JP2005520738A - 宇宙飛行体の姿勢を制御するためのジャイロスコープ・アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１軸（ｚ）を中心に支持構造体を回転させるために用いられるモータによって土台（１０）上に搭載される反動輪支持構造体を含み、また、第１軸に垂直な第２軸（ｘ）を中心に高速で反動輪スピナを駆動する手段が備えられた反動輪を保持する制御モーメントジャイロスコープに関する。上記支持構造体すなわちジンバルは、土台上で回転する管状部品と、反動輪の１つの側面のみに配置され、また、前記反動輪および管状部品に固定されるフランジが含まれる。反動輪の直径および反動輪がフランジに固定される点は、反動輪が管状部品に貫入するように配分される。

Description

本発明は、ジャイロダイン、すなわちジャイロスコープ・アクチュエータ（制御モーメントジャイロスコープを表す頭文字ｃｍｇで示すことが多い）に関する。これらは、角運動量の交換によって、宇宙飛行体、特に、衛星の姿勢を制御するために通常用いられる反動輪とは、次の点で異なる。すなわち、反動輪の回転軸に直交する少なくとも１つの軸を中心に少なくとも１つのモータによって方位を定め得るジンバルと呼ばれる支持体に搭載されるという点で異なる。通常、反動輪のスピナは、一定速度で回転するか、又は、その配備の際ほとんど変化しない速度を少なくとも有する。

衛星の本体に結合された基準三面体の方位は、ジンバルが反動輪軸の１つの方位軸のみを呈する一群の少なくとも３つのジャイロスコープ・アクチュエータによって３つの軸を中心に制御し得る。２軸制御の場合、２つのジャイロスコープ・アクチュエータで十分である。実際には、一般的に、少なくとも４つのジャイロスコープ・アクチュエータがひとまとまりになって用いられ、３Ｄ制御の冗長性が確保される。ジャイロスコープ・アクチュエータを用いる姿勢制御システムの特に有利な例は、特許文献１又は特許文献２で与えられており、これらに対して参照を行なう場合がある。

ほとんどの既存のジャイロスコープ・アクチュエータは、図１に概略を示すような種類の構造を有する。このジャイロスコープ・アクチュエータは、衛星の本体に固定されるようになっている台座１０を含む。更に、アクチュエータの能動部が配置される容積を気密エンベロープ（図示せず）で画成し得る。台座には、台座上で軸ｚを中心にしてモータが方位を定め得る反動輪支持体１２が搭載される。以下、用語「反動輪」１４は、支持体に固定される部分と、支持体の回転軸ｚに直交する軸ｘを中心に支持体上で回転し得るスピナとを含む組立体を指す。電動モータがほぼ一定の調整された速度で反動輪を駆動する。

一般にジンバルと呼ばれる支持体は、単一の軸を中心に反動輪の軸の方位を定め得るだけであるが、一般に、ｚ軸を中心にした環状の形状を呈する。これは、反動輪またはスピナを完全に取り囲む。その結果、組立体は、極めて大きな容積を占有し、また、与えられた最大角運動量および剛性に対して大きな質量を有する。ここで、衛星搭載時に生じる制約のために、ジャイロスコープ・アクチュエータに必要な空間およびそれらの質量は、与えられた角運動量の容量に対して、できるだけ低減しなければならない。
仏国特許第98 14548号 米国特許第6 305 647号

本発明は、特に、質量が低減され、必要とする空間が低減され、全体的な構造上の剛性が大きく、衛星本体とのインターフェイスの構築と組立の一体化を容易にする形態で具現化し得るジャイロスコープ・アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明は、特に、この目的のために、第１軸を中心にそれを回転し得る手段によって台座上に搭載される反動輪支持構造体を含み、また、第１軸に直交する第２軸を中心に反動輪のスピナを高速で駆動し得る手段が備えられた反動輪を保持するジャイロスコープ・アクチュエータであって、支持構造体には、台座上で回転する管状部品と、反動輪の１つの側面に配置され、一方は反動輪に、他方は管状部品に固定されたフランジとが含まれ、反動輪の直径および反動輪をフランジに固定する位置は、反動輪が軸方向に管状部品に、そして、できるだけ台座内に貫入するように配分されるジャイロスコープ・アクチュエータを提案する。

