JP2009150874A - 調節可能型ストラットを有するロータアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】過大な重量、計算、および動力消費量を必要とせずに、擾乱を吸収するように調節可能な、運動量制御装置用のロータアセンブリを提供する。
【解決手段】ロータアセンブリが、シャフトと、質量と、複数の調節可能型ストラットを備える。ストラットは、質量がシャフトに対して移動可能になるようにシャフトに結合された第１の端部および質量に結合された第２の端部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、ロータアセンブリに関し、より詳細には、調節可能型ストラットを有するロータアセンブリに関する。

ロータアセンブリを有する運動量制御装置が、宇宙船およびその他の機体に通常使用されている。これら運動量制御装置のロータアセンブリは、姿勢制御およびその他の目的のために母機に運動量を伝達しトルクを加えるのに使用される回転慣性部材である。運動量制御装置は、個々に、または系列的に配置して使用することができる。運動量制御装置の例としては、コントロールモーメントジャイロおよびリアクションホイールが挙げられる。

コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）は、宇宙船および人工衛星を含む様々な機体の姿勢および運動量制御を行うために一般的に使用される。コントロールモーメントジャイロは、通常、ロータアセンブリと、ロータをロータ軸周りに回転させるモータとを備える。ロータアセンブリは、通常、ハウジングの内部ジンバルアセンブリ内に支持され、ジンバル軸周りに回転させられる。ジャイロの作動中、ロータは、モータによってロータ軸周りに所定の速度で廻される。宇宙船にトルクを掛けるために、回転するロータが、ジンバル軸周りにジンバル支持されている。ロータアセンブリは、十分な質量をもち、ロータアセンブリがその回転面から外れた運動をすると、ロータ軸およびジンバル軸の両方に垂直な出力軸周りにトルクが発生するような速度で回転している。このトルクが、機体に伝達されて、制御状態で機体を運動させる。

同様に、リアクションホイールもまた、様々な機体の姿勢および運動量制御を行うために一般的に使用される。リアクションホイールは、通常、ロータ、ベアリング、およびモータを備え、機体構造に結合され、一般にリアクションホイールアセンブリ（ＲＷＡ）と呼ばれる。モータは、ロータのホイール速度を変化させることができる能力を有する。ロータ速度が変化させられると、運動量の交換が行われ、モータが、回転軸周りのトルクを機体に与える。殆どの用法では、複数のリアクションホイールが、リアクションホイール配列として用いられる。配列内の複数のリアクションホイールは、３軸制御のために、それらの回転軸が３次元に亘るように配置されている。複数のリアクションホイールをこのように配置すると、その配列を用いて、様々な軸、一般には３軸全てに沿って機体にトルクを掛けることができるようになる。機体の姿勢制御を行うために、トルクを選択的にこれら軸に加えることができる。

ＣＭＧおよびＲＷＡなど、従来の運動量制御装置が一般に有効である一方で、それら運動量制御装置は、有害な擾乱を機体に引き起こすこともある。気体の多くのシステムが、振動およびその他の擾乱に対して敏感であり得る。振動およびその他の擾乱は、人工衛星などの宇宙空間システムでは特に問題になりやすい。人工衛星での振動は、様々な異常を誘発し、人工衛星の性能を劇的に低下させ得る。たとえば、それ自体に厳密な姿勢を正確に取らせ、または搭載機器を厳密に目標に向ける必要がある人工衛星は、揺らぎの原因になる振動およびその他の擾乱に対して特に脆弱である。

一般に、ＲＷＡおよびＣＭＧなどの運動量制御装置が発生させる主要な擾乱は、ロータの静的および動的アンバランスによって生じ得る。他の擾乱は、ロータを駆動するのに使用するモータ、ロータを支持するのに使用するベアリングの幾何学的不備、およびモータ接続回路の不備によって発生し得、それらは望ましくない不平滑なトルクおよび脈動トルクを生じる。

