JP2011001050A - 小型衛星内における運動量制御システムに基づくコントロールモーメントジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙船のための自己保持運動量コントロールシステム（ＭＣＳ）を提供する。
【解決手段】ＭＣＳは、２００００ＲＰＭを超える回転速度の小型のジャイロスコープローターを備える。ＭＣＳは、単一のエンクロージャー内に堅く取り付けられた少なくとも３つのコントロールモーメントアセンブリ（ＣＭＡ）１１５を備え、各ＣＭＡは、各ＣＭＡの長手方向軸が、他の全てのＣＭＡに直交するように、または他のＣＭＡに逆方向で平行になるように取り付けられる。ＭＣＳのサイズをさらに小さくするために、電子機器パッケージがＭＣＳエンクロージャー内に含まれる。各ＣＭＡをエンクロージャーに固定するために複数の衝撃吸収装置６０が用いられ、ＣＭＡに作用する発射の負荷を低減し、より小さなロータースピンベアリングを使用できるようにする。ＣＭＡおよび支持構造を取り囲むＭＣＳエンクロージャーは、密封シールされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型衛星内における運動量制御システムに基づくコントロールモーメントジャイロスコープに関する。

本願は、２００９年６月１８日に出願された米国仮出願第６１／２１８２９１号の利益を享受し、またこの米国仮出願は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明はアメリカ空軍により付与された契約ＦＡ９４５３−０８−０２４７に基づく政府の支援によりなされた。政府は本発明に関し一定の権利を有する。

小型衛星における改良された姿勢機敏性（agility）は、データ収集速度を改善し、データを地上に伝達するために利用できる時間を増加させることによりその価値を増加させる。データを収集または伝達するために、衛星が１つの姿勢から他の姿勢に移行するときに時間遅れが存在するからである。移行時間が長くなれば、データ収集および伝達のために利用できる時間は短くなる。

機敏な小型衛星における現在の技術水準は、１°／秒より小さい動作速度を許容する。小さな衛星におけるよりよい機敏性は、合成される大きな口径の撮像、移動する地上部隊の追跡、ミサイル追跡、戦術的撮像、宇宙優性（space superiority）および宇宙情勢感知（space situational awareness）のような従来達成されていない新しい任務を可能にする。これらの新しい任務は、２°／分およびそれより早い動作速度を必要とするかもしれない。

本技術分野において、反作用ホイールアセンブリ（ＲＷＡ）が、小さな衛星において姿勢を制御するために、および２°／分またはそれより早い動作速度を生成するために用いられている。しかし、ＲＷＡは、本来的に小さいトルク生成能力そ備え、また、小さな衛星をこの動作速度に加速するのに６０秒かかり、これは非常に長い。

コントロールモーメントジャイロスコープ（Control Moment Gyroscopes; CMG）は、許容できる高速度を達成するために、現在のところ、高いトルク（すなわち１Ｎ−ｍ以上のトルク）を供給することができる非消耗性のアクチュエータである。しかし、そのサイズ（約１６インチの直径）、相対的に大きな質量、および電力消費により、これらの装置は、歴史的に、小型衛星（すなわち４００ｋｇ未満）への使用には不向きであった。最小限として、３つのジャイロが衛星の姿勢を制御するのに用いられる。それゆえ、ＣＭＧのサイズは問題である。従って、十分な姿勢の機敏性を提供するための十分なトルクを発生させると同時に、低消費電力でありより小さい寸法のＣＭＧへの需要がある。

この発明の概要は、非限定的な概念の選択を紹介するために提供されるものである。本明細書による実施形態は、本明細書で開示される主題の新規な様々な特徴の例示であり、また実施形態は多数存在しうる。本明細書では、明確さおよび簡潔さのための特定の例示的なシステムに限定して議論する。

宇宙船の姿勢を制御する装置が提供される。本装置は、エンクロージャー内に堅固に取り付けられる少なくとも３つのコントロールモーメントアセンブリ（control moment assemblies, CMAs）を含み、各ＣＭＡは、各ＣＭＡの長手方向軸が、互いに対して直交または逆平行になるような向きで取り付けられる。各ＣＭＡは、第１軸を中心に回転する運動量ローターと、モーターおよび非鉄製モーターステータを備えるスピンモーターとを有する。非鉄モーターローターは第１軸を中心に回転し、また、非鉄モーターローターは第１端部および第２端部を備え、この第１端部は運動量ローターに同軸に取り付けられる。本装置は、また、第２端部がジャーナルされる第１軸と同軸のベアリングを含む。

