ハウジング内に取り付けられ、前記ギヤシフタ及び少なくとも第1及び第2の出力軸に結合された差動ギヤボックスであって、前記ギヤシフタが、前記モータからのトルクを前記差動ギヤボックスに伝達するように構成されており、前記差動ギヤボックスが、前記ギヤシフタから受けた前記トルクを前記少なくとも第1及び第2の出力軸に伝達するように構成されており、前記ギヤシフタが、前記流体選択及びカップリング機構に係合されて前記流体選択及びカップリング機構を前記ハウジング内の少なくとも二つの位置間で移動させるように構成されている、差動ギヤボックスと、を含み、
前記レンチ機構が、同軸状に整列された少なくとも第1及び第2の自在レンチ機構を含み、
前記第1の自在レンチ機構が、前記第1の出力軸が受けるトルクを前記ギヤボックスから前記第1の自在レンチ機構によって係合される第1の対象物に伝達するために、前記第1の出力軸に結合されており、
前記第2の自在レンチ機構が、前記第2の出力軸が受けるトルクを前記ギヤボックスから前記第2の自在レンチ機構によって係合される第2の対象物に伝達するために、前記第2の出力軸に結合されており、
前記ギヤボックスが、前記ギヤシフタが受ける前記トルクを前記第1の自在レンチ機構と前記第2の自在レンチ機構とに均等に分配して、前記第1及び第2の対象物に均等で且つ相反する力を加えるように構成されており、
前記第1の対象物が、充填/排出バルブの前記回転特徴構成であり、したがって、前記第1の自在レンチ機構が、前記第2の人工衛星の前記充填/排出バルブの前記回転特徴構成に係合して、前記回転特徴構成に二方向性のトルクを加えるように構成され、前記第2の対象物が、前記充填/排出バルブの前記静的特徴構成であり、したがって、前記第2の自在レンチ機構が、前記充填/排出バルブに前記トルクを反作用させる、請求項22に記載のシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも一つの充填/排出バルブが、関連回転特徴構成を持つ二次シールフィッティングを含み、前記カムレンチ機構が、前記第1及び第2の自在レンチ機構と同軸状に整列されている少なくとも一つの第3の自在レンチ機構を含み、
前記ギヤボックスが第3の出力軸を含み、
前記第3の出力軸が前記第3の自在レンチ機構に結合されており、
前記第3の自在レンチ機構が、前記二次シールフィッティングの前記関連回転特徴構成に係合してそれに二方向性のトルクを加えるように構成されている一方で、前記自在レンチ機構のうちの前記第2の自在レンチ機構が、前記充填/排出バルブ上の前記静的特徴構成にこの二方向性のトルクを反作用させる、請求項23に記載のシステム。
【請求項２５】
前記差動ギヤボックスが、差動的に対を成す出力軸をオペレータが選択的に切り替えることができるシフティング差動ギヤボックスである、請求項24に記載のシステム。
【請求項２６】
前記差動ギヤボックスが、前記第1及び第2の出力軸と前記第2及び第3の出力軸とを選択的に切り替えることができるシフティング差動ギヤボックスである、請求項24に記載のシステム。
【請求項２７】
それぞれの自在レンチ機構がハウジングを含み、
前記ハウジングが、回転軸と、歯付きカムロックにそれぞれ枢動可能に取り付けられた一対の対向したナットカムと、を備え、
前記ナットカムのそれぞれが爪部材を含み、
前記カムロックが輪形カムに並進的に取り付けられており、
前記輪形カムが、前記ハウジング内に同軸状に取り付けられ且つ前記ハウジングに対して回転可能であり、
前記ハウジングがさらに、前記輪形カムの動きを制限するために前記輪形カムと前記ハウジングの間に取り付けられた移動止めばねと、前記ハウジング内に取り付けられ且つ前記ハウジングに対して回転可能である、内側及び外側の歯付き面を有する歯付き駆動輪と、を備え、
前記カム爪が前記歯付き駆動輪に係合されており、それにより、前記歯付き駆動輪が前記差動ギヤボックスからの出力軸によって回転されると、前記ナットカムが、ファセット面付き回転要素の対向した外側面に接触するまで回転して駆動され、その時点で、前記歯付きカムロックが、径方向外方に摺動して前記駆動輪の前記歯付き内側面に係合し、それにより前記駆動輪及び前記輪形カムが相互にロックされて、前記出力軸によって加えられたトルクを前記ファセット面に伝達することが可能とされている、請求項22から26のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
それぞれの前記ナットカムがカム面を含み、
前記自在レンチ機構が前記ハウジング内で充填/排出バルブ上で回転されると、前記二つのナットカム上の前記カム面が、前記充填/排出バルブ上の前記特徴構成に接触するまで一方が他方に向かって移動する、請求項27に記載のシステム。
【請求項２９】
前記位置決め機構が、前記一以上の選定流体貯蔵タンクに結合される一以上の流体ラインを担持するように構成され、
前記エンドエフェクタが、前記位置決め機構上の前記一以上の流体ラインに結合される、請求項22から28のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３０】
前記エンドエフェクタが、少なくとも一つの流体カップリングと、前記少なくとも一つの流体カップリングを移動させるためのカップリングアクチュエータと、を含み、
前記流体選択及びカップリング機構が、前記ハウジングの外側上に取り付けられた少なくとも一つの流体カップリングを含み、
前記エンドエフェクタが前記グラプルフィクスチャを把持し且つ前記アクチュエータが作動されたときに、前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つの流体カップリングが前記ハウジングの前記外側上の少なくとも一つの流体カップリングと係合するように、前記エンドエフェクタ及び前記ハウジングが構成されている、請求項29に記載のシステム。
【請求項３１】
前記エンドエフェクタが、前記サービス側衛星上の電源に接続された少なくとも一つの電気コネクタを含み、
前記ハウジングが、前記ハウジングの外側上に配置された少なくとも一つのコネクタを含み、
前記エンドエフェクタが前記グラプルフィクスチャを把持し且つ前記アクチュエータが作動されたときに、前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つの電気コネクタが前記ハウジングの前記外側上の少なくとも一つの電気コネクタと嵌合して前記ロボットツールに電力を供給するように、前記エンドエフェクタ及び前記ハウジングが構成されている、請求項30に記載のシステム。
【請求項３２】
前記エンドエフェクタ上の前記少なくとも一つの電気コネクタがデータ及び電気用のコネクタであり、
前記ハウジング上の前記少なくとも一つの電気コネクタが電気及びデータ用のコネクタであり、
前記エンドエフェクタ上の前記データコネクタが前記制御システムに接続され、前記ツール上の前記データコネクタが前記センサシステム及び前記アクチュエータに接続される、請求項31に記載のシステム。
【請求項３３】
被供給側衛星に取り付けられた回転して取り外し可能なアクセス構成部品を遠隔的に開くための方法であって、
前記被供給側衛星上の前記アクセス構成部品が回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、
サービス側衛星に取り付けられた位置決め機構を作動させ、前記位置決め機構上のエンドエフェクタを前記サービス側衛星に取り付けられたツールに解放可能に結合するステップと、
前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品上に前記ツールを位置決めし、前記ツール内に取り付けられたレンチ機構を、前記レンチ機構の回転軸が前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品の回転軸に合わせられるまで、前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品上で位置合わせし、それにより、前記レンチ機構の第1の自在レンチ機構セクションが前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品の前記回転特徴構成に係合され、前記レンチ機構の第2の自在レンチ機構セクションが前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品の前記静的特徴構成に係合されるステップと、
前記回転特徴構成及び前記静的特徴構成に均等で且つ相反する力を加える前記レンチ機構を作動させて、前記静的特徴構成にトルクを反作用させながら前記回転特徴構成に二方向性のトルクを加えるステップと、を含む方法。
【請求項３４】
前記サービス側衛星と前記被供給側衛星との間で流体を移送するステップであって、
前記回転して取り外し可能なアクセス構成部品が充填/排出バルブであり、
前記レンチ機構を流体カップリングに係合させて、前記流体カップリングを前記充填/排出バルブに取り付け、前記流体カップリングが、前記サービス側衛星上の流体供給源と流体連通しており、前記レンチ機構を前記充填/排出バルブに係合させて、前記充填/排出バルブを開き、前記サービス側衛星上と前記被供給側衛星との間に流体を通し、流体が移送されたら、前記レンチ機構を前記充填/排出バルブに係合させて前記充填/排出バルブを閉め、前記充填/排出バルブが閉まったら、前記レンチ機構を前記流体カップリングに係合させて、前記流体カップリングを前記充填/排出バルブから取り外すステップを含む、請求項33に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、軌道上推進薬補給作業中に人工衛星上の充填/排出バルブに安全にアクセスし且つそのバルブを開閉するためのツールに関する。より詳細には、本ツールは、補給できるように設計された衛星だけでなく、本来補給の準備がされていない衛星にも推進薬を補給するように設計される。本ツールは、充填/排出バルブ以外のアクセス構成部品を有する被供給側衛星(client satellite)の他の部品にアクセスするために使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
現在運用されている多くの人工衛星は、限られた量の推進薬を念頭に置いて設計されており、推進薬を補給できるようには設計されなかった。設計理念は、人工衛星が機内の推進薬供給量を使い切った後でその人工衛星を交換することに依拠していた。人工衛星の交換にかかる費用を考えると、推進薬が尽きかけているが他の点では機能している人工衛星、又は初期推進システム故障若しくは挿入異常に見舞われた人工衛星、又は計画通り運用するために当初意図されていたもの以上に操作されてきた人工衛星に推進薬を補給して、それにより人工衛星の運用年数を数年又は何年も延長させられるようになることは、非常に有益なはずである。
【０００３】
全GEO通信衛星の半数以上がそれらのサブシステムの全て又は大部分がまだ機能する状態で10年から15年の寿命を迎えると推定されており、人工衛星を退役に追いやるのは注意深く割り当てられた推進薬量の枯渇にすぎない。現在の経済モデルを使用すると、一つのミッションにおいて寿命末期の人工衛星への推進薬の補給が可能となることにより、それら人工衛星の耐用寿命のそれぞれが3年から5年延長され、それにより、非常に高額な資本コストを費やして各人工衛星の代替機を打ち上げる必要が先延ばしにされるはずである。人工衛星のなかには、打ち上げられた直後に主推進システムの故障か又は打上げ機上段に関する故障に見舞われるものもある。このような場合、全帳簿価格が引き下げられなければならず、経営者には保険業者により補償金が支払われる。人工衛星は、保険業者の資産になり、最終的には廃棄物置場又は再突入軌道で処分されざるを得なくなる。こうした資産のうちの一つに推進薬を補給することができれば、それを静止軌道内の軌道ステーションに移行してその寿命を5年から10年延長させることができ、その宇宙機の価値の大部分又は全部を取り戻すことができる。
【０００４】
一番の技術上の困難は、これらの人工衛星がロボットによってサービスするように設計されておらず、また、そのようなミッションが技術的に可能であると一般に受け入れられていないことである。具体的には、ほとんどの人工衛星は、打上げ前に一度充填することが意図され、再び開けられることも操作されることもない推進薬充填及び排出バルブを念頭に置いて設計されている。したがって、これらの充填及び排出バルブに軌道上で遠隔にアクセスすることは、幾つかの主要課題を提示し、また幾つかの作業を必要とすることになり、耐熱ブランケットを切断して取り除くこと、バルブに巻回された幾つかのロックワイヤを取り除くこと、外側及び内側のバルブキャップを緩めて取り除くこと、燃料充填ラインをバルブニップルに嵌合すること、バルブを機械的に作動させること、及び推進薬の補給が完了したときに内側のバルブキャップを元の位置に戻すことを含めて、そのそれぞれをロボットによって成し遂げるのは困難である。
【０００５】
軌道上サービスは、過去三十年にわたって多くの研究の主題とされてきた。宇宙資産を処分して取り替えるのではなくそれらを維持するという考え方は、様々な発想や計画を誘った。今までのところ、この概念は有人宇宙計画にのみ拠り所を見いだしており、太陽観測衛星(Solar Max)及びハッブル宇宙望遠鏡の改修ミッション、パラパB2(Palapa-B2)及びウェスター(Westar)の回収ミッション、並びに国際宇宙ステーションの組立及び維持を、その成功例の一部と考えることができる。
【０００６】
地球静止軌道上で動作する宇宙機のロボットによる捕獲及びサービスは、今まで実演されたことがなかった。最近まで、軌道保持用推進薬(station keeping propellant)の補給に対する備えがなされていない人工衛星の推進システムへのアクセスに関する問題を解決することができる技術は、開示されていなかった。今日軌道上にある人工衛星の大半は、軌道での推進薬補給を念頭に置いて設計されておらず、推進薬システムへのアクセスは、打上げの前に地上の人間によってアクセスされるように設計されている。推進薬を補給するために被供給側宇宙機の推進システムにアクセスするのに必要とされる技術は、まだ技術成熟度が非常に低く、また、サービスミッションの成功を妨げる主要な障害であると一般に考えられている。
【０００７】
