JP5936961B2 - 飛しょう体制御システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、飛しょう体制御システムに関する。

近年、飛しょう体発射装置では、ガス発生器等によって発射装置内部から飛しょう体を発射した後、飛しょう体の主となる推進装置の火薬類を点火させるコールドランチ方式が用いられている。コールドランチ方式は、飛しょう体が発射装置から十分に遠ざかってから主たる推進装置の火薬類を点火する方式のため、発射装置が推進装置の火薬類による損傷を受けにくく、飛しょう体の再充填がしやすいという利点がある。このため、特に、再利用することが前提で設計される飛しょう体を発射するためのサイロや艦船搭載型の発射装置に対して有効となる。

米国特許第７４６４６３４号明細書

しかし、垂直発射の飛しょう体発射装置では、目標と異なる垂直上方に打ち出すため、発射した後、目標に向かって旋回する必要がある。従来、コールドランチ方式に適用されている旋回方法は、操舵翼による空力旋回や、推力の方向を直接変化させる機構（ＴＶＣ(Thrust Vector Control)機構、サイドスラスタ等）がある。これらの方法は、旋回のために、推進装置やサイドスラスタ等の火薬類を点火させる必要がある。発射装置を保護するためには、飛しょう体と発射筒の距離を十分に確保した後、火薬類を点火させた方が良い。このため、これら従来の方式では、旋回開始が遅れることによって、旋回半径が増大し、到達目標点までの距離ロスが大きくなるという問題があった。これは、飛しょう体が目標まで到達する時間の遅延や有効射程の短縮の原因となる。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、飛しょう体の飛しょう経路の旋回半径を小さくし、到達点までの遅延を最小限にすることができる飛しょう体制御システムを提供することを課題とする。

本発明の一実施形態に係る飛しょう体制御システムは、トルク計算手段、磁気トルク発生手段及び磁場発生手段を備える。トルク計算手段は、目標に向かって飛しょうする飛しょう体の発射時に、飛しょう体の姿勢を検出し、飛しょう体を目標の方向に指向させる磁気トルクに係るトルク指令値を計算する。磁気トルク発生手段は、飛しょう体の周囲における磁場の磁束密度強度を検出し、この磁束密度強度とトルク指令値に基づく電流をコイルに流して磁気トルクを発生させ、飛しょう体の姿勢を制御する。磁場発生手段は、飛しょう体の周囲に所定の磁場を発生させる。

本発明の一実施形態に係る飛しょう体制御システムの全体構成例を示すブロック図。 図１に示す飛しょう体制御システムにおける発射直後の飛しょう体旋回動作例を示すフローチャート。 図１に示す飛しょう体制御システムにおける姿勢制御の原理を説明する図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る飛しょう体制御システム１の全体構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、飛しょう体制御システム１は、目標に向かって飛しょうする飛しょう体２、飛しょう体２を発射する発射装置３及び飛しょう体２と発射装置３を制御する管制装置４により構成されている。また、発射装置３は、発射装置３及び飛しょう体２の周辺に一様な磁場を発生させる磁場発生装置３１を備えている。

飛しょう体２は、磁気トルカ２１及び姿勢制御装置２２を備えている。磁気トルカ２１は、コイル２１Ａと、磁気センサ２１Ｂ及び電流制御装置２１Ｃを備え、上述の磁場発生装置３１により発生した磁場の磁束密度強度を磁気センサ２１Ｂが検出し、この検出値と姿勢制御装置２２から出力されるトルク指令値に基づいて電流制御装置２１Ｃからコイル２１Ａに所定量の電流を流すことで姿勢制御のために必要な磁気モーメントを発生させる。

姿勢制御装置２２は、トルクや外乱等による飛しょう体２の姿勢変化を検出し、センサ情報（角速度、レート等）を出力するレートセンサ２２Ａと、管制装置４から出力された飛しょう体指向方向指令とレートセンサ２２Ａから出力されたセンサ情報を入力し、目標の位置情報、飛しょう体２の位置情報及び速度等に基づいて飛しょう体２の姿勢を変化させるためのトルク指令値を生成して電流制御装置２１Ｃへ出力するトルク指令計算装置２２Ｂを備える。

