JP6981894B2 - スラスタ制御装置及びスラスタ制御方法 - Google Patents

Description

スラスタ制御装置及びスラスタ制御方法に関するものである。

大気中または宇宙空間を飛行する飛しょう体の軌道、姿勢などを制御するために、サイドスラスタを用いた技術が用いられている。

特許文献１には、燃焼室内の圧力を制御するために、複数のサイドスラスタの各々に設けられたピントル弁を、各々のサイドスラスタの位置に基づき、制御することが記載されている。また、機体の加速度センサを用いて検知した加速度に基づき、制御することが記載されている。

特許文献２には、油圧シャベルなどの建設機器に用いられるスプール弁おいて、弁体を移動させるために用いた電流値を検出し、油圧を計測する技術が開示されている。計測した油圧に基づき、スプール弁を開いた際に注入する油の量を決定する。

特開２０１４−１０４８９４号公報 特開２００１−１８２７１９号公報

スラスタの駆動時には、スラスタに設けられた弁は高温になり変形する。スラスタの推進力等を精度よく制御するには、各弁の開度を把握する必要がある。しかし、弁の変形により、スラスタの駆動中に開度を把握するのは難しい。そこで、この変形を考慮して開度を設定するため、熱による変形の影響を事前に燃焼試験で取得し、すべての弁に共通に補正を行う方法が行われている。しかし、実際の飛しょう体の軌道、姿勢などを制御する場合と燃焼試験とでは、燃焼時間、環境などが異なるため、開度に誤差が生じる。

以上のような状況を鑑み、本発明は、スラスタの駆動中において、精度よくスラスタの推進力を制御することを目的の１つとする。他の目的については、以下の記載及び実施の形態の説明から理解することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係るスラスタ制御装置は、開度推定部（６１）と、開度制御部（６２）とを備える。開度推定部（６１）は、スラスタ（１）から噴出される燃焼ガスの量を調整する弁（３１）に設けられた弁体（３２）に加える作用力と、噴出される燃焼ガスから弁体（３２）に加えられる流体力（４１）とのバランスに基づき、弁（３１）が開かれている割合を示す弁（３１）の推定開度を推定する。開度制御部（６２）は、推定開度に基づき、弁（３１）の開度を制御するための制御開度を決定する。

前述の開度推定部（６１）は、弁体（３２）の加速度と、作用力とに基づき、流体力（４１）を算出してもよい。この場合、流体力（４１）に基づき、推定開度を算出する。

前述の開度推定部（６１）は、噴出される燃焼ガスから弁体（３２）に加えられる流体力（４１）に対する弁（３１）の開度を示す開度データを保持してもよい。この場合、前述の開度推定部（６１）は、加速度に基づき、弁（３１）に加速度を与えることのできる加速力を算出する。また、加速力を、作用力から減算することで、流体力（４１）を算出する。前述の開度推定部（６１）は、開度データに基づき、流体力（４１）から推定開度を推定する。

前述のスラスタ制御装置は、弁体制御部（１００）をさらに備えてもよい。この弁体制御部（１００）は、駆動部（５５）と検知部（５１）とを備えてもよい。駆動部（５５）は、弁体（３２）に作用力を加えて、弁（３１）の開閉を制御してもよい。検知部（５１）は、弁体（３２）の速度を検知してもよい。この場合、開度推定部（６１）は、速度に基づき、加速度を算出する。また、駆動部（５５）は、制御開度に基づき、弁（３１）の開閉を制御する。

前述のスラスタ制御装置は、前述の弁体制御部（１００）を複数備えてもよい。開度推定部（６１）は、各々の弁体制御部（１００）に対して推定開度を推定してもよい。開度制御部（６２）は、各々の弁体制御部（１００）に対して制御開度を決定してもよい。

前述のスラスタ制御装置は、燃焼室（１２）と、圧力検知部（１３）とを備えてもよい。燃焼室（１２）は、スラスタから噴出される燃焼ガスを内部に備えてもよい。圧力検知部（１３）は、燃焼室（１２）の内部の圧力値を検知してもよい。また、開度制御部（６２）は、圧力値と、各々の弁体制御部（１００）に対する推定開度とに基づき、各々の弁体制御部（１００）に対する制御開度を決定してもよい。

