JP2017072138A - ロケットエンジンを調整するための方法および回路 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室と、液体推進剤を圧送するための第１のポンプおよびポンプを作動させるためのタービンを持つ液体推進剤供給回路と、供給弁と、タービンを調整するためのレギュレータ装置とを備えるロケットエンジンの作動を簡単でロバストな方法で調整することができる方法を提案する。【解決手段】調整方法および回路においては、第１の供給弁１５を開くための開指令ＤＶＣＨが、開ループ制御関係を適用する場合に外部指令Ｃｅｘｔから計算され、第１のタービン１４のレギュレータ装置のための指令が、閉ループ制御関係を適用する場合に、前記外部指令および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として計算され、第１の供給弁および第１のタービンのレギュレータ装置が、それぞれの指令を適用する場合に制御される。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの液体推進剤を有するロケットエンジンの分野に関し、およびより正確には、ロケットエンジンを調整することに関する。

用語「ロケットエンジン」は、本明細書においては、高エンタルピー気体をノズルで、特に収縮−拡散ノズルで膨張させ、加速することによって推力を発生させるのに適している任意の嫌気性反動エンジンを意味するのに使用される。ロケットエンジンは、特に化学ロケットエンジンを含み、その場合、高エンタルピー気体は、ノズルから上流の少なくとも１つの燃焼室で化学反応によって生成される。この種の化学ロケットエンジンは、固体推進剤ロケットであってもよく、高エンタルピー気体は、少なくとも１つの推進剤の化学反応によって生成される。したがって、用語「少なくとも１つの液体推進剤を有するロケットエンジン」は、単一の液体推進剤、複数の液体推進剤を有する、またはハイブリッドである化学ロケットエンジンに適用されると理解することができる。少なくとも１つの液体推進剤を有するこの種のロケットエンジンにおいては、原則として、燃焼室への液体推進剤供給（複数の供給）によって、高エンタルピー気体の、したがって推力の発生を調整することができる。特にターボポンプによる供給を含めて、この種の供給（複数の供給）を提供するためのいくつかの代替が知られており、その場合、ロケットエンジンの燃焼室には、燃焼室に液体推進剤を供給するための第１のポンプおよび第１のポンプを駆動するための第１のタービンを有する第１の液体推進剤供給回路を介して少なくとも第１の推進剤が供給される。

ロケットエンジンの分野においては、広範囲の値、たとえば公称推力の２０％から１００％にわたって推力を調整することかできるようにますます求められている。たとえば、スペースランチャーにあっては、それにより、特に複数のランチャーについてランチャーの汎用性を増大させ、またそれらの経済効率を増大させることができる。人工衛星または軌道間輸送機の場合は、この種の拡大された推力範囲により、ロケット本体の寿命を延ばすことができるようになり、それによってまた、非常に有利な経済的な副次的効果が達成される。

それにもかかわらず、この種の調整は、通常、比較的複雑な調整方法および回路を使用し、少なくとも１つの液体推進剤の燃焼室への供給を制御するための多数の弁および他の装置を必要とする。これは、かなりの計算能力を必要とする場合もあるが、それは、この種のロケット本体内で限られた手段によって達成することは困難であり、それはまた、複数のレギュレータ装置のいずれかの故障に対して調整を脆弱とする。

したがって、本開示は、少なくとも１つの燃焼室と、第１の液体推進剤を圧送するための第１のポンプおよび第１のポンプを作動させるための第１のタービンを持つ第１の液体推進剤供給回路と、第１の供給弁と、第１のタービンを調整するためのレギュレータ装置とを備えるロケットエンジンの作動を簡単でロバストな方法で調整することができる方法を提案することによってそれらの欠点を改善しようとするものである。

少なくとも１つの実施においては、この目的は、調整方法が、次のステップ、すなわち、
開ループ制御関係を適用する場合に、外部指令から第１の供給弁を開くための開指令を計算するステップと、
閉ループ制御関係を適用する場合に、前記外部指令、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第１のタービンのレギュレータ装置のための指令を計算するステップと、
それぞれの指令に従って、第１の供給弁および第１のタービンのレギュレータ装置を制御するステップと、
を含むという事実によって達成される。

これらの対策によって、第１のタービンの閉ループ制御は、第１の供給弁の開ループ制御による誤差を修正する働きをし、それによって、ロケットエンジンを、比較的少量の計算能力を用いながらでも、かつ限られた数のレギュレータ装置に作用しながら正確に調整できるようになる。

調整方法は、エキスパンダサイクルロケットエンジンに特に適用でき、その場合、前記第１の供給回路は、第１のポンプから下流の第１の液体推進剤を加熱するための熱交換器を含み、この場合、熱交換器で加熱される第１の液体推進剤が第１のタービンで膨張することによって第１のポンプを駆動するように、熱交換器から下流の第１のタービンを通り抜ける。それにもかかわらず、この調整方法はまた、たとえば少なくとも第１のタービンに高温燃焼ガスを供給するガス発生器を有するガス発生器ロケットエンジンなどの、他の種類のロケットエンジンに適用できる。こうした状況では、第１のタービンのレギュレータ装置は、特に、ガス発生器の少なくとも１つの供給弁を含むことができる。そのうえ、用語「ガス発生器」は、多段燃焼ロケットエンジンに燃焼プレチャンバを含む、全燃焼または部分燃焼を行うための、かつ高温燃焼ガスを生成することができる任意の装置に広く適用されることを理解されたい。

