JP5528771B2

JP5528771B2 - エンジンの始動シーケンス又は停止シーケンスの計算方法及び装置

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Publication number: JP5528771B2
Application number: JP2009254416A
Authority: JP
Inventors: ルゴニデックセルジュ
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: FR2937092A1; DE102009045704A1; IT1396075B1; JP2010096183A; US20100094522A1; ITTO20090781A1; FR2937092B1; US8364374B2

Description

本発明は、エンジンの制御の分野に関する。本発明は、特に、ロケットエンジンの制御に適用される。

本発明は、更に詳細には、かかるエンジンの始動シーケンス又は停止シーケンスを最適化する方法及び装置に関する。

当業者に知られているように、かかるシーケンスは、事象のタイミング、例えば、弁の開放、調節又は閉鎖のタイミング、又は、火工手段の点火のタイミングを定めている。

現在の技術状態では、ロケットエンジンの始動シーケンス及び停止シーケンスはすべて一度に地上で予め定められ、オンボードコンピュータにプログラムされている。

その結果、ロケットエンジンの発射の際に又は最初の地球周回飛行後に点火又は再点火する必要がある度に、ロケットエンジンは、常に同じシーケンスを実行する。

残念ながら、エンジンは、特にいくつかの構造的特性（例えば、熱交換係数）の変化（ドリフト）、環境の変化、又は熱力学条件の変化の結果として、同じシーケンスに対して常に同じように応答するわけではないことが判明している。

予め計算されている従来技術のシーケンスは、エンジンの寿命を通じて常に最適であるわけではない。

本発明は、上記欠点を解決する。

この目的のために、本発明は、エンジンの制御において予め決められている行為を実施すべき複数のキュー（cue；開始合図、タイミング又は時点）を含むエンジン用の始動シーケンス又は停止シーケンスを計算する計算方法であって、エンジンの少なくとも１つの熱力学条件を得るステップと、上記少なくとも１つの熱力学条件、エンジンの寸法パラメータ、及びエンジンの適正な作動基準の関数としてシーケンスを計算するステップとを有する計算方法を提供する。

かくして、本発明によれば、始動（又は停止）シーケンス内のキューを、エンジンの各始動（又は各停止）の直後にエンジンの熱力学パラメータの関数として再計算する。

本発明が始動シーケンス又は停止シーケンスに含まれるタイミング（キュー）を計算し又は調節するものであることを理解することが極めて重要であり、これらの計算は、始動シーケンス又は停止シーケンス自体が実施される前に行われる。

本発明は、シーケンスの流れ自体を制御するものではなく、シーケンスがどのように（いつ）起こるかをプログラムするものである。

かくして、本発明は、かかるシーケンスを最適化することを可能にする。

特定の実施例において、考慮に入れるエンジンの熱力学条件は、エンジンの再生器回路の初期温度（始動の場合）、再生器回路の加熱を表す係数（始動及び停止の場合）、及び再生器回路の圧力ロス（ヘッドロス）を表す係数（始動及び停止の場合）である。

特定の実施例では、シーケンスを計算するステップは、先に得られた回帰方程式系によってエンジンの挙動をモデル化するステップと、キューを得るために、回帰方程式系を最小自乗法によって解くステップとを含み、かかるモデルは、適正な作動基準を、キュー、寸法パラメータ及び熱力学条件の関数として表すのに使用される。

特定の実施例では、最適化方法の種々のステップは、コンピュータプログラムの指令によって定められる。

その結果、本発明はまた、ロケットに搭載したコンピュータ上で作動するのに適したコンピュータプログラムであって、上述したような計算方法のステップを実行するのに適した指令を含むコンピュータプログラムを提供する。

同様に、本発明はまた、エンジンの制御において予め決められた行為を実施すべき複数のキューを含む、エンジン用の始動シーケンス又は停止シーケンスを計算する計算装置であって、エンジンの少なくとも１つの熱力学条件を得る手段と、上記少なくとも１つの熱力学条件、エンジンの寸法パラメータ、及びエンジンの適正な作動基準の関数としてシーケンスを計算する手段とを有する計算装置を提供する。

