JP5515061B2 - ロケット用火工品の無線点火装置と方法 - Google Patents
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また、「導爆線」は、爆轟を伝えるために用いられるロープ状の火工品である。導爆線は、導火線と違い、芯薬は爆薬で、端を雷管などで起爆して使用するものであり、爆速が非常に速い(5500〜7000m/sec)特徴がある。
しかし、これらの火工品点火装置は、(1)敷設に手間が掛かる、(2)ロケットの重量が増す、(3)伝達ルートなどレイアウト上の制約が多い、(4)誤結線(配線)の可能性がある、等の問題点があった。
そのため、この装置は、図1に示すように、交流電力エネルギーを変調して出力する出力手段を有するコントローラーユニット51、及び前記出力手段の出力に応じて交流磁界を発生するアンテナユニット52を備えて切羽から離間する位置に設置される電力エネルギー送信装置と、アンテナユニット53が発生した交流磁界を受信して該交流磁界のエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段、交流磁界の変調成分を受信して復調する復調手段、及び該復調手段によって復調された信号によって点火起爆を制御する点火起爆制御手段を備えて切羽に装填される無線雷管ユニットとを具備するものである。
すなわち、ロケット用火工品の運用を考えた場合、発射台に設置される直前から点火動作までの全運用期間に対し、通信ユニットなどへ安定的に電源を供給させるためには、受信機側に非常に大きな電池が必要となり、取り扱い上の容易さ、小型化、レイアウトの自由さ等のメリットを得られないという問題があった。
そのため、スリープモードの状態では、複数の火工品の点火タイミングの遅れやバラツキが大きく、同時性を確保できなかった。
前記親側の無線通信ユニットと双方向通信可能な子側の無線通信ユニットと、点火玉に点火電流を流す点火回路部と、前記子側無線通信ユニットと点火回路部を制御するサブコンピュータとを有する子機とからなり、
前記子機は、さらに、前記サブコンピュータからの指示により自己診断スイッチをON/OFFして点火玉に微少電流を流し電圧降下を計測して、点火玉の導通・絶縁を判断する自己診断スイッチ及び抵抗からなる自己診断部を備え、
前記サブコンピュータは、前記子側無線通信ユニットを受信可能状態にする受信時間と該受信時間より20倍以上長く前記子側無線通信ユニットを受信不能状態にするスリープ時間とを交互に繰り返す待機モードと、前記子側無線通信ユニットを連続的に受信可能状態にする作動モードとを切替可能であり、
前記親機による親側と子側の無線通信ユニット間の通信により、前記サブコンピュータを待機モードから作動モードに切り替え、次いで、点火回路部により点火玉に点火電流を流し、
さらに前記子機は、前記作動モードにおいて、点火動作前に点火玉の導通確認、充電、及びアーム切替を実施し、点火動作後に点火玉の導通確認を再度実施する、ことを特徴とするロケット用火工品の無線点火装置が提供される。
前記メインコンピュータにより、複数の子機を待機モードに維持した後、複数の子機を作動モードに順次切り替え、次いで、親機からの一斉通信により、複数の子機に同時点火を指令する。
前記点火回路部は、電池と点火玉との間に位置し電池電圧を所定の点火電圧まで昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路をON/OFFする昇圧スイッチと、昇圧回路と点火玉との間に位置し点火玉を点火する点火スイッチと、昇圧回路と点火スイッチとの間に位置し前記点火スイッチがOFFのときに蓄えた昇圧された電力を前記点火スイッチがONのときに点火電流として点火玉に供給するコンデンサと、を有し、
該作動モードにおいて、点火動作前に前記昇圧スイッチをONにすることにより前記昇圧回路に電源を供給して電圧を昇圧し、昇圧された電力を前記コンデンサに蓄え、次いで、親機からの通信により前記点火スイッチをONにして、点火回路部により前記コンデンサから点火玉に点火電流を流す。