振動およびその他の擾乱の影響を低減するために、幾多の様々な手法が用いられてきた。これらの手法には、動吸振器および振動絶縁装置などの受動的装置の使用も含まれる。さらに、これら擾乱を減衰または除去するために、いくつかの能動的装置が使用されてきた。残念ながら、これら従来の解決法はいくつかの限界を有している。たとえば、受動的装置は、通常、擾乱の一部分しか除去できない。従来の能動的装置は、一般に、より有効であるが、やはり一般に、過度の動力消費量を発生し、過大な重量に至り、計算負荷が高い。

したがって、過大な重量、計算、および動力消費量を必要とせずに、擾乱を吸収するように調節可能な、運動量制御装置用のロータアセンブリを提供することが望ましい。さらに、主要なロータアンバランス擾乱を最低限に抑えるような調節用アクチュエータを有するロータアセンブリを提供することが望ましい。なお、本発明の他の望ましい特徴および特性は、以下の本発明の詳細な説明および添付特許請求の範囲を添付図面および上記の本発明の背景と併せて考慮することにより明らかになるであろう。

例示的一実施形態によれば、ロータアセンブリは、シャフトと、質量と、複数の調節可能型ストラットを備える。ストラットは、質量がシャフトに対して移動可能になるように、シャフトに結合された第１の端部および質量に結合された第２の端部を有する。

別の例示的実施形態によれば、ロータアセンブリシステムは、シャフトと、質量と、質量がシャフトに対して移動可能になるように、シャフトに結合された第１の端部および質量に結合された第２の端部をそれぞれが有する複数の調節可能型ストラットとを有するロータアセンブリを備える。システムは、調節可能型ストラットを調節するためにそれらストラットのそれぞれに結合されたアクチュエータと、ロータアセンブリのアンバランスを測定するためにロータアセンブリに結合され、アンバランスを表す第１の信号を生成するセンサと、第１の信号をセンサから受け取り、調節可能型ストラットを調節しロータアセンブリのアンバランスを修正するための第２の信号をアクチュエータに送るように構成された制御プロセッサとをさらに備える。

別の例示的実施形態によれば、ロータアセンブリのアンバランスを補正する装置は、質量と、ロータアセンブリのアンバランスを補正するために、質量がロータアセンブリに対して３並進および３回転自由度で移動可能になるように質量をロータアセンブリに結合するべく構成された６つの調節可能型ストラットとを備える。

本発明が、以下に、添付図面に即して説明される。添付図面では、同じ番号は同じ要素を示す。

以下の詳細な説明は、本来単に例示的であり、本発明または本発明の用途および使用法を限定するものではない。さらに、前述の背景または以下の詳細な説明に表されたいかなる理論に束縛されるものでもない。

図１は例示的実施形態による運動量制御装置システム１００の構成図である。運動量制御装置システム１００は、一実施形態では、周回軌道衛星などの宇宙船に搭載され、宇宙船の姿勢を制御する。図１は、運動量制御装置システムとしての例示的実施形態を示すが、他の実施形態の態様は、任意のタイプのロータ制御システムに組み込み、かつ／または任意のタイプの機械に組み込むことができる。システム１００の構成要素の一部は、当技術分野では周知であり、様々なプロセッサ、ソフトウェア、制御装置、センサなどを用いて様々な様式で組み立てることができる。さらに、システム１００のある構成要素によって通常もたらされる様々な計算機能は、代わりに別の構成要素によってもたらすことができる。図１に示されるシステム１００は、例示的実施形態の説明に関係ある構成要素を備えているが、システム１００は、この種のシステム１００に設けられることがある、周知であるが図１に示されていない他の要素またはシステムを備え得る。