本発明はまた、かかる計算装置を含むロケットエンジンを提供する。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照してなされる以下の説明から明らかであり、添付図面は、制限する特徴を有しない実施例を示す。

本発明によるロケットエンジンの特定の実施例を示す図である。本発明の特定の実施例による図１のロケットエンジンのための始動シーケンス及び停止シーケンスを計算する方法を示すダイアグラムである。本発明の変形例に使用するのに適した計算装置を示す図である。本発明の性能を示す図である。

図１は、本発明によるロケットエンジン１００を示す。このロケットエンジンは、極低温推進薬、即ち、液体酸素（酸化剤）及び液体水素（燃料）を利用し、液体酸素及び液体水素は、それぞれのタンクＲＯＬ，ＲＨＬに貯えられ、推進薬の各々の流れは、弁ＶＡＯ，ＶＡＨを通る。

ここで説明する例では、２つのターボポンプＴＰＯ，ＴＰＨを駆動するのに必要なエンタルピーは、燃焼チャンバＣＣの二重壁によって構成された再生器回路ＣＲを通過する水素に供給される。詳細には、液体水素は、管１０１から再生器回路ＣＲに入り、壁と接触して蒸発し、水素ガスの形態で再生器回路ＣＲから出て、管１０２を通って、ターボポンプＴＰＨ，ＴＰＯを駆動する。

可変の水素バイパス弁ＶＢＰＨ，ＶＢＰＯは、気体水素の流れの一部を迂回させることによって、ターボポンプＴＰＨ，ＴＰＯの動力を調節するのに役立ち、この目的は、酸素と水素の混合物の比ＲＭを調節すること、及び、燃焼チャンバＣＣ内の圧力ＰＣＣを調節することである。

エンジン１００は、水素パージ弁ＶＰＨ、及び、酸素パージ弁ＶＰＯを有している。水素パージ弁ＶＰＨ及び酸素パージ弁ＶＰＯは、エンジンの冷却期間の間に用いられ、かかる冷却期間の間、エンジンが或る温度条件及び圧力条件に達することを確保するために、液体推進薬は、ターボポンプＴＰＯ，ＴＰＨだけを通るように流れる。

チャンバ弁ＶＣＨ，ＶＣＯは、燃料（水素）及び酸化剤（酸素）が燃焼チャンバＣＣに選択的に達することを可能にする。弁ＶＣＯは、ΔT-VCOの間をあけて２段で（即ち、２回）開口する。

ここで説明する実施例において、本発明による始動シーケンス及び停止シーケンスを計算する方法は、エンジン１００内に組込まれたコンピュータ１０５上で作動するコンピュータプログラムによって決定される。

本発明によれば、エンジン１００は、再生器回路ＣＲの初期温度Ｔ_initＣＲを測定するための手段を有している。

ここで説明する例では、測定手段は、再生器回路ＣＲ内に配置された温度センサＣ₁によって構成され、温度センサＣ₁は、コンピュータ１０５に接続されている。

エンジン１００はまた、再生器回路ＣＲ内における加熱を表す係数ＤＴＣＲ及び圧力ロス（ヘッドロス）を表す係数ＤＰＣＲを測定するための手段を有している。

ここで説明する実施例では、係数ＤＴＣＲを、再生器回路ＣＲの水素出口管１０２内で測定された温度Ｔ_Sと水素入口管１０１内で測定された温度Ｔ_Eの差に基づいて計算する。

ここで説明する実施例では、係数ＤＰＣＲを、再生器回路ＣＲの水素出口管１０２内で測定された圧力Ｐ_Sと水素入口管１０１内で測定された圧力Ｐ_Eの差に基づいて計算する。

ここで説明する実施例では、圧力測定及び温度測定は、水素入口管１０１及び水素出口管１０２内に配置されたセンサＣ₂，Ｃ₃によって行われ、センサＣ₂，Ｃ₃は、コンピュータ１０５に接続されている。

