JP6007243B2 - ビークルの飛行中の推力操舵及び姿勢制御のためのシステム、並びにそのシステムを備えた飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、軌道修正・姿勢制御システム（ＤＡＣＳ）としても知られている、ビークルの飛行中の推力操舵及び姿勢制御のためのシステムに関する。

本発明は、特に、弾道ミサイルに対する防衛に使用される迎撃ミサイルの上部又は末端部に適用可能であり、具体的には、ミッションの終局に所望の軌道及び姿勢を維持することに適用可能である。ただし、本発明は、他のタイプの大気又は宇宙ビークル、例えば、対空防御ミサイル、空対空ミサイル、大気圏再突入ビークル、さらには宇宙探索モジュールにも使用されうる。

迎撃ミサイルの末端部を構成するビークルのための既知のＤＡＣＳを図１に強調して図式的に示す。このＤＡＣＳ１は、推力操舵又は軌道転換バルブ５を支持している金属リング４の左右に理想的に配置された２つの推進剤ブロック３を有するスラスタ本体２を備えている。４つの転換バルブ５が設けられており、それらは、ビークル１の姿勢を大きく乱さずに軸Ａに垂直に側面推力を発生させるように、ビークル１の軸Ａの周りに規則的に配置され、且つ、実質的にビークル１の重心と同じ高さにある。姿勢修正用の他の６つの他のバルブ６がスラスタ本体２の後端部に設けられている。これらの姿勢制御システム（ＡＣＳ）バルブ６は、軸Ａに実質的に垂直な第１方向に向いた２つのバルブを有する第１バルブ対と、第１方向に対して反対向きの第２方向に向いた２つのバルブを有する第２バルブ対と、軸Ａ、第１方向及び第２方向に実質的に垂直な互いに反対向きの方向に向いた他の２つのバルブと、を備えている。制御電子回路及びアクチュエータを含む制御装置（図示せず）は、軌道修正が必要なときに１つ又は２つのバルブ５の開放を選択的に制御するため、且つ、姿勢修正（ヨー、ロール、及び／又はピッチの修正）が要求されたときに１又は複数のバルブ６を選択的に開放するために設けられている。推進剤ブロック３は、バルブ５及び６に供給するために同時に使用される。

英国特許出願公開第２２５１８３４号明細書

ＤＡＣＳのためのそのような構成は、異なる機能を持った２つのグループに配置された合計１０個のバルブ、つまり、一般には異なるタイプである軌道転換バルブと姿勢制御バルブとを必要とし、このことは、重量、サイズ及びコストの観点で不利益をもたらす。さらに、スラスタ本体内且つ２つの推進剤ブロックの間の転換バルブの位置は、火気安全性の観点、特に、組立作業における安全性の観点で理想的ではなく、制御及び推進システムのメンテナンスをより複雑にする。さらに、転換バルブの位置は、それらが非常に高い温度にさらされるので運転持続時間を制限する、あるいは、ガス温度に制限を課し、いずれにしても、性能が劣る。

他のＤＡＣＳは、文献GB 2 251 834 Aに記載されている。

１つの実施形態において、２セットの４つのバルブは、ビークルの重心の両側に配置される。各セットにおいて、２つのバルブは、第１方向に推力を発揮し、他の２つのバルブは、第１方向に対して反対の第２方向に推力を発生させる。バルブの推力軸は、ビークルの縦軸の両側において、その縦軸から距離をおいて位置している。

そのようなシステムは、専らバルブの推力軸に沿って軌道を転換することを如何なる瞬間においても可能にする。他のある方向に軌道を転換するために、ロール中に姿勢を制御する能力を使用することによって、自身の軸の周りにおいてミサイルを方向づけることから始める必要がある。このことは、応答時間及び操縦性の損失につながり、相当な過剰消費にもつながる。同じことが特にヨー修正を行うことにもあてはまる。

他の実施形態において、２セットの４つのバルブは、ビークルの重心の両側に同様に配置される。各セットにおいて、２つのバルブは、共通の第１軸の上に一直線に並んだ反対方向に推力を発揮し、他の２つのバルブは、共通の第２軸の上に一直線に並んだ反対方向に推力を発揮する。第１軸及び第２軸は、互いに垂直であり、ビークルの軸に対して垂直であり、ビークルの軸に交差している。従って、ロール制御は不可能である。