宇宙機推進システムに使用される燃料を一方の供給源から他方に移送することは、関連する液体の腐食性及び爆発性のために、非常に危険である。例えば、二元推進薬システムにおいて燃料と酸化剤が不用意に混合されると、すぐに燃焼が生じることになるので、燃料を基にした二元推進薬のための液体移送システムは、偶発的な混合が確実に起こらないようにすることが必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
備えのなされていない人工衛星上で、それだけには限らないがシーリングキャップ組立体の取り外し、被供給側衛星への推進薬ホースの結合/分離、新しいシーリングキャップ組立体の取付けなど推進薬補給作業が行われる際に、様々なタイプ/サイズの人工衛星充填/排出バルブを開閉するように設計されたツールを提供することは、非常に有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、軌道上推進薬補給作業中に人工衛星上の充填排出バルブに安全にアクセスしてそれを開閉するためのツールに関する。このツールは、本来推進薬の補給が準備されていない人工衛星に補給するように設計されているが、補給作業するように特別に設計された人工衛星への補給にも使用することができる。
【００１０】
本明細書において開示される一実施形態は、第2の人工衛星の回転して取り外し可能なアクセス構成部品を開くための、第1の人工衛星に取り付けられたツールであって、第2の人工衛星の回転して取り外し可能なアクセス構成部品が、第1の軸に沿って同軸状に整列された回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、このツールがハウジングを備え、ハウジングが、前述のハウジング内に取り付けられ、ギヤシフタ(gear shifter)が結合されたモータと、前述のハウジング内に取り付けられ、第2の軸に沿って同軸状に順に重ねて整列された少なくとも第1及び第2の自在レンチ機構を含む、レンチ機構と、前述のハウジング内に取り付けられ、前述の第1及び第2の自在レンチ機構に結合された差動ギヤボックスであって、ギヤシフタが受けたトルクを第1の自在レンチ機構と第2の自在レンチ機構とに均等に分配するように構成されている、差動ギヤボックスと
を含み、第2の軸が第1の軸と一致した状態で、レンチ機構をアクセス構成部品上に降ろしてツールが位置決めされると、第1の自在レンチ機構が、回転して取り外し可能なアクセス構成部品の回転特徴構成に係合し、第2の自在レンチ機構が、アクセス構成部品の静的特徴構成に係合し、その結果、レンチ機構が、静的特徴構成にトルクを反作用させながら回転特徴構成に二方向性のトルクを加えるように、回転特徴構成及び静的特徴構成に均等で且つ相反する力を加える、ツールである。
【００１１】
また、被供給側衛星に取り付けられた回転して取り外し可能なアクセス構成部品を遠隔的に開く方法であって、被供給側衛星上のアクセス構成部品が回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、サービス側衛星に取り付けられた位置決め機構を作動させ、位置決め機構上のエンドエフェクタをサービス側衛星に取り付けられたツールに解放可能に結合するステップと、回転して取り外し可能なアクセス構成部品上にツールを位置決めし、ツール内に取り付けられたレンチ機構を、レンチ機構の回転軸が回転して取り外し可能なアクセス構成部品の回転軸に合わせられるまで、回転して取り外し可能なアクセス構成部品上で位置合わせし、それにより、レンチ機構の第1の自在レンチ機構セクションが回転して取り外し可能なアクセス構成部品の回転特徴構成に係合され、レンチ機構の第2の自在レンチ機構セクションが回転して取り外し可能なアクセス構成部品の静的特徴構成に係合されるステップと、回転特徴構成及び静的特徴構成に均等で且つ相反する力を加えるレンチ機構を作動させて、静的特徴構成にトルクを反作用させながら回転特徴構成に二方向性のトルクを加えるステップと、を含む方法が提供される。
【００１２】
また、サービス側宇宙機上の一以上の選定流体貯蔵タンクと被供給側衛星との間で流体を移送するための、サービス側宇宙機に取り付けられたシステムであって、被供給側衛星が、一以上の流体貯蔵タンク、及び一以上の流体貯蔵タンクのそれぞれに関連した充填/排出バルブを含み、各充填/排出バルブが、回転特徴構成及び静的特徴構成を有し、このシステムが、a)  一以上の選定流体貯蔵タンクに結合されるエンドエフェクタが取り付けられた、位置決め機構と、b)  ツールであって、ハウジング、前述のエンドエフェクタによって把握されるように構成された、前述のハウジングに取り付けられたフィクスチャ、前述のハウジング内に取り付けられ且つエンドエフェクタに結合されるように構成された、被供給側衛星上の一以上の流体貯蔵タンクをサービス側宇宙機に取り付けられた一以上の選定流体貯蔵タンクに結合するための流体選択及びカップリング機構、前述のハウジング内に配置され、一以上のタンク上の各充填/排出バルブを開閉させ且つ流体選択及びカップリング機構を被供給側衛星上の少なくとも一つの充填/排出バルブに嵌合させるように構成されたレンチ機構、前述のハウジング内に取り付けられ、流体選択及びカップリング機構及びレンチ機構に結合されたアクチュエータ、を含むツールと、c)  少なくとも前述のツールと一以上の流体貯蔵タンク上の各充填/排出バルブとの間の相対的な変位を判定するためのセンサシステムと、d)  前述のセンサ、前述の位置決め機構、前述のエンドエフェクタ、及び前述のアクチュエータと通信して、前述のセンサからのフィードバックに基づいて前述の位置決め機構、前述のエンドエフェクタ、及び前述のツールの動作を制御する制御システムと、を含むシステムが開示される。
【００１３】
以下の詳細な説明及び図面を参照することにより、本開示の機能的で且つ有利な態様に関するさらなる理解を得ることができる。
【００１４】
次に、一例として、図面を参照しながら燃料補給ツールの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本発明によって構成された燃料補給ツールの斜視図である。
【図１Ｂ】図1Aの燃料補給ツールの分解図である。
【図２】図1Aに示された図に対して上下逆さまになった、図1Aのツールの別の斜視図である。
【図３Ａ】図1Aの燃料補給ツールの上部ハウジングの側面図である。
【図３Ｂ】図3Aの側面図に対向した、図1Aの燃料補給ツールの上部ハウジングの側面図である。
【図４】ハウジングに視覚システムが取り付けられた燃料補給ツールの上部ハウジングの上面図である。
【図５Ａ】推進薬ホース付きの燃料/酸化剤交換器(fuel/oxidizer exchanger)を含むハウジングの内部フィッティングを示す、上部ツールハウジングの等角図である。
【図５Ｂ】グラプルフィクスチャ及び電気的接続部を含むハウジングの外部フィッティングを示す、上部ツールハウジングの等角図である。
【図５Ｃ】視覚システムのない、図4に類似した上面図である。
【図５Ｄ】燃料酸化剤交換器(Fuel Oxidiser Exchanger)(FOE)組立体を示す、上部ツールハウジングセクションの側面図である。
【図５Ｅ】図5Dに類似しているが90°回転された、上部ツールハウジングセクションの側面図である。
【図５Ｆ】図5Cの線5F-5F及び図5Dの線5F-5Fに沿った断面図である。
【図５Ｇ】図5Cの線5G-5G及び図5Dの線5G-5Gに沿った断面図である。
【図５Ｈ】燃料酸化剤交換器(FOE)を含む上部ツールハウジングセクションの分解図である。
【図５ＩＡ】本燃料補給ツールの一部を形成する、燃料酸化剤交換器(FOE)サブシステムの分解図である。
【図５ＩＢ】図5IAの燃料酸化剤交換器サブシステムの組み立てられた配管システムの一部を示す図である。
【図６Ａ】差動ギヤボックスを収容する、燃料補給ツールの中間ハウジングセクションの分解図である。
【図６Ｂ】差動ギヤボックスを駆動するために使用されるモータ軸を含む内部構成部品を示す、組み立てられた燃料補給ツール中間ハウジングセクションの等角図である。
【図６Ｃ】差動ギヤボックス内に係合されたモータ軸を示す、図6Bの図と比較して反転された、組み立てられたツール中間ハウジングセクションの等角図である。
【図６Ｄ】本発明の一部を形成するハウジング内に取り付けられたギヤボックス組立体を示す、ツール中間ハウジングセクションの側面図である。
【図６Ｅ】図6Dに類似しているが90°回転された、ツール中間ハウジングセクションの側面図である。
【図６Ｆ】取り付けられたギヤボックス及びカムレンチ駆動軸の配列を示す、中間ハウジングセクションの上面図である。
【図６Ｇ】中間ハウジングセクションの上面図である。
【図６Ｈ】図6Gの線6H-6Hに沿った図である。
【図６Ｉ】図6Gの線6I-6Iに沿った図である。
【図７】組み立てられた本発明の差動ギヤボックスの外観図である。
【図８】ツール駆動列の一部を形成するギヤボックスの分解図である。
【図９】線9-9に沿った図7のギヤボックスの断面図である。
【図１０】燃料補給ツールの一部を形成するカムレンチ機構300Aの内部の等角図である。
【図１１】図10の線11-11に沿ったカムレンチ機構の断面図である。
【図１１Ａ】図10のカムレンチ機構の分解図である。
【図１１Ｂ】カムレンチ機構を形成する様々な自在レンチ機構の分解図である。
【図１１Ｃ】下部ハウジング部分及び下部ハウジング部分の底部に隣接して位置する自在レンチ機構の分解図であり、且つ第1及び第2の出力歯車、並びにそれらの間に配置された反動歯車を示す分解図である。
【図１２Ａ】第1及び第2の出力歯車並びに反動歯車が組み付けられた下部ハウジング部分の上面図である。
【図１２Ｂ】図12Aの対応する線に沿った断面図である。
【図１２Ｃ】図12Aの対応する線に沿った断面図である。
【図１２Ｄ】図12Aの対応する線に沿った断面図である。
【図１２Ｅ】下部ハウジングセクションの等角図である。
【図１２Ｆ】下部ハウジングセクションの底面図である。
【図１３Ａ】ギヤボックスからカムレンチ機構への組み立てられた出力駆動列、具体的には、燃料補給ツールの一部を形成する反動カムレンチ機構300Cに対する一つの出力軸262(262A)を示す、図4の線13A-13Aに沿った燃料補給ツールの断面図である。
【図１３Ｂ】図4の線13B-13Bに沿った燃料補給ツールの断面図である。
【図１３Ｃ】モータからギヤボックスへの組み立てられた入力駆動列を示す、図4の線10C-10Cに沿った燃料補給ツールの断面図である。
【図１４】図4の線14-14に沿った燃料補給ツールの断面図である。
【図１５】図4の線15-15に沿った燃料補給ツールの断面図である。
【図１６Ａ】カメラ電気ハーネス及びビデオケーブルがどのようにしてカメラに接続されるかを示す図である。
【図１６Ｂ】カメラハーネス及び終端コネクタの様々な部品を示す図である。
【図１６Ｃ】カメラハーネスシールディングがどのようにしてコネクタバックシェルに接続されるかを示す図である。
【図１７】四つの構成部品積付点、及びそのそれぞれに格納された構成部品を示す図である。
【図１８】燃料補給ツールに加えて、人工衛星の燃料補給に関連する品目を示すブロック線図である。
【図１９】推進薬が補給される被供給側衛星上の被供給側バルブを示す図である。
【図２０Ａ】二次シールねじ付き特徴(secondary seal threaded feature)127、バックアップ充填/排出バルブ作動ナット132、バックアップ充填/排出バルブトルク反作用特徴(backup fill/drain valve torque reaction feature)129、及びバックアップ充填/排出バルブシールフィッティング128を含む、バックアップ充填/排出バルブ(backup fill/drain valve)125を示す図である。
【図２０Ｂ】燃料補給作業が完了した時点で被供給側衛星上の燃料タンクを閉じるために使用される交換用二次シールフィッティング(replacement secondary seal fitting)の正面図である。
【図２１】モータリード線がどのようにしてモータハーネスに接続されるかを示す図である。
【図２１Ａ】モータ電力リード線がどのようにして燃料補給ツールハーネスに接合されるかを詳細に示す図である。
【図２１Ｂ】レゾルバリード線がどのようにして燃料補給ツールハーネスに接合されるかを詳細に示す図である。
【図２２】ロボットツールの動作を制御するために使用されうるコンピュータ制御システムの、限定的ではない例示的な実例を示す図である。
【図２３Ａ】燃料補給ツールと併せて使用されるように構成されたエンドエフェクタの前面の斜視図である。
【図２３Ｂ】図23Aのエンドエフェクタの背面の斜視図である。
【図２３Ｃ】図23Aのエンドエフェクタの前面、側面、及び底面を示す別の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
後述の説明と図面を参照しながら、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、本開示を説明するためものであり、本開示を限定するものと解釈されるべきではない。各図面は、正確な縮尺ではない。本開示の様々な実施形態に関する十分な理解を提供するために、多くの特定の詳細が説明される。しかし、場合によっては、本開示の実施形態に関する簡潔な論述を提供するために、よく知られた又は慣例的な詳細については説明されない。
【００１７】
本明細書において、「含む(comprises)」及び「含んでいる(comprising)」という用語は、包括的且つ非制限的なものであって排他的でないものとして解釈されるべきである。具体的には、特許請求の範囲を含む本明細書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形は、指定された特徴構成、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、他の特徴構成、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。
【００１８】
本明細書において、「例示的な」という用語は、「実例、事例、又は説明の役に立つ」ことを意味するものであり、本明細書に開示された他の構成よりも望ましい又は有利であるとして解釈されるべきではない。
【００１９】
