(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄圧器内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器に流体を加圧して超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態とするように構成したことを特徴とする飛翔体発射装置。
【請求項２】
前記蓄圧器の周囲あるいは内部もしくは周囲および内部にヒータを配設して、前記流体を超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態にまで昇温可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の飛翔体発射装置。
【請求項３】
前記蓄圧器に圧力計および温度計を設置するとともに、前記破裂板の破裂時における破裂圧力および温度を記憶できるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の飛翔体発射装置。
【請求項４】
前記圧力計は、蓄圧器に接続された排気管から分岐して設置されたことを特徴とする請求項３に記載の飛翔体発射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衝撃試験機や衝撃加工機に利用できる飛翔体発射装置に係り、特に宇宙空間や衛星軌道上にて発生する、稼働中の人口衛星へのスペースデブリ（人口衛星や隕石の破片）の衝突損傷機構の解明に有効な飛翔体の高速発生を実現する飛翔体発射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙空間、特に地球の衛星軌道上には、スペースデブリと呼ばれる人工衛星の破片や小隕石等が秒速数Ｋｍという高速で運動している。そして、近年そのような膨大な運動エネルギーを有するスペースデブリが、稼働中の人工衛星やスペースシャトル等に高速で衝突し、それらの稼働性能に様々な障害を与えることが問題視されている。そこで、このようなスペースデブリの人工衛星等への衝突損傷機構の解明を予め地上にて行う必要性が叫ばれ、国内外の研究機関にて衝突損傷機構の解明のための実験装置の開発が鋭意進められている。特に、スペースデブリを想定して小片の高速飛翔を実現する低コストな飛翔体発射装置の出現が待たれている。
【０００３】
小片の高速飛翔を実現する既存の飛翔体発射装置として幾つかのものが採用され、最も古典的で代表的なものとして火薬銃がある。火薬銃は火薬の燃焼ガスの圧力によって飛翔体を加速するもので構造が簡単であり、実験に必要な費用も安い。通常の火薬銃では銃身内面に螺旋状のライフル溝が刻設されているが、飛翔体発射装置における火薬銃では平滑内面（スムースボア）が採用されている。他に実用性の高い飛翔体発射装置として、二段式軽ガス銃やレールガンあるいはプラズマ加速装置がある。
【０００４】
図６に示したものは、火薬銃以上の衝突速度を実現するものとして我が国で最も普及している二段式軽ガス銃である。発射薬点火前のａの状態から、ｂの状態にて発射薬に点火がなされると、火薬の燃焼ガス圧力によってピストンが加速され、ヘリウムガス等の軽ガスが圧縮される。このとき軽ガスの圧力は衝撃波の反射によって段階状に上昇し、ピーク圧力は約１ＧＰａに達する。所定の圧縮圧が生じると、飛翔体との間に介設されたダイヤフラムが破れ、状態ｃのごとく発射管の中に噴出した軽ガスによって飛翔体が加速されて高速にて発射される。
【０００５】
図７に示したものは、レールガンと呼ばれる飛翔体発射装置である。スイッチＳを閉じるとキャパシタから電流Ｉが点線矢印のごとく、レール→飛翔体金属部→レールの順に流れ、発生する磁場の圧力で飛翔体は電磁力Ｆ＝１／２Ｌx Ｉ2 を受け加速される。ただし、Ｌx はレールの単位長当たりの自己インダクタンスである。飛翔体の表面の金属は流れる電流によってガス化し、該プラズマを通じて流れる電流の自乗に比例する磁場の力で飛翔体が飛んでいき、原理的には電流を大きくすればするほど飛翔体の速度は大きくなるが、シミュレーションによると１５Ｋｍ／ｓ程度の速度が得られる。
【０００６】
