JP3519206B2 - エンジンの推力調整によるロケットの制御方法 - Google Patents
エンジンの推力調整によるロケットの制御方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ロケットの３軸
姿勢制御及び主推力の制御を付加装置なしで行えるよう
にした、エンジンの推力調整によるロケットの制御方法
に関する。 【０００２】 【従来の技術】ロケットを正常に飛行させるためには、
位置／速度を所定の値（基準軌道）に合わせ込む他に、
姿勢を正常に維持することが必要である。従来、このた
めにロケットエンジンには、推力の方向制御と機体の姿
勢制御のために、エンジンの首振り装置（ジンバル装
置）及びガスジェット装置が併用される例が多い。図４
は、従来のロケットの推力方向制御と機体姿勢制御のた
めのエンジン首振り装置及びガスジェット装置を設けた
ロケットのエンジン部分の構成例を示す概略図である。 【０００３】図５において、101 はロケットエンジン
で、該ロケットエンジン101 はジンバルと呼ばれる２軸
方向回転可能な支点をもつ軸受102 で支持され、２方向
から伸ばした伸縮可能な腕をもつピッチ・アクチュエー
タ103 とヨー・アクチュエータ104 とで、エンジン101
の噴射方向を機械的に変更し、ピッチ及びヨーの運動を
独立に制御するように構成されている。ピッチ・アクチ
ュエータ103 及びヨー・アクチュエータ104 は、油圧ポ
ンプ106 ，油圧サーボバルブ107 を介して油タンク105
からの油圧により制御されるようになっている。また、
機体111 の側壁部にはロール制御用のガスジェット装置
112 が設けられている。なお、図において、108 は油ク
ーラ、109 は駆動タービン、110 は自在継手（ベロー
ズ）である。 【０００４】また一方、最近のロケットエンジンは、加
速度調整あるいは軟着陸などのために推力調整機能が要
求され、かかる機能をもつ可変推力ロケットエンジンも
実現しつつある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、エンジン首
振り装置を用いて推力方向の制御を行うようにしたロケ
ット制御方式においては、首振り装置を駆動するための
アクチュエータに対して、正確、精密且つ迅速な動作が
要求され、またアクチュエータを駆動するために油圧源
などの数多くの機構部品及び配管を必要とし、更に配管
には自在継手を必要としてコストもかかり、また寿命も
制限されるという問題点があった。 【０００６】本発明は、従来のロケットエンジンの推力
方向制御方式における上記問題点を解消するためになさ
れたもので、可変推力エンジンのエンジン推力調整機能
を応用して、首振り装置なしで３軸姿勢制御及び主推力
の制御を行えるようにしたエンジン推力調整によるロケ
ットの制御方法を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記問題点を解消するた
め、本発明は、少なくとも４基の可変推力ロケットエン
ジンをロケット機体に、前記各ロケットエンジンの推力
作用点をロケット機体の機軸からオフセットさせて配置
すると共に、前記各ロケットエンジンの推力軸を前記機
軸方向から傾けて固定し、各ロケットエンジンの推力制
御により、主推力を保持したままピッチ，ヨー，ロール
の３軸の姿勢制御及び機軸方向の主推力の制御を行うよ
うにして、エンジンの推力調整によるロケットの制御方
法を構成するものである。 【０００８】このように、少なくとも４基の複数の可変
推力ロケットエンジンの推力作用点を機軸からオフセッ
トさせて配置しているので、各ロケットエンジンの推力
を選択的に調整して各ロケットエンジン間の推力差を制
御することにより、主推力を保持したままピッチ及びヨ
ー軸方向の運動制御を独立に行うことができる。また各
可変推力ロケットエンジンの推力軸を機軸方向から傾け
て固定しているので、各ロケットエンジンの推力差を制
御することにより、主推力を保持したままロール軸方向
の運動制御を独立に行うことができる。更に各可変推力
ロケットエンジンの推力の総和を制御することにより、
機軸方向の主推力の制御を独立に行うことができる。 【０００９】 【発明の実施の形態】次に実施の形態について説明す
る。図１は、本発明に係るロケットの制御方法の実施の
形態を説明するためのロケットのエンジン部分の構成を
示す概略斜視図で、図２はロケットエンジン部分を下方
よりみた概略図である。両図において、１〜４は、それ
ぞれ第１〜第４の可変推力ロケットエンジンで、各エン
ジンの推力作用点は機体軸から等距離にあり、且つ各作
用点は90度ずつの間隔をおいて対称になるように機体５
に配置されており、また各エンジンの推力は図２の矢印
に示す方向、すなわち第１及び第３のエンジン群１，３
は右回りに、第２及び第４のエンジン群２，４は左回り
に推力を発生するように、機体軸に対して僅かに、例え
ば数度円周方向に沿ってオフセットして固定されてい
る。なお、各エンジンの推力ベクトルと機体軸のなす角
（取付け角）は同一に設定されている。なお、図におい
て６は推力制御バルブである。 【００１０】このように構成したロケットエンジンにお
いては、各可変推力エンジン１〜４のオフセットは僅か
であり、したがって主推力成分を大きく損なうことな
く、各可変推力エンジン１〜４の推力の総和を制御する
ことにより所定の加速度を得ると同時に、各可変推力エ
ンジン間の推力差を利用することにより、ピッチ／ヨー
／ロールの３軸姿勢を制御することが可能となる。 【００１１】次に、ピッチ／ヨー／ロール／主推力とも
独立に制御できることを、更に詳細に説明する。図３の
（Ａ）の機体概略説明図及び図３の（Ｂ）の機体後方よ
り見た説明図に示すように、各エンジン１〜４の推力作
用点１ａ〜４ａと機体軸５ａとの距離をｌe とし、各エ
ンジンの推力作用点で作る平面11とロケットの重心12と
の距離をｒg とし、各エンジンの推力ベクトルと機体軸
５ａのなす角をηとし、また各エンジン１〜４の推力を
ｆei（ｉ＝１〜４）とする。なお、図３の（Ａ），
（Ｂ）において、ＸB ，ＹB ，ＺB は機体固定座標軸を
示している。 【００１２】ここで、ピッチングモーメントＭp ，ヨー
イングモーメントＭy ，ローリングモーメントＭr ，機
軸方向推力Ｆは、それぞれ、次式（１）〜（４）で表さ
れる。 Ｍp ＝（ｆe2−ｆe4）・ｌe ・cos η＋（ｆe1−ｆe3）・ｒg ・sin η ・・・・・・・（１） Ｍy ＝（−ｆe1＋ｆe3）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2＋ｆe4）・ｒg ・sin η ・・・・・・・（２） Ｍr ＝（ｆe1−ｆe2＋ｆe3−ｆe4）・ｌe ・sin η ・・・・・・・（３） Ｆ＝（ｆe1＋ｆe2＋ｆe3＋ｆe4）・cos η ・・・・・・・・・・・（４） 【００１３】そして、ピッチ軸方向の姿勢制御は、
（１）式で表されるピッチングモーメントＭp を制御す
ることにより行われ、ヨー軸方向の姿勢制御は、（２）
式で表されるヨーイングモーメントＭy を制御すること
により行われ、ロール軸方向の姿勢制御は、（３）式で
表されるローリングモーメントＭr を制御することによ
り行われ、主推力は（４）式で表される機軸方向推力Ｆ
を制御することにより行われる。したがって、各エンジ
ン１〜４の推力ｆei（ｉ＝１〜４）を制御することによ
り、上記（１）〜（４）式に示した各モーメントＭp ，
Ｍy ，Ｍr 及び機軸方向推力Ｆを独立に制御することが
できれば、ピッチ／ヨー／ロールの各軸方向の運動、及
び機軸方向の主推力とも独立に制御できることになる。 【００１４】上記（１）〜（４）式を各エンジン１〜４
の推力ｆe1，ｆe2，ｆe3，ｆe4に関して解くと、次式
