JP2005239061A

JP2005239061A - Minute gravity device

Info

Publication number: JP2005239061A
Application number: JP2004054403A
Authority: JP
Inventors: Riyoujirou Akiba; 鐐二郎秋葉
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP4391266B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a minute gravity device capable of being easily and repeatedly used and not requiring a large stationary or shock absorbing device even at completion of dropping off. <P>SOLUTION: When a motion body starts to drop off from a dropping off starting position, a rotation body starts to rotate and when the movement body approaches to a dropping off completion position, rotation inertia force of the rotation body is increased. Thereby, tension of a wire is rapidly increased to a direction where the dropping off motion of the movement body is braked. After the motion body arrives at the dropping off completion position, winding of the wire to a track is generated by the rotation inertia force of the rotation body. Thereby, the motion body is drawn by the wire and is raised. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自由落下状態の物体あるいは自由落下の後に上昇してさらに自由落下を行うような自由上下運動体の内部空間に微小重力状態を実現できる微小重力装置に関する。 The present invention relates to a microgravity device capable of realizing a microgravity state in an internal space of a free vertical moving body that is free-falling or an object that rises after freefalling and further performs freefalling.

従来から、物体を自由落下させ、その自由落下中の物体内において所定の実験を行うことが行われている。自由落下中の物体内においては、地球の重力と落下加速度とがバランス状態となるため、無重力に近い状態が実現できる。たとえば、このような微小重力状態を使った実験装置として特願２０００−２４６１４８号（特開２０００−０６２２６３号）に開示されるものがある。 2. Description of the Related Art Conventionally, an object is freely dropped and a predetermined experiment is performed in the object that is freely falling. In the free-falling object, the gravity of the earth and the acceleration of the fall are in a balanced state, so that a state close to weightlessness can be realized. For example, an experimental apparatus using such a microgravity state is disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-246148 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-062263).

特願２０００−２４６１４８号Japanese Patent Application No. 2000-246148

しかし、自由落下は等加速度運動であるため、落下距離を大きく必要とするわりには、微小重力状態の得られる時間が少ないという事情がある。また、落下終了時には、落下距離相当の減速度を必然的に受けることになるので、相応する落下衝撃に耐えることができる十分な設計上の配慮が必要となる。また一度落下した実験装置を反復使用するためには、上昇させる必要があるが、このために上昇させるための特別の動力装置が必要となる。このため、従来の微小重力装置では、極めて大がかりな、静止装置及び緩衝機構とか必要となり、結果としてコストがかかるという問題があった。本発明はこのような問題点を解消する目的で構成されたもので、容易に反復使用が可能で且つ、落下終了時においても、大がかりな静止ないし緩衝装置を必要としない微小重力装置を提供することを目的とする。 However, since free fall is a uniform acceleration motion, there is a situation in which the time for obtaining a microgravity state is short although a large drop distance is required. In addition, since the deceleration corresponding to the fall distance is inevitably received at the end of the fall, sufficient design considerations that can withstand the corresponding drop impact are required. Further, in order to repeatedly use the experimental apparatus once dropped, it is necessary to raise it. For this purpose, a special power unit for raising the apparatus is required. For this reason, the conventional microgravity device requires a very large stationary device and a buffer mechanism, resulting in a problem of cost. The present invention is configured to solve such problems, and provides a microgravity device that can be easily used repeatedly and does not require a large stationary or shock absorbing device even at the end of dropping. For the purpose.

上記の目的を解決するために以下のように構成される。本発明にかかる微小重力装置は回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、
自由落下運動をし、該自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体と、
一端が前記回転体に、他端が前記運動体に結合されたワイヤと、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて前記ワイヤ巻き付け可能に前記回転体に一体に設けられたワイヤ巻き付け軌道とを備え、
前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置にあるとき前記回転体の前記最大半径部から垂下し、前記運動体が落下終了位置にあるとき、前記最小半径部から垂下するようになっており、かつ、前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置に位置するとき、最も長く前記軌道に巻き付けられた状態をとり、前記運動体が落下終了位置にあるとき前記軌道から完全に開放されて、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態となり、
前記運動体が落下開始位置から落下し始めるとき、前記回転体が回転を開始し、前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力が増大し、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力が急激に増大するようになっており、かつ、前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じ、これによって、前記運動体が前記ワイヤに引っ張られて上昇するように構成されたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned object, it is configured as follows. A microgravity device according to the present invention is rotatably supported, and a rotating body that generates an inertial force due to a rotational motion,
A moving body configured to freely move and generate an inertial force due to the free fall, and to be raised using the inertial force due to the rotation of the rotating body,
A wire having one end coupled to the rotating body and the other end coupled to the moving body;
A wire winding track provided integrally with the rotating body so as to be capable of winding the wire from a maximum radius portion near the outer periphery of the rotating body toward a minimum radius portion close to the center of the rotating body;
The wire hangs down from the maximum radius of the rotating body when the moving body is in a drop start position, and hangs down from the minimum radius when the moving body is in a drop end position; and When the moving body is located at the fall start position, the wire is wound the longest around the track, and when the moving body is at the fall end position, the wire is completely released from the track, And the extended end between the connecting end with the minimum radius of the orbit of the rotating body,
When the moving body starts to fall from the falling start position, the rotating body starts to rotate, and when the moving body approaches the end of dropping position, the rotational inertia force of the rotating body increases, thereby dropping the moving body. The wire tension suddenly increases in the direction of braking the movement, and after the moving body reaches the fall end position, the wire is wound around the track by the rotary inertia force of the rotating body. The moving body is configured to be lifted by being pulled by the wire.

上記において「利用可能に」とは、回転体の慣性力あるいはエネルギーを、運動体に、運動体の慣性力あるいはエネルギーを回転体に「伝達可能に」という意味である。 In the above description, “available” means that the inertial force or energy of the rotating body is transmitted to the moving body, and the inertial force or energy of the moving body is transmitted to the rotating body.

本発明によれば、最初の自由落下の状態においてのみでなく、その後の上昇及び更なる落下運動の間においても運動体内部空間に実質的に無重力状態を実現することができる。このため、同じ高さで落下のみ行わせる従来の微小重力装置に比して、ほぼ２倍の時間的な長さの微小重力環境が得られる。仮に、落下運動のみを利用することで微小重力環境の時間を２倍にするには、４倍の落下距離を必要とすることとなる。このことを考えると、本発明の優位性は明らかである。言い換えれば、運動体の上下運動を利用することによって、最下部で減速するエネルギーが落下のみを利用する場合に比べ４分の１となり、設計条件が大幅に緩和される。 According to the present invention, it is possible to realize a substantially weightless state in the inner space of the moving body not only in the state of the first free fall but also during the subsequent rising and further falling movements. Therefore, a microgravity environment having a time length almost twice as long as that of a conventional microgravity apparatus that performs only dropping at the same height can be obtained. If the time of the microgravity environment is doubled by using only the drop motion, a fourfold drop distance is required. Considering this, the superiority of the present invention is clear. In other words, by using the vertical motion of the moving body, the energy that decelerates at the bottom becomes a quarter of that in the case of using only the drop, and the design conditions are greatly eased.

