JP6990617B2 - 2パルスガスジェネレータおよび推進薬燃焼面位置計測方法 - Google Patents
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Description
dm(t)/dt=At(t)・Pc(t)・Cd …(式1)
ここで、「t」は時間を示し、時間の関数である「m(t)」は質量流量を示し、質量流量の時間微分である「dm(t)/dt」は推進薬の消費速度を示し、時間の関数である「At(t)」は全てのスラスタの開口面積の総和であるスラスタ総開口面積を示し、時間の関数である「Pc(t)」は推進薬が燃焼する空間における燃焼圧力の測定値を示し、係数「Cd」は排出係数を示す。
m(t)=∫(dm(t)/dt)dt=∫(At(t)・Pc(t))dt・Cd …(式2)
m(t)=Ab・∫x(t)dt・ρ …(式3)
ここで、定数「Ab」は推進薬の燃焼面積を示し、時間の関数である「x(t)」は燃焼面F1’の位置を示し、定数「ρ」は推進薬の密度を示す。なお、定数Abおよび定数ρは、推進薬の製造時の時点で既知である。燃焼面F1’の位置の計測方法に係る具体的な説明は、第1の実施形態~第8の実施形態として後述する。
Pc=(C*・ρ・e^(σp(T-T0))・a・(Ab/At))^(1/(1-n)) …(式4)
ここで、「Pc」は所望の燃焼圧力を示し、「C*」は特性排気速度を示し、「σp」は燃焼速度の温度感度を示し、「T」は推進薬の温度を示し、「T0」は基準温度を示し、「a」は基準温度における燃焼速度に関する定数を示し、「At」は推定対象となるスラスタの総開口面積を示し、「n」は圧力指数を示す。上記(式4)に登場するパラメータのうち、特性排気速度C*はその理論値が既知であり、推進薬の密度ρと、燃焼速度の温度感度σpと、基準温度T0と、基準温度における定数aと、燃焼面積Abと、圧力指数nとは、製造時の段階で既知である。したがって、推進薬の温度Tさえ測定すれば、上記(式4)からスラスタ部1000の総開口面積Atは正確に推定することが可能となる。言い換えれば、燃焼開始時の圧力設定を精度よく行うことが可能となる。
図4A~図4Eを参照して、超音波センサ13Aを用いて第1固体推進薬3の残量および消費速度を測定する方法について説明する。
図5を参照して、高応答圧力センサ13Bを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図6A~図6Cを参照して、温度検知器13Cを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図7A~図7Cを参照して、光検知器13Dを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図8A~図8Cを参照して、機械的検知機構13Eを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図9を参照して、ニクロム線91、92を用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図10Aを参照して、第1固体推進薬3の突起形状および高応答圧力センサ13Bを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
図11A~図11Cを参照して、非接触温度計13Gを用いて第1固体推進薬3の残量、消費量および消費速度を測定する方法について説明する。
2 圧力容器
3 第1固体推進薬
3B 空洞
4 第2固体推進薬
5 隔膜
6 燃焼空間
7 第1点火装置
7A 火種
8 第2点火装置
9 燃焼ガス噴射孔
10 燃焼ガス
12 圧力センサ装置
13 位置センサ装置
13A 超音波センサ
13B 高応答圧力センサ
13C 温度検知器
13D 光検知器
13E 機械的検知機構
13F ニクロム線支持部
13G 非接触温度計
14 演算装置
15 制御装置
24 蓋部
30 焼失部分
41A 送信波
41B 底面波
42A 送信波
42B 底面波
61 熱電対
62 保護管
63 気密シール
64 測温接点
71 光ファイバ
72 フォトカプラ
73 信号線
81 導圧管
82 ピストン
83 リミットスイッチ
84 信号線
85 本体
91、92 ニクロム線
101 信号線
1000 スラスタ部
1001 開口部
F1 第1端面
F1’ 燃焼面
F2 側面
F3 第2端面
G01、G02 グラフ
G1~G4 グラフ
P1 位置
P2 位置
Claims (17)
- 内部に燃焼空間を含む圧力容器と、
前記圧力容器の内部に配置され、第1端面が前記燃焼空間に露出している第1固体推進薬と、
前記第1固体推進薬の前記第1端面に点火する第1点火装置と、
前記第1固体推進薬の燃焼が進むにつれて前記第1固体推進薬の燃焼面が所定の第1方向に移動するように前記第1固体推進薬の前記燃焼面以外の表面を覆う隔膜と、
前記第1方向における前記燃焼面の位置を検知する位置センサ装置と、
前記燃焼面の位置の検知結果に基づいて前記第1固体推進薬の消費量を推定する演算装置と
を具備し、
前記圧力容器は、
前記第1固体推進薬の燃焼により発生する燃焼ガスを、前記圧力容器の外に、面積を調整可能な開口部を介して噴射するスラスタ部と、
前記燃焼空間における燃焼圧力を計測する圧力センサ装置と
を具備し、
前記演算装置は、所望時刻までに前記第1固体推進薬が燃焼し尽くすために必要な前記燃焼圧力の設定値を、前記燃焼面の位置の検知結果および前記燃焼圧力の計測結果に基づいて算出し、
前記スラスタ部の開口部の面積を調整することで前記燃焼圧力を前記設定値に基づいて調整する制御装置と、
前記圧力容器の内部に配置された第2固体推進薬と、
前記所望時刻に前記第2固体推進薬を点火する第2点火装置と
をさらに具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項1に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、前記第1方向における前記燃焼面の位置を、前記制御装置に制御されたタイミングで検知する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項2に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
前記第1固体推進薬の内部の、前記燃焼面に対向する位置に配置されて、前記燃焼面までの距離を計測することで、前記第1方向における前記燃焼面の位置を検知する超音波センサ
を具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項2に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
前記燃焼空間を挟んで前記燃焼面に対向するように配置され、前記燃焼圧力を計測する高応答圧力センサ
を具備し、
