JP2005147726A - 飛翔体用気圧高度計とその誤差補正方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 飛翔方向xを中心軸とする円筒形外表面2aを有する飛翔体1の高度を検知する気圧高度計10。円筒形外表面2aの飛翔方向先端から等しい位置に設けられた複数の静圧孔12と、該複数の静圧孔の平均静圧を検出する平均静圧検出器14と、飛翔方向先端部に設けられ総圧を検出する総圧検出器16と、検出された平均静圧と総圧から飛翔中の平均静圧を補正し高度を演算する高度演算装置18とを備える。
【選択図】 図1
Description
気圧高度計は、ロケット弾等の飛翔体の発射前に取得した発射点の気圧(基準気圧)と目標とする高度差に対応する気圧差を、機体表面に設けた静圧孔を通して気圧センサにより検知するものである。
前記円筒形外表面の飛翔方向先端から等しい位置に設けられた複数の静圧孔と、該複数の静圧孔の平均静圧を検出する平均静圧検出器と、飛翔方向先端部に設けられた総圧孔を通して総圧を検出する総圧検出器と、検出された平均静圧と総圧から飛翔中の平均静圧を補正し高度を演算する高度演算装置とを備えた、ことを特徴とする飛翔体用気圧高度計が提供される。
従って高度演算装置で検出された平均静圧と総圧から飛翔中の平均静圧を補正することによって、流速の影響によって発生する高度誤差要因を大幅に低減でき、分離機構や減速機構なしに、通常の飛翔中に高度を正確に検知することができる。
静圧補正値P'=P−Cp'×q0・・・(式1)
ことが好ましい。
また、複数の静圧孔12は、迎角が変動する場合でも、動圧の影響を低減し圧力係数Cpをゼロに近い値に保持することができるように、先端と末端の尾翼から十分離れて圧力係数Cpがゼロに近くなる位置に、中心軸に直交する平面内でかつ中心軸まわりに等しい位相角で、6以上設けるのがよい。
高度演算装置18による演算は、平均静圧Pと総圧P1から飛翔中の動圧推定値q0を総圧P1とPとの差圧q0=P1−Pとして求め、各静圧孔位置での圧力係数の平均値Cp'を風洞試験やCFD解析等であらかじめ設定し、下記の(式1)で平均静圧Pを補正して、高度計算用の静圧P'を算出する。
静圧補正値P'=P−Cp'×q0・・・(式1)
この補正方法により、高度誤差検出精度を大幅に向上することできる。
1. 無誘導のロケット弾において、飛翔中のイベント(例えば、分離やペイロード放出等)のタイミングを決定する方式としては、一般的に時限方式が用いられている。高度検知方式は弾道飛翔するロケット弾においては射距離誤差が大きいため、その適用例はほとんどみられない。しかし射角変動などで高度ばらつきが大きくなる運用において、射距離誤差より所定の高度でのイベント作動を優先させたいニーズもあり、この場合には高度検知方式が有効である。
高度を検知するためのセンサには電波高度計やGPS等があるが、これらは一般的に高価である。気圧センサを用いた高度計は、飛翔速度や適用高度などの制約はあるものの低コスト化が可能であり、ロケット弾に安価に高度検知方式を適用することができる。
気圧センサを用いた高度検知方式として、発射前に取得する発射点の気圧(基準気圧)と目標とする高度差に対応する気圧差を、機体表面に設けた静圧孔を通して気圧センサにより検知することを考える。この際、気圧センサによる高度誤差の要因には、センサ単体のEN(温度特性、応答性等)、気象現象による気圧や空気密度変動等があるが、ロケット弾に適用する場合に最も問題になるのが、飛翔中の流速により発生する静圧(気圧)との圧力差(静圧誤差)の影響である。