本明細書において、「約」及び「おおよそ」という用語は、粒子、混合物の組成物、又は他の物理的な性質若しくは特性の寸法の範囲と関連して使用される場合、平均すれば各寸法のほとんどがその範囲に含まれるが統計的にはその範囲外に寸法が存在しうる実施形態を除外することがないように、各寸法の範囲の上限及び下限内に存在しうるわずかな違いを含むことが意図されている。そのような実施形態を本開示から除外することが目的ではない。
【００２０】
図1は、本発明によって構成された、全体として100で示されている、人工衛星上の充填/排出バルブを除去/交換するためのツールの斜視図である。ツール100は、中間ハウジングセクション101、上部ハウジングセクション102、及び下部ハウジングセクション103から成る。下部ハウジングセクション103は、図1では見られないが図13Aに示されているカムレンチ機構300を封入し、このカムレンチ機構300は、二次シールフィッティング用カムレンチ300A、バルブ作動用カムレンチ300B、及びトルク反作用特徴用カムレンチ300C)を含む三つのカムレンチ機構を具備する。差動ギヤボックス200が、部分的に中間ハウジングセクション101内に収容される。モータ104が、ハウジングセクション102の外側に取り付けられる。ハウジングカバー105が、上部ハウジングセクション102にボルト留めされ、また、二つの推進薬カップリング106及び107が、カバー105上に配置される。グラプルフィクスチャ108が、ハウジングカバー105上に取り付けられ、また、ロボットアームによって解放可能に把持されるように設計される。電気コネクタ161及び165が、それぞれプレート138及び159上に取り付けられる。
【００２１】
図1Bは、燃料酸化剤交換器110(流体選択及びカップリング機構とも呼ばれる)を収容する上部ハウジングセクション102、差動ギヤボックス200を収容する中間ハウジングセクション101、カムレンチ機構300(図13A)を収容する下部ハウジングセクション103、及びカメラ視覚システムを別々に示している、図1の燃料補給ツールの分解図であり、カメラ視覚システムは、図2に示され且つ後述されるカメラ139を含み、また、下部ハウジングセクション103の底部に光を当てて見るように構成されており、下部ハウジングセクション103は、被供給側衛星上の充填/排出バルブにアクセスするために、また、場合により推進薬が補給される被供給側衛星上の燃料バルブ(複数可)にバックアップ充填/排出バルブを取り付けるために使用される。
【００２２】
図2は、図1Aのツール100を示しているが、ツールの底部を見せるために上下逆さまになっている。三つのツールカメラ139が、ブラケット392(図3B)により中間ハウジングセクション101に取り付けられた状態で、おおよそ120度の間隔で周囲に配置されて中間ハウジングセクション101に固着される。各カメラ139は、カメラにツール100の底部をのぞき込めるようにする光学部品114に取り付けられる。カメラのための照明は、ツールの底面上に配置された三対のライト115によって提供される。各カメラ139の視界は、燃料補給される被供給側衛星の様々な充填-排出バルブにツール100が係合したときにツール100の作業空間を捕らえ、それにより、遠隔オペレータが開閉及び燃料補給ホースの取り付けの全操作を見ることを可能にする。
【００２３】
図3Aは、ツール100の垂直立面図であり、図3Bは、ツール100の別の垂直立面図である。図3Bにおける図は、ツールの垂直中心線を中心として反時計方向に90度回転されたものである。
【００２４】
図4は、二つの推進薬カップリング106及び107、グラプルフィクスチャ108、並びにロボットアーム403から電力を受け取る電気コネクタ138を示している、ツール100の俯瞰図又は上面図である。図4にはまた、三つのカメラ139を含む視覚システムが示されており、これらのカメラ139は、光ファイバ114(図3A及び図3B)(又は他の光パイプ構造)を使用して、下部セクション103の底部(ここでは、燃料補給ツール100のカムレンチ機構300(図13A)が、燃料補給される被供給側衛星401の充填/排出バルブ402に係合する)で受け取られた光を、カメラ139の本体内に配置された撮像装置まで戻す。
【００２５】
図5Aから図5Iは、上部ハウジングセクション102とその中に収容された様々な構成部品の様々な図を示している。具体的には、図5Aは、燃料酸化剤交換器(FOE)110、推進薬送達ホース112、及び推進薬送達チューブの先端116の詳細を示す、上部ハウジングセクション102の内側の等角図である。図5Bは、上部ハウジングセクション102の別の等角図であるが、ここでは図5Aの図とは逆転されていて、上部ハウジングセクション102と、グラプルフィクスチャ108、上プレート105の弓形スロット320を通って突出する推進薬カップリング106及び107、並びに電気(電力及びデータ)コネクタ138を含む上カバー105の外部の詳細を示している。図5Cは、上部ハウジングセクション102の上面図であるが、図5D及び図5Eは垂直立面図を示しており、図5C及び図5Dの両方の図の線5F-5F及び線5G-5Gに沿った断面が、図5F及び図5Gにそれぞれ示されている。
【００２６】
図5IAは、燃料酸化剤交換器(FOE)110の分解図を示している。FOE110は、推進薬カップリング106及び107がボルト留めされる取付けブラケット330を含む。二本の推進薬送達ホース112/112'が、管継手331に接続される可撓性セクション112'と剛性パイプセクション112の二つのセクションを有して示されている。剛性セクション112は、エルボ継手336及び管継手338により、可撓性セクション112'に結合される。ばね340が、剛性セクション112の外側の周りに配置される。二つの可撓性ホースセクション112'のそれぞれの一方の端部は、管継手331に取り付けられ、管継手331は、取付けブラケット330にボルト留めされる推進薬カップリング106及び107の底部上の関連した管継手(図示せず)に嵌合される。可撓性ホースセクション112'の他方の端部は、関連したエルボ継手336に結合される管継手333に取り付けられる。エルボ継手336は、関連した管継手338に嵌合され、また、各剛性パイプセクション112の第1の端部は、それぞれ、管継手338のうちの一つに接続される。
【００２７】
図5IBは、剛性パイプセクション112上のばね340とともに完全に組み立てられた推進薬送達ホース112/112'のうちの一つを示しており、剛性パイプセクション112の一方の端部は、カップリング338に接続され、カップリング338は、可撓性ホースセクション112'の一方の端部に接続されたエルボ継手336に結合され、ホースセクション112'の他方の端部は、推進薬カップリング106に接続されている。
【００２８】
図5IAを再び参照すると、ブラケット332が、取付けブラケット330にボルト留めされ、且つ、剛性パイプセクション112を受け入れるように構成された特徴構成343を含み、剛性パイプセクション112は、ブラケット330に対して垂直方向に自由に動くことができるように、ブッシュ344及びブラケット346によって所定の位置に保持される。動作時には、燃料補給される被供給側衛星に(被供給側衛星上の関連した充填/排出バルブにカップリング116が接続されることにより)FOE110が結合(又はそこから分離)されるときに、剛性パイプセクション112は、ブラケット332内に保持されたブッシュ344によって円滑化されたブラケット332内を上方(及び下方)に摺動する。
【００２９】
FOE110(流体交換器サブシステムとも呼ばれる)は、二元推進薬が移送される場合には、被供給側衛星上の第1及び第2の充填/排出バルブに嵌合するようにそれぞれ関連付けられた対応するフールプルーフカップリング特徴構成を有する少なくとも二つの流体流れ経路を含むように設計される。これは、爆発を引き起こすであろう燃料と酸化剤との混合を生じさせないようにするためのものである。
【００３０】
図5Hは、モータ104、電気(電力及びデータ)コネクタ138、及びこの図では組み立てられて示されている燃料酸化剤交換器(FOE)サブシステム110を収容する、上部ツールハウジングセクション102の分解図である。モータ104は、モータ取付けプレート151を貫通するモータ軸162を含み、モータ取付けプレート151は、ハウジングセクション102にボルト留めされる。モータ軸162は、モータ出力歯車155に固着される。モータ出力歯車155は、中間歯車154を通じて、モータトルクをギヤシフタ入力歯車156に伝達する。これらの三つの歯車155、154、及び156は、軸受160により、上部ツールハウジングセクション102内に固着される。燃料酸化剤交換器110は、上部ツールハウジング102内でジャーナル軸受スリーブ157及び玉軸受152に接して回転する。玉軸受152は、止め輪153により、ハウジング102内に保持される。ジャーナルスリーブ軸受157は、支持プレート158により、ハウジング102内に保持される。
【００３１】
図6Aは、中間ハウジングセクション101及び組み立てられたギヤボックス組立体200の分解図を示しており、ハウジングセクション101が差動ギヤボックス組立体200を受け入れるのに十分なサイズの切抜き部分373を含むことが示されている。図6Bは、組み立てられた燃料補給ツール中間ハウジングセクション101の等角図を示しており、中間ハウジングセクション101に取り付けられた、組み立てられた差動ギヤボックス200が示されている。一方、図6Cは、図6Bの図と比較して反転された、組み立てられたツール中間ハウジングセクション及びギヤボックス組立体200の等角図を示している。
【００３２】
図6Aを参照すると、三つのブラケットマウント374(そのうち二つは図6Bに見られる)が、中間ハウジングセクション101に不可欠な要素であり、且つ、視覚システムの三つのカメラ139(図1)がボルト留めされる付着部位を提供する。ギヤボックス組立体200の構造は、以下の通りである。軸109は、軸の中間下方に二つの離間した歯付き駆動歯車又はピニオン118を含むスプライン軸である。また、スプライン軸109の一方の端部は、スプライン軸前端222と、前端222をこの軸109の端部に保持するためのねじ224とで終わっている。スプライン軸109は、周辺に玉軸受212が取り付けられた切換え歯車210を通過する。軸受212は、中間ハウジングセクション101に配置された穴226内に位置決めされる。ギヤボックス組立体200は、二つのハウジングセクション201及び202と、組み立てられたときにそれを通してスプライン軸109が位置決めされる中央開口228を覆ってギヤボックス200のハウジング201にボルト留めされる割りブッシュ214とを含む。上部支持ブラケット234が、ギヤボックス組立体200のハウジング201の一方の端壁上にある隆起したパッド230にボルト留めされ、また、下部支持ブラケット236が、パッド230に類似したハウジング202上の隆起したパッド(図示せず)上で反対側の端壁にボルト留めされる。スプライン軸109は、他方の端部をばねハウジング248に固着される軸ブッシュ250内に配置させて、割りブッシュ214を通過し、差動ギヤボックスハウジング201及び202を通過し、ばね座金240、スラスト軸受242、三つのばね244、ばねスペーサ246を通過して、ばねハウジング248内まで延在する。
【００３３】
第1の出力歯車262、反動歯車264、及び第2の出力歯車266が、上部及び下部の支持ブラケット234及び236によって支持される端部をそれぞれ有する。上部支持ブラケット234によって支持される軸の端部は、スラスト座金268を通過し、一方、下部支持ブラケット236によって支持される端部はそれぞれ、軸スペーサ280、ブッシュ282、及びスラスト座金284を通過する。ハードストップ290が、ハードストップブラケット292にボルト留めされ、このハードストップブラケット292は、図6Aに示されるように中間ハウジング101にボルト留めされる。ギヤボックス組立体200は、幾つかのソケットヘッドボルト270及びギヤボックスシム296により、中間セクションハウジング101にボルト留めされる。組立体の隙間が、カバー272によって塞がれる。
【００３４】
図6Dから図6Iは、ギヤボックス組立体200が組み込まれた、組み立てられた中間ハウジングセクション101の様々な図を示している。
【００３５】
図8は、ギヤボックス200の分解図である。図8は、上部ギヤボックスハウジング201及び下部ギヤボックスハウジング202に加えて、バルブ作動用遊星枠歯車203、バルブ作動用遊星歯車204(それらのうちの三つ)、バルブ作動用太陽歯車205、輪歯車206、二次シールフィッティング用太陽歯車208、二次シールフィッティング用遊星歯車207及び二次シールフィッティング用遊星枠歯車209、第1及び第2の軸受保持器223及び215、反動ブッシュ217、三つの針状ころ軸受216の第1及び第2の組、第1及び第2の太陽歯車スペーサ225、二つの保持スパイラルリング211及び221、第1及び第2の深溝単列玉軸受213及び219、三つの止め輪226の二つの組、三つの遊星座金227の二つの組、三つのスラスト座金228の二つの組、並びに三つのスラスト座金229の二つの組を示している。
【００３６】
図7は、バルブ作動用枠歯車203、輪歯車206、及び二次シールフィッティング用枠歯車209を示す、ギヤボックス200の外観図を示している。図9は、組み立てられたギヤボックス200における、図8の分解された構成部品の配置構造を示す、図7の線9-9に沿った組み立てられたギヤボックス200の断面図である。
【００３７】
図10は、カムレンチ機構300Aの内部の等角図である。図10は、ナットカム(nut cam)301、ハウジング302、外面が鋸歯状であり且つ内面が鋸歯状である歯付き駆動輪(toothed drive ring)306、輪形カム308、及び保持フィッティング305を示している。図11は、図10の線11-11に沿った、カムレンチ機構300Aの断面図である。
【００３８】
図11Aは、カムレンチ機構300Aの分解図である。図11Aは、ハウジング302、移動止めばね304、駆動輪306、輪形カム308、カムロック303、カムロックばね312、ナットカム301、保持フィッティング305、保持フィッティングばね316、及びカムレンチ機構中心線313を示している。
【００３９】