図８に示したものは、プラズマガンと呼ばれる飛翔体発射装置である。ガス貯蔵器１０２のニードル１０１を調整して、同軸チューブ１０７からアルミニウムのプラズマを吹き出させ、ここに配設したコイル１１６に電流を流すと、プラズマが磁場の力によって圧縮される。これによって、プラズマの流れが絞られて速度が上昇し、吹き出すアルミニウムプラズマの速度が３０〜３５Ｋｍ／ｓに達する。このプラズマの流れに飛翔体としてガラスのビーズ１０５を乗せることで高速飛翔体を得る。０．１ｍｍの直径のパイレックスガラスのビーズで２０Ｋｍ／ｓの世界最高速が得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の飛翔体発射装置にあって、火薬銃では、火薬の爆発燃焼を伴うため、熟練を要してランニングコストがかかる上、安定性に欠けるものであった。また、二段式軽ガス銃では、依然として火薬を使用し取扱いが煩雑で作動パラメータの最適な組合せを得るためのノウハウが必要である等、徹底した管理を必要として１日僅か数回程度の実験が限界である上、作動流体として圧縮性流体である気体を用いているために、その加圧に膨大なエネルギーを要していた。また、レールガンでは、原理的には光速近傍までの加速が可能であるものの、実際には大電流によるレールの摩耗やプラズマの粘性等に課題を残し、現状では数Ｋｍ／ｓ程度に停まっている。また、プラズマガンでは、装置が肥大化する上に制御の複雑化は避けられなかった。
【０００８】
そこで、本発明では、前記従来の飛翔体発射装置の諸課題を解決して、省スペース、低コストで取扱いに格別の熟練を要することがなく、安全かつ確実に高速な飛翔が得られる飛翔体発射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
蓄圧器内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器に流体を加圧して超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態とするように構成したことを特徴とする飛翔体発射装置である。
また、前記蓄圧器の周囲あるいは内部もしくは周囲および内部にヒータを配設して、前記流体を超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態にまで昇温可能に構成したことを特徴とする飛翔体発射装置である。
また、前記蓄圧器に圧力計および温度計を設置するとともに、前記破裂板の破裂時における破裂圧力および温度を記憶できるように構成したことを特徴とする飛翔体発射装置である。
また、前記圧力計は、蓄圧器に接続された排気管から分岐して設置されたことを特徴とする飛翔体発射装置である。
【００１０】
【実施の形態】
以下、本発明における飛翔体発射装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は本発明の第１実施の形態を示すもので、図１は本発明の飛翔体発射装置を実現する実験装置の概略図、図２はその実験結果図である。本発明は、図１に示すように、蓄圧器３内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体５を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器３に液体１を高圧ポンプ２にて加圧供給するように構成したことを特徴とするものである。
【００１１】
以下に詳述すると、実験装置は主として、液体１（水道水でよい）を導入して加圧する高圧ポンプ２、該高圧ポンプ２からの加圧流体を蓄える蓄圧器３、該蓄圧器３の前面に破裂板であるラプチャー板（図示省略）を介設して配設される助走管６とから構成される。蓄圧器３には加圧流体の導入時に空気を排出する排気管が接続され、該排気管には開閉バルブ７が設置される。排気管には分岐して圧力計４が設置される。前記助走管６には飛翔体５が前方から挿入される。
【００１２】
このような実験装置により以下のような条件にて実験を行った。高圧ポンプ２の流量範囲は０．１〜１０ｍｌ／ｍｉｎで、最大使用圧力は８０ＭＰａである。圧力計４はデジタル方式で上限リミッター、ピークホールド機能があり、測定能力は０．１ＭＰａ単位で０〜１００ＭＰａを測定できる。蓄圧器３は全長３００ｍｍで耐圧力は３０ＭＰａ、容積は５００ｍｌである。ラプチャー板はＳＵＳ３１６Ｌとアルミホイルを利用する。ＳＵＳ３１６Ｌの厚さは０．０３、０．０４、０．０５、０．０６ｍｍで、破裂する設定圧力をそれぞれ１２、１４、１６、１８ＭＰａのものを使用する。アルミホイルの厚さは１５μｍであり、それを２、４、８、１６枚重ねて利用し、その設定圧力は０．８、１．５、３．５、８．０ＭＰａである。助走管６の内径は３／８ｉｎで、長さは３０ｍｍである。各部の配管は内径１／８ｉｎである。開閉バルブ７はニードルバルブを用いて手動で開閉を行う。飛翔体５には直径６ｍｍ、密度３．９ｋｇ／ｍ3 のアルミナ球を使用する。作動流体には上水を使用し、水道にゴムホースを接続して直接高圧ポンプ２に供給する。
