JP2017503111A - 推進システムを制御するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、推進アセンブリの分野に関し、特に「エキスパンダー」タイプのロケットエンジンに関し、その推進アセンブリでは、少なくとも１つの推進室（４０）が、第１のタービン（３４）に結合された第１のポンプ（３３）によって少なくとも第１の推進剤を供給され、第１のタービン（３４）が、第１のポンプ（３３）から下流で、前記推進室（４０）によって加熱される熱交換器（２３）を通過後に、前記推進室（４０）から上流で、前記第１の推進剤の部分的膨張によって駆動される。本発明によるそのような推進アセンブリ（１０）を制御するための方法は、推進アセンブリ（１０）にとって不安定性の危険性が存在するかどうかを決定するステップと、不安定性の前記危険性が存在することを決定するステップに応答して、第１のタービン（３４）と推進室（４０）との間に位置する分岐連結部（２８）を通じて、前記第１の推進剤の部分を流し出す、ステップとを含む。

Description

本発明は、推進アセンブリを制御するための方法に関し、より詳細には、いわゆる「エキスパンダー」サイクルタイプのロケットエンジンに関し、その推進アセンブリでは、燃焼熱によって加熱された後、推進室の中に注入される前に、少なくとも１つの推進剤の部分的膨張が、推進剤ポンプに結合されるタービンを駆動する働きをして、推進剤が推進室に向かって流れるようにする。

以下の説明の中で。「上流」および「下流」という用語は、推進アセンブリが作動している間、少なくとも１つの推進剤の通常の流れの方向に対して定義される。

推進アセンブリは、不安定性という現象につながる可能性があるフィードバックを含む動的システムである。したがって、実施例として、ポンプを通る推進剤の質量流量が低すぎることが、推進アセンブリ、およびもしあればそのペイロードの作動および物理的整合性さえも危険にさらす不安定性につながる可能性がある。この欠点は、そのような推進アセンブリが低い推力モードで作動することを特に妨げる可能性がある。

本発明は、それらの欠点を改善しようと努める。より詳細には、本発明の記載は、推進アセンブリを制御するための制御方法、より詳細には、不安定性の状況が回避されることを可能にする推進アセンブリを提案するように努める。

この推進アセンブリでは、少なくとも１つの推進室が、第１のタービンに結合された第１のポンプによって少なくとも第１の推進剤を供給され、第１のタービンが、第１のポンプから下流で、前記推進室によって加熱される熱交換器を通過後に、前記推進室から上流で、前記第１の推進剤の部分的膨張によって駆動される。

少なくとも１つの実施例の中で、制御方法が、推進アセンブリにとって不安定性の危険性が存在するかどうかを決定するステップと、不安定性の前記危険性が存在することを決定するステップに応答して、前記第１の推進剤の部分を流し出すために、第１のタービンと推進室との間に位置する分岐連結部を使用するステップとを少なくとも含むという事実によって、この目的は達成される。

これらの対策によって、第１のポンプによって吐出される圧力を過剰に上昇させずに、第１のポンプおよび第１のタービンを通る推進剤の流量が調節可能に増加され得ることによって、予測される推進アセンブリの不安定性を回避することが可能である。

必須ではないが、典型的には、そのような推進アセンブリは２つの推進剤を含み、すなわち、推進は、推進室内の第１の推進剤と第２の推進剤との間の化学反応によってもたらされる。実施例として、推進室は第２のポンプによって第２の推進剤を供給されることができるが、しかし、例えば第２の推進剤のタンクを加圧することなど、代替または追加の供給手段も当業者によって想定され得る。第２のポンプを駆動するように、第２のポンプは、例えば第１のタービンから下流に位置する第２のタービンに結合されることが可能であり、前記第１の推進剤が前記推進室から発生する熱によって加熱された後、第１のポンプから下流で、第１の推進剤が前記推進室の中に注入される前に発生する前記第１の推進剤の部分的膨張によって、第２のポンプも駆動されることが可能である。それでもやはり、例えば電気的駆動または第１のタービンに結合することなど、第２のポンプを駆動するための代替または追加の手段を当業者が想定することも可能である。