図２は、図１のエンジン１００が、計算ステップを用いてどのように動作するかを示す図である。

この例では、エンジン１００が３つの始動シーケンスＤ₁〜Ｄ₃及び３つの停止シーケンスＡ₁〜Ａ₃を実施すると仮定する。

本発明によれば、各始動シーケンスＤ_i又は停止シーケンスＡ_iの前に、シーケンス内のキューを、エンジン１００の熱力学条件を考慮に入れて計算する。

より詳細には、
第１の始動シーケンスＤ₁内のキューをステップＥ１４の間に計算し、
第１の停止シーケンスＡ₁内のキューをステップＥ１６の間に計算し、
第２の始動シーケンスＤ₂内のキューをステップＥ２４の間に計算し、
第２の停止シーケンスＡ₂内のキューをステップＥ２６の間に計算し、
第３の始動シーケンスＤ₃内のキューをステップＥ３４の間に計算し、
第３の停止シーケンスＡ₃内のキューをステップＥ３６の間に計算する。

〔Ａ始動シーケンス〕
始動シーケンスＤ₁〜Ｄ₃を最適化するための本発明の実施例を、以下、詳細に説明する。

（１始動時の熱力学条件）
ここで説明する実施例では、始動シーケンスＤ_i内のキューを計算するために考慮される熱力学条件は、再生器回路ＣＲの初期温度Ｔ_initＣＲと、再生器回路ＣＲの加熱を表す係数ＤＴＣＲと、再生器回路ＣＲの圧力ロスを表す係数ＤＰＣＲである。

ここで説明する実施例では、再生器回路ＣＲの初期温度Ｔ_initＣＲは、冷却の終了のとき、各始動の前に測定される。

かくして、例えば、冷却（ステップＥ１１）を終了したら、再生器回路ＣＲの初期温度Ｔ_initＣＲを測定し（ステップＥ１２）、その後、始動シーケンスＡ_iを計算する（ステップＥ１４）。

本発明の実施例では、最初の始動シーケンスＤ_iの計算（ステップＥ１４）の前に、再生器回路ＣＲの加熱を表す係数ＤＴＣＲ及び再生器回路ＣＲの圧力ロスを表す係数ＤＰＣＲを見積もり（ステップＥ１３）、また、各再始動シーケンスＤ₂，Ｄ₃の計算（ステップＥ２４，Ｅ３４）の前の休止中、係数ＤＴＣＲ及び係数ＤＰＣＲを測定する（ステップＥ１５，Ｅ２５）。

（２始動シーケンス内のキューの調整）
ここで説明する例における始動シーケンスＤ_i内のキューＴ₀〜Ｔ₁₂を、表１に示す。

実際には、始動シーケンスの計算とＶＣＨの開放シーケンスの計算との間の期間ＡＤ（求められるべき期間）は、数百ミリ秒のオーダのものである。

ここで説明する本発明の実施例は、キューＴ₀〜Ｔ₁₂を、エンジンの熱力学条件、エンジンの寸法パラメータ、及びエンジンの適正な作動基準の関数として調節することによって、エンジンの始動シーケンスを最適化することを可能にする。

始動シーケンスを調節するためのキューの列ベクトルを、式（１）のように表す。
Ｘ_start＝^t（CUE-VOP-Open，CUE-VPH-Open，CUE-VAO-Open，CUE-VAH-Open，CUE-VBPH-Close，CUE-VBPO-Close，CUE-ALL，CUE-VCO，CUE-VPH-Close，CUE-VPO-Close，ΔT-VCO）・・・（式１）

（３エンジンの寸法パラメータ）
ここで説明する例では、始動のときに考慮に入れるエンジンの寸法パラメータは、パージ弁ＶＰＨ，ＶＰＯの断面積 KS-VPH，KS-VPOと、バイパス弁ＶＢＰＨ，ＶＢＰＯが開いている時間TM-VBPH，TM-VBPOと、パージ弁ＶＰＨ，ＶＰＯが開いている時間TM-VPH，TM-VPOと、弁ＶＣＯが開いている時間TM-VCOである。

寸法パラメータの列ベクトルを、式（２）のように表す。
Ｐ_start＝^t（KS-VPH，KS-VPO，TM-VBPH，TM-VBPO，TM-VPH，TM-VPO，TM-VCO）・・・（式２）