本発明の目的は、上記の欠点を改善することにある。１つの側面において、この目的のために、本発明は、ビークルの飛行中の推力操舵及び姿勢制御のためのシステムであって、
スラスタ本体と、
複数のバルブであって、各バルブに個別に作用するように配置された制御装置によって前記スラスタ本体と連通させられることによって側面推力を発生することができる複数のバルブと、
を備え、
前記複数のバルブは、第１及び第２バルブセットに区分され、前記２つのセットは、前記ビークルの重心に関して実質的に対称となる形にて、前記スラスタ本体の前部及び後部に向かって互いに離れて距離をおいてそれぞれ配置されており、前記重心は、前記ビークルの縦軸上に位置しており、
各バルブセットは、４つのバルブで構成されるとともに、第１軸に平行かつ一直線に並んでいない推力軸に沿った反対方向に側面推力を発生させるように配置された第１バルブ対と、第２軸に平行かつ一直線に並んでいない推力軸に沿った反対の推力方向に側面推力を発生させるように配置された第２バルブ対とを含み、
前記第１及び第２軸は、異なる軸であり、前記ビークルの前記縦軸に対して垂直である、システムを提供する。

望ましくは、各バルブセットにおける第１及び第２軸は、互いに垂直である。

望ましくは、複数のバルブは、全て同一のものである。

また、望ましくは、全てのバルブの推力軸は、ビークルの縦軸から同じ距離に位置している。

また、望ましくは、複数のバルブは、スラスタ本体の外部に位置している。

スラスタ本体は、固体推進剤、液体推進剤又はハイブリッド推進剤を備えたガス発生器を含む。固体推進剤の場合において、スラスタ本体は、有利には、単一の固体推進剤ブロックを含む。燃焼を通じてシステムの中心を保つために、単一の固体推進剤ブロックは、ビークルの重心に設置される。

上記したＤＡＣＳと比較して、指定されたように配置された４つのバルブの２つのセットを持った本発明のシステムは、少数のバルブで、全ての所望の軌道及び姿勢修正を瞬間的又はほとんど瞬間的に行なうことができるという点において有利であり、それゆえ、応答時間も非常に短い。

様々な修正、特に軌道転換は、各バルブセットにおける１つ以上のバルブを選択的に同時に開くことによって行われる。そのことは、また、他の利点を生じさせる。

まず、必要な推力を２つのバルブセットで共に担うことによって、所定の必要な合成推力を得るのに各バルブに要求される個別の推力を減らすことができる。修正推力の観点における所定レベルの性能のために、バルブの重量及び寸法、並びにそれらを作動させるために要求される動力をより小さくすることができる、及び／又は、スラスタ本体における圧力を下げることができる。これにより、いずれの場合にも操舵精度が改善する。

さらに、推力操舵及び姿勢制御の機能のためのバルブ資源を共有することは、有利には、同一のバルブが使用されることを可能にする。このことは、システムの定義及び提供を簡素化することに寄与し、開発及び製造コストを低下させる。

スラスタ本体の外部でのバルブの望ましい構成も、システムの定義及び提供を簡素化することに寄与するとともに、火気の観点から良好な安全性を示す。

さらに、固体推進剤を用いてガスを発生させる場合、単一の推進剤ブロックを使用することも簡素化及びコストの低減に役立つ。

他の側面において、本発明は、また、上記したシステムを含む宇宙又は大気ビークルを提供し、特に、そのようなシステムが取り付けられた末端部を有するミサイルを提供する。

添付の図面を参照しつつ、非限定的な例として示されている以下の説明を読めば、本発明をより良く理解できる。

上記した図１は、先行技術のＤＡＣＳが取り付けられた迎撃ミサイルの末端部の強調した線図である。 図２は、本発明の実施形態におけるＤＡＣＳが取り付けられた末端部を有する迎撃ミサイルの強調した線図である。 図３は、側面視において、図２のミサイルの末端部を拡大して示す図である。 図４は、背面視において、図２のミサイルの末端部を拡大して示す図である。 図５は、正面視において、図２のミサイルの末端部を拡大して示す図である。 図６は、必要な軌道転換に対応する側面推力ベクトルを示している。 図７は、図３，４及び５のミサイルの末端部に取り付けられたＤＡＣＳの２つのバルブセットのバルブによって発生した個別の推力を組み合わせることによって、図６の推力ベクトルをどのようにして生じさせることができるかを示している。 図８は、図３，４及び５のミサイルの末端部に取り付けられたＤＡＣＳの２つのバルブセットのバルブによって発生した個別の推力を組み合わせることによって、ロール修正をどのようにして生じさせることができるかを示している。 図９は、図３，４及び５のミサイルの末端部に取り付けられたＤＡＣＳの２つのバルブセットのバルブによって発生した個別の推力を組み合わせることによって、ヨー修正をどのようにして生じさせることができるかを示している。 図１０は、図３，４及び５のミサイルの末端部に取り付けられたＤＡＣＳの２つのバルブセットのバルブによって発生した個別の推力を組み合わせることによって、ピッチ修正をどのようにして生じさせることができるかを示している。