前述の開度制御部（６２）は、各々の弁体制御部（１００）の駆動部（５５）の作用力により設定された弁（３１）の設定開度を保持してもよい。また、圧力値から、設定されている圧力値を減算し、圧力補正値を算出してもよい。さらに、各々の弁体制御部（１００）に対して、推定開度から設定開度を減算して得られる、各々の弁体制御部（１００）に対する補正開度を算出してもよい。また、開度制御部（６２）は、圧力補正値と、補正開度の総和に対する各々の補正開度の割合とに基づき、各々の弁体制御部（１００）に対する制御開度を決定してもよい。

前述の開度制御部（６２）は、圧力補正値と補正開度の総和に対する各々の補正開度の割合との積と、弁（３１）を開くべき割合を示す目標開度とに基づき、制御開度を算出してもよい。

前述の駆動部（５５）は、電流を流して作用力を発生させるモータを備えてもよい。開度推定部（６１）は、電流の値に基づき、作用力を算出してもよい。

前述の推定開度は、推定される弁体（３２）の位置により規定してもよい。また、制御開度は、弁体（３２）を移動すべき位置により規定してもよい。

本発明の第２の態様に係るスラスタの制御方法は、スラスタから噴出される燃焼ガスの量を調整する弁（３１）に設けられた弁体（３２）に加える作用力と、噴出される燃焼ガスから弁体（３２）に加えられる流体力（４１）とのバランスに基づき、弁（３１）が開かれている割合を示す弁（３１）の推定開度を推定するステップと、推定開度に基づき、弁（３１）の開度を制御するための制御開度を決定するステップと、を含む。

本発明によれば、スラスタの推進力の制御を精度よく行うことができる。

実施の形態に係るスラスタ制御装置を含むスラスタの模式図である。 ガスジェネレータを省略した図１のＡ−Ａ断面図である。 図２の弁の拡大図である。 図２の弁体に加えられる流体力と、弁体と弁座との距離との関係を示すグラフである。 図１の制御部の機能を説明するための図である。 図１の制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。 実施の形態に係るスラスタ制御装置の処理に関するフロー図である。 図７の処理を説明するために例示した各弁に設定した開度を示す図である。 図７の処理を説明するために例示した推定した各弁の開度を示す図である。 図７の処理を説明するために例示した弁ごとに算出した開度の補正値を示す図である。 図７の処理を説明するために例示した燃焼室の圧力により修正した各弁の開度の補正値を示す図である。 図７の処理を説明するために例示した各弁に設定すべき開度を示す図である。 燃焼室の圧力について、実施の形態の性能評価に関する結果を示すグラフである。 ノズルの推力について、実施の形態の性能評価に関する結果を示すグラフである。 ノズルの推力について、実施の形態の性能評価に関する結果を示すグラフである。 図１の弁の変形例の模式図である。 流体力と開度との関係を示す推定データを説明するための図である。

（実施の形態）
実施の形態に係るスラスタ１は、図１、２に示すように、ガスジェネレータ１０と、複数のノズル３０−１、３０−２、３０−３、・・・と、制御部６０とを備える。複数のノズル３０−１、３０−２、３０−３、・・・を総称して、ノズル３０と呼ぶ。ガスジェネレータ１０には、燃焼ガスが満たされ、ノズル３０に供給される。ノズル３０に供給される燃焼ガスの量を制御部６０が制御する。この結果、飛しょう体の軌道、姿勢などが制御される。

ガスジェネレータ１０の内部には、燃焼室１２が設けられ、固体燃料１１が配置されている。飛しょう体の軌道、姿勢などを制御するとき、固体燃料１１を燃焼させ、発生する燃焼ガスをノズル３０に供給する。具体的には、固体燃料１１が燃焼すると、燃焼ガスが発生する。このため、燃焼室１２は燃焼ガスで満たされる。燃焼ガスは、燃焼室１２の壁面１２ｂに設けられた通気口から排出され、ノズル３０に供給される。

また、ガスジェネレータ１０の内部には、圧力検知部１３が設けられ、燃焼室１２の内部の圧力値を検知する。検知した圧力値は、制御部６０に通知され、ノズル３０から噴射される燃焼ガスの量の制御に用いられる。

燃焼室１２は、ノズル３０に燃焼ガスを供給するための通気口を備える壁面１２ｂと、壁面１２ｂに対抗して設けられた壁面１２ａとを備える。燃焼室１２は、例えば、壁面１２ａを底面とする柱状の空間である。

