JP4655804B2

JP4655804B2 - 圧縮空気供給システム

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Publication number: JP4655804B2
Application number: JP2005219103A
Authority: JP
Inventors: 昭憲篠原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP2007030758A

Description

本発明は、圧縮空気を利用して作動する装置に対して圧縮空気を供給する圧縮空気供給システムに関する。

圧縮空気を利用して作動する装置としては、タービンや空気噴射ノズルなどがある。それらに空気を供給して作動させる場合、圧縮空気を生成する圧縮空気生成装置から直接ダクト等を介してそれらの装置に圧縮空気を供給する方法が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている垂直離着陸機の姿勢制御装置は、コンプレッサを有する圧縮空気生成装置と、この圧縮空気を垂直離着陸機の機体の上下方向に噴射する一対のノズルとを備えている。この姿勢制御装置においては、コンプレッサで発生した圧縮空気は、コンプレッサとノズルとを接続するダクトを介して直接ノズルに供給される。そして、圧縮空気がノズルから噴射する際の反力によって発生する推力を利用して姿勢を制御する。
特開２００４−８２９９９号公報

しかし、このように圧縮空気生成装置で生成された圧縮空気を、圧縮空気を利用して作動する装置（以下「空気利用装置」）に直接供給する圧縮空気供給システムにおいては、空気利用装置で必要とされる圧縮空気の流量を全て圧縮空気生成装置の出力で賄う必要がある。そのため、空気利用装置が所望の機能を発揮するために大流量の圧縮空気を供給する必要がある場合、圧縮空気生成装置の出力を大きくする必要があった。

例えば、上記の特許文献１に記載の垂直離着陸機の姿勢制御装置の場合、種々の条件における姿勢制御において必要とされる推力のうち最大の推力に対応する流量の圧縮空気をコンプレッサが出力できなければならない。しかし、そのような要請に対応すべく大出力のコンプレッサを搭載した場合、コンプレッサが大型化したり燃料消費量が増加したりする可能性がある。その結果、機体重量の増加や搭載燃料の増大を招く虞があった。

これに対し、ファンの回転によって推力を発生するファン推力発生装置を更に備え、空気噴射ノズルによる推力を利用した姿勢制御方式（以下「圧縮空気噴射方式」）とファンによる推力の差を利用した姿勢制御方式（以下「ファン推力差動方式」）とを併用することによりコンプレッサの小型化を図る姿勢制御装置が考えられている。この場合、ファン推力差動方式による推力発生の立ち上がりが遅いため、姿勢制御開始時は推力発生の立ち上がりが早い圧縮空気噴射方式を併用して推力の不足分を補助する。そして、ファン推力差動方式による推力が姿勢制御のために必要な大きさに達した時点で圧縮空気噴射方式による姿勢制御を停止し、ファン推力差動方式のみによって姿勢制御を行う。従って、姿勢制御開始時以外においてはコンプレッサに必要とされる出力は少なくて済む。

しかし、このような姿勢制御装置であっても、姿勢制御開始時にファン推力差動方式による推力の不足を補助する際には、短い時間ではあるが姿勢制御を行うための推力のほぼ全てを圧縮空気噴射方式によって発生させる必要がある。そのため、この間は空気噴射ノズルに大流量の圧縮空気を供給しなければならず、コンプレッサも大出力のものを搭載する必要があった。そのため、依然としてコンプレッサの大型化や燃料消費量の増大を解消することは困難な場合があり、結果として飛翔体の機体を軽量コンパクト化する要請に相
反する虞があった。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大出力の圧縮空気生成装置と同等の流量の圧縮空気を、より小さい出力の圧縮空気生成装置を用いて、空気利用装置に供給することを可能とする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、圧縮空気生成装置と空気利用装置との間に圧縮空気が充填される複数のタンクを設け、圧縮空気生成装置で生成された圧縮空気を空気利用装置に直接供給するのではなく、一旦タンクに充填し、圧縮空気が十分に充填されたタンクから空気利用装置に圧縮空気を供給するようにしたことを最大の特徴とする。

