JP2013212761A

JP2013212761A - 重心制御装置、宇宙機の重心制御方法及び宇宙機の重心制御プログラム

Info

Publication number: JP2013212761A
Application number: JP2012083924A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Kiritani; 浩太郎桐谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】再突入宇宙機等の移動体の重心を動的に制御し、事前に予測できない重心のずれを補正することにより、移動体の姿勢を安定させることを目的とする。
【解決手段】再突入宇宙機１の重心制御装置２は、再突入宇宙機１の角加速度を検出する角加速度センサ３と、角加速度から再突入宇宙機１の重心を所定の位置にするのに必要なバラスト７の移動方向及び距離を計算するバラスト計算装置５と、計算した移動方向及び距離に従い、バラスト７を移動させ、移動体の重心を調整する移動装置８とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、人もしくは物資を搭載して大気圏へ再突入するカプセル型の再突入宇宙機の重心を制御する技術に関する。

再突入宇宙機としては、古くはアポロに代表される１９６０年代の米国の宇宙船、旧ソ連のソユーズがあり、スペースシャトルもその１つである。カプセル型の再突入宇宙機は、スペースシャトルとは異なり、翼が無いためその姿勢を安定させるためにも重心の管理が重要である。
特許文献１には、宇宙航行体の重心を制御する方法として、推力ベクトル上の重心位置を可変制御することが記載されている。

特開２０００−２７２５９９号公報

特許文献１に記載された宇宙航行体の重心の制御は、推進系の燃料消費を低減するために行われているものであり、カプセル型の再突入宇宙機が再突入する際の空力によるモーメントを打ち消すような制御にはなっていない。

従来の再突入宇宙機の重心の制御は、予め決められた質量の物体を所定の位置に配置することにより静的に制御されている。しかしながら、例えば宇宙ステーションからの物資を回収するような場合、必ずしも回収物資の質量が正確に計測できるとは限らない。また、搭載位置も計画とは異なる場合もある。したがって、重心が計画と異なる可能性が高く、それにより宇宙機の姿勢が不安定になり、最悪の場合には回転して非耐圧耐熱面が正面を向き大損害を被る可能性がある。

この発明は、再突入宇宙機等の移動体の重心を動的に制御し、事前に予測できない重心のずれを補正することにより、移動体の姿勢を安定させることを目的とする。

この発明に係る重心制御装置は、
移動体の重心を調整するために移動可能に設けられたバラストと、
前記移動体の角加速度を検出する角加速度検出部と、
前記角加速度検出部が検出した角加速度から、前記移動体の重心を所定の位置にするのに必要な前記バラストの移動方向及び距離を計算するバラスト情報計算部と、
前記バラスト情報計算部が計算した移動方向及び距離に従い、前記バラストを移動させる移動部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係る重心制御装置では、宇宙機等の移動体の角加速度に応じてバラストの位置を制御して移動体の重心を制御する。これにより、事前に予測できない重心のずれを補正することができ、例えば宇宙機の大気圏への再突入姿勢が安定し、再突入運用の成功率を向上させることができる。

実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２の構成図。実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２の動作を示すフローチャート。実施の形態１に係るバラスト計算装置５の構成図。直交する３軸について制御を行う重心制御装置２の構成図。実施の形態２に係る再突入宇宙機１の構成図。実施の形態３に係るバラスト計算装置５の入出力情報の説明図。実施の形態３に係るバラスト計算装置５の処理の流れを示すフローチャート。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２の構成図である。
実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２は、再突入宇宙機１の角加速度に応じてバラスト７（重り）を移動させ、再突入宇宙機１の重心位置を制御する。

再突入宇宙機１において角加速度が発生する仕組みを説明する。
再突入宇宙機１に角加速度を発生さえる原因は、スラスタ等の推進装置による制御がない状態においては、空力の合力によるものである。再突入宇宙機１の重心に原点をおき、回転しない座標系においては、重力、慣性力、空力が作用するが、重力、慣性力は重心周りのトルクには寄与しないため、重心周りの角加速度を発生させる要因は空力合力のみである。したがって、そのトルクは空力の圧力中心に代表される点における合力ベクトルによるトルクとして表現することができ、トルクが０になるということはこの合力ベクトルの線上に重心があることを意味している。
したがって、計画上空力合力ベクトルの線上に重心が位置するように設計されていても、重心の位置がずれるとそれに伴い発生するトルクによる角加速度が生じる。そこで、重心制御装置２が、角加速度が０になるようにバラスト７を移動させることより、再突入宇宙機１の重心位置が、空力合力ベクトルの線上に位置するようになる。