固体燃料１１は、燃焼室１２の内部に配置され、燃焼室１２の壁面１２ａに接触している。また、固体燃料１１と燃焼室１２の壁面１２ｂとの間に空間が設けられている。飛しょう体の軌道、姿勢などを制御するときに、固体燃料１１は、ノズル３０側の端面に着火される。つまり、固体燃料１１の燃焼面は、ノズル３０側の端面から壁面１２ａの方向に進む。

圧力検知部１３は、燃焼室１２の内部に、ノズル３０側の壁面１２ｂに設けられている。このため、固体燃料１１の燃焼面の位置によらず、燃焼室１２の内部の圧力値を検知することができる。

各々のノズル３０は、図２に示すように、弁３１と、弁体制御部１００とを備える。燃焼室１２から供給される燃焼ガスは、弁３１に供給される。弁体制御部１００は弁３１の開閉を制御する。弁３１を開閉することで、ノズル３０から噴射される燃焼ガスの量を制御する。

弁体制御部１００は、駆動部５５と、検知部５１とを備える。駆動部５５は、弁３１の弁体３２の位置を移動させることで、弁３１の開閉を制御する。検知部５１は、弁体３２の速度を検知する。

駆動部５５は、アクチュエータ５３と、カムシャフト５２とを備える。アクチュエータ５３は、カムシャフト５２に接続され、制御部６０からの制御信号３０５に応じて、カムシャフト５２の回転を制御する。カムシャフト５２を回転させることで、弁体３２の位置がその長手方向（図２に記載の移動方向）に移動し、弁３１が開閉する。弁３１が開くことで、燃焼室１２から供給される燃焼ガスが、ノズル３０から噴射される。

アクチュエータ５３は、モータを備える。モータに電流を流すことで、カムシャフト５２を回転するための駆動力４２を発生させる。この駆動力４２により、弁体３２が移動する。

弁３１は、ノズル３０の噴出孔に設けられ、ノズル３０から噴出される燃料ガスの量を調整する。弁３１は、例えば、ピントル弁である。図３に示すように、弁３１は、弁座３３と、弁座３３に対して移動可能に設けられた弁体３２とを備える。弁体３２が弁座３３に当接すると、弁３１は閉じられ、燃焼ガスはノズル３０から噴射されない。弁体３２が弁座３３から離れると、弁３１は開かれ、燃焼ガスはノズル３０から噴射される。弁座３３から弁体３２の端部までの距離Ｌが大きくなるほど、噴射される燃焼ガスの量が増加する。つまり、距離Ｌが大きいほど、弁３１の開度は大きい。ここで、開度とは、弁３１が開かれている割合を示す。つまり、弁３１が閉じている場合、開度は０になる。

弁体３２には、燃焼ガスがノズル３０から噴射される際に、燃焼ガスから弁３１の開度を大きくする方向に流体力４１が加えられる。また、アクチュエータ５３が発生させる駆動力４２が、その逆方向に加えられる。このため、弁体３２は、流体力４１と駆動力４２とのバランスに応じて位置を移動させる。ここで、弁体３２に加えられる流体力４１は、図４に示すように、距離Ｌに応じて変化する。具体的には、距離Ｌが大きくなるに従い、流体力４１は小さくなる。このため、流体力４１に対する距離Ｌの関係を示す距離推定データ４５を用いて、流体力４１に基づき、距離Ｌを推定することができる。

