JP6008713B2 - 軌道姿勢制御装置、軌道姿勢制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛翔体の軌道を制御する技術に関する。

大気中、あるいは宇宙空間を飛翔する飛翔体の軌道や姿勢を制御する技術が開発されている。典型的なＤＡＣＳ（Ｄｉｖｅｒｔ ａｎｄ Ａｔｔｕｔｕｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれるシステムでは、飛翔体の姿勢を制御する姿勢制御スラスタと、軌道を変更するための軌道制御スラスタとを用いて軌道と姿勢の制御が行われる。

特許文献１には、スラスト制御方法の一例が記載されている。その方法は、燃焼室の圧力を検知し、検知した圧力値を予め選ばれた圧力値と比較し、検知された圧力値と予め選ばれた圧力値との差に基づいて、燃焼室の圧力がその予め選ばれた圧力となるように複数のノズルの吐出面積を実質的に同じ量変更する。

米国特許５４５６４２５号明細書

スラスタが備える複数のノズルに対して、共通の燃焼室から燃焼ガスが供給される。各々のノズルは、指定された開度指令値に応じて制御される弁を備える。各々のノズルからその開度に応じた量の燃焼ガスが噴射されることにより、飛翔体の軌道姿勢が制御される。

所定のコースを実現するための開度指令値を入力した場合、実際には様々な攪乱要因により、そのコースからのズレが生じる場合がある。そうした攪乱要因として、機械的な誤差、弁などの熱膨張、燃料の不均一性などが挙げられる。攪乱要因に対してロバストな軌道姿勢制御技術が望まれる。また、安定した燃焼を維持するために、燃焼室の圧力が一定に保たれることが望まれる。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による軌道姿勢制御装置は、開度指令値（Ａ１_ｃ、Ａ２_ｃ、Ａ３_ｃ、Ａ４_ｃ）に応答して開度が制御され、燃焼室（６）から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズル（１５−１〜１５−４）を備える。複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズル（１５−１、１５−３）は第１軸（ｚ）に沿って互いに反対方向に燃焼ガスを噴射する。起動姿勢制御装置は更に、燃焼室内の圧力の検出値（Ｐ_ｃ）と圧力の指令値（Ｐ_ｃｏｍ）とに応答して複数のノズルの各々の開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値（ΔＡ１〜ΔＡ４）を算出して、ノズル開度補正値により開度指令値を補正する制御部（１７）と、第１軸方向の加速度である第１軸加速度（Ｇ_ｚ）を検出する第１軸加速度センサ（３１−ｚ）とを備える。第１群ノズル（１５−１、１５−３）の各々のノズル開度補正値（ΔＡ１、ΔＡ３）は、第１軸加速度（Ｇ_ｚ）に基づいて決定される。

本発明による軌道姿勢制御方法は、燃焼室（６）から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズル（１５−１〜１５−４）の各々の開度を開度指令値（Ａ１_ｃ、Ａ２_ｃ、Ａ３_ｃ、Ａ４_ｃ）に応答して制御するステップを備える。複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズル（１５−１、１５−３）は第１軸（ｚ）に沿って互いに反対方向に燃焼ガスを噴射する。軌道姿勢制御方法は更に、燃焼室内の圧力の検出値（Ｐ_ｃ）と圧力の指令値（Ｐ_ｃｏｍ）とに応答して複数のノズルの各々の開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値（ΔＡ１〜ΔＡ４）を算出して、ノズル開度補正値により開度指令値を補正する補正ステップと、第１軸方向の加速度である第１軸加速度（Ｇ_ｚ）を検出するステップとを備える。（１５−１、１５−３）の各々のノズル開度補正値（ΔＡ１、ΔＡ３）は、第１軸加速度（Ｇ_ｚ）に基づいて決定される。

本発明により、攪乱要因に対してロバストな軌道姿勢制御を可能とする軌道姿勢制御装置及び方法が提供される。また、燃焼室の圧力を一定に保つ軌道姿勢制御装置及び方法が提供される。

姿勢制御装置の断面図である。 ダイバートスラスタの断面図である。 ダイバートスラスタの開度配分を説明するための図である。 ダイバートスラスタの総開度指令値が変化した場合の各ピントル弁への開度配分を示す。 ダイバートスラスタの総開度指令値が変化した場合の各ピントル弁への開度配分を示す。 制御部の動作を説明するための図である。 ダイバートスラスタの総開度指令値が変化した場合の各ピントル弁への開度配分を示す。 制御部の動作を説明するための図である。 制御部の動作を説明するための図である。