（５）〜（８）のように表すことができる。 ｆe1＝１／４・ｋF ・Ｆ＋１／４・ｋM ・Ｍr ＋１／２・ｋr ・Ｍp ＋１／２・ｋl ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（５） ｆe2＝１／４・ｋF ・Ｆ−１／４・ｋM ・Ｍr −１／２・ｋl ・Ｍp −１／２・ｋr ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（６） ｆe3＝１／４・ｋF ・Ｆ＋１／４・ｋM ・Ｍr −１／２・ｋr ・Ｍp −１／２・ｋl ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（７） ｆe4＝１／４・ｋF ・Ｆ−１／４・ｋM ・Ｍr ＋１／２・ｋl ・Ｍp ＋１／２・ｋr ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（８） 但し、ｋF ＝１／cos η ｋM ＝１／（ｌe ・sin η） ｋr ＝（ｒg ・sin η）／｛（ｒg ・sin η）2 −（ｌ
e ・cos η）2 ｝ ｋl ＝（ｌe ・cos η）／｛（ｒg ・sin η）2 −（ｌ
e ・cos η）2 ｝ 【００１５】したがって、上記（５）〜（８）式のよう
に各エンジン１〜４の推力ｆe1，ｆe2，ｆe3，ｆe4を与
えると、制御目標となる上記（１）〜（４）式の各モー
メントＭp ，Ｍy ，Ｍr 及び機軸方向推力Ｆとも独立に
制御できる。 【００１６】次に、これらを独立制御できることを、更
に具体的に説明する。定常状態での各エンジンの推力を
ｆei 0 （ｉ＝１〜４）とし、ピッチングモーメント，ヨ
ーイングモーメント，ローリングモーメント，機軸方向
推力を、それぞれＭp 0 ，Ｍy 0 ，Ｍr 0 ，Ｆ0 とする
と、それらの関係式は、（１′）〜（４′）式あるいは
（５′）〜（８′）式のようになる。 Ｍp 0 ＝（ｆe2 0 −ｆe4 0 ）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 −ｆe3 0 ） ・ｒg ・sin η ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１′） Ｍy 0 ＝（−ｆe1 0 ＋ｆe3 0 ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋ｆe4 0 ） ・ｒg ・sin η ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２′） Ｍr 0 ＝（ｆe1 0 −ｆe2 0 ＋ｆe3 0 −ｆe4 0 ）・ｌe ・sin η ・（３′） Ｆ0 ＝（ｆe1 0 ＋ｆe2 0 ＋ｆe3 0 ＋ｆe4 0 ）・cos η ・・・・・（４′） ｆe1 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（５′） ｆe2 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（６′） ｆe3 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（７′） ｆe4 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（８′） 【００１７】（主推力の制御）主推力を制御するため
に、機軸方向推力をΔＦだけ変化させる場合について説
明する。この場合には、各エンジン１〜４の推力ｆei F
（ｉ＝１〜４）を（９）〜（12）式のように設定する。
また、この状態でのピッチングモーメント，ヨーイング
モーメント，ローリングモーメント，機軸方向推力を、
それぞれＭp F ，Ｍy F ，Ｍr F ，ＦF とする。 ｆe1 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（９） ｆe2 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）−１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（10） ｆe3 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（11） ｆe4 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）−１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（12） 【００１８】上記（９）〜（12）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei F （ｉ＝１〜４）を（４′）式に代
入すると、機軸方向推力ＦF は、次式（13) 式のように
表され、ΔＦだけ機軸方向推力を変化させることができ
る。 ＦF ＝（ｆe1 F ＋ｆe2 F ＋ｆe3 F ＋ｆe4 F ）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ） ・cos η ＝Ｆ0 ＋ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（13） 【００１９】次に、上記のように機軸方向推力をΔＦだ
け変化させた場合におけるピッチ姿勢角、ヨー姿勢角、
ロール姿勢角に対するΔＦの影響について説明する。上
記（９）〜（12）式で表される各エンジン１〜４の推力
ｆei F （ｉ＝１〜４）を（１′）〜（３′）式に代入す
ると、次式（14）〜（16）のようになり、ΔＦがピッチ
姿勢角、ヨー姿勢角、ロール姿勢角に影響を与えていな
いことがわかる。 Ｍp F ＝（ｆe2 F −ｆe4 F ）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 F −ｆe3 F ） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe4 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe3 0 −１／４ ・ｋF ・ΔＦ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（14） Ｍy F ＝（−ｆe1 F ＋ｆe3 F ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 F ＋ｆe4 F ） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 −１／４・ｋF ＋ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（15） Ｍr F ＝（ｆe1 F −ｆe2 F ＋ｆe3 F −ｆe4 F ）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe2 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe4 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｒg ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（16） 【００２０】（ピッチ姿勢角の制御）ピッチ姿勢角を制
御するために、ピッチングモーメントをΔＭp だけ変化
させる場合について説明する。この場合には、各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を次式（17）〜
（20）式のように設定する。また、この状態でのピッチ
ングモーメント，ヨーイングモーメント，ローリングモ
ーメント，機軸方向推力を、それぞれＭp Mp，Ｍy Mp，