制御部６０は、図５に示すように、弁３１の開度を推定する機能を有する開度推定部６１と、弁３１の開度を制御する機能を有する開度制御部６２とを備える。

開度推定部６１は、弁体３２の速度を含む速度信号３０２を検知部５１から受信する。取得した速度の変化から弁体３２の加速度を算出する。算出した加速度に基づき、弁体３２の加速力を算出する。ここで、加速力とは、弁体３２に算出した加速度を与えることのできる力をいう。また、アクチュエータ５３が発生させる駆動力４２を含む作用力信号３０１を駆動部５５から受信する。ここで、弁体３２は、流体力４１と駆動力４２とがつり合う位置に移動する。このため、弁体３２の加速力と流体力４１とを可算した合力と、駆動力４２とが等しくなる。よって、駆動力４２から弁体３２の加速力を減算することで、流体力４１を算出することができる。図４に示すように、流体力４１に対する距離Ｌの関係を示す距離推定データ４５を用いて、流体力４１から距離Ｌを推定する。ここで、スラスタ１の駆動時は弁３１が変形しているため、推定した距離Ｌは、実際の弁座３３から弁体３２の端部までの距離と異なり、弁３１の開度を示す指標である。このため、開度推定部６１は、流体力４１から距離Ｌを推定することで、弁３１の開度を推定開度として推定する。弁３１−１、３１−２、３１−３、３１−４のそれぞれに対して、この推定開度を推定し、弁３１の推定開度を含む推定信号３０３を生成する。ここで、距離推定データ４５は、設計時の弁３１の形状から算出される。また、シミュレーションを用いて、最適な値を決定してもよい。以上のように、推定開度は、弁体に加えられる駆動力４２と、燃焼ガスから弁体に加えられる流体力４１とのバランスに基づき推定される。

開度制御部６２は、推定信号３０３に含まれる弁３１の推定開度を抽出する。抽出した推定開度から、駆動部５５に設定している弁３１の設定開度を減算し、補正開度を算出する。設定開度とは、制御信号３０５により、現在、駆動部５５に設定している弁３１の開度である。例えば、駆動部５５に指示している距離Ｌである。補正開度は、駆動部５５に設定している弁３１の開度と、弁３１の変形により生じた、弁３１の実際の開度との差の推定値である。また、補正開度は、弁３１ごとに算出される。

また、開度制御部６２は、圧力検知部１３から、燃焼室１２内部の圧力値を含む圧力信号３０４を受信する。受信した圧力値から、設定している圧力値を減算し、圧力補正値を算出する。ここで、弁３１の開度を制御することで、燃焼室１２内の圧力を制御する。設定している圧力値とは、この圧力の目標値を示す。つまり、圧力補正値は、圧力の目標値と、実際の圧力値との差である。

また、圧力補正値は、複数の弁３１における全体の開度を表す指標である。燃焼室１２には複数の弁３１が接続され、弁３１が開くことで燃焼室１２内の燃焼ガスが噴出される。このため、弁３１の開度によって、燃焼室１２内部の圧力は変化する。つまり、圧力補正値は、燃焼ガスの噴出すべき量と、実際に噴出した量との差を表す指標と言える。

つまり、開度制御部６２は、各弁３１の補正開度と、複数の弁３１における全体の開度を表す圧力補正値とを取得する。取得した補正開度と、圧力補正値とに基づき、弁３１の変形により各弁３１の開度の補正値を算出する。具体的には、各弁３１に対して、複数の弁３１の補正開度の総和に対する各弁３１の補正開度の割合をそれぞれ算出する。算出した割合に圧力補正値を乗算することで、各弁３１に対する補正値を取得する。

補正開度は、各弁３１に応じた補正値を取得できるが、検知部５１と、駆動部５５とで生じるノイズの影響を受けやすい。一方、圧力補正値は、弁３１の全体の開度を表すことができるが、各弁３１に応じた補正値を取得できない。このため、各弁３１の変形により生じる開度の変化の割合として補正開度を用いる。この結果、検知部５１と、駆動部５５とで生じるノイズの影響を低減することができる。

開度推定部６１と、開度制御部６２とを機能する制御部６０は、図６に示すように、演算装置４００と、記憶装置４０１と、通信部４０２とを備える。演算装置４００は、スラスタ１を制御するための演算を行う。例えば、図５に示す開度推定部６１と、開度制御部６２とにおいて実行される演算を行う。記憶装置４０１は、開度推定部６１と、開度制御部６２とにおいてデータを保持する際に利用される。例えば、記憶装置４０１は、図４に示すような距離推定データ４５を保持する。通信部４０２は、検知部５１と、駆動部５５と、圧力検知部１３とのデータの送受信に用いられる。ここで、演算装置４００は、開度推定部６１と開度制御部６２との処理の両方を行う中央演算装置（ＣＰＵ）を用いてもよい。また、開度推定部６１と、開度制御部６２とにおいて専用の演算回路を用いてもよい。また、制御部６０は、データを入出力するための、入力部４０３と、出力部４０４とを備えていてもよい。入力部４０３には、マウス、キーボードなどが例示される。出力部４０４には、ディスプレイ、スピーカなどが例示される。

