JP2019209885A - 宇宙機用推力偏向スラスタ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で推力の方向を変えることができる宇宙機用の推力偏向スラスタを提供する。【解決手段】推力偏向スラスタ(10)は、スラスタ本体(14T)及び前記スラスタ本体を支持するプラットフォーム(14P)から成る推力発生部(14)と、ターンテーブル(12)と、第１モータ(16)と、前記ターンテーブルに搭載された第２モータ(18)と、を備え、前記第１モータは、前記ターンテーブルを、第１中心軸(C1)の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されており、前記第２モータは、前記プラットフォームを、前記第１中心軸と直交する第２中心軸(C2)の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、宇宙機用の推力偏向スラスタに関する。

人工衛星、惑星探査機などの宇宙機は、進行方向及び姿勢を変更するために、通常、複数の小型スラスタを備えている。

各スラスタは、例えば推進ガスを噴射することにより推力を発生するように構成されているが、通常は宇宙機に固定されており、推力の方向を変えることができない。したがって、１個のスラスタのみによって、宇宙機の進行方向及び姿勢を変更することは不可能である。

そのため、宇宙機は、上述したとおり、通常は複数の小型スラスタを備えている。例えば、直交する３軸のそれぞれの周りのトルクを発生するように配置された複数のスラスタを組み合わせて用いることにより、当該３軸周りの宇宙機の姿勢を制御することが可能である（例えば、特許文献１参照）。

一方、大型ロケットにおいては、推力発生機構（スラスタ）としてのロケットエンジンのノズルの向きをアクチュエータによって変えることにより、進行方向を変更する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特開平５−１３９３９４号公報

安田誠一、外４名、「Ｍ−Ｖ型ロケットの推力方向制御（ＴＶＣ）装置」、宇宙科学研究所報告、宇宙科学研究所、２００３年３月、第４７号、ｐ．２１２−２４５

人工衛星、惑星探査機などの宇宙機においては、機器の配置スペースに大きな制約があり、また、徹底した軽量化が求められるため、搭載されるスラスタの個数は可能な限り少ないことが望ましい。しかしながら、例えば姿勢制御の所要の自由度を確保するためには、当該自由度に適応した個数のスラスタを設ける必要があり、スラスタの個数の削減には自ずと限界があった。

一方、非特許文献１に開示されている上記技術を適用することができれば、即ちアクチュエータによって向きを変えることができるスラスタを採用すれば、スラスタの個数をより少なくすることができる可能性がある。しかしながら、このようなアクチュエータは、宇宙機の小型スラスタのサイズと比較して非常に大きく、これを宇宙機に搭載することは現実的でない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で推力の方向を変えることができる宇宙機用の推力偏向スラスタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の宇宙機用推力偏向スラスタは、スラスタ本体及び前記スラスタ本体を支持するプラットフォームから成る推力発生部と、ターンテーブルと、第１モータと、前記ターンテーブルに搭載された第２モータと、を備え、前記第１モータは、前記ターンテーブルを、第１中心軸の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されており、前記第２モータは、前記プラットフォームを、前記第１中心軸と直交する第２中心軸の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されている。

本発明の第２の態様の宇宙機用推力偏向スラスタにおいて、前記推力発生部は、前記ターンテーブルの第１面側に配置されており、前記第１モータの駆動軸は、その中心軸が前記第１中心軸と同軸となるように、前記ターンテーブルの前記第１面の裏側の第２面に連結されている。

本発明の第３の態様の宇宙機用推力偏向スラスタにおいて、前記ターンテーブルは、前記第１中心軸を中心とする円板として形成されており、かつ、外周面に従動ギアを備えており、前記第１モータの駆動軸は、前記従動ギアと噛み合う駆動ギアを備えている。

本発明の第４の態様の宇宙機用推力偏向スラスタにおいて、前記ターンテーブルは、中心に貫通孔を有する円板として形成されており、かつ、前記貫通孔の内面から径方向に延びる凹部を備えており、前記第２モータは、前記凹部に収容されている。

本発明によれば、簡易な構成でスラスタの推力の方向を変えることを通じて、スラスタを搭載した宇宙機の進行方向及び姿勢を変更することができるので、宇宙機の小型化及び軽量化を実現できるという優れた効果を得ることができる。