図２は、ミサイルの残余の部分から切り離された後、そのミッションの終局において、場合によっては軌道転換によって、場合によっては姿勢修正によって末端部１２を操舵するためのＤＡＣＳ１４が取り付けられた頂部又は末端部１２を有する、弾道ミサイルに対する防衛をもたらす迎撃ミサイル１０の強調した線図である。

ＤＡＣＳ１４（図３，４及び５）は、固体推進剤ブロック２２を含むスラスタ本体２０と、スラスタ本体２０の後部に位置している第１バルブセット２４と、スラスタ本体２０の前部に位置している第２バルブセット２６と、第１及び第２バルブセットのバルブをアクチュエータ（図示せず）によって選択的に開閉するための電子制御装置２８と、を備えている。「前部」及び「後部」の用語は、末端部１２の進行方向に対して使用される。

第１バルブセット２４は、有利には、４つのバルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び２４ｄによって構成されている。第２バルブセット２６は、同様に、有利には、４つのバルブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃ及び２６ｄによって構成されている。

開放位置にあるとき、各バルブは、スラスタ本体に連通し、推進剤の燃焼によって生成されたガスを放出することによって側面推力を発生させる。「側面」推力の用語は、ここでは、末端部１２の軸Ａに垂直又は実質的に垂直な推力軸に沿う推力を意味するものとして使用される。大きな影響を与える大きさの合成推力が軸Ａに沿って１つの方向又はその他の方向に発生しなければ、生成される推力と軸Ａに垂直な面との間の２，３度の角度は、様々な開放弁の結合推力からの作用のもと、許容されうる。

第１セット２４において、バルブ２４ａ及び２４ｃは、軸Ｂ１に平行な互いに反対の方向に側面推力を生じさせるように向けられており、バルブ２４ｂ及び２４ｄは、軸Ｃ１に平行な互いに反対の方向に側面推力を生じさせるように向けられている。この例において、軸Ｂ１及びＣ１は、直交又は実質的に直交しており、それらは、軸Ａの上で互いに交差している。なお、バルブ２４ａ及び２４ｃの推力軸は平行であるが、それらは軸Ｂ１の両側に位置しているので、一直線上にはない。同様に、バルブ２４ｂ及び２４ｄの推力軸は平行であるが、それらは望ましくは軸Ｃ１の両側に位置しているので、一直線上にはない。従って、セット２４のバルブからの推力は、軸Ａの周りで方向ｆ１に回転トルクを生じさせる。

第２セット２６において、バルブ２６ａ及び２６ｃは、軸Ｂ２に平行な互いに反対の方向に側面推力を生じさせるように向けられており、バルブ２６ｂ及び２６ｄは、軸Ｃ２に平行な互いに反対の方向に側面推力を生じさせるように向けられている。この例において、軸Ｂ２及びＣ２は、直交又は実質的に直交しており、それらは、軸Ａの上で互いに交差している。なお、バルブ２６ａ及び２６ｃの推力軸は平行であるが、それらは望ましくは軸Ｂ２の両側に位置しているので、一直線上にはない。同様に、バルブ２６ｂ及び２６ｄの推力軸は平行であるが、それらは望ましくは軸Ｃ２の両側に位置しているので、一直線上にはない。セット２６のバルブは、それらの推力が軸Ａの周りで、方向ｆ１に対して反対の方向ｆ２に回転トルクを生じさせるように配置されている。

望ましくは、ただし必須ではないが、軸Ｂ１及びＢ２は互いに平行であり、軸Ｃ１及びＣ２も同様である。

図示された例において、バルブセット２４は、スラスタ本体２０の外部でその後端部に向かって備え付けられている。バルブセット２６は、スラスタ本体２０の外部でその前端部に向かって備え付けられている。バルブセット２４及び２６は、末端部アセンブリ１２の重心に関して対称に配置されている。重心は軸Ａの上に位置している。ペイロード及び末端部１２の機材の様々な他の部品は、望ましくは、推進剤が次第に消費されても重心の位置が実質的に変わらないように配置される。