ロケットエンジンが、エキスパンダ型ロケットエンジン、ガス発生器ロケットエンジン、またはある他種のロケットエンジンであるかどうかとは無関係に、第１のタービンのレギュレータ装置は、特に、第１のタービンを迂回するためのバイパス弁を備えることができる。したがって、この種のバイパス弁により、タービンを通過する駆動流体流が調整できるようになり、それによって、第１のポンプによって圧送され、したがって第１の供給弁を介して燃焼室に送達される第１の推進剤の流量を間接的に調整することができる。

前記外部指令は、特に、燃焼室のガス圧力のための指令値を含むことができる。こうした状況では、少なくとも１つのフィードバック値は、この場合、閉ループ制御関係が指令値と測定値との間の誤差を修正するように、燃焼室のガス圧力の測定値を含むことができる。それにもかかわらず、フィードバック値として測定値の代わりに推定値を用いることを考えることも可能である。

第１の供給弁および／または第１のタービンのレギュレータ装置に加えられる応力を制限するために、本方法はまた、外部指令をトラッキングフィルタでフィルタリングするステップを含むことができ、この場合、燃焼室の第１の供給弁を開くための指令は、このフィルタリングステップでフィルタリングされた外部指令を基礎として計算されることができ、かつ／または第１のタービンのレギュレータ装置のための指令は、少なくとも１つのフィードバック値、およびこのフィルタリングされたステップでフィルタリングされた外部指令を基礎として外乱補正器によって計算されることができ、外乱補正器は、トラッキングフィルタのカットオフ周波数よりも高いカットオフ周波数を有する。

調整方法は、単一の推進剤ロケットエンジンまたはハイブリッドロケットエンジンを調整するために使用され得るが、その場合、燃焼室には、したがってただ１つの液体推進剤が供給され、本方法はまた、第２の液体推進剤を供給するための第２の液体推進剤供給回路を同じく有するロケットエンジンに適用できる。次に、前記外部指令は、第１の推進剤の流量と第２の推進剤の流量との間の比率のための指令値を含むことができる。こうした状況では、少なくとも１つのフィードバック値は、第１の推進剤の流量および第２の推進剤の流量の比の測定値を含むことができ、その比は、この場合、第１のタービンを調整するための閉ループにおけるその指令値と比較され得る。

第２の液体推進剤供給回路は、特に第２の供給弁を含むことができ、この場合、調整方法は、開ループ制御関係を適用する場合に外部指令を基礎として第２の供給弁を開くための開指令を計算するステップを含むことができ、第２の供給弁は、この開指令を適用する場合に制御される。

そのうえ、たとえば加圧タンクなどの、第２の推進剤の流れを確立するための他の手段を考えることができるが、第２の液体推進剤供給回路は、特に、第２の液体推進剤のための第２のポンプを含むことができる。この第２のポンプは、第１のタービンによって、または当業者によって考えられ得る他の手段によって作動され得るが、１つの特に適切な選択肢は、ロケットエンジンが第２のポンプを駆動するための第２のタービンを有することである。こうした状況では、ロケットエンジンは、第２のタービンを調整するためのレギュレータ装置をさらに含むことができ、調整方法はまた、閉ループ制御関係を適用する場合に前記外部指令、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第２のタービンのレギュレータ装置のための指令を計算するステップと、第２のタービンのレギュレータ装置のためのこの指令を適用する場合に第２のタービンのレギュレータ装置を制御するステップとを含むことができる。

したがって、推進剤の両方の流れは、類似の方法で調整される。第１のタービンのレギュレータ装置および第２のタービンのレギュレータ装置は、単一の装置でさえあることができ、かつ／またはある一定の要素を共有することができる。

本開示はまた、少なくとも１つの液体推進剤を有するロケットエンジンを調整するための回路であり、前記ロケットエンジンが、少なくとも１つの燃焼室と、第１の液体推進剤を圧送するための第１のポンプおよび第１のポンプを作動させるための第１のタービンを持っている第１の液体推進剤供給回路と、第１の供給弁と、第１のタービンを調整するためのレギュレータ装置とを備える、回路を提供する。

少なくとも１つの実施形態においては、調整回路は、少なくとも第１の供給弁を制御するための開ループであって、外部指令を基礎として燃焼室の第１の供給弁を開くための指令を計算するためのモジュールを含む、開ループと、第１のタービンを制御するための閉ループであって、前記外部指令、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第１のタービンのレギュレータ装置のための指令を計算するためのモジュールを持つ、閉ループとを備える。