運動体が最下部に達したときワイヤは伸びきるが、回転運動は最大に達するので、ワイヤは慣性力によりさらに軌道に巻きつき、運動体は上昇を始める。この際、落下のときの最下点付近と同様に、巻きつき始めはワイヤの張力は大きく、急激な運動体の上昇速度の増大をもたらす。ワイヤが軌道の最大半径部まで巻きつくと、ワイヤの張力は減少し、運動体は、慣性力によりほぼ自由上昇運動状態となる。そして、回転体が静止した位置で、運動体は最高点に達する。そしてそのまま、前記落下過程に移行する。本発明は、この上昇、落下の連続した自由運動に近い過程を利用して微小重力環境を実現したものである。 When the moving body reaches the lowest position, the wire is fully extended, but the rotational movement reaches the maximum, so that the wire is further wound around the track by the inertial force, and the moving body starts to rise. At this time, similarly to the vicinity of the lowest point at the time of dropping, the tension of the wire is large at the beginning of winding, which causes an abrupt increase in the rising speed of the moving body. When the wire is wound up to the maximum radius portion of the track, the tension of the wire is reduced, and the moving body is almost in a freely moving motion state due to the inertial force. The moving body reaches the highest point at the position where the rotating body is stationary. Then, the process proceeds to the dropping process. The present invention realizes a microgravity environment by utilizing a process close to the continuous free movement of rising and falling.

好ましくは、前記落下終了位置に達したとき、運動体の質量の一部を分離する機構を備える。別の好ましい態様では、前記運動体の落下運動または上昇運動を運動方向にガイドするガイド手段が設けられる。 Preferably, a mechanism for separating a part of the mass of the moving body when the drop end position is reached is provided. In another preferred embodiment, guide means for guiding the moving body's falling or rising movement in the movement direction is provided.

好ましい態様では、前記運動体が、外部カプセルとこの外部カプセルの内部に配置される内部カプセルとを備えており、両者の相対運動を制御する制御手段が設けられる。 In a preferred embodiment, the moving body includes an outer capsule and an inner capsule disposed inside the outer capsule, and a control means for controlling the relative movement between the two is provided.

また別の態様では、前記制御手段が、外部カプセルの外部に設けられ、外部カプセルを制動することによって内部カプセルとの相対運動の制御を行うようになっている。 In another aspect, the control means is provided outside the external capsule, and controls the relative movement with the internal capsule by braking the external capsule.

さらに前記制御手段が、外部カプセルの内部に設けられ、内部カプセルと外部カプセルとの相対運動を許容するバネ機構を備えていてもよい。 Further, the control means may include a spring mechanism provided inside the outer capsule and allowing relative movement between the inner capsule and the outer capsule.

好ましくは、前記ワイヤ巻き付け機構が最小半径部に関して非対称に形成されている。別の好ましい態様では、前記運動体が複数の回転体を経由して巻回されたワイヤに結合される。 Preferably, the wire winding mechanism is formed asymmetrically with respect to the minimum radius portion. In another preferred embodiment, the moving body is coupled to a wound wire via a plurality of rotating bodies.

本発明の別の特徴によれば、微小重力環境形成方法が提供される。該方法は、回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体とをワイヤで連結し、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて軌道に前記ワイヤを巻き付け、
前記ワイヤが最も長く前記軌道に巻き付けられた落下開始位置から前記運動体を落下させ、
前記運動体の落下に伴って、前記ワイヤを回転体の回転を促進させつつ前記軌道から開放させ、
前記運動体が落下開始位置から落下して前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力を増大させ、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力を急激に増大させ、
前記運動体が落下終了位置に到達したとき前記ワイヤを前記軌道から完全に開放し、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態とし、
前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じさせ、これによって、前記運動体を前記ワイヤを介して引っ張り上昇させる段階を備えたことを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, a method for forming a microgravity environment is provided. The method includes a rotating body that is rotatably supported and generates an inertial force due to a rotational motion, an inertial force due to free fall, and an inertial force due to the rotation of the rotating body. And a moving body configured to be able to ascend with a wire,
The wire is wound around the track from the maximum radius near the outer periphery of the rotating body toward the minimum radius near the center of the rotating body,
The moving body is dropped from the drop start position where the wire is wound the longest around the track,
As the moving body falls, the wire is released from the track while promoting the rotation of the rotating body,
When the moving body falls from the fall start position and the moving body approaches the fall end position, the rotary inertia force of the rotating body is increased, thereby rapidly increasing the wire tension in the direction of braking the falling motion of the moving body. Increase to
When the moving body reaches the end-of-fall position, the wire is completely released from the track and stretched between the coupling end with the moving body and the coupling end with the minimum radius of the track of the rotating body. State and
After the moving body reaches the end position of dropping, the rotational inertia force of the rotating body causes the wire to be wound around the track, thereby pulling up the moving body through the wire. It is characterized by that.

本発明によれば、微小重力装置を構成する運動体の落下終了時に回転運動慣性力と落下運動慣性力をバランスさせ、すなわち、落下の運動エネルギーを回転体のエネルギーに変換することよって自動的に制動作用を行わせるようにしているので運動体の制動のために特別の動力装置あるいは緩衝装置が不要となり、比較的簡便に微小重力状態を創出することができる。このため、微小重力状態での実験装置等を構成する場合に従来のこの種の装置に比し、大幅なコスト削減を達成できる。また、本発明の落下上昇、再落下等によって柄得られる反復的な微小重力環境の実現により、従来の単発的な落下運動を利用した微小重力装置に比べて小型化できるという利点もある。 According to the present invention, at the end of the fall of the moving body constituting the microgravity device, the rotational motion inertia force and the falling motion inertia force are balanced, that is, automatically by converting the kinetic energy of the fall into the energy of the rotating body. Since the braking action is performed, a special power unit or shock absorber is not required for braking the moving body, and a microgravity state can be created relatively easily. For this reason, when constructing an experimental apparatus or the like in a microgravity state, a significant cost reduction can be achieved as compared with a conventional apparatus of this type. Further, the realization of the repetitive microgravity environment obtained by the falling and re-falling of the present invention has an advantage that it can be miniaturized as compared with the conventional microgravity device using the single drop motion.

以下、図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の微小重力装置１の原理図を図１に示す。本発明の微小重力装置は、一定の高さ位置に設けられたベース２と該ベース２上に設置された回転体３と、該回転体３から隔置して同様にベース２上に設置された、滑車４と、該滑車４に下方の位置において上下方向移動可能になっている運動体５を備えている。回転体３と運動体５とは、一本のワイヤ６で連結されており、該ワイヤ６は、回転体３から一端水平方向に延び、滑車を介して、垂下して延び、運動体を吊り下げている。運動体５に内部に設けられた空間において、実質的に無重力状態ないし微小重力状態を創出することができ、この微小重力状態を利用して様々な研究が可能となる。この場合、運動体５の質量と回転体３の質量とは、互いに慣性力を伝達利用できるように適当にバランスさせるようにしている。 The principle diagram of the microgravity device 1 of the present invention is shown in FIG. The microgravity device of the present invention is installed on the base 2 in the same manner with a base 2 provided at a fixed height, a rotating body 3 installed on the base 2, and spaced apart from the rotating body 3. The pulley 4 is provided with a moving body 5 that can move in the vertical direction at a position below the pulley 4. The rotating body 3 and the moving body 5 are connected by a single wire 6. The wire 6 extends from the rotating body 3 in one horizontal direction, extends downwardly via a pulley, and suspends the moving body. It is lowered. In the space provided inside the moving body 5, a weightless state or a microgravity state can be created substantially, and various researches can be performed using this microgravity state. In this case, the mass of the moving body 5 and the mass of the rotating body 3 are appropriately balanced so that the inertial force can be transmitted and utilized.

以下、本発明にかかる微小重力装置を構成する回転体３と運動体５の慣性運動の関係について説明する。 Hereinafter, the relationship of the inertial motion of the rotating body 3 and the moving body 5 which comprise the microgravity apparatus concerning this invention is demonstrated.