（４エンジンの適正な作業基準）
ここで説明する実施例では、始動のときに満たすことが必要なエンジンの適正な作動基準を、ｙ₁，・・・，ｙ_Nと書き、特に、水素ターボポンプＴＰＨの速度逆転の大きさＤｅｌｔａＲＴＨの基準、水素ターボポンプＴＰＨの回転速度及び加速度の基準、酸素ターボポンプＴＰＯの回転速度及び加速度の基準、水素／酸素混合物の比ＲＭの基準、及びかかる比ＲＭとそれについて決定された許容限度との差の基準である。

適正な作動基準Ｙ_iの列ベクトルを、式（３）のように表す。
Ｙ_start＝^t（ｙ₁，・・・，ｙ_N）・・・式（３）

（５始動シーケンス内のキューの計算）
本発明における始動シーケンス内のキューを計算する仕方により、次のシーケンスが起こる前に、次のシーケンスのための値Ｘ_start（又はＸ_stop）を効果的に計算することを可能にする。

（ａ第１の実施例）
本発明の第１の実施例では、エンジンの挙動は、方程式系Ｓによってモデル化される。

モデルＳは、実験計画に基づいて予め得られ、始動時のエンジンの適正な作動基準Ｙ_startを、始動期間の調節ためのキューＸ_start、始動時におけるエンジンの寸法パラメータＰ_start、及びエンジンの熱力学条件Ｔ_initＣＲ、ＤＴＣＲ及びＤＰＣＲの関数として、式（４）のように表すことを可能にする。
Ｙ_start＝Ｓ（Ｘ_start，Ｐ_start，Ｔ_initＣＲ，ＤＴＣＲ，ＤＰＣＲ）・・・式（４）

例えば、適正な作動基準ＤｅｌｔａＲＴＨ（ＴＰＨの速度逆転の大きさ）を、式（５）のように表すことができる。
ＤｅｌｔａＲＴＨ＝ｙ₁＝Σα_1,iｘ_i ・・・式（５）
式（５）において、ｘ_iは、Ｘ_startの成分（座標）である。

この実施例では、方程式系Ｓを、式（６）のように、調節のためのキューＸ_startに対して線形で表す。
Ｙ_start＝Ａ．Ｘ_start＋Ｇ（Ｐ_start，Ｔ_initＣＲ，ＤＴＣＲ，ＤＰＣＲ）・・・（式６）
式（６）において、Ａは、始動時のキューＸ_startと関連した感度行列［ａ_i,j］であり、Ｇは、Ｘ_startとは無関係であり且つエンジンの熱力学条件と関連した感度行列［ｇ_i,j］である。

この演算は、当業者には知られているので、これを詳細には説明しない。この演算は、特に、式（７）のように、Ｓを、２つの関数に、即ち、キューＸ_startに依存した関数ＨとキューＸ_startから独立した関数Ｇに分けて、関数Ｈを、Ｘ_startに対して線形化することによって達成できる。
Ｙ_start＝Ｈ＋Ｇ＝Ａ．Ｘ_start＋Ｇ・・・（式７）

特定の実施例では、行列Ａの条件設定を改良するために、良好な作動基準の初期ベクトルＹ₀によって、回帰系を式（８）のように規準化して、式（８）を解く試みがなされる。
Ｙ１_start＝Ａ１．Ｘ_start＋Ｇ１・・・（式８）
式（８）において、
Ｙ１_start＝Ｙ_start／Ｙ₀，Ｘ１_start＝Ｘ_start／Ｙ₀，Ｇ１＝Ｇ／Ｙ₀ ・・・（式９）
である。

しかる後、ここで説明する実施例では、最小自乗法を用いて、ベクトルＸ１_startを得て、ベクトルＸ１_startから、始動シーケンスの調節用のキューのベクトルＸ_startを導く。

最小自乗法は、（Ｙ１_start−Ｇ１）とＡ１．Ｘ_startとの間の距離を最小にすることからなり、即ち、
ｍｉｎ｜｜Ａ１．Ｘ_start−（Ｙ１_start−Ｇ１）｜｜・・・（式１０）
である。