そのうえ、本開示はまた、この種のレギュレータ回路が装着されているロケットエンジンに、ならびにプログラマブル電子制御ユニットで調整方法を実行するための命令を含むソフトウェアおよび／またはデータ媒体に関する。用語「データ媒体」は、データが耐久性のある方法でおよび／または過渡的に格納され、その後、コンピュータシステムによって読み取られることができるようになる任意の媒体に適用される。したがって、用語「データ媒体」は、なかんずく、磁気テープ、磁気および／または光ディスク、および固体電子メモリに適用されるが、それらは、揮発性であってもまたは不揮発性であってもよい。

本発明は、非限定的な実施例として示される実施形態の次の詳細な説明を読むと、十分に理解されることができ、その利点がよりよく明らかになる。説明は、添付の図面を参照している。

本発明の一実施形態における、エキスパンダサイクルを用いた２推進剤ロケットエンジンの線図である。 図１のロケットエンジンのレギュレータ回路の機能図である。 多段燃焼の２推進剤ロケットエンジンの線図である。 図３のロケットエンジンのレギュレータ回路の機能図である。

図１は、例示としてロケットランチャーステージ、軌道間輸送機、またはある他の宇宙飛行体に組み込まれ得る種類のエキスパンダサイクルロケットエンジン１を示す図である。

ロケットエンジン１は、推進チャンバ２、第１の供給回路１０、第２の供給回路２０、および電子制御ユニット５０を備える。推進チャンバ２は、燃焼室３と、点火器５と、燃焼室３において第１および第２の液体推進剤の混合物の燃焼によって生成される高エンタルピー気体を膨張させ、超音速で排出するためのノズル４とを備える。第１の供給回路１０は、燃焼室３に第１の液体推進剤を供給するために、第１の液体推進剤を収容する第１のタンク１１を推進チャンバ２に接続する。第２の供給回路２０は、燃焼室３に第２の液体推進剤を供給するために、第２の液体推進剤を収容する第２のタンク２１を推進チャンバ２に接続する。

示される実施形態においては、第１の供給回路１０は、第１のタンク１１から燃焼室３の内側まで第１の推進剤の流れ方向に連続して、第１のポンプ１２、熱交換器１３、第１のタービン１４、第２のタービン２４、および燃焼室３の第１の供給弁１５を備える。第２の供給回路２０は、第２のタンク２１から燃焼室３の内側まで第２の推進剤の流れ方向に連続して、第２のポンプ２２、および燃焼室３の第２の供給弁２５を備える。そのうえ、第１および第２の流量センサ１６および２６が、燃焼室に送達される推進剤の各々の（体積または質量）流量を測定するために第１および第２の供給回路１０および２０にそれぞれ取り付けられる。示される実施形態においては、流量センサ１６および２６は、燃焼室の供給弁１５および２５から直ぐ上流に位置しているが、しかしながら、代替として他の位置、およびまた、推定値もしくはモデルなどのこれらの大きさを得るための他の手段を考えることも可能である。そのうえ、圧力センサ３０が、燃焼室３の内側に取り付けられる。

熱交換器１３は、燃焼室３内の推進剤の燃焼による熱によって第１の推進剤を加熱するように、推進チャンバ２の少なくとも１つの壁によって形成され、その一方で壁を冷却する。第１のタービン１４は、第１のポンプ１２に機械的に連結され、それによって第１のターボポンプＴＰ１を形成する。そのうえ、第２のタービン２４は、第２のポンプ２２に機械的に連結され、それによって第２のターボポンプＴＰ２を形成する。このように、第１の推進剤が熱交換器１３において加熱された後に、第１のタービン１４内の第１の推進剤の第１の部分膨張が、第１のポンプ１２を駆動し、燃焼室３に第１の推進剤を供給する働きをし、次いで、第１の推進剤の第２の部分膨張が、燃焼室３に第２の推進剤を供給するために第２のポンプ２２を駆動することができる。そのうえ、第１の供給回路１０はまた、第１および第２のタービン１４および２４を迂回するためのバイパス分岐１７を有し、この分岐は、第１および第２のタービン１４および２４を迂回するためのバイパス弁１７ｖを含み、第１の回路はまた、第２のタービン２４を迂回するためのバイパス弁１８ｖによって第２のタービン２４を迂回するためのバイパス分岐１８を有する。このように、バイパス弁１７ｖ、１８ｖは、第１および第２のタービン１４および２４を調整するための装置を形成する。

示される一実施形態においては、流量センサ１６および２６、ならびに圧力センサ３０、ならびにまた供給弁１５および２５、ならびにバイパス弁１７ｖおよび１８ｖはすべて、ロケットエンジン１を調整するためのレギュレータ回路６０を形成するために電子制御ユニット５０に接続され、その回路が図２に示されている。特に、この電子制御ユニット５０は、所定のサンプリングレートで動作するデジタルコンピュータを特に備えることができる。