より詳しくは、本発明に係る圧縮空気供給システムは、
圧縮空気を生成する圧縮空気生成装置と、
前記圧縮空気生成装置によって生成された圧縮空気が充填される複数のタンクと、
前記タンクに充填された圧縮空気を利用して作動する空気利用装置と、
前記タンクの各々と前記圧縮空気生成装置とを連通し、前記圧縮空気生成装置によって生成された圧縮空気を前記タンクの各々に導く供給路と、
前記タンクの各々と前記空気利用装置とを連通し、前記タンクの各々に充填された圧縮空気を前記空気利用装置に導く放出路と、
前記タンクの各々に流入する前記圧縮空気の量を調節する供給量調節装置と、
前記タンクの各々から流出する前記圧縮空気の量を調節する放出量調節装置と、
前記供給量調節装置によって前記タンクのうちの少なくとも一つのタンクに前記圧縮空気を導入し所定量の前記圧縮空気を充填する充填制御を行うとともに、前記放出量調節装置によって前記所定量の前記圧縮空気を充填済みのタンクから前記空気利用装置に前記圧縮空気を供給する放出制御を行う供給制御装置と、
を備え、供給制御装置は、複数のタンクのうちのあるタンクに対して放出制御を行っている間、並行して他のタンクに対する充填制御を行い、放出制御を行っているタンクのうち空気利用装置に対して圧縮空気の供給を継続不可能な状態になったタンクに対する制御を放出制御から充填制御に切り替えるとともに、充填制御を行っているタンクのうち空気利用装置に対して圧縮空気の供給を開始できる状態になったタンクに対する制御を充填制御から放出制御に切り替えることを特徴とする。

上記のように構成された圧縮空気供給システムにおいては、圧縮空気生成装置と空気利用装置との間にはタンクが介装されている。そして、圧縮空気生成装置から出力された圧縮空気は、直接空気利用装置に供給されるのではなく、まずタンクに供給される。さらに、圧縮空気を充填したタンクから必要時に圧縮空気が放出され、空気利用装置に供給される。

タンクに圧縮空気を充填する場合には、供給制御装置は、まず圧縮空気生成装置を作動させて圧縮空気を生成させるとともに、複数のタンクのうち少なくとも一つのタンクについて、該タンクへ圧縮空気が流入可能なように供給量調節装置を制御し、且つ該タンクからの圧縮空気の流出を制限するように放出量調節装置を制御することによって、圧縮空気生成装置から出力された圧縮空気を該タンクに供給する。そして、該タンクに所定量の圧縮空気を充填する。このようにしてタンクに圧縮空気を充填する制御が本発明における充填制御である。

また、タンクから圧縮空気を放出する場合には、供給制御装置は、上記の充填制御によって所定量の圧縮空気が充填されたタンクのいずれかについて、該タンクへの圧縮空気の流入を制限するように供給量調節装置を制御し、且つ該タンクから圧縮空気が流出可能なように放出量調節装置を制御することによって、該タンクから圧縮空気を放出させ、空気利用装置に供給する。このようにしてタンクから圧縮空気を放出する制御が本発明における放出制御である。

ここで、上記の所定量とは、タンクに充填される圧縮空気の量に関して予め定められた
量であって、供給制御装置が放出制御を行った際に、空気利用装置を作動させるために必要な流量（以下「必要流量」と呼ぶ）で、圧縮空気を空気利用装置に供給可能となるように定められた量である。

従来のように圧縮空気生成装置から出力された圧縮空気が直接空気利用装置に供給されるように構成された圧縮空気供給システムにおいては、圧縮空気生成装置から必要流量と同等以上の流量で圧縮空気が出力される必要があった。

それに対し、上記のように構成された圧縮空気供給システムにおいては、必要流量で圧縮空気を出力し、空気利用装置に供給する役割はタンクが担うことになる。そのため、圧縮空気生成装置が出力可能な圧縮空気の流量が必要流量より小さい場合であっても、空気利用装置に対して必要流量の圧縮空気を供給することが可能となる。

このような圧縮空気供給システムにおいては、供給制御装置が、充填制御によって所定量の圧縮空気が充填されたタンクに対して放出制御を行って空気利用装置に対して圧縮空気を供給した後、該タンクに対して再び所定量の圧縮空気を充填すべく充填制御を行っている間は、該タンクから空気利用装置に対して十分な流量で圧縮空気の供給を行うことができない場合がある。

しかし、本発明においては、複数のタンクが備えられており、供給制御装置は、あるタンクに対して放出制御を行っている間、並行して他のタンクに対する充填制御を行うことができる。そのため、一つのタンクに対する放出制御が終了した後、該放出制御中に充填制御が完了した他のタンクに対して放出制御を行うことができる。その結果、ひとつのタンクに対する放出制御終了後、引き続き空気利用装置に対して圧縮空気を供給することができる。

これにより、空気利用装置が消費する圧縮空気の量が前記所定量を超える場合であっても、本発明に係る圧縮空気供給システムを適用することが可能となる。

以上のように、本発明に係る圧縮空気供給システムによって、より小さい出力の圧縮空気生成装置を用いて、大出力の圧縮空気生成装置と同等の流量の圧縮空気を空気利用装置に対して供給することが可能となる。