図11Bは、カムレンチ機構300B及び300Cの分解図を示している。図11Bは、以下のことを除いて機構300Aと同一である、二つのカムレンチ機構300B及び300Cを示している。二つの機構は、組合せハウジング322内に背中合わせで取り付けられる。これらの二つの機構の輪形カム308は、止め輪324により組合せハウジング322内に保持される。また、ナットカム301Aは、保持フィッティング315を支持するための特徴構成及び保持フィッティングばね316を組み込まない。
【００４０】
図11Cは、下部ハウジング103、並びに下部ハウジング103の底部に隣接して位置するカムレンチ機構300A、300B、及び300Cの分解図であり、また、第1及び第2の出力歯車262A及び266A、並びにそれらの間に配置された反動歯車264Aの下部伸長部分が示されている。出力歯車262A及び266A並びに反動歯車264Aの下部伸長部分は、スプラインユニオン396(図13A参照)を介して各上部286の下端上の適合するスプラインと嵌合する、各下部伸長部分の頂部に位置するスプラインインターフェースを介して、各歯車軸の上部に接続する。出力歯車及び反動歯車の下部伸長部分は、頂部に位置する針軸受358、及び底部に位置するブッシュ368内で回転する。三つの軸は、頂部に位置するスラスト軸受360、及び底部に位置するスラスト軸受366によって支持される。軸及び軸受は、組合せハウジング322内にボルト留めされる底部に位置する軸ハウジング370によって、また、ハウジング302内にボルト留めされる頂部に位置する軸ハウジング356によって、支持される。
【００４１】
下部ハウジング103のカムレンチ機構ハウジング322及び302は、レンチスペーサ364によって隔てられる。二つのカムレンチハウジング302及び322、並びにレンチスペーサ364は、レンチ機構が荷重を受けて回転するのを防ぐ、かみ合いドッグ(interlocking dog)376及びスロット378を有し、また、ハウジング322の底部上のドッグ376は、下部ハウジング103内の対応するスロットとかみ合って、レンチ機構のいずれかが下部ハウジング103に対して回転するのを防ぐ。三つのカムレンチ機構300A、300B、及び300Cは、下部ハウジング103内にボルト留めされるレンチ止め輪362により、下部ハウジング103内に保持される。
【００４２】
カムレンチハウジング302の頂部には、二つのFOE軸受支え352R及び352Lがボルト留めされ、それらの頂部には、二つのポリマーFOE軸受パッド350R及び350Lがボルト留めされる。スラスト座金354が、スプラインユニオン396が軸ハウジング356に接触するのを防ぐ。
【００４３】
図12Aは、それに組み付けられた第1及び第2の出力歯車262A及び266A並びに反動歯車264Aを含む、下部ハウジング部分の上面図である。図12B、図12C、及び図12Dは、図12Aの対応する線に沿った様々な断面図である。図12Fは、下部ハウジングセクション103の底面図であり、図12Eは、下部ハウジングセクション103の等角図である。
【００４４】
図13A、図13B、及び図13Cは、図4の燃料補給ツール100の断面図である。図13Aは、ギヤシフタ109、及びギヤシフタ109上の二つの離間した駆動部分118を示している。図13Aはまた、カムレンチ機構300を示し、このカムレンチ機構300は、上述のように、二次シールフィッティング用カムレンチ300A、バルブ作動用カムレンチ300B、及びトルク反作用特徴構成用カムレンチ300Cを含む、三つのカムレンチ機構を具備する。三つの出力軸262(262A)、264(264A)(図13Aでは見られず)、及び266(266A)(図13Aでは見られず)が存在し、これらはそれぞれ、ギヤボックス200からの力を、関連付けられたカムレンチ機構300A、300B、及び300Cに伝達するように構成されている。三つの軸は、それらの入力側端部において差動ギヤボックス200に効率的に係合することができるように、また、それらの出力側端部においてそれらの対象とするカムレンチ機構(300A、300B、又は300C)に効率的に係合することができるように、実質的に隣り合って並べられている。カムレンチ機構300A、300B、及び300Cは、同軸状に順に重ねて整列されている。
【００４５】
図14は、図4の線14-14に沿った燃料補給ツールの部分的な断面図を示しており、また、カメラ映像出力ケーブル163及びそれらのコネクタ165がどのようにしてねじ(示されているが符号付けされていない)により対応したコネクタプレート159に取り付けられるかを示している。
【００４６】
図15は、図4の線15-15に沿った燃料補給ツールの部分的な断面図であり、また、燃料補給ツールモータ電力ケーブル562、モータレゾルバケーブル563と、カメラ電力及びデータケーブル540並びにそれらのコネクタ161とが、どのようにしてねじ(示されているが符号付けされていない)により対応したコネクタプレート138に取り付けられるかを示している。
【００４７】
図16Aは、カメラ電気ハーネス540がどのようにしてコネクタ542を介してカメラ139に接続されるか、また、映像ケーブル163がどのようにしてコネクタ548を介してカメラに接続されるかを示している。
【００４８】
図16Bは、カメラハーネス540及び終端コネクタ542の、様々な部品の詳細を示している。終端コネクタは、コネクタ541、コネクタバックシェル547、及びシールディングオーバーラップ(shielding overwrap)543を含む。
【００４９】
図16Cは、小さい電線546を映像ケーブルシールディング545に接合し次いでそれをコネクタバックシェル547に接続することによりカメラハーネスシールディング545をコネクタバックシェル547に接続する方法を示している。
【００５０】
図17は、四つの構成部品積付点、及びそのそれぞれに格納された構成部品を示している。燃料酸化剤交換器(FOE)リセットポスト111及びそのツールガイド123、バックアップ充填/排出バルブ125及びそのツールガイド123から成るバックアップ充填/排出バルブ収納位置126、交換用シールフィッティング134及びそのツールガイド123から成る交換用シールフィッティング収納位置133、並びに二次シールフィッティング積付点122及びそのツールガイド123が含まれる。
【００５１】
本明細書において開示される、被供給側衛星上の充填/排出バルブ125にアクセスするためのツール100は、地球から直接打ち上げられる専用の燃料補給用又はサービス側の宇宙機400(図18)に取り付けられうる。システムは、それら自体で充填/排出バルブへのアクセスを得るのに必要とされるツール先端を提供することを目的とする、ロバーツらへの同時係属の米国特許出願第13/652,339号(米国特許公開第2013/XXX号)(その全体が参照として本明細書に組み込まれる)に開示されているような多機能ツール540(図22参照)を含み、システムはまた、ツールホルダと、ツールホルダによって保持され且つロボット制御のもとで単一の動力源によって作動される一連のツール先端とを含む。システムはまた、遠隔オペレータとコンピュータ制御の組合せのもとで推進薬を移送する推進薬移送システム406(図18)を提供することを目的とする、同時係属の米国特許出願第13/678,281号(米国特許公開第XXX号)(その全体が参照として本明細書に組み込まれる)に開示されているような、サービス側衛星400から被供給側衛星401へ二元又は単元の推進薬を移送するための推進薬移送システム406を含む。そのような専用のサービス側宇宙機400は、2005年11月29日に発行された米国特許第6,969,030号で開示されているような宇宙機ドッキング機構を含むことができ、この特許はその全体が参照として本明細書に組み込まれる。或いは、又はそれに加えて、サービス側宇宙機400は、図18に破線の輪郭線(ghost outline)で示されるように、被供給側宇宙機を捕獲するための第2のロボットアーム430を含むことができる。
【００５２】
図18は、燃料補給ツール100に加えて、被供給側衛星の燃料補給に関連するそれらの品目を示すブロック図である。これらには、ホストサービス側宇宙機400、燃料補給すべき被供給側衛星401、被供給側充填/排出バルブ402(複数可)、ロボットアーム403、ロボットアーム403に結合されたエンドエフェクタ411、エンドエフェクタ411によって解放可能に把持される燃料補給ツール100、推進薬移送システム406、推進薬カップリング機構405、推進薬吐出ホース404、及び、地球408(又は、宇宙ステーション若しくは母船-いずれにせよ遠隔操作制御のある場所)への双方向無線リンク407を提供するための通信システム410が含まれる。図18はまた、バックアップ充填/排出バルブ125、交換用シールフィッティング133、二次シールフィッティング122、及びリセットポスト111のための各積付点を示している。
【００５３】
さらに、サービス側宇宙機400(図18)は、図22に560で示されている推進薬流量制御システムに加えて、ツール100と接続されうる機上コンピュータ制御システム500(図22参照)を含み、それにより、サービス側宇宙機400は、推進薬移送動作中に開閉される全ての構成部品を、被供給側衛星の推進薬タンク内の圧力に基づいて選択された推進薬移送モードに応じて、選択された順序で駆動することができる。推進薬流量制御システムと接続されたコンピュータ制御システム500が存在することにより、推進薬移送プロセスは、ローカルミッションマネージャによって自律的に制御されるか、又は、純粋な遠隔操作のもとにおかれることに加えて遠隔操作と指揮下での自律性(supervised autonomy)とが混在しうるように、数レベルの指揮下での自律性を含むことができる。
【００５４】
次に図18及び図22を参照すると、推進薬補給システムの一部を形成する例示的なコンピューティングシステム500が示されている。システムは、被供給側衛星の充填/排出バルブ402へのアクセス、バックアップ充填/排出バルブ125の取付け、バックアップ充填/排出バルブ125への推進薬吐出ホース112の嵌合、被供給側衛星の推進薬タンク内への推進薬の移送、バックアップ充填/排出バルブ125からのホース112の嵌合解除、バルブ125の密閉、及び被供給側衛星401からのサービス側宇宙機400の分離の全手順中のロボットアーム403の動きを制御するように構成され且つプログラムされた、コンピュータ制御システム525を含む。
【００５５】
指令及び制御システムはまた、燃料補給ツール100の動作を制御するために、ロボットアーム403とそれに取り付けられたエンドエフェクタ411の動きとを制御するように構成される。これは、流量制御システムに接続された上述の指令及び制御システムと同一であってもよく、例えば、被供給側衛星との接近、捕獲/ドッキング、及び燃料補給作業中にサービス側衛星によって行われる必要がある全ての操作を実行するための命令がプログラムされた、サービス側衛星に搭載されたコンピュータである。指令及び制御システムは、独立したコンピュータシステムであってもよい。衛星燃料補給システムは、充填-排出バルブとの係合又は充填-排出バルブからの解放の直前に燃料補給ツールの動作を見るための、視覚システムを含む。通信システム410は、ロボットアーム403と接続され、且つ、視覚システム(一以上のカメラを含むことができる)、及びロボットアーム403したがってツールの(地球408又は任意の他の適切な場所からの)遠隔操作を可能とするように構成される。視覚システムは、流体移送システムの貯蔵タンク及び配管システムを被供給側衛星の充填/排出バルブに結合するのに使用される流体移送カップリング上に取り付けられた鮮明なマーカ、並びに流体移送作業に関連する全てのツール上のマーキングを含むことができる。
【００５６】
これらのカメラは、地上でサービス動作を制御するオペレータが指令及び制御コンソールの表示画面上で作業現場の鮮明な画像を見る、遠隔ロボット制御モードで使用されうる。代替的なモードでは、充填排出バルブのような要素の位置は、作業現場上の充填-排出バルブ又は他の関連する特徴構成の3D点を抽出してそれらの位置及び向きを判定するステレオカメラ及び視覚システムによって判定することができ、それにより、検知された6自由度座標に従って、ツール(多機能ツール、燃料補給ツール)を保持するロボットアームをそれらの場所まで動かすことができる。
【００５７】
ステレオカメラはまた、実測3-D点群を取得して、燃料補給作業現場上の所望の特徴構成又は形状の記憶されたCADモデルに基づいて所望の物体の姿勢を推定することで所望の6自由度座標を得ることが可能な、スキャニングシステム又はフラッシュライダシステムと置き換えることができる。宇宙機がサービスを受けることを意図されて設計された用途では、オーグルビー(Ogilvie)らにより説明されているような単純な標的(2008年2月25日〜29日にカリフォルニア州ロサンゼルスで行われた第9回International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS '08)の議事録、オーグルビー(Ogilvie), A.、ジャスティン・オールポート(Justin Allport)、マイケル・ハンナ(Michael Hannah)、ジョン・ライマー(John Lymer)、「Autonomous Satellite Servicing Using the Orbital Express Demonstration Manipulator System」)をサービスロボティクス上の単眼カメラと組み合わせて使用して、充填-排出バルブなどの対象物の位置測定をすることができる。最後に、デバイスを位置決めするために使用されるロボットアーム又はデバイスは、ツールと作業部位(例えば、充填-排出バルブ)との間の反力を測定することが可能な一つのセンサ又は複数のセンサを含むことができる。測定した反力は、遠隔操作制御においてオペレータを支援するためにオペレータに表示するか、又は自動フォースモーメント調節制御モードで使用することができ、どちらも遠隔オペレータを支援する。或いは、測定した反力は、指揮下での自律性制御モードで使用することができる。
【００５８】
上述のように、コンピュータ制御システム525は、視覚システム550、推進薬移送システムの流量制御システム560、及びロボットアーム403に接続される。前述の通信システム410が設けられ、この通信システム410は、ロボットアーム403に接続され、且つ、視覚システム(燃料補給ツール100のカメラ139とは別のものとして一以上のカメラ550を含むことができる)、ロボットアーム403、ロボットエンドエフェクタ411、多機能ツール540、燃料補給ツール100、及び流量制御システム560の遠隔操作(地球408からの、又は任意の他の適切な場所からの)を可能とするように構成される。特に遠隔制御を必要とする宇宙設置型システムには、このタイプのシステムが非常に有利である。