Ｍr Mp，ＦMpとする。 ｆe1 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（17） ｆe2 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）−１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（18） ｆe3 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）−１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（19） ｆe4 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ＋ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（20） 【００２１】上記（17）〜（20）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を（１′）式に代
入すると、ピッチングモーメントＭp Mpは、次式（21）
のようになり、ΔＭp だけピッチングモーメントを変化
させることができる。 Ｍp Mp＝（ｆe2 Mp−ｆe4 Mp）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 Mp−ｆe3 Mp） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp −ｆe4 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe3 0 ＋１／２ ・ｋr ・ΔＭp ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 −ｋl ・ΔＭp ・ｌe ・cos η＋ｋr ・ΔＭp ・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ＋ΔＭp ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（21） 【００２２】次に、ピッチ姿勢角を制御するために、ピ
ッチングモーメントをΔＭp だけ変化させた場合に、ヨ
ー姿勢角、ロール姿勢角及び主推力に対するΔＭp の影
響について説明する。上記（17）〜（20）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を
（２′）〜（４′）式に代入すると、次式（22）〜（2
4）のようになり、ΔＭp がヨー姿勢角、ロール姿勢
角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍy Mp＝（−ｆe1 Mp＋ｆe3 Mp）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 Mp＋ｆe4 Mp） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 −ｋr ・ΔＭp ・ｌe ・cos η＋ｋl ・ΔＭp ・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（22） Ｍr Mp＝（ｆe1 Mp−ｆe2 Mp＋ｆe3 Mp−ｆe4 Mp）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe2 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe4 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（23） ＦMp＝（ｆe1 Mp＋ｆe2 Mp＋ｆe3 Mp＋ｆe4 Mp）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（24） 【００２３】（ヨー姿勢角の制御）ヨー姿勢角を制御す
るために、ヨーイングモーメントをΔＭy だけ変化させ
る場合について説明する。この場合には、各エンジン１
〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を次式（25）〜（28）
のように設定する。また、この状態でのピッチングモー
メント、ヨーイングモーメント、ローリングモーメン
ト、機軸方向推力を、それぞれＭp My，Ｍy My，
Ｍr My，ＦMyとする。 ｆe1 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（25） ｆe2 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（26） ｆe3 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（27） ｆe4 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（28） 【００２４】上記（25）〜（28）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を（２′）式に代
入すると、ヨーイングモーメントＭy Myは、次式（29）
のようになり、ΔＭy だけヨーイングモーメントを変化
させることができる。 Ｍy My＝（−ｆe1 My＋ｆe3 My）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 My＋ｆe4 My） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 −ｋl ・ΔＭy ・ｌe ・cos η＋ｋr ・ΔＭy ・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ＋ΔＭy ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（29） 【００２５】次に、ヨー姿勢角を制御するために、ヨー
イングモーメントをΔＭy だけ変化させた場合に、ピッ
チ姿勢角、ロール姿勢角及び主推力に対するΔＭy の影
響について説明する。上記（25）〜（28）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を
（１′），（３′），（４′）式に代入すると、次式
（30）〜（32）のようになり、ΔＭy がピッチ姿勢角、
ロール姿勢角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍp My＝（ｆe2 My−ｆe4 My）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 My−ｆe3 My） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy −ｆe4 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe3 0 ＋１／２ ・ｋl ・ΔＭy ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 −ｋr ・ΔＭy ・ｌe ・cos η＋ｋl ・ΔＭy ・ｒg ＋sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（30） Ｍr My＝（ｆe1 My−ｆe2 My＋ｆe3 My−ｆe4 My）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe2 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe4 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（31） ＦMy＝（ｆe1 My＋ｆe2 My＋ｆe3 My＋ｆe4 My）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（32） 【００２６】（ロール姿勢角の制御）次に、ロール姿勢
角を制御するために、ローリングモーメントをΔＭr だ
け変化させる場合について説明する。この場合には、各
エンジン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を次式（3
3）〜（36）のように設定する。また、この状態でのピ