本発明の推力偏向スラスタが搭載される宇宙機の概略を示す全体斜視図である。 本発明の第１実施形態の推力偏向スラスタの概略を示す全体斜視図である。 本発明の第１実施形態の推力偏向スラスタの推力偏向動作を示す概略説明図である。 本発明の第２実施形態の推力偏向スラスタの概略を示す全体斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の推力偏向スラスタが搭載される宇宙機の概略を示す全体斜視図である。

宇宙機１は、例えば人工衛星であって、その直方体状の本体２の内部には、図示を省略した種々の機器（制御用機器、観測用機器、通信用機器など）が収容されている。

本体２の外面には、太陽電池パネル３及びアンテナ４に加えて、本発明の推力偏向スラスタ１０が取り付けられている。

なお、推力偏向スラスタ１０は、後述するスラスタ本体１４Ｔが本体２の外側に曝露され、それ以外の部分が本体２の内側に収容されるような態様で、宇宙機１に搭載されている。

図２は、本発明の第１実施形態の推力偏向スラスタ１０の概略を示す全体斜視図である。

推力偏向スラスタ１０は、主要構成要素として、ターンテーブル１２と、推力発生部１４と、第１モータ１６と、第２モータ１８と、を備えている。

ターンテーブル１２は、図において上側の第１面１２Ｕと、第１面１２Ｕの裏側（図において下側）の第２面１２Ｌを備える円板として構成された部材である。第１面１２Ｕの側には後述する推力発生部１４が、第２面１２Ｌの側には後述する第１モータ１６が、それぞれ配置されている。

推力発生部１４は、スラスタ本体１４Ｔと、スラスタ本体１４Ｔを支持するプラットフォーム１４Ｐと、から構成されている。

スラスタ本体１４Ｔは、例えば推進ガスを噴射することにより推力を発生するように構成されている。

プラットフォーム１４Ｐは、図において上側の第１面１４ＰＵと、第１面１４ＰＵの裏側（図において下側）の第２面１４ＰＬを備える円柱として構成された部材であり、第１面１４ＰＵ上にはスラスタ本体１４Ｔが搭載されている。

プラットフォーム１４Ｐは、後述するように第２モータ１８によって回転させられるように構成されているが、初期状態において、プラットフォーム１４Ｐを構成する円柱の中心軸は、ターンテーブル１２を構成する円板の中心軸（第１中心軸）Ｃ１上を延びている。

第１モータ１６は、その駆動軸１６Ｄがターンテーブル１２の第２面１２Ｌの中心に連結された小型のモータである。駆動軸１６Ｄの中心軸は、ターンテーブル１２を構成する円板の中心軸（第１中心軸）Ｃ１上を延びている。換言すれば、第１モータ１６の駆動軸１６Ｄは、ターンテーブル１２と同軸に配置されている。

第１モータ１６は、ターンテーブル１２を時計回りまたは反時計回りの任意の方向に任意の角度だけ回転させることにより、当該ターンテーブル１２の回転方向の位置決めをする機能を有しており、例えばステッピングモータとして構成することができる。

第２モータ１８は、ターンテーブル１２の第１面１２Ｕ上の径方向において外側の部分に搭載され、その駆動軸１８Ｄが推力発生部１４のプラットフォーム１４Ｐの側面に連結された小型のモータである。駆動軸１８Ｄの中心軸（第２中心軸）Ｃ２は、ターンテーブル１２の第１面１２Ｕと平行に、換言すればターンテーブル１２を構成する円板の中心軸（第１中心軸）Ｃ１と直交して延びている。

第２モータ１８は、プラットフォーム１４Ｐを時計回りまたは反時計回りの任意の方向に任意の角度だけ回転させることにより、当該プラットフォーム１４Ｐの回転方向の位置決めをする機能を有しており、例えばステッピングモータとして構成することができる。

ここで、プラットフォーム１４Ｐは、初期状態において、その第２面１４ＰＬがターンテーブル１２の第１面１２Ｕから所定の距離だけ隔たった状態となるように、第２モータ１８の駆動軸１８Ｄによって支持されている。これにより、プラットフォーム１４Ｐが所定の角度範囲内で回転する場合に、その第２面１４ＰＬがターンテーブル１２の第１面１２Ｕと干渉することが回避される。