図２は、図１に示す飛しょう体制御システム１における発射直後の飛しょう体旋回動作例を示すフローチャートである。また、図３は、図１に示す飛しょう体制御システム１における姿勢制御の原理を説明する図である。

先ず、発射装置３は、管制装置４からの発射指令に基づいて飛しょう体２をコールドガスの噴射等によって発射する（Ｓ２０１）。

次に、発射装置３は、管制装置４からの磁場発生指令を受けて、磁場発生装置３１によって飛しょう体２の周りに磁場を発生させる（Ｓ２０２）。例えば、磁場を発生させる方法としては、ヘルムホルツコイルを利用した一様磁場の発生方法等が考えられる。

一方、飛しょう体２は、レートセンサ２２Ａによって現在の姿勢角を測定し（Ｓ２０３）、所望の姿勢へと制御するためのトルク指令値を算出する（Ｓ２０４）。このトルク指令値の算出は、レートセンサ２２Ａによって得た姿勢角及びレート（角速度）をフィードバック値として、姿勢角を制御対象量、トルクを操作量とした一般的な制御系を設計し、適用する方法等が考えられる。

次に、磁気センサ２１Ｂは、飛しょう体２の周りの磁場の強さ（磁束密度強度）Ｈを測定し、電流制御装置２１Ｃに出力する（Ｓ２０５）。

次に、電流制御装置２１Ｃは、トルク指令値及び磁気センサ２１Ｂで測定された磁場の強さ（磁束密度強度）Ｈをもとに、所要のトルクを発生させるための磁気モーメントＭ及び磁気トルカ２１のコイル２１Ａに流す電流指令値を計算する（Ｓ２０６）。

所要トルクを発生させるための磁気モーメントＭ及び電流指令値の計算方法を以下に説明する。磁気トルカ２１のコイル２１Ａの磁気モーメントＭは、以下の数式（１）で表される。

ここで、μはコイル２１Ａの実効透磁率、ｎはコイル２１Ａの巻き数、Ａをコイル２１Ａの断面積、Ｉはコイル２１Ａに流れる電流とする。μ、ｎ及びＡは、既知の項目となり、電流値が決まれば、磁気モーメントＭも決まる。

次に、磁気トルカ２１のコイル２１Ａに発生した磁気モーメントＭは、磁場発生装置３１が発生させた磁場との相互作用によって、トルクを発生させる。発生するトルク量Ｔ（Ｎ・ｍ）は、磁場の強さＨ（Ａ／ｍ）及び磁気モーメントＭ（Ｗｂ・ｍ）に依存し、以下の数式（２）の関係がある。

ここで、×はベクトルの外積を表す。以上からコイル２１Ａに流れる電流、磁場の強さＨ及び発生するトルクＴの関係が得られる。そして、磁気センサ２１Ｂによって磁場の強さＨを測定することで、所要のトルクＴを満たすための電流値が定まる。この数理モデルを利用して、電流Ｉを制御することで、所要の磁気モーメントＭを発生させることが可能となる。

次に、算出例として、図３のように１つの磁気トルカ２１及び磁場発生装置３１を配置した構成を考える。磁場発生装置３１は、ｘ軸方向に磁場を発生させることができ、磁気トルカ２１はｙ軸方向に磁気モーメントＭを発生させることができる。この時、磁場の強さＨ及び磁気モーメントＭはそれぞれ以下の数式（３）・（４）のように表せる。

磁気センサ２１Ｂによって磁場の強さＨｘを測定し、適切な電流をコイル２１Ａに流すことにより、ｚ軸周りに期待するトルクＴを発生することができる。

電流制御装置２１Ｃは、電流指令値を算出した後、指令値通りにコイル２１Ａに電流が流れるように制御する。ここで、コイル２１Ａに流れる電流の制御は一般的な制御系設計による方法が考えられる。

コイル２１Ａに電流が流れると、磁気トルカ２１に磁気モーメントＭが発生する（Ｓ２０７）。この磁気モーメントＭは、磁場の影響を受けて、トルクＴを発生させる（Ｓ２０８）。飛しょう体２はこのトルクＴによって、旋回し、姿勢角を変化させる（Ｓ２０９）。

