JP4301914B2

JP4301914B2 - アクティブ制御パルス推力測定装置

Info

Publication number: JP4301914B2
Application number: JP2003347804A
Authority: JP
Inventors: 奈緒己松田; 浄二梅田; 裕二志賀; 元章田中; 芳郎廣川
Original assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: JP2005114492A

Description

本発明は、高周波パルス推力を発生するスラスタの推力を測定するパルス推力測定装置に係わり、更に詳しくは、パルス推力により発生する装置系の高周波振動を抑制するアクティブ制御系を備えたアクティブ制御パルス推力測定装置に関する。

宇宙空間において、例えば人工衛星の姿勢制御等に用いられるスラスタの推力を測定するために、例えば特許文献１が提案されている。

特許文献１の「高周波パルス推力測定方法および高周波パルス推力測定用ロードセル」は、図６に示すように、一次固有振動数ｆが、パルス推力の周波数ｆ’よりも大きくなるような縦弾性係数Ｅおよび推力方向長さＬを有するブロック部５２と、該ブロック部の内部または側面にひずみゲージ５４とを備え、ブロック部に生じるひずみをひずみゲージにより測定することによって高周波のパルス推力を測定するものである。

特開２００２−２０２２１１号公報

人工衛星の姿勢制御等に用いられるスラスタは、２０ｍｓから４０ｍｓの短時間のパルスモードに対する性能確認が要求される。そのため、従来のパルス推力測定装置は、図７に模式的に示すように、スラスタ２を水平に固定した架台６１、架台を水平方向に移動可能に支持する支持体６２、及び架台６１と支持ブラケット６３との間に挟持されたロードセル６４とを備え、スラスタの発生推力をロードセルで検出する構成になっていた。

この構成のパルス推力計測装置は、スラスタの発生推力をロードセルによって静的な力として検出するものである。それには、装置系の剛性をできるだけ大きくとり、パルスの振動数と装置系の固有振動数をできるだけ離すことによって、動的応答を小さくさせることが必要である。このような条件で製作された装置では、検出される推力は、本来のパルスの形状を呈しているはずであり、満足できる結果を与えてくれるはずである。また、たとえ、パルスの入力時に振動が生じたとしても、極めて短時間で減衰するから、推力計測には大きな支障は生じない。万が一、剛性不足によって、装置系の動的応答が発生した場合には、得られた推力波形にフィルタ処理を施し、動的成分を除去することも考えられるが、このような処理を施すと、推力の生波形の形状を損なう可能性が高く、信頼性の点で問題があると考えられる。

図８は、上述のパルス推力計測装置で計測したパルス推力計測結果の一例である。この例は、０．２秒周期で０．０２ｓｅｃ（２０ｍｓ）のパルスモードで試験した結果であり、横軸は時間、縦軸は計測されたパルス推力である。
この図から、計測されたパルス推力は、スラスタの発生推力（パルス推力）に装置の剛性不足によると思われる外乱が重畳してしまっており、パルス推力の測定ができないことがわかる。

精度の良い推力を計測するためには、装置系の剛性を高くすればよいが、これは、より剛なロードセルを選択することを意味するが、剛になれば変位は小さくなるから検出感度は小さくなり、数１０Ｎ程度の推力を計測することは難しくなる。そのため、剛性については、ある妥協点を定めなくてはならない。しかし、近年、高応答なスラスタが開発されており、推力の有する振動数と装置系の固有振動数が近接する傾向になってきた。従って、上述したように短時間パルスに対して、装置系の振動が顕在化するようになり、精度良い推力波形を得ることが難しい問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、例えば２０ｍｓから４０ｍｓ程度の短時間のパルス推力が作用する場合でも、装置系の振動を抑制することができ、これにより短時間のパルス推力を精度よく計測することができるパルス推力測定装置を提供することにある。

上述した従来例のように、架台の剛性と減衰が十分でないと、装置系に振動が発生する結果、推力波形に振動が重畳してしまい、精度良い推力計測が行えない。これに対して本発明は、測定装置に振動抑制機能を組み込み、本来の推力のみを計測することによって、パルス推力の計測精度向上を図ったものである。

すなわち、本発明によれば、推力を発生するスラスタが取り付けられた推力架台と、該推力架台を推力方向に移動可能に支持する支持部材と、推力架台の外部に固定された固定部材と、固定部材と推力架台との間に挟持されその間に作用する荷重を検出する荷重検出器と、推力架台の推力方向の変位xを検出する変位検出手段と、推力架台に推力方向の外力uを付加するアクチュエータと、前記変位xに応じてアクチュエータの外力uを制御するアクティブ制御装置とを備え、これにより推力架台の剛性および/または減衰特性をアクティブ制御する、ことを特徴とするアクティブ制御パルス推力測定装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記アクチュエータは、リニアモータ、ピエゾアクチュエータ、または超磁歪アクチュエータである。

また、前記アクチュエータは、リニアモータであり、前記アクティブ制御装置により、変位xから速度dx/dtを求め、これに所定の速度フィードバックゲインKvを掛けた値Kv・dx/dtをアクチュエータの推力uとして推力と逆方向に制御する、ことが好ましい。