以下の説明において、符号を以下のように定義する。
Ｍ：運動体の質量
Ｍ_*：回転体の質量
ｖ：速度（下向きを正）
ｔ：時間
ｇ：重力加速度
ｆ：糸の吊り上げ力
Ｉ：慣性モーメント
ｒ₀：回転体がワイヤと接する最大半径
ｒ：ワイヤとの接点すなわち外力の作用点と回転中心までの距離（半径）
ｒ_f：回転体がワイヤと接する最小半径
Ｎ：回転体に働く偶力、
ω：角速度
Ｋ_*：回転体の慣性半径とすると、
Ｋ：運動体の慣性半径パラメータ In the following description, symbols are defined as follows.
M: Mass of moving body M _* : Mass of rotating body v: Speed (downward is positive)
t: Time g: gravitational acceleration f: lifting force of the thread I: moment of inertia r _0: maximum rotation body is in contact with the wire radius r: distance the point of contact i.e. external force between the wire and to the rotational center (radius)
r _f : minimum radius at which the rotating body contacts the wire N: couple force acting on the rotating body,
ω: angular velocity K _* : suppose that the radius of inertia of the rotating body
K: Radius of inertia parameter of moving body

回転体の運動方程式は

（１）
なお、Ｉ＝Ｍ_*Ｋ_* ²とあらわされる。 The equation of motion of the rotating body is

(1)
Note that I = M _* K _* ² .

また、所定の回転体の半径におけるワイヤからの作用力Ｆは、Ｎ＝ｒＦであり、また、着力点の速度をｖとすれば、ω＝ｖ／ｒであるから、（１）は、

あるいは、

（２）
と表される。 Further, the acting force F from the wire at the radius of the predetermined rotating body is N = rF, and when the velocity of the applied force is v, ω = v / r. Therefore, (1) is

Or

(2)
It is expressed.

これから、Ｋ_* ²／ｒ²は、着力点における回転体３の回転に要する力の指標と考えることができ、この値が小さい場合には、回転体３の回転に要する力が小さく、大きくなると、回転に要する力も大きくなる。 Now, K _* ^² / r ² can be considered as an indicator of the force necessary for the rotation of the rotor 3 at the force applied point, if this value is small, the force necessary for the rotation of the rotating body 3 is small, larger the Also, the force required for rotation increases.

本発明にかかる微小重力装置においては回転体３と運動体５とがワイヤ６を介して互いの慣性力を利用可能に連結されている。 In the microgravity apparatus according to the present invention, the rotating body 3 and the moving body 5 are connected via a wire 6 so as to be able to use their inertial forces.

このため、本発明にかかる装置の場合には、運動体５の落下運動による慣性力が回転体３の回転力を与えることになる。 For this reason, in the case of the apparatus according to the present invention, the inertial force due to the falling motion of the moving body 5 gives the rotating force of the rotating body 3.

したがって、運動体５の質量をＭとすると、
Ｆ＝Ｍｇ−Ｍα
（３）
である。ここで、第２項は加速度運動による慣性力である。これを（２）に代入すると、

（４）
ここで、Ｉ＝ＭＫ²と記載する。この場合Ｋを、慣性半径パラメータと呼ぶ。Ｋは次のように定義することができる。

（５）
これから、

（６）
これから、

に代わって、運動体５による回転体の回り易さを表す指標になることが判明する。 Therefore, when the mass of the moving body 5 is M,
F = Mg-Mα
(3)
It is. Here, the second term is an inertial force due to acceleration motion. Substituting this into (2)

(4)
Here, I = MK ² is described. In this case, K is called an inertia radius parameter. K can be defined as follows.

(5)
from now on,

(6)
from now on,

It turns out that it becomes a parameter | index showing the easiness of rotation of the rotary body by the moving body 5 instead of.

本発明にかかる回転体３に関しては、半径ｒの取りうる範囲は回転体の大きさすなわち半径で決まる。 With respect to the rotating body 3 according to the present invention, the possible range of the radius r is determined by the size of the rotating body, that is, the radius.

そこで、回転体３の拘束をうけないようにするにはＫ／ｒを小さいところすなわち、半径の大きい部分にワイヤ６と回転体３との接点が位置するようにし、回転体３から加減速を受けようとするにはＫ／ｒの大きいところ、すなわち、回転体３の半径の小さくなる位置にワイヤがかかるようにすればよい。 Therefore, in order to prevent the rotating body 3 from being constrained, the contact point between the wire 6 and the rotating body 3 is positioned where K / r is small, that is, where the radius is large, and acceleration / deceleration is performed from the rotating body 3. In order to receive the wire, the wire may be placed where K / r is large, that is, where the radius of the rotating body 3 is small.

適当なＫの値をとるためには、運動体５の質量と、回転体３の慣性モーメントの比を適切な値にする必要がある。例えば、回転体３にはずみ車等を付加することで慣性モーメント（Ｍ_*Ｋ_* ²）が調節できるので、（５）式に基づいてＫの値すなわち、慣性力の伝達のバランスを調整することができる。 In order to take an appropriate value of K, it is necessary to set the ratio of the mass of the moving body 5 and the moment of inertia of the rotating body 3 to an appropriate value. For example, since the moment of inertia (M _* K _* ² ) can be adjusted by adding a flywheel or the like to the rotating body 3, it is possible to adjust the value of K, that is, the balance of transmission of the inertial force based on the equation (5). it can.

運動体の自由落下時及びその後の回転体３の慣性力による運動体の上昇時において、Ｋ／ｒ₀を小さく、制動時にはＫ／ｒ₀を大きくするには、回転体上に制動時に螺旋状に半径ｒが減少するワイヤ巻き付け軌道を形成することによって可能となる。 During rise of the moving body by free fall during and after the inertia force of the rotor 3 of the moving body, reduce the K / r _0, in order to increase the K / r ₀ is the time of braking, spiral during braking on a rotator This is made possible by forming a wire winding trajectory with a reduced radius r.

また、螺旋状のワイヤ巻き付け軌道７を有する滑車を介し、回転体３とを結合するようにすると、さらに制動作用の制御性を高めることができる。このように螺旋状の軌道を回転体に設けることによって、回転体３の外周に付近にワイヤ６が掛かっているときには、等価的にＫ／ｒ₀が小さくなり、運動体は、自由落下に近い運動をし、ワイヤが軌道上を半径が小さくなるように中心部に向かって係合位置が変化する場合には、Ｋ／ｒ₀が等価的に大きくなり制動がかかる。加速、上昇についても同様の特性が予想され、回転体３を用いることで１ｇ（重力加速度）より小さい自由落下及びこの重力加速度を超える制動と加速が可能になる。 Further, if the rotating body 3 is coupled via a pulley having a spiral wire winding track 7, the controllability of the braking action can be further enhanced. By providing the spiral orbit in the rotating body in this way, when the wire 6 is hung around the outer periphery of the rotating body 3, K / r ₀ is equivalently reduced, and the moving body is close to free fall. If the engagement position changes toward the center so that the wire moves and the radius becomes smaller on the track, K / r ₀ becomes equivalently larger and braking is applied. Similar characteristics are expected for acceleration and ascent, and by using the rotator 3, free fall smaller than 1 g (gravity acceleration) and braking and acceleration exceeding this gravitational acceleration are possible.