システム１００は、運動量アクチュエータ制御プロセッサ１０４を備える。コントロールモーションジャイロ（ＣＭＧ）１０６などの１つまたは複数の運動量制御装置が、運動量アクチュエータ制御プロセッサ１０４に結合されている。ＣＭＧ１０６は、プロセッサ１０４に直接に、または中間装置を介して結合され得る。以下にさらに詳細に説明するように、ＣＭＧ１０６は、モータによって軸周りに回転させられるロータアセンブリを備える。ロータアセンブリは、ロータ軸およびジンバル軸の両方に直交する出力軸周りにトルクを発生させるようにハウジング内にジンバル支持され得る。このトルクが、機体に伝達されて、制御状態で機体を運動させる。他の実施形態では、システム１００は、リアクションホイールアセンブリ（ＲＷＡ）または他のタイプの運動量制御装置を備え得る。

作動中、プロセッサ１０４は、所望の宇宙船の機動に関する操作指令を受け取る。これらの操作指令に基づいて、プロセッサ１０４は、所望の宇宙船の機動を達成するために必要な、１つまたは複数のＣＭＧ１０６のジンバル角度および速度を計算する。これらの計算に基づいて、プロセッサ１０４は、機動を遂行するのに必要なトルクを発生させる調節指令をＣＭＧ１０６に発する。

システム１００はまた、１つまたは複数のＣＭＧ１０６に関連する１つまたは複数のセンサ１０８を備える。センサ１０８は、各ＣＭＧ１０６の状態に関するデータを収集し、そのデータをプロセッサ１０４に送る。特に、センサ１０８は、振動、騒音、および／または不要なトルクを生じ得るＣＭＧ１０６内のアンバランスについての情報を収集する。プロセッサ１０４は、センサ１０８からデータを受け取り、アンバランスを修正するのに必要なＣＭＧ１０６内の調節量を計算する。次いで、プロセッサ１０４は、これらの計算に基づいてＣＭＧ１０６に調節指令を発し、それに従って、より詳細に以下に説明されるようにＣＭＧ１０６が調節される。

図２は、図１の運動量制御装置システム１００に使用される例示的ＣＭＧ１０６の側方断面図である。図３および４はそれぞれ、図２のＣＭＧ１０６のロータアセンブリ２００の上面図および下面図であり、図５は、ロータアセンブリ２００の透視図である。

先ず図２を参照すると、ＣＭＧ１０６は、ロータアセンブリ２００、ハウジング２０２、およびモータ２０４を備える。ロータアセンブリ２００は、支持構造体２１０によってシャフト２０８に結合された質量２０６を備える。必ずではないが、質量２０６は、ほぼ円盤形状であり、シャフト２０８を取り巻いている。シャフト２０８は、ハウジング２０２およびモータ２０４に結合された第１の端部２１２および第２の端部２１４を備える。

モータ２０４および／またはハウジング２０２は、ロータアセンブリ２００に結合されて、力およびトルクを伝達してロータアセンブリ２００を回転させることを可能にし、同時に、信号および動力をロータアセンブリ２００に伝達することを可能にする。一実施形態では、スリップリング、ロールリング、または同様な機構を備え得るベアリング２１１によって、ロータアセンブリ２００をハウジング２０２に結合することができる。

次に図２〜５を参照すると、ロータアセンブリ２００の支持構造体２１０は、６つのストラット２２０〜２２５を備える。３つのストラット２２０〜２２２は、質量２０６をシャフト２０８の第１の端部２１２に結合し、３つのストラット２２３〜２２５は、質量２０６をシャフト２０８の第２の端部２１４に結合する。ストラット２２０〜２２２は、図３および４に示すようにストラット２２３〜２２５と整列させることができ、あるいは別の実施形態では、ストラット２２０〜２２２は、ストラット２２３〜２２５に対してずらすこともできる。さらに、図３および４は、ストラット２２０〜２２５がシャフト２０８からほぼ垂直に延在するところを示すが、ストラット２２０〜２２５はまた、シャフト２０８からそれ以外の角度で延在させてもよい。より多くの、またはより少ない数のストラット２２０〜２２５を設けることもできる。ストラット２２０〜２２５は、ほぼ真直ぐで剛性が高く、以下に説明するように、調節可能であり得る。ストラット２２０〜２２５は、一端または両端に屈曲端部または同様な枢支部を有し得る。一実施形態では、ストラット２２０〜２２５は、チタニウムから製造され得る。

