JP2011148489A - 宇宙船用の電気機械式アクチュエータシステムおよびその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙船の推力ベクトル制御などのアクチュエータとして油圧式アクチュエータのような環境汚染や火災の問題を回避すると同時に、重いバッテリの使用を不要とする。
【解決手段】宇宙船の電気機械式アクチュエータシステム１０として、電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ）１２を用い、ＥＭＡ１２に、タービン１４で駆動される発電機２０の電力が供給される。タービン１４は、水素などの推進燃料１６の流れによって回転する。
発電機２０の回転速度は、推進燃料１６の流量を制御する推進燃料制御バルブ２６と通信するガバナ２４によって制御される。電力は、システムコントローラ２８を介してＥＭＡ１２のモータ４０に供給され、システムコントローラ２８は宇宙船フライトコンピュータ３０との通信を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気機械式アクチュエータに関し、詳しくは、電気機械式アクチュエータの電力供給・制御システムに関する。

電気機械式アクチュエータは、種々の用途ならびに環境において使用されている。例えば、宇宙船においては、多くの場合、打ち上げや操縦の際にメインエンジンの推力ベクトル制御がなされ、この推力ベクトル制御のためにメインエンジンのノズルを動かす手段が必要である。従来は、この用途に油圧アクチュエータシステムが用いられていたが、この油圧アクチュエータシステムは複雑でかつ重く、作動流体による火災や環境汚染の問題があり、しかも、保守管理や打ち上げ前の温度調整が必要となる。

近年、推力ベクトル制御システムにおける油圧アクチュエータの代替として電気機械式アクチュエータが使用され始めている。電気機械式アクチュエータを用いる場合には、油圧流体システムのような複雑さが軽減するが、電気機械式アクチュエータに電力供給するために、バッテリの付加、あるいは、宇宙船に搭載した電気システムの使用が必要となる。宇宙船においては、物理的なスペースや宇宙船の重量は非常に貴重なものであり、従って、大きくかつ重いバッテリの付加は好ましくない。さらに、宇宙船に搭載される電気システムは、電気機械式アクチュエータに電力供給できるほどの大きさのものではなく、従って、電気機械式アクチュエータに対応するためには相当に大型化しなければならなくなる。

本発明は、推力ベクトル制御や他の用途のための電気機械式アクチュエータに電力供給を行う代替システムを提供しようとするものである。

本発明の１つの態様によれば、宇宙船用の電気機械式アクチュエータシステムは、推進燃料源と、この推進燃料源に連通し、該推進燃料源からの推進燃料の流れによって回転する少なくとも１つのタービンを含む。少なくとも１つの発電機が、上記の少なくとも１つのタービンに機能的に接続され、該タービンの回転を電気エネルギに変換するように構成されている。少なくとも１つの電気機械式アクチュエータが、上記の少なくとも１つの発電機に機能的に接続され、この発電機からの電気エネルギによって駆動される。

本発明の他の態様によれば、宇宙船用の電気機械式アクチュエータの作動方法は、推進燃料の流れを推進燃料源から少なくとも１つのタービンへ供給し、上記の少なくとも１つのタービンを通る推進燃料の流れによって該タービンを回転させる。この少なくとも１つのタービンの回転により、この少なくとも１つのタービンに機能的に接続された少なくとも１つの発電機において電気エネルギを生成する。この少なくとも１つの発電機において生成された電気エネルギによって、電気機械式アクチュエータを作動させる。

本発明のさらに他の態様によれば、宇宙船メインエンジンの推力ベクトル制御システムは、上記メインエンジンに機能的に接続された少なくとも２つの電気機械式アクチュエータを有し、１つあるいはいくつかの電気機械式アクチュエータが上記メインエンジンを第１の方向に動かすように構成され、かつ、１つあるいはいくつかの電気機械式アクチュエータが上記メインエンジンを第２の方向に動かすように構成されている。また、上記システムは、推進燃料源と、この推進燃料源に機能的に接続され、該推進燃料源からの推進燃料の流れによって回転する少なくとも１つのタービンと、を有する。少なくとも１つの発電機が上記の少なくとも１つのタービンおよび上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータに機能的に接続され、上記タービンの回転を、上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータを駆動するための電気エネルギに変換する。