また、宇宙船のための自己保持型運動量コントロールシステムが提供される。自己保持型運動量コントロールシステムは、密封シールされるエンクロージャー、密封エンクロージャーに隣接する（adjoined）区画、およびエンクロージャー内に堅固に取り付けられる少なくとも３つのコントロールモーメントアセンブリ（ＣＭＡ）を有する。各ＣＭＡは、各ＣＭＡの長手方向軸が、互いに直交または逆平行となる向きに取り付けられる。電子的パッケージは、エンクロージャーに取り付けられた分離区画内に取り付けられ、この電子的パッケージは、命令および制御信号を少なくとも３つのＣＭＡと相互伝達し、また、少なくとも３つのＣＭＡに動力供給するように構成される。また、少なくとも３つのＣＭＡをエンクロージャーに固定する複数の衝撃分離装置が含まれる。

以下に、本発明を添付図面とともに説明する。図面では同様の参照符号は同様の要素を表す。添付図面は以下のとおりである。

衛星運動量コントロールシステムの例示的な実施形態の機能ブロック図である。 衛星運動量コントロールシステムの例示的実施形態の分解図である。 複数のコントロールモーメントジャイロ機構アセンブリ（ＣＭＡ）の取り付け構造の例を示す図である。 例示的なＭＣＳコントロールエレクトロニクス（Control Electronics）（ＭＣＥ）の機能ブロック図である。 例示的なＭＣＳコントロールエレクトロニクス（Control Electronics）（ＭＣＥ）の機能ブロック図である。 例示的なＣＭＡの断面図である。 例示的なＣＭＡの分解図である。 例示的なトルクモーターアセンブリ（Torque Motor Assembly, TMA）の分解図である。 例示的なシグナルモージュールアセンブリ（Signal Module Assembly）の分解図である。 ジンバル角度位置電位差計の簡略化した図である。 ジンバル角度位置電位差計のジンバル位置に対する出力電圧の例示的なプロットである。

以下の詳細な説明は本来的に単なる例示であり、本発明を限定したり本発明の応用および用途を制限したりするものではない。さらに、前述の発明の背景または以下の詳細な説明に示されるいかなる理論によって本発明を境界付ける意図はない。

以下の開示は、小型宇宙船のための運動量コントロールシステム（ＭＣＳ）を説明する。衛星のように、空間内で物体の姿勢を完全に制御するためには少なくとも３つのジャイロスコープが必要であることは広く知られている。ジャイロスコープは、ジンバル内で運動量ローターを回転させ、ローター内に角運動量を形成することにより作動する。ニュートンの運動の第１法則により、ローターは、外力が速度の方向または大きさを変化させるエネルギーを付与するまで、一定速度を維持しようとする。逆に、堅固に取り付けられた回転ジャイロに力を付与することにより、ジャイロスコープは、ジャイロスコープが固定されている衛星の姿勢を変化させる等しく反対向きの反力を形成する。少なくとも３つのジャイロスコープを同時に用いることにより、衛星の姿勢を任意の所望の姿勢に変化させるための反力が三次元で形成される。歴史的に、これは、飛行コンピュータからそれぞれのジャイロスコープへ３つの明瞭なジンバル速度コマンドを通信することにより行われてきた。

本明細書で開示する主題は、過去のシステムに対して低消費電力である、高トルク運動量コントロールジャイロスコープシステムを提供する。従来のＣＭＡのジャイロスピンモーターの鉄製モーターステータを、モーターステータ内側および外側直径のところでローターに統合された永久磁石と相互作用する非鉄モーターステータに交換することにより、運動量ローターは、従来のシステムの現在のスピードよりも少なくとも４倍の回転スピードで駆動しうる。回転スピードは、２３，０００ｒｐｍより上の範囲とできる。スピードの増加により、ローターのサイズを同様のファクターである約４分の１に小さくでき、小さいサイズのローターで同一の慣性力を生成できる。ローターの質量が小さくなると、より小さい支持構造を使えるようになる。非限定的な非鉄モーターステータの例は、セラミックモーターステータである。

