(57)【要約】【課題】  従来宇宙飛翔体は打ち上げ時に、莫大な燃料と酸化剤を消費して所定の高度に達する。そして帰還時には、高いポテンシャルエネルギーを安全に費やすため、空力加熱に耐える機体構成と運用を採る必要がある。これでは飛翔体のコストは低減できず、かつ環境汚染するので好ましくない。【解決手段】これらの欠点を除くため本発明装置は、飛翔体打ち上げ時に飛翔体にエネルギーを供給し、帰還時にはエネルギーを吸収しかつ飛翔体に制動をかけようとするものである。そのため軌道上に安定なプラットフォーム衛星を置き、そこから飛翔体まで長さ固定のテザあるいは長さ可変の綱を延ばす。そして飛翔体を打ち上げる時、衛星から電力伝送線を通して電力を供給するか綱を通して力学的エネルギーを供給する。飛翔体が帰還し余分なエネルギーを散逸させたい時は、エネルギーを吸い取り他の電力需要に供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道上のプラットフォーム衛星に固定されたテザを設けて、テザ上には台車を設けて、衛星もしくは台車に発電機あるいはモータを配し、飛翔体打ち上げ時には飛翔体をモータで吊り上げ、帰還時には発電しつつ制動をかけることを特徴とする電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項２】
軌道上のプラットフォーム衛星に長さが変わる綱を設けて、衛星に発電機あるいはモータを配し、飛翔体打ち上げ時には飛翔体をモータで吊り上げ、帰還時には発電しつつ制動をかけることを特徴とする電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項３】
請求項１のシステムにおいて、テザの上に台車を載せて、電力伝送線により台車と衛星間を繋いで、電力のやりとりをすることを特徴とする請求項１記載の電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項４】
請求項３において、台車とテザの相対運動を回転に変換する回転機構を用いることにより、台車上の発電機もしくはモータを回すことを特徴とする請求項１の電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項５】
請求項３において、大気の流れにより台車もしくは飛翔体に設けた風車を回し、発電機回転軸を回転させることを特徴とする電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項６】
請求項４と５において、発電した電力を飛翔体内に設置したエネルギー蓄え装置に蓄えることを特徴とする電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項７】
請求項１のシステムにおいて、テザの上に台車を載せて、綱により台車と衛星間を繋いで、機械的エネルギーのやりとりをすることを特徴とする請求項１記載の電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項８】
請求項２のシステムおよび請求項７のシステムにおいて、飛翔体と衛星間の綱の長さを回転数に変換する回転機構を用いることにより、衛星上の発電機もしくはモータを回すことを特徴とする請求項１の電気回生型飛翔体補助装置。
【請求項９】
請求項１において台車で発電されて電力伝送線で衛星まで伝送された電力を、あるいは請求項２において衛星内で発電された電力を、衛星内に設置した電力蓄え装置に蓄えることを特徴とする電気回生型飛翔体補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は宇宙飛翔体が打ち上げられて、かつ帰還する時に、使用するエネルギーを節約する補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来ロケットなどの宇宙飛翔体は、莫大な燃料と酸化剤を消費して所定の高度に達する。そして帰還時には、打ちあげで得たポテンシャルエネルギーを安全に費やす必要がある。例えばシャトルの場合旋回を繰り返して速度を落とし、次に空力加熱を耐熱セラミックによりぎりぎりまで受け入れて減速し、最後は滑走路で安全に停止速度まで減速する（例えば、非特許文献１）。このように、折角得たエネルギーを利用できない熱エネルギーに変えて、何とか帰還している。研究は、そのための材料開発と使い方に留まっている（例えば、非特許文献２）。特許ではさらに遅れており、材料や使い方に留まっている（例えば、特許文献１）。これでは飛翔体のコスト低減に繋がらず、かつ大量打ちあげの時代になると炭酸ガス発生からも好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許公開平７−１４９２９９、“大気圏再突入航空機”．
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】航空宇宙工学便覧・第２版、日本航空宇宙学会編、ｐ．９５８，１９９２．
【０００５】