この配置によって、反動輪は、管状部品に、また、往々にして台座にも貫入することから、ジンバルの回転軸に沿って必要な空間を低減することが可能である。支持構造体の直径は、反動輪の直径に等しく、また、台座の直径は、反動輪の直径より大幅に小さいことから、遊びに必要な空間および衛星上の設置面積もまた低減される。

有利な点として、フランジは、広い端部が、管状部品に固定され、狭い端部が、反動輪を保持する切頭円錐の角度部の全体的な形状を呈する。

フランジは、（狭い端面側において）反動輪を固定するための半円筒状部と、（広い端部側において）管状部品上に固定するためのリムとを呈し得る。

有利な点として、フランジは、それに剛性を与える内部リブを呈し、構造体の第１の全体振動モードを、所定の質量に対して、特に１００ヘルツを超える大きな値にし得る。これらのリブは、互いに９０°で配置され一方が反動輪に面し他方が最初のものに垂直な２つの仕切りを含み得る。

有利な点として、管状部品（以降、「円錐」とも呼ぶ）は、大きな底面がフランジに固定された切頭円錐形状における第一部位を呈する。この円錐形状は、支持構造体の大きい剛性に関係する。円錐の大きな直径部分は、有利な点として、支持構造体、すなわち、ジンバルの方位を定めるためのモータの回転子を保持する。円錐の性質は、有利な点として、角コーダの回転部を台座上に搭載するための軸受の回転部と、支持構造体と台座との間で電力および信号を伝達するための手段の一部と、を連続して保持する管状部によって拡張される。有利な点として、円錐を拡張する管状部は、軸受のレベルから電力および信号の伝達レベルまで減少する直径のいくつかの円筒状部分を呈する。

上述の特徴並びに他の特徴は、非限定的な例として与えられる本発明の特定の実施形態について行なう説明を解釈するとより明らかになるであろう。説明は、それに付随する図面を参照する。

アクチュエータの基本的な構造を示す図２において、台座１０は、使用中、任意の方位に向けることができ、その上において、反動輪１４が固定された支持構造体１２が回転する。支持構造体は、いくつかの部品で組み立てられている。これらの部品には、軸受１８によって台座１０上に保持され頂部が切頭円錐状の管状部品１９（図２の底部）と、反動輪の片側に配置され、一方が反動輪の非回転部に、他方が管状部品に固定されたフランジ２０とが含まれる。反動輪１４の直径、支持構造体１２および台座１０の相対的な寸法、反動輪がフランジ上に固定される位置は、反動輪が管状部品内に突き出すように、また、（破線で示すように）動作時、反動輪によって一掃される容積の軸ｚを中心とする直径が、台座のリム２１の直径より大きくならないように配分される。したがって必要な空間は、ジンバルへの片持ち梁式取付け台の貫入および反動輪の貫入により、最小限になる。

大きい底面がフランジに固定された切頭円錐状部の他に、管状部品１９には、直径が切頭円錐から底面端に徐々に減少する段差形状を呈する管状拡張部が含まれる。第１円筒状スパン２２は、固定部が台座１０に搭載される軸受１８の回転部に固定される。第１スパンより直径が小さい第２スパン２４は、角コーダ（図示せず）の回転部を保持する。最後に、第３スパン２６は、図２の場合、このスパンと台座１０の底部との間で、可撓性ケーブル、ワインダまたは回転整流子によって信号や電力を伝達するための手段をそこに収納するのに充分な寸法の環状領域２８を空けておくように、更にもっと小さい直径を呈する。

次に、図３に一例として示す特定の実施形態の構造について、以下に述べるが、ここでは、図２の要素に対応する要素は、同一の参照番号を有する。

台座１０は、リム２１が備えられた底部円筒状部と、ジンバルの方位を定めるための電動モータ３０の固定子を保持する上部フレア部とを呈する。このモータ３０は、例えば、入力が外部システムにリンクされる制御ループによって制御される永久磁石付きのトルクモータである。このトルクモータは、ステッパ(stepper)モータで置き換えることができる。

特定の実施形態において、軸受１８（図２）は、背中合わせに搭載され位置調整された２つ一組のジャーナルを含む。これらのジャーナルは、特に、ボールまたはローラ軸受で構成し得る。後者の場合、各ジャーナルのボールの円は、リング上で斜めに支持されるように工夫されており、このためボールに作用する力は、円錐の母線を占有する。２つの軸受を背中合わせに搭載することによって、２つの円錐の頂点は互いに離間配置ができ、例えば、一方を反動輪の中心レベルに、他方を領域２６内部に配置できる。軸受の直径および接触角（ボールの支持方向と軸受のリングとの間の角度）の適切な選択によって、打ち上げ時の負荷の持ち上げ、飛行中の摩擦の低減、および軸受によって全体的に占有される容積間の可能な限り最適な妥協を実現し得る。