さらに、ＣＭＡにおけるサイズの減少は、複数の衝撃吸収材を用いることにより達成し得、複数の衝撃吸収材は、ＣＭＡ上の発射負荷を減らすために、車両フレームからＣＭＡを吊り下げて分離する。ＣＭＡローター上の低減された発射負荷は、小さなロータースピンベアリングの使用を可能にし、ＣＭＡ内のこれらのスピンベアリングにより引きずりトルクを低減し、さらに、消費電力を低減する。また、低減された発射負荷は、いくぶん小さく軽量のＣＭＧ支持構造の使用を可能にする。

図１は、運動量コントロールシステム（ＭＣＳ）１００の例示的な実施形態の機能ブロック図である。ＭＣＳ１００は、運動量交換サブシステム（ＭＥＳ）ベース５２およびＭＣＳコントロール電子機器（ＭＣＥ）シャシー５４を介して宇宙船構造１０に取り付けることができる。ＭＥＳベース５２とＭＣＥシャシー５４は一緒にしてＭＥＳベース／ＭＣＥシャシー（ＭＢＥＣ）５０と言及される。

図１に示される具体的な実施形態において、ＭＢＥＣ５０は好ましくは、ＭＥＳ１１０が取り付けられる密封シールされたエンクロージャーに組み込まれる。ＭＥＳ１１０は、４つの実質的に同一のコントロールモーメンタムアセンブリ（ＣＭＡ）１１５、ＣＭＡを固定する単一の支持構造１０５、および複数の衝撃吸収部６０および取り付けポイント６１を有する。ＭＥＳ１１０内の各ＣＭＡはＣＭＧを含む。ＭＥＳ１１０は、単一の支持構造１０５を介して、複数の衝撃吸収部６０によりＭＢＥＣ５０に固定される。この目的に好適な例示的な非限定的な衝撃分離器６０に関する追加的な情報は、ハネウェル社の米国特許第５９１８８６５号明細書、第５３３２０７０号明細書、および第７１８２１８８号明細書に記載されている。これらの特許文献は参照により全体が本明細書に組み込まれる。

他の実施形態において、少なくとも３つのＣＭＡ１１５がＭＥＳ１１０内に取り付けてもよく、または、冗長性およびバックアップ目的で４つより多くのＣＭＡが存在してもよい。本明細書では、好ましくはＭＢＥＣ５０内に取り付けられるが、ＭＥＳ１１０は、宇宙船構造１０に直接固定してもよく、または、宇宙船の適当な媒介サブ構造物に固定してもよい。非限定的な例示のＭＢＥＣ５０の物理構造は、図２により詳細に示されている。例示的な非限定的な、単一支持構造１０５の例は図３に明瞭に示されている。

図２は、例示的なＭＢＥＣ５０の分解図である。上述したように、ＭＢＥＣ５０は、好ましくは、密封シールされたエンクロージャーを備え、これは、圧力下の環境で真空を保持し、または真空環境下で圧力状態を維持することができる。圧力状態にするのであれば、好ましくはヘリウムガスが加圧ガスとして用いられる。ＭＢＥＣ５０は、ＭＥＳベース５２、ＭＣＥシャシー、およびカバー５６を含む。上述したように、ＭＥＳ１１０は、３つまたはそれ以上のＣＭＡ１１５を備えることができる。図１は、４つのＣＭＡ１１５を備える例示的な実施形態を示している。しかし、当業者は、バックアップ、冗長性、特異性の回避、および他の目的のために任意の数のＣＭＡを用いることができるが、少なくとも３つのＣＭＡ１１５が必要であることを認識するであろう。ＣＭＡ１１５の好ましい実施形態は以下に説明される。

いくつかの実施形態において、ＭＥＳベース５２は、運動量コントロール電子機器（Momentum Control Electronics; MCE）モジュール２０１を収容することができ、この一実施形態が以下に説明される。図４は、ＭＣＥ２０１の例示的な機能ブロック図である。ＭＣＥ２０１は、ＭＥＳ１１０の駆動を制御するように構成され、電力調整電子機器モジュール２０２、入出力電子機器モジュール２０４、アレイステアリング法則および制御電子機器モジュール２０６、ジンバル駆動電子機器モジュール２０８、およびローター駆動電子機器モジュール２１１を備えることができる。