各ストラット２２０〜２２５は、第１の部分２３０〜２３５および第２の部分２４０〜２４５を有し得る。第１の部分２３０〜２３５と第２の部分２４０〜２４５は、調節用アクチュエータ２５０〜２５５によってそれぞれ一体に結合されている。調節用アクチュエータ２５０〜２５５は、プロセッサ１０４（図１）からの信号に基づいて伸張しまたは収縮することにより、ストラット２２０〜２２５を調節することができる。ストラット２２０〜２２５のそれぞれに調節用アクチュエータ２５０〜２５５を設けることにより、ロータアセンブリ２００の質量２０６は、３並進および３回転自由度でそれぞれ独立にロータシャフト２０８に対して調節することができる。ロータ慣性主軸をロータ回転軸に一致させることによってアンバランスを補正するために、ロータアセンブリ２００の慣性主軸が特に調節され得る。調節可能型ストラット２２０〜２２５および調節用アクチュエータ２５０〜２５５はまた、回転質量２００を調節して、ロータアセンブリ２００とハウジング２０２との結合の不備によって発生するような他の振動または擾乱を相殺することができる。

調節用アクチュエータ２５０〜２５５は、たとえば、高剛性圧電性アクチュエータでもよい。圧電性アクチュエータは、電荷を掛けると伸張または収縮するセラミックまたは結晶などの材料から形成される。上記に指摘したように、調節用アクチュエータ２５０〜２５５への電荷は、プロセッサ１０４（図１）によって供給される。一実施形態では、調節用アクチュエータ２５０〜２５５は、作動中の引張過荷重を回避するために圧縮予加重状態で製造または装着される。

一例として、図５は、中立位置にあるロータアセンブリ２００の図である。上記で説明したように、センサ１０８（図１）が、望ましくない擾乱または振動に至るロータアセンブリ２００のアンバランスを検出する。様々な実施形態では、センサ１０８は、調節可能型ストラット２２０〜２２５、ロータアセンブリ２００の他の部分、および／またはロータアセンブリ２００の外部に組み込むことができる。センサ１０８は、収集したデータをプロセッサ１０４（図１）へ送り、プロセッサ１０４は、計算し、必要な調節指令をロータアセンブリ２００の調節用アクチュエータ２５０〜２５５へ発する。図６は、調節済み位置にあるロータアセンブリ２００の図である。この例では、ストラット２２０、２２１、２２４、および２２５が伸び、ストラット２２２および２２３が縮んで、質量２０６を適切に再配置している。

本明細書に記載された例示的実施形態は、ＣＭＧ１０６およびその他のロータアセンブリ装置の振動および擾乱を低減する。その結果、動吸振器および振動絶縁装置などの装置の使用、ならびに精密な検査およびバランス修正を減少させ、または無くすことができる。ＣＭＧ１０６のアンバランスを、過剰な追加重量、動力消費または計算負荷なしに、修正することができる。調節可能型ストラットおよび調節用アクチュエータはＣＭＧに限定されることなく、たとえば、ＲＷＡ、または機械的ジャイロ、フライホイール、もしくはヘリコプタのロータなどの回転質量を有する全ての機械装置に使用することができる。

調節可能型ストラット２２０〜２２５および調節用アクチュエータ２５０〜２５５は、ＣＭＧ１０６内の静的および／または動的アンバランスを修正する。上記に指摘したように、調節可能型ストラット２２０〜２２５および調節用アクチュエータ２５０〜２５５は、たとえばロータアセンブリ２００の慣性主軸の配向を調節することによって、回転質量２０６を調節することを利用して、ロータアセンブリ２００のアンバランスを修正する。他の実施形態では、２次的質量（図示せず）を調節することによってロータの質量の中心を調節することができる。２次的質量は、上記に説明したように調節用アクチュエータを用いて調節することができる６つのストラットによって、回転質量および／またはシャフトに結合され得る。