不安定性の危険性が、第１のポンプによって駆動される前記第１の推進剤の体積流量を第１のポンプの角速度で割ることによって計算される、前記第１のポンプのポンプ流量係数の関数として特に決定されることが可能である。特に、第１のポンプの前記ポンプ流量係数が所定の閾値未満であるならば、それが不安定な状況に近いことを示すので、不安定性の危険性があると決定され得る。この推定の中で冗長性を得るために、前記体積流量を決定するために複数の代替方法が同時に適用され得る。

それでもやはり、代替的に、少なくとも１つの物理パラメータの関数として計算される不安定性基準を適用することにおいて、不安定性の前記危険性が決定され得る。

本発明は、少なくとも前記分岐連結部弁に接続される制御ユニットによって、この制御方法を実施するための１組の命令を含むコンピュータ記憶媒体を更に提供する。「コンピュータ記憶媒体」という用語は、コンピュータ装置、および特に電子コンピュータ装置によって可読である任意のデータ媒体を包含するように使用される。したがって、コンピュータ記憶媒体は、磁気テープおよびディスクなどの磁気媒体、光ディスクなどの光学媒体、および揮発性または不揮発性電子記憶など電子媒体を含む。

本発明は、推進アセンブリを更に提供する。特に、少なくとも１つの実施形態では、そのような推進アセンブリが、推進室と、前記推進室に第１の推進剤を供給するための第１のポンプと、第１のポンプに結合され、前記推進室によって加熱されるのに適する熱交換器と、第１のポンプに結合され、前記第１の推進剤の部分的膨張によって駆動されるのに適しており、上流で熱交換器に結合され、下流で推進室に結合される第１のタービンと、第１のタービンと推進室との間に位置する分岐連結部と、分岐連結部に位置する少なくとも１つの分岐連結部弁に接続される制御ユニットとを少なくとも備えることができ、制御ユニットが、推進アセンブリにとって不安定性の危険性が存在するかどうかを決定し、不安定性の前記危険性が存在することを決定するステップに応答して、前記分岐連結部を経て、前記第２の推進剤の流れの部分を流し出すように前記分岐連結部弁を開くように構成される。

限定されない実施例として提供される以下の２つの実施形態の詳細な説明を読めば、本発明が十分理解されることが可能であり、その利点がより明らかになる。説明は、以下の図面を参照する。

多段打上げロケットを示す図である。 本発明の実施形態における推進アセンブリを示す図である。 前記推進アセンブリの第１のポンプ内のポンプ流量係数と低減された全体のポンプ圧力上昇係数との間の関係を示す曲線である。 不安定性の状況の中で、ポンプ出口圧力および前記第１のポンプによって吐出される流量が変化する状態を示す図である。 不安定性の状況の中で、ポンプ出口圧力および前記第１のポンプによって吐出される流量が変化する状態を示す図である。 実施例における制御方法によって不安定性がやはり回避される類似の状況の中で、ポンプ出口圧力および前記第１のポンプによって吐出される流量が変化する状態を示す図である。 実施例における制御方法によって不安定性がやはり回避される類似の状況の中で、ポンプ出口圧力および前記第１のポンプによって吐出される流量が変化する状態を示す図である。

多段打上げロケット１が、図１の中で図式的に示される。図示される打上げロケット１は、３つの連続する段２、段３および段４を備え、それと共に、３つの段の最後の段上に着脱自在の様式で固定されるノーズコーン６の下に、例えば衛星などのペイロード５を伴う。３つの段２、３、４のそれぞれはロケットエンジンタイプの推進アセンブリを備え、したがって、ペイロード５を発射し、軌道に乗せることができる。この目的のために、３つの段２、３、４の推進アセンブリは、連続して点火され、各消費された段は、次の段の推進アセンブリに点火する前に、分離される。