図２に示されるように、レギュレータ回路６０は、供給弁１５および２５を制御するための開ループ８０、ならびにタービン１４および２４を制御するための閉ループ９０から上流にトラッキングフィルタ７０を備えることができる。トラッキングフィルタ７０は、特に、１次または２次トラッキングフィルタであってもよい。示される実施形態においては、フィルタは、両方のループ８０および９０に共通であるが、各ループに特定のトラッキングフィルタを有することを考えることも可能である。フィルタは、それぞれ燃焼室３のガス圧力に、および２つの推進剤の間の流量比に関して指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｅｘｔ}およびｒ_{ｃ＿ｅｘｔ}を含む外部指令Ｃ_ｅｘｔをフィルタリングするためであり、それによって、フィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｆｉｌｔ}およびｒ_{ｃ＿ｆｉｌｔ}を持つフィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔが生じる。トラッキングフィルタ７０は、特に、式：
Ｃ_ｆｉｌｔ（ｋ）＝Ｋ_{ｆｉｌｔ１}Ｃ_ｆｉｌｔ（ｋ−１）＋Ｋ_{ｆｉｌｔ２}Ｃ_ｅｘｔ（ｋ−１）
を用いた１次デジタルフィルタであることができ、
ここに、サンプリングの瞬間ｋにおけるフィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｆｉｌｔ}およびｒ_{ｃ＿ｆｉｌｔ}の各々は、第１の所定の定数Ｋ_{ｆｉｌｔ１}で乗算された先行するサンプリングの瞬間ｋ−１に対応するフィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｆｉｌｔ}およびｒ_{ｃ＿ｆｉｌｔ}と、第２の所定の定数Ｋ_{ｆｉｌｔ２}で同じく乗算された瞬間ｋ−１における対応する指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｅｘｔ}およびｒ_{ｃ＿ｅｘｔ}とを加算することに対応する。たとえば、３秒（ｓ）の最小の応答を有することになるエンジンについては、１０ミリセカンド（ｍｓ）のサンプリングレートの場合、Ｋ_{ｆｉｌｔ１}の値は、０．９９００５であることができ、Ｋ_{ｆｉｌｔ２}の値は、０．００９９５であることができる。

開ループ８０は、フィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔを基礎として燃焼室３の供給弁１５および２５を開くための指令ＤＶＣＯおよびＤＶＣＨを計算するためにトラッキングフィルタ７０に接続される第１の計算モジュール８１を含む。この計算モジュール８１は、次の式：
ＤＶＣＯ＝Ｋ_１Ｘ^４＋Ｋ_２Ｘ^３＋Ｋ_３Ｘ^２＋Ｋ_４Ｘ＋Ｋ_５
ＤＶＣＨ＝Ｋ_６Ｘ^４＋Ｋ_７Ｘ^３＋Ｋ_８Ｘ^２＋Ｋ_９Ｘ＋Ｋ_１０
によって与えられるものなどの、多項式制御関係を使用するように特に構成されることができ、
ここに、Ｋ_１からＫ_１０は、所定の係数であり、ｘは、ガス圧力のフィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｆｉｌｔ}と、燃焼室のガス圧力の所定の最大値ｐ_{ｇｃ，ｍａｘ}との間の比率である。

それにもかかわらず、たとえば人工ニューラルネットワークを利用する制御関係などの、他の種類の制御関係がまた考えられ得る。計算モジュール８１は、開指令ＤＶＣＯおよびＤＶＣＨをそれに送信するために燃焼室３の供給弁１５および２５のアクチュエータに接続され、その指令は、対応する弁の閉位置から弁の閉位置と最大開位置との間のその全ストロークまでの、各アクチュエータの移動の間の比率に対応する。