電力調整電子機器モジュール２０２は、宇宙船が発電した電力をＭＣＳ１００電子機器が必要とするレベルに変換する。たとえば、いくつかの実施形態において、２８ＶのＤＣ電力が、１２ｖおよび５ＶのＤＣ電力に変換される。電力調整電子機器モジュール２０２は、また、宇宙船内の他のシステムから発生し得る電気ノイズをフィルターする。

入出力電子機器モジュール２０４は、本技術分野で知られているモーター駆動部、サーミスタ、エンコーダ等のようなＭＣＳ１００内の様々なコンポーネントおよびサブコンポーネントに伝達される内部のアナログ信号およびデジタル信号のための信号調整を提供する。入出力電子機器モジュール２０４は、宇宙船に搭載される機能性モニタ（図示せず）に出力信号を提供することもできる。

ＣＭＧアレイステアリング法則および制御電子機器モジュール２０６は、コンピュータで読取り可能な媒体に記録された命令を実行し、プロセッサで実行されるとき、ＭＥＳ１１０内のＣＭＡのジンバル運動を調整し、宇宙船を回転させる所望の合成トルクを生成する。命令は、宇宙船（または操作者）から供給されるトルクコマンドを処理し、また、応答は、個別に調整されたジャイロ速度命令を生成し、およびジンバル駆動電子機器モジュール２０８およびローター駆動電子器機器モジュール２１１を介して各ＣＭＡ１１５に同時に供給する。ＣＭＧステアリング法則および制御電子機器をＭＣＳ自身の中に併合することにより、ＭＣＳのサイズおよび重量は、他の冗長的な電子機器部品が排除されるのでさらに減少する。ステアリング法則は、また、宇宙船のレベル集積化（spacecraft level integration）および必要な試験を減少させる。ステアリング法則、特異性回避ロジックおよびそれに関する信号処理に関する追加的な開示は、米国特許出願第１１／２９１７０６号明細書および米国特許第６１２８５５６号明細書に記載されており、これらは参照によりこれらの全体が本明細書に組み込まれる。

ジンバル駆動電子機器モジュール２０８は、各ＣＭＡ内のジンバルモーターローターを介してジンバルモーターシャフト２３２の回転速度を制御することにより、様々なＣＭＡ１１５のジンバル位置を制御する。いくつかの実施形態において、ジンバルモーター２３３は、５０：１のハーモニックドライブ２３７（図７参照）を備える２相電気モーターとすることができる。

ローター駆動電子機器モジュール２１１は、運動量ローター４１０を制御し、一定のスピードを維持し、それゆえ一定の慣性力を維持する。これを実装するため、ローター駆動電子機器モジュール２１１は、好ましくは、負帰還フィードバックループを用いて実装され、これは、運動量ローター４１０（図５参照）に連結されているロータースピンモーター４１２への電力を制御することにより運動量ロータースピードを約２３，０００ｒｐｍに維持する。

いくつかの実施形態において、ＣＭＧアレイステアリング法則および制御電子機器モジュール２０６、ジンバル駆動電子機器モジュール２０８、およびローター駆動電子機器モジュール２１１は、ＣＭＡ１１５毎に単一のコントローラ２１２（図４）内に統合することができる。このような実施形態において、各コントローラ２１２は、飛行コンピュータからトルク命令を受信し、関連するＣＭＡ１１５にジンバル速度命令を生成する。他の実施形態において、複数のＣＭＡ１１５は、全てのＣＭＡコントローラを単一のプログラム可能な論理装置に組み合わせることによりフィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array;FPGA）のような単一のコントローラ２１２により制御できる。コントローラを組み合わせることにより、飛行コンピュータからの単一のトルク命令入力が、別々のジンバル速度命令を各ＣＭＡ１１５に生成できるようになる。また、コントローラを統合することは、空間および電力の消費を低減する。コントローラ２１２は、任意の適当なコントローラとすることができ、また、低いバンド幅のコントローラ、バンドパスコントローラ、または高バンド幅のコントローラとすることができる。すべてのあるいはいくつかのコントローラ２１２は、１つまたはそれ以上のプロセッサ（図示せず）と共に動作することができる。このプロセッサは、任意のタイプのプロセッサとすることができ、また、単一のプロセッサ、連係する複数のプロセッサ、並列プロセッサ、一般的なプロセッサ、または特定の目的のプロセッサとすることができる。当業者は、プログラム可能な論理デバイス、コントローラ、およびプロセッサはそれぞれコンピュータで読取り可能な記憶媒体の例であることを認識するであろう。