前記親側の無線通信ユニットと双方向通信可能な子側の無線通信ユニットと、点火玉に点火電流を流す点火回路部と、前記子側無線通信ユニットと点火回路部を制御するサブコンピュータと、該サブコンピュータからの指示により自己診断スイッチをON/OFFして点火玉に微少電流を流し電圧降下を計測して、点火玉の導通・絶縁を判断する自己診断スイッチ及び抵抗からなる自己診断部とを有する子機とを備えたロケット用火工品の無線点火方法であって、
前記親機からの通信により、子機を前記子側無線通信ユニットを受信可能状態にする受信時間と該受信時間より20倍以上長く前記子側無線通信ユニットを受信不能状態にするスリープ時間とを交互に繰り返す待機モードに維持し、
次に、親機からの通信により、子機を前記子側無線通信ユニットを連続的に受信可能状態にする作動モードに切り替え、
次に、親機からの通信により、点火回路部により点火玉に点火電流を流し、
さらに、前記作動モードにおいて、点火動作前に点火玉の導通確認、充電、及びアーム切替を実施し、点火動作後に点火玉の導通確認を再度実施する、ことを特徴とするロケット用火工品の無線点火方法が提供される。
親機からの通信により、複数の子機を待機モードに維持し、
次に、親機からの通信により、複数の子機を作動モードに順次切り替え、
次に、親機からの一斉通信により、複数の子機の点火玉に同時に点火電流を流して同時点火する。
電源投入後、親機からの通信により、複数の子機を長期待機モードへ順次切り替え、
次に、親機からの通信により、複数の子機を短期待機モードへ順次切り替え、
次いで、親機からの通信により、複数の子機を作動モードへ順次切り替え、
作動モードにおいて、親機からの通信により、親機から各子機に対して一斉に点火指示を送信して複数の子機の点火玉に同時に点火電流を流す。
所定の一定時間に、特定の親機から点火指示を受信した場合のみ、その指示を受け付け、点火玉に点火電流を流して点火動作を行う。
図2に示すように、本発明のロケット用火工品の無線点火装置は、双方向通信可能な無線通信ユニットをそれぞれ備えた親機10と、複数の子機20とからなる。
なおこの例では、3台の子機20のうち20A(子機1)が、図3に示すような駆動用モータ23を有し、SAD機能(セーフ・アーム切り替え機能)を有する。
この図において、子機20は、無線通信ユニット22、サブコンピュータ24、電源回路部26、点火回路部28、自己診断部30、及びSAD駆動部32からなる。サブコンピュータ24は、この例では、PICマイコンである。
親機10からの無線信号は、前記電池27を電源とする子側の無線ユニット22(Zigbee)により受信し、その指示(命令)を子機基板のマイコン24にシリアル信号(SCI)で送る。
点火玉21は、1Ω程度の抵抗を有し、所定の条件(例えば2A,2ms以上)で近接して設けられた導爆線に点火する。また、この点火により、点火玉21は断線するが、微少電流では、点火せず導通・断線を検査できるようになっている。
自己診断部30は、点火玉21が断線していないかを検査する回路であり、マイコン24からの指示により自己診断スイッチSW3をON/OFFして点火玉21に微少電流を流し、その時の電圧降下をAnswer出力として検出して、点火玉21の導通・絶縁を判断する。
なお、ここではスイッチSW1〜SW3として半導体スイッチを想定しているが、リレーを用いても良い。
昇圧スイッチSW1をONにすることにより昇圧回路28a(DC/DC)に電源が供給され、昇圧された電圧(例えば8V)が出力される。
昇圧された電源は抵抗R1を通して、徐々に大容量コンデンサCに充電される。充電時間の計測や充電電圧の監視により、充電の完了を判断する。
点火指示の直前にエアギャップ用のリレー28bを閉じる(ONにする)。
点火のタイミングで点火スイッチSW2をONにして点火玉21に対して一気に点火電流を供給する。
S1の電源投入後、親機10より「待機モード1」(長期待機モード)への移行指示を、各子機20に対して順次行う(S2〜S3)。