特定の実施例では、重み付けベクトルλが用いられ、重み付けベクトルλは、始動基準及び停止基準をこれらのクリティカリティレベルの関数として重み付けするように適切に選択される。

（ｂ第２の実施例）
第２の実施例では、始動シーケンスＤ_iを図３に概略的に示す計算装置３００で計算する。

この第２の実施例では、計算装置３００は、予測モジュール３０１と、ファジー論理システム３０２とを有し、予測モジュール３０１は、適正な作動基準Ｙ_startを、始動時に考慮に入れる熱力学パラメータ（Ｔ_initＣＲ，ＤＰＣＲ，ＤＴＣＲ）及びエンジンの寸法パラメータＰ_startの関数として予測するのに適しており、ファジー論理システム３０２は、キューベクトルＸ_startを、予測モジュール３０１によって決定された適正な作動基準Ｙ_startの関数として決定するのに適している。

予測モジュール３０１は、ファジー論理モジュールであるのがよい。

変形例では、モジュールは、決定性であり、行列Ａ^-1の線形方程式系を解くのに適しており、この場合、Ａは、始動シーケンス内のキューと関連した上述の感度行列である。

〔Ｂ停止シーケンス〕
停止シーケンスＡ_i内のキューを調節する方法は、始動シーケンス内のキューを調節する上述の方法と同じであり、その詳細を説明する必要はない。

（１停止のときの熱力学条件）
ここで説明する実施例では、停止シーケンスＡ_i内のキューを計算するために考慮に入れる熱力学条件は、再生器回路ＣＲの加熱の係数ＤＴＣＲ及び圧力ロスの係数ＤＰＣＲである。

本発明の実施例では、各停止シーケンスＡ₁，Ａ₂，Ａ₃（ステップＥ１６，Ｅ２６，Ｅ３６）の前に、再生器回路ＣＲの加熱の係数ＤＴＣＲ及び圧力ロスの係数ＤＰＣＲを測定する（ステップＥ１５，Ｅ２５，Ｅ３５）。

（２停止シーケンス内のキューの調節）
ここで説明する実施例において、表２に示す停止シーケンスＡ_i内のキューＴ₀〜Ｔ₇は、水素バイパス弁ＶＢＰＨを開くためのキューＴ₁に対して表されている。

停止シーケンス内の調節キューの列ベクトルＸ_stopを、式（１１）のように表す。
Ｘ_stop＝^t（CUE-VBPO_A，CUE-VPO_A，CUE-VPH_A，CUE-VCO_A，CUE-VCH_A）・・・式（１１）

（３エンジンの寸法パラメータ）
ここで説明する実施例において、停止のときに考慮に入れるエンジンの寸法パラメータＰ_stopは、始動のときに考慮に入れる寸法パラメータＰ_startと同じである。

（４適正な作動基準）
ここで説明する実施例において、停止のときに考慮に入れるエンジンの適正な作動基準Ｙ_stopは、始動のときに考慮に入れる適正な作動基準Ｙ_startと同じである。

変形例では、これら基準は異なっていてもよい。

（５キューの最適化）
この最適化は、上述した変形例の一方又は他方を使用することによって、即ち、最小自乗法又はファジィ論理計算装置３００を使用することによって実施される。

図４は、本発明の性能を示す。

図４において、曲線Ｃ１は、基準曲線であり、図１のエンジンの燃焼チャンバＣＣ内の圧力ＰＣＣが、公称条件下で、即ち、この例では、再生器回路ＣＲの初期温度Ｔ_initＣＲが２６５Ｋに等しいとき、どのように変化するかを示す。

曲線Ｃ２、Ｃ３は、２００Ｋの初期温度Ｔ_initＣＲにおいて、同じ燃焼チャンバＣＣ内の圧力ＰＣＣがどのように変化するかを示しており、曲線Ｃ２は、本発明を実施しない場合（熱力学条件と独立して予め定めたシーケンスの場合）を示し，曲線Ｃ３は、本発明を実施した場合（熱力学条件を考慮に入れて計算したシーケンスの場合）を示す。