ＭＥＳ１１０は、単一のＭＢＥＣ５０内に統合される。このような構成は、空間を節約するだけでなく、すべてのＣＭＡが複数の操作ではなく一度の操作で排気状態にされる（すなわち大気ガスが除かれる）ことを可能にする。さらに、単一のＭＢＥＣ５０は、ガスポート５１（図２参照）を介してヘリウムまたは他の不活性ガスがＭＥＳ内に封入されることを可能にする。不活性ガスは、ＭＢＥＣ５０内に対流を形成することによりＣＭＡ１１５内の熱の集積を緩和する。熱の集積は、限定するわけではないが摩擦、太陽放射、モーターの損失、ベアリングの引きずり、および伝導を含む多数の熱源から生じる。

図５は、組み立てられたＣＭＡ１１５の側面図および側面断面図を示す。各ＣＭＡ１１５は、内側環状ジンバルアセンブリ（ＩＧＡ）２１０、トルクモジュールアセンブリ（ＴＭＡ）２３０、および信号モジュールアセンブリ（ＳＭＡ）２６０を有する。ＣＭＡ１１５は、ＩＧＡ２１０およびＴＭＡ２３０の外部構造、ＴＭＡ２３０とＩＧＡ２１０の出力との間のハーモニックドライブ、およびＩＧＡ２１０およびＳＭＡ２６０を接続する柔軟なケーブル導管または柔軟なスプライン２７０、を介して統合される。柔軟なスプライン２７０は、好ましくは、ＣＭＡ１１５の長手方向軸（Ｃ）に沿う小さな収縮および拡張を許容するためのバネ状の構成を一端に備える単一の鋼鉄バーから形成される。

非限定的な例示的な実施形態において、ＣＭＡ１１５の全長は約１１．２５インチであり、また、最も幅のあるところで約４インチの直径である。当業者は、様々な運動量およびトルクの要求に適合させるためにＣＭＡ１１５のサイズを変更できることを認識するであろう。

図６はＣＭＡ１１５の分解図を示している。３つの主要な部品（ＩＧＡ２１０、ＴＭＡ２３０、ＳＭＡ２６０）が説明される。以下では説明されないが、ハウジング、インターフェース、リング、およびリテーナのような様々な構造的な部品は、参照および完全さのために参照符号が付されている。これらの構造的な部品は、単一の支持構造１０５へのトルクの伝達を支援する。

図５および図６を参照すると、ＩＧＡ２１０は、ロータースピンモーター４１２を有し、これはさらに運動量ローター４１０、スピンモーターローター４１１、スピンモーターステータ４１３および他の構造的部品を有する。スピンモーターローター４１１は、運動量ローター４１０に取り付けることができ、あるいは、運動量ローター４１０内に組み込むことができる。スピンモーターローター４１１は、スピンモーターステータ４１３により駆動される。運動量ローター４１０は、スピンベアリング４２１内に回転可能に搭載され、またこれは、ＣＭＡ１１５の長手方向軸（Ｃ）に垂直に配置される軸（Ａ）を中心に回転する。いくつかの実施形態として、ロータースピンモーター４１２は、非鉄モーターステータを備える３相４極ＤＣモーターとすることができる。