なお、プラットフォーム１４Ｐは、第２モータ１８の駆動軸１８Ｄのみによって片持ち支持してもよいが、図２に示したように、駆動軸１８Ｄと同軸上に配置された支持軸１８Ｓをプラットフォーム１４Ｐの反対側の側面に連結し、支持軸１８Ｓを軸受部１８Ｂによって支持してもよい。

以上のように構成された推力偏向スラスタ１０においては、ターンテーブル１２を第１モータ１６によって任意の角度だけ回転させると共に、ターンテーブル１２に搭載されたプラットフォーム１４Ｐを第２モータ１８によって任意の角度だけ回転させることにより、プラットフォーム１４Ｐに搭載されたスラスタ本体１４Ｔの推力の方向を任意に変えることができるが、これについて、図３を参照して以下で説明する。

図３は、推力偏向スラスタ１０の推力偏向動作を示す概略説明図である。

図３（Ａ）に示すように、第２モータ１８を初期状態から角度θだけ回転させることにより、プラットフォーム１４Ｐ及びこれに支持されるスラスタ本体１４Ｔも初期状態（すなわち、プラットフォーム１４Ｐを構成する円柱の中心軸が、ターンテーブル１２を構成する円板の中心軸（第１中心軸）Ｃ１上を延びている状態）から角度θだけ回転し、スラスタ本体１４Ｔにより発生される推力Ｔの方向も、第１中心軸Ｃ１から角度θだけ回転した方向に変化する。

この状態で、第１モータ１６を任意の角度だけ回転させることによって、ターンテーブル１２を回転させると、図３（Ｂ）に示すように、スラスタ本体１４Ｔにより発生される推力Ｔの方向を、角度θを半頂角とする円錐の頂点を起点として当該円錐の側面に沿う任意の方向に変えることができる。

したがって、第２モータ１８によるプラットフォーム１４Ｐの最大回転角度範囲を±θmaxとすると、スラスタ本体１４Ｔにより発生される推力Ｔの方向は、角度θmaxを半頂角とする円錐の頂点を起点として当該円錐の内部に包含される任意の方向に変えられることになる。

なお、第１モータ１６及び第２モータ１８を、時計回りまたは反時計回りの何れの方向に回転させるかは、実現すべき推力の方向をより短い時間で達成し得るように決定すればよい。

なお、以上においては、ターンテーブル１２、プラットフォーム１４Ｐの形状が、それぞれ円板、円柱であるとして説明したが、これらの部材は他の形状を有するものであってもよい。

また、以上においては、第１モータ１６を、その駆動軸１６Ｄがターンテーブル１２と同軸に配置されたものとして説明したが、例えば、その駆動軸に取り付けられた駆動ギアがターンテーブルの外周面に設けられた従動ギアと噛み合うようなものとして構成してもよい。

図４は、本発明の第２実施形態の推力偏向スラスタ１１０の概略を示す全体斜視図である。

第２実施形態の推力偏向スラスタ１１０においては、第１実施形態の推力偏向スラスタ１０と比較してさらなる小型化を達成するために、モータの配置が変更されている。

推力偏向スラスタ１１０は、第１実施形態の推力偏向スラスタ１０と同様に、主要構成要素として、ターンテーブル１１２と、推力発生部１１４と、第１モータ１１６と、第２モータ１１８と、を備えている。

ターンテーブル１１２は、中心部に貫通孔１１２Ａを有する円板（リング）として構成された部材であり、その外周面には従動ギア１１２Ｇが設けられている。

推力発生部１１４は、スラスタ本体１１４Ｔと、スラスタ本体１１４Ｔを支持するプラットフォーム１１４Ｐと、から構成されている。

スラスタ本体１１４Ｔは、例えば推進ガスを噴射することにより推力を発生するように構成されている。

プラットフォーム１１４Ｐは、円柱として構成された部材であり、その一面上にスラスタ本体１１４Ｔが搭載されている。

プラットフォーム１１４Ｐは、ターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａ内に収容されており、後述するように第２モータ１１８によって回転させられるように構成されているが、初期状態において、プラットフォーム１１４Ｐを構成する円柱の中心軸は、ターンテーブル１１２を構成する円板（リング）の中心軸（第１中心軸）Ｃ１上を延びている。