閉ループ９０は、０による除算に対する防護をあるいは持っている除算器モジュール９２と、フィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔを、ならびに圧力センサ３０によって測定されたガス圧力値ｐ_ｇｃ，ｍ、および流量センサ１６によって測定された流量Ｑ_１と流量センサ２６によって測定された流量Ｑ_２との間の比率ｒ_ｍを含むフィードバック値を、基礎としてバイパス弁１７ｖおよび１８ｖを開くための指令ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯを計算するためにトラッキングフィルタ７０に、圧力センサ３０に、および除算器モジュール９２を介して流量センサ１６および２６に、接続される計算モジュール９１とを含む。計算モジュール９１は、トラッキングフィルタ７０のカットオフ周波数よりも高いカットオフ周波数を有し、たとえば、次の式：
ＤＶＢＰＨ（ｋ）＝ＤＶＢＰＨ（ｋ−１）−Ｋ_ｐ１ｅｒｒ_ｐｇｃ（ｋ）＋Ｋ_ｐ１ｅｒｒ_ｐｇｃ（ｋ−１）−Ｋ_ｉ１Ｔ_ｅｅｒｒ_ｐｇｃ（ｋ−１）
ＤＶＢＰＯ（ｋ）＝ＤＶＢＰＯ（ｋ−１）−Ｋ_ｐ２ｅｒｒ_ｒ（ｋ）＋Ｋ_ｐ２ｅｒｒ_ｒ（ｋ−１）−Ｋ_ｉ２Ｔ_ｅｅｒｒ_ｒ（ｋ−１）
を適用する場合に、ガス圧力のフィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｆｉｌｔ}と圧力センサ３０によって測定されたガス圧力値ｐ_ｇｃ，ｍとの間の誤差ｅｒｒ_ｐｇｃを基礎としてバイパス弁１７ｖを開くための指令ＤＶＢＰＨを生成するための第１の比例積分型補正器９３、および、推進剤流量比のフィルタリングされた指令値ｒ_{ｃ＿ｆｉｌｔ}と、流量センサ１６によって測定された流量Ｑ_１および流量センサ２６によって測定された流量Ｑ_２の間の比率ｒ_ｍとの間の誤差ｅｒｒ_ｒを基礎としてバイパス弁１８ｖを開くための指令ＤＶＢＰＯを生成するための第２の比例積分型補正器９４を持っている、図２に示すような二重比例積分型外乱補正器の形態になることができ、
ここに、ＤＶＢＰＨ（ｋ）およびＤＶＢＰＯ（ｋ）は、サンプリングの瞬間ｋにおけるそれぞれの指令値ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯであり、ＤＶＢＰＨ（ｋ−１）およびＤＶＢＰＯ（ｋ−１）は、先行するサンプリングの瞬間ｋ−１における同じ指令の値であり、ｅｒｒ_ｐｇｃ（ｋ）およびｅｒｒ_ｒ（ｋ）は、サンプリングの瞬間ｋにおけるそれぞれの誤差ｅｒｒ_ｐｇｃおよびｅｒｒ_ｒの値であり、ｅｒｒ_ｐｇｃ（ｋ−１）およびｅｒｒ_ｒ（ｋ−１）は、先行する先行するサンプリングの瞬間における同じ誤差の値であり、Ｋ_ｐ１およびＫ_ｐ２は、それぞれ第１および第２の比例積分型補正器９３および９４の比例定数であり、Ｋ_ｉ１およびＫ_ｉ２は、それらのそれぞれの積分定数であり、Ｔ_ｅは、計算モジュール９１のサンプリングレートである。例示として、比例定数Ｋ_ｐ１およびＫ_ｐ２は、８．１／メガパスカル（ＭＰａ^−１）および９０ＭＰａ^−１のそれぞれの値を有することができ、積分定数Ｋ_ｉ１およびＫ_ｉ２は、１０ｍｓのサンプリングレートＴ_ｅの場合に、５４／メガパスカル−秒（ＭＰａ^−１ｓ^−１）および６０００ＭＰａ^−１ｓ^−１のそれぞれの値を有することができる。

それにもかかわらず、計算モジュール９１は、あるいは、たとえば多変数補正器、および特に予測内部モデルを用いた補正器の形態のような他の形態を有することができる。

作動時に、第１の液体推進剤は、特に液体水素などの極低温流体であってもよいが、第１のタンク１１から取り出され、第１の供給回路１０を通して第１のポンプ１２によって燃焼室３に圧送される。熱交換器１３においては、第１の液体推進剤が加熱され、それによって、そのエンタルピーが増加する。次に、この追加のエンタルピーのほんの一部分が、第１のタービン１４を通しておよび第２のタービン２４を通して通過する第１の液体推進剤の流量のそれぞれの小部分の少なくとも部分膨張によって第１のポンプ１２および第２のポンプ２２を駆動するのに使用される。それらのそれぞれのバイパス弁１７ｖおよび１８ｖを持つバイパスダクト１７および１８は、２つのタービン１４および２４の各々を通り抜ける第１の液体推進剤の全流量の割合を調整し、また２つのターボポンプＴＰ１およびＴＰ２の速度を調整する働きをする。次いで、第１の液体推進剤の全流量が、燃焼室３の第１の供給弁１５を通り抜け、それによって、燃焼室３に注入されるより前に、前記全流量を調整することに寄与する。第２の液体推進剤は、同様に極低温流体、たとえば液体酸素であってもよいが、第２のタンク２１から取り出され、燃焼室３に注入されるように燃焼室３の第２の供給弁２５を含む、第２の供給回路２０を通して第２のポンプ２２によって圧送される。第２の供給弁２５は、その流量を調整することに寄与する。

燃焼室３内で混合される２つの推進剤は、多量の熱を放出する燃焼を始め、それによって、高エンタルピー燃焼ガスが生成され、それは、ノズル４内で膨張させ超音速まで加速することによって反対方向に推力を発生させる。同時に、推進剤の燃焼によって放出される熱のほんの一部分は、熱交換器１３を通して流れる第１の液体推進剤を加熱することに寄与する。

ロケットエンジン１によってこのように発生される推力は、特に、燃焼室のガス圧力ｐ_ｇｃ、ｍに、およびガス温度に、およびしたがって間接的に２つの推進剤の流量Ｑ_１およびＱ_２に依存する。これらの値は、流量センサ１６および２６によって、および圧力センサ３０によって測定され、それらは、電子制御ユニット５０に送信される。