スピンベアリング４２１の少なくとも１つは、ダイアフラム４２０により所定位置に保持される。ダイアフラム４２０は環状の金属ディスクであり、これは、環状ダイアフラム４２０の中心を通るように機械加工された穴（図示せず）を通るスピンベアリング４２１を受け入れる。ダイアフラム４２０は、横方向に所定位置に堅固にスピンベアリング４２１を保持する。しかし、スピンベアリング４２１の長手方向の運動は、軸Ａに沿った長手方向における環状ダイアフラム４２０の屈曲により可能になる。ダイアフラム４２０は、製造に際して異なる厚さおよび異なる材料を選択することにより、物理的に調整される（たとえば硬化される）。ダイアフラム４２０は、それゆえ、運動量ローター４１０のための長手方向の振動分離装置として機能し、また、熱拡散に対処する。運動量ローター４１０は、２３０００ｒｐｍでまたはそれ以上の回転速度で回転するので、振動およびその高調波が非常に高周波で存在し、それゆえ小さなサイズの環状ダイアフラム４２０で吸収できる。

例示的な図示の実施形態において、運動量ローター４１０は、約４インチの直径および約２．５インチの厚さであるが、用途に応じて必要なサイズにすることができる。従来の運動量ローターは、Ｈ＝Ｉωで示される適切な角運動量（Ｈ）を生成するために、４インチの直径よりも有意に大きく、６０００ｒｐｍ付近の角速度で回転していた。

それゆえ、運動量ローター４１０の寸法（すなわち慣性モーメント（Ｉ））を減らしつつ同一のレベルの角運動量を維持するためには、それに比例して角速度（ω）を増加させなければならない。一例として、運動量ローター４１０の直径（すなわちその質量）が４のファクターで減少すれば、より大きな角速度（たとえば２３０００−２４０００ｒｐｍ）を生成する同様のファクターで角速度を増加させる必要がある。当業者は、必要な角速度の増加分は、運動量ローター４１０およびスピンモーターローター４１１の具体的な幾何形状および材料構成に依存することを理解するであろう。運動量ローター４１０自身は、チタンまたは鋼鉄のような任意の適当な金属物質から形成することができる。

従来のローター駆動モーターの鉄製モーターステータにおける逆起電力（ＥＭＦ）の自然発生により、従来のスピンモーターは高い速度では指数関数的により多くの電力を必要とするので、従来、必要とされる大きな角速度を達成するのは困難であった。逆起電力は、導体モーターステータとステータからの磁場発生源との間の相対的な運動により発生する磁場の変化により、導体中の電子の循環流れ（すなわち渦電流）から、電気モーター内で発生する。

渦電流はスピンモーターローター４１１の回転の反対方向に磁場を生成し、それにより、スピンモーターローター４１１を駆動するスピンモーターステータ４１３により形成される電場を部分的に相殺する。それゆえ、より小さなローター質量で必要とされるレベルまで角速度を増加させるのに必要な電力は、鉄製ローターモーターステータ内に発生する渦電流を克服するために指数関数的に増加する。このような大きな電力要求により、従来のＣＭＡスピンモーターを使用することは実際的でない。

逆起電力を最小化するため、モーターステータ巻線（４１９）としてリッツワイヤを使用することができる。リッツワイヤは、特に、個別に絶縁された小さなワイヤが、物理的に、巻線自身に生じる逆ＥＭＦを最小化するように配置されるケーブルから構成される。モーターステータの回りのリッツワイヤの巻きつけは、任意の適当な方法で行うことができる。例示的な巻線は、米国特許第７０６１１５３号明細書に記載されており、この特許文献の全体が照により本明細書に組み込まれる。

図７は、例示的なＴＭＡ２３０の分解図であり、ＴＭＡ２３０はジンバルモーター２３３およびハウジングアセンブリ、５０：１ハーモニックドライブ２３７および電子エンコーダ２３５／２３１を含む。ジンバルモーター２３３は、ジンバル駆動電子機器モジュール２０８からのトルク命令を受け取り、応答において、軸Ｃを中心にジンバルモーターのシャフトを回転させる。この回転は、安定状態回転軸Ａから離れて、運動量ローター４１０を回転させる。安定状態軸からの運動は、運動量ローター４１０の回転軸および軸Ｃに垂直な方向にジャイロスコープのトルクを生成し、これの反作用として衛星を回転させる。ジンバルモーター２３３は、ジンバルモーターステータ２３８およびジンバルモーターのシャフトに取り付けられるジンバルモーターローター２３６を有する。