本発明に係る圧縮空気供給システムにおける空気利用装置は、
前記タンクから供給される圧縮空気を噴射することによって推力を発生する一対又は複数対の圧縮空気噴射装置を有し、前記圧縮空気噴射装置の発生する推力によって飛翔体の姿勢を制御する姿勢制御装置とすることもできる。

このように構成された圧縮空気供給システムにおいては、飛翔体の運転状態や外乱などによって発生する姿勢制御の要請に応じて間欠的に圧縮空気噴射装置に圧縮空気を供給し、飛翔体の姿勢制御を行う。

本発明に係る圧縮空気供給システムを、このような姿勢制御装置に圧縮空気を供給するシステムとして構成した場合、圧縮空気生成装置が出力可能な圧縮空気の流量は、姿勢制御の際に必要な推力を発生させるために空気噴射装置に供給すべき圧縮空気の流量より小さくすることができる。そのため、圧縮空気生成装置を小型化することができる。また、それにより燃料消費量が減少し、搭載燃料を少なくすることもできる。その結果、飛翔体の機体をより軽量コンパクトにすることが可能となる。

本発明に係る圧縮空気供給システムにおける前記姿勢制御装置は、
ファンの回転運動によって推力を発生する一対又は複数対のファン推力発生装置を更に有し、前記圧縮空気噴射装置及び前記ファン推力発生装置の発生する推力によって前記飛翔体の姿勢を制御する姿勢制御装置とすることもできる。

このような圧縮空気噴射装置とファン推力発生装置との２つの推力発生装置を備えた姿勢制御装置においては、ファン推力差動方式による推力発生の立ち上がりが遅いため、姿勢制御開始時はファン推力差動方式と並行して推力発生の立ち上がりが早い圧縮空気噴射方式による姿勢制御を行う。そして、ファン推力差動方式による推力が姿勢制御のために必要な大きさに達した時点で、圧縮空気噴射方式による姿勢制御を停止して、ファン推力差動方式のみによって姿勢制御を行う。

本発明により、大出力の圧縮空気生成装置と同等の流量の圧縮空気を、より小さい出力の圧縮空気生成装置を用いて、空気利用装置に供給することが可能となる。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本実施の形態に係る圧縮空気供給システムを備えた飛翔体の姿勢制御装置の概念図を示す。

圧縮空気供給システム１６は、コンプレッサ１で生成された圧縮空気を飛翔体（図示せず）の姿勢制御装置１７に供給するシステムである。

コンプレッサ１は第一供給路８によって第一タンク２と連通するとともに、第二供給路９によって第二タンク３と連通している。

また、姿勢制御装置１７は第一放出路１０によって第一タンク２と連通するとともに、第二放出路１１によって第二タンク３と連通している。

第一供給路８の第一タンク２との接続部近傍には第一供給バルブ４が設けられている。第一供給バルブ４はコントローラ２６と電気的に接続されており、コントローラ２６からの信号によってコンプレッサ１から第一タンク２へ流入する圧縮空気の量を調節可能になっている。
また、第二供給路９の第二タンク３との接続部近傍には第二供給バルブ５が設けられている。第二供給バルブ５はコントローラ２６と電気的に接続されており、コントローラ２６からの信号によってコンプレッサ１から第二タンク３へ流入する圧縮空気の量を調節可能になっている。

一方、第一放出路１０の第一タンク２との接続部近傍には第一放出バルブ６が設けられている。第一放出バルブ６はコントローラ２６と電気的に接続されており、コントローラ
２６からの信号によって第一タンク２から姿勢制御装置１７へ流入する圧縮空気の量を調節可能になっている。
また、第二放出路１１の第二タンク３との接続部近傍には第二放出バルブ７が設けられている。第二放出バルブ７はコントローラ２６と電気的に接続されており、コントローラ２６からの信号によって第二タンク３から姿勢制御装置１７へ流入する圧縮空気の量を調節可能になっている。

第一供給バルブ４及び第二供給バルブ５は、本発明における供給量調節装置に相当する。また、第一放出バルブ６及び第二放出バルブ７は、本発明における放出量調節装置に相当する。

コントローラ２６は本発明における供給制御装置に相当する。

なお、第一供給バルブ４及び第二供給バルブ５の２つのバルブを用いた上記の構成の代わりに、第一供給路８と第二供給路９との分岐箇所に三方バルブを設けてもよい。

また、第一放出バルブ６及び第二放出バルブ７の２つのバルブを用いた上記の構成の代わりに、第一放出路１０と第二放出路１１との合流箇所に三方バルブを設けてもよい。

コンプレッサ１から出力された圧縮空気は第一供給路８を経由して第一タンク２に流入する。その際、コントローラ２６は第一供給バルブ４を開き且つ第一放出バルブ６を閉じることによって、コンプレッサ１から出力された圧縮空気を第一タンク２に充填する。