（制御方法）
スラスタ１において、弁３１の開度を制御する方法を、図７を用いて説明する。ステップＳ１０において、開度推定部６１は、弁体３２の加速力と、弁体３２への駆動力４２とを取得する。弁体３２の加速力は、検知部５１が検知する速度の変化に基づき算出される。開度推定部６１は、検知部５１が検知した速度を速度信号３０２として受信する。例えば、検知部５１は、アクチュエータ５３に設けられたモータの角速度を検出する。開度推定部６１は、検出した角速度を速度信号３０２として受信する。受信した角速度の変化量から、モータの角加速度を算出する。算出した角加速度と、モータ軸周りのイナーシャとの積により、弁体３２の加速力を算出する。モータ軸周りのイナーシャは、カムシャフト５２の形状、モータのイナーシャなどにより決定され、例えば、設計時に算出される。また、駆動力４２を駆動部５５から取得する。例えば、駆動力４２は、アクチュエータ５３が備えるモータに流れる電流とモータのトルク定数との積により算出する。

次に、ステップＳ２０において、開度推定部６１は、各々の弁３１の開度を推定する。ステップＳ１０で算出した駆動力４２から加速力を減算することで、燃料ガスから弁体３２に加えられている流体力４１を取得する。図４に示すような、流体力４１に対する距離Ｌの関係を示す距離推定データ４５を用いて、取得した流体力４１から距離Ｌを取得する。距離Ｌと弁３１の開度とは比例するため、距離Ｌを弁３１の推定開度として用いる。

ステップＳ３０において、開度制御部６２は、各弁３１の開度の補正値として、補正開度を算出する。開度制御部６２は、開度推定部６１から推定開度を取得する。各弁３１に設定している設定開度から、ステップＳ２０で算出した推定開度を減算することで、補正開度を算出する。ここで、開度制御部６２は、駆動部５５に対して設定開度を指定しているため、設定開度を保持している。例えば、図８に示すように、開度制御部６２は、弁３１−１の開度を７０に、弁３１−２の開度を１０に、弁３１−３の開度を１０に、弁３１−４の開度を１０に設定していると仮定する。この設定値が設定開度に相当する。この結果、各ノズル３０の駆動部５５は、弁３１の開度を設定開度に応じて設定している。この開度は距離Ｌであってもよい。開度推定部６１は、ステップＳ２０の処理により、図９に示すように、弁３１−１の推定開度を７５と、弁３１−２の推定開度を１７と、弁３１−３の推定開度を１４と、弁３１−４の推定開度を１２と推定したと仮定する。この場合、補正開度は、推定開度から設定開度を減算するため、図１０に示すように、弁３１−１は５を、弁３１−２は８を、弁３１−３は４を、弁３１−４は３を示す。このように、開度制御部６２は、補正開度を算出する。

ステップＳ４０において、開度制御部６２は、燃焼室１２内の圧力値を取得する。圧力検知部１３は、燃焼室１２内の圧力値を検出し、検出した圧力値を含む圧力信号３０４を生成する。開度制御部６２は、圧力信号３０４を受信し、圧力値を抽出する。

ステップＳ５０において、開度制御部６２は、取得した圧力値から圧力の目標値を減算し、圧力補正値を算出する。例えば、圧力の目標値が１００ＭＰａであると仮定する。このとき、燃焼室１２内の圧力値が９０ＭＰａであると仮定する。このときの圧力補正値は−１０になる。この値は一例であり、算出した値に予め決定した定数を乗算してもよい。この乗算する定数を、設計時に決定してもよい。また、シミュレーションを用いて、最適な値に設定してもよい。また、圧力の目標値は、開度制御部６２が、現在、弁３１の開度を設定するために用いている値である。また、圧力の目標値は、飛しょう体の軌道、姿勢を制御するために、開度制御部６２の外部で決定された値であってもよい。この場合、開度制御部６２は外部から、圧力の目標値を取得する。