図２は、実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２の動作を示すフローチャートである。
ここでは、再突入宇宙機１の重心位置が、搭載されたカーゴの質量の誤差、搭載されたカーゴの位置の誤差により、予め計画された位置Ａから位置Ｂにずれてしまった状態を想定する。

Ｓ１１では、角加速度センサ３は、再突入宇宙機１の角加速度を検出して、検出した角加速度を角加速度情報４としてバラスト計算装置５へ出力する。Ｓ１２では、バラスト計算装置５は、角加速度情報４から再突入宇宙機１の重心位置を、位置Ｂから位置Ａにするために必要なバラスト７の移動方向及び移動量を計算して、計算した移動方向及び移動量を示す駆動信号６を移動装置８へ出力する。Ｓ１３では、移動装置８は、駆動信号６に従い、バラスト７をレール９に沿って移動させ、再突入宇宙機１の重心位置を位置Ｂから位置Ａにする。

Ｓ１２において、バラスト計算装置５は、角加速度が正（図１の紙面に向かって右ネジ方向）ならば、バラスト７が中心軸（図１の一点鎖線で示す軸）に近づく向きに、角加速度が負ならば、バラスト７が中心軸から遠ざかる向きに動く駆動信号６を生成する。
ここで、バラスト計算装置５が用いる制御則は、角加速度がバイアスなく、０に収束する制御則を用いる。例えば、バラスト計算装置５は、ＰＤ制御則を用いることができる。

図３は、実施の形態１に係るバラスト計算装置５の構成図である。なお、図３では、一例としてＰＤ制御側を用いた場合を示している。
バラスト計算装置５は、ゲイン乗算機１０、微分機１１を備える。ゲイン乗算機１０は、角加速度情報４が示す角加速度に、所定の比例ゲインを乗じた値を計算する。微分機１１は、角加速度情報４が示す角加速度を微分した値に、所定の微分ゲインを乗じた値を計算する。
バラスト計算装置５は、ゲイン乗算機１０が計算した値と、微分機１１が計算した値との和をバラスト７の移動方向及び移動量として、駆動信号６を生成する。

以上のように、実施の形態１に係る再突入宇宙機１の重心制御装置２では、再突入宇宙機１の角加速度に応じてバラスト７の位置を制御して再突入宇宙機１の重心を制御する。これにより、事前に予測できない重心のずれを補正することができ、再突入宇宙機１の大気圏への再突入姿勢が安定し、再突入運用の成功率を向上させることができる。

なお、上記説明では簡単のため１軸についての制御を説明した。しかし、実際には同じ制御を直交する３軸について行う必要がある。
図４は、直交する３軸について制御を行う重心制御装置２の構成図である。なお、図４では、再突入宇宙機１のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に対応して、添字１、２、３を対応させている。つまり、重心のＸ軸成分の制御用として、角加速度センサ３−１、角加速度情報４−１、駆動信号６−１、バラスト７−１、移動装置８−１、レール９−１を設ける。同様に、重心のＹ軸成分の制御用として、角加速度センサ３−２、角加速度情報４−２、駆動信号６−２、バラスト７−２、移動装置８−２、レール９−２を設置する。また、同様に、重心のＺ軸成分の制御用として、角加速度センサ３−３、角加速度情報４−３、駆動信号６−３、バラスト７−３、移動装置８−３、レール９−３を設置する。なお、バラスト計算装置５は、３軸の制御計算を１つの装置で行うとして共通化している。

また、重心のずれの範囲が予めある程度推定される場合には、重心位置が計画された位置に近づくようにバラスト７の初期位置を入力する機能（位置入力部）を設け、移動装置８が入力された初期位置にバラスト７を事前に移動させてもよい。このような初期設定機能を設けることにより、重心の補正制御を速やかに収束させることが可能である。なお、初期設定機能が故障した場合等には、重心制御装置２が初期位置にバラスト７を事前に移動させるのではなく、宇宙飛行士等が手動で初期位置にバラスト７を事前に移動させてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２では、重心制御装置２が重心制御を行うタイミングについて説明する。