ッチングモーメント、ヨーイングモーメント、ローリン
グモーメント、機軸方向推力を、それぞれＭp Mr，Ｍy
Mr，Ｍr Mr，ＦMrとする。 ｆe1 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（33） ｆe2 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（34） ｆe3 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（35） ｆe4 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（36） 【００２７】上記（33）〜（36）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を（３′）式に代
入すると、ローリングモーメントＭr Mrは、次式（37）
のようになり、ΔＭr だけローリングモーメントを変化
させることができる。 Ｍr Mr＝（ｆe1 Mr−ｆe2 Mr＋ｆe3 Mr−ｆe4 Mr）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe2 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe4 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ＋ΔＭr ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（37） 【００２８】次に、ロール姿勢角を制御するために、ロ
ーリングモーメントをΔＭr だけ変化させた場合に、ピ
ッチ姿勢角、ヨー姿勢角及び主推力に対するΔＭr の影
響について説明する。上記（33）〜（36）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を
（１′），（２′），（４′）式に代入すると、次式
（38）〜（40）のようになり、ΔＭr がピッチ姿勢角、
ヨー姿勢角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍp Mr＝（ｆe2 Mr−ｆe4 Mr）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 Mr−ｆe3 Mr） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe4 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe3 0 ＋１／４ ・ｋM ・ΔＭr ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（38） Ｍy Mr＝（−ｆe1 Mr＋ｆe3 Mr）・ｌe ・sin η＋（−ｆe2 Mr＋ｆe4 Mr） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ）ｒg ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（39） ＦMr＝（ｆe1 Mr＋ｆe2 Mr＋ｆe3 Mr＋ｆe4 Mr）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（40） 【００２９】上記実施の形態並びに機軸方向推力とロー
ル・ピッチ・ヨーの３軸姿勢制御の説明においては、４
基の可変推力エンジンを用いたものに基づいて行った
が、可変推力エンジンの数は少なくとも４基以上であれ
ば、その取付け位置及び方向を適宜設定することによ
り、同様に３軸姿勢制御と主推力の制御を独立に行わせ
ることができる。例えば、５基のエンジンを用いる場合
は、４基のエンジンは上記実施の形態と同様に配置し、
残り１基は機体軸上にオフセットなしで配置すればよ
く、また６基の場合は、図４の（Ａ）又は（Ｂ）に示す
ような配置態様が用いられる。なお、図４の（Ａ），
（Ｂ）において、矢印は各エンジンの力方向を示してい
る 【００３０】 【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、可変推力エンジンの推力制御のみ
で機軸方向推力とロール・ピッチ・ヨーの３軸姿勢を独
立に制御することができ、首振り装置やガスジェット装
置を必要としないため、ロケットの構造をシンプルにす
ることができ、これにより重量の軽減（ペイロード重量
の増加）を図ることができる。
姿勢制御及び主推力の制御を付加装置なしで行えるよう
にした、エンジンの推力調整によるロケットの制御方法
に関する。 【０００２】 【従来の技術】ロケットを正常に飛行させるためには、
位置／速度を所定の値（基準軌道）に合わせ込む他に、
姿勢を正常に維持することが必要である。従来、このた
めにロケットエンジンには、推力の方向制御と機体の姿
勢制御のために、エンジンの首振り装置（ジンバル装
置）及びガスジェット装置が併用される例が多い。図４
は、従来のロケットの推力方向制御と機体姿勢制御のた
めのエンジン首振り装置及びガスジェット装置を設けた
ロケットのエンジン部分の構成例を示す概略図である。 【０００３】図５において、101 はロケットエンジン
で、該ロケットエンジン101 はジンバルと呼ばれる２軸
方向回転可能な支点をもつ軸受102 で支持され、２方向
から伸ばした伸縮可能な腕をもつピッチ・アクチュエー
タ103 とヨー・アクチュエータ104 とで、エンジン101
の噴射方向を機械的に変更し、ピッチ及びヨーの運動を
独立に制御するように構成されている。ピッチ・アクチ
ュエータ103 及びヨー・アクチュエータ104 は、油圧ポ
ンプ106 ，油圧サーボバルブ107 を介して油タンク105
からの油圧により制御されるようになっている。また、
機体111 の側壁部にはロール制御用のガスジェット装置
112 が設けられている。なお、図において、108 は油ク
ーラ、109 は駆動タービン、110 は自在継手（ベロー
ズ）である。 【０００４】また一方、最近のロケットエンジンは、加
速度調整あるいは軟着陸などのために推力調整機能が要
求され、かかる機能をもつ可変推力ロケットエンジンも
実現しつつある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】ところで、エンジン首
振り装置を用いて推力方向の制御を行うようにしたロケ
ット制御方式においては、首振り装置を駆動するための
アクチュエータに対して、正確、精密且つ迅速な動作が
要求され、またアクチュエータを駆動するために油圧源
などの数多くの機構部品及び配管を必要とし、更に配管
には自在継手を必要としてコストもかかり、また寿命も
制限されるという問題点があった。 【０００６】本発明は、従来のロケットエンジンの推力
方向制御方式における上記問題点を解消するためになさ
れたもので、可変推力エンジンのエンジン推力調整機能
を応用して、首振り装置なしで３軸姿勢制御及び主推力
の制御を行えるようにしたエンジン推力調整によるロケ
ットの制御方法を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記問題点を解消するた
め、本発明は、少なくとも４基の可変推力ロケットエン
ジンをロケット機体に、前記各ロケットエンジンの推力
作用点をロケット機体の機軸からオフセットさせて配置
すると共に、前記各ロケットエンジンの推力軸を前記機
軸方向から傾けて固定し、各ロケットエンジンの推力制
御により、主推力を保持したままピッチ，ヨー，ロール
の３軸の姿勢制御及び機軸方向の主推力の制御を行うよ
うにして、エンジンの推力調整によるロケットの制御方
法を構成するものである。 【０００８】このように、少なくとも４基の複数の可変
推力ロケットエンジンの推力作用点を機軸からオフセッ
トさせて配置しているので、各ロケットエンジンの推力
を選択的に調整して各ロケットエンジン間の推力差を制
御することにより、主推力を保持したままピッチ及びヨ
ー軸方向の運動制御を独立に行うことができる。また各