また、コンプレッサ１から出力された圧縮空気は第二供給路９を経由して第二タンク３に流入する。その際、コントローラ２６は第二供給バルブ５を開き且つ第二放出バルブ７を閉じることによって、コンプレッサ１から出力された圧縮空気を第二タンク３に充填する。

このようなバルブ制御を以下充填バルブ制御と呼ぶ。

図１の１９で示す曲線は、コントローラ２６が第一タンク２に対して充填バルブ制御を行った場合の圧縮空気の流れを示している。

充填バルブ制御によって圧縮空気が充填された第一タンク２に対して、コントローラ２６は第一供給バルブ４を閉じ且つ第一放出バルブ６を開くことによって、第一タンク２から圧縮空気を放出させる。第一タンク２から放出された圧縮空気は第一放出路１０を経由して姿勢制御装置１７に流入する。

また、充填バルブ制御によって圧縮空気が充填された第二タンク３に対して、コントローラ２６は第二供給バルブ５を閉じ且つ第二放出バルブ７を開くことによって、第二タンク３から圧縮空気を放出させる。第二タンク３から放出された圧縮空気は第二放出路１１を経由して姿勢制御装置１７に流入する。

このようなバルブ制御を以下放出バルブ制御と呼ぶ。

図１の２０で示す曲線は、コントローラ２６が第二タンク３に対して放出バルブ制御を行った場合の圧縮空気の流れを示している。

なお、コントローラ２６は充填バルブ制御と放出バルブ制御とを同時に行うこともできる。

姿勢制御装置１７には、飛翔体の機体の重心１８に対して対称な位置に、圧縮空気を飛翔体に対して略垂直上向き又は下向きに噴射する第一ノズル１２及び第二ノズル１３が設けられている。

第一ノズル１２及び第二ノズル１３は本発明における一対の圧縮空気噴射装置に相当する。

第一ノズル１２には第一上方空気噴射量調節弁１２ａ及び第一下方空気噴射量調節弁１２ｂが設けられている。第一上方空気噴射量調節弁１２ａ及び第一下方空気噴射量調節弁１２ｂはコントローラ２７と電気的に接続されており、コントローラ２７からの信号によってこれらの開度を調節することにより第一ノズル１２から噴射する圧縮空気の向きと量を調節可能になっている。

また、第二ノズル１３には第二上方空気噴射量調節弁１３ａ及び第二下方空気噴射量調節弁１３ｂが設けられている。第二上方空気噴射量調節弁１３ａ及び第二下方空気噴射量調節弁１３ｂはコントローラ２７と電気的に接続されており、コントローラ２７からの信号によってこれらの開度を調節することにより第二ノズル１３から噴射する圧縮空気の向きと量を調節可能になっている。

例えば、図１の２１で示す曲線は、コントローラ２７が第一ノズル１２について第一上方空気噴射量調節弁１２ａを閉じ且つ第一下方空気噴射量調節弁１２ｂを開いた場合に、第一ノズル１２から噴射される圧縮空気の流れを示している。

また、図１の２２で示す曲線は、コントローラ２７が第二ノズル１３について第二上方空気噴射量調節弁１３ａを開き且つ第二下方空気噴射量調節弁１３ｂを閉じた場合に、第二ノズル１３から噴射される圧縮空気の流れを示している。

第一ノズル１２及び第二ノズル１３においては、各々のノズルから圧縮空気を噴射する際の反力によって推力が発生する。

姿勢制御装置１７は、コントローラ２７によって第一ノズル１２に供給する圧縮空気の向きと量を調節し、第一ノズル１２において発生する推力の向きと大きさを調節する。

また、姿勢制御装置１７は、コントローラ２７によって第二ノズル１３に供給する圧縮空気の向きと量を調節し、第二ノズル１３において発生する推力の向きと大きさを調節する。

このようにして発生した推力によって飛翔体の重心１８の回りに発生する回転モーメントを用いて、姿勢制御装置１７は飛翔体の姿勢を制御する。このような姿勢制御方式を圧縮空気噴射方式と呼ぶ。

例えば、図１の場合、第一ノズル１２においては下向きに噴射する圧縮空気によって上向きの推力が発生する。また、第二ノズル１３においては上向きに噴射する圧縮空気によって下向きの推力が発生する。その結果、飛翔体の機体の重心１８の回りに回転モーメント２５が生じる。