次に、管制装置４は、飛しょう体２が発射装置３から十分に離れたか否かを判定する（Ｓ２１０）。ここで、発射装置３から十分に離れたと判定された場合は、Ｓ２１１へ進む。これに対し、発射装置３から十分に離れていないと判定された場合は、Ｓ２０３へ戻る。すなわち、以上の動作（Ｓ２０３〜Ｓ２０９）は、飛しょう体２が発射装置３の近くにあり、発射装置３が発生させる磁場が強い状況で繰り返して実施される。

そして、飛しょう体２が発射装置３から遠ざかり、磁場が弱くなった場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）は、主となる推進装置（図示量略する）や旋回のための火薬類を点火させ（Ｓ２１１）、従来技術と同様に旋回運動を開始し、目標へ向けて飛しょうする（Ｓ２１２）。

このように、本実施形態に係る飛しょう体制御システム１によれば、主となる推進装置や火薬類を点火させることなく、コールドランチ方式での発射直後の飛しょう体２の旋回を行うことができる。これにより、飛しょう体２の飛しょう経路の旋回半径を小さくし、コールドランチ垂直発射方式の問題点である到達点までの遅延を最小限にすることができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、説明を容易にするために、磁気トルカ２１が１つだけの構成を用いた。この場合、磁気トルカ１つにつき、１つの旋回（回転）方向となるが、磁気トルクを発生させたい方向に応じて飛しょう体２の内部に磁気トルカ２１を複数個設ける構成としてもよい。この場合、２つ以上の方向を制御することが可能となる。同様に、磁気トルカ２１が互いに直交する３軸周りにそれぞれ回転可能なジンバル機構を有し、磁気トルクを軸周りにそれぞれ発生させる構成としてもよい。

また、上記実施形態では、一般的な材料をコイル２１Ａに用いたが、例えば、磁気トルカ２１内にコイル２１Ａを超伝導が生じる温度まで冷却する冷却装置を更に備える構成としても良い。同様に、磁場発生装置３１は、磁場を発生させるための回路を超伝導が生じる温度まで冷却する冷却装置を更に有する構成としてもよい。これらの場合、より大きな磁気モーメントや磁場を発生し、大きなトルクを得ることができる。

また、上記実施形態では、磁気トルカ２１は、磁場発生装置３１によって発生させた磁場を利用してトルクを発生させているが、地球の磁場を利用する構成としてもよい。この場合、発射装置３内に磁場発生装置３１を設ける必要がなくなるため、装置構成が簡潔となり、製造コストを抑えることができる。

更に、上記実施形態では、一般的な例として制御系については言及していないが、各構成品の特性を考慮し、最適に設計された制御系を用いることで、適切なトルクを短時間で得られるように構成してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…飛しょう体制御システム、
２…飛しょう体、
３…発射装置、
４…管制装置、
２１…磁気トルカ、
２１Ａ…コイル、
２１Ｂ…磁気センサ、
２１Ｃ…電流制御装置、
２２…姿勢制御装置、
２２Ａ…レートセンサ、
２２Ｂ…トルク指令計算装置、
３１…磁場発生装置。

Claims (4)

1. 目標に向かって飛しょうする飛しょう体の発射時に、前記飛しょう体の姿勢を検出し、前記飛しょう体を前記目標の方向に指向させる磁気トルクに係るトルク指令値を計算するトルク計算手段と、
   前記飛しょう体の内部に設けられ、前記飛しょう体の周囲における磁場の磁束密度強度を検出し、この磁束密度強度と前記トルク指令値に基づく電流をコイルに流して前記磁気トルクを発生させ、前記飛しょう体の姿勢を制御する磁気トルク発生手段と、
   前記飛しょう体の周囲に所定の磁場を発生させる磁場発生手段と、
   を備えることを特徴とする飛しょう体制御システム。
2. 前記磁場発生手段は、前記磁場を発生させる回路を超伝導が生じる温度まで冷却する冷却装置を更に有することを特徴とする請求項１記載の飛しょう体制御システム。
3. 前記磁気トルク発生手段は、互いに直交する３軸周りにそれぞれ回転可能なジンバル機構を有し、前記磁気トルクを軸ごとに発生させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の飛しょう体制御システム。
4. 前記磁気トルク発生手段は、前記磁気トルクを発生させる方向に応じて前記飛しょう体の内部に複数個設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の飛しょう体制御システム。

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