ステップＳ６０において、開度制御部６２は、各弁３１に設定すべき開度を算出する。具体的には、各弁３１の補正開度の合計値に対する各弁３１の補正開度の割合を算出する。算出した割合に圧力補正値を乗算することで、各弁３１の補正値を算出する。算出した補正値に、設定すべき開度、つまり目標開度を加算することで、各弁３１の制御に用いる制御開度を算出する。算出した制御開度を駆動部５５に送信する。例えば、図１０に示すような補正開度である場合、補正開度の合計値を算出すると２０になる。このため、各弁３１の補正開度の合計値に対する弁３１−１の補正開度の割合は５／２０である。同様に、弁３１−２の補正開度の割合は８／２０、弁３１−３の補正開度の割合は４／２０、弁３１−４の補正開度の割合は３／２０である。これらに、圧力補正値を乗算すると、図１１に示すように、弁３１−１は−１０×５／２０＝−２．５、弁３１−２は−１０×８／２０＝４、弁３１−３は−１０×４／２０＝−２、弁３１−４は−１０×３／２０＝１．５になる。ここで、開度制御部６２は、図８に示すように、弁３１−１の目標開度を７０に、弁３１−２の目標開度を１０に、弁３１−３の目標開度を１０に、弁３１−４の目標開度を１０に設定すると仮定する。この場合、図１２に示すように、弁３１−１の開度を６７．５に、弁３１−２の開度を６に、弁３１−３の開度を８に、弁３１−４の開度を８．５に設定する制御信号３０５を生成する。ここでは、目標開度は、開度制御部６２が、現在、設定している開度を例に説明した。飛しょう体の軌道、姿勢を制御するために、開度制御部６２の外部で決定された値であってもよい。この場合、開度制御部６２は外部から、目標開度を取得する。

ステップＳ７０において、開度制御部６２は、生成した制御信号３０５を駆動部５５に送信し、駆動部５５に開度を設定する。これにより、駆動部５５は、指定された開度に基づき、弁体３２を移動する。この結果、各弁３１が変形した場合でも、弁３１の開度を推定することで、精度よくスラスタ１を制御することができる。

（性能評価）
４つの弁３１を有する飛しょう体について、従来の補正方法と、上記実施の形態に係る補正方法とで、シミュレーションによる性能評価を実施した。従来の補正方法として、燃焼試験のシミュレーション結果を用いて補正データを取得し、すべての弁３１に共通に補正を行う方法を採用した。弁３１−１の開度が１０％増加し、弁３１−２の開度が４０％増加し、弁３１−３の開度が２０％増加し、弁３１−４の開度が３０％増加するものとした。また、燃焼室１２内の圧力の目標値は、図１３に示すように、シミュレーションを開始してから４秒経過するまで１７ＭＰａとした。４秒経過してから８秒経過するまでを５ＭＰａとし、８秒経過してから１２秒経過するまでを２０ＭＰａとした。弁３１−１を備えるノズル３０−１の推力の目標値は、図１４に示すように、１秒単位で１５０Ｎから１０００Ｎの範囲で変化させた。弁３１−２を備えるノズル３０−２の推力の目標値は、図１５に示すように、１秒単位で５０Ｎから１０００Ｎまで変化させた。

図１３を参照すると、燃焼室１２の圧力について、従来の補正方法より、上記実施の形態に係る補正方法の方が、目標値との誤差が小さいことがわかる。特に、シミュレーションを開始してから３秒経過した後のＢ１においては、従来の補正方法では誤差が＋１５％であったが、上記実施の形態の補正方法では＋１％まで減少している。

図１４を参照すると、ノズル３０−１の推力についても、従来の補正方法より、上記実施の形態に係る補正方法の方が、目標値との誤差が小さいことがわかる。特に、シミュレーションを開始してから３秒経過した後のＢ２においては、従来の補正方法では誤差が＋４１％であったが、上記実施の形態の補正方法では−１％まで減少している。ここで、シミュレーションを開始してから４秒経過したときに目標値は、３５０Ｎから２５０Ｎに減少しているにも関わらず、従来の補正方法と上記実施の形態の補正方法との両方において推力が増加している。これは、シミュレーションを開始してから４秒経過したときに、燃焼室１２の圧力の目標値を１７ＭＰａから５ＭＰａに減少するため、弁３１−１の開度を大きくする必要があったからである。シミュレーションを開始してから８秒経過したときに、目標値の推力が増加しているのに対して、従来の補正方法と上記実施の形態の補正方法との両方において推力が減少しているのも、燃焼室１２の圧力を制御するためである。

図１５を参照すると、ノズル３０−２の推力についても、従来の補正方法より、上記実施の形態に係る補正方法の方が、目標値との誤差が小さいことがわかる。特に、シミュレーションを開始してから１０秒経過した後のＢ３において、従来の補正方法では誤差が−２２％であったが、上記実施の形態の補正方法では−２％まで減少している。また、シミュレーションを開始してから４秒経過したときに、目標値が減少しているのに対して、両補正方法が増加しているのは、ノズル３０−１と同じ理由である。