図２は、第１の実施形態の推進アセンブリ１０を示す。推進アセンブリ１０は、そのような打上げロケットの任意の段に取り付け可能であり、またはそのような打上げロケットによってペイロードとして発射される宇宙船にも取り付け可能である。図示される推進アセンブリ１０は、「エキスパンダー」タイプサイクルロケットエンジン、すなわち、液体推進剤およびターボポンプを含むロケットエンジンであり、そのシステムでは、推進剤が推進室によって加熱される再生熱交換器の中で加熱され、気化された後、推進剤の１つを膨張させることによって、ターボポンプが駆動される。

図示される推進アセンブリ１０は、第１の推進剤を含むように適する第１のタンク１１、第２の推進剤を含むのに適する第２のタンク１２、第１の供給回路２１、第２の供給回路２２、第１のターボポンプＴＰＨ、第２のターボポンプＴＰＯおよび推進室４０を備える。第１のターボポンプＴＰＨは、共通の回転シャフト３５によって一体に結合されるポンプ３３およびタービン３４を備える。第２のターボポンプＴＰＯは、共通の回転シャフト３８によって一体に結合されるポンプ３６およびタービン３７を備える。典型的には、第１の推進剤および第２の推進剤は、低温推進剤であり、より詳細には、それぞれ液体水素および液体酸素である。

上流で第１のタンク１１に結合される第１の供給回路２１は、推進室４０の中に注入するように注入装置４１へつながる前に、第１のターボポンプＴＰＨのポンプ３３、推進室４０の外壁に組み込まれている熱交換器２３、第１のターボポンプＴＰＨのタービン３４、第２のターボポンプＴＰＯのタービン３７を連続して通過する。この第１の供給回路２１は、タービン３４および３７を迂回する第１のバイパス管２４、タービン３７を迂回する第２のバイパス管２５、ポンプ３３と熱交換器２２との間に位置しており、パージラインに接続された第１の分岐連結部２６、およびタービン３７と注入装置４１との間に位置しており、第１のタンク１１を加圧するために自己加圧回路（図示せず）に結合されるのに適する第２の分岐連結部２８を更に備える。

第１の供給回路２１を通る推進剤の流量を調節するように、回路は、第１のタンク１１から直接下流で供給弁ＶＡＨ、第１のバイパス管２３の中の第１のバイパス弁ＶＢＰＨ、第２のバイパス管２４の中の第２のバイパス弁ＶＢＰＯ、注入装置４１から直接上流で弁ＶＣＨ、第１の分岐連結部２６に位置するパージ弁ＶＰＨ、および第２の分岐連結部２８に位置する分岐弁ＶＴＨを更に備える。制御の目的のために、これらの弁のすべてが、制御ユニット６０に接続され、制御ユニット６０は、特にプログラム可能な電子ユニットであることができ、したがって、制御ユニット６０が制御方法を実施することを可能にする１組の命令を含むデータ媒体に接続される少なくとも１つの電子プロセッサを備える。

第２の供給回路２２は、上流で第２のタンク１２に結合されており、同様に推進室４０の中に注入するように注入装置４１の中に開く前に、第２のターボポンプＴＰＯのポンプ３６を通過する。第２の供給回路２２は、パージラインに結合される分岐連結部を有する。第２の供給回路２２を通る推進剤の流量を調節することに貢献するように、この回路は、第２のタンク１２から直接下流で供給弁ＶＡＯ、注入装置４１から直接上流で別の弁ＶＣＯおよび分岐連結部に位置するパージ弁ＶＰＯを更に備える。これらの弁ＶＡＯ、ＶＣＯおよびＶＰＯは、制御ユニット６０にも接続されており、実際に、推進室４０の中の点火装置４２、ポンプ３３を通過する流体の温度を感知する温度センサＴ、ポンプ３３の角速度ωを感知するセンサ、ポンプ３３の入口圧力および出口圧力を感知するための各センサ、および場合により、ポンプ３３を通過する流体の質量流量Ｑを測定するための流量計にもまた接続される。