たとえば、回転体には、図２及び図３に示すような螺旋状のワイヤ巻き付け軌道７を形成することができる。図３に示すように本例では、螺旋軌道７は、ワイヤ６と回転体３との結合端は回転体の軸方向の中央部の最小半径部に位置する。なお、図３の例では、ワイヤ巻き付け用螺旋軌道７は、ワイヤ６と回転体３との結合点の両側に対称的に設けられており、運動体の自由落下運動が生じるとき一方の螺旋軌道からワイヤが解放されて、その後、回転体の慣性力によって他方の螺旋軌道７にワイヤ６が巻き付けられるときに、運動体の上昇運動が生じる。なお、軌道７は左右対称でなくとも、結合点の一方の側だけに設けてもよい。 For example, a spiral wire winding track 7 as shown in FIGS. 2 and 3 can be formed on the rotating body. As shown in FIG. 3, in this example, the spiral track 7 is located at the minimum radius portion of the central portion in the axial direction of the rotating body at the coupling end of the wire 6 and the rotating body 3. In the example of FIG. 3, the wire winding spiral trajectory 7 is provided symmetrically on both sides of the connection point between the wire 6 and the rotating body 3, and one spiral trajectory is generated when the free fall motion of the moving body occurs. When the wire 6 is wound around the other spiral track 7 by the inertial force of the rotating body and the wire 6 is wound around by the inertial force of the rotating body, the moving body rises. The track 7 may be provided only on one side of the coupling point, even if it is not symmetrical.

ワイヤ６の軌道７のらせん形状の勾配ついては、自由運動とみなす部分を０．９ｇ（無重力環境としては、０．１ｇ）とするには、Ｋ／ｒ₀＜１／３、またエネルギー回収率を９０％以上にするには、Ｋ／ｒ_f＞３．３程度とする範囲が好ましい。これらが両立するためには、ｒ_f／ｒ₀＜１／９であることが必要となる。 For the helical gradient of the track 7 of the wire 6, K / r ₀ <1/3, and the energy recovery rate should be set to 0.9 g (0.1 g as a weightless environment) to be regarded as free motion. In order to achieve 90% or more, a range of K / r _f > 3.3 is preferable. In order for both of these to be compatible, it is necessary that r _f / r ₀ <1/9.

また、自由落下運動に対応する螺旋軌道部分は、必ずしも軌道半径を変化させる必要はなく、一定でもよい。図４を参照すると、軌道を対数螺旋形状とするとき、
螺旋軌道７の式は、

（７）
と表すことができる。 Further, the spiral orbit portion corresponding to the free-falling movement does not necessarily need to change the orbit radius and may be constant. Referring to FIG. 4, when the trajectory has a logarithmic spiral shape,
The expression of the spiral trajectory 7 is

(7)
It can be expressed as.

運動体の運動方程式は、

（８）
回転体の運動方程式は、ωを角速度として、

（９）

（１０）
で、独立変数をｒとすると、

（１１）
および、

（１２）
あるいは、

（１３）
すなわち、

（１４） The equation of motion of the moving body is

(8)
The equation of motion of the rotating body is expressed as follows:

(9)

(10)
And if the independent variable is r,

(11)
and,

(12)
Or

(13)
That is,

(14)

ｒ₀からｒまで制動するときの減速分は、

より、

（１５） The deceleration when braking from r ₀ to r is

Than,

(15)

また、回転エネルギーへの変換率は、次式で与えられる。

（１６） Moreover, the conversion rate to rotational energy is given by the following equation.

(16)

これらの関係は、加速期においても成立するので、解の一意性から係数ｃの大小による螺旋形状がエネルギー損失に影響するとは即断できない。しかし、係数ｃを変えれば制動長や加速長が変わるので、所要の減、加速度を実現できる。 Since these relationships hold even in the acceleration period, it cannot be determined immediately from the uniqueness of the solution that the spiral shape due to the magnitude of the coefficient c affects the energy loss. However, if the coefficient c is changed, the braking length and the acceleration length change, so that the required reduction and acceleration can be realized.

比較的長い時間をもって落下を行うと、落下距離が増大し、回転体３の回転速度が上がると回転体の遠心力荷重が増し、設計が難しくなるという事情が生じる。この困難を軽減するために、調速機すなわちガバナーを付加することが好ましい。 When falling for a relatively long time, the falling distance increases, and when the rotational speed of the rotating body 3 increases, the centrifugal force load of the rotating body increases and the design becomes difficult. To alleviate this difficulty, it is preferable to add a governor or governor.

上記(１０)式から、
制動あるいは加速度 α(ｒ）は、

（１７） From the above equation (10),
Braking or acceleration α (r) is

(17)

そこで、（１４）式の対数微分より、

（１８） Therefore, from the logarithmic derivative of equation (14),

(18)

一般に係数ｃを一定とすると、加速度がかなり大きくなる。もともと、ｒ＞Ｋでは、回転エネルギーへの変換率を下げるのが設計の目標であるので、係数ｃの値を大きく採ってもよいが、ｒ＜Ｋでは、制動すなわち回転エネルギーへの変換率を上げる領域であるから、加速度を抑えるよう係数ｃの値を選ぶ必要がある。それゆえ、両領域で同じｃ値を採るのは合理的とはいえない。また、ｒが小さくなるにつけ、急激に加速度が増すのでこの領域でもｃ値を変え、螺旋勾配を適宜変化させた複合形とするとか、ガバナーを活用するのが好ましい。 In general, if the coefficient c is constant, the acceleration becomes considerably large. Originally, when r> K, the design goal is to reduce the conversion rate to rotational energy, so the value of the coefficient c may be increased. However, when r <K, braking, that is, the conversion rate to rotational energy is increased. Since this is a region to be raised, it is necessary to select a value of the coefficient c so as to suppress acceleration. Therefore, it is not reasonable to take the same c value in both areas. Also, as r decreases, acceleration increases rapidly, so it is preferable to change the c-value in this region as well to use a composite shape with the spiral gradient appropriately changed, or to use a governor.

１秒間の微小重力状態を確保できる微小重力装置１の例について説明する。 An example of the microgravity device 1 that can ensure a microgravity state for 1 second will be described.

回転体３の仕様は以下の通りである。
ｒ₀＝０．０５ｍ
ｒ_f＝０．００５ｍ
螺旋パラメターｃ＝０．２
Ｋ＝０．０１５ｍとしたとき、
加速度＝０．７〜１２ｇ（ｒ＝０．０５〜０．０１）が得られた。この場合の、螺旋パターンが図５に示されている。 The specifications of the rotating body 3 are as follows.
r ₀ = 0.05 m
r _f = 0.005m
Spiral parameter c = 0.2
When K = 0.015 m,
Acceleration = 0.7-12 g (r = 0.05-0.01) was obtained. The spiral pattern in this case is shown in FIG.

本例の装置の全体図が図６に示されている。本例の微小重力装置１０は、図１の装置１と同様に一定の高さ位置（少なくとも落下距離が２ｍ以上となるように）に設けられたベースフレーム１１と該ベースフレーム１１上に設置された弾み車１２を一体回転可能に伴う回転体１３と、該回転体１３から隔置して同様にベースフレーム１１上に設置された、滑車１４と、該滑車１４に下方の位置において上下方向移動可能になっている運動体１５を備えている。回転体１３と運動体１５とは、一本のワイヤ１６で連結されており、該ワイヤ１６は、回転体１３から一端水平方向に延び、滑車１４を介して、垂下して延び、運動体１５を吊り下げている。本例の装置では、運動体１５は、外部カプセル１７及びその内部に設置される内部カプセル１８の二重構造になっている。微小重力実験にかかる対象物が搭載されるのは、内部カプセル１８である。さらに、運動体の落下軌道の両側に一対のガイドレール１９、１９が設けられており、一方、運動体の外部カプセル１７には、該ガイドレールと係合するガイドローラ２０、２０、２１、２１、がそれぞれのガイドレール１９に対して一対設けられている。 An overall view of the apparatus of this example is shown in FIG. The microgravity device 10 of the present example is installed on the base frame 11 and the base frame 11 provided at a certain height position (at least so that the fall distance is 2 m or more), similarly to the device 1 of FIG. A rotary body 13 that allows the spinning wheel 12 to rotate integrally, a pulley 14 that is spaced from the rotary body 13 and is similarly installed on the base frame 11, and can be moved in the vertical direction at a position below the pulley 14. The moving body 15 is provided. The rotating body 13 and the moving body 15 are connected by a single wire 16, and the wire 16 extends horizontally from the rotating body 13 at one end and extends downwardly via the pulley 14. Hanging. In the apparatus of this example, the moving body 15 has a double structure of an outer capsule 17 and an inner capsule 18 installed therein. It is the inner capsule 18 on which the object for the microgravity experiment is mounted. Further, a pair of guide rails 19 and 19 are provided on both sides of the fall track of the moving body, while the outer capsule 17 of the moving body has guide rollers 20, 20, 21, 21 that engage with the guide rails. Are provided for each guide rail 19.