さらに、姿勢制御装置１７には、飛翔体の機体の重心１８に対して対称な位置に第一ファン１４及び第二ファン１５が設けられている。

第一ファン１４及び第二ファン１５は本発明における一対のファン推力発生装置に相当する。

図１に示すように、第一ファン１４は第一ノズル１２に隣接するように設けられ、第二ファン１５は第二ノズル１３に隣接するように設けられている。第一ファン１４及び第二ファン１５はコントローラ２７と電気的に接続されており、コントローラ２７からの信号によってファンの回転運動を調節可能になっている。

第一ファン１４及び第二ファン１５においては、各々のファンの回転によって推力が発生する。

姿勢制御装置１７は、コントローラ２７によって第一ファン１４の回転運動を調節し、第一ファン１４によって発生する推力の大きさを調節する。

また、姿勢制御装置１７は、コントローラ２７によって第二ファン１５の回転運動を調節し、第二ファン１５によって発生する推力の大きさを調節する。

このようにして発生した推力の差によって飛翔体の重心１８の回りに発生する回転モーメントを用いて、姿勢制御装置１７は飛翔体の姿勢を制御する。このような姿勢制御方式をファン推力差動方式を呼ぶ。

例えば、図１の２３で示す矢印は第一ファン１４の回転によって生じる推力の向きと大きさを表す。また、２４で示す矢印は第二ファン１５の回転によって生じる推力の向きと大きさを表す。

図１は、第一ファン１４によって生じる推力２３の方が第二ファン１５によって生じる推力２４よりも大きくなるように姿勢制御装置１７の制御が行われていることを示している。これにより、飛翔体の機体の重心１８の回りにモーメント２５が生じる。

図２に、姿勢制御装置１７による姿勢制御が開始された時の、圧縮空気噴射方式による推力と、ファン推力差動方式による推力の時間変化を示す。

図２において一点鎖線で表された曲線は、姿勢制御開始時におけるファン推力差動方式による推力の時間変化を示している。この曲線に示されるように、ファン推力差動方式による推力の時間変化は緩やかであり、推力の立ち上がりが遅い。

これに対し、図２において実線で表された曲線は、姿勢制御開始時における圧縮空気噴射方式による推力の時間変化を示している。この曲線で示されるように、圧縮空気噴射方式による推力の時間変化は急峻であり、推力の立ち上がりが早い。

ここで、Ｆは姿勢制御装置１７が姿勢制御を実行する際に必要な推力の大きさを示す。

また、Δｔ_１は姿勢制御開始時からファン推力差動方式による推力の大きさがＦに立ち上がる時点までの時間を表している。

本実施の形態に係る姿勢制御装置１７においては、姿勢制御開始時の圧縮空気噴射方式による推力の時間変化と、ファン推力差動方式による推力の時間変化との相違を考慮し、圧縮空気噴射方式とファン推力差動方式とを組み合わせた姿勢制御を行う。

すなわち、姿勢制御開始時においては、圧縮空気噴射方式とファン推力差動方式とを併
用して姿勢制御を行う。これにより、姿勢制御開始直後のファン推力差動方式による推力の不足分を、圧縮空気噴射方式による推力で補助することができる。その結果、姿勢制御開始時において可及的速やかに姿勢制御に必要な推力Ｆを得ることが可能となる。

そして、ファン推力差動方式による推力が姿勢制御に必要な大きさＦに立ち上がるまでの時間Δｔ_１が経過した後、圧縮空気噴射方式による推力の発生を停止する。その後はファン推力差動方式による推力のみを用いて姿勢制御を行う。

圧縮空気噴射方式とファン推力差動方式とを組み合わせた上述のような姿勢制御においては、圧縮空気が第一ノズル１２又は第二ノズル１３に供給されるのは姿勢制御装置１７において姿勢制御が開始されてからΔｔ_１の時間に限られる。

そのため、圧縮空気供給システム１６は姿勢制御装置１７に対して圧縮空気を常時供給し続けるのではなく、姿勢制御装置１７において姿勢制御が開始されるタイミングに合わせて間欠的に圧縮空気を供給することになる。

このような姿勢制御において、第一ノズル１２又は第二ノズル１３に流入する圧縮空気の流量の時間変化を示したのが図３である。第一ノズル１２又は第二ノズル１３に流入する圧縮空気の流量と、その圧縮空気を噴射することによって得られる推力の大きさとは、正の相関関係を有する。従って、図３において第一ノズル１２又は第二ノズル１３に流入する圧縮空気の流量の時間変化を示す曲線は、図２において圧縮空気噴射方式による推力の大きさの時間変化を示す曲線と同様の急峻な形状を有する。