［スラスタの構成］
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本実施の形態における姿勢制御装置の断面図である。この姿勢制御装置を搭載する飛翔体は、紙面に記載の座標軸のｘ軸方向に概ね軸対象な外形を有し、概ねｘ軸方向に推進する。図１のＡ−Ａ断面におけるダイバートスラスタ８の断面図を図２に示す。

姿勢制御装置の本体２の内部に、固体燃料４が配置される。飛翔体が飛翔するとき、固体燃料４が燃焼し、本体２の内部の燃焼室６が燃焼ガス６で充満する。燃焼室６の内部の圧力は燃焼圧力センサ７により検出される。燃焼ガスの比較的少ない一部は、姿勢制御スラスタ１０に供給される。姿勢制御スラスタ１０は、ｘ軸を中心とする円筒座標系の半径方向（図１のｘ軸上の点を起点としてｙｚ平面内の方向）を向く複数のノズルからなる。複数のノズルの各々はロータリ弁１２を備える。ロータリ弁１２の開度は電気信号により制御される。姿勢制御スラスタ１０に供給される燃焼ガスが、複数のノズルの各々からロータリ弁１２の開度に応じた量噴射することにより、飛翔体の姿勢が制御される。図１の右下に、ロータリ弁１２の開口部の形状１４と、ロータリ弁１２の弁体の角度とスロート面積の関係を示すグラフとを示す。

燃焼室６の燃焼ガス６の比較的多くは、ダイバートスラスタ８に供給される。ダイバートスラスタ８は、ｘ軸を中心とする円筒座標系の半径方向（図１のｘ軸上の点を起点としてｙｚ平面内の方向）を向く複数のノズル１５−１〜１５−４からなる。複数のノズル１５−１〜１５−４はそれぞれピントル弁１６−１〜１６−４を備える。

飛翔体の外部から無線通信によって、あるいは飛翔体が備える記憶装置に格納されたデータに基づいて、ピントル弁１６−１〜１６−４の各々に関する開度指令値が与えられる。制御部１７は、その開度指令値と燃焼圧力センサ７が検出した燃焼室６の圧力の検出値とに基づいて、アクチュエータ１８を制御する。アクチュエータ１８により、ピントル弁１６−１〜１６−４の開度が制御される。ダイバートスラスタ８に供給される燃焼ガスが、複数のノズル１５−１〜１５−４の各々からピントル弁１６−１〜１６−４の開度に応じた量噴射することにより、飛翔体の姿勢が制御される。図２の右下に、ピントル弁１６−１〜１６−４の開口部の形状と、ピントル弁１６−１〜１６−４の各々の弁体の位置とスロート面積の関係を示すグラフとを示す。

図３を参照して、本実施の形態の背景となるダイバートスラスタ８の開度配分方法について説明する。固体燃料４の燃焼が安定しているとき、生成される燃焼ガスの単位時間当たりの生成量は概ね一定である。従って、燃焼室６から外部に供給される燃焼ガスの流量は概ね一定に保たれることが望まれる。特に、噴射量の多いダイバートスラスタ８から噴射される燃焼ガスの流量は概ね一定に保たれることが望まれる。そのために、ダイバートスラスタ８が備えるピントル弁１６−１〜１６−４のスロート面積の合計が一定（この一定量を１００％とする）に保たれるように各ピントル弁の開度が制御される。こうした制御により燃焼室６の燃焼圧力が一定に保たれ、燃焼圧力の過渡的な変動が抑制される。

図３（ａ）〜（ｄ）には、４つのピントル弁１６−１〜１６−４とそれぞれのスロート面積のパーセンテージ、及びピントル弁１６−１〜１６−４からの噴射の合力が描かれている。図３（ａ）に示すようにピントル弁１６−１を１００％の開度に開き、ピントル弁１６−２〜１６−４を全閉とすると、図の上方向（ｚ軸負方向）に合力が働き、飛翔体の軌道はその合力の反対方向に変えられる。図３（ｂ）に示すようにピントル弁１６−１、１６−２をそれぞれ開度５０％とし、ピントル弁１６−３、１６−４をそれぞれ全閉とすると、合力は斜め右上に働き、飛翔体の軌道はその合力の反対方向に変えられる。ダイバートスラスタの噴射による合力を小さくしたい場合は、図３（ｃ）に示されるように、一方向のピントル弁とその反対方向のピントル弁とを同時に開ける。例えば図３（ｃ）では、ｚ軸正方向にピントル弁１６−３が１０％の開度で開けられ、ｚ軸負方向にピントル弁１６−４が６０％の開度で開けられる。その結果、ｚ軸負方向にスロート面積５０％の開度でピントル弁を開いたときの合力と同じ力が得られる。ダイバートスラスタ８による軌道変更を行わないときは、図３（ｄ）に示されるように、ピントル弁１６−１〜１６−４の内、互いに対向するもの同士が同じ弁開度に設定される。