（変形例）
上記実施の形態では、検知部５１が弁体３２の速度を検知し、開度推定部６１が弁体３２の加速力を算出する例を示したが、これに限定されない。開度推定部６１が弁体３２の加速力を算出できれば、任意の方法を選択することができる。例えば、検知部５１が弁体３２の加速度を検知し、開度推定部６１が検知した加速度に基づき加速力を算出してもよい。

上記実施の形態では、駆動部５５は、アクチュエータ５３によりカムシャフト５２を回転させることで弁体３２に駆動力４２を与える例を示したが、これに限定されない。駆動部５５が弁体３２に作用力を与えて弁体３２を移動でき、この作用力を検知できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、駆動部５５はリニアモータを備え、リニアモータの駆動力により弁体３２を移動させてもよい。

上記実施の形態では、弁３１は、ピントル弁である例を示したが、これに限定されない。弁３１を通過する燃料ガスにより弁体３２に流体力４１が加えられ、流体力４１と弁体３２に加える作用力とがつり合うことで弁３１の開度を制御できるものであれば、任意に選択することができる。例えば、図１６に示すように、ポペット弁であってもよい。この場合、弁３１を開く方向に流体力４１と駆動力４２とが加えられる。その逆方向にバネ３４による弾性力４３が加えられる。つまり、流体力４１と駆動力４２とを加算した合力と、弾性力４３とがつり合う位置に、弁体３２は移動する。

上記実施の形態では、弁座３３から弁体３２の端部までの距離Ｌを用いて、弁３１の開度を規定する例を示したが、これに限定されない。弁３１の開度を弁体３２の位置を用いて規定できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、弁体３２の任意の位置に基準点を設定し、弁３１が閉じているときの基準点の位置と、現在の基準点の位置との距離を用いて、３１の開度を規定してもよい。この基準点として、例えば、弁座３３とは逆方向にある弁体３２の端部でもよい。

上記実施の形態では、弁体３２の位置を用いて弁３１の開度を規定する例を示したが、これに限定されない。弁３１の開度を制御できるパラメータであれば、任意に選択することができる。

上記実施の形態では、弁３１の開度を推定するために用いる開度データの例として、図４に示す距離推定データ４５を示したが、これに限定されない。流体力４１から弁３１の開度を推定できればよく、任意の方法を選択することができる。例えば、図１７に示すように、流体力４１の値と、それに対応した弁３１の開度が格納された推定データ４６でもよい。この場合、算出した流体力４１に最も近い値を推定データ４６から選択し、対応する弁３１の開度を取得する。

上記実施の形態では、ステップＳ５０において、補正開度の割合に圧力補正値を乗算することで、各弁３１の補正値を算出する例を示したが、さらに、予め決められた定数を乗算してもよい。この定数は、設計時に決定してもよい。また、シミュレーションを用いて、最適な値を算出してもよい。

上記実施の形態では、圧力検知部１３で検知した圧力値に基づき、弁３１の開度を補正する例を示したが、この処理を省略してもよい。この場合、図７に示す処理において、ステップＳ４０と、ステップＳ５０とを行わない。また、各弁３１の開度の補正値は、図１０に示す算出した補正開度の符号を反転した値、または補正開度に予め決められた定数を乗算した値を用いる。ここで、予め決められた定数は、設計時に決定した値である。また、シミュレーションを用いて、最適な値を決定してもよい。

以上において説明した処理は一例であり、各ステップの順番、処理内容は、機能を阻害しない範囲で変更してもよい。また、説明した構成は、機能を阻害しない範囲で、任意に変更してもよい。

１ スラスタ
１０ ガスジェネレータ
１１ 固体燃料
１２ 燃焼室
１２ａ、１２ｂ 壁面
１３ 圧力検知部
３０ ノズル
３１ 弁
３２ 弁体
３３ 弁座
３４ バネ
４１ 流体力
４２ 駆動力
４３ 弾性力
４５ 距離推定データ
４６ 推定データ
５１ 検知部
５２ カムシャフト
５３ アクチュエータ
５５ 駆動部
６０ 制御部
６１ 開度推定部
６２ 開度制御部
１００ 弁体制御部
３０１ 作用力信号
３０２ 速度信号
３０３ 推定信号
３０４ 圧力信号
３０５ 制御信号
４００ 演算装置
４０１ 記憶装置
４０２ 通信部
４０３ 入力部
４０４ 出力部