図３において、ＧＡは第一ノズル１２又は第二ノズル１３に流入する圧縮空気の流量の最大値を示す。

第一ノズル１２によって姿勢制御のために必要な推力Ｆを発生させるためには、圧縮空気供給システム１６はこの最大流量ＧＡ以上の流量で圧縮空気を第一ノズル１２に供給する必要がある。

また、第二ノズル１３によって姿勢制御のために必要な推力Ｆを発生させるためには、圧縮空気供給システム１６は最大流量ＧＡ以上の流量で圧縮空気を第二ノズル１３に供給する必要がある。

従来の圧縮空気供給システムでは、最大流量ＧＡ以上の流量を全て圧縮空気生成装置（本実施の形態においてはコンプレッサ１）によって出力する必要があった。しかし、本実施の形態における圧縮空気供給システム１６においては、姿勢制御装置１７に対して最大流量ＧＡ以上の流量で圧縮空気を供給する役割は第一タンク２又は第二タンク３が担っている。

そのため、第一タンク２及び第二タンク３は、コントローラ２６が充填バルブ制御を行って所定量の圧縮空気を充填完了したタンクに対して放出バルブ制御を行った場合に、図３に示す圧縮空気の流量と同等か又はそれ以上の流量で圧縮空気を放出することが可能なように設計されている。

すなわち、所定量の圧縮空気が充填された第一タンク２に対して放出バルブ制御が行われると、最大流量ＧＡで第一タンク２から圧縮空気が放出され、第一放出路１０を経由して姿勢制御装置１７に流入する。

また、所定量の圧縮空気が充填された第二タンク３に対して放出バルブ制御が行われる
と、最大流量ＧＡで第二タンク３から圧縮空気が放出され、第二放出路１１を経由して姿勢制御装置１７に流入する。

このように、コントローラ２６が所定量の圧縮空気を充填した第一タンク２又は第二タンク３に対して放出バルブ制御を行って圧縮空気を放出する制御は、本発明における放出制御に相当する。

また、コントローラ２６が、コンプレッサ１を作動させて圧縮空気を発生させるとともに、第一タンク２又は第二タンク３に対して充填バルブ制御を行って所定量の圧縮空気を充填する制御は、本発明における充填制御に相当する。

ここでいう所定量とは、図３における圧縮空気の流量変化を示す曲線を時間積分して得られる圧縮空気の総流通量であり、図３において斜線が施された面積Ｗによって示されている。

所定量Ｗの圧縮空気が充填制御によって第一タンク２又は第二タンク３に充填される際に、コンプレッサ１から出力される圧縮空気の流量の時間変化を図４に示す。

図４においてΔｔ_２は、コントローラ２６が充填制御を開始してから第一タンク２又は第二タンク３に所定量Ｗの圧縮空気が充填完了するまでの時間を示している。

また、ＧＢは充填制御において第一タンク２又は第二タンク３に供給される圧縮空気の流量の最大値を示し、ＧＢＡは該流量の時間平均を示している。すなわち、Ｗ、Δｔ_２、ＧＢＡの間には次の関係式が成り立っている。

Ｗ＝ＧＢＡ×Δｔ_２・・・・（１）
図４に示すように、充填制御時にコンプレッサ１から第一タンク２又は第二タンク３に圧縮空気が供給される際の流量変化は略一定であり、この際の平均流量ＧＢＡはコンプレッサ１に必要な圧縮空気の出力性能の指標とすることができる。

姿勢制御装置に直接コンプレッサから圧縮空気を供給する従来の圧縮空気供給システムの場合は、コンプレッサは姿勢制御装置が消費する圧縮空気の流量と同等以上の流量で圧縮空気を出力できなければならなかった。この場合、コンプレッサは図３に示す最大流量ＧＡ以上の流量で圧縮空気を出力可能な性能を有する必要があった。

一方、本実施の形態に係る圧縮空気供給システムにおいては、図３及び図４に示すように、総流通量Ｗが同じでありさえすれば、コンプレッサ１が出力する圧縮空気の流量変化を、姿勢制御装置１７が消費する圧縮空気の流量変化とは独立に設定することができる。これは、姿勢制御装置１７に必要流量の圧縮空気を供給する役割は第一タンク２又は第二タンク３が担っているからである。

そのため、本実施の形態においては、コンプレッサ１が出力する圧縮空気の平均流量ＧＢＡの大きさを、姿勢制御装置１７が消費する圧縮空気の最大流量ＧＡより小さい量に設定することができる。