この推進アセンブリを起動するために、最初に供給回路２１および２２が冷却される。この目的のために、パージ弁ＶＰＨ、ＶＰＯおよびバイパス弁ＶＢＰＨおよびＶＢＰＯも開き、推進室４０から直接上流にある弁ＶＨＣおよびＶＣＯが閉鎖された状態に保たれる一方で、供給弁ＶＡＨおよびＶＡＯが次第に開かれる。したがって、推進剤は供給回路２１および２２の中に浸透し、それによって、任意の突然の熱衝撃を防止し、起動前に回路２１および２２の中に存在する可能性がある任意の他の物質を取り除く。その後、弁ＶＣＨおよびＶＣＯが開かれ、十分な量の推進剤が注入装置４１を通って推進室４０に到達した後、点火装置４２が起動されて、推進室４０の中の推進剤混合物に点火する。この点火後、パージ弁ＶＰＨおよびＶＰＯが閉鎖され、推進室４０の中で推進剤の混合物の燃焼によって生成された熱が、第１の推進剤が熱交換器２３を通過するにつれて、第１の推進剤を加熱し始める。次いで、この高温の推進剤をタービン３４および３７を通って導いて、タービン３４および３７を通るこの第１の推進剤を部分的に膨張させることによって、ターボポンプＴＰＨおよびＴＰＯを駆動するために、バイパス弁ＶＢＰＨおよびＶＢＰＯは次第に閉鎖される。次いでバイパス弁ＶＢＰＨおよびＶＢＰＯが開く程度が、推進アセンブリ１０の稼働率を調節するために使用され得るが、例えば、ターボポンプＴＰＨおよびＴＰＯのためのブレーキ装置（図示せず）、またはパージ弁ＶＰＨおよびＶＰＯを開くことなど他の手段がこの目的のためにも使用され得る。

それにもかかわらず、このように稼働率を調節することの欠点は、稼働の特定領域内で、特に制限された推力レベルで、第１のポンプによって吐出される推進剤の流量が、第１のポンプによって吐出される圧力上昇に対して比較的低い場合、ターボポンプの稼働は不安定になる可能性がある。図３は、ターボポンプＴＰＨについて特徴的な曲線１００を描いており、この図では、垂直軸がポンプ３３の低減された全体の圧力上昇係数Ψ^＋の値に相当し、水平軸がポンプ３３の流量係数Φ^＋の値に相当する。

係数Ψ^＋は、等式：

を適用して、ポンプ３３の出口圧力ｐ_ｓと入口圧力ｐ_ｅとの間の差Δｐをポンプ３３を通過する第１の推進剤の濃度ｐおよびポンプ３３の角速度ωの平方で割ったものに相当する。

その部分について、係数Φ^＋は、等式：

を適用して、同じポンプ３３によって吐出される体積流量、すなわち質量流量Ｑを上述の濃度ｐおよび角速度ωで割ったものに相当する。

図３の中で分かるように、低減された圧力上昇係数Ψ^＋は、流量係数Φ^＋の上昇と共に最初は上昇し、流量係数Φ^＋についての臨界値Φ^＋ _ｃｒｉｔに相当する最大値Ψ^＋ _ｍａｘに到達し、次いで流量係数Φ＋が臨界値Φ^＋ _ｃｒｉｔを超えて上昇すると共に減少する。その結果、流量係数Φ^＋がΦ^＋ _ｃｒｉｔよりも大きい場合、ターボポンプＴＰＨは自然な安定状態下で稼働するが、一方流量係数Φ^＋が臨界値Φ^＋ _ｃｒｉｔ未満である場合、供給回路２１の応答は、それぞれ図４Ａおよび図４Ｂにそれぞれ示すように、ターボポンプＴＰＨがポンプ３３によって吐出される出口圧力ｐ_ｓおよび質量流量Ｑで検出可能な変動によって明白になる不安定な状態に入るようになる可能性がある。