待機モード1では、無線通信ユニット12,22(この例ではZigbee)の有する機能で通信機能を一定時間停止させるスリープ時間を長め(例えば1分間)に設定し、実質の消費電力を低減させる。
次いで、ロケットが打ち上げとなり、それぞれのグループ内でスリープ時間を設けない作動モードに切り替え(S6)、同時点火などの時間バラツキを極力少なくした作動モードとする(S7)。
親機10より点火玉21の導通確認(H/K確認)の指示を各子機20に対してそれぞれ行う(S71)。
子機20はその指示を受けて、自己診断スイッチSW3をONに切り替え、点火玉21に微少電流を流し電圧降下を計測する(S72)。
この時、規定以上の電圧降下を検出出来れば、導通有り(良好)と判断する。
子機20は、その指示を受けて図3に示した昇圧スイッチSW1をONにしてコンデンサCに対して充電を開始する(S74)。
充電の完了は、一定時間の計測、充電電圧の測定、又はその組合せにより判断し、それぞれの子機20から親機10に対して完了通知を行う。
親機10が各子機20の充電完了を認識するとアーム切替指示を各子機に対して行う(S75)。このアーム切替とは、火工品の点火玉が誤って発火した場合でもそのエネルギーが火工品本体に伝わらないように、その火の道を通常は閉じておくもので、アーム切替(S76)により開くことを言う。
ロケット分離などの火工品動作では、分離に係わる複数の火工品が同時に発火する必要があり、本発明のシステムではZigbeeの一斉通信機能を用いて、同一グループ内の全子機に対して一斉に点火指示を送信している(S78)。
各子機は、このWindowを開いている間に、特定の親機10から点火の指示(S78)を受信した場合のみ、その指示を受け付け、点火動作を行う(S79)。
もしこのWindowを開いている間に点火の指示が来なかった場合には、このWindowは閉じられ、その後に点火の指示が来ても受け付けない構成にしてある。
この時電圧降下が規定値以下であれば、断線と判断して、正常に点火出来たと認識し、親機に対して点火終了(確認)と返信する。
その後必要に応じてスリープ時間を有する他のモードへ切替を行う。
このようにグループごとに分けてグループIDを設定しておけば、一斉点火の指示を出しても別のグループの火工品が発火する事はない。
(1)電源回路部26
電池27には、市販のリチウムイオン電池(CR123A,3V,1400mAh)を1個使用した。
また、点火電流確保のため、電源電圧を昇圧回路28aで8Vに昇圧して点火回路部28に供給した
(2)点火回路部28
点火を確実・安全に行うため、以下の条件を考慮して回路設計を行った。
発火条件の設定:1Ωの点火玉21に対して、「2A、2ms以上」を確保するため、2ms後に2Vを下回らない、電圧(8V)とコンデンサ容量を確保した。
コンデンサ容量は、470μF×6個 (2820μF)の固体アルミ電解コンデンサを設けた。
点火回路の最終段には機械式リレー28bにより、エアギャップを設けた。
(3)自己診断部30
親機10からの自己診断指令に応じて、「着火部」(点火玉21)に微少電流(0.1mA未満)を流して電圧測定を行い、「導通・断線」を判断する。
(4)SAD駆動部32(セーフ・アーム切り替え装置)
SAD駆動機能の確認用として、小型DCギヤードモータ23(DC3V,50mA)を正転・逆転出来るように回路構成した。
(1)待機モード1は、射場にロケットが設置された状態を想定し、スリープ時間を長くし、後述の例では、スリープ時間1分毎に受信時間50msとした。
待機モード2は、打ち上げ直前の状態を想定し、スリープ時間を短くし、後述の例では、スリープ時間1秒毎に受信時間50msとした。
作動モードは、点火直前と点火時(分離シーケンス時)を想定し、スリープ時間を無しとした。
上述した図5に示したように、各動作モードからのモード切替は、子機20が一定時間ごとに受信可能状態を繰り返す間に通信を確立し、親機10から子機20に対して動作モード切替の指示を行った。
(3)点火シーケンス