【００５９】
エンドエフェクタ411は、(ロボットアーム403が有するのと同様に)それ自体に内蔵されたプロセッサを有して、サービス側宇宙機のコンピュータからコマンドを受信する。エンドエフェクタ411はまた、中央コンピュータからの電力及びデータを多機能ツール540及び燃料補給ツール100に送る。燃料補給ツール及び多機能ツールは、内蔵されたコンピュータ/マイクロコントローラを有さず、したがって、これらのツールは、エンドエフェクタ411を介して上流のコンピュータ制御システム525からアクチュエータコマンドを受信する。
【００６０】
本開示の幾つかの態様は、少なくとも部分的にはソフトウェアで具現化されうる。すなわち、技法は、ROM、揮発性RAM、不揮発性メモリ、キャッシュ、磁気及び光ディスク、又は遠隔記憶デバイスなどの記憶装置に納められた一連の命令を実行する、マイクロプロセッサなどそのプロセッサに応答するコンピュータシステム又は他のデータ処理システムにおいて実行されうる。さらに、命令は、コンパイルされ且つリンクされたバージョンの形態で、データネットワークを介してコンピューティングデバイスにダウンロードされうる。或いは、上述のようなプロセスを実行するための論理は、大規模集積回路(LSI)、特定用途向け集積回路(ASIC)のような個別のハードウェアコンポーネント、又は電気消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ(EEPROM)のようなファームウェアなどの、追加のコンピュータ及び/又は機械可読媒体に実装することができる。
【００６１】
図22は、指令及び制御システムの一部を形成するコンピュータ制御システム525の例示的で非限定的な実装を提供しており、このコンピュータ制御システム525は、一以上のプロセッサ530(例えば、CPU/マイクロプロセッサ)、バス502、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び/又はリードオンリーメモリ(ROM)を含みうるメモリ535、一以上の内部記憶デバイス540(例えば、ハードディスクドライブ、コンパクトディスクドライブ、又は内部フラッシュメモリ)、電源545、一以上の通信インターフェース410、並びに様々な入力/出力用のデバイス及び/又はインターフェース555を含むことができる。
【００６２】
図22では各構成部品のうちの一つだけが示されているが、任意の数の各構成部品をコンピュータ制御システム525に含むことができる。例えば、コンピュータは通常、複数の様々なデータ記憶媒体を含む。さらに、バス502は、全ての構成部品の間の単一の接続として示されているが、バス502は構成部品のうちの一以上をリンクする一以上の回路、デバイス、又は通信チャネルを意味しうることが理解されるであろう。例えば、パーソナルコンピュータでは、バス502はしばしばマザーボードを含むか、マザーボードである。
【００６３】
一実施形態では、コンピュータ制御システム525は、宇宙で動作するように構成された汎用コンピュータ又は任意の他のハードウェア均等物であるか、又はそれらを含みうる。コンピュータ制御システム525はまた、一以上の通信チャネル又はインターフェースを通じてプロセッサ530に接続される、一以上の物理的デバイスとして実装されてもよい。例えば、コンピュータ制御システム525は、特定用途向け集積回路(ASIC)を使用して実装することができる。或いは、コンピュータ制御システム525は、ハードウェアとソフトウェアの組合せとして実装することができ、この場合、ソフトウェアは、メモリから又はネットワーク接続を利用してプロセッサにロードされる。
【００６４】
コンピュータ制御システム525は、プロセッサにおいて実行されたときにシステムに本開示に記載の一以上の方法を実行させる一連の命令がプログラムされうる。コンピュータ制御システム525は、示された構成部品よりもさらに多くの又はより少数の構成部品を含むことができる。
【００６５】
完全に機能するコンピュータ及びコンピュータシステムに照らして幾つかの実施形態を説明してきたが、種々の実施形態は、様々な形態のプログラム製品として分散させることが可能であり、また、実際に分散をもたらすのに使用される機械可読媒体又はコンピュータ可読媒体の個々のタイプに関係なく応用することができることが、当業者には理解されるであろう。
【００６６】
コンピュータ可読媒体が、データ処理システムによって実行されたときにシステムに種々の方法を実行させるソフトウェア及びデータを記憶するために使用されうる。実行可能なソフトウェア及びデータは、例えばROM、揮発性RAM、不揮発性メモリ、及び/又はキャッシュを含む、様々な場所に記憶されうる。このソフトウェア及び/又はデータの複数の部分は、これらの記憶デバイスのうちのいずれか一つに記憶されうる。一般に、機械可読媒体には、機械(例えば、コンピュータ、ネットワークデバイス、携帯情報端末、製造ツール、一連の一以上のプロセッサを含む任意のデバイスなど)でアクセス可能な形態の情報を提供(すなわち、記憶及び/又は伝送)する、任意の機構が含まれる。コンピュータ可読媒体の例には、とりわけ、揮発性及び不揮発性のメモリデバイス、リードオンリーメモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリデバイス、フロッピー(登録商標)及び他のリムーバブルディスク、磁気ディスク記憶媒体、光学式記憶媒体(例えば、コンパクトディスク(CD)、デジタル多用途ディスク(DVD)など)などのような記録可能な及び記録不可能なタイプの媒体が含まれるが、これらに限定されない。命令は、搬送波や赤外線信号、デジタル信号などの、電気的、光学的、音響学的、又は他の形態の伝播信号のためのデジタル及びアナログの通信リンクで具現化することができる。
【００６７】
本システムはまた、完全な自律動作用に構成されうる。完全自律システムは、その外的環境を測定してそれに応答するシステムである;完全自律性は、外部状況に対して非常に敏感にシステム状態を変更させることを必要とする状況下に、又は危険な状態を制御するために迅速な意志決定を必要とする状況下におかれることが多い。完全自律性の実装は、費用がかかることが多く、また、不測の環境又は非常に不確実な環境に対処できないことが多い。人間オペレータがシステムの自律状態を開始することが可能な、指揮下での自律性は、人間遠隔オペレータによって提供される柔軟性とともに、応答性自律ローカルコントローラの便益を提供する。
【００６８】
図19は、被供給側充填/排出バルブ402、二次シールフィッティング117、(B型ナットキャップ又は「バルブアクセスキャップ」とも呼ばれる)バルブ作動ナット131、トルク反作用特徴構成121、及び被供給側バルブ中心線140を示している。
【００６９】
図20Aは、二次シールねじ付き特徴構成127、バックアップ充填/排出バルブ作動ナット132、バックアップ充填/排出バルブトルク反作用特徴構成129、及びバックアップ充填/排出バルブシールフィッティング128を含む、バックアップ充填/排出バルブ125を示している。
【００７０】
図20Bは、シールフィッティングねじ付き特徴構成137、交換用二次シールフィッティングトルク反作用特徴構成135、及びシールフィッティング136を含む、交換用二次シールフィッティング134を示している。
【００７１】
図23Aから図23Cは、エンドエフェクタ411の様々な図を示している。図23Aの斜視図は、ハウジング413、二つのカメラ415、グラプルフィクスチャ108(図1)を掴むためのグラプル機構417、並びに推進薬カップリング106及び107(図1)と結合する二つの推進薬カップリング419を含む、エンドエフェクタを示している。エンドエフェクタ411には、ツール100内のギヤボックスシフタ109を作動させるためのアクチュエータ421(好ましくは直線アクチュエータ)が取り付けられる。扉423及び425が、ツール100上に配置された電気接続部161及び165(図1)のための電気コネクタを覆う。被供給側バルブの作動に関係のない他のサービスタスクのために、六角ナットドライブ429がエンドエフェクタ411に含まれる。そのようなタスクのうちの一つは、多機能ツール540内のチルト機構を作動させることである。カメラ415は、作業及び被供給側衛星の眺めを遠隔オペレータに提供して、遠隔オペレータがエンドエフェクタの様々な動作を制御できるようにする。図23Bは、エンドエフェクタ411をロボットアーム403の端部に結合するためのカップリング427を示す、エンドエフェクタ411の背面の斜視図を示している。
【００７２】
エンドエフェクタ411は少なくとも二つの流体カップリング419を含むが、システムが単元推進薬だけを移送するように設計されている場合は一つのカップリングだけが必要とされることが理解されるであろう。エンドエフェクタ411には、流体カップリング(複数可)を動かしてツール100上のカップリング106及び107(図1)と係合させるための、カップリングアクチュエータ(図示せず)が取り付けられる。同様に、エンドエフェクタ411には、六角ナットドライブ429上の六角ソケットを動かして多機能ツール540などの適合するサービスツール上に適切に位置決めされた六角ナットに係合させるための、カップリングアクチュエータ(図示せず)が取り付けられる。扉423及び425の後ろの電気及びデータ用のコネクタを前方に動かして電気(電力及びデータ)コネクタ161及び165と嵌合させるための、第3のカップリングアクチュエータ(図示せず)が存在する。
【００７３】
上述のように、流体選択及びカップリング機構110は、ハウジングセクション102の外側に取り付けられた少なくとも一つの流体カップリング(106、107)と、エンドエフェクタ411とを含み、また、ツール100のハウジングセクション102は、エンドエフェクタ411がグラプルフィクスチャ108を把持し、またカップリングアクチュエータが作動されたときに、エンドエフェクタ411上の流体カップリング419がハウジングセクション102の外側上の流体カップリング106、107と嵌合するように、構成される。
【００７４】
さらに、エンドエフェクタ411及びハウジングセクション102は、エンドエフェクタがツールのグラプルフィクスチャ108を把持したときに、扉423及び425の後ろの電気コネクタがツールハウジングセクション102上の電気コネクタ161及び165(図1)と嵌合し、それによってツール100がサービス側衛星400上の電力及びデータの供給源に接続されるように、構成される。エンドエフェクタ411に取り付けられたアクチュエータ(図示せず)が、扉423及び425の後ろの二つのコネクタを、ツールコネクタ161及び165内へと動かす。
【００７５】
エンドエフェクタ411上の電気コネクタは、データ用及び電力用の両方のコネクタとすることができ、ハウジング102上の電気コネクタもまた、電力及びデータ用のコネクタとすることができる。エンドエフェクタ411上のコネクタ161は、距離計、カメラ139、スイッチ、位置センサ、温度センサなどを含むがこれらに限定されないツール100上に配置される様々なセンサシステムに加えて、モータ104にも接続される。コネクタ161は、ツール100にコマンドを送ることを可能にし、また、全てのセンサのテレメトリを制御システムに送り返すことを可能にする。コマンドの例は、モータ104に対する電圧要求であり、また、テレメトリの例は、位置スイッチの状態、実測位置、温度レベル及び他の健全性監視機能、並びに他の内蔵テスト機能の状態である。
【００７６】
サービス側衛星400が被供給側衛星401を捕獲するか又は被供給側衛星401とドッキングすると、被供給側衛星の燃料補給をするためのプロセスは、まず、所定の位置に存在しうる任意の熱ブランケット、ロックワイヤ、及び外キャップ(又は三次シール)を取り除き、次いで燃料補給ツール100を使用して被供給側衛星の推進薬バルブにアクセスし且つそれを操作することを必要とする。熱ブランケット、ロックワイヤの除去は、例えば多機能ツール540を使用して達成されてもよく、また、アクセスが達成されると、多機能ツール540は引っ込められる。
【００７７】
図18を一時的に参照すると、ツール100の全ての作業に対して、燃料補給ツール100はロボットアーム403に接続され、ロボットアーム403は、ホスト宇宙機400への構造的接続と、ツールのための電力と、ホスト衛星400の燃料補給システム406に収容された推進薬への推進薬カップリング機構405を介した接続と、衛星燃料補給システム406からカップリング機構405に通じる推進薬ホース404と、ギヤシフタ109(図10)の機械的作動とを提供する。
【００７８】
被供給側衛星の充填/排出バルブ402を開き、燃料補給をし、そして閉じるために、燃料補給ツール100は四つの機能を実行し、各機能は、選択された位置にギヤボックスシフタ109を位置決めすることによって選択される。便宜上、ここではこれらの位置は、ギヤ1、ギヤ2、ギヤ3、及びギヤ4と名付けられ、また、各ギヤ位置は、二つの駆動ピニオン118を特定の場所に位置決めするように直線的に動かされたギヤボックスシフタ109に対応する。エンドエフェクタ411(図23A)の一部である直線アクチュエータ421は、ギヤボックスシフタ109を前後に動かして、ホスト宇宙機400内の制御ソフトウェアがタスクを実行するのに適切なギヤを必要に応じて選択することができるようにする。代替的な一実施形態では、ギヤボックスシフタ109は、燃料補給ツール100内に物理的に取り付けられたアクチュエータによって直線的に作動されうる。この形態では、このアクチュエータは、電気コネクタ161及び165を用いて指示される。
【００７９】
実行されなければならない第1の機能は、正しい推進薬が人工衛星401に供給されるようにすることである。燃料酸化剤交換器(FOE)110(図5A〜5E)は、ツール100が管理することのできる数種の推進薬を切り替えるために使用される機構である。ロボットアーム403がグラプルフィクスチャ108を使用して燃料補給ツール100を掴み、また、全ての機械的及び電気的な接続が行われた後で、オペレータはどの推進薬を被供給側衛星401に供給するかを確定する。
【００８０】