［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御１］
ピントル弁１６−１〜１６−４を一定の総開度指令値で制御した場合、ダイバートスラスタ８の機械的な誤差、弁などの熱膨張、燃料の不均一性などの攪乱要因により、燃焼室６の燃焼圧力は必ずしも一定とならない。そのため、燃焼室６の圧力が一定となるように、燃焼圧力センサ７の検出値を用いて、ダイバートスラスタ８の総弁開度のフィードバック制御が行われる。

図４は、燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも小さくなって、ダイバートスラスタ８の総開度を小さくする制御が行われる場合の制御の一例を示す。総開度を小さくすることにより、噴射される燃焼ガスの量が減少し、燃焼室６の圧力が大きくなる。

図４（ａ）は、ダイバートスラスタ８の総開度指令値が１００％であり、それがピントル弁１６−１に７０％、ピントル弁１６−２〜１６−４にそれぞれ１０％分配されている場合を示す。この状態で燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも小さくなり、総開度指令値に−１０％の総補正値が加えられて９０％に変更されたとする。この例においては、総補正値が全てのピントル弁１６−１〜１６−４に均等に分配される。図４（ｂ）に示すように、−１０％の総補正値を全てのピントル弁１６−１〜１６−４に均等に割り当てることにより、合力の向きは同じに保ちながら、燃焼室６の圧力を上げることが可能である。

逆に、燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも大きくなって、ダイバートスラスタ８の総開度を大きくする制御が行われる場合は、正の総補正値を加えることにより（総開度を大きくすることにより）、噴射される燃焼ガスの量が増加し、燃焼室６の圧力が小さくなる。この場合は、ピントル弁開度の補正値（図４（ｂ）の−２．５％）の符号を逆にすることで、燃焼室の圧力を一定に保つ制御が可能である。

［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御２］
図５は、燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも小さくなって、ダイバートスラスタ８の総開度を小さくする制御が行われる場合の制御の他の例を示す。図５（ａ）は、ダイバートスラスタ８の総開度指令値が１００％であり、それがピントル弁１６−１に７０％、ピントル弁１６−２〜１６−４にそれぞれ１０％分配されている場合を示す。この状態で燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも小さくなり、総開度指令値が９０％に変更された場合が図５（ｂ）に示されている。

この例では、開度指令値の総補正値が、それぞれのピントル弁１６−１〜１６−４の補正前の開度指令値に比例するように分配される。図５（ａ）の例では、ピントル弁１６−１〜１６−４の開度指令値は７０：１０：１０：１０である。従って総補正値が−１０％であるとすると、図５（ｂ）に示されるように、各ピントル弁１６−１〜１６−４に−７％：−１％：−１％：−１％の割合で補正値が分配される。

こうした制御は、以下のような効果を有する。制御の攪乱要因として、熱膨張によるダイバートスラスタ８の噴射量の変動が寄与していると考えられる。熱膨張の影響を近似的に、ピントル弁１６の付近の部材が均一に膨張することによると考えたとする。すると、ピントル弁１６の開度が大きいほど熱膨張によるスロート面積の増大量が大きく、従って熱膨張による噴射量の増加量が大きい。

この噴射量の増加を適切に抑制するためには、開度指令値の総補正値を、開度が大きいピントル弁により多く分配することが適切であると考えられる。図５（ｂ）の例では、総補正値を各ピントル弁の開度指令値に比例して分配することにより、より大きく熱膨張している弁の開度がより多く補正されるという望ましい制御が実現される。