２つのバルブセット２４及び２６は、特にピッチ又はヨーを修正するために、適切なトルクを伴う側面推力を発生させることができるように、軸Ａに沿って互いに離れて位置している。実際には、バルブセット２６は、スラスタ本体２０の前端部又は前端部の近く、例えば、前方にオフセットした位置に備え付けられている。レバーアーム（つまり、推力が加わるポイントと重心との間の距離）は、このように、利用可能な全体のスペースに対して最大化されている。

有利には、バルブ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ及び２６ｄは、全て同一のものであり、このことは、ＤＡＣＳの定義及び提供を簡素化する。そのような簡素化は、スラスタ本体２０の外部にバルブを備え付けることの結果でもあり、この構成は、また、良好な火気安全性をもたらす。さらに有利には、ただし必須ではないが、全てのバルブの推進軸は、軸Ａから同じ距離に位置している。

既知の方法において、制御装置２８は、セット２４及び２６の個々のバルブに付随するアクチュエータ（図示せず）にそれぞれ作用し、それらのバルブが開かれる度合いを制御する。つまり、ガス通過部におけるパイプは、バルブをスラスタ本体に接続しており、バルブは、完全な閉鎖と全開との範囲にわたって制御されうる開度可変のバルブである。

推進剤ブロック２２は、末端部１２がミサイルの残余の部分から切り離されたのち、点火される。

軌道又は姿勢修正が必要でない限り、セット２４及び２６の全てのバルブ、又は対称な配置にあるそれらのバルブの一部は、どのような合成推力も発生させることなく燃焼ガスを逃がすことを可能にするために、ある程度開いた状態に維持される。変形例において、修正段階の後、推進剤は、全てのバルブを同時に全開にすることによって消火されてもよい。推進剤は、新たな修正が必要になったら直ちに再点火される。

修正が必要な場合、制御装置２８は、いくつかのバルブを閉じる一方、必要な修正を共同してもたらす個別の推力を発生させるのに役立つバルブだけ開いたままにする。開いたままのバルブの開度を調節することは可能である。

上記の詳細な説明では、ガス発生器を形成しているスラスタ本体は、単一の固体推進剤ブロックを含む。変形例において、末端部１２の飛行のそれぞれ異なる期間に点火されるのに適している、複数の別個の推進剤ブロックが設けられていてもよい。各ブロックは、点火されたとき、全てのバルブにガスを供給する。

液体推進剤又はハイブリッド推進剤に基づくガス発生器を使用することも可能である。

様々なタイプの修正を行なうためのバルブの開放に関する構成例を以下で説明する。なお、多くの場合、各バルブセット２４及び２６における少なくとも１つのバルブが開かれ、様々なタイプの修正を行うためにバルブ資源が共有される。

（例１：軌道転換）
図６に示すように、軌道修正は、例えば、側面推力Ｆを加えることによって軌道が方向転換される例に必要とされる。この推力は、軸Ｂ１及びＢ２に平行な軸Ｂに沿う成分Ｆ₁と、軸Ｃ１及びＣ２に平行な軸Ｃに沿う成分Ｆ₂とに分解される。

図７は、制御装置２８の制御の下で開いたままのバルブを示す、強調した線図である。他のバルブは閉じられている。成分Ｆ₁は、各自が推力Ｆ₁／２を発生するように開度が調節されたバルブ２４ａ及び２６ａによって生成される。成分Ｆ₂は、各自が推力Ｆ₂／２を発生するように開度が調節されたバルブ２４ｂ及び２６ｂによって生成される。セット２４及び２６の他のバルブは閉じられている。

バルブ２４ａ及び２６ａは、それら２つのバルブからの推力によって生成されたトルクが釣り合うように、軸Ａの２つの向かい側に位置している。同様のことがバルブ２４ｂ及び２６ｂにもあてはまる。従って、軌道転換は、如何なる姿勢の乱れも引き起こさない。

（例２：ロール修正）
この例において、ロール修正は、修正されるべき回転の方向に応じて、バルブセットの１つにおいて、反対方向に推力を発生させる２つのバルブを同時に開くことによって引き起こされる。

図８は、回転方向ｆ₂に適用されるロール修正を行うために、スラスタ本体の前部のセット２６において開いているバルブ２６ａ及び２６ｃだけを示している。スラスタ本体の後部のセット２４のバルブは、閉じられていてもよいし、バルブ２６ａ及び２６ｃの効果を打ち消さないほど十分に小さい共通の開度に保たれていてもよい。どのような合成側面推力も生じさせないようにするために、バルブ２６ａ及び２６ｃは、同じ大きさの推力を発生させる。