【非特許文献２】山田哲哉、安部隆士、“「はやぶさ」カプセルの地球大気再突入時におけるプラズマ現象とその周辺”、プラズマ・核融合学会誌８２（６），３６８−３７４，２００６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  以上述べた先行技術の問題点を除くため、打ち上げ時には本発明装置からエネルギーを供給し、帰還時には本発明装置にエネルギーを吸収しかつ制動をかけようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  軌道上の大形衛星や宇宙基地のようなプラットフォーム衛星に長さが固定されたテザを設けて、テザ上には台車を設けて、衛星もしくは台車に発電機あるいはモータを配する。あるいは、軌道上のプラットフォーム衛星に長さが変わる綱を設けて、衛星に発電機あるいはモータを配する。
【発明の効果】
【０００８】  こうすることにより、飛翔体打ち上げ時には飛翔体をモータで吊り上げて、帰還時には発電しつつ制動をかけることができる。従って、打ち上げのための燃料と酸化剤を減らすことができる。また帰還時には、エネルギーを回収つつ速度を落として、かつ発電電力を他の需要に供すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】プラットフォーム衛星とテザを用いた本発明において、飛翔体打ち上げと帰還の原理を示す図である。
【図２】プラットフォーム衛星と綱を用いた本発明において、飛翔体打ち上げと帰還の原理を示す図である。
【図３】地球周りのプラットフォーム衛星と荷物・飛翔体の運動を説明している。
【図４】発電方式として、テザ噛み合わせ発電方式の構成を示す。
【図５】テザ噛み合わせ発電の装置について、詳細な構成を示す。
【図６】発電方式として、風車発電方式の構成を示す。
【図７】発電方式として、プラットフォーム衛星上発電方式において、台車を使う場合の構成を示す。
【図８】発電方式として、プラットフォーム衛星上発電方式において、台車を使わず、綱で直接発電機を回す場合の構成を示す。
【図９】テザ噛み合わせ発電方式と風車発電方式に対する、プラットフォーム衛星の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  以下図面を使いつつ、発明を実施する形態を説明する。
【００１１】  図１は、テザを使う場合の原理を示す。テザ３の上に台車２を載せて、電力伝送線により台車と衛星４間を繋いで電力のやりとりをするか、綱により台車と衛星間を繋いで、機械的エネルギーのやりとりをする。
【００１２】  同図（ａ）の打ち上げ時は、飛翔体１が噛み合わせ装置７を介して、テザ３に載っている台車２に捕捉される。台車はプラットフォーム衛星４から、テザに沿わせた伝送線を通して電力を供給あるいはテザに沿わせた綱を通して力学的エネルギーを供給されつつ、テザに沿って速度５で飛翔体を引っ張り上げる。衛星は軌道上にあるので、速度６で飛行している。
【００１３】  同図（ｂ）の帰還時には、飛翔体が地球に向けて落ちていくのを引き留めつつ、台車上あるいは衛星上で発電し衛星に電力エネルギーを還流させる。
【００１４】  図２は、テザを使わず、綱８を使う場合を示す。同図（ａ）の打ち上げ時は、綱を衛星４内にあるモータで巻き上げ、綱により力学的エネルギーを飛翔体に伝達する。
【００１５】  同図（ｂ）の帰還時には、飛翔体が地球に向けて落ちていく力学的エネルギーを綱により伝達し、衛星４内の発電機で発電しながら制動をかける。
【００１６】  図３は、地球１０および軌道１１上のプラットフォーム衛星４、テザ３にぶら下がった荷物９との、相対運動を示す原理図である。プラットフォーム衛星の質量Ｍと速度Ｖ、および荷物の質量ｍと速度ｖの間には、次の関係がある。ただし、各速度は地球に向かう方向である。
ＭＶ＋ｍｖ＝０
ここに、Ｍ＞＞ｖなので、ｌＶｌは小さい（少ししか動かない）のに対し、ｌｖｌは大きい（大きく動く）ことになる。従って本発明装置を稼動させても、衛星は殆ど位置を変えなくて済む。
【００１７】  また円周方向の運動を考えると、円周方向の速度をｖｃ、地球からの距離をｒ、地球周りの角速度をｖθとすると、次の式が成り立つ。
ｖｃ＝ｒ・ｖθ
従って打ち上げた直後は、飛翔体１が衛星４あるいは台車２と同じ角速度で飛んでいるのに、ｒが小さいのでｖｃは小さくて済む。飛翔体が上がっていく（ｒが大きくなる）につれて、ｖｃが大きくなる。そのため運動エネルギー（１／２）ｍｖｃ２を増やすことが必要なので、衛星から飛翔体に電力伝送線を経由して、電力を供給することになる。
【００１８】  逆に帰還時は、ｖｃが小さくなるのでエネルギーが余るので、衛星で電力を吸収することになる。また飛翔体の速度ｖｃが小さくなるので、飛翔体が衛星の後にずれていく。従って衛星は、円周方向に減速する力を受ける。その力を発電に使うわけである。
【実施例１】
【００１９】  図４は、台車２内に発電機１６を有し、台車がテザ３との相対運動により発電する装置である。発生した電力は、電力伝送線１７により、プラットフォーム衛星４に届けられる。ここでは帰還時（発電時）を示したが、打ち上げ時には発電機１６がモータに置き換わり、飛翔体を持ち上げていく。
【実施例２】