さらに、本例の装置は、ワイヤの振れを抑制するための制振機構２２を備えているとともに、運動体の落下軌道の下部には、後述するように制動機構２３が外部カプセル浮遊機構として、設けられている。また、運動体１５の下部には、運動体１５の上昇に際して、一定の質量を解放して上昇運動を容易にするための質量放棄機構２４が設けられている。上記制振機構２２は図７に示すように、外観上直方体の形態を成しており、平面視（図７（ａ）、図７（ｄ））に示すように矩形形状の上板２２１と該上板から垂直に突出するリブ板とを備えている。このリブ板は図７（ａ）において中央部横方向に延びる一対のリブ板２２２、２２２と上下端側において横方向に延びる一対のリブ板２２３、２２３からなる。さらにこのリブ板間２２２、２２３の空間部には、軟質ウレタンフォーム２２５が充填されている（図７（ｃ）、図７（ｄ））。この制振機構２２は、ボルト２２４を介してベースフレーム１１に取りつけられている。 Further, the device of this example includes a vibration damping mechanism 22 for suppressing the wire shake, and a brake mechanism 23 is provided as an external capsule floating mechanism at the lower part of the dropping track of the moving body, as will be described later. Is provided. In addition, a mass abandoning mechanism 24 for releasing a certain mass and facilitating the upward movement when the moving body 15 is raised is provided below the moving body 15. As shown in FIG. 7, the vibration damping mechanism 22 has a rectangular parallelepiped shape, and has a rectangular upper plate 221 as shown in plan view (FIGS. 7A and 7D). And a rib plate protruding vertically from the upper plate. This rib plate is composed of a pair of rib plates 222, 222 extending in the lateral direction in the center in FIG. 7A and a pair of rib plates 223, 223 extending in the lateral direction on the upper and lower ends. Further, the space between the rib plates 222 and 223 is filled with a flexible urethane foam 225 (FIGS. 7C and 7D). The vibration control mechanism 22 is attached to the base frame 11 via bolts 224.

機械的摩擦や空気抗力によるエネルギー損失を考慮する必要がある。エネルギー損失が大きい場合には、上昇エネルギーが不足し、十分な位置まで上昇させることができず、次に落下させる場合において所期の微小重力落下時間を確保することが困難になる恐れがある。そのため、不足分のエネルギーを補給してもよいが、落下質量の一部を最下点において分離することによって、運動体１５の質量を減らすのが好ましい。 It is necessary to consider energy loss due to mechanical friction and air drag. When the energy loss is large, the rising energy is insufficient, the energy cannot be raised to a sufficient position, and it may be difficult to secure the desired microgravity fall time when the next drop is performed. For this reason, the shortage of energy may be supplied, but it is preferable to reduce the mass of the moving body 15 by separating a part of the falling mass at the lowest point.

錘を分離するために、殆ど静止に近い状態でカプセルに連結された所定質量の重りを開放する簡単な機構を運動体の最下部に設ける。 In order to separate the weights, a simple mechanism is provided at the lowermost part of the moving body for releasing the weight of a predetermined mass connected to the capsule in a state almost almost stationary.

図８には、上記質量放棄機構２４の一例が図示されている。 FIG. 8 shows an example of the mass abandonment mechanism 24.

該質量放棄機構２４は、外部カプセル１７の下部外面にブラケット２４１、２４１を介して回動可能に設けられた一対の解放アーム２４２、２４２と、同様に外部カプセル１８にブラケット２４３を介して取りつけられ、該ブラケット２４３から垂下する支持軸２４４に支持された所定質量の錘２４５を備えている。錘２４５は、中央部に設けられた、開口部２４６を上記支持軸２４４が貫通して横触れが防止される状態になっているとともに、閉状態にある開放アーム２４２、２４２の支持部２４７、２４７に端部が支持された状態で運動体１５に取付られている。錘２４５の下方には、これが開放されたときに内部に収容するための受け入れ容器２４８が設けられている。 The mass abandoning mechanism 24 is attached to a lower outer surface of the outer capsule 17 via a pair of release arms 242, 242 rotatably provided via brackets 241, 241 and similarly to the outer capsule 18 via a bracket 243. And a weight 245 having a predetermined mass supported by a support shaft 244 depending from the bracket 243. The weight 245 is provided in a central portion, and the support shaft 244 passes through the opening 246 so that side-contact is prevented, and the support portions 247 of the open arms 242 and 242 in the closed state are provided. It is attached to the moving body 15 with its end supported by 247. Below the weight 245, a receiving container 248 is provided for receiving the weight 245 when the weight 245 is opened.

回転体１５による自由落下に基づく微小重力状態のレベルは、１０^-2ｇ程度が限界である。 The level of the microgravity state based on the free fall by the rotating body 15 is about 10 ⁻² g.

上記のように運動体１５の内部空間を２重構造とすることきによってさらに無重力状態に近づけることが可能となる。 By making the internal space of the moving body 15 have a double structure as described above, it becomes possible to make it closer to a weightless state.

そのため、内部カプセル１８を拘束しないために外部カプセル１７を相対的に移動制御する必要がある。もともとカプセルの運動には拘束力が働いているので、横揺れ防止も兼ねて、ガイドレール１９、１９に沿って運動させるとして、これにローラ２０、２１あるいは動輪をもたせるとよいが。動輪には輪圧を必要とする。無用な摩擦損失を避けるためには、駆動時以外には過度の輪圧を加えないような工夫が必要である。また、制動は滑車−はずみ車の回転運動系にブレーキを設けてもよい。おそらく、１ｓ程度の装置では、打上げ加速直後の外部カプセルを若干制動するだけで、外部カプセルの寸法に余裕を持たせた設計が可能となる。 Therefore, it is necessary to relatively move and control the outer capsule 17 so as not to restrain the inner capsule 18. Originally, a restraint force is acting on the capsule movement, so that it can be moved along the guide rails 19 and 19 to prevent rolling, and it may be provided with rollers 20 and 21 or a driving wheel. Wheel pressure is required for the driving wheel. In order to avoid unnecessary friction loss, it is necessary to devise so as not to apply excessive wheel pressure except during driving. In addition, braking may be provided in the rotational motion system of the pulley-flywheel. Probably, with an apparatus of about 1 s, it is possible to design the external capsule with a margin by simply braking the external capsule just after launch acceleration.

なお、一方微小重力でなく、月面環境（０．１７Ｇ）や火星表面環境（０．３８Ｇ）を模擬するために、積極的に低重力環境試験装置として設計できる。 On the other hand, in order to simulate not the microgravity but the lunar environment (0.17G) and the Martian surface environment (0.38G), it can be positively designed as a low-gravity environment test apparatus.