タービンにより電力供給される電気機械式アクチュエータシステムの一実施例を示す構成説明図。 タービンにより電力供給される電気機械式アクチュエータシステムの他の実施例を示す構成説明図。 タービンにより電力供給される電気機械式アクチュエータシステムのさらに他の実施例を示す構成説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、タービン電力供給型の電気機械式アクチュエータシステム１０の一実施例を示す構成説明図である。このシステムは、例えば、宇宙船における推力ベクトル制御のためにメインエンジンの操作に利用され、あるいは他のコンポーネントの操作に利用される。このシステムは、図示しない操作対象のコンポーネント（例えば宇宙船のエンジンあるいは他のコンポーネント）に接続された電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ：electromechanical actuator）１２を含んでいる。このＥＭＡ１２としては、リニア型のものであってもロータリ型のものであってもよい。ＥＭＡ１２に電力供給するために、タービン１４が設けられている。このタービン１４は、推進燃料（propellant）１６の流れによって回転する。いくつかの実施例においては、推進燃料１６は水素ガスであり、機体搭載型の液体推進燃料タンク１８再加圧システムから排気される。液体推進燃料は、メインエンジンの駆動に用いられるものである。他の実施例においては、推進燃料１６として、加圧されたヘリウムなどのガス、固体推進燃料ガス発生剤、ヒドラジンなどの液体推進燃料、が用いられ得る。

推進燃料１６によってタービン１４が回転し、このタービン１４によって、該タービン１４に接続された発電機２０が回転する。この発電機２０の回転速度は、例えばタービン１４と発電機２０との間に配置されたギアボックス２２によって制御される。同様に、いくつかの実施例においては、例えば、タービン１４に接続されて、推進燃料１６の流量を制御する推進燃料制御バルブ２６と通信するガバナ２４や他のデバイスからなる速度制御デバイス２４によって、タービン１４の回転速度が制御される。発電機２０の回転によって電力が生成され、システムコントローラ２８に供給される。

システムコントローラ２８は、いくつかの機能を奏しうるものであり、ＥＭＡ１２に供給する前に電力の調整を行い、かつ宇宙船フライトコンピュータ３０との通信を行う。さらに、システムコントローラ２８は、ＥＭＡ１２に配置された複数のＥＭＡセンサ３２に接続されている。使用されるＥＭＡセンサ３２の数は、モータの形式およびシステムの位置フィードバックの要件によって異なる。ＥＭＡセンサ３２は、モータのコミュテーション、位置フィードバック、状態監視（health monitoring）、などの用途のためのものである。複数のＥＭＡセンサ３２は、ＥＭＡ１２の位置をモニタし、かつＥＭＡ１２の状態監視情報を、宇宙船フライトコンピュータ３０へ供給する。宇宙船フライトコンピュータ３０からの指令によって、システムコントローラ２８は、ＥＭＡ１２に接続された１つあるいは複数のモータ４０に電力を供給してＥＭＡ１２を動作させ、付随するコンポーネントの位置を変更する。