図６は、上記の制御を実現するための制御部１７の構成を示す。制御部１７に、無線通信により、又は記憶部に格納されたデータに基づいて、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃが入力する。これらの値は、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令の補正値ΔＡ１〜ΔＡ４で補正される。制御部１７は、補正された開度指令をピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれのアクチュエータ１８−１〜１８−４に出力する。アクチュエータ１８−１〜１８−４が駆動し、ピントル弁１６−１〜１６−４の開口面積がそれぞれＡ１〜Ａ４に設定され、総開口面積Ａ_ｔが決まる。各々のノズル１５−１〜１５−４からの噴射により、以下の推力が得られる。
Ｆ１＝Ｐ_ｃ・Ａ１・Ｃｆ
Ｆ２＝Ｐ_ｃ・Ａ２・Ｃｆ
Ｆ３＝Ｐ_ｃ・Ａ３・Ｃｆ
Ｆ４＝Ｐ_ｃ・Ａ４・Ｃｆ
Ｐ_ｃは燃焼室６の圧力、Ｃｆは推力係数である。Ｆ１とＦ３の差によりｚ軸方向の推力Ｆｚが決定される。Ｆ２とＦ４の差によりｙ軸方向の推力Ｆｙが決定される。

燃焼室６の圧力Ｐ_ｃは燃焼圧力センサ７により検出される。制御部１７が備える計算機は、記憶部に格納されたデータに基づいて与えられる検出された圧力Ｐ_ｃと燃焼圧力目標値Ｐ_ｃｏｍとの偏差ΔＰ_ｃに基づいて、典型的にはＰＩＤ制御によるフィードバック制御を行うために、総開口面積Ａ_ｔについての補正量である総補正値ΔＡ_ｔを算出する。

制御部１７の計算機は、総補正値ΔＡ_ｔを、各ピントル弁１６−１〜１６−４の補正値ΔＡ１〜ΔＡ４に分配する。この分配は、以下の式によって行われる。
ΔＡ１＝ΔＡ_ｔ×ｆ（Ａ１_ｃ）／｛ｆ（Ａ１_ｃ）＋ｆ（Ａ２_ｃ）＋ｆ（Ａ３_ｃ）＋ｆ（Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ２＝ΔＡ_ｔ×ｆ（Ａ２_ｃ）／｛ｆ（Ａ１_ｃ）＋ｆ（Ａ２_ｃ）＋ｆ（Ａ３_ｃ）＋ｆ（Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ３＝ΔＡ_ｔ×ｆ（Ａ３_ｃ）／｛ｆ（Ａ１_ｃ）＋ｆ（Ａ２_ｃ）＋ｆ（Ａ３_ｃ）＋ｆ（Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ４＝ΔＡ_ｔ×ｆ（Ａ４_ｃ）／｛ｆ（Ａ１_ｃ）＋ｆ（Ａ２_ｃ）＋ｆ（Ａ３_ｃ）＋ｆ（Ａ４_ｃ）｝
ｆ（開度指令）は、図６の下部に描かれているような開度指令の単調増加関数である。特にｆ（開度指令）が比例関数の場合、図５で説明した制御となる。これらの補正値がピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃの補正値として用いられることにより、開度がより大きい弁に対してより大きい補正量を与えて燃焼室６の圧力を一定に保つ制御が実現される。

［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御３］
図７は、燃焼室６の圧力の検出値が設定値からずれて、ダイバートスラスタ８の総開度を変化させる制御が行われる場合の制御の更に他の例を示す。図７（ａ）は、ダイバートスラスタ８の総開度指令値が１００％であり、それがピントル弁１６−１に７０％、ピントル弁１６−２〜１６−４にそれぞれ１０％分配されている場合を示す。この状態で燃焼室６の圧力の検出値が設定値よりも大きくなり、総開度指令値が１１０％に変更された場合が図７（ｂ）に示されている。

この例では、互いに反対方向を向くノズルをノズル群とする。例えば、互いに反対方向を向くノズル１６−１とノズル１６−３とを第１群ノズルとし、互いに反対方向を向くノズル１６−２とノズル１６−４とを第２群ノズルとする。同じノズル群に属するノズルに対しては同じ割合の開度補正値が分配される。

図７（ａ）において、第１群ノズルの開度指令値の合計値Ｔ１は７０＋１０＝８０％であり、第２群ノズルの開度指令値の合計値Ｔ２は１０＋１０＝２０％である。この場合、総補正値１０％は、第１群ノズルに対してＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）、第２群ノズルに対してＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）の割合で分配される。従って、図７（ａ）の例では、総補正値が第１群ノズルに対して２％、第２群ノズルに対して８％分配される。第１群のノズル１６−１、１６−３に均等に補正値が分配され、第２群のノズル１６−２、１６−４に均等に補正値が分配されることにより、図７（ｂ）に示す補正値が得られる。