【００２０】  図５は、図４における装置の内部を、詳細に示している。台車２に載せられた噛み車１８は、テザ３と強く結合し、テザが軸方向に動くと噛み車の回転運動に変換される。その回転は、動力伝達機構１９により、発電機回転軸２０に伝えられる。台車２に載せられた発電機１６により起こされた電力は、電力伝送線１７により送られる。【００２１】  動力伝達機構１９として、図５ではベルト車を示しているが、歯車を使うことも可能である。
【実施例３】
【００２２】  図６は、飛翔体が帰還時に大気に突入した後、大気流により風車発電２１を回して発電する装置である。この場合、発電される電圧や電流が不安定になることがあるので、整合装置２３により変換してから外部の電力伝送線１７に送られる。発電機から整合装置までは、台車内の送電線２２により、電気が送られる。
【実施例４】
【００２３】  図４の構成を用いて台車上で発電しても、発電した電力を飛翔体内に設置したエネルギー蓄え装置に蓄えることも可能である。この場合、電力を伝送線で衛星まで送らないので、飛翔体と衛星を結ぶものはテザだけであり、システムが簡素化される利点がある。
【実施例５】
【００２４】  図１に示したシステムにおいて、テザの上に台車を載せて、綱により台車と衛星間を繋いで、機械的エネルギーのやりとりをする場合を、図７に示す。この場合、飛翔体と衛星間の綱の長さを回転数に変換する回転機構を用いることにより、衛星上の発電機もしくはモータを回している。ここでは帰還時を例に、プラットフォーム衛星４における発電装置の構成を示す。飛翔体が繋がった台車２がテザ３に乗り、かつ綱８によりプラットフォーム衛星４に繋がっている。綱は綱滑車１２により安定に捕縛され、かつ綱の動きを発電機回転軸１３に渡す。従ってこの場合、綱は綱速度１５をもって引き伸ばされて、発電機回転軸を回転し、回転式発電機１４の発電に資する。【００２５】  前記では帰還時（発電時）を示したが、打ち上げ時には回転式発電機１５がモータに置き換わり、飛翔体を持ち上げていく。
【実施例６】
【００２６】  図２のシステムにおいて、飛翔体と衛星間の綱の長さを回転数に変換する回転機構を用いることにより、衛星上の発電機もしくはモータを回す場合を、図８に示す。ここではテザと台車を使わず、綱８で直接飛翔体の動きを発電機１５に伝えて、発電するものである。この場合、飛翔体の加重は綱のみで受け取るので、汎用性のため強度求められるテザでなく、特別仕様で簡便な綱を使うことができる。この方法・原理は、図７のシステムと同じである。【００２７】  前記では帰還時（発電時）を示したが、打ち上げ時には回転式発電機１５がモータに置き換わり、飛翔体を持ち上げていく。これは図７における帰還と打ち上げとの関係に同じである。
【実施例７】
【００２８】  図４のシステムにおいて、台車で発電されて電力伝送線１７で衛星４まで伝送された電力を、衛星内に設置した電力蓄え装置に蓄える場合、衛星の構成を図９に示す。電力伝送線１７で届けられた電気は、まず整合装置２４で安定化され、エネルギー蓄え装置２５に送られ、蓄えられる。エネルギー蓄え装置には、蓄電池や水分解電池など電気的なもの、弾み車のような機械的なもの、溶融セラミックのような熱的なものが、使われる。【００２９】  図７あるいは図８のように、衛星内で発電する場合、図９において発電機の出力は電力伝送線１７を経ないで、直接上記整合装置２４に入力される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  本発明は、ロケット打ち上げや帰還に利用できる。その際、大幅なエネルギー節約とコスト削減に寄与できる。従ってロケット打ち上げ産業への貢献が大きく、さらにそのユーザである宇宙構造物の建築業、宇宙旅行業者への恩恵がある。逆にロケット打ちあげの支えでは、宇宙飛翔体や施設の製造業者への恩恵がある。【００３１】  さらにエネルギー節約の点から、国のエネルギー政策への寄与も大きい。
【符号の説明】
【００３２】１    本発明になる補助装置の荷物、すなわち飛翔体
２    台車
３    テザ
４    プラットフォーム衛星。ただし、衛星とも略称する。
５    テザに沿って動く飛翔体の速度
６    プラットフォーム衛星の軌道上速度
７    噛み合わせ装置
８    綱
９    荷物
１０  地球
１１  衛星軌道
１２  綱滑車
１３  発電機回転軸
１４  回転式発電機
１５  綱速度
１６  発電機
１７  電力伝送線
１８  噛み車
１９  動力伝達機構
２０  発電機回転軸
２１  風車発電
２２  送電線
２３  整合装置
２４  衛星上整合装置
２５  エネルギー蓄え（蓄電池、など）
【図１】
2013154865.tif 000003
【図２】
2013154865.tif 000004
【図３】
2013154865.tif 000005
【図４】
2013154865.tif 000006
【図５】
2013154865.tif 000007
【図６】
2013154865.tif 000008
【図７】
2013154865.tif 000009
【図８】
2013154865.tif 000010
【図９】
2013154865.tif 000011