FOE110のための基準積付位置が存在し、供給すべき推進薬がこの基準FOE位置に一致しているのであれば、さらなる動作は必要とされない。基準FOE位置が供給すべき推進薬の位置に一致していないのであれば、燃料補給ツール100は、ロボットアーム403によってリセットポスト111上に動かされる。直線アクチュエータ421は、ギヤシフタ109上の上部駆動ピニオン118が上部FOEハウジング330(図5Hに示されている)上のFOE駆動歯車168と係合するように配置されるギヤ1位置までギヤシフタ109を動かすように指示される。モータ104は、正しい推進薬送達チューブ112がカムレンチ中心線313(図11A及び図13A)と同心状に配置されるようにFOE110を動かすように指示される。次いで、燃料補給ツール100は、リセットポスト111(図17及び18)から動かされ、正しい推進薬送達チューブは、ツール100がリセットポスト111から離れて被供給側バルブ402上に移動されるときに、ばね340によって駆動されてカムレンチ機構300の中心部へと下方に摺動する。
【００８１】
四つの異なる機能、そのうち二つの機能はモータのトルクを二つのカムレンチ機構(300Aと300C、又は300Bと300C)の間に均等に分配することを必要とするが、これらの機能をツール100が実行する能力は、ツール100の正常な働きを可能にする大きな要因となる。トルクの分配は、差動歯車列200を使用して行われる。個々の差動歯車列は珍しいものではないが、幾つかの差動歯車列と非差動歯車列とを切り替えるように設計された燃料補給ツールギヤボックス200の能力は、固有のものである。これらの四つの歯車列は、歯車の状態のそれぞれをギヤ1、ギヤ2、ギヤ3、及びギヤ4と定義して説明される。燃料補給ツールのこの例におけるギヤボックス200は、全部で四つの独立した歯車列を切り替えるが、設計に内在的なものはなく、歯車列の数は、二列から、最大でエンドエフェクタ411上のアクチュエータ421に起因してギヤシフタ109が利用できるスペース及び直線運動の量が制限されるまでの、他の数であることに支障はない。
【００８２】
ロボットアーム403は、被供給側衛星の詳細知識を使用して、ツール100を被供給側充填/排出バルブ402に非常に近い位置まで移動させ、次いでオペレータは、最終的且つ良好な誘導をもたらす三つのカメラ139並びにそれらと関連する光学部品114及びライト115を使用して、被供給側バルブ402がツール100内に配置された状態で燃料補給ツール100が被供給側衛星401の表面に接触するまで、ツール100をバルブ402上に降ろす。この時点で、推進薬送達パイプ112の先端116は、被供給側バルブ402上の二次シールフィッティングの頂部に軽く接触している。
【００８３】
被供給側衛星の排出/充填バルブ402に補給サービスを行う第1のステップは、二次シールフィッティング117を取り除くことである。そのために、直線アクチュエータ411は、ギヤボックスシフタ109をギヤ2位置まで動かす。この位置では、ギヤシフタ109上の下部駆動ピニオン118は、二次シール用太陽歯車208と係合する。燃料補給ツール100は、二次シールフィッティング117を反時計方向に回転させるように指示される。ギヤシフタが上記のギヤ2位置にあることにより、モータ104からのトルクが、モータ出力歯車155、中間歯車154、及びギヤシフタ入力歯車156を介して、主入力駆動軸でもあるギヤシフタ109に伝わる。次いでトルクは、上部ピニオン118から二次シール用太陽歯車208と係合している下部ピニオン118に伝わる。二次シール用太陽歯車208、二次シール用遊星歯車207、二次シールフィッティング用遊星枠歯車209、及び輪歯車206の、よく理解された差動配置が、下部ピニオン118からの入力トルクを分配して、輪歯車206及び二次シールフィッティング用遊星枠歯車209の両方を相反する方向に回転させる。二次シールフィッティング用遊星枠歯車209は、出力軸266に接続され、次いで出力軸266は、スプラインカップリング396を介して下部出力軸266Aに接続され、次いでカムレンチ機構300Aに接続される。輪歯車206は、反動歯車264に接続され、次いで反動歯車264は、スプラインカップリング398を介して下部反動歯車264Aに接続され、次いでカムレンチ機構300Cに接続される。
【００８４】
本開示は、同軸状に順に積み重ねられた三つの異なるカムレンチ機構300A、300B、及び300Cを示しているが、用途によっては、カムレンチ機構が係合している被供給側衛星上のナットの数に応じて同軸状に順に積み重ねられた二つのカムレンチ機構だけしか当面の用途に必要とされないことが理解されるであろう。
【００８５】
上述のギヤ2位置にあるときには、トルクは、二次シールフィッティングに係合するカムレンチ機構300Aと、被供給側バルブ402上のトルク反作用特徴構成に係合するカムレンチ機構300Cとに供給される。ギヤボックス200の差動作用が、カムレンチ機構300A及び300Cの両方を作動させ、また、各カムを二次シールフィッティング117及びトルク反作用特徴構成121の平坦面に接近させて、それらと係合させる。カムレンチ300A及び300C(以下でより詳細に説明される)にトルクが加えられると、両カムレンチが被供給側バルブ402の周りで相反する方向に回転し、また、レンチの各ナットカム301が接近することにより、両カムレンチが被供給側バルブ402にトルクを加えるためにナットカム301のための適切な座り位置を「探し求め」且つ燃料補給ツール100内でバルブを中心に置いてさらなる機能のためのツール100と被供給側バルブ402との正しい位置合わせを実現する動作がもたらされる。
【００８６】
機構がその最適位置を見いだすと、さらなるモータトルクの印加により、カムレンチ機構300Aは、二次シールフィッティング117に緩みトルクを加え、また、他方のカムレンチ機構300Cは、バルブ反作用特徴構成121に同等で且つ逆向きの反作用トルクを加えることになる。反作用トルクは、バルブ402及びツール100内のサービストルクの全てを含み、且つ、トルクを加えられるように設計されていない場合もある被供給側宇宙機401の構造に加えられるいかなるトルクをも実質的に排除する。反作用トルクはまた、サービス側宇宙機のロボットアーム403に加えられるトルクを排除して、ロボットアーム403を大幅に軽くすることを可能にする。
【００８７】
二次シールフィッティング117に加えられるトルクは、二次シールフィッティング117を取り付けるのに用いられたトルクを克服するまで高められ、次いで、フィッティングは、被供給側バルブ402から完全に解放されるまで、反時計方向に回転される。二次シールフィッティング用カムレンチ300Aは、軸及びばねを介して付着された一対のシールフィッティング保持器305を有し、二次シールフィッティングが被供給側バルブ402から完全に緩められると、これらのフィッティング保持器305は、それらのばね316によって動かされて、シールフィッティング117の下面と係合する。二次シールフィッティング117は、横からはカムレンチ300Aのカムレンチジョー301によって、また上からは推進薬送達パイプ112によって、また下からはフィッティング保持器によって挟まれると、被供給側バルブ402から取り外される準備が整う。
【００８８】
二次シールフィッティング117を被供給側バルブ402から取り外すために、ギヤシフタ109はギヤ3位置まで進められる。ギヤ3位置では、下部駆動ピニオン118は、二次シール用太陽歯車208から係脱されて、輪歯車206に直接係合するように動かされる。この位置では、下部駆動ピニオン118は、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aからは係脱されるが、トルク反作用カムレンチ300Cとは反動歯車264及び264Aを介して係合したままである。次いで、モータ104は、トルク反作用カムレンチ300Cが開くように回転するように指示される。機械内の機械的抗力が、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aのジョーをフィッティングと係合させたままにしておく。トルク反作用レンチ300Cのジョーが完全に引っ込められると、燃料補給ツール100を二次シールフィッティング117とともに被供給側バルブ402との接触から引き抜くための経路が開ける。
【００８９】
燃料補給ツール100は、被供給側衛星401から離れて、取り外された二次シールフィッティング117のための収納点があるホスト宇宙機400まで戻るように移動される。収納点122は、燃料補給ツール100のためのガイド123と、被供給側バルブ402の構造に適合するねじ付きフィッティングとを含む。
【００９０】
燃料補給ツール100は、ガイド123の上に移動し、且つ、カメラ139、光学部品114、及びライト115を使用して、ツール100をガイド内に係合させる。係合されると、ツール100は、収納点122上に下降するように指示される。ツール100が完全に収納点の中に納められると、収納フィッティング122は、被供給側バルブ402が占有していたのと同じ位置でツール内部に位置し、また、保持された二次シールフィッティング117は、収納フィッティング112の頂部と接触する。保持フィッティング上のばねは、二次シールフィッティング117のねじ山を収納フィッティング122の頂部上のねじ山に係合させたままで、収納フィッティング122上に下降する燃料補給ツール100の動作により、邪魔にならないところに移動される。
【００９１】
二次シールフィッティング117を二次シールフィッティング積付点122上に収納するために、ギヤシフタ109は上記のギヤ2位置に後退させられる。モータ104は、二次シールフィッティング用カムレンチ300A及びトルク反作用カムレンチ300Cの両方にトルクを与える。次いでモータ104は、二次シールフィッティング117を時計方向に回転させるように指示されて、二次シールフィッティング117を格納フィッティング112上に取り付ける。十分な取り付けトルクが達せられると、モータの方向は逆転され、カムレンチのナットカム301は、全開位置まで引っ込められる。燃料補給ツール100は、二次シールフィッティング積付点122から後退させられる。
【００９２】
次いで燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125のための積付点へ移動される。バックアップ充填/排出バルブ125は、燃料補給後に被供給側バルブ自体の密閉機構が適切に動作できない場合に備えて、被供給側バルブを遮断する方法を提供する。バックアップ充填/排出バルブ125は、取り外された二次シールフィッティングと被供給側バルブ402上の露出したねじ付き接合部分との間の接触面に取り付けられ、また、必要であれば、万一バルブ作動ナット131が閉じられていてもバルブ402から燃料が漏れているのが分かった場合に被供給側衛星の推進薬システムをシールするために、その場に残される。バックアップ充填/排出バルブ125は、サービスを受ける被供給側バルブ402の構造に適合する接触面を、頂部及び底部に有する。
【００９３】
バックアップ充填/排出バルブ125積付点は、二次シールフィッティング積付点122上のものと同様の燃料補給ツールガイドを有する。バックアップ充填/排出バルブ125の上に移動された後、ガイドは、燃料補給ツール100をバックアップ充填/排出バルブ125に対して適切に位置決めし、燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125上に下降される。燃料補給ツール100内に適切に位置決めされると、バックアップ充填/排出バルブ125の頂部は、推進薬送達パイプ112の先端と係合する。推進薬送達パイプ112の先端は、被供給側充填/排出バルブ402の二次シールフィッティング117と同様のシールフィッティング116を含む。
【００９４】
バックアップ充填/排出バルブ125が燃料補給ツール100内に適切に位置決めされると、ツールは、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aが推進薬送達パイプ112上のシールフィッティング116と係合することのできる中間位置まで、アーム403によって後退される。その時点で、トルク反作用カムレンチ300Cは、バックアップ充填/排出バルブ125上のトルク反作用特徴構成129に合わせられる。ギヤボックスシフタ109は、上記のギヤ2位置へと指示され(又は、依然としてギヤ2位置にあることが確認され)、また、モータ104は、推進薬送達パイプ112のシールフィッティング116がバックアップ充填/排出バルブ125の頂部ねじ付き特徴構成127上に取り付けられるように、そのシールフィッティング116を回転させるように指示される。良好な密閉を確実とするために適切なトルクが達せられると、モータ104は、二つのカムレンチを全開位置まで開くように指示され、また、アームは、バックアップ充填/排出バルブ125がさらにツール100内に突出し、またツール100上の二次シールフィッティング用カムレンチ300Aがバックアップ充填/排出バルブ125の基部上のシールフィッティング128と整列するように、ツール100を下方に動かす。その時点で、トルク反作用カムレンチ300Cは、バックアップ充填/排出バルブ125積付点の基部上のトルク反作用特徴構成431に合わせられる。
【００９５】
ギヤシフタが依然としてギヤ2位置にある状態で、ツール100上のモータ104は、バックアップ充填/排出バルブ125の基部に位置するシールフィッティングを反時計方向に回転させるように指示され、それによって、バックアップ充填/排出バルブ125は、バックアップ充填/排出バルブ積付点から係脱される。この時点で、バックアップ充填/排出バルブ125は、完全に推進薬送達チューブ112の先端116に取り付けられて、バックアップ充填/排出バルブ積付点126から解放される。燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125の積付点126から離れて次いで被供給側バルブ402上に戻るように移動される。燃料補給ツールカメラ139、光学部品114、及びライト115を再び使用して、燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125の基部に位置するシールフィッティングが、取り外しの前に被供給側二次シールフィッティング117がねじ込まれていた被供給側バルブ402の頂部に位置するねじ付き特徴構成と係合することが分かるまで、被供給側バルブ402へと下方に移動される。これが行われると、燃料補給ツール100は、被供給側衛星401の表面に再び接触するまで、下方へと指示される。