第１モータ１１６は、その駆動軸１１６Ｄに取り付けられた駆動ギア１１６Ｇが、ターンテーブル１１２の従動ギア１１２Ｇと噛み合うように配置された小型のモータである。

第１モータ１１６は、ターンテーブル１１２を時計回りまたは反時計回りの任意の方向に任意の角度だけ回転させることにより、当該ターンテーブル１１２の回転方向の位置決めをする機能を有しており、例えばステッピングモータとして構成することができる。

第２モータ１１８は、ターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａの内面から径方向に延びる凹部に収容され、その駆動軸１１８Ｄが推力発生部１１４のプラットフォーム１１４Ｐの側面に連結された小型のモータである。駆動軸１１８Ｄの中心軸（第２中心軸）Ｃ２は、ターンテーブル１１２を構成する円板（リング）の中心軸（第１中心軸）Ｃ１と直交して延びている。

第２モータ１１８は、プラットフォーム１１４Ｐを時計回りまたは反時計回りの任意の方向に任意の角度だけ回転させることにより、当該プラットフォーム１１４Ｐの回転方向の位置決めをする機能を有しており、例えばステッピングモータとして構成することができる。

ここで、プラットフォーム１１４Ｐは、初期状態において、その外周面がターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａの内面から所定の距離だけ隔たった状態となるように、第２モータ１１８の駆動軸１１８Ｄによって支持されている。これにより、プラットフォーム１１４Ｐが所定の角度範囲内で回転する場合に、その外周面がターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａの内面と干渉することが回避される。

なお、プラットフォーム１１４Ｐは、第２モータ１１８の駆動軸１１８Ｄのみによって片持ち支持してもよいが、図４に示したように、駆動軸１１８Ｄと同軸上に配置された支持軸１１８Ｓをプラットフォーム１１４Ｐの反対側の側面に連結し、支持軸１１８Ｓを、ターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａの内面から径方向に延びる凹部に収容された軸受部１１８Ｂによって支持してもよい。

以上のように構成された推力偏向スラスタ１１０においても、第１実施形態の推力偏向スラスタ１０と同様に、ターンテーブル１１２を第１モータ１１６によって任意の角度だけ回転させると共に、ターンテーブル１１２の貫通孔１１２Ａ内に収容されたプラットフォーム１１４Ｐを第２モータ１１８によって任意の角度だけ回転させることにより、プラットフォーム１１４Ｐに搭載されたスラスタ本体１１４Ｔの推力の方向を任意に変えることができる。

１０、１１０ 推力偏向スラスタ
１２、１１２ ターンテーブル
１１２Ｇ 従動ギア
１４、１１４ 推力発生部
１４Ｔ、１１４Ｔ スラスタ本体
１４Ｐ、１１４Ｐ プラットフォーム
１６、１１６ 第１モータ
１１６Ｇ 駆動ギア
１８、１１８ 第２モータ
Ｃ１ 第１中心軸
Ｃ２ 第２中心軸

Claims (4)

1. スラスタ本体及び前記スラスタ本体を支持するプラットフォームから成る推力発生部と、
   ターンテーブルと、
   第１モータと、
   前記ターンテーブルに搭載された第２モータと、を備え、
   前記第１モータは、前記ターンテーブルを、第１中心軸の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されており、
   前記第２モータは、前記プラットフォームを、前記第１中心軸と直交する第２中心軸の周りに任意の角度だけ回転させて位置決めするように構成されている、宇宙機用推力偏向スラスタ。
2. 前記推力発生部は、前記ターンテーブルの第１面側に配置されており、
   前記第１モータの駆動軸は、その中心軸が前記第１中心軸と同軸となるように、前記ターンテーブルの前記第１面の裏側の第２面に連結されている、ことを特徴とする請求項１に記載の宇宙機用推力偏向スラスタ。
3. 前記ターンテーブルは、前記第１中心軸を中心とする円板として形成されており、かつ、外周面に従動ギアを備えており、
   前記第１モータの駆動軸は、前記従動ギアと噛み合う駆動ギアを備えている、請求項１に記載の宇宙機用推力偏向スラスタ。
4. 前記ターンテーブルは、中心に貫通孔を有する円板として形成されており、かつ、前記貫通孔の内面から径方向に延びる凹部を備えており、
   前記第２モータは、前記凹部に収容されている、ことを特徴とする請求項３に記載の宇宙機用推力偏向スラスタ。

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