本例の運動体１５は上記したように外部カプセル１７内に内部カプセル１８が収容された、二重構造になっており、内部カプセル１８の微小重力環境が外部カプセル１７よりもさらに微小重力となるように改善されている。この目的のために本例の装置では、内部カプセル１８を外部カプセル１８に対して浮遊させる浮遊機構が設けられている。 The moving body 15 of this example has a double structure in which the internal capsule 18 is accommodated in the external capsule 17 as described above, and the microgravity environment of the internal capsule 18 becomes even more microgravity than the external capsule 17. Has been improved. For this purpose, the apparatus of this example is provided with a floating mechanism for floating the inner capsule 18 with respect to the outer capsule 18.

浮遊機構について説明する。
浮遊機構については、２つのアプローチの仕方がある。
１つは、外部カプセルを制御して微小重力を改善する方法である。この場合に浮遊機構が図９に示されている。 The floating mechanism will be described.
There are two approaches to the floating mechanism.
One is to improve microgravity by controlling the external capsule. In this case, the floating mechanism is shown in FIG.

この装置は、外部カプセル１７が所定位置まで落下してきたとき、外部カプセル１７の下部外端部と係合して、外部カプセル１７に対し、外部から上方に向かう付勢力を付加するようになっている。この場合の浮遊機構２３は、外部カプセル１７が下降すとき、外部カプセルの外側面に摺接しつつ、ガイドレール１７に取付けられた蝶番２３１の下端を視点として下方に回動するアーム２３２を備えている。アームの先端部付近には、該アームから垂直下方に延びるブラケット２３３を設けられておりこのブラケット２３３には、外部カプセルの外側面がローラ２３４の摺接を超えて下方に移動したとき、カプセル１７の外側面と摺接するブレーキシュー２３５が取付けられている。または、ブラケットのブレーキシュー２３５が取りつけられる側と反対側には、ガイドレール１９に別のブラケット２３６を介して取りつけられた、一対の回動アーム２３７、２３８が結合されている。該アームの下側のアーム２３８は、バネ２３９を介してブラケット２３６に取付けられており、外部カプセルに接触してアーム２３２が下方に回動し、これに連動してアーム２３８が下方に回動するときこれに抗するバネ力を生じるようになっている。 When the external capsule 17 falls to a predetermined position, this device engages with the lower outer end portion of the external capsule 17 and applies an urging force directed upward from the outside to the external capsule 17. Yes. The floating mechanism 23 in this case includes an arm 232 that pivots downward with the lower end of the hinge 231 attached to the guide rail 17 as a viewpoint while sliding on the outer surface of the external capsule 17 when the external capsule 17 is lowered. Yes. A bracket 233 extending vertically downward from the arm is provided near the tip of the arm. When the outer surface of the outer capsule moves downward beyond the sliding contact of the roller 234, the capsule 17 A brake shoe 235 slidably in contact with the outer side surface is attached. Alternatively, a pair of rotating arms 237 and 238 attached to the guide rail 19 via another bracket 236 are coupled to the side of the bracket opposite to the side on which the brake shoe 235 is attached. The arm 238 on the lower side of the arm is attached to the bracket 236 via a spring 239. The arm 232 rotates downward in contact with the external capsule, and the arm 238 rotates downward in conjunction with this. When this happens, a spring force that resists this is generated.

本例において外部カプセル１７は、加速度γ＜ｇで運動し、内部カプセル１８を外部カプセル１７から離反させる方向に制御した場合、内部カプセル１８が外部カプセル１７に対し、

の相対速度を持つ。 In this example, the outer capsule 17 moves at an acceleration γ <g, and when the inner capsule 18 is controlled to move away from the outer capsule 17, the inner capsule 18

With a relative speed of.

内部カプセル１８の運動：

外部カプセル１７の運動：

相対運動は、

として、

ｔ＝０で、

から、

Movement of the inner capsule 18:

Movement of external capsule 17:

Relative motion is

As

t = 0,

From

理想的に所要無重力時間Ｔで、再び ζ＝０となるとすれば、

あるいは、所要の初速度は、

である。 Ideally, if the required weightless time T and ζ = 0 again,

Or the required initial speed is

It is.

なお、浮遊距離すなわち、外部カプセルと内部カプセルとの相対移動距離の最大値は、

である。したがって、
例えば、ε＝０．８ｍ／ｓ２、Ｔ＝１秒の条件では、 ζmax＝１０ｃｍとなり、これだけの相対変位量を確保できるように余地が内外カプセル１７、１８の間の間隔が確保されていればよい。 The floating distance, that is, the maximum relative movement distance between the outer capsule and the inner capsule is

It is. Therefore,
For example, under the conditions of ε = 0.8 m / s 2 and T = 1 second, ζmax = 10 cm 2, and if there is enough space between the inner and

outer capsules

17 and 18 so as to secure such a relative displacement amount. Good.

一定加速度での減速として、１０ｃｍ走行する間に０．４ｍ／ｓ減速するとする。打上げ速度は５ｍ／ｓだから、概略０．０２ｓで減速するために加速度は２０ｍ／ｓ²となる。すなわち、約２ｇの方向性減速機構を設ける必要がある。 As a deceleration at a constant acceleration, the vehicle is decelerated by 0.4 m / s while traveling 10 cm. Since the launch speed is 5 m / s, the acceleration is 20 m / s ² in order to decelerate approximately 0.02 s. That is, it is necessary to provide a directional reduction mechanism of about 2 g.

浮遊機構の別の形態は、外部カプセルに対して内部カプセルの動作を相対的に制御することである。 Another form of the floating mechanism is to control the operation of the inner capsule relative to the outer capsule.

この場合の浮遊機構２５の例が図１０に示されている。
この例では、内部カプセル１８の下部外面と、外部カプセル１７の下部内面との間にバネ２５１が配置さている。そして外部カプセル１７にさらにバネの内側にバネ変位を規制するストッパー２５２が設けられている。 An example of the floating mechanism 25 in this case is shown in FIG.
In this example, a spring 251 is disposed between the lower outer surface of the inner capsule 18 and the lower inner surface of the outer capsule 17. The outer capsule 17 is further provided with a stopper 252 for restricting spring displacement inside the spring.

この浮遊機構２５において、
内部カプセル１８の運動は、

外部カプセル１７の運動は、

バネ２５１の上に内部カプセルを載せておく。

但し、Ｍは等価質量で、

In this floating mechanism 25,
The movement of the inner capsule 18 is

The movement of the external capsule 17 is

An internal capsule is placed on the spring 251.

Where M is the equivalent mass,

初期変位 −ζ₀、速度０の状態からの運動は、

ただし、

１ｇ下での変位をζ₁（ｍ）とすると、

ｔ＝Ｐ／４で最大速度に達するから、ｔ＝０．０２ｓとするためには、Ｐ＝０．０８ｓ。すなわち、ζ₁＝１．６ｍｍのバネを用いる。
また、

の関係から、δｖ₀＝０．４ｍ／ｓ、ζ₀＝５．１ｍｍ。
それゆえ、加速中に圧縮されるバネの圧縮長を５．１ｍｍに抑えるのが好ましい。 The motion from the initial displacement −ζ ₀ and velocity 0 is

However,

If the displacement under 1 g is ζ ₁ (m),

Since the maximum speed is reached at t = P / 4, to set t = 0.02 s, P = 0.08 s. That is, a spring of ζ ₁ = 1.6 mm is used.
Also,

From the relationship, δv ₀ = 0.4 m / s, ζ ₀ = 5.1 mm.
Therefore, it is preferable to suppress the compression length of the spring compressed during acceleration to 5.1 mm.