変形例において、セット２６の４つのバルブ全てが開いていてもよい。

もちろん、回転方向ｆ₁に適用されるロール修正は、セット２４の２つ又は４つのバルブからの推力によって引き起こされる。

（例３：ヨー修正）
ヨー運動は、ここでは、軸Ｂ１及びＢ２に平行な軸の周りの変動を意味するものとして使用される。

ヨー修正は、各セット２４及び２６における１つのバルブを使用して、軸Ｂ１及びＢ２に垂直な側面推力Ｆ₃を発生させることによって得ることができる。

図９の例において、ヨー修正は、推力Ｆ₃を発揮するバルブ２６ｄと、推力Ｆ₃を同様に発揮するバルブ２４ｂとを開くことによって得られる。他のバルブは閉じられている。原理上、ロールは発生しないが、必要であれば、上記したように、任意のロールに対する補償がもたらされてもよい。

（例４：ピッチ修正）
ピッチ運動は、ここでは、軸Ｃ１及びＣ２に平行な軸の周りの変動として定義される。

従って、ピッチ修正は、各セット２４及び２６における１つのバルブによって、軸Ｃ１及びＣ２に垂直な側面推力を発生させることによって得ることができる。

図１０の例において、ピッチ修正は、推力Ｆ₄を発揮するバルブ２６ａと、推力Ｆ₄を同様に発揮するバルブ２４ｃとを開くことによって得られる。他のバルブは閉じられている。原理上、ロールは発生しないが、必要であれば、上記したように、任意のロールに対する補償が適用されうる。

上記の例において、直交軸Ｂ１及びＣ１又は直交軸Ｂ２及びＣ２に平行な方向に沿って作用し、かつ、全て軸Ａから同じ距離に位置する推力軸を有する、各セット２４及び２６における２つのバルブ対を使用することによって、様々な修正のための構成が説明される。もちろん、軸Ｂ１及びＣ１又は軸Ｂ２及びＣ２が互いに異なり、直交していない場合、及び／又は、バルブの推力軸が全て軸Ａから同じ距離にあるとは限らない場合にも、同じ修正を行うことができる。このことは、所望の合成側面推力を生成するために、バルブを適切に制御することによって可能である。

全ての状況の下で、軌道転換の必要性、又は、ロール、ヨー若しくはピッチの姿勢制御の必要性に対する応答が直ちに得られる。

Claims (10)

1. ビークルの飛行中の推力操舵及び姿勢制御のためのシステムであって、
   スラスタ本体と、
   複数のバルブであって、各バルブに個別に作用するように配置された制御装置によって前記スラスタ本体と連通させられることによって側面推力を発生することができる複数のバルブと、
   を備え、
   前記複数のバルブは、第１及び第２バルブセットに区分され、前記２つのセットは、前記ビークルの重心に関して実質的に対称となる形にて、前記スラスタ本体の前部及び後部に向かって互いに離れて距離をおいてそれぞれ配置されており、前記重心は、前記ビークルの縦軸上に位置しており、
   各バルブセットは、４つのバルブで構成されるとともに、第１軸に平行かつ一直線に並んでいない推力軸に沿った反対方向に側面推力を発生させるように配置された第１バルブ対と、第２軸に平行かつ一直線に並んでいない推力軸に沿った反対の推力方向に側面推力を発生させるように配置された第２バルブ対とを含み、
   前記第１及び第２軸は、異なる軸であり、前記ビークルの前記縦軸に対して垂直であり、
   前記第１バルブセットの前記バルブは、それらの推力が前記ビークルの前記縦軸の周りで、方向ｆ１に回転トルクを生じさせるように配置され、
   前記第２バルブセットの前記バルブは、それらの推力が前記ビークルの前記縦軸の周りで、前記方向ｆ１に対して反対の方向ｆ２に回転トルクを生じさせるように配置されている、システム。
2. 各バルブセットにおける前記第１及び第２軸は、互いに垂直である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数のバルブは、全て同一のものである、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 全ての前記バルブの前記推力軸は、前記ビークルの前記縦軸から同じ距離に位置している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記複数のバルブは、前記スラスタ本体の外部に位置している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記スラスタ本体は、固体推進剤を備えたガス発生器を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記スラスタ本体は、単一の推進剤ブロックを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記スラスタ本体は、液体推進剤又はハイブリッド推進剤を用いたガス発生器を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステムを備えた宇宙又は大気ビークル。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステムが取り付けられた末端部を有するミサイル。

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