上述した図6に示したように、子機20は作動モードになると、スリープ状態には入らず連続稼働をしている。このモードでは、点火玉の導通確認、点火用コンデンサの充電、SADのアーム切替、同時点火、点火確認などのシーケンスを行う。
同時点火の方法は、親機10から全子機20に対して「一斉通信機能」を用いて、点火の指示を与える。また、この時には外部からの妨害に対するセキュリティ確保のため、以下の点を考慮している。
点火指示の受信に対してウインドウを設け、一定時間内(10秒)に点火の司令が来なければそれ以降は受け付けないようにしている。
点火指示を暗号化(コマンド)して送信している。
子機側が親機のアドレスを認識(判別)しており、別のアドレスからの指令を受け付けないようになっている。
この図から、点火玉21に対する着火要求「2A、2ms以上」を計算値及び実測値とも大きく上回っており、安定した着火ができることが確認された。
この図から、時間遅れの平均値は8.93ms、ばらつき幅は約2msであることが確認された。
(1)市販の電池(1個)により、本システムが成立出来る。
(2)同時点火のバラツキは、2ms以内であり、問題ない範囲である。
14 メインコンピュータ(PC)、
20,20A,20B,20C 子機、21 点火玉、
22 子側無線通信ユニット、23 駆動用モータ、
24 サブコンピュータ(PICマイコン)、
26 電源回路部、27 電池、
28 点火回路部、28a 昇圧回路、28b リレー、
30 自己診断部、32 SAD駆動部、
SW1 昇圧スイッチ、SW2 点火スイッチ、
SW3 自己診断スイッチ、C 大容量コンデンサ、
R1,R2,R3,R4 抵抗、
Claims (8)
- 双方向通信可能な親側の無線通信ユニットと、これに接続されたメインコンピュータとを有する親機と、
前記親側の無線通信ユニットと双方向通信可能な子側の無線通信ユニットと、点火玉に点火電流を流す点火回路部と、前記子側無線通信ユニットと点火回路部を制御するサブコンピュータとを有する子機とからなり、
前記子機は、さらに、前記サブコンピュータからの指示により自己診断スイッチをON/OFFして点火玉に微少電流を流し電圧降下を計測して、点火玉の導通・絶縁を判断する自己診断スイッチ及び抵抗からなる自己診断部を備え、
前記サブコンピュータは、前記子側無線通信ユニットを受信可能状態にする受信時間と該受信時間より20倍以上長く前記子側無線通信ユニットを受信不能状態にするスリープ時間とを交互に繰り返す待機モードと、前記子側無線通信ユニットを連続的に受信可能状態にする作動モードとを切替可能であり、
前記親機による親側と子側の無線通信ユニット間の通信により、前記サブコンピュータを待機モードから作動モードに切り替え、次いで、点火回路部により点火玉に点火電流を流し、
さらに前記子機は、前記作動モードにおいて、点火動作前に点火玉の導通確認、充電、及びアーム切替を実施し、点火動作後に点火玉の導通確認を再度実施する、ことを特徴とするロケット用火工品の無線点火装置。 - 前記子機は、さらに、電池により電源を供給する電源回路部と、昇圧された電力を蓄え点火玉に点火電流を供給する点火回路部とを備え、
前記点火回路部は、電池と点火玉との間に位置し電池電圧を所定の点火電圧まで昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路をON/OFFする昇圧スイッチと、昇圧回路と点火玉との間に位置し点火玉を点火する点火スイッチと、昇圧回路と点火スイッチとの間に位置し前記点火スイッチがOFFのときに蓄えた昇圧された電力を前記点火スイッチがONのときに点火電流として点火玉に供給するコンデンサと、を有し、
該作動モードにおいて、点火動作前に前記昇圧スイッチをONにすることにより前記昇圧回路に電源を供給して電圧を昇圧し、昇圧された電力を前記コンデンサに蓄え、次いで、親機からの通信により前記点火スイッチをONにして、点火回路部により前記コンデンサから点火玉に点火電流を流す、ことを特徴とする請求項1に記載のロケット用火工品の無線点火装置。 - 単一の親機に対し複数の子機を備え、