【００１３】
まず始めに、開閉バルブ７を開いてシステム内に水道圧による流入がなされて水道水１が蓄圧器３内に満たされる。次いで、開閉バルブ７を閉じ、高圧ポンプ２を作動させて蓄圧器３内の水道水を加圧する。その際の蓄圧器３内の圧力は圧力計４にて検出される。圧力計４のリミッター機能により設定圧力を蓄圧器３の最大圧力３０ＭＰａに設定し、その圧力に達すると、高圧ポンプ２の電源が切断されて加圧が停止する。蓄圧器３内の水道水の圧力によってラプチャー板が破裂し、水道水の開放によって助走管６に挿入された飛翔体５が発射、加速される。このとき、前記圧力計４にピークホールドをかけてラプチャー板破裂時の最大圧力を検出する。
【００１４】
飛翔体５の速度測定方法として、高速度ビデオカメラを用いた。高速度ビデオカメラを助走管６の先端部分に設置して、飛翔体５が助走管６から発射される瞬間の映像を撮影した。撮影は１コマ１／１８０００秒とし、撮影映像をもとに飛翔体５の速度を算出するものである。飛翔体５が助走管６から発射された直後から３コマの移動距離を速度算出に利用した。
【００１５】
このようにして行った実験の結果を図２に示す。飛翔体５はアルミナ０．４４ｇである。これにより、破裂板であるラプチャー板破断圧力と飛翔体速度の関係が求められた。ラプチャー板破断圧力の増加とともに飛翔体速度も増加しているが、高圧になると速度上昇が小さくなっている。これは空気抵抗による影響と考えられる。したがって、高耐圧力のラプチャー板を用意して蓄圧器内の圧力を高めて、さらに助走管内の空気抵抗を減らすことができれば、更なる飛翔体速度の増加が期待できる。
【００１６】
図３〜図５は本発明の第２実施の形態を示すもので、図３は飛翔体発射装置の実験装置の概略図、図４は超臨界流体の説明図、図５はその実験結果図である。本実施の形態では、図３に示すように、蓄圧器３内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体５を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器３に流体１を高圧ポンプ２にて加圧供給し、超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態とするように構成したことを特徴とする。本実施の形態では、また、前記蓄圧器３の周囲あるいは内部もしくは周囲および内部にヒータ８を配設して、蓄圧器３内の前記流体を超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態にまで昇温可能に構成されている。また、蓄圧器３内に温度センサー１０を配設し、温度センサー１０とヒータ８は前記蓄圧器３の外部で温度計１１に接続され、蓄圧器３内の流体の温度制御が可能に構成されている。また、流体１と高圧ポンプ２との間には開閉バルブ９が設置される。開閉バルブ７や圧力計４および助走管６の配設形態は前記第１実施の形態のものと同様である。
【００１７】
本実施の形態の実験装置による実験では、超臨界流体として二酸化炭素を用いた。したがって、流体１として液化二酸化炭素ボンベを用いる。まず始めに、開閉バルブ９および開閉バルブ７を開いてシステム内に液化二酸化炭素ボンベからの液化二酸化炭素の流入がなされて蓄圧器３内に満たされる。次いで、開閉バルブ７を閉じ、高圧ポンプ２を作動させて蓄圧器３内の液化二酸化炭素を臨界圧力以上に加圧する。その際の蓄圧器３内の圧力は圧力計４にて検出される。所定圧力まで加圧した後、ヒータ８によって昇温して二酸化炭素を超臨界状態とする。その際の蓄圧器３内の温度は、温度センサー１０にて検出され、温度計１１およびヒータ８によって温度制御が行われる。図４に示すように、二酸化炭素における臨界圧力は７．３８ＭＰａ、臨界温度は３１．１°Ｃであるが、それらの圧力および温度以下のところから亜臨界領域が存在する。本実施の形態では、これらの亜臨界領域にある亜臨界流体をも非圧縮性流体として採用される。
【００１８】
蓄圧器３内にて超臨界あるいは亜臨界状態となった流体によって破裂板が破裂し、開放された超臨界あるいは亜臨界状態の二酸化炭素の圧力と、自らの気化に伴う体積膨張した圧力とにより、破裂板直後に置かれた飛翔体５を助走管６を通じて一定方向に加速することになる。また、前記圧力計４によってピークホールドを設定しておくことにより破裂板破裂時の圧力と温度を記憶させる。したがって、本実施の形態のものでは、高圧ポンプ２にて加圧された流体の圧力に加えて、超臨界あるいは亜臨界状態に置かれた流体の自らの気化に伴う体積膨張圧力により、より大きな加速力が得られる。