本発明の構成によれば、推力架台の推力方向の変位xを検出する変位検出手段と、推力架台に推力方向の外力uを付加するアクチュエータと、前記変位xに応じてアクチュエータの外力uを制御するアクティブ制御装置とを備えるので、推力架台の剛性および/または減衰特性をアクティブ制御することにより、装置系の振動特性を望ましい特性に改善することができ、スラスタ推力の検出信号に混入していた装置系の振動を抑制することができ、これにより短時間のパルス推力を精度よく計測することができる。

また、アクチュエータを用いたアクティブ制御を採用することにより、真空条件下での振動制御を容易にし、かつ高周波微振動制御による高性能な振動特性を実現できる。
更に、アクティブ制御を用いているので、必要に応じて、フィードバックゲインの変更のみで振動特性を変更することができ、搭載されるスラスタに限定されない幅広い適用が可能である。

また、変位検出手段を備えているので、この波形を取得しておけば、力学モデルを用いて推力波形を逆解析することができ、検出された推力波形の検証に利用できる。
また、推力計測装置のメンテナンスの観点から、アクチュエータを加振装置として用いて推力架台を加振して、振動特性の変化から装置の損傷や劣化を早期に検知することもできる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のアクティブ制御パルス推力測定装置の構成図である。この図に示すように、本発明のアクティブ制御パルス推力測定装置１０は、推力架台１２、支持部材１４、固定部材１６、荷重検出器１８、変位検出手段２０、アクチュエータ２２およびアクティブ制御装置２４を備える。

推力架台１２には、推力ｆを発生するスラスタ２がこの例では水平に取り付けられている。また、支持部材１４は、この例では、垂直に配置された薄い４枚の板ばねであり推力架台１２を推力方向（この例では水平方向）に移動可能に支持する。固定部材１６は、推力架台１２の外部（この例では、基礎４）に移動しないように固定されている。荷重検出器１８は、例えばロードセルであり、固定部材１６と推力架台１２との間に挟持され、その間に作用する水平荷重を検出する。

変位検出手段２０は、この例では、固定部材１６（又は推力架台１２）に取り付けられた渦電流センサであり、推力架台の推力方向の変位xを検出する。
アクチュエータ２２は、好ましくはリニアモータであり、推力架台１２に推力方向の外力uを付加する。なお、アクチュエータは、リニアモータに代えて、ピエゾアクチュエータまたは超磁歪アクチュエータであってもよい。
アクティブ制御装置２４は、変位検出手段２０による検出変位xに応じてアクチュエータの外力uを制御し、これにより推力架台の剛性および/または減衰特性をアクティブ制御するようになっている。

上述のように、本発明では、計測装置にアクチュエータを組み込み、アクティブ振動制御を行う。アクティブ制御は、装置の推力架台に配置した振動センサより検出した信号をフィードバックし、制御器でアクチュエータへの駆動信号を演算する。これをアクチュエータに印加することにより、振動を低減する。このようなフィードバック制御による駆動信号は、制御力の形で（数１）の式（１）で与えられる。
ここで、ｆｃは制御力、ＫｄとＫｖはそれぞれフィードバックゲインである。このような制御力が与えられた装置系の運動方程式は、（数１）の式（２）（３）となる。

ここで、ｍ_s，ｃ_s，ｋ_sは改善前の装置系の質量、減衰係数、剛性であり、ｆはパルス推力である。
式（３）から、速度に比例した制御力は減衰付加に、変位に比例した制御力は剛性付加に寄与していることがわかる。言い換えれば、アクチュエータがばね要素とダンパの役割を兼ねることが可能であり、架台の振動特性をフィードバックゲインによって所望の特性に改善することができる。

図２は、本発明によるアクチュエータの配置例を示す模式図である。この図において、（ａ）は、図１に対応する並列配置、（ｂ）（ｃ）は直列配置である。

最も一般的なアクチュエータの配置としては、図１と図２（ａ）の並列配置が考えられるが、図２（ｂ）（ｃ）のように、アクチュエータをロードセルに対し直列に配置した場合は、減衰と剛性の双方を付加することが可能である。
もちろん、支持ブラケットが極めて剛でなければならないことは言うまでもないが、ロードセルの検出力とアクチュエータの力とは作用反作用の関係にあるので、例えば、剛性を持った圧電素子の適用も可能であり、高剛性と減衰付加の両方を実現することができる。また、このような圧電素子はセンサとしての機能を持つので、ロードセルの代用が期待でき、セルフセンシングアクチュエータとして利用すれば、推力架台の振動センサとロードセルを用いず、圧電素子だけを用いたスマート構造の推力計測装置が実現できる。