ジンバルの角位置は、台座１０に強固に固定された部分および支持構造体にリンクされた回転子部を呈するコーダによって、任意の瞬間において与えられる。

特に、微細照準モードで動作可能な近接電子回路によって処理し得る直交信号の形態のインクレメンタルな出力の光学式コーダを用いることができる。

光学式コーダは、レゾルバ等の電動式コーダに対して数多くの利点を呈する。これによって高い精度を得ることができる。角運動量の満足な位置付けを充分満たすプラス／マイナス３秒の角度より良い精度を得ることができる。

外部から制御され、測定信号および電力供給を行なうための手段は、少なくとも限定された角度範囲内においてジンバルの回転を許容しなければならない。

上述したように、リングおよびブラシ付きの回転コネクタを用いることができる。これには、ジンバルの回転を制限しないという有利な点があるが、伝達される信号の数が多くなると摩擦トルクが大きくなり得るという欠点がある。リングおよびブラシによる伝達の他の有利な点として、反動輪は、打ち上げ段階時、回転が自由にドリフトし得る。

また、多重導体可撓性ケーブルおよびケーブルワインダによって信号を伝えるための手段を用いることができる。通常のケーブルワインダには、互いに対して回転し得る２つのドラムをリンクする大量の導体を含む可撓性ケーブルが含まれる。ケーブルの各端部は、ドラムの１つに固定され、また、ケーブルは、ドラムが互いに対して回転する際、巻かれたりほどかれたりする。このようなワインダの摩擦トルクは、回転コネクタのそれより極めて小さく、接触はより良い。

フランジ２０は、図示した事例では、複雑な形状を呈する。これは、剛性および堅牢さの理由により、単一の部品から構成されている。その外表面は、回転表面の角をなす扇形の形態をとる。これは、管状部品上に固定するためのリム２３で終端する切頭円錐形状部と、強化用リム５１も備えた半円筒状部と、を有する。

フランジ２０に高い剛性を与えながらも重量を小さくするために、フランジの横方向の壁は、リブで強化される。これらのリブには、フランジの縁部をリンクする仕切り５２と、フランジの中間面に配置され前述の仕切りに直交する仕切り５４と、が含まれる。フランジは、一列の均等に分散されたネジ５６によって管状部品に固定される。

反動輪４０のケースは、強化リブに近接するようにフランジの中間面を基準にしてずらして、４つのネジ５８によってフランジに固定される。反動輪は、公知の種類の構造を有し得る。例えば、これは、気密性のケースと、スピナとを含む。ケースには、スピナが回転する軸受と、スピナ駆動モータの固定子と、タコメータとを保持する支持プレートが備えられる。反動輪は、公知の種類のものでよいため、その内部構造については詳細に説明しない。

通常、スピナは、高速で、ほぼ一定速度で回転する。スピナ駆動モータには、例えば、一般に、電気的に切り替えられ、トルクが摩擦エネルギー損失を補正し、ブラシもなく、また鉄心もないトルクモータが含まれる。

動作時、特にモータによって放散された熱および摩擦による熱を除去して、過熱しないように、また、熱の影響を受けやすい構成要素の熱勾配が過剰にならないようにする必要がある。更に、様々な構成要素の熱膨張係数について整合性を高めるように模索した方がよい。

衛星において、熱放散は、衛星本体の冷たい壁面への伝導又は放射によってのみ発生し得る。フランジ２０は、反動輪と側壁との間に配置される。これは、アルミニウム等、熱の良導体材料から構成でき、また、その外面は、放射を改善するために黒化し得る。ジンバルの軸受の熱勾配を低減するために、円錐は、有利な点として、チタン等の伝導度が小さい材料で形成される。

図５は、他の実施形態を示すが、ここでは、図２ないし図４Ｂの構成要素に対応する構成要素を同じ参照番号で示す。この変形例は、前述の実施形態と比較して、厚い反動輪、すなわち、厚さ／直径比が大きい反動輪の用途に適する。