Claims (10)

1. スラスタから噴出される燃焼ガスの量を調整する弁に設けられた弁体に加える作用力と、噴出される前記燃焼ガスから前記弁体に加えられる流体力とのバランスに基づき、前記弁が開かれている割合を示す前記弁の推定開度を推定する開度推定部と、
   前記推定開度に基づき、前記弁の開度を制御するための制御開度を決定する開度制御部と、
   を備え、
   前記開度推定部は、
   前記弁体の加速度と、前記作用力とに基づき、前記流体力を算出し、
   前記流体力に基づき、前記推定開度を算出する
   スラスタ制御装置。
2. 前記開度推定部は、
   噴出される前記燃焼ガスから前記弁体に加えられる前記流体力に対する前記弁の開度を示す開度データを保持し、
   前記加速度に基づき、前記弁に前記加速度を与えることのできる加速力を算出し、
   前記加速力を、前記作用力から減算することで、前記流体力を算出し、
   前記開度データに基づき、前記流体力から前記推定開度を推定する
   請求項１に記載のスラスタ制御装置。
3. 弁体制御部をさらに備え、
   前記弁体制御部は、
   前記弁体に前記作用力を加えて、前記弁の開閉を制御する駆動部と、
   前記弁体の速度を検知する検知部と、
   を備え、
   前記開度推定部は、前記速度に基づき、前記加速度を算出し、
   前記駆動部は、前記制御開度に基づき、前記弁の開閉を制御する
   請求項１または２に記載のスラスタ制御装置。
4. 前記弁体制御部を複数備え、
   前記開度推定部は、前記複数の弁体制御部の各々に対して前記推定開度を推定し、
   前記開度制御部は、前記各弁体制御部に対して前記制御開度を決定する
   請求項３に記載のスラスタ制御装置。
5. スラスタから噴出される前記燃焼ガスを内部に備える燃焼室と、
   前記燃焼室の内部の圧力値を検知する圧力検知部と、
   をさらに備え、
   前記開度制御部は、前記圧力値と、前記各弁体制御部に対する前記推定開度とに基づき、前記各弁体制御部に対する前記制御開度を決定する
   請求項４に記載のスラスタ制御装置。
6. 前記開度制御部は、
   前記各弁体制御部の前記駆動部の前記作用力により設定された前記弁の設定開度を保持し、
   前記圧力値から、設定されている圧力値を減算し、圧力補正値を算出し、
   前記各弁体制御部に対して、前記推定開度から前記設定開度を減算して得られる補正開度を算出し、
   前記圧力補正値と、前記複数の弁体制御部の前記補正開度の総和に対する前記各弁体制御部の前記補正開度の割合とに基づき、前記各弁体制御部に対する前記制御開度を決定する
   請求項５に記載のスラスタ制御装置。
7. 前記開度制御部は、
   前記圧力補正値と前記補正開度の総和に対する前記各弁体制御部の前記補正開度の割合との積と、前記弁を開くべき割合を示す目標開度とに基づき、前記制御開度を算出する
   請求項６に記載のスラスタ制御装置。
8. 前記駆動部は、電流を流して前記作用力を発生させるモータを備え、
   前記開度推定部は、前記電流の値に基づき、前記作用力を算出する
   請求項３から７のいずれか１項に記載のスラスタ制御装置。
9. 前記推定開度は、推定される前記弁体の位置により規定し、
   前記制御開度は、前記弁体を移動すべき位置により規定する
   請求項１から８のいずれか１項に記載のスラスタ制御装置。
10. スラスタから噴出される燃焼ガスの量を調整する弁に設けられた弁体に加える作用力と、噴出される前記燃焼ガスから前記弁体に加えられる流体力とのバランスに基づき、前記弁が開かれている割合を示す前記弁の推定開度を推定するステップと、
    前記推定開度に基づき、前記弁の開度を制御するための制御開度を決定するステップと、
    を含み、
    前記推定開度を推定するステップは、
    前記弁体の加速度と、前記作用力とに基づき、前記流体力を算出することと、
    前記流体力に基づき、前記推定開度を算出することと、
    を含む
    スラスタ制御方法。
    

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