電子制御ユニット５０においては、トラッキングフィルタ７０は、指令値ｐ_{ｇｃ，ｃ＿ｅｘｔ}およびｒ_{ｃ＿ｅｘｔ}を含む外部指令Ｃ_ｅｘｔをフィルタリングし、これは、フィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔを、供給弁１５および２５を制御するための開ループ８０に、およびタービン１４および２４を制御するための閉ループ９０に送信する。例示として、この外部指令Ｃ_ｅｘｔは、プログラムされたプロファイルを追跡するために電子制御ユニット５０の内部メモリに格納された予めプログラムされたプロファイルに従うことができ、これは、ロケットエンジン１によって推進されるロケット本体の飛行データに応じて電子制御ユニット５０によって飛行中に計算されることができ、または、これは、基地局からロケット本体に送信され得る。

供給弁１５および２５を制御するための開ループにおいては、トラッキングフィルタ７０に接続される第１の計算モジュール８１は、フィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔを基礎として燃焼室３の供給弁１５および２５を開くための指令ＤＶＣＯおよびＤＶＣＨを計算する。次いで、これらの開指令ＤＶＣＯおよびＤＶＣＨは、燃焼室３への推進剤の供給を制御し、それによってロケットエンジン１が作動する割合を制御するために、供給弁１５および２５のアクチュエータに送信される。

タービン１４および２４を制御するための閉ループ９０は、この稼働率のより正確な調整を得る働きをする。この閉ループにおいては、フィルタリングされた外部指令Ｃ_ｆｉｌｔのフィルタリングされた指令値ｐ_{ｇｃ，ｆｉｌｔ}およびｒ_ｆｉｌｔは、計算モジュール９１がバイパス弁１７ｖおよび１８ｖを開くための指令ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯを計算するものを基礎として、対応する誤差ｅｒｒ_ｐｇｃおよびｅｒｒ_ｒを得るためにそれぞれの測定値ｐ_ｇｃ，ｍおよびｒ_ｍと比較される。次いで、これらの開指令ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯは、タービン１４および２４の速度を調整するために、および外部指令Ｃ_ｅｘｔからのロケットエンジンの稼働率の偏差を修正するためにバイパス弁１７ｖおよび１８ｖのアクチュエータに送信される。

電子制御ユニット５０、および特に開ループ８０の計算モジュール８１は、閉ループ９０のバイパス弁１７ｖおよび１８ｖを開くための指令ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯが全開の２０％から８０％の範囲内に留まるように構成され得る。特に、これは、係数Ｋ_１からＫ_１０を適切に選択することによって達成され得る。

この第１の実施形態においては、調整方法およびシステムは、エキスパンダ型ロケットエンジンの作動を調整する働きをするが、たとえば図３に示される多段燃焼ロケットエンジンなどの、他の種類のロケットエンジンを調整するようにそれらを適合させることを考えることも可能である。

また、このロケットエンジン１は、推進チャンバ２、第１の供給回路１０、第２の供給回路２０、および電子制御ユニット５０を有する。推進チャンバ２は、燃焼室３と、点火器５と、燃焼室３において燃焼によって生成される高エンタルピー気体を膨張させ、超音速で排出するためのノズル４とを備える。第１の供給回路１０は、ガス発生器１００に第１の液体推進剤を供給するために、第１の液体推進剤を収容する第１のタンク１１を燃焼プレチャンバを形成するガス発生器１００に接続する。第２の供給回路２０は、燃焼室３およびガス発生器１００に第２の液体推進剤を供給するために、第２の液体推進剤を収容する第２のタンク２１を推進チャンバ２におよびガス発生器１００に接続する。結局、ダクト１０１および１０２が、前記第１および第２の推進剤の混合物のガス発生器１００内の部分燃焼から生じるガスを燃焼室に供給するために、ガス発生器１００を推進チャンバ２に接続し、その混合物は、第１の推進剤に富んでいる。

この第２の実施形態においては、第１の供給回路１０は、第１の推進剤の流れ方向に連続して、第１のポンプ１２、第１の供給弁１５、および熱交換器１３を備える。第１の供給回路１０はまた、第１のポンプ１２を駆動するために、それを通って通過するダクト１０１を有する第１のタービン１４を含む。第２の供給回路２０は、第２の推進剤の流れ方向に連続して、第２のポンプ２２、および第２の供給弁２５を備える。第２のポンプ２２を駆動するために、第２の供給回路２０はまた、ダクト１０２がそれを通って通過する第２のタービン２４と、ガス発生器１００に供給するための弁１０４を有する分岐部１０３とを有する。そのうえ、第１および第２の流量センサ１６および２６が、燃焼室に送達される推進剤の各々の（体積または質量）流量を測定するために第１および第２の供給回路１０および２０にそれぞれ取り付けられる。この第２の実施形態においては、これらの流量センサ１６および２６は、ポンプ１２および２２から直ぐ下流に位置しているが、しかしながら、推定値もしくはモデルなどのこれらの大きさを得るための他の手段が考えられ得るように、他の位置がまた代替として考えられることもできる。加えて、圧力センサ３０が、燃焼室３の内側に取り付けられる。