この場合、管状部品１９の円錐内への反動輪１４の貫入は、低減され、また、反動輪が台座１０に貫入することはない。

図５に示す構成によって、更に、鉛直方向の必要空間が、図２に示す構造を呈するアクチュエータのそれより小さくすることが可能である。軸受１８およびモータ３０は、互いに同心円状にほぼ同一の高さに配置される。信号および電力を外部に伝達するための手段には、管状部品１９のスパン２４および２６の内部に配置されリング３４を有する回転整流子が含まれる。そして、光学式センサが、スパン２６の下に配置される。

他の変形例では、モータ３０と軸受１８との相対的な配置は、図１に示すものに対して反転される。機械的な観点から、直径の大きな軸受がモータ外部で半径方向に配置される構成が、機械的な観点から好ましい。しかしながら、他方、この構成では、アクチュエータが冷たい状態で、動作開始時、初期摩擦が高くなる。

更に他の実施形態では、回転整流子は、モータおよび軸受と同じ軸方向のレベルに、それらの内部で半径方向に配置される。

更に他の実施形態が可能である。特に、相対的にサイズが小さく、また、重量が小さい（数百キログラム）衛星の場合、図５の場合より厚い反動輪を用いることによって、貫入の可能性を低減することが適切な場合がある。

通常、アクチュエータは、次の条件に適合することが望ましい。
反動輪の回転軸に最も近接している領域におけるジンバルの最大直径は、ジンバルの回転時、反動輪によって一掃される円筒の直径以下であるが、同時に、反動輪の厚さより大きい。
単に衛星のプラットフォームに固定される場合、台座の直径は、支持構造体の最大直径より小さいか、せいぜいそれに等しい。

既に述べたように、既知の種類のアクチュエータにおけるジンバルの軸を通る断面図である。 本発明の実施形態によるジャイロスコープ・アクチュエータの基本的な図であり、ジンバルの軸を通過する平面を通る断面図である。 図２に示す基本構造を有するジャイロスコープ・アクチュエータの立面図である。 図３のアクチュエータのフランジを示す透視図である。 図３のアクチュエータのフランジを示す透視図である。 他の実施形態によるアクチュエータの部分断面立面図である。

符号の説明

１０ 台座
１２ 支持構造体
１４ 反動輪
１８ 軸受
１９ 管状部品
２０ フランジ
２１ リム
２２ スパン
２４ スパン
２６ スパン
２８ 環状領域
３０ 電動モータ

Claims (10)

1. 第１軸を中心にそれを回転し得る手段によって台座上に搭載される反動輪支持構造体を含み、また、第１軸に直交する第２軸を中心に反動輪（１４）のスピナを高速で駆動し得る手段が備えられた反動輪を保持するジャイロスコープ・アクチュエータであって、
   支持構造体（１２）には、台座上で回転する管状部品と、反動輪の１つの側面に配置され、一方は反動輪に、他方は管状部品に固定されたフランジ（２０）とが含まれ、反動輪の直径および反動輪をフランジに固定する位置は、反動輪が軸方向に管状部品に貫入するように配分されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記管状部品は、大きな底面が前記フランジに固定された切頭円錐形状の一部を呈し、その円錐の大きな直径部分が、前記支持構造体の方位を定めるためのモータの回転子を保持することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記切頭円錐は、角コーダの回転部を前記台座上に搭載するための軸受の回転部と、前記支持構造体と前記台座との間で電力および信号を伝達するための手段の一部と、を連続して保持する管状部によって拡張されることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 円錐を拡張する前記管状部は、軸受のレベルから減少する直径の円筒状部分を呈することを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記フランジは、広い端部が、管状部品に固定され、狭い端部が、反動輪を保持する切頭円錐の角部位の全体的な形状の一部を呈することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
6. 前記フランジは、切頭円錐状の外部形状を有する部分のいずれか一方側において、前記反動輪を固定するための半円筒状部と、前記管状部品上に固定するためのリムとを呈することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
7. 前記フランジは、互いに９０°で配置され一方が反動輪に面し他方が最初のものに垂直な少なくとも２つの仕切りが含まれる内部リブを呈することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
8. 前記管状部品は、軸受を介して台座上で回転し、前記軸受は、反対向きの接触角を有するボール軸受又はローラ軸受から構成される互いに接触状態にある２つのジャーナルを含むことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. 前記管状部品は、チタン等、熱の不良導体である材料から作られていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
10. 反動輪もまた軸方向に台座に貫入することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
    
    

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