大型の航空機等では、この影響の小さい静圧孔位置を風洞試験や飛翔試験等により綿密に選定していると共に、他のセンサ類からの機体姿勢や速度等の情報に基づいてエアデータコンピュータ(ADC)で補正を行っている。
外形形状が限定された小型なロケット弾の場合、静圧孔位置を選定するには制約がある。また姿勢情報等、圧力誤差を補正するためのセンサ類の適用は、安価なロケット弾においてはコスト的に現実的でない。
本発明では、この静圧誤差による高度誤差を低減する方法について、具体的なロケット弾への適用例で示す。
標準大気における気圧P(hPa)と標高H(m)の関係は(数1)の(3.1)式で与えられる。
本発明において、高度検知方式の適用対象とするロケット弾は、図1に示したものであり、図2はその飛翔シーケンス、図3は理想条件時の飛翔プロファイルである。
本発明において、気圧センサ(すなわち、圧力検出器14,16)を適用する際の制約条件として、外形寸法等の変更はできないものとした。また低コスト化のために、姿勢や速度等を検知する等の高価なセンサ類は適用しないものとした。
上述したロケット弾に高度検知方式を適用した場合の、静圧誤差による高度誤差の低減方法を以下に示す。
ロケット弾の機体表面Cp分布をCFD解析により算出した結果を図4に示す。この図において、(a)は迎角α=5°の場合、(b)は迎角α=10°の場合である。
この図から、よどみ点(胴部2の先端)から流れが加速していく先端付近は、先端からの機軸方向距離や位相角θによる圧力変動が大きく、先端から離れるとともにCpの絶対値は小さくなり静圧に近づくが、尾翼付近になるとその影響で逆にCpの絶対値は大きくなることがわかる。
また、Cpの推定精度を向上するためには、静圧に近く、位相角や迎角による変動が小さい位置に静圧孔を設置する必要がある。従って静圧孔の設置位置はCpの絶対値がほぼ最小となるL1=0.6L付近を選定した。
選定したL1=0.6Lの位置に静圧孔を設けて、風洞試験により各位相角毎のCp計測を行った結果及び対応するCFD解析結果を図5に示す。なおCFD解析と風洞試験結果はほぼ一致していた。
この図から迎角が大きい場合、位相角によってCpは大きくばらつくことがわかる。そのためロールフリーのロケット弾の場合、飛翔中の位相角は変動し特定できないため、Cpの推定精度を高くするためには、このばらつきを抑える必要がある。
本発明では8位相に静圧孔を設けて平均をとることとした。この時の迎角に対するCp及び位相によるばらつき(上限及び下限値)を図7に示す。図5に示した平均前に比べ、位相角及び迎角によるCp変動を小さく抑えていることが分かる。
静圧誤差による高度誤差を低減するためには、飛翔中の静圧孔位置のCp及び動圧から静圧誤差を推定して、飛翔中に静圧孔から気圧センサに入力される圧力を補正すれば良い。 飛翔中の動圧は、機体先端に設置した圧力孔を通して得られる総圧と8位相の平均圧力との差分をとることによって推定できる。この動圧推定値は、迎角に応じて誤差が大きくなるが、その誤差はCpの変動に比べ充分小さく、補正上は問題ないといえる。
この動圧推定値と8位相のCp平均値を用いて、静圧孔から気圧センサに入力される各時刻毎の8位相の平均圧力に対して(数3)の(3.3)式に示す補正を行うことにより、高度誤差の低減を図った。
8位相の平均圧力計測値、Cp0:迎角0°時のCpの8位相平均値、(静圧孔位置により一意に決まる補正用設定値)、q0(t):飛翔中の各時刻tにおける、機体先端圧力と8位相平均圧力P8(t)との差圧計測値である。
飛翔中に気圧センサに入力される圧力のシミュレーションを行い、上述した補正方法による高度誤差の低減効果の検証を行った。以下の2つの飛翔条件について、シミュレーションによる高度誤差算出結果を図8に示す。なお、本シミュレーションでは、高度に対する気圧の関係は標準大気に従うものとし、気圧センサ単体の誤差はないものとした。