【００９６】
ギヤ2が依然として係合され、また、バックアップ充填/排出バルブ125のシールフィッティング128が被供給側バルブ402上のねじ山と係合された状態で、モータ104は、シールフィッティング128を時計方向に回転させて、バックアップ充填/排出バルブ125及び推進薬送達パイプ112を被供給側衛星401上に取り付けるように指示される。適切な密閉トルクが達せられると、モータ104は、カムレンチ300A及び300Cを全開位置まで開くように指示される。
【００９７】
バックアップ充填/排出バルブ125が被供給側バルブ402に取り付けられた状態で、ロボットアーム403内の推進薬ホース404(複数可)(図18)は、エンドエフェクタ411上のホース機構の流体カップリング419及び419'が燃料補給ツール100上のフィッティング106及び107と完全に係合するまで、前進される。ホースカップリング並びに燃料補給ツール100のフィッティング106及び107の機械的配列は、ホースカップリング419及び419'をツール100上の所望のフィッティング106及び107に不正確に嵌合することが起こり得ないものである。
【００９８】
バックアップ充填/排出バルブ125内のバルブが名目上閉じられてこの位置にあり、また推進薬ホース404がホスト宇宙機に取り付けられた状態で、推進薬ホース404は、サービス側衛星400上の推進薬移送システム406によって加圧され、それにより、バックアップ充填/排出バルブ125と推進薬送達パイプとの接続が気密であるかを確認することができる。このことが確認されると、燃料補給ツール100は、トルク反作用カムレンチ300Cがバックアップ充填/排出バルブ125上のトルク反作用特徴構成129と接触する位置まで、持ち上げられる。ギヤシフタ109は、直線アクチュエータ421によってギヤ4位置に進められる。この位置では、ギヤシフタ109上の下部ピニオン118は、バルブ作動用太陽歯車205に合わせられる。ギヤシフタ109が上記のギヤ3位置にある状態では、モータ104からのトルクが、モータ出力歯車155、中間歯車154、及びギヤシフタ入力歯車156を介して、ギヤシフタ109に伝わる。次いでトルクは、上部ピニオン118から、バルブ作動用太陽歯車205に係合している下部ピニオン118に伝わる。バルブ作動用太陽歯車205、二次シール用遊星歯車204、バルブ作動用遊星枠歯車203、及び輪歯車206のよく理解された差動配置が、下部ピニオン118からの入力トルクを分配し、且つ、輪歯車206及びバルブ作動用遊星枠歯車203の両方を相反する方向に回転させる。バルブ作動用遊星枠歯車203は、出力軸262に接続され、次いで出力軸262は、スプラインカップリング396を介して下部出力軸262Aに接続され、次いでカムレンチ機構300Bに接続される。前述のように、輪歯車206は、反動歯車264に接続され、次いで反動歯車264は、スプラインカップリング398を介して下部反動歯車264Aに接続され、次いでカムレンチ機構300Cに接続される。モータ104は、バックアップ充填/排出バルブ作動ナット132を開位置まで回転させるように指示される。ギヤ4位置では、ギヤシフタ109上の入力ピニオン118にトルクが加えられると、選択された差動歯車の段階が、トルク反作用カムレンチ300Cとバルブ作動用カムレンチ300Bとにトルクを分配する。シールフィッティングを取り外す又は取り付けるときの動作と同様に、モータのトルクは、バックアップ充填/排出バルブ125上のバルブ作動ナット132に係合するバルブ作動用カムレンチ機構300Bと、バックアップ充填/排出バルブ125上のトルク反作用特徴構成129に係合するトルク反作用カムレンチ機構300Cとに供給される。歯車列の差動作用が、カムレンチ機構300B及び300Cの両方を作動させ、また、ナットカム301をバックアップ充填/排出バルブ125の作動ナット132及びバックアップ充填/排出バルブ125のトルク反作用特徴構成129の平坦面に接近させて、それらと係合させる。カムレンチ300B及び300Cにトルクが加えられると、両カムレンチがバックアップ充填/排出バルブ125の周りで相反する方向に回転し、また、レンチ機構300B及び300Cの各ナットカム301が接近することにより、両カムレンチがバックアップ充填/排出バルブ125にトルクを加えるためにカムのための適切な座り位置を「探し求め」且つ燃料補給ツール100内でバックアップ充填/排出バルブ125を中心に置いてさらなる機能のためのツール100とバックアップ充填/排出バルブ125との正しい位置合わせを実現する動作がもたらされる。
【００９９】
機構がその最適位置を見いだすと、モータトルクのさらなる印加により、カムレンチ300Bは、バックアップ充填/排出バルブ125上の作動ナットに緩みトルクを加え、また、他方のカムレンチ300Cは、バックアップ充填/排出バルブ125の反作用特徴構成129に反作用トルクを加えることになる。この場合もやはり、反作用トルクは、バックアップ充填/排出バルブ125及びツール100内のサービストルクの全てを含み、且つ、被供給側宇宙機401の構造に加えられるいかなるトルクをも実質的に排除する。
【０１００】
バックアップ充填/排出バルブ125の作動ナット132に加えられるトルクは、作動ナット132を取り付けるのに用いられたトルクを克服するまで高められ、次いで、ナットは、バックアップ充填/排出バルブ125の開口部が完全に開くまで、反時計方向に回転する。バックアップ充填/排出バルブ125の作動ナット132が開くと、バックアップ充填/排出バルブ125と被供給側衛星との間の密閉が、ホスト衛星の燃料補給システム406によって圧力検査される。
【０１０１】
圧力検査を通過すると、カムレンチ(300B及び300C)は、完全に開くように指示され、また、燃料補給ツール100は、被供給側衛星401の表面に再び接触するまで下方に戻される。この位置では、また、依然としてギヤ4(上記参照)に係合された状態で、モータ104は、バルブ作動ナット用カムレンチ300Bを使用して被供給側充填/排出バルブ402上のバルブ作動ナット131を開くように指示されるが、カムレンチ300Cは、バルブ402上のトルク反作用特徴構成121に係合されている。バルブ402が完全に開かれると、サービス側宇宙機400上の燃料補給システムは、サービス側宇宙機400から推進薬ホース404を通じて被供給側宇宙機401に新しい推進薬を送る。所望の量の推進薬が被供給側衛星401に移送されると、モータ104は、バルブ作動ナット用カムレンチ300Bを使用してバルブ作動ナット131を閉じるように指示され、また、トルク反作用カムレンチ300Cは、バルブ402上のトルク反作用特徴構成121に係合される。
【０１０２】
バックアップ充填/排出バルブ125が依然として開位置にある状態で、ホスト衛星の燃料補給システム406により、閉じられた被供給側バルブ402の密閉の完全性が圧力検査される。密閉が許容範囲にある場合、プロセスは、以下のバックアップ充填/排出バルブ125の取り外しステップまで進む。密閉が不適切である場合、バックアップ充填/排出バルブ125は、被供給側の一次シールとして後に残される。その場合、燃料補給ツール100は、燃料補給ツールのバルブ作動ナット用カムレンチ300Bがバックアップ充填/排出バルブ125上の作動ナット132にアクセスできるまで、被供給側宇宙機401から離れる方向に移動され、また、ツールがギヤ4(上記参照)にある状態で、モータ104は、バックアップ充填/排出バルブ125作動ナット132を閉じるように指示され、閉じられると、ホスト衛星の燃料補給システム406により密閉が圧力検査される。密閉が許容範囲にあるときは、推進薬ホース112は、燃料補給ツール100から分離され、カムレンチ300B及び300Cは、完全に開くように指示され、ツールは、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aが推進薬送達パイプとバックアップ充填/排出バルブ125との間のシールフィッティング116にアクセスできる位置まで、移動される。ギヤシフタ109は、ギヤ2位置(上記参照)に動かされ、モータ104は、カムレンチ300A及び300Cを使用してバックアップ充填/排出バルブ125の頂部からシールフィッティング116を分離するように指示される。シールフィッティング116がバックアップ充填/排出バルブ125から完全に緩められた状態で、燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125を後に残して被供給側充填/排出バルブから離れる方向に移動される。
【０１０３】
被供給側バルブ402の密閉が許容範囲にあり、次いで、被供給側宇宙機401に推進薬が補給されたと仮定すると、バックアップ充填/排出バルブ125は、取付け手順を逆に行うことによって被供給側充填/排出バルブ402から取り外される。まず、推進薬ホース112が、燃料補給ツール100から分離される。次いで、ギヤシフタがギヤ2位置(上記参照)にある状態で、二次シールフィッティング用カムレンチは、バックアップ充填/排出バルブ125と被供給側バルブ402との間のシールフィッティング128を緩めて、ツールがバックアップ充填/排出バルブ125を捕らえながら被供給側衛星から遠ざかることを可能にする。ツール100及びバックアップ充填/排出バルブ125は、サービス側衛星400上の積付点まで戻される。ツール100がバックアップ充填/排出バルブ125積付点上まで案内されて戻されると、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aが、バックアップ充填/排出バルブ125のシールフィッティングを積付点上に再度取り付ける。
【０１０４】
カムレンチ300A及び300Cは、全開位置に位置決めされ、ツール100は、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aがバックアップ充填/排出バルブ125の頂部から推進薬パイプ112の頂部にあるシールフィッティング116を分離する位置まで、上方に自由に移動することができる。カムレンチ(300A及び300C)は再び開かれ、ここで燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125から解放される。
【０１０５】
ツール100は、サービス側衛星400上の交換用二次シールフィッティング積付点133へ移動する。ギヤシフタ109が依然としてギヤ2位置(上記参照)にある状態で、燃料補給ツール100は、バックアップ充填/排出バルブ125を拾い上げたときと同じように、交換用二次シールフィッティング134を拾い上げる。推進薬送達パイプ112の端部上のシールフィッティング116が、交換用フィッティング134の頂部上のねじ付き特徴構成137にねじ込まれ、次いで、交換用フィッティング134の基部にあるシールフィッティング136が、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aを使用して分離され、それにより、カムレンチ300A及び300Cが開かれると、交換用二次シールフィッティング134をサービス側衛星400から離れる方向に持ち上げて、被供給側衛星の充填/排出バルブ402上に移動させることが可能になる。
【０１０６】
ギヤシフタが依然としてギヤ2にある状態で、交換用二次シールフィッティング134は、バックアップ充填/排出バルブ125が被供給側衛星400上に残っているかどうかに応じて被供給側バルブ402又はバックアップ充填/排出バルブ125のどちらかの頂部上のねじ付き特徴構成に交換用フィッティング134のシールフィッティング136を取り付けるために、二次シールフィッティング用カムレンチ300Aを使用して被供給側バルブ402上に取り付けられる。交換用二次シールフィッティング134に適切な値までトルクが加えられると、ツール100は、推進薬送達パイプ112上のシールフィッティング116を交換用シールフィッティングの頂部から取り外すことができるように変換され、ツール100は自由になり、交換用シールフィッティングは被供給側衛星401上に取り付けられたままになる。
【０１０７】
これにより、被供給側衛星401に一種の推進薬を提供するためのツールの動作が完結する。
【０１０８】
上述のように、充填/排出バルブ402を開閉するためのカムレンチ機構300A、300B、及び300Cは、同軸状に順に重ねて整列される。カムレンチ機構300及びギヤボックス200は、流体移送作業中に被供給側衛星401又はロボットアーム403にトルクが加えられることを回避するために対として使用される、選択されたカムレンチ機構の対(300A、300C、又は300B、300C)の二つの出力軸262(262A)と264(264A)、又は266(266A)と264(264A)に、実質的に均等にトルクが分配されるように構成される。トルクは、システムの機械的性質のために厳密に均等には分配されえないが、ほぼ均等に分配されうることが理解されるであろう。
【０１０９】
被供給側衛星401の燃料補給には、サイズの異なる幾つかの充填/排出バルブに幾つかのタイプの推進薬を提供することが必要とされる場合がある。複数の燃料補給ツールの使用を必要とすることなく上記のことを達成するためには、本カムレンチ機構300の発明が必要とされる。カムレンチ機構300により、ナット軸の周りで任意の回転配向に位置されうる様々なサイズのナットにトルクを加えることが可能になり、また、カムレンチ機構300は、同一のカムレンチを使用して時計方向及び反時計方向の両方にトルクを加えられるように、逆転させることができる。
【０１１０】
燃料補給ツール100内の三つのカムレンチ300A、300B、及び300Cは全て、基本的に同じように働き、また、被供給側バルブ402の仕様が許可するのであれば、同一の部品で構成することができる。カムレンチ機構は、以下の主構成部品、すなわち、軸受を介してカムレンチの構成部品を支持し、且つトルク荷重を受けて回転するのを防ぐためにツール下部ハウジング構造103に固定されるハウジングと、外面に歯が付けられてギヤボックス出力軸からのトルク入力を受ける駆動輪と、二つのカムロックを支持し且つ駆動輪の内側に存在する、駆動輪と同軸の輪形カムと、カムロックにある穴の中でそれぞれ自由に回転することができる二つのナットカムと、それぞれが一つのナットカムを支持し且つ輪形カムの内側で径方向に自由に移動することができる二つのカムロックと、輪形カムとハウジングとの間に存在して、駆動輪により輪形カムが回転される前にカムが回転し始めるように運動に対する初期抵抗を提供する移動止めばねと、を含む。確実な機構を作り上げるために、他の締め具及びカバーが存在しうるが、それらはカムレンチ機構の動作に重要なものではない。