図３の中で分かるように、不安定領域の中の点１０１から、同じ低減された圧力上昇係数Ψ^＋を含むが、しかし流量係数Φ^＋において上昇する安定領域の中の点１０２まで進むことが可能である。その結果、流量Ｑを増加することによって、タービン３４から下流で部分的な流し出しにより、不安定性の状況を回避することを可能にすることができる。そのような流し出しは、特に分岐連結部弁ＶＴＨを開くことによって得ることができ、不安定性の危険性が存在することの決定に応答して、ターボポンプＴＰＨによって吸い上げる第１の推進剤の全体流量の部分が逃れることを可能にする。

第１の実施形態では、制御ユニット６０は、ポンプ３３の流量係数Φ^＋が、臨界値Φ^＋ _ｃｒｉｔに等しい、またはより大きい所定の閾値Φ^＋ _ｌｉｍ未満であるならば、不安定性の危険性が存在することを決定する。より詳細には、前記所定の閾値Φ^＋ _ｃｒｉｔが、臨界値に、製造公差および他のハードウェアの分散を考慮するための所定の安全マージンを加えた合計に等しくなる可能性がある。

流量係数Φ^＋は、特に制御ユニット６０によって、流量計を含むセンサによって拾い出されたパラメータの関数として計算され得る。ポンプ３３によって吐出される質量流量Ｑまたは体積流量Ｑ／ρが流量計によって直接計測されることができるが、あるいは特にそのような流量計がない場合、対応するセンサを使用して、拾い出された圧力、温度および角速度値ｐ_ｅ、ｐ_ｓ、Ｔおよびωによって間接的に、かつポンプ３３が吐出する質量流量または体積流量によって稼働中に、ポンプ３３のこれらの臨界パラメータに関連する、ポンプ３３についての特徴的関数によって間接的に測定され得る。

不安定性の危険性が存在することを決定するステップに応答して、制御ユニット６０は、分岐連結部弁ＶＴＨを開くように命令を出し、それによって、ポンプ３３の質量流量および体積流量、並びにその流量係数Φ^＋を増加し、したがってターボポンプＴＰＨの不安定性を回避する。図５Ａおよび図５Ｂは、図４Ａおよび図４Ｂの状況と類似の状況下であるが、しかし不安定性の危険性が存在することが決定されることに応答して、分岐連結部弁ＶＴＨが開かれた状態で方法が実施される場合に、出口圧力ｐｓおよび質量流量Ｑがどのように変化するかを示している。これら２つのパラメータの中で、このことが検出可能な変動をどのように回避するかを理解することができる。

この第１の実施例では、不安定性の危険性が存在することを決定するために役立つ基準が、流量係数Φ^＋であるが、他の基準が代替形態として、またはそれに追加して使用可能である。したがって、第２の実施例では、基準は、ターボポンプＴＰＨの不安定性を予測するためのモデルに依存する不安定性の可能性であることができる。この不安定性予測モデルは、複数の異なる起動シーケンスを組み込む１組の実験に基づいて開発され得る。この１組の実験に基づいて、不安定性の危険性が存在することに関連する少なくとも１つの物理パラメータが識別され、不安定性の可能性が、この少なくとも１つの物理パラメータの関数として計算され得る。実施例として、したがって、ターボポンプの不安定性の危険性が、流量計を含むセンサを使用して直接的または間接的に測定される角速度ω、質量流量Ｑおよび温度Ｔを含む関数（ω、Ｑ、ｐ_ｓ）として表されることができる。不安定性の危険性が、タービン３４および３７の下流での流し出しを誘引するので、その時、計算された可能性が、容認できる所定の可能性閾値ｆ_{ｌｉｍｉｔ}を超えるかどうかを決定することが可能である。