このような制御によれば、燃焼圧力が設定値よりも大きくなったとき、軌道を変更しないように燃焼ガスの総補正値が反対方向に対して均等に分配される。更に、総補正値は、より開度指令値が小さいノズル群に対して大きく分配される。そのため補正後のピントル弁１６−１〜１６−４の開度は、補正前に比べて互いにより均等に近づく。ダイバートスラスタ８が備える複数のノズル１５−１〜１５−４は、いずれかのノズルに偏って使用されるよりも、より均等に近く使用される方が望ましい。図７に示した制御により、こうした均等に近い制御が達成される。

図８は、上記の制御を実現するための制御部１７の構成を示す。制御部１７に、無線通信により、又は記憶部に格納されたデータに基づいて、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃが入力する。これらの値は、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令の補正値ΔＡ１〜ΔＡ４で補正される。制御部１７は、補正された開度指令をピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれのアクチュエータ１８−１〜１８−４に出力する。アクチュエータ１８−１〜１８−４が駆動し、ピントル弁１６−１〜１６−４の開口面積がそれぞれＡ１〜Ａ４に設定され、総開口面積Ａ_ｔが決まる。各々のノズル１５−１〜１５−４からの噴射により、以下の推力が得られる。
Ｆ１＝Ｐ_ｃ・Ａ１・Ｃｆ
Ｆ２＝Ｐ_ｃ・Ａ２・Ｃｆ
Ｆ３＝Ｐ_ｃ・Ａ３・Ｃｆ
Ｆ４＝Ｐ_ｃ・Ａ４・Ｃｆ
Ｐ_ｃは燃焼室６の圧力、Ｃｆは推力係数である。Ｆ１とＦ３の差によりｚ軸方向の推力が決定される。Ｆ２とＦ４の差によりｙ軸方向の推力が決定される。

燃焼室６の圧力Ｐ_ｃは燃焼圧力センサ７により検出される。制御部１７が備える計算機は、記憶部に格納されたデータに基づいて与えられる検出された圧力Ｐ_ｃと燃焼圧力目標値Ｐ_ｃｏｍとの偏差ΔＰ_ｃに基づいて、典型的にはＰＩＤ制御によるフィードバック制御を行うために、総開口面積Ａ_ｔについての補正量である総補正値ΔＡ_ｔを算出する。

制御部１７の計算機は、総補正値ΔＡ_ｔを、各ピントル弁１６−１〜１６−４の補正値ΔＡ１〜ΔＡ４に分配する。この分配は、以下の式によって行われる。
ΔＡ１＝ΔＡ_ｔ×（Ａ２_ｃ＋Ａ４_ｃ）／｛２×（Ａ１_ｃ＋Ａ２_ｃ＋Ａ３_ｃ＋Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ２＝ΔＡ_ｔ×（Ａ１_ｃ＋Ａ３_ｃ）／｛２×（Ａ１_ｃ＋Ａ２_ｃ＋Ａ３_ｃ＋Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ３＝ΔＡ_ｔ×（Ａ２_ｃ＋Ａ４_ｃ）／｛２×（Ａ１_ｃ＋Ａ２_ｃ＋Ａ３_ｃ＋Ａ４_ｃ）｝
ΔＡ４＝ΔＡ_ｔ×（Ａ１_ｃ＋Ａ３_ｃ）／｛２×（Ａ１_ｃ＋Ａ２_ｃ＋Ａ３_ｃ＋Ａ４_ｃ）｝
これらの補正値がピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃの補正値として用いられることにより、総開度補正値を開度指令値がより小さいノズル群により多く分配して燃焼室６の圧力を一定に保つ制御が実現される。

［加速度の測定値により開度を補正する制御］
以上、燃焼室の圧力変化に応じたダイバートスラスタの制御の例について説明した。一方、飛翔体が指令に従った軌道を正確に飛翔するためには、飛翔体の加速度の測定値を用いたフィードバック制御が行われることが望まれる。図９は、そうした制御の例を示す。

圧力の検出値Ｐ_ｃの変動に関しては、既述の［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御１］と同様の制御が行われる。この制御は、図９の下部のΔＡ１〜ΔＡ４の式の各々の第１項ΔＡ_ｔ／４に表されている。圧力の検出値の変動に関しては、この第１項を変えることにより、［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御２］または［圧力変化に応答するために総開度指令値が変更される場合の制御３］で説明した制御方法を採用することができる。