可変推力ロケットエンジンの推力軸を機軸方向から傾け
て固定しているので、各ロケットエンジンの推力差を制
御することにより、主推力を保持したままロール軸方向
の運動制御を独立に行うことができる。更に各可変推力
ロケットエンジンの推力の総和を制御することにより、
機軸方向の主推力の制御を独立に行うことができる。 【０００９】 【発明の実施の形態】次に実施の形態について説明す
る。図１は、本発明に係るロケットの制御方法の実施の
形態を説明するためのロケットのエンジン部分の構成を
示す概略斜視図で、図２はロケットエンジン部分を下方
よりみた概略図である。両図において、１〜４は、それ
ぞれ第１〜第４の可変推力ロケットエンジンで、各エン
ジンの推力作用点は機体軸から等距離にあり、且つ各作
用点は90度ずつの間隔をおいて対称になるように機体５
に配置されており、また各エンジンの推力は図２の矢印
に示す方向、すなわち第１及び第３のエンジン群１，３
は右回りに、第２及び第４のエンジン群２，４は左回り
に推力を発生するように、機体軸に対して僅かに、例え
ば数度円周方向に沿ってオフセットして固定されてい
る。なお、各エンジンの推力ベクトルと機体軸のなす角
（取付け角）は同一に設定されている。なお、図におい
て６は推力制御バルブである。 【００１０】このように構成したロケットエンジンにお
いては、各可変推力エンジン１〜４のオフセットは僅か
であり、したがって主推力成分を大きく損なうことな
く、各可変推力エンジン１〜４の推力の総和を制御する
ことにより所定の加速度を得ると同時に、各可変推力エ
ンジン間の推力差を利用することにより、ピッチ／ヨー
／ロールの３軸姿勢を制御することが可能となる。 【００１１】次に、ピッチ／ヨー／ロール／主推力とも
独立に制御できることを、更に詳細に説明する。図３の
（Ａ）の機体概略説明図及び図３の（Ｂ）の機体後方よ
り見た説明図に示すように、各エンジン１〜４の推力作
用点１ａ〜４ａと機体軸５ａとの距離をｌe とし、各エ
ンジンの推力作用点で作る平面11とロケットの重心12と
の距離をｒg とし、各エンジンの推力ベクトルと機体軸
５ａのなす角をηとし、また各エンジン１〜４の推力を
ｆei（ｉ＝１〜４）とする。なお、図３の（Ａ），
（Ｂ）において、ＸB ，ＹB ，ＺB は機体固定座標軸を
示している。 【００１２】ここで、ピッチングモーメントＭp ，ヨー
イングモーメントＭy ，ローリングモーメントＭr ，機
軸方向推力Ｆは、それぞれ、次式（１）〜（４）で表さ
れる。 Ｍp ＝（ｆe2−ｆe4）・ｌe ・cos η＋（ｆe1−ｆe3）・ｒg ・sin η ・・・・・・・（１） Ｍy ＝（−ｆe1＋ｆe3）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2＋ｆe4）・ｒg ・sin η ・・・・・・・（２） Ｍr ＝（ｆe1−ｆe2＋ｆe3−ｆe4）・ｌe ・sin η ・・・・・・・（３） Ｆ＝（ｆe1＋ｆe2＋ｆe3＋ｆe4）・cos η ・・・・・・・・・・・（４） 【００１３】そして、ピッチ軸方向の姿勢制御は、
（１）式で表されるピッチングモーメントＭp を制御す
ることにより行われ、ヨー軸方向の姿勢制御は、（２）
式で表されるヨーイングモーメントＭy を制御すること
により行われ、ロール軸方向の姿勢制御は、（３）式で
表されるローリングモーメントＭr を制御することによ
り行われ、主推力は（４）式で表される機軸方向推力Ｆ
を制御することにより行われる。したがって、各エンジ
ン１〜４の推力ｆei（ｉ＝１〜４）を制御することによ
り、上記（１）〜（４）式に示した各モーメントＭp ，
Ｍy ，Ｍr 及び機軸方向推力Ｆを独立に制御することが
できれば、ピッチ／ヨー／ロールの各軸方向の運動、及
び機軸方向の主推力とも独立に制御できることになる。 【００１４】上記（１）〜（４）式を各エンジン１〜４
の推力ｆe1，ｆe2，ｆe3，ｆe4に関して解くと、次式
（５）〜（８）のように表すことができる。 ｆe1＝１／４・ｋF ・Ｆ＋１／４・ｋM ・Ｍr ＋１／２・ｋr ・Ｍp ＋１／２・ｋl ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（５） ｆe2＝１／４・ｋF ・Ｆ−１／４・ｋM ・Ｍr −１／２・ｋl ・Ｍp −１／２・ｋr ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（６） ｆe3＝１／４・ｋF ・Ｆ＋１／４・ｋM ・Ｍr −１／２・ｋr ・Ｍp −１／２・ｋl ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（７） ｆe4＝１／４・ｋF ・Ｆ−１／４・ｋM ・Ｍr ＋１／２・ｋl ・Ｍp ＋１／２・ｋr ・Ｍy ・・・・・・・・・・・・・・・・・（８） 但し、ｋF ＝１／cos η ｋM ＝１／（ｌe ・sin η） ｋr ＝（ｒg ・sin η）／｛（ｒg ・sin η）2 −（ｌ
e ・cos η）2 ｝ ｋl ＝（ｌe ・cos η）／｛（ｒg ・sin η）2 −（ｌ
e ・cos η）2 ｝ 【００１５】したがって、上記（５）〜（８）式のよう
に各エンジン１〜４の推力ｆe1，ｆe2，ｆe3，ｆe4を与
えると、制御目標となる上記（１）〜（４）式の各モー
メントＭp ，Ｍy ，Ｍr 及び機軸方向推力Ｆとも独立に
制御できる。 【００１６】次に、これらを独立制御できることを、更
に具体的に説明する。定常状態での各エンジンの推力を
ｆei 0 （ｉ＝１〜４）とし、ピッチングモーメント，ヨ
ーイングモーメント，ローリングモーメント，機軸方向
推力を、それぞれＭp 0 ，Ｍy 0 ，Ｍr 0 ，Ｆ0 とする
と、それらの関係式は、（１′）〜（４′）式あるいは
（５′）〜（８′）式のようになる。 Ｍp 0 ＝（ｆe2 0 −ｆe4 0 ）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 −ｆe3 0 ） ・ｒg ・sin η ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１′） Ｍy 0 ＝（−ｆe1 0 ＋ｆe3 0 ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋ｆe4 0 ） ・ｒg ・sin η ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２′） Ｍr 0 ＝（ｆe1 0 −ｆe2 0 ＋ｆe3 0 −ｆe4 0 ）・ｌe ・sin η ・（３′） Ｆ0 ＝（ｆe1 0 ＋ｆe2 0 ＋ｆe3 0 ＋ｆe4 0 ）・cos η ・・・・・（４′） ｆe1 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（５′） ｆe2 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（６′） ｆe3 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（７′） ｆe4 0 ＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・（８′） 【００１７】（主推力の制御）主推力を制御するため
に、機軸方向推力をΔＦだけ変化させる場合について説
明する。この場合には、各エンジン１〜４の推力ｆei F
（ｉ＝１〜４）を（９）〜（12）式のように設定する。
また、この状態でのピッチングモーメント，ヨーイング
モーメント，ローリングモーメント，機軸方向推力を、