図４は、本発明により、燃焼チャンバ内の圧力ＰＣＣの変化が、公称条件において達成される基準モデル（曲線Ｃ１）と非常に近いプロフィールを保つことを示し、その結果、本発明により、ロケットエンジンが、その環境の熱力学条件と独立してその寿命を通じて最適な挙動を維持することを可能にする。

１００ロケットエンジン
３００計算手段
３０１予測モジュール
３０２ファジー論理システム
Ａ_i 停止シーケンス
ＣＲ再生器回路
Ｄ_i 始動シーケンス
Ｐ_start，Ｐ_stop エンジンの寸法パラメータ
Ｘ_start，Ｘ_stop キュー
Ｙ_start，Ｙ_stop エンジンの適正な作動基準

Claims

エンジン（１００）のための始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）を計算する計算方法であって、
始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）は、エンジン（１００）の制御において予め決められた動作を実施すべき複数のキュー（Ｘ_start，Ｘ_stop）を含み、
エンジン（１００）の少なくとも１つの熱力学条件を得るステップ（Ｅ１５，Ｅ２２）と、
始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）を、前記少なくとも１つの熱力学条件、エンジンの寸法パラメータ（Ｐ_start，Ｐ_stop）、及びエンジンの適正な作動基準（Ｙ_start，Ｙ_stop）の関数として計算するステップ（Ｅ２４，Ｅ２６）と、を有する計算方法。
始動シーケンス（Ｄ_i）を計算するために考慮に入れるエンジンの熱力学条件は、エンジンの再生器回路（ＣＲ）の初期温度、前記再生器回路（ＣＲ）の加熱を表す係数、及び前記再生器回路（ＣＲ）の圧力ロスを表す係数である、請求項１に記載の計算方法。
停止シーケンス（Ａ_i）を計算するために考慮に入れるエンジンの熱力学条件は、再生器回路（ＣＲ）の加熱を表す係数、及び前記再生器回路（ＣＲ）の圧力ロスを表す係数である、請求項１又は２に記載の計算方法。
始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）を計算する前記ステップ（Ｅ１４）は、
エンジンの挙動を、予め得た回帰方程式系によってモデル化するステップと、
前記回帰方程式系を最小自乗法によって解いて、キュー（Ｘ_start，Ｘ_stop）を得るステップと、を含み、
前記モデル（Ｓ）は、適正な作動基準（Ｙ_start，Ｙ_stop）を、キュー（Ｘ_start，Ｘ_stop）、寸法パラメータ（Ｐ_start，Ｐ_stop）、及び前記熱力学条件の関数として表すのに使用される、請求項１〜３の何れか１項に記載の計算方法。
コンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムをコンピュータによって実行するとき、請求項１〜４の何れか１項に記載の計算方法の前記ステップを実行する指令を含む、コンピュータプログラム。
エンジン（１００）のための始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）を計算する計算装置であって、始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）は、エンジンの制御において予め決められた動作を実施すべき複数のキュー（Ｘ_start，Ｘ_stop）を含み、
エンジン（１００）の少なくとも１つの熱力学条件を得る手段（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃）と、
始動シーケンス（Ｄ_i）又は停止シーケンス（Ａ_i）を、前記少なくとも１つの熱力学条件、エンジンの寸法パラメータ（Ｐ_start，Ｐ_stop）、及びエンジンの適正な作動基準（Ｙ_start，Ｙ_stop）の関数として計算する手段（３００）と、を有する計算装置。
前記計算手段（３００）は、予測モジュール（３０１）と、ファジー論理システム（３０２）とを有し、予測モジュール（３０１）は、適正な作動の基準（Ｙ_start）を、前記熱力学条件（Ｔ_initＣＲ，ＤＰＣＲ，ＤＴＣＲ）及びエンジンの前記寸法パラメータ（Ｐ_start）の関数として予測するのに適し、ファジー論理システム（３０２）は、キューベクトル（Ｘ_start）を、前記予測モジュール（３０１）によって決定された前記作動基準（Ｙ_start）の関数として決定するのに適する、請求項６に記載の計算装置。
請求項６又は７に記載の計算装置を搭載したロケットエンジン（１００）。