これにより、より小さい出力のコンプレッサ１を用いて圧縮空気供給システム１６を構成することが可能となり、コンプレッサ１の小型化や燃料消費量の低減を図ることができる。その結果、圧縮空気供給システム１６及び姿勢制御装置１７を搭載する飛翔体の機体をより軽量コンパクトにすることが可能となる。

本実施の形態に係る圧縮空気供給システム１６においては第一タンク２及び第二タンク３の２つのタンクが備えられている。そのため、一方のタンクに対して放出制御が行われ、姿勢制御装置１７に圧縮空気が供給されている時に、同時に他方のタンクに対して充填制御を行うことができる。これにより、一方のタンクに充填された圧縮空気が放出制御によって消費されたとしても、その時点において他方のタンクに対する充填制御が完了していれば、該他方のタンクに対して放出制御を行うことにより、再び姿勢制御装置１７に対して圧縮空気を供給することが可能となる。

図５に第一タンク２及び第二タンク３に対する放出制御及び充填制御の実施タイミングチャートの一例を示す。

図５の横軸は時間経過を表し、縦軸は第一供給バルブ４、第二供給バルブ５、第一放出バルブ６、及び第二放出バルブ７の開閉状態を表す。

また、上のグラフは第一タンク２に対する充填制御及び放出制御の実施タイミングを表し、下のグラフは第二タンク３に対する充填制御及び放出制御の実施タイミングを表す。

また、この例においては、Δｔ_１とΔｔ_２が等しい時間となるように姿勢制御装置１７やコンプレッサ１を設定したものとする。

まず、時刻ｔ＝０においては、第一タンク２には所定量の圧縮空気が充填されており、また第二タンク３には圧縮空気は充填されていない。ここでコントローラ２６は、第一放出バルブ６を開き且つ第一供給バルブ４を閉じることによって第一タンク２に対して放出制御を行うとともに、第二供給バルブ５を開き且つ第二放出バルブ７を閉じることによって第二タンク３に対して充填制御を行う。これにより、姿勢制御装置１７に対しては第一タンク２から圧縮空気が供給されることにより飛翔体の姿勢制御が行われ、それと並行して第二タンク３にはコンプレッサ１から圧縮空気が供給され圧縮空気が充填されていく。

そして時間Δｔ_１経過後、第一タンク２は圧縮空気の放出を完了してそれ以上姿勢制御装置１７に対して圧縮空気の供給を継続不可能な状態になるとともに、第二タンク３には所定量の圧縮空気の充填が完了し、姿勢制御装置１７に対して圧縮空気の供給を開始できる状態になっている。

そこで、時刻ｔ＝Δｔ_１において、コントローラ２６は、第一供給バルブ４を開き且つ第一放出バルブ６を閉じることによって第一タンク２に対する充填制御を開始するとともに、第二放出バルブ７を開き且つ第二供給バルブ５を閉じることによって第二タンク３に対して放出制御を開始する。これにより、姿勢制御装置１７に対して第二タンク３から圧縮空気が供給されることにより飛翔体の姿勢制御が行われ、それと並行して第一タンク２にはコンプレッサ１から圧縮空気が供給され圧縮空気が充填されていく。なお、図１に示されている圧縮空気の流れはこの時刻ｔ＝Δｔ_１以降の状態に対応したものになっている。

そして、さらに時間Δｔ_１経過後、第二タンク３は圧縮空気の放出を完了してそれ以上姿勢制御装置１７に対して圧縮空気の供給を継続不可能な状態になるとともに、第一タンク２には所定量の圧縮空気の充填が完了し、姿勢制御装置１７に対して圧縮空気の供給を開始できる状態になっている。

このように、充填制御によって所定量の圧縮空気が充填された一つのタンクから１回の放出制御によって姿勢制御装置１７に供給可能な圧縮空気の量は有限であるが、放出制御に要する時間Δｔ_１及び充填制御に要する時間Δｔ_２の長さを適切に設定することによっ
て、姿勢制御装置１７に対してある程度の時間継続して圧縮空気を供給することも可能になる。

なお、以上述べてきた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。例えば、タンクの個数を２個以上とするシステムを構成することも可能である。その場合、圧縮空気生成装置の出力を大きくすることによって所定量の圧縮空気の充填を完了したタンクを複数個準備することが可能となり、空気利用装置が頻繁に圧縮空気を消費するような装置であっても、本発明に係る圧縮空気供給システムで対応することができる。また、放出制御に要する時間Δｔ_１及び充填制御に要する時間Δｔ_２の長さを等しくした実施形態を例示したが、Δｔ_１とΔｔ_２とは異なる長さに設定可能であり、例えば、充填制御に要する時間Δｔ_２を短く設定することによって、圧縮空気の供給要請の頻度が高い空気利用装置に対しても本発明に係る圧縮空気供給システムを適用可能となる。また、本実施の形態においては、姿勢制御装置として一対の圧縮空気噴射装置及び一対のファン推力発生装置が備えられたものを例示したが、圧縮空気噴射装置及び／又はファン推力発生装置を複数対備えた姿勢制御装置に対して本発明に係る圧縮空気供給システムを適用することも可能である。そのような姿勢制御装置を備えることによってより細かな姿勢制御が可能となる。