前記演算装置は、前記高応答圧力センサが測定した前記燃焼圧力の周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数から、前記高応答圧力センサから前記燃焼面までの距離を算出する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項2に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記圧力センサ装置は、前記燃焼空間を挟んで前記燃焼面に対向するように配置され、
前記燃焼圧力を計測する前記位置センサ装置として機能し、
前記演算装置は、前記圧力センサ装置が測定した前記燃焼圧力の周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数から、前記圧力センサ装置から前記燃焼面までの距離を算出する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項2~5のいずれか一項に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記第1固体推進薬および前記燃焼ガスの温度を計測する温度計測装置
をさらに具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項1に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、前記燃焼面が前記第1方向における所定の位置に到達したことを、前記燃焼面が前記第1方向における前記所定の位置に到達したときに検知する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項7に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
前記第1固体推進薬の内部における前記所定の位置の温度を計測する温度検知器を具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項7に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記第1固体推進薬は、
前記第1方向において、前記第1端面に対向する第2端面と、
一方の端部が前記第1方向において前記所定の位置に配置されており、前記第1方向のうち前記第1端面から離れる向きに延在し、かつ、他方の端部が前記第2端面に達する空洞と
を具備し、
前記位置センサ装置は、
前記空洞の前記他方の端部に配置され、前記第1固体推進薬の燃焼が進んで前記燃焼面が前記所定の位置に到達したとき、前記燃焼ガスの温度を検知する非接触温度計を具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項7に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
前記第1固体推進薬の内部に埋め込まれ、一方の端部が前記所定の位置に配置されている光ファイバと、
前記光ファイバの他方の端部に光学的に接続され、前記第1固体推進薬の燃焼が進んで前記燃焼面が前記所定の位置に到達したとき、前記光ファイバを介して前記燃焼ガスの光を検知し、検知した前記光に応じて検知信号を生成して前記演算装置に向けて送信するフォトカプラと
を具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項7に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
気密性を有する本体と、
前記第1固体推進薬の内部に埋め込まれ、一方の端部が前記本体に気密的に接続され、かつ、他方の端部が前記所定の位置に配置されている導圧管と、
前記本体の内部に配置され、前記第1固体推進薬の燃焼が進んで前記燃焼面が前記所定の位置に到達したとき、前記他方の端部から流入する燃焼ガスによって前記本体の内部を移動するピストンと、
前記本体の内部に配置され、前記ピストンの移動に応じて検知信号を生成して前記演算装置に向けて送信するリミットスイッチと
を具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項7に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記位置センサ装置は、
前記第1固体推進薬の内部に埋め込まれ、かつ、両端が前記演算装置に電気的に接続されたニクロム線
を具備し、
前記ニクロム線のうち、前記第1方向において前記第1端面に近い部分は、前記所定の位置に配置されており、
前記演算装置は、前記ニクロム線が切断されたことを検知することで、前記燃焼面が前記所定の位置に到達したことを検知する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項2~5のいずれか一項に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記第1固体推進薬は、
前記第1方向に直交する断面積が、所定の第1断面積である第1部分と、
前記第1方向に直交する断面積が、前記所定の第1断面積とは異なる第2断面積である第2部分と
を具備し、
前記演算装置は、前記燃焼圧力の計測結果の変動から前記断面積の変化を検知する
2パルスガスジェネレータ。 - 請求項10~13のいずれか一項に記載の2パルスガスジェネレータにおいて、
前記第1固体推進薬および前記燃焼ガスの温度を計測する温度計測装置をさらに具備する
2パルスガスジェネレータ。 - 燃焼が進むにつれて燃焼面が所定の第1方向に移動するように前記燃焼面以外の表面が隔膜で覆われた第1固体推進薬を、圧力容器の内部に配置することと、
第1点火装置が、前記第1固体推進薬に点火することと、
位置センサ装置が、前記第1方向における前記燃焼面の位置を検知することと、
演算装置が、前記燃焼面の位置の検知結果に基づいて前記第1固体推進薬の消費量を推定することと、
スラスタ部が、前記第1固体推進薬の燃焼により発生するガスを、前記圧力容器の外に、面積を調整可能な開口部を介して噴射することと、
圧力センサが、燃焼空間における燃焼圧力を計測することと、
前記第1固体推進薬が燃焼し尽くす所望時刻を決定することと、
演算装置が、前記所望時刻までに前記第1固体推進薬が燃焼し尽くすために必要な前記燃焼圧力の設定値を、前記燃焼面の位置の検知結果および前記燃焼圧力の計測結果に基づいて算出することと、
制御装置が、前記スラスタ部の開口面積を調整することで前記燃焼圧力を前記設定値に調整することと、
第2点火装置が、前記圧力容器の内部に配置された第2固体推進薬を前記所望時刻に点火することと
を具備する
推進薬燃焼面位置計測方法。 - 請求項15に記載の推進薬燃焼面位置計測方法において、
前記燃焼面の位置を検知することは、
前記第1方向における前記燃焼面の位置を、前記制御装置に制御されたタイミングで検知すること
を具備する
推進薬燃焼面位置計測方法。 - 請求項15に記載の推進薬燃焼面位置計測方法において、
前記燃焼面の位置を検知することは、
前記燃焼面が、前記第1方向における所定の位置に到達したことを、前記燃焼面が前記所定の位置に到達したときに検知すること
を具備する
推進薬燃焼面位置計測方法。
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