次に、加速度センサを用いたダイバートスラスタ８の制御について説明する。軌道姿勢制御装置は、加速度センサ部を備える。加速度センサ部は、図１、図２に示される座標軸のｙ軸方向の加速度を測定するｙ軸加速度センサと、ｚ軸方向の加速度を測定するｚ軸加速度センサとを含む。

制御部１７に、無線通信により、又は記憶部に格納されたデータに基づいて、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃが入力する。これらの値は、ピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれに対する開度指令の補正値ΔＡ１〜ΔＡ４で補正される。制御部１７は、補正された開度指令をピントル弁１６−１〜１６−４のそれぞれのアクチュエータ１８−１〜１８−４に出力する。アクチュエータ１８−１〜１８−４が駆動し、ピントル弁１６−１〜１６−４の開口面積がそれぞれＡ１〜Ａ４に設定され、総開口面積Ａ_ｔが決まる。各々のノズル１５−１〜１５−４からの噴射により、以下の推力が得られる。
Ｆ１＝Ｐ_ｃ・Ａ１・Ｃｆ
Ｆ２＝Ｐ_ｃ・Ａ２・Ｃｆ
Ｆ３＝Ｐ_ｃ・Ａ３・Ｃｆ
Ｆ４＝Ｐ_ｃ・Ａ４・Ｃｆ
Ｐ_ｃは燃焼室６の圧力、Ｃｆは推力係数である。Ｆ１とＦ３の差によりｚ軸方向の推力Ｆ_ｚが決定される。Ｆ２とＦ４の差によりｙ軸方向の推力Ｆ_ｙが決定される。推力Ｆ_ｙ、Ｆ_ｚにより、飛翔体にｙ軸加速度、ｚ軸加速度が発生する。

ｙ軸加速度センサ、ｚ軸加速度センサは、ｙ軸加速度Ｇ_ｙ、ｚ軸加速度Ｇ_ｚをそれぞれ検出する。制御部１７が備えるオブザーバ３２は、これらの加速度に基づいてダイバートスラスタの開度指令値を補正する。オブザーバ３２の記憶装置は、飛翔体の慣性モデルを記憶する。オブザーバ３２は、この慣性モデルと、入力したｙ軸加速度Ｇ_ｙとｚ軸加速度Ｇ_ｚにより、ｙ軸方向の推力Ｆ_ｙｅと、ｚ軸方向の推力Ｆ_ｚｅとの推定値を算出する。

オブザーバ３２は、ピントル弁開度指令Ａ１_ｃ〜Ａ４_ｃを、予め記憶した計算式又はテーブルにより、ｙ軸方向の推力の指令値とｚ軸方向の推力の指令値に変換する。オブザーバ３２は更に、この推力の指令値と推力の推定値Ｆ_ｙｅ、Ｆ_ｚｅとの偏差ΔＦ_ｙ、ΔＦ_ｚを算出する。偏差ΔＦ_ｚが小さくなるように、第１群のピントル弁１６−１、１６−３の相対的な開度の差の補正値ΔＡ_ｚが計算される。偏差ΔＦ_ｙが小さくなるように、第２群のピントル弁１６−２、１６−４の相対的な開度の差の補正値ΔＡ_ｙが計算される。

対向するピントル弁の群毎に算出された相対的な開度の差の補正値ΔＡ_ｙ、ΔＡ_ｚと、燃焼室６の圧力を一定に保つための総補正値ΔＡ_ｔとを用いて、例えば以下の式により、各ピントル弁の開度補正値ΔＡ１〜ΔＡ４が決定される。
ΔＡ１＝ΔＡ_ｔ／４＋ΔＡ_ｚ／２
ΔＡ２＝ΔＡ_ｔ／４＋ΔＡ_ｙ／２
ΔＡ３＝ΔＡ_ｔ／４−ΔＡ_ｚ／２
ΔＡ４＝ΔＡ_ｔ／４−ΔＡ_ｙ／２
この例では、ΔＡ_ｙ、ΔＡ_ｚは、それぞれ対向するピントル弁に対して均等に分配される。ΔＡ_ｔは全てのピントル弁に均等に分配される。ΔＡ_ｔに関しては、図６又は図８と同様の補正を採用してもよい。