本発明は特定の実施例を参照して説明されるが、特許請求の範囲によって定義される本発明の全体的な範囲を超えずに、様々な修正形態および変形形態が、その実施例に対して作製されることが可能である。したがって、図示される実施例では、推進アセンブリは１つの推進室だけを含むが、代替実施例では、推進アセンブリは、例えばそれ自体の対のターボポンプによって供給される複数の推進室を含むことができる。加えて、図示される実施例では、推進アセンブリは、推進剤につき１つのターボポンプを含むが、他の実施例では、両方のポンプを駆動するために共通のタービンを使用することが可能であり、または第２の推進剤を供給するための何らかの他の方法を使用することが可能である。加えて、言及される様々な実施例の個別の特徴は、追加の実施例に組み合わされることが可能である。したがって、説明および図面は、限定的であるというのではなく、むしろ例示的であるという意味で考察されるべきである。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの推進室（４０）が、第１のタービン（３４）に結合された第１のポンプ（３３）によって少なくとも第１の推進剤を供給され、第１のタービン（３４）が、第１のポンプ（３３）から下流で、前記推進室（４０）によって加熱される熱交換器（２３）を通過後に、前記推進室（４０）から上流で、前記第１の推進剤の部分的膨張によって駆動される、推進アセンブリ（１０）を制御する方法であって、
   推進アセンブリ（１０）にとって不安定性の危険性が存在するかどうかを決定するステップと、
   不安定性の前記危険性が存在することを決定するステップに応答して、前記第１の推進剤の部分を流し出すために、第１のタービン（３４）と推進室（４０）との間に位置する分岐連結部（２８）を使用するステップと、
   を含むことを特徴とする、制御方法。
2. 前記推進室（４０）が、第２のポンプ（３６）によって第２の推進剤を供給される、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記第２のポンプ（３６）が、前記第１の推進剤が熱交換器（２３）を通過した後、前記第１の推進剤の部分的膨張によって、駆動される第２のタービン（３７）に結合される、請求項２に記載の制御方法。
4. 前記第２のタービンが第１のタービンから下流に位置する、請求項３に記載の制御方法。
5. 不安定性の前記危険性が、前記第１のポンプ（３３）のポンプ流量係数（Φ^＋）の関数として決定され、第１のポンプ（３３）によって駆動される前記第１の推進剤の体積流量を第１のポンプ（３３）の角速度で割ることによって計算される、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御方法。
6. 第１のポンプ（３３）によって駆動される第１の推進剤の体積流量が、第１の推進剤の前記体積流量ではなく、物理パラメータに基づいて間接的に推定される、請求項５に記載の制御方法。
7. 第１のポンプ（３３）の前記ポンプ流量係数（Φ^＋）が、所定の閾値未満であるならば、不安定性の危険性があると決定される、請求項５または６に記載の制御方法。
8. 少なくとも１つの物理パラメータの関数として計算される不安定性基準を適用することにおいて、不安定性の前記危険性が決定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御方法。
9. 推進室（４０）と、
   前記推進室（４０）に第１の推進剤を供給するための第１のポンプ（３３）と、
   上流で第１のポンプ（３３）に結合され、前記推進室（４０）によって加熱されるのに適する熱交換器（２３）と、
   第１のポンプ（３３）に結合され、前記第１の推進剤の部分的膨張によって駆動されるのに適しており、上流で熱交換器（２３）に結合され、下流で推進室（４０）に結合される第１のタービン（３４）と、
   第１のタービン（３４）と推進室（４０）との間に位置する分岐連結部（２８）と、
   前記分岐連結部（２８）に位置する少なくとも１つの分岐連結部弁（ＶＴＨ）に接続される制御ユニット（６０）と、
   を少なくとも備える推進アセンブリ（１０）であって、
   制御ユニット（６０）が、推進アセンブリにとって不安定性の危険性が存在するかどうかを決定し、不安定性の前記危険性が存在することを決定するステップに応答して、前記分岐連結部（２８）を経て、前記第１の推進剤の流れの部分を流し出すように前記分岐連結部弁（ＶＴＨ）を開くように構成されることを特徴とする、推進アセンブリ（１０）。
10. 前記分岐連結部（２８）に位置する少なくとも１つの分岐連結部弁（ＶＴＨ）に接続される制御ユニット（６０）によって、請求項１から８のいずれか一項に記載の制御方法を実施するための１組の命令を含むデータ媒体。

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