図２は、宇宙船のメインエンジン３４の推力ベクトルを制御するために２つのＥＭＡ１２を用いた実施例を示している。第１のＥＭＡ１２ａは、第１の軸３６の方向に沿ったメインエンジン３４の動きを制御するために用いられ、第２のＥＭＡ１２ｂは、第２の軸３８の方向に沿ったメインエンジン３４の動きを制御するために用いられている。図３に示すように、いくつかの実施例においては、ＥＭＡ１２ａおよびＥＭＡ１２ｂが、別々のタービン１４にそれぞれ接続された独立した各々のシステムコントローラ２８によって制御される。しかし、他の実施例においては、ＥＭＡ１２ａおよびＥＭＡ１２ｂは、単一のシステムコントローラ２８を介して単一の共通のタービン１４によって電力供給される。また、機器の冗長性が要求される他の実施例においては、複数個、例えば２つのＥＭＡ１２ａおよびＥＭＡ１２ｂがメインエンジン３４に接続され、１つあるいは複数のＥＭＡ１２が故障した場合でもアクチュエータシステム１０の動作を確保するようになっている。さらに、複数のモータ４０および複数の負荷経路を備えてなるＥＭＡ１２を用いることで、ＥＭＡ１２の冗長性を得ることができる。特定のシステムの冗長性の要求にさらに適合するために、複数のシステムコントローラ２８とタービン１４とを組み合わせてアクチュエータシステム１０を構成することができる。

上記のように、アクチュエータシステム１０は、１つあるいは複数のタービン１４の使用を介して、１つあるいは複数のＥＭＡ１２に電力を供給する。推進燃料１６、例えば機体搭載型の推進燃料タンク１８再加圧システムから得られる推進燃料１６、によって駆動される１つあるいは複数のタービン１４を用いることで、ＥＭＡ１２を駆動するバッテリの使用に代えて、軽量な構成が提供される。さらに、本システムでは、アクチュエータを駆動するために油圧流体を用いる必要がなく、従って、環境汚染や火災の問題がないとともに、打ち上げ前に作動流体を温度調整する必要がなくなり、さらに、油圧流体システムに関連した保守管理の要求が軽減する。

以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

１０…タービン電力供給型電気機械式アクチュエータシステム
１２…電気機械式アクチュエータ
１４…タービン
１６…推進燃料
２０…発電機
２４…ガバナ
２８…システムコントローラ
３０…宇宙船フライトコンピュータ
３４…メインエンジン

Claims (20)