（本発明の他の実施の形態）
上下運動を利用した無重力では、その頂点付近では瞬間速度が０となり、無重力状態を目視できる。とくに、教育目的にはこの点が特有の利点となると考えられる。この目的ためにカプセルは透明体にするのが好ましい。 (Another embodiment of the present invention)
In weightlessness using vertical motion, the instantaneous speed is zero near the top, and the weightless state can be visually observed. This is a particular advantage for educational purposes. For this purpose, the capsule is preferably a transparent body.

本発明にかかる微小重力装置では、ワイヤ（ケーブル）の切断についての配慮が不可欠である。複数の回転体及びこれに付加される弾み車で運動体すなわちカプセルを吊るすのは冗長性及び、費用低減の観点で好ましい。この場合、二重回転体とし、螺旋の位相を１８０°とすれば、一個の滑車で２組のワイヤが出来るので、冗長性を備えると同時に、動釣り合いも改善することができる。 In the microgravity device according to the present invention, consideration for cutting a wire (cable) is indispensable. It is preferable from the viewpoints of redundancy and cost reduction to suspend the moving body, that is, the capsule, with the plurality of rotating bodies and the spring wheel added thereto. In this case, if a double rotating body is used and the phase of the spiral is 180 °, two sets of wires can be made with one pulley, so that redundancy can be provided and dynamic balance can be improved.

ガイドレールの支持構造は大型となり費用に大きく影響する。ワイヤートラスとして展張できる構造とし、容易に撤去可能とすることが好ましい。 The support structure of the guide rail becomes large and greatly affects the cost. It is preferable that the wire truss can be extended and can be easily removed.

落下距離が大きくなると滑車の回転数が大きくなり、動力学的に設計が難しくなる。また、滑車直径も大きくなり、費用増大にもつながる。このため、滑車の回転数低減は大型化に際して重要である。落下距離zと滑車駆動の偶力を一般化すれば、

（１９）
ここに、ｚは落下距離である。従って、本例の無重力装置で自由落下、上昇過程では、σを小さくし、制動加速過程では、適切な値とする。それは、回転体を２つ組み合わせることで実現できる。 As the fall distance increases, the number of revolutions of the pulley increases, making dynamic design difficult. Also, the pulley diameter increases, leading to increased costs. For this reason, reducing the number of rotations of the pulley is important when the size is increased. If you generalize the fall distance z and pulley drive couple,

(19)
Here, z is a fall distance. Therefore, in the zero gravity apparatus of this example, σ is decreased during the free fall and ascent process, and is set to an appropriate value during the braking acceleration process. This can be realized by combining two rotating bodies.

図１１図にその一例が示されている。
すなわち、本例の構造では、回転体１３が共通の回転軸２６上に弾み車１２を伴っているとともに、運動体１５が垂下する滑車１４との間に共通の回転軸２７上に別の回転体２８を備えている。このようにすることにより回転体の軌道を適宜選択することにより、ワイヤ１６の巻き付け軌道の勾配変化を大幅に制御することが可能となる。これによって、運動体と回転体との間の慣性力の伝達関係を制御するに際して必要に応じて制御ゲインを効果的高めることができる。 An example is shown in FIG.
That is, in the structure of this example, the rotating body 13 is accompanied by the flywheel 12 on the common rotating shaft 26 and another rotating body on the common rotating shaft 27 between the rotating body 13 and the pulley 14 on which the moving body 15 hangs down. 28. In this way, by appropriately selecting the trajectory of the rotating body, it becomes possible to greatly control the gradient change of the winding trajectory of the wire 16. As a result, the control gain can be effectively increased as necessary when controlling the transmission relationship of the inertial force between the moving body and the rotating body.

たとえば、落下開始時においては、ワイヤ１６は回転体１３では最大半径部の軌道に位置し、回転体２８では、最小半径部に巻きついており、運動体１５が最下点に向けて落下するとき、ワイヤ１６が、回転体１３では最大半径部から最小半径部に巻きつくように巻き付部を移動し、一方、回転体２８では、最小半径部から最大半径部に巻きつくように巻きつき部を移動し、さらに、上昇して最終的に運動体１５がもとの落下前の上昇位置にもどるとき、再びワイヤ１６は回転体１３では最大半径部の軌道に位置し、回転体２８では、最小半径部に巻きつく位置になる。 For example, at the start of dropping, the wire 16 is positioned on the track of the maximum radius portion in the rotating body 13, and is wound around the minimum radius portion in the rotating body 28, and the moving body 15 falls toward the lowest point. In the rotating body 13, the winding portion moves so as to wind from the maximum radius portion to the minimum radius portion, while in the rotating body 28, the winding portion winds from the minimum radius portion to the maximum radius portion. , And ascends and finally the moving body 15 returns to the raised position before the fall, the wire 16 is again positioned on the orbit of the maximum radius in the rotating body 13, and in the rotating body 28, The position will wrap around the smallest radius.

このようにすることにより、回転体１３及び、運動体１５の慣性エネルギーを効率的に伝達することができる。 By doing in this way, the inertial energy of the rotary body 13 and the moving body 15 can be transmitted efficiently.

微小重力装置を構成する場合として、以下の点を考慮することが好ましい。
ａ）装置剛性を確保する。垂直水平の適正な制度を確保する。
ｂ）カプセルの横揺れ防止策としてガイドレール等が有効である。
ｃ）レールの真直度は、１ｍｍ以下とするのが好ましい。
ｄ）回転体の静バランス精度の許容範囲を考慮し水平度を適切に確保する。
ｅ）運動のための適度な潤滑性を確保する。
ｆ）カプセル最下部における運動では、Ｇが大きくなり、ワイヤ横振動を抑制する機構を設けるのが好ましい。
ｇ）運動体の上昇エネルギー補償のための、質量放棄機構を設けることが好ましい。
ｈ）微小重力環境を改善するため内部カプセルと、外部カプセルとの二重構造として両者の間の関係を適正に制御するための浮遊機構を設けることが好ましい。 In configuring the microgravity device, it is preferable to consider the following points.
a) Ensuring device rigidity. Ensure an appropriate vertical and horizontal system.
b) A guide rail or the like is effective as a measure for preventing the capsule from rolling.
c) The straightness of the rail is preferably 1 mm or less.
d) Appropriate levelness is ensured in consideration of the allowable range of the static balance accuracy of the rotating body.
e) Ensure adequate lubricity for exercise.
f) It is preferable to provide a mechanism for suppressing the lateral vibration of the wire because G increases in the movement at the bottom of the capsule.
g) It is preferable to provide a mass abandonment mechanism for compensating the rising energy of the moving body.
h) In order to improve the microgravity environment, it is preferable to provide a floating mechanism for appropriately controlling the relationship between the inner capsule and the outer capsule as a double structure.

本発明は重力環境下において、容易に微小重力環境を創出することができるので、特に簡易的な微小重力実験に好適である。 Since the present invention can easily create a microgravity environment in a gravitational environment, it is particularly suitable for a simple microgravity experiment.