図５は、実施の形態２に係る再突入宇宙機１の構成図である。図５では、再突入宇宙機１の構成のうち、説明に必要な一部の構成のみを示している。
ここでは、再突入宇宙機１は、姿勢をスラスタ等の推進装置１９（１９−１〜６）により制御されている場合を想定する。この場合には、推進装置１９が稼動している間は、推進装置１９による角加速度も発生するため、重心ずれによるトルクを検出することが難しくなる。一方、姿勢制御の推進装置１９は、連続的に稼動しているのではなく、間欠的に稼動する。したがって、重心ずれによる角加速度の計測を推進装置１９が稼動していない時間帯を用いて実施することができる。

図５に従い再突入宇宙機１の詳細な動作を説明する。
姿勢センサ１２は、再突入宇宙機１の姿勢レート１３を計測して、姿勢制御計算装置１４へ入力する。姿勢制御計算装置１４は、姿勢レート１３から姿勢制御に必要な姿勢制御量１６を姿勢制御装置１５により計算し、計算した制御量に従い推進系駆動信号１８（１８−１〜６）を推進駆動信号生成装置１７により生成する。そして、姿勢制御計算装置１４は、各推進系駆動信号１８により各推進装置１９を駆動する。
このとき、推進系駆動信号１８が出力されていないタイミングに、姿勢制御装置１５は、推進系駆動検出信号２０をバラスト計算装置５へ出力する。バラスト計算装置５は、推進系駆動検出信号２０が出力されているときに検出された角加速度情報４に基づき、バラスト７の移動方向及び移動量を計算する。

以上のように、実施の形態２に係る重心制御装置２では、推進装置１９が駆動していないときに重心制御を行うことにより、姿勢を安定させることができる。

なお、各軸独立で姿勢制御されているため、スラスタ噴射中（推進装置１９が駆動しているとき）でも、ある軸周りの制御トルクが発生しない噴射においては、その軸については重心ずれによるトルクの制御が可能である。したがって、推進系駆動検出信号２０に制御トルクが発生していない軸を識別できる要素を含め、バラスト計算装置５においてその軸に関する重心制御のみを実施する方式も考えられる。

また、ここでは、推進装置１９を６個としたが、推進装置１９の数は６個とは限らない。

実施の形態３．
実施の形態２では、推進装置１９が駆動していない場合に重心制御を行うことについて説明した。実施の形態３では、推進装置１９が駆動している場合に重心制御を行う方法について説明する。

各推進装置１９の推力が偶力として働き、その値も正確にわかっている場合は、推進系による角加速度が正確に分かる。そのため、推進系による角加速度を検出した角加速度から差し引くことにより重心のずれによる角加速度を算出することが可能となる。この原理により推進装置１９が駆動している場合でも重心制御を行うことができる。

図６は、実施の形態３に係るバラスト計算装置５の入出力情報の説明図である。
実施の形態２で説明したように、推進装置１９の駆動状態は、推進系駆動検出信号２０によりバラスト計算装置５に伝送される。また、再突入宇宙機１の各軸周りの角加速度情報４（４−１〜３）についてもバラスト計算装置５に入力される。バラスト計算装置５は、推進系駆動検出信号２０に基づき計算される推進装置１９の発生トルクと、角加速度の計測値とから、重心のずれによる角加速度を計算し、各軸のバラスト７（７−１〜３）を駆動させる駆動信号６（６−１〜３）を出力する。

図７は、実施の形態３に係るバラスト計算装置５の処理の流れを示すフローチャートである。
Ｓ２１では、バラスト計算装置５は、推進系駆動検出信号２０から、駆動中の推進装置１９の対を検出し、それらの発生する各軸周りのトルク（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を計算する。
Ｓ２２では、各推進装置１９の対は偶力を生成することを前提としているため、各推進装置１９の推力と各推進装置１９の位置とによりトルクを計算することが可能である。そこで、バラスト計算装置５は、このトルクを計算し、このトルクから、バラスト計算装置５の慣性モーメント行列を用いて、このトルクによる各軸周りの角加速度（βｘｔ，βｙｔ，βｚｔ）を計算する。なお、慣性モーメント行列は、厳密には重心がずれることにより変化するが、その変化分については無視して、計画上の重心を用いて計算すればよい。
バラスト計算装置５は、以下の式１のように、計算した各軸周りの角加速度を角加速度センサ３が検出した各軸についての角加速度（βｘ，βｙ，βｚ）から差し引くことで、重心のずれによる各軸周りの角加速度（βｘｇ，βｙｇ，βｚｇ）を求めることができる。
＜式１＞
βｘｇ＝βｘ−βｘｔ
βｙｇ＝βｙ−βｙｔ
βｚｇ＝βｚ−βｚｔ
Ｓ２３では、バラスト計算装置５は、Ｓ２２で計算した各軸周りの角加速度（βｘｇ，βｙｇ，βｚｇ）を実施の形態１で説明した角加速度情報４（４−１〜３）とみなす。そして、実施の形態１と同様に、この角加速度が０になるように重心制御を行う。