1. 宇宙船用の電気機械式アクチュエータシステム（１０）であって、
   推進燃料源（１８）と、
   この推進燃料源（１８）に連通し、該推進燃料源からの推進燃料（１６）の流れによって回転する少なくとも１つのタービン（１４）と、
   この少なくとも１つのタービン（１４）に機能的に接続され、該タービン（１４）の回転を電気エネルギに変換するように構成された少なくとも１つの発電機（２０）と、
   この少なくとも１つの発電機（２０）に機能的に接続され、この発電機（２０）からの電気エネルギによって駆動される少なくとも１つの電気機械式アクチュエータ（１２）と、
   を備えてなる電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
2. 上記電気機械式アクチュエータ（１２）として少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
3. 個々の発電機（２０）が電気機械式アクチュエータ（１２）の各々に機能的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
4. 上記の推進燃料（１６）の流れは、液体推進燃料タンク（１８）再加圧システムから排気された水素ガス、加圧されたヘリウムもしくは他のガス、固体推進燃料ガス発生剤、液体推進燃料、の中の１つからなることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
5. 上記の少なくとも１つの発電機（２０）に機能的に接続され、かつ上記の少なくとも１つの電気機械式アクチュエータ（１２）への電気エネルギの流れを制御するように構成された少なくとも１つのシステムコントローラ（２８）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
6. 上記の少なくとも１つのシステムコントローラ（２８）が宇宙船フライトコンピュータ（３０）に機能的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
7. 回転制御のために上記の少なくとも１つのタービン（１４）に機能的に接続された少なくとも１つのガバナ（２４）を備えることを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
8. 上記の少なくとも１つのタービン（１４）に供給される推進燃料（１６）の流量を制御するように上記の少なくとも１つのガバナ（２４）に機能的に接続された推進燃料制御バルブ（２６）を備えることを特徴とする請求項７に記載の電気機械式アクチュエータシステム（１０）。
9. 宇宙船用のタービン電力供給型電気機械式アクチュエータ（１２）の作動方法であって、
   推進燃料（１６）の流れを推進燃料源（１８）から少なくとも１つのタービン（１４）へ供給し、
   上記の少なくとも１つのタービン（１４）を通る推進燃料（１６）の流れによって該タービン（１４）を回転させ、
   この少なくとも１つのタービン（１４）の回転により、この少なくとも１つのタービン（１４）に機能的に接続された少なくとも１つの発電機（２０）において電気エネルギを生成し、
   この少なくとも１つの発電機（２０）において生成された電気エネルギによって、電気機械式アクチュエータ（１２）を作動させる、ことを特徴とする方法。
10. 上記の少なくとも１つの発電機（２０）に機能的に接続された少なくとも１つのシステムコントローラ（２８）を介して、上記の少なくとも１つの電気機械式アクチュエータ（１２）への電気エネルギの流れを制御することをさらに含む請求項９に記載の方法。
11. 上記の少なくとも１つのシステムコントローラ（２８）を介して電気エネルギの流れを導くための指令を宇宙船フライトコンピュータ（３０）から受け取ることをさらに含む請求項１０に記載の方法。
12. 上記の少なくとも１つのタービン（１４）に機能的に接続された少なくとも１つの速度制御デバイス（２４）を介して、上記の少なくとも１つのタービン（１４）の回転を制御することをさらに含む請求項９に記載の方法。
13. 上記の少なくとも１つの速度制御デバイス（２４）に機能的に接続された推進燃料制御バルブ（２６）を介して、上記の少なくとも１つのタービン（１４）への推進燃料（１６）の流量を制御することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
14. 宇宙船メインエンジン（３４）の推力ベクトル制御システムであって、
    １つあるいはいくつかの電気機械式アクチュエータ（１２）が上記メインエンジン（３４）を第１の方向（３６）に動かすように構成され、かつ、１つあるいはいくつかの電気機械式アクチュエータ（１２）が上記メインエンジンを第２の方向（３８）に動かすように構成された、上記メインエンジン（３４）に機能的に接続された少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）と、
    推進燃料源（１８）と、
    上記推進燃料源（１８）に機能的に接続され、該推進燃料源からの推進燃料（１６）の流れによって回転する少なくとも１つのタービン（１４）と、
    上記の少なくとも１つのタービン（１４）および上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）に機能的に接続され、上記タービン（１４）の回転を、上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）を駆動するための電気エネルギに変換する少なくとも１つの発電機（２０）と、
    を備えてなる推力ベクトル制御システム。
15. 上記タービン（１４）として少なくとも２つのタービン（１４）を有することを特徴とする請求項１４に記載の推力ベクトル制御システム。
16. 上記発電機（２０）として少なくとも２つの発電機（２０）を有し、その各々の発電機（２０）は、上記の少なくとも２つのタービン（１４）の中の１つあるいは複数のタービン（１４）に機能的に接続されるとともに、上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）の中の１つあるいは複数の電気機械式アクチュエータ（１２）に機能的に接続されることを特徴とする請求項１５に記載の推力ベクトル制御システム。
17. 上記の推進燃料（１６）の流れは、液体推進燃料タンク（１８）再加圧システムから排気された水素ガス、加圧されたヘリウムもしくは他のガス、固体推進燃料ガス発生剤、液体推進燃料、の中の１つからなることを特徴とする請求項１４に記載の推力ベクトル制御システム。
18. 上記の少なくとも１つの発電機（２０）に機能的に接続され、かつ上記の少なくとも２つの電気機械式アクチュエータ（１２）への電気エネルギの流れを制御するように構成された少なくとも１つのシステムコントローラ（２８）をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の推力ベクトル制御システム。
19. 回転制御のために上記の少なくとも１つのタービン（１４）に機能的に接続された少なくとも１つの速度制御デバイス（２４）を備えることを特徴とする請求項１４に記載の推力ベクトル制御システム。
20. 上記の少なくとも１つのタービン（１４）に供給される推進燃料（１６）の流量を制御するように上記の少なくとも１つの速度制御デバイス（２４）に機能的に接続された推進燃料制御バルブ（２６）を備えることを特徴とする請求項１９に記載の推力ベクトル制御システム。

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