ダイバートスラスタの噴射方向についての加速度の検出値のフィードバック制御が行われることにより、飛翔体の軌道を正確に制御できる。更に、燃焼圧力を安定化する制御が可能である。

２ 本体
４ 固体燃料
６ 燃焼室
７ 圧力検出器
８ ダイバートスラスタ
１０ 姿勢制御スラスタ
１２ ロータリ弁
１４ スロート形状
１５ ノズル
１６ ピントル弁
１７ 制御部
１８ アクチュエータ
２０ カムシャフト
２２ 弁体
２４ スロート形状
３０ 計算機
３２ オブザーバ

Claims (12)

1. 開度指令値に応答して開度が制御され、燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルであって、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射し、前記複数のノズルのうちの第２群に属する第２群ノズルは第２軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するように構成された、前記複数のノズルと、
   前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する制御部と、
   前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出する第１軸加速度センサと、
   前記第２軸方向の加速度である第２軸加速度を検出する第２軸加速度センサと、
   前記第１群ノズルと前記第２群ノズルとによって軌道が制御される対象の慣性モデルを記憶する記憶部と
   を具備し、
   前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
   前記第２群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第２軸加速度に基づいて決定され、
   前記制御部は、
   前記慣性モデルと前記第１軸加速度と前記第２軸加速度とに基づいて、前記第１軸方向の推力を第１軸推力推定値として算出し且つ前記第２軸方向の推力を第２軸推力推定値として算出し、
   前記第１群ノズルの前記開度指令値を第１軸推力指令値に変換し、
   前記第２群ノズルの前記開度指令値を第２軸推力指令値に変換し、
   前記第１軸推力推定値と前記第１軸推力指令値の偏差に基づいて算出された第１軸推力偏差分ノズル開度補正値に基づいて前記第１群ノズルの前記ノズル開度補正値を算出し、
   前記第２軸推力推定値と前記第２軸推力指令値の偏差に基づいて算出された第２軸推力偏差分ノズル開度補正値に基づいて前記第２群ノズルの前記ノズル開度補正値を算出する
   軌道姿勢制御装置。
2. 請求項１に記載された軌道姿勢制御装置であって、
   前記第１群に属し互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射する前記第１群ノズルの前記第１軸推力偏差分ノズル開度補正値の合計はゼロである
   軌道姿勢制御装置。
3. 請求項２に記載された軌道姿勢制御装置であって、
   前記制御部は、前記第１軸推力偏差分ノズル開度補正値を、前記互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射する前記第１群ノズルに絶対値が同じで符号が反対となるように分配する
   軌道姿勢制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された軌道姿勢制御装置であって、
   前記制御部は、前記圧力の検出値が前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出し、前記総補正値を、前記複数のノズルの各々の前記ノズル開度補正値に均等に分配する
   軌道姿勢制御装置。
5. 開度指令値に応答して開度が制御され、燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルであって、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するように構成された、前記複数のノズルと、
   前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する制御部と、
   前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出する第１軸加速度センサと
   を具備し、
   前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
   前記制御部は、前記圧力の検出値と前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出し、前記総補正値を、前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に比例するように、前記複数のノズルの各々の前記ノズル開度補正値に分配する
   軌道姿勢制御装置。
6. 開度指令値に応答して開度が制御され、燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルであって、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射し、前記複数のノズルのうちの第２群に属する第２群ノズルは第２軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するように構成された、前記複数のノズルと、
   前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する制御部と、
   前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出する第１軸加速度センサと、
   前記第２軸方向の加速度である第２軸加速度を検出する第２軸加速度センサと
   を具備し、
   前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
   前記第２群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第２軸加速度に基づいて決定され、
   前記制御部は、
   前記圧力の検出値と前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出し、
   前記第１群ノズルの前記開度指令値の合計値である第１群開度合計値Ｔ１と、前記第２群ノズルの前記開度指令値の合計値である第２群開度合計値Ｔ２とを算出し、
   前記総補正値を、第１群開度補正値に対してＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）、第２群開度補正値に対してＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）の割合で分配し、
   前記第１群ノズルの前記ノズル開度補正値を、その合計値が前記第１群開度補正値となるように算出し、前記第２群ノズルの前記ノズル開度補正値を、その合計値が前記第２群開度補正値となるように算出する