前記メインコンピュータにより、複数の子機を待機モードに維持した後、複数の子機を作動モードに順次切り替え、次いで、親機からの一斉通信により、複数の子機に同時点火を指令する、ことを特徴とする請求項1に記載のロケット用火工品の無線点火装置。 - 双方向通信可能な親側の無線通信ユニットと、これに接続されたメインコンピュータとを有する親機と、
前記親側の無線通信ユニットと双方向通信可能な子側の無線通信ユニットと、点火玉に点火電流を流す点火回路部と、前記子側無線通信ユニットと点火回路部を制御するサブコンピュータと、該サブコンピュータからの指示により自己診断スイッチをON/OFFして点火玉に微少電流を流し電圧降下を計測して、点火玉の導通・絶縁を判断する自己診断スイッチ及び抵抗からなる自己診断部とを有する子機とを備えたロケット用火工品の無線点火方法であって、
前記親機からの通信により、子機を前記子側無線通信ユニットを受信可能状態にする受信時間と該受信時間より20倍以上長く前記子側無線通信ユニットを受信不能状態にするスリープ時間とを交互に繰り返す待機モードに維持し、
次に、親機からの通信により、子機を前記子側無線通信ユニットを連続的に受信可能状態にする作動モードに切り替え、
次に、親機からの通信により、点火回路部により点火玉に点火電流を流し、
さらに、前記作動モードにおいて、点火動作前に点火玉の導通確認、充電、及びアーム切替を実施し、点火動作後に点火玉の導通確認を再度実施する、ことを特徴とするロケット用火工品の無線点火方法。 - 前記子機が、さらに、電池により電源を供給する電源回路部と、昇圧された電力を蓄え点火玉に点火電流を供給する点火回路部とを備え、
前記点火回路部は、電池と点火玉との間に位置し電池電圧を所定の点火電圧まで昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路をON/OFFする昇圧スイッチと、昇圧回路と点火玉との間に位置し点火玉を点火する点火スイッチと、昇圧回路と点火スイッチとの間に位置し前記点火スイッチがOFFのときに蓄えた昇圧された電力を前記点火スイッチがONのときに点火電流として点火玉に供給するコンデンサと、を有するロケット用火工品の無線点火方法であって、
前記作動モードにおいて、点火動作前に前記昇圧スイッチをONにすることにより前記昇圧回路に電源を供給して電圧を昇圧し、昇圧された電力を前記コンデンサに蓄え、
次に、親機からの通信により前記点火スイッチをONにして、点火回路部により前記コンデンサから点火玉に点火電流を流す、ことを特徴とする請求項4に記載のロケット用火工品の無線点火方法。 - 単一の親機に対し複数の子機を備え、
親機からの通信により、複数の子機を待機モードに維持し、
次に、親機からの通信により、複数の子機を作動モードに順次切り替え、
次に、親機からの一斉通信により、複数の子機の点火玉に同時に点火電流を流して同時点火する、ことを特徴とする請求項4に記載のロケット用火工品の無線点火方法。 - 待機モードとして、スリープ時間が1分間以上の長期待機モードと、スリープ時間が1分間未満、1秒間以上の短期待機モードとを準備し、
電源投入後、親機からの通信により、複数の子機を長期待機モードへ順次切り替え、
次に、親機からの通信により、複数の子機を短期待機モードへ順次切り替え、
次いで、親機からの通信により、複数の子機を作動モードへ順次切り替え、
作動モードにおいて、親機からの通信により、親機から各子機に対して一斉に点火指示を送信して複数の子機の点火玉に同時に点火電流を流す、ことを特徴とする請求項6に記載のロケット用火工品の無線点火方法。 - 前記作動モードにおいて、前記子側無線通信ユニットを所定の一定時間のみ前記点火指示を受信可能に維持し、
所定の一定時間に、特定の親機から点火指示を受信した場合のみ、その指示を受け付け、点火玉に点火電流を流して点火動作を行う、ことを特徴とする請求項7に記載のロケット用火工品の無線点火方法。
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