本発明に従う微小重力装置の概略構成を示す全体図、Overall view showing the schematic configuration of a microgravity device according to the present invention, 回転体のワイヤ巻き付け軌道を示す側面図、A side view showing a wire winding track of a rotating body, 回転体のワイヤ巻き付け軌道を図２とは別の視点から側面図、The side view of the wire winding track of the rotating body from a different viewpoint from FIG. 回転体におけるワイヤの軌道の説明図、Explanatory drawing of the wire trajectory in the rotating body, 回転体のワイヤの螺旋軌道の１例を示す説明図、Explanatory drawing which shows one example of the helical track | orbit of the wire of a rotary body, 本発明の１実施例にかかる微小重力装置の概略構成を示す全体図、1 is an overall view showing a schematic configuration of a microgravity apparatus according to one embodiment of the present invention; 制振機構の１例を示す説明図、An explanatory view showing an example of a vibration control mechanism, 質量放棄機構の１例を示す側面図、A side view showing an example of a mass abandonment mechanism, 制動型カプセル浮遊機構の例を示す説明図、An explanatory view showing an example of a brake capsule floating mechanism, 押し上げ型カプセル浮遊機構の例を示す説明図、An explanatory view showing an example of a push-up type capsule floating mechanism, 回転体を複数組み合わせて運動体を制御するようにした微小重力装置の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the microgravity apparatus which controlled the moving body by combining several rotary bodies.

符号の説明Explanation of symbols

１微小重力装置
２ベース
３回転体
４滑車
５運動体
６ワイヤ
７ワイヤ巻き付け軌道
１０微小重力装置
１１ベースフレーム
１２弾み車
１３回転体
１４滑車
１５運動体
１６ワイヤ
１７外部カプセル
１８内部カプセル
１９ガイドレール
２０ローラ
２１ローラ
２２制振機構
２３制動型カプセル浮遊機構
２４質量放棄機構
２５押し上げ型カプセル浮遊機構
２６共通回転軸
２７共通回転軸
２８回転体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microgravity apparatus 2 Base 3 Rotating body 4 Pulley 5 Moving body 6 Wire 7 Wire winding track 10 Microgravity apparatus 11 Base frame 12 Spin wheel 13 Rotating body 14 Pulley 15 Moving body 16 Wire 17 External capsule 18 Internal capsule 19 Guide rail 20 Roller 21 Roller 22 Damping mechanism 23 Braking capsule floating mechanism 24 Mass abandoning mechanism 25 Push-up type capsule floating mechanism 26 Common rotating shaft 27 Common rotating shaft 28 Rotating body

Claims

回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、
自由落下運動をし、該自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体と、
一端が前記回転体に、他端が前記運動体に結合されたワイヤと、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて前記ワイヤ巻き付け可能に前記回転体に一体に設けられたワイヤ巻き付け軌道とを備え、
前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置にあるとき前記回転体の前記最大半径部から垂下し、前記運動体が落下終了位置にあるとき、前記最小半径部から垂下するようになっており、かつ、前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置に位置するとき、最も長く前記軌道に巻き付けられた状態をとり、前記運動体が落下終了位置にあるとき前記軌道から完全に開放されて、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態となり、
前記運動体が落下開始位置から落下し始めるとき、前記回転体が回転を開始し、前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力が増大し、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力が急激に増大するようになっており、かつ、前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じ、これによって、前記運動体が前記ワイヤに引っ張られて上昇するように構成されたことを特徴とする微小重力装置。 A rotating body that is rotatably supported and generates an inertial force due to rotational movement;
A moving body configured to freely move and generate an inertial force due to the free fall, and to be raised using the inertial force due to the rotation of the rotating body,
A wire having one end coupled to the rotating body and the other end coupled to the moving body;
A wire winding track provided integrally with the rotating body so as to be capable of winding the wire from a maximum radius portion near the outer periphery of the rotating body toward a minimum radius portion close to the center of the rotating body;
The wire hangs down from the maximum radius of the rotating body when the moving body is in a drop start position, and hangs down from the minimum radius when the moving body is in a drop end position; and When the moving body is located at the fall start position, the wire is wound the longest around the track, and when the moving body is at the fall end position, the wire is completely released from the track, And the extended end between the connecting end with the minimum radius of the orbit of the rotating body,
When the moving body starts to fall from the falling start position, the rotating body starts to rotate, and when the moving body approaches the end of dropping position, the rotational inertia force of the rotating body increases, thereby dropping the moving body. The wire tension suddenly increases in the direction of braking the movement, and the wire is wound around the track by the rotary inertia force of the rotating body after the moving body reaches the end position of dropping. The microgravity device is configured so that the moving body is lifted by being pulled by the wire.

前記落下終了位置に達したとき、運動体の質量の一部を分離する機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。 The apparatus according to claim 1, further comprising a mechanism that separates a part of the mass of the moving body when the fall end position is reached.

前記運動体の落下運動または上昇運動を運動方向にガイドするガイド手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし２に記載の装置。 The apparatus according to claim 1, further comprising guide means for guiding a falling motion or a rising motion of the moving body in a moving direction.

前記運動体が、外部カプセルとこの外部カプセルの内部に配置される内部カプセルとを備えており、両者の相対運動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３に記載の装置。 The said moving body is provided with the external capsule and the internal capsule arrange | positioned inside this external capsule, The control means which controls relative movement of both is provided. apparatus.

前記制御手段が、外部カプセルの外部に設けられ、外部カプセルを制動することによって内部カプセルとの相対運動の制御を行うようになったことを特徴とする請求項４に記載の装置。 5. The apparatus according to claim 4, wherein the control means is provided outside the outer capsule and controls the relative movement with the inner capsule by braking the outer capsule.

前記制御手段が、外部カプセルの内部に設けられ、内部カプセルと外部カプセルとの相対運動を許容するバネ機構を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。 5. The apparatus according to claim 4, wherein the control means includes a spring mechanism provided inside the outer capsule and allowing relative movement between the inner capsule and the outer capsule.

前記ワイヤ巻き付け機構が最小半径部に関して非対称に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の装置。 7. The apparatus according to claim 1, wherein the wire winding mechanism is formed asymmetrically with respect to a minimum radius portion.

前記運動体が複数の回転体を経由して巻回されたワイヤに結合されていることを特徴とする請求項１ないし７の装置。 8. The apparatus according to claim 1, wherein the moving body is coupled to a wound wire via a plurality of rotating bodies.

回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体とをワイヤで連結し、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて軌道に前記ワイヤを巻き付け、
前記ワイヤが最も長く前記軌道に巻き付けられた落下開始位置から前記運動体を落下させ、
前記運動体の落下に伴って、前記ワイヤを回転体の回転を促進させつつ前記軌道から開放させ、
前記運動体が落下開始位置から落下して前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力を増大させ、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力を急激に増大させ、
前記運動体が落下終了位置に到達したとき前記ワイヤを前記軌道から完全に開放し、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態とし、
前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じさせ、これによって、前記運動体を前記ワイヤを介して引っ張り上昇させる段階を備えたことを特徴とする微小重力環境形成方法。 A rotating body that is rotatably supported and generates inertial force due to rotational motion, and can generate inertial force due to free fall and can be raised using the inertial force due to rotation of the rotating body. Connect the configured moving body with a wire,
The wire is wound around the track from the maximum radius near the outer periphery of the rotating body toward the minimum radius near the center of the rotating body,
The moving body is dropped from the drop start position where the wire is wound the longest around the track,
As the moving body falls, the wire is released from the track while promoting the rotation of the rotating body,
When the moving body falls from the fall start position and the moving body approaches the fall end position, the rotary inertia force of the rotating body is increased, thereby rapidly increasing the wire tension in the direction of braking the falling motion of the moving body. Increase to
When the moving body reaches the end-of-fall position, the wire is completely released from the track and stretched between the coupling end with the moving body and the coupling end with the minimum radius of the track of the rotating body. State and
After the moving body reaches the end position of dropping, the rotational inertia force of the rotating body causes the wire to be wound around the track, thereby pulling up the moving body through the wire. A method for forming a microgravity environment characterized by the above.