飛翔条件2:高度誤差が大きくなる条件の1例(射角60°、追風20m/sとして発射時に大きな迎角を発生させ、かつ空力安定性を劣化させて迎角振動の減衰を小さくした場合)
従ってこの結果から2条件とも、本発明の補正を行うことにより高度誤差を大幅に低減できることが分かる。
(1) CFD解析や風洞試験による機体表面Cp分布の把握と適切な静圧孔位置の選定
(2) 複数位相の平均化による圧力ばらつきの低減と静圧孔位置のCpの推定
動圧の推定と静圧誤差の補正
またこれにより、機体姿勢や速度等の情報を用いることなく、かつ減速装置を用いて減速することなく、圧力計測のみで飛翔体の高度を正確に検知することができることが確認された。
10 飛翔体用気圧高度計、12 静圧孔、14 平均静圧検出器、
16 総圧検出器、18 高度演算装置
Claims (7)
- 飛翔方向を中心軸とする円筒形外表面を有する飛翔体の高度を検知する飛翔体用気圧高度計であって、
前記円筒形外表面の飛翔方向先端から等しい位置に設けられた複数の静圧孔と、該複数の静圧孔の平均静圧を検出する平均静圧検出器と、飛翔方向先端部に設けられた総圧孔を通して総圧を検出する総圧検出器と、検出された平均静圧と総圧から飛翔中の平均静圧を補正し高度を演算する高度演算装置とを備えた、ことを特徴とする飛翔体用気圧高度計。 - 前記複数の静圧孔は、圧力係数Cpの迎角による変動が小さく、かつ飛翔による流速方向と円筒形外表面の中心軸が一致するときに圧力係数Cpがゼロまたはゼロに近い値となる位置に設けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の飛翔体用気圧高度計。
- 前記飛翔体は、細長い円筒形の胴部とその末端に尾翼を有するロケット又はロケット弾であり、前記複数の静圧孔は、先端と末端の尾翼から十分離れて圧力係数Cpがゼロに近くなる位置に、中心軸に直交する平面内でかつ中心軸まわりに等しい位相角で、6以上設けられる、ことを特徴とする請求項1に記載の飛翔体用気圧高度計。
- 飛翔方向を中心軸とする円筒形外表面を有する飛翔体の飛翔方向先端から等しい位置の円筒形外表面に複数の静圧孔を設け、該複数の静圧孔の平均静圧Pを検出し、同時に飛翔方向先端部に作用する総圧P1を検出し、検出された平均静圧と総圧から飛翔中の平均静圧を補正し高度を演算する、ことを特徴とする飛翔体用気圧高度計の誤差補正方法。
- 前記複数の静圧孔を、圧力係数Cpの迎角による変動が小さく、かつ飛翔による流速方向と円筒形外表面の中心軸が一致するときに圧力係数Cpがゼロまたはゼロに近い値となる位置に設ける、ことを特徴とする請求項4に記載の誤差補正方法。
- 前記飛翔体は、細長い円筒形の胴部とその末端に尾翼を有するロケット又はロケット弾であり、前記複数の静圧孔を、先端と末端の尾翼から十分離れて圧力係数Cpがゼロに近くなる位置に、中心軸に直交する平面内でかつ中心軸まわりに等しい位相角で、6以上設ける、ことを特徴とする請求項4に記載の誤差補正方法。
- 前記平均静圧Pと総圧P1から飛翔中の動圧推定値q0を総圧P1とPとの差圧q0=P1−Pとして求め、各静圧孔位置での圧力係数の平均値Cp'を風洞試験やCFD解析等であらかじめ設定し、下記の(式1)で平均静圧Pを補正して、高度計算用の静圧P'を算出する、
静圧補正値P'=P−Cp'×q0・・・(式1)
ことを特徴とする請求項4に記載の誤差補正方法。
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