熱交換器１３は、燃焼室３内の推進剤の燃焼の熱によって第１の推進剤を加熱するように、推進チャンバ２の少なくとも１つの壁に形成され、その一方でこの壁を冷却する。第１のタービン１４は、第１のポンプ１２に機械的に連結され、それによって第１のターボポンプＴＰ１を形成する。そのうえ、第２のタービン２４は、第２のポンプ２２に機械的に連結され、それによって第２のターボポンプＴＰ２を形成する。したがって、第２のポンプ２２と第２の弁２５との間の第２の推進剤の主流から得られる第２の推進剤の一部から成る第１の推進剤のガス発生器１００内の部分燃焼が、第１の推進剤に富んでいるガス混合物を生成する働きをし、ガス発生器１００から第１のダクト１０１を介して推進チャンバ２に流れるその混合物の第１の小部分は、第１の推進剤が流れるように第１のタービン１４内で部分的に膨張することによって第１のポンプ１２を駆動するのに適しているが、ガス発生器１００から第２のダクト１０２を介して推進チャンバ２に並行して流れる第２の小部分は、第２の推進剤が流れるように第２のタービン２４内での部分膨張によって第２のポンプ２２を駆動することができる。そのうえ、アセンブリはまた、ダクト１０２に取り付けられる弁１０５を有する。したがって、弁１０４および１０５は、タービン１４および２４を調整するための手段を形成する。

この第２の実施形態においては、流量センサ１６および２６、ならびに圧力センサ３０、ならびに弁１５、２５、１０４、および１０５はすべて、ロケットエンジン１のレギュレータ回路６０を形成するために電子制御ユニット５０に接続され、その回路が図４に示されている。第１の実施形態の場合のように、この第２の実施形態の電子制御ユニット５０は、所定のサンプリングレートで動作するデジタルコンピュータを同様に備えることができる。

この第２の実施形態のレギュレータ回路６０は、第１の実施形態の回路に広く類似しており、これは、主として、その閉ループ９０がバイパス弁を用いることによる代わりに弁１０４および１０５を用いることによってタービン１４および２４の作動を調整するという点で第１の実施形態の回路と異なる。このために、計算モジュール９１は、第１の実施形態の指令ＤＶＢＰＨおよびＤＶＢＰＯに類似して弁１０４および１０５を開くための指令ＤＰＢＯＶおよびＤＨＧＶを計算する。この第２の実施形態の他の要素は、第１の実施形態のそれらと同等であり、それらには、図面に同じ参照符号が与えられる。

本発明は、特定の実施を参照して説明されているが、さまざまな改造および変更が、特許請求の範囲によって定義されるように本発明の一般領域の範囲を超えることなくこれらの実施形態に対して行われ得る。加えて、言及されたさまざまな実施の個々の特徴は、追加の実施に組み合わされ得る。したがって、説明および図面は、限定的ではなく例示的な意味で考慮されるべきである。

１ ロケットエンジン
２ 推進チャンバ
３ 燃焼室
４ ノズル
５ 点火器
１０ 第１の供給回路
１１ 第１のタンク
１２ 第１のポンプ
１３ 熱交換器
１４ 第１のタービン
１５ 第１の供給弁
１６ 第１の流量センサ
１７、１８ バイパス分岐、バイパスダクト
１７ｖ、１８ｖ バイパス弁
２０ 第２の供給回路
２１ 第２のタンク
２２ 第２のポンプ
２４ 第２のタービン
２５ 第２の供給弁
２６ 第２の流量センサ
３０ 圧力センサ
５０ 電子制御ユニット
６０ レギュレータ回路
７０ トラッキングフィルタ
８０ 開ループ
８１、９１ 計算モジュール
９０ 閉ループ
９２ 除算器モジュール
９３ 第１の比例積分型補正器
９４ 第２の比例積分型補正器
１００ ガス発生器

Claims (15)