それぞれＭp F ，Ｍy F ，Ｍr F ，ＦF とする。 ｆe1 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（９） ｆe2 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）−１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（10） ｆe3 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（11） ｆe4 F ＝１／４・ｋF ・（Ｆ0 ＋ΔＦ）−１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・（12） 【００１８】上記（９）〜（12）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei F （ｉ＝１〜４）を（４′）式に代
入すると、機軸方向推力ＦF は、次式（13) 式のように
表され、ΔＦだけ機軸方向推力を変化させることができ
る。 ＦF ＝（ｆe1 F ＋ｆe2 F ＋ｆe3 F ＋ｆe4 F ）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ） ・cos η ＝Ｆ0 ＋ΔＦ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（13） 【００１９】次に、上記のように機軸方向推力をΔＦだ
け変化させた場合におけるピッチ姿勢角、ヨー姿勢角、
ロール姿勢角に対するΔＦの影響について説明する。上
記（９）〜（12）式で表される各エンジン１〜４の推力
ｆei F （ｉ＝１〜４）を（１′）〜（３′）式に代入す
ると、次式（14）〜（16）のようになり、ΔＦがピッチ
姿勢角、ヨー姿勢角、ロール姿勢角に影響を与えていな
いことがわかる。 Ｍp F ＝（ｆe2 F −ｆe4 F ）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 F −ｆe3 F ） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe4 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe3 0 −１／４ ・ｋF ・ΔＦ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（14） Ｍy F ＝（−ｆe1 F ＋ｆe3 F ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 F ＋ｆe4 F ） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 −１／４・ｋF ＋ｆe4 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（15） Ｍr F ＝（ｆe1 F −ｆe2 F ＋ｆe3 F −ｆe4 F ）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe2 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋF ・ΔＦ−ｆe4 0 −１／４・ｋF ・ΔＦ） ・ｒg ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（16） 【００２０】（ピッチ姿勢角の制御）ピッチ姿勢角を制
御するために、ピッチングモーメントをΔＭp だけ変化
させる場合について説明する。この場合には、各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を次式（17）〜
（20）式のように設定する。また、この状態でのピッチ
ングモーメント，ヨーイングモーメント，ローリングモ
ーメント，機軸方向推力を、それぞれＭp Mp，Ｍy Mp，
Ｍr Mp，ＦMpとする。 ｆe1 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（17） ｆe2 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）−１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（18） ｆe3 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）−１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（19） ｆe4 Mp＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・（Ｍp 0 ＋ΔＭp ）＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ＋ΔＭp ・・・・・・・・・・・・（20） 【００２１】上記（17）〜（20）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を（１′）式に代
入すると、ピッチングモーメントＭp Mpは、次式（21）
のようになり、ΔＭp だけピッチングモーメントを変化
させることができる。 Ｍp Mp＝（ｆe2 Mp−ｆe4 Mp）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 Mp−ｆe3 Mp） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp −ｆe4 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe3 0 ＋１／２ ・ｋr ・ΔＭp ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 −ｋl ・ΔＭp ・ｌe ・cos η＋ｋr ・ΔＭp ・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ＋ΔＭp ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（21） 【００２２】次に、ピッチ姿勢角を制御するために、ピ
ッチングモーメントをΔＭp だけ変化させた場合に、ヨ
ー姿勢角、ロール姿勢角及び主推力に対するΔＭp の影
響について説明する。上記（17）〜（20）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei Mp（ｉ＝１〜４）を
（２′）〜（４′）式に代入すると、次式（22）〜（2
4）のようになり、ΔＭp がヨー姿勢角、ロール姿勢
角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍy Mp＝（−ｆe1 Mp＋ｆe3 Mp）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 Mp＋ｆe4 Mp） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 −ｋr ・ΔＭp ・ｌe ・cos η＋ｋl ・ΔＭp ・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（22） Ｍr Mp＝（ｆe1 Mp−ｆe2 Mp＋ｆe3 Mp−ｆe4 Mp）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe2 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp −ｆe4 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（23） ＦMp＝（ｆe1 Mp＋ｆe2 Mp＋ｆe3 Mp＋ｆe4 Mp）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe2 0 −１／２・ｋl ・ΔＭp ＋ｆe3 0 −１／２・ｋr ・ΔＭp ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭp ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（24） 【００２３】（ヨー姿勢角の制御）ヨー姿勢角を制御す