図１は、図２（ａ）に示したロードセルに対してアクチュエータを並列に配置した構成であり、本発明では、アクチュエータは減衰力のみを与えることができるダンパの役割を果たすようにする。振動制御を施すアクチュエータ２２には、リニアモータを用い、これを推力架台１２の下部と基礎４との間に据え付ける。リニアモータは、コイル部の上下をマグネット部でサンドイッチ状に挟み込んだもので、コイル部は推力架台１２に、一方のマグネット部は基礎４に据え付けられている。コイルに電流を流すと振動方向に推力を発生し、所要の減衰力を推力架台に印加することができる。コイル部とマグネット部は非接触なので、機械的な摩擦はなく、微小振動を効率よく低減できる。推力架台には、振動を検出するための振動センサを配置する。センサには、渦電流式の変位センサを用いるが、その他の変位センサや速度センサでも可能である。ここでは、フィードバックした変位信号を制御器で微分し、速度を得る。これに式（１）に基づく制御則を施し、駆動力信号を得る。これをモータ付属の駆動ドライバに入力し、モータへ電流を流して振動制御を行う。

図２（ｂ）（ｃ）は、図１と図２（ａ）の並列配置の代替構造を示したものである。アクチュエータをロードセルに対して直列に配置した場合である。アクチュエータを推力架台側に配置するか、支持ブラケット側に配置するかによって２通りが考えられる。この場合には、式（１）の制御力には剛性付加も適用できるし、構造的に高い剛性をもった圧電素子の適用も可能である。

図３は、剛性と減衰比の影響を示すシミュレーション結果である。この図において、（Ａ）は剛性を基準１．０ｋに対して半分の０．５ｋと２倍の２．０ｋに変化させたときの特性である。また（Ｂ）は減衰比を０．０４，０．１，０．４と変化させた場合と、減衰比を０．４にしかつ剛性を２．０ｋに変化させた場合である。なお、各図において、横軸は周波数、縦軸は静的応答倍率である。
図３（Ａ）から、剛性を小さくすると、静的応答倍率が大きくなるので検出感度は向上できるが、共振点が低下するため、振動が重畳しやすくなる。また、逆に剛性が大きくなると、共振点は高周波側に移行するので、動的応答の影響を受けにくくなるが、検出感度は低下する。更に、高周波域での特性は、剛性によらず変化しないことがわかる。
一方、図３（Ｂ）から、減衰比を大きくすると、共振ピークは低減するが、共振ピークを外れた領域では大きな変化はない。剛性を高くし、かつ減衰も高くすると、ふらっとな周波数領域が広がる。
したがって、剛性と減衰比を最適化することにより、検出感度が高く、かつ振動の重畳を抑えることができることがわかる。

図４はアクティブ制御の効果を示す特性図である。この図において、（Ａ）はアクティブ制御なしの場合、（Ｂ）はアクティブ制御を施した場合であり、それぞれ上から（ａ）入力推力、（ｂ）制御力、（ｃ）推力架台の変位、（ｄ）検出推力である。なお、各図において、横軸は時間である。
この図から、アクティブ制御を施すと、振動による動的成分が低減され、パルス推力の本来の波形が検出できることがわかる。

図５は、スラスタ推力を実測した結果である。この図において、（Ａ）はアクティブ制御なしの場合、（Ｂ）はアクティブ制御を施した場合であり、それぞれ図中の下側に入力推力、上側の曲線が検出推力である。なお、各図において、横軸は時間であり、縦軸は異なる縮尺で推力を示している。
この図から、実際の燃焼試験でも、アクティブ制御を施した場合は、振動が低減され、良好な推力波形が得られることがわかる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のアクティブ制御パルス推力測定装置の構成図である。本発明によるアクチュエータの配置例を示す模式図である。剛性と減衰比の影響を示すシミュレーション結果である。アクティブ制御の効果を示す特性図である。スラスタ推力を実測した結果である。特許文献１の模式図である。従来のパルス推力測定装置の模式図である。従来のパルス推力計測装置で計測したパルス推力計測結果の一例である。

符号の説明

２スラスタ、４基礎、
１０アクティブ制御パルス推力測定装置、
１２推力架台、１４支持部材、１６固定部材、
１８荷重検出器（ロードセル）、２０変位検出手段（渦電流センサ）、
２２アクチュエータ（リニアモータ）、２４アクティブ制御装置

Claims

推力を発生するスラスタが取り付けられた推力架台と、該推力架台を推力方向に移動可能に支持する支持部材と、推力架台の外部に固定された固定部材と、固定部材と推力架台との間に挟持されその間に作用する荷重を検出する荷重検出器と、推力架台の推力方向の変位xを検出する変位検出手段と、推力架台に推力方向の外力uを付加するアクチュエータと、前記変位xに応じてアクチュエータの外力uを制御するアクティブ制御装置とを備え、これにより推力架台の剛性および/または減衰特性をアクティブ制御する、ことを特徴とするアクティブ制御パルス推力測定装置。
前記アクチュエータは、リニアモータ、ピエゾアクチュエータ、または超磁歪アクチュエータである、ことを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制御パルス推力測定装置。
前記アクチュエータは、リニアモータであり、前記アクティブ制御装置により、変位xから速度dx/dtを求め、これに所定の速度フィードバックゲインKvを掛けた値Kv・dx/dtをアクチュエータの推力uとして推力と逆方向に制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のアクティブ制御パルス推力測定装置。