【０１１１】
カムレンチ機構300の物理的発現は、至極コンパクトであり、また被供給側バルブ402の軸に対して直角にわずかなスペースしか占めず、したがって、幾つかの機構(300A、300B、300C)を同軸状に相互に積み重ねて、ツール100を移動させることなく回転軸に沿った幾つかの場所でトルクを加えることができる。各カムレンチ機構300A、300B、及び300Cは、ギヤボックス200からの出力及び反動軸262(262A)、264(264A)、並びに266(266A)などの外部供給源からトルクを供給されなければならない。通常、カムレンチ機構300A、300B、300Cは、対でのみ利用され、各対のレンチは相反する方向に回転される。
【０１１２】
自在カムレンチ機構のそれぞれの重要な特徴は、カムロック303の存在である。図11Aを参照すると、各自在レンチ機構(300A、B、及びC)は、回転軸313を有するハウジング302と、歯付きのカムロック303にそれぞれ枢動可能に取り付けられる対向したナットカム301の対とを含む。各ナットカム301は、爪部材307を含み、カムロック303は、輪形カム308に並進的に(translationally)取り付けられる。輪形カム308は、ハウジング302内に同軸状に取り付けられ、また、ハウジング302に対して回転的に可動である。輪形カムの動きを制限するために、移動止めばね304が輪形カム308とハウジング302との間に取り付けられる。内側歯付き面315と外側歯付き面とを有する歯付き駆動輪306は、ハウジング302内に取り付けられ、また、ハウジング302に対して回転可能である。カム爪307は、歯付き駆動輪306と係合され、したがって、歯付き駆動輪が差動ギヤボックス200からの出力軸によって回転されると、対向したナットカム301は、(充填/排出バルブ402などの)ファセット面が付けられた(faceted)回転可能な要素の対向した外側面に接触するまで回転的に駆動され、接触した時点で、歯付きカムロック303が径方向外方に摺動して駆動輪306の歯付き内側面315と係合し、それにより、駆動輪306及び輪形カム308が一緒にロックされて、出力軸によって加えられたトルクをファセット面に伝達することが可能になる。
【０１１３】
より具体的には、図10、図11、及び図12を参照すると、カムレンチ300A、300B、又は300Cを作動させるために、駆動輪306を介して機構にトルクが入力され、この駆動輪306は、ハウジング302内の軸受317上で回転する。駆動輪306が回転しているときに、移動止めばね304は、輪形カム308をハウジング302に回転的に固定させておく。ナットカム301(301A)は、輪形カム308に取り付けられるが、さらに駆動輪306のスロット309に係合する爪307を有する。これらの爪307が駆動輪306によって動かされるにつれ、また、輪形カム308が回転していなければ、ナットカム301は回転し始める。ナットカム301(301A)は、それらの内側面310が回転すべき対象物又はナットに接触するまで、駆動輪306が回転しているときに回転し続ける。その時点で、作用を受けているナットの軸313から離れる方向にナットカム301(301A)の軸311を回転させようとするモーメント又はトルクが確立される。
【０１１４】
ナットカム301の軸311は、カムロック303内に支持され、また、これらのカムロックは、径方向内方及び外方に自由に摺動することができ、これらのカムロックをカムレンチの回転軸313により近づけて名目上位置決めしておくために、ばね312が使用される。カムナット301(301A)がナット面310に接触しているときに、結果として生じるモーメントが、カムロック303の外側上のスプラインセグメント314が駆動輪306の内側上のスプラインセグメント315と係合する位置まで、カムロックを外方に押す。これにより、輪形カム308及びナットカム301(301A)は、駆動輪306に対して回転的にロックされ、それ以降、駆動輪306に加えられるさらなるトルクは、回転すべきナットに加えられるトルクとして消散される。
【０１１５】
通常、しかし必ずではないが、ツールモータ104の回転方向を変更することで駆動輪306の回転方向を変更して、駆動輪306を反対方向に回転させる。ナットカム301(301A)は、回転されているナット又は対象物から離れるように回転し、また、カムロック303を径方向外方に動かして駆動輪と接触させていたモーメントは、消失する。カムロック303に取り付けられたばね312は、カムロック303を動かしてその元の位置まで戻し、それにより輪形カム308は駆動輪306からロック解除され、駆動輪308は逆方向に回転し始める。駆動輪308は、ナットカム301(301A)の接触面310が再びナットと接触して接触力モーメントが再確立されるまで、その方向に回転し続ける。接触力モーメントが再確立された時点で、カムロック303は、もう一度外方に動いて輪形カムを駆動輪にロックし、レンチ機構は、以前とは反対の方向にトルクを加えることができる。したがって、同一の機構が、時計方向及び反時計方向にトルクを加えることができる。
【０１１６】
駆動輪306は、軸313の周りを回転しているときに、爪307を押す。爪307は、ナットカム301を押して、カム面310が何か硬いものと接触するまで軸311の周りで回転する。駆動輪306は回転し続け、また、爪307上の押す力は、面310が接触している何らかの表面によって抵抗を受ける。爪307上の力と310による抵抗との組合せが、ナットカム301内にモーメントを生み出すが、径方向に自由に摺動することができるナットカム303内に軸311が位置するので、カムナット301は、堅固には保持されず、また、発生した力のうちの径方向の成分には抵抗しない。軸311上の力は、ナットカム上の歯314が駆動輪306上の内側歯315と係合するまで、ナットカム303を径方向外方へ付勢する。これらの歯は相互にかみ合って、二つの輪306及び308を一緒にロックする。ロックされた輪の対は、311上の合力に抵抗し、したがって、トルクを特徴構成に伝達することができる。
【０１１７】
面310が実際に何か硬いものに接触して、カムロックを外側に動かして駆動輪306と係合させる径方向の力ベクトルを発生させるまでは、二つの輪のロックが起こらないので、サイズ調節可能性がもたらされる。より大きな特徴構成の場合、ナットカム301は、そのより大きな特徴構成に接触するより前に爪307が押されるほどには回転せず、トルクが加えられるとすぐに機構は動かなくなる。より小さな特徴構成の場合、ナットカム301は、接触するまでにさらに回転しなければならず、このより大きな回転がカムロック303を外方に移動させて二つの輪306及び308を一緒にロックした後でのみ、接触がなされる。
【０１１８】
バックアップ充填/排出バルブ125の使用は、幾つかの理由から非常に有利である。被供給側充填排出バルブを適切に閉じることができない場合(すなわち、漏出している場合)、燃料補給ツールが分離されると、たちまち推進薬が被供給側推進サブシステムから漏出することになる。この状況は許容できるものではなく、この状況が起こる危険性は、潜在的な顧客に、その顧客らの宇宙機の推進薬補給を検討することをやめさせる可能性がある。この危険性は、バックアップ充填/排出バルブ125の使用を通じて軽減される。システムは、バックアップ充填/排出バルブ125がスロットルバルブとしても機能するように構成することができる。バックアップ充填/排出バルブ125が部分的にのみ開かれている場合、バックアップ充填/排出バルブ125は、高められた流れ抵抗を有し、そのため、推進薬の流量を調節するのに使用することができる。他の場合では、被供給側推進薬タンクとサービス側宇宙機推進薬貯蔵タンクの圧力差だけで流量が決定されるので、上記のことは直接移送方法に有用である。バックアップ充填/排出バルブ125は、被供給側貯蔵タンクから真空空間への主流路の二次シーリングを提供する。
【０１１９】
ツール100は、断熱ブランケット又は表面被覆などの受動的な熱制御手段を含むことができ、また、サーミスタ、熱スイッチ、ヒータ、及びヒートパイプなどの、ハウジング及びハウジング内の機構の温度を検知し且つ制御するための能動的な温度制御手段を含むことができる。
【０１２０】
ツール100は、指定された可動部品の位置を検知して報告するためのセンサを含むことができる。前述のセンサは、スイッチ、近接センサ、小型カメラ、又はツール上若しくはツール内部の可視指示を含むことができる。ツールハウジング(101、102、103、105)の各部分は、ツールの外部にあるカメラが機構の位置を捕らえてそれを報告することを可能にするための開口部を有することができる。
【０１２１】
本ツールの一利点は、ギヤシフタ軸109がギヤボックス200のためのトルク入力軸でもあることであり、したがって、本システムは、独立した駆動入力及び独立したギヤシフタを必要とせず、本システムは、一つの軸を使用してその両方を達成する。
【０１２２】
本ツールが、燃料補給作業のためだけではなく、被供給側衛星の回転的に取り外し可能なアクセス構成部品を開くためのいかなる作業にも使用することができること、すなわち、充填/排出バルブだけではなく、回転特徴構成及び静的特徴構成を有する被供給側衛星上の任意の他のアクセス構成部品にも使用することができることは、理解されるであろう。そのようなツールは、特に推進薬システムではなく、被供給側衛星の他の領域にアクセスするのに有用である。そのようなツールは、本質的に流体交換器サブシステムを必要とせず、したがって、ツールのこの実施形態では、流体交換器サブシステムは任意のものとなる。
【０１２３】
上記の特定の実施形態は例として示してきたものであり、これらの実施形態が様々な修正形態及び代替形態を可能としうることが、理解されるべきである。さらに、特許請求の範囲は、開示された特定の形態に限定されるものではなく、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、及び代替形態に及ぶことが、理解されるべきである。
【図１Ａ】
2015500159.tif 000003
【図１Ｂ】
2015500159.tif 000004
【図２】
2015500159.tif 000005
【図３Ａ】
2015500159.tif 000006
【図３Ｂ】
2015500159.tif 000007
【図４】
2015500159.tif 000008
【図５Ａ】
2015500159.tif 000009
【図５Ｂ】
2015500159.tif 000010
【図５Ｃ】
2015500159.tif 000011
【図５Ｄ】
2015500159.tif 000012
【図５Ｅ】
2015500159.tif 000013
【図５Ｆ】
2015500159.tif 000014
【図５Ｇ】
2015500159.tif 000015
【図５Ｈ】
2015500159.tif 000016
【図５ＩＡ】
2015500159.tif 000017
【図５ＩＢ】
2015500159.tif 000018
【図６Ａ】
2015500159.tif 000019
【図６Ｂ】
2015500159.tif 000020
【図６Ｃ】
2015500159.tif 000021
【図６Ｄ】
2015500159.tif 000022
【図６Ｅ】
2015500159.tif 000023
【図６Ｆ】
2015500159.tif 000024
【図６Ｇ】
2015500159.tif 000025
【図６Ｈ】
2015500159.tif 000026
【図６Ｉ】
2015500159.tif 000027
【図７】
2015500159.tif 000028
【図８】
2015500159.tif 000029
【図９】
2015500159.tif 000030
【図１０】
2015500159.tif 000031
【図１１】
2015500159.tif 000032
【図１１Ａ】
2015500159.tif 000033
【図１１Ｂ】
2015500159.tif 000034
【図１１Ｃ】
2015500159.tif 000035
【図１２Ａ】
2015500159.tif 000036
【図１２Ｂ】
2015500159.tif 000037
【図１２Ｃ】
2015500159.tif 000038
【図１２Ｄ】
2015500159.tif 000039
【図１２Ｅ】
2015500159.tif 000040
【図１２Ｆ】
2015500159.tif 000041
【図１３Ａ】
2015500159.tif 000042
【図１３Ｂ】
2015500159.tif 000043
【図１３Ｃ】
2015500159.tif 000044
【図１４】
2015500159.tif 000045
【図１５】
2015500159.tif 000046
【図１６Ａ】
2015500159.tif 000047
【図１６Ｂ】
2015500159.tif 000048
【図１６Ｃ】
2015500159.tif 000049
【図１７】
2015500159.tif 000050
【図１８】
2015500159.tif 000051
【図１９】
2015500159.tif 000052
【図２０Ａ】
2015500159.tif 000053
【図２０Ｂ】
2015500159.tif 000054
【図２１】
2015500159.tif 000055
【図２１Ａ】
2015500159.tif 000056
【図２１Ｂ】
2015500159.tif 000057
【図２２】
2015500159.tif 000058
【図２３Ａ】
2015500159.tif 000059
【図２３Ｂ】
2015500159.tif 000060
【図２３Ｃ】
2015500159.tif 000061
【国際調査報告】
2015500159.tif 000062
2015500159.tif 000063
2015500159.tif 000064
2015500159.tif 000065