   軌道姿勢制御装置。
7. 燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルの各々の開度を開度指令値に応答して制御する制御ステップであって、ここで、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するノズルであり、前記複数のノズルのうちの第２群に属する第２群ノズルは第２軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するノズルである、前記制御ステップと、
   前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する補正ステップと、
   前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出するステップと、
   前記第２軸方向の加速度である第２軸加速度を検出するステップと
   を具備し、
   前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
   前記第２群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第２軸加速度に基づいて決定され、
   前記補正ステップは、
   前記第１群ノズルと前記第２群ノズルとによって軌道が制御される対象の慣性モデルと前記第１軸加速度と前記第２軸加速度とに基づいて、前記第１軸方向の推力を第１軸推力推定値として算出し且つ前記第２軸方向の推力を第２軸推力推定値として算出するステップと、
   前記第１群ノズルの前記開度指令値を第１軸推力指令値に変換するステップと、
   前記第２群ノズルの前記開度指令値を第２軸推力指令値に変換するステップと、
   前記第１軸推力推定値と前記第１軸推力指令値の偏差に基づいて算出された第１軸推力偏差分ノズル開度補正値に基づいて前記第１群ノズルの前記ノズル開度補正値を算出するステップと、
   前記第２軸推力推定値と前記第２軸推力指令値の偏差に基づいて算出された第２軸推力偏差分ノズル開度補正値に基づいて前記第２群ノズルの前記ノズル開度補正値を算出するステップとを備える
   軌道姿勢制御方法。
8. 請求項７に記載された軌道姿勢制御方法であって、
   前記第１群に属し互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射する前記第１群ノズルの前記第１軸推力偏差分ノズル開度補正値の合計はゼロである
   軌道姿勢制御方法。
9. 請求項８に記載された軌道姿勢制御方法であって、
   前記補正ステップにおいて、前記第１軸推力偏差分ノズル開度補正値は、前記互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射する前記第１群ノズルに絶対値が同じで符号が反対となるように分配される
   軌道姿勢制御方法。
10. 請求項７から９のいずれか１項に記載された軌道姿勢制御方法であって、
    前記補正ステップは、
    前記圧力の検出値が前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出するステップと、
    前記総補正値を、前記複数のノズルの各々の前記ノズル開度補正値に均等に分配するステップとを備える
    軌道姿勢制御方法。
11. 燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルの各々の開度を開度指令値に応答して制御する制御ステップであって、ここで、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するノズルである、前記制御ステップと、
    前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する補正ステップと、
    前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出するステップと
    を具備し、
    前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
    前記補正ステップは、
    前記圧力の検出値と前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出するステップと、
    前記総補正値を、前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に比例するように、前記複数のノズルの各々の前記ノズル開度補正値に分配するステップとを備える
    軌道姿勢制御方法。
12. 燃焼室から供給される燃焼ガスを噴射する複数のノズルの各々の開度を開度指令値に応答して制御する制御ステップであって、ここで、前記複数のノズルのうちの第１群に属する第１群ノズルは第１軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するノズルであり、前記複数のノズルのうちの第２群に属する第２群ノズルは第２軸に沿って互いに反対方向に前記燃焼ガスを噴射するノズルである、前記制御ステップと、
    前記燃焼室内の圧力の検出値と前記圧力の指令値とに応答して前記複数のノズルの各々の前記開度指令値に対する補正値であるノズル開度補正値を算出して、前記ノズル開度補正値により前記開度指令値を補正する補正ステップと、
    前記第１軸方向の加速度である第１軸加速度を検出するステップと、
    前記第２軸方向の加速度である第２軸加速度を検出するステップと
    を具備し、
    前記第１群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第１軸加速度に基づいて決定され、
    前記第２群ノズルの各々の前記ノズル開度補正値は、前記第２軸加速度に基づいて決定され、
    前記補正ステップは、
    前記圧力の検出値と前記圧力の指令値との偏差が小さくなるように前記複数のノズルの前記開度指令値の合計値の補正値である総補正値を算出するステップと、
    前記第１群ノズルの前記開度指令値の合計値である第１群開度合計値Ｔ１と、前記第２群ノズルの前記開度指令値の合計値である第２群開度合計値Ｔ２とを算出するステップと、
    前記総補正値を、第１群開度補正値に対してＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）、第２群開度補正値に対してＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）の割合で分配するステップと、
    前記第１群ノズルの前記ノズル開度補正値を、その合計値が前記第１群開度補正値となるように算出し、前記第２群ノズルの前記ノズル開度補正値を、その合計値が前記第２群開度補正値となるように算出するステップとを備える
    軌道姿勢制御方法。

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