るために、ヨーイングモーメントをΔＭy だけ変化させ
る場合について説明する。この場合には、各エンジン１
〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を次式（25）〜（28）
のように設定する。また、この状態でのピッチングモー
メント、ヨーイングモーメント、ローリングモーメン
ト、機軸方向推力を、それぞれＭp My，Ｍy My，
Ｍr My，ＦMyとする。 ｆe1 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（25） ｆe2 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（26） ｆe3 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・Ｍr 0 −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（27） ｆe4 My＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・Ｍr 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・（Ｍy 0 ＋ΔＭy ） ＝ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ・・・・・・・・・・・・（28） 【００２４】上記（25）〜（28）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を（２′）式に代
入すると、ヨーイングモーメントＭy Myは、次式（29）
のようになり、ΔＭy だけヨーイングモーメントを変化
させることができる。 Ｍy My＝（−ｆe1 My＋ｆe3 My）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 My＋ｆe4 My） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ）・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 −ｋl ・ΔＭy ・ｌe ・cos η＋ｋr ・ΔＭy ・ｒg ・sin η ＝Ｍy 0 ＋ΔＭy ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（29） 【００２５】次に、ヨー姿勢角を制御するために、ヨー
イングモーメントをΔＭy だけ変化させた場合に、ピッ
チ姿勢角、ロール姿勢角及び主推力に対するΔＭy の影
響について説明する。上記（25）〜（28）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei My（ｉ＝１〜４）を
（１′），（３′），（４′）式に代入すると、次式
（30）〜（32）のようになり、ΔＭy がピッチ姿勢角、
ロール姿勢角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍp My＝（ｆe2 My−ｆe4 My）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 My−ｆe3 My） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy −ｆe4 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe3 0 ＋１／２ ・ｋl ・ΔＭy ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 −ｋr ・ΔＭy ・ｌe ・cos η＋ｋl ・ΔＭy ・ｒg ＋sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（30） Ｍr My＝（ｆe1 My−ｆe2 My＋ｆe3 My−ｆe4 My）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe2 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy −ｆe4 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（31） ＦMy＝（ｆe1 My＋ｆe2 My＋ｆe3 My＋ｆe4 My）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe2 0 −１／２・ｋr ・ΔＭy ＋ｆe3 0 −１／２・ｋl ・ΔＭy ＋ｆe4 0 ＋１／２・ｋr ・ΔＭy ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（32） 【００２６】（ロール姿勢角の制御）次に、ロール姿勢
角を制御するために、ローリングモーメントをΔＭr だ
け変化させる場合について説明する。この場合には、各
エンジン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を次式（3
3）〜（36）のように設定する。また、この状態でのピ
ッチングモーメント、ヨーイングモーメント、ローリン
グモーメント、機軸方向推力を、それぞれＭp Mr，Ｍy
Mr，Ｍr Mr，ＦMrとする。 ｆe1 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） ＋１／２・ｋr ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（33） ｆe2 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） −１／２・ｋl ・Ｍp 0 −１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（34） ｆe3 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 ＋１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） −１／２・ｋr ・Ｍp 0 −１／２・ｋl ・Ｍy 0 ＝ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（35） ｆe4 Mr＝１／４・ｋF ・Ｆ0 −１／４・ｋM ・（Ｍr 0 ＋ΔＭr ） ＋１／２・ｋl ・Ｍp 0 ＋１／２・ｋr ・Ｍy 0 ＝ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ・・・・・・・・・・・・（36） 【００２７】上記（33）〜（36）式で表される各エンジ
ン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を（３′）式に代
入すると、ローリングモーメントＭr Mrは、次式（37）
のようになり、ΔＭr だけローリングモーメントを変化
させることができる。 Ｍr Mr＝（ｆe1 Mr−ｆe2 Mr＋ｆe3 Mr−ｆe4 Mr）・ｌe ・sin η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe2 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe4 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・sin η ＝Ｍr 0 ＋ΔＭr ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（37） 【００２８】次に、ロール姿勢角を制御するために、ロ
ーリングモーメントをΔＭr だけ変化させた場合に、ピ
ッチ姿勢角、ヨー姿勢角及び主推力に対するΔＭr の影
響について説明する。上記（33）〜（36）式で表される
各エンジン１〜４の推力ｆei Mr（ｉ＝１〜４）を