上記の本発明の詳細な説明では少なくとも１つの例示的実施形態が提示されたが、膨大な数の変形形態が存在することが理解されるべきである。１つまたは複数の例示的実施形態は単なる例であり、決して、本発明の範囲、適用性、または構成を限定するものではないこともまた理解されるべきである。むしろ、上記の詳細な説明は、本発明の例示的実施形態の実現のために便利な道案内を当業者に提供するであろう。添付特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態中に記載された要素の機能および配置に様々な変更を加えることができることが理解されるべきである。

例示的実施形態による運動量制御装置システムの構成図である。 図１の運動量制御装置システムに使用される例示的コントロールモーションジャイロの側方断面図である。 図２のコントロールモーションジャイロのロータアセンブリの上面図である。 図２のコントロールモーションジャイロのロータアセンブリの下面図である。 図２〜４のロータアセンブリの斜視図である。 調節済みの図４のロータアセンブリの透視図である。

符号の説明

１００ 運動量制御装置システム
１０４ 制御プロセッサ
１０６ ＣＭＧ
１０８ センサ
２００ ロータアセンブリ
２０２ ハウジング
２０４ モータ
２０６ 質量
２０８ シャフト
２１０ 支持構造体
２１１ ベアリング
２１２ 第１の端部
２１４ 第２の端部
２２０ ストラット
２２１ ストラット
２２２ ストラット
２２３ ストラット
２２４ ストラット
２２５ ストラット
２３０ 第１の部分
２３１ 第１の部分
２３２ 第１の部分
２３３ 第１の部分
２３４ 第１の部分
２３５ 第１の部分
２４０ 第２の部分
２４１ 第２の部分
２４２ 第２の部分
２４３ 第２の部分
２４４ 第２の部分
２４５ 第２の部分
２５０ 調節用アクチュエータ
２５１ 調節用アクチュエータ
２５２ 調節用アクチュエータ
２５３ 調節用アクチュエータ
２５４ 調節用アクチュエータ
２５５ 調節用アクチュエータ

Claims (3)

1. シャフト（２０８）と、
   質量（２０６）と、
   前記質量（２０６）が前記シャフト（２０８）に対して移動可能になるように、前記シャフト（２０８）に結合された第１の端部（２１２）および前記質量（２０６）に結合された第２の端部（２１４）をそれぞれが有する複数の調節可能型ストラット（２２０）と、
   を備えるロータアセンブリ（２００）。
2. シャフト（２０８）、
   質量（２０６）、
   前記質量（２０６）が前記シャフト（２０８）に対して移動可能になるように、前記シャフト（２０８）に結合された第１の端部（２１２）および前記質量（２０６）に結合された第２の端部（２１４）をそれぞれが有する複数の調節可能型ストラット（２２０）、ならびに、
   前記調節可能型ストラット（２２０）を調節するために前記ストラット（２２０）のそれぞれに結合されたアクチュエータ（２５０）
   を備えるロータアセンブリ（２００）と、
   前記ロータアセンブリ（２００）のアンバランスを測定するために前記ロータアセンブリ（２００）に結合され、前記アンバランスを表す第１の信号を生成するセンサ（１０８）と、
   前記第１の信号を前記センサ（１０８）から受け取り、前記調節可能型ストラット（２２０）を調節し前記ロータアセンブリ（２００）の前記アンバランスを修正するための第２の信号を前記アクチュエータ（２５０）に送るように構成された制御プロセッサ（１０４）と、
   を備えるロータアセンブリシステム。
3. 質量（２０６）と、
   ロータアセンブリ（２００）のアンバランスを補正するために、前記質量（２０６）が前記ロータアセンブリ（２００）に対して３並進および３回転自由度で移動可能になるように、前記質量（２０６）を前記ロータアセンブリ（２００）に結合するべく構成された６つの調節可能型ストラット（２２０）と、
   を備える、ロータアセンブリ（２００）のアンバランスを補正する装置。

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