以上のように、実施の形態３に係る重心制御装置２では、推進装置１９が駆動している場合であっても、重心制御を行い、姿勢を安定させることができる。

なお、重心制御装置２は、再突入宇宙機１だけでなく、重心の位置により姿勢が影響を受ける移動体、例えば、航空機、自動車等にも利用可能である。

１再突入宇宙機、２重心制御装置、３角加速度センサ、４角加速度情報、５バラスト計算装置、６駆動信号、７バラスト、８移動装置、９レール、１０ゲイン乗算機、１１微分機、１２姿勢センサ、１３姿勢レート、１４姿勢制御計算装置、１５姿勢制御装置、１６姿勢制御量、１７推進駆動信号生成装置、１８推進系駆動信号、１９推進装置、２０推進系駆動検出信号。

Claims

移動体の重心を調整するために移動可能に設けられたバラストと、
前記移動体の角加速度を検出する角加速度検出部と、
前記角加速度検出部が検出した角加速度から、前記移動体の重心を所定の位置にするのに必要な前記バラストの移動方向及び距離を計算するバラスト情報計算部と、
前記バラスト情報計算部が計算した移動方向及び距離に従い、前記バラストを移動させる移動部と
を備えることを特徴とする重心制御装置。
前記バラスト情報計算部は、前記角加速度に所定の比例ゲインを乗じた値と、前記角加速度の微分に所定の微分ゲインを乗じた値とを加算して、前記バラストの移動方向及び距離を計算する
ことを特徴とする請求項１に記載の重心制御装置。
前記角加速度検出部は、前記移動体に推力を与える推進装置が稼働していない場合に、前記角加速度を検出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の重心制御装置。
前記角加速度検出部は、前記移動体に推力を与える推進装置が直交する３軸のうちの所定の軸周りにトルクを発生しない状態となった場合に、前記所定の軸周りの角加速度を検出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の重心制御装置。
前記重心制御装置は、さらに、
前記移動体に推力を与える推進装置により発生する偶力を計算する偶力計算部
を備え、
前記バラスト情報計算部は、前記角加速度検出部が検出した角加速度から、前記偶力計算部が計算した偶力による角加速度を差し引いた値から、前記バラストの移動方向及び距離を計算する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の重心制御装置。
前記重心制御装置は、さらに、
前記バラストの位置を入力可能な位置入力部
を備え、
前記移動部は、前記位置入力部が入力した位置に前記バラストを移動させ、
前記角加速度検出部は、前記位置入力部が入力した位置に前記バラストを前記移動部が移動させた後、前記角加速度を検出する
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の重心制御装置。
角加速度センサが、移動体の角加速度を検出する角加速度検出ステップと、
計算装置が、前記角加速度検出ステップで検出した角加速度から、前記移動体の重心を所定の位置にするのに必要なバラストの移動方向及び距離を計算する計算ステップと、
移動装置が、前記バラスト情報計算ステップで計算した移動方向及び距離に従い、前記バラストを移動させて、前記移動体の重心を調整する移動ステップと
を備えることを特徴とする重心制御方法。
移動体の角加速度を検出する角加速度検出処理と、
前記角加速度検出処理で検出した角加速度から、前記移動体の重心を所定の位置にするのに必要なバラストの移動方向及び距離を計算する計算処理と、
前記バラスト情報計算処理で計算した移動方向及び距離に従い、前記バラストを移動させて、前記移動体の重心を調整する移動処理と
をコンピュータに実行させることを特徴とする重心制御プログラム。