また、ＴＭＡ２３０は光学エンコーダ２３１／２３５を備え、これは、トルクモーターのシャフトに固定される。光学エンコーダディスク２３１は、ＳＭＡ２６０に隣接して、ジンバルモーターシャフト２３２の端部に接続される。光学エンコーダディスク２３１は、ジンバルモーター２３３の位置に較正され、ジンバルモーター２３３の絶対角度位置および速さを測定し、これらは３６０°ごとに２１ビット内の精度とすることができる。光学エンコーダは、運動量ローター４１０の軸Ａに較正されてもよい。

光学エンコーダは、エンコーダ電子機器モジュール２３５およびガラス光学エンコーダディスク２３１を有し、ガラス光学エンコーダディスクにはユニークにエンコードされた不透明パターンが刻まれている。光源（図示せず）は、光学エンコーダディスクに光を通す。ジンバルモーターシャフトが回転するとき、光源はユニークにエンコードされたパターンによりブロックされる。１つまたはそれ以上の光源（２６９）は、影が光源を通過するときに、ユニークにエンコードされたパターンにより形成される影を読み、それにより、ジンバルモーター２３３の位置を追跡する。光学エンコーダは、ジンバル駆動電子機器モジュール２０８に位置フィードバックを提供する（図１Ｄ参照）。

ジンバルモーターシャフト２３２の光学エンコーダディスク２３１から反対側でＩＧＡ２１０に近接する端部は、ハーモニックドライブ２３７であり、ハーモニックドライブ２３７は、ＩＧＡ２１０のジンバルを駆動する。いくつかの非限定的な実施形態において、ハーモニックドライブ２３７のギア比は５０：１である。しかし、異なるサイズの運動量ローター４１０においては、異なるギア比が有用となりうる。ハーモニックドライブ２３７は、回転するローターを安定状態軸Ａから駆動し、所望の誘導トルクを形成するのに用いられる。誘導トルクは、その後、トルクモーターステータ２３８を通ってトルクモーターハウジング２３９に伝達され、その後、ＣＭＡ１１５の様々なハウジングおよび支持部品を通り、単一の支持構造１０５に至り、分離器６０を通り宇宙船１０に到る。

図８はＳＭＡ２６０の分解図である。ＳＭＡ２６０は、電力を伝達し、且つロータースピンモーター４１２およびジンバルモーター２３３への信号を制御するための単一フィラメントスリップリングアセンブリ２６２を収容する（図３および図４参照）。単一フィラメント２６３は、任意の好適な物質で構成することができる。いくつかの実施形態においてこの物質は金である。

ＳＭＡは電位差計５１０（図９参照）を含み、電位差計５１０は、粗いジンバル位置指標を提供し、ＣＭＡ１１５の初期化の間にジンバル角度変化を決定するために、一次の位置センサとして用いられる。また、電位差計５１０は、ジンバルモーター２３３のためのジンバル位置指示のバックアップとしてい用いることもできる。電子差計５１０は、二重抵抗回路５２０／５３０を有する。各抵抗回路５２０および５３０に沿う電圧は、５ＶＤＣ電源５２２／５２４から距離とともに線形に変化し、また、機械的にスライド可能な２つのタップ５４０／５６０のうちの１つにより決定され、タップ５４０／５６０は、各抵抗回路５２０および５３０に沿うタップの電流位置に関連する電圧をピックオフする。スライド可能なタップは、ジンバルモーターシャフト２３２の位置に対して較正される。このようにして、電圧はジンバルモーター２３３の角度位置により変化する。

図９から分かるように、各抵抗回路５２０／５３０は、ジンバルモーターシャフト２３２の回転に適合するように円形に形成されている。各抵抗回路５２０／５３０は、ジンバル駆動電子機器モジュール２０８への接続を可能にするように他方から１８０°に位置する円においてギャップを備える。この二重トラック設計は、１次タップまたは二次タップのいずれかが、電圧を読み、ジンバルモーターシャフト２３２の３６０°の全回転の位置指標を提供することを補償する。