【００１９】
図５はこのようにして行った実験の結果である。ただし、図５のものは蓄圧器３を加温せず液化二酸化炭素の状態で行ったものである。飛翔体５として不飽和ポリエステル樹脂０．４４ｇを使用した。飛翔体５の速度測定方法は前記実験と同様に高速度ビデオカメラを用いた。これにより、二酸化炭素圧力（破裂板破断圧力）と飛翔体速度の関係が求められた。破裂板破断圧力の増加とともに飛翔体速度も増加していることが理解される。蓄圧器３の加温により、更なる飛翔体速度の増加が期待できる。
【００２０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、流体の種類、高圧ポンプ、蓄圧器、開閉バルブ、圧力計、温度センサー、温度計、破裂板、助走管、飛翔体の形状、形式、蓄圧器に対する助走管の設置形態、蓄圧器に対する飛翔体との間の破裂板の介設形態、助走管に対する飛翔体のセット形態、圧力計および温度計における上限リミッター、ピークホールド機能等の形式、温度計の温度制御機能等の形式、温度センサーの配設形態、ヒータの配設形態および昇温制御形態、飛翔体速度測定方式等については適宜選定できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、蓄圧器内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器に液体を加圧するように構成したことにより、取扱いが簡便で何度でも安定した実験が行え、加圧エネルギーからの運動エネルギーへの変換効率が高く加圧性に優れる液体を作動流体として、大規模な装置や爆薬等の高出力を要することなく高速の飛翔体速度が得られ、省スペースの装置の実現と格別な熟練を要せず低いランニングコストで済む飛翔体発射装置が得られる。
【００２２】
また、蓄圧器内にて加圧された媒体により破裂板を介して飛翔体を発射させる飛翔体発射装置において、前記蓄圧器に流体を加圧して超臨界流体状態あるいは亜臨界流体状態とするように構成したことにより、加圧された流体の圧力に加えて、超臨界あるいは亜臨界状態に置かれた流体の自らの気化に伴う体積膨張圧力により、より大きな加速力が得られる。
さらに、前記蓄圧器の周囲あるいは内部もしくは周囲および内部にヒータを配設して、蓄圧器内の前記流体を超臨界状態あるいは亜臨界流体状態にまで昇温可能に構成した場合は、超臨界流体あるいは亜臨界流体の開放後の自らの気化に伴う体積膨張圧力をより高めて、更なる飛翔体速度の増加が期待できる。
【００２３】
さらにまた、前記蓄圧器に圧力計および温度計を設置するとともに、前記破裂板の破裂時における破裂圧力および温度を記憶できるように構成した場合は、破裂板破裂時の圧力および温度の設定を適宜に行って飛翔体の速度の制御が可能となる。
また、前記圧力計が、蓄圧器に接続された排気管から分岐して設置された場合は、空気を排気して蓄圧器に非圧縮性流体を導入するための排気管を利用して、破裂板破裂時の圧力の設定等を行う圧力計を容易に設置することができる。
かくして、本発明によれば、省スペース、低コストで取扱いに格別の熟練を要することがなく、安全かつ確実に高速な飛翔が得られる飛翔体発射装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態を示すもので、実験装置の概略図である。
【図２】同、その実験結果図である。
【図３】本発明の第２実施の形態を示すもので、実験装置の概略図である。
【図４】同、超臨界流体の説明図である。
【図５】同、その実験結果図である。
【図６】我が国で最も普及している従来の二段式軽ガス銃である。
【図７】従来のレールガンと呼ばれる飛翔体発射装置である。
【図８】従来のプラズマガンと呼ばれる飛翔体発射装置である。
【符号の説明】
１      非圧縮性流体（水道水、液化二酸化炭素）
２      高圧ポンプ
３      蓄圧器
４      圧力計
５      破裂板および飛翔体
６      助走管
７      開閉バルブ
８      ヒータ
９      開閉バルブ
１０      温度センサー
１１      温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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