1. 少なくとも１つの液体推進剤を有するロケットエンジン（１）を調整する方法にして、前記ロケットエンジンが、少なくとも１つの燃焼室（３）と、第１の液体推進剤を圧送するための第１のポンプ（１２）および第１のポンプ（１２）を作動させるための第１のタービン（１４）を持つ第１の液体推進剤供給回路（１０）と、第１の供給弁（１５）と、第１のタービン（１４）を調整するためのレギュレータ装置とを備える、ロケットエンジン（１）を調整する方法であって、
   開ループ制御関係を適用する場合に、外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）から第１の供給弁（１５）を開くための開指令（ＤＶＣＨ）を計算するステップと、
   閉ループ制御関係を適用する場合に、前記外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第１のタービン（１４）のレギュレータ装置のための指令を計算するステップと、
   それぞれの指令に従って、燃焼室（３）の第１の供給弁（１５）および第１のタービン（１４）のレギュレータ装置を制御するステップと、
   を含むことを特徴とする、ロケットエンジン（１）を調整する方法。
2. 前記第１の供給回路（１０）が、第１のポンプ（１２）から下流の第１の液体推進剤を加熱するための熱交換器（１３）を含み、次いで、熱交換器（１３）で加熱される第１の液体推進剤が第１のタービン（１４）で膨張することによって第１のポンプ（１２）を駆動するために、熱交換器（１３）から下流の第１のタービン（１４）を通り抜ける、請求項１に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
3. ロケットエンジン（１）が、少なくとも第１のタービン（１４）に高温燃焼ガスを供給するためのガス発生器（１００）をさらに含む、請求項１に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
4. 第１のタービン（１４）のレギュレータ装置が、ガス発生器（１００）の少なくとも１つの供給弁（１０４）を備える、請求項３に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
5. 第１のタービン（１４）のレギュレータ装置が、第１のタービン（１４）を迂回するためのバイパス弁（１７ｖ）を備える、請求項１から４のいずれかに記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
6. 前記外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）が、燃焼室（３）のガス圧力のための指令値（ｐ_{ｇｃ＿ｅｘｔ}）を備える、請求項１から５のいずれかに記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
7. 少なくとも１つのフィードバック値が、燃焼室（３）のガス圧力の測定値（ｐ_ｇｃ＿ｍ）を含む、請求項６に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
8. フィルタリングされた外部指令（Ｃ_ｆｉｌｔ）を得るために外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）をトラッキングフィルタ（７０）でフィルタリングするステップを含み、第１の供給弁（１５）を開くための指令（ＤＶＣＨ）が、フィルタリングされた外部指令（Ｃ_ｆｉｌｔ）を基礎として計算され、かつ／または第１のタービン（１４）を調整ためのレギュレータ装置のための指令が、少なくとも１つのフィードバック値、およびフィルタリングされた外部指令（Ｃ_ｆｉｌｔ）を基礎として外乱補正器によって計算され、外乱補正器が、トラッキングフィルタのカットオフ周波数よりも高いカットオフ周波数を有する、請求項１から７のいずれかに記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
9. ロケットエンジン（１）が、第２の液体推進剤を供給するための第２の供給回路（２０）をさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
10. 前記外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）が、第１の推進剤の流量（Ｑ_１）と第２の推進剤の流量（Ｑ_２）との間の比率の指令値（ｒ_ｅｘｔ）を含む、請求項９に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
11. 前記少なくとも１つのフィードバック値が、第１の推進剤の流量（Ｑ_１）と第２の推進剤の流量（Ｑ_２）との間の比率の測定値（ｒ_ｍ）を含む、請求項１０に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
12. 第２の液体推進剤供給回路（２０）が、第２の供給弁（２５）を含み、調整方法がまた、開ループ制御関係を適用する場合に、外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）を基礎として第２の供給弁（２５）を開くための開指令（ＤＶＣＯ）を計算するステップと、この開指令（ＤＶＣＯ）を適用する場合に第２の供給弁（２５）を制御するステップとを含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
13. 第２の液体推進剤供給回路（２０）が、前記第２の液体推進剤のための第２のポンプ（２２）を含む、請求項９から１２のいずれか一項に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
14. ロケットエンジン（１）が、第２のポンプ（２２）を駆動するための第２のタービン（２４）、および第２のタービン（２４）を調整するためのレギュレータ装置を含み、調整方法がまた、閉ループ制御関係を適用する場合に、前記外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第２のタービン（２４）のレギュレータ装置のための指令を計算するステップと、第２のタービン（２４）のレギュレータ装置のためのこの指令を適用する場合に第２のタービン（２４）のレギュレータ装置を制御するステップとを含む、請求項１３に記載のロケットエンジン（１）を調整する方法。
15. 少なくとも１つの液体推進剤を有するロケットエンジン（１）を調整するための回路にして、前記ロケットエンジン（１）が、少なくとも１つの燃焼室（３）と、第１の液体推進剤を圧送するための第１のポンプ（１２）および第１のポンプ（１２）を作動させるための第１のタービン（１４）を持っている第１の液体推進剤供給回路（１０）と、第１の供給弁（１５）と、第１のタービン（１４）を調整するためのレギュレータ装置とを備える、ロケットエンジン（１）を調整するための回路であって、調整回路が、
    第１の供給弁（１５）を制御するための開ループ（８０）であって、外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）を基礎として第１の供給弁（１５）を開くための少なくとも１つの指令（ＤＶＣＨ）を計算するためのモジュール（８１）を含む、開ループ（８０）と、
    第１のタービン（１４）を制御するための閉ループ（９０）であって、前記外部指令（Ｃ_ｅｘｔ）、および少なくとも１つのフィードバック値を基礎として第１のタービン（１４）のレギュレータ装置のための指令を計算するためのモジュール（９１）を持つ、閉ループ（９０）と、
    を備え、
    それぞれの指令を適用する場合に、燃焼室（３）の第１の供給弁（１５）および第１のタービン（１４）のレギュレータ装置を制御するように構成されることを特徴とする、ロケットエンジン（１）を調整するための回路。

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