図１０は、一次トラック５３０および二次トラック５２０に沿う全ての点における電位差計からの線形の電圧出力を示している。この実施形態において，電圧出力は０−５ＶＤＣである。スライド可能なタップ５４０および５６０は、地点１から始まり時計回りに移動し、二次タップが２．５ＶＤＣよりいくぶん低い電圧を検知しているときに、一次タップ５４０はゼロ電圧を検知する。地点５において、二次タップは最大電圧の５ＶＤＣを検知し、一次タップは、２．５ＶＤＣよりもいくぶん低い電圧を検知する。地点４において、二次タップは、ゼロ電圧を検知し線形に増加し始める。地点３において、一次タップ５４０は、最大電圧を検知し、二次タップは２．５ＶＤＣよりいくぶん低い電圧を検知する。この電圧のサイクルは、ジンバルモーター２３３の回転とともに続きまたは逆になる。出願人による開示を読めば、当業者は、一次および二次のタップにより検知される電圧をジンバルモーターシャフト２３２の角度位置を示すように処理できることを認識するであろう。

ＩＧＡ２１０およびＳＭＡ２６０は、可撓性のスプライン２７０（図５および６参照）により接続される。可撓性のスプライン２７０は、ＩＧＡ２１０のジンバルリング４２３を、ＳＭＡ２６０のスリップリングシャフトに接続し、ジンバルリング４２３およびスリップリングシャフト２６４が同一の速度で回転する。上述したように、可撓性のスプライン２７０は、機械的なバネ状に切断加工された１つの端部を備え、これは、熱膨張による可撓性およびエンコーダ取り付け制限を可能にする。

上述の本発明の主題は、説明のためだけに提供されており、本発明を限定するためのものではない。出願人により図示および説明された例示的な実施形態から逸脱することなく、また、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、上述の本発明の主題に対して様々な修正および変更が可能である。

Claims (3)

1. 宇宙船の姿勢を制御するための装置であって、前記装置は、
   エンクロージャー（５０）と、
   前記エンクロージャー（５０）内に取り付けられる、少なくとも３つのコントロールモーメントアセンブリ（１１５）（ＣＭＡｓ）とを有し、各ＣＭＡ（１１５）は長手方向軸（Ｃ）を備え、各ＣＭＡ（１１５）の長手方向軸（Ｃ）が、互いに対して直交または逆平行の一方になるように前記エンクロージャー（５０）に配置され、
   前記装置はさらに、各ＣＭＡ（１１５）内に統合され、且つ第２軸（Ａ）を中心に回転するように構成される運動量ローター（４１０）と、
   モーターローター（４１１）および非鉄モーターステータ（４１３）を備えるスピンモーター（４１２）と、を有し、前記非鉄モーターステータ（４１３）は、前記モーターローター（４１１）の前記第２軸（Ａ）を中心とする回転を誘導するように構成され、前記モーターローター（４１１）は第１端部および第２端部を有し、前記第１端部は前記運動量ローター（４１０）に同軸に固定され、
   前記装置はさらに、前記第２軸（Ａ）と同軸のベアリング（４２１）を備え、前記ベアリング内に前記第２端部が取り付けられる、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記ベアリング（４２１）は、可撓性の金属環状ダイアフラム（４２０）を備える平面ベアリングである、装置。
3. 宇宙船のための自己保持運動量コントロールシステムであって、
   密封シールされるエンクロージャー（５２）と、
   前記密封エンクロージャー（５２）に隣接する区画（５４）と、
   前記エンクロージャー（５２）内に堅く取り付けられる少なくとも３つのコントロールモーメントアセンブリ（ＣＭＡ）（１１５）と、を有し、各ＣＭＡ（１１５）は、各ＣＭＡ（１１５）の長手方向軸（Ｃ）が、互いに直交または逆平行の一方になるように配置され、
   前記システムはさらに、前記密封エンクロージャー（５４）に隣接する区画内に取り付けられる電子機器パッケージ（２０１）を有し、前記電子機器パッケージ（２０１）は、前記少なくとも３つのＣＭＡ（１１５）と命令および制御信号を相互伝達し、また、前記少なくとも３つのＣＭＡ（１１５）に電力を供給し、
   前記システムはさらに、少なくとも３つのＣＭＡ（１１５）の各々を前記エンクロージャー（５２）に連結する複数の衝撃分離装置（６０）を有する、システム。

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