（１′），（２′），（４′）式に代入すると、次式
（38）〜（40）のようになり、ΔＭr がピッチ姿勢角、
ヨー姿勢角、主推力に影響を与えないことがわかる。 Ｍp Mr＝（ｆe2 Mr−ｆe4 Mr）・ｌe ・cos η＋（ｆe1 Mr−ｆe3 Mr） ・ｒg ・sin η ＝（ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe4 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・cos η＋（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr −ｆe3 0 ＋１／４ ・ｋM ・ΔＭr ）・ｒg ・sin η ＝Ｍp 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（38） Ｍy Mr＝（−ｆe1 Mr＋ｆe3 Mr）・ｌe ・sin η＋（−ｆe2 Mr＋ｆe4 Mr） ・ｒg ・sin η ＝（−ｆe1 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ）・ｌe ・cos η＋（−ｆe2 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ）ｒg ・sin η ＝Ｍr 0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（39） ＦMr＝（ｆe1 Mr＋ｆe2 Mr＋ｆe3 Mr＋ｆe4 Mr）・cos η ＝（ｆe1 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe2 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe3 0 ＋１／４・ｋM ・ΔＭr ＋ｆe4 0 −１／４・ｋM ・ΔＭr ） ・ｌe ・sin η ＝Ｆ0 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（40） 【００２９】上記実施の形態並びに機軸方向推力とロー
ル・ピッチ・ヨーの３軸姿勢制御の説明においては、４
基の可変推力エンジンを用いたものに基づいて行った
が、可変推力エンジンの数は少なくとも４基以上であれ
ば、その取付け位置及び方向を適宜設定することによ
り、同様に３軸姿勢制御と主推力の制御を独立に行わせ
ることができる。例えば、５基のエンジンを用いる場合
は、４基のエンジンは上記実施の形態と同様に配置し、
残り１基は機体軸上にオフセットなしで配置すればよ
く、また６基の場合は、図４の（Ａ）又は（Ｂ）に示す
ような配置態様が用いられる。なお、図４の（Ａ），
（Ｂ）において、矢印は各エンジンの力方向を示してい
る 【００３０】 【発明の効果】以上実施の形態に基づいて説明したよう
に、本発明によれば、可変推力エンジンの推力制御のみ
で機軸方向推力とロール・ピッチ・ヨーの３軸姿勢を独
立に制御することができ、首振り装置やガスジェット装
置を必要としないため、ロケットの構造をシンプルにす
ることができ、これにより重量の軽減（ペイロード重量
の増加）を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロケットの制御方法の実施の形態
を説明するためのロケットのエンジン部分の構成を示す
斜視図である。 【図２】図１に示したエンジン部分を下からみた概略図
である。 【図３】図１及び図２に示したロケットエンジンによる
動作を説明するための説明図である。 【図４】６基の可変推力ロケットエンジンを用いる場合
の配置態様を示す図である。 【図５】従来のロケットのエンジン部分の構成例を示す
概略図である。 【符号の説明】 １ 第１の可変推力ロケットエンジン ２ 第２の可変推力ロケットエンジン ３ 第３の可変推力ロケットエンジン ４ 第４の可変推力ロケットエンジン １ａ，２ａ，３ａ，４ａ 各エンジンの推力作用点 ５ 機体 ５ａ 機体軸 11 各エンジンの推力作用点で作る平面 12 ロケットの重心
を説明するためのロケットのエンジン部分の構成を示す
斜視図である。 【図２】図１に示したエンジン部分を下からみた概略図
である。 【図３】図１及び図２に示したロケットエンジンによる
動作を説明するための説明図である。 【図４】６基の可変推力ロケットエンジンを用いる場合
の配置態様を示す図である。 【図５】従来のロケットのエンジン部分の構成例を示す
概略図である。 【符号の説明】 １ 第１の可変推力ロケットエンジン ２ 第２の可変推力ロケットエンジン ３ 第３の可変推力ロケットエンジン ４ 第４の可変推力ロケットエンジン １ａ，２ａ，３ａ，４ａ 各エンジンの推力作用点 ５ 機体 ５ａ 機体軸 11 各エンジンの推力作用点で作る平面 12 ロケットの重心
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B64G 1/24
F02K 9/80
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 少なくとも４基の可変推力ロケットエン
ジンをロケット機体に、前記各ロケットエンジンの推力
作用点をロケット機体の機軸からオフセットさせて配置
すると共に、前記各ロケットエンジンの推力軸を前記機
軸方向から傾けて固定し、各ロケットエンジンの推力制
御により、主推力を保持したままピッチ，ヨー，ロール
の３軸の姿勢制御及び機軸方向の主推力の制御を行うよ
うにしたことを特徴とするエンジンの推力調整によるロ
ケットの制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08047596A JP3519206B2 (ja) | 1996-03-11 | 1996-03-11 | エンジンの推力調整によるロケットの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08047596A JP3519206B2 (ja) | 1996-03-11 | 1996-03-11 | エンジンの推力調整によるロケットの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09240599A JPH09240599A (ja) | 1997-09-16 |
| JP3519206B2 true JP3519206B2 (ja) | 2004-04-12 |
Family
ID=13719302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08047596A Expired - Fee Related JP3519206B2 (ja) | 1996-03-11 | 1996-03-11 | エンジンの推力調整によるロケットの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3519206B2 (ja) |
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| CN114460951B (zh) * | 2021-08-06 | 2023-10-31 | 北京天兵科技有限公司 | 一种液体火箭单发动机伺服机构的控制方法及系统 |
| CN114442647B (zh) * | 2021-12-08 | 2024-04-26 | 航天科工火箭技术有限公司 | 基于模糊隶属度函数的火箭末级姿态分时控制方法及装置 |
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-
1996
- 1996-03-11 JP JP08047596A patent/JP3519206B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09240599A (ja) | 1997-09-16 |
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