本発明の実施の形態に係る圧縮空気供給システム及び姿勢制御装置の概念図を示す図である。本発明の実施の形態に係る姿勢制御装置の姿勢制御開始時における圧縮空気噴射方式及びファン推力差動方式による推力発生の時間変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る姿勢制御装置の姿勢制御開始時においてノズルに供給される圧縮空気の流量の時間変化を示す図である。本発明の実施の形態に係るタンクにコンプレッサから圧縮空気を充填する際の圧縮空気の流量の時間変化を示す図である。本発明の実施の形態に係る２つのタンクに対する充填制御と放出制御の実施タイミングを表す図である。

符号の説明

１・・・コンプレッサ
２・・・第一タンク
３・・・第二タンク
４・・・第一供給バルブ
５・・・第二供給バルブ
６・・・第一放出バルブ
７・・・第二放出バルブ
８・・・第一供給路
９・・・第二供給路
１０・・・第一放出路
１１・・・第二放出路
１２・・・第一ノズル
１２ａ・・・第一上方空気噴射量調節弁
１２ｂ・・・第一下方空気噴射量調節弁
１３・・・第二ノズル
１３ａ・・・第二上方空気噴射量調節弁
１３ｂ・・・第二下方空気噴射量調節弁
１４・・・第一ファン
１５・・・第二ファン
１６・・・圧縮空気供給システム
１７・・・姿勢制御装置
１８・・・飛翔体の機体の重心
１９・・・充填制御時の圧縮空気の流れ
２０・・・放出制御時の圧縮空気の流れ
２１・・・第一ノズルからの圧縮空気噴射
２２・・・第二ノズルからの圧縮空気噴射
２３・・・第一ファンによる推力
２４・・・第二ファンによる推力
２５・・・重心の回りのモーメント
２６・・・コントローラ
２７・・・コントローラ

Claims

圧縮空気を生成する圧縮空気生成装置と、
前記圧縮空気生成装置によって生成された圧縮空気が充填される複数のタンクと、
前記タンクに充填された圧縮空気を利用して作動する空気利用装置と、
前記タンクの各々と前記圧縮空気生成装置とを連通し、前記圧縮空気生成装置によって生成された圧縮空気を前記タンクの各々に導く供給路と、
前記タンクの各々と前記空気利用装置とを連通し、前記タンクの各々に充填された圧縮空気を前記空気利用装置に導く放出路と、
前記タンクの各々に流入する前記圧縮空気の量を調節する供給量調節装置と、
前記タンクの各々から流出する前記圧縮空気の量を調節する放出量調節装置と、
前記供給量調節装置によって前記タンクのうちの少なくとも一つのタンクに前記圧縮空気を導入し所定量の前記圧縮空気を充填する充填制御を行うとともに、前記放出量調節装置によって前記所定量の前記圧縮空気を充填済みのタンクから前記空気利用装置に前記圧縮空気を供給する放出制御を行う供給制御装置と、
を備え、供給制御装置は、複数のタンクのうちのあるタンクに対して放出制御を行っている間、並行して他のタンクに対する充填制御を行い、放出制御を行っているタンクのうち空気利用装置に対して圧縮空気の供給を継続不可能な状態になったタンクに対する制御を放出制御から充填制御に切り替えるとともに、充填制御を行っているタンクのうち空気利用装置に対して圧縮空気の供給を開始できる状態になったタンクに対する制御を充填制御から放出制御に切り替えることを特徴とする圧縮空気供給システム。
前記空気利用装置は、
前記タンクから供給される圧縮空気を噴射することによって推力を発生する一対又は複数対の圧縮空気噴射装置を有し、前記圧縮空気噴射装置の発生する推力によって飛翔体の姿勢を制御する姿勢制御装置であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮空気供給システム。
前記姿勢制御装置は、
ファンの回転運動によって推力を発生する一対又は複数対のファン推力発生装置を更に有し、前記圧縮空気噴射装置及び前記ファン推力発生装置の発生する推力によって前記飛翔体の姿勢を制御することを特徴とする請求項２に記載の圧縮空気供給システム。