JP7157757B2 - マルチエンジンベイを制御する方法、マルチエンジンベイのための制御システム、及び、マルチエンジンベイ - Google Patents

Description

本発明は、マルチエンジンベイ（ｍｕｌｔｉ－ｅｎｇｉｎｅ ｂａｙ）内のエンジンを制御することと、これらのエンジンの状態を監視することとに関する。マルチエンジンベイは、本明細書では、互いに合算される力を発生させることが可能であるように構成されている複数のエンジンを備える、推進アセンブリとして定義される。さらに特に、本発明は、エンジンが反動エンジンであり、且つ、したがってベイが複数のロケットエンジンによって構成される状況に対して適用される。

マルチエンジンベイでは、各エンジンの状態が、エンジンが使用されてきた時間の長さと、エンジンが動作時に受けてきた応力とに応じて、漸進的に劣化する。この劣化の結果として、エンジン故障の危険性と、したがってベイ故障の危険性とが、このエンジンの動作段階中に漸進的に増大する。

したがって、本発明の第１の目的が、許容可能であるレベルにベイの故障の危険性が抑制されることを可能にする、マルチエンジンベイを制御する方法を提案することである。

この目的は、
ａ）ベイが所望のスラストを供給するように、且つ、各エンジンがそのエンジンに関する１組の動作限界（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｌｉｍｉｔ）にしたがって作動させられるように、ベイを制御する段階と、
ｂ）エンジンの各々に関する損傷レベル（ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄａｍａｇｅ）を周期的に評価する段階と、
ｃ）エンジンの各々に関して、各エンジンの損傷レベルが予め決められた値を超えるか否かを周期的に評価する段階と、
ｄ）「損傷」エンジンと呼称されるエンジンの損傷レベルが、予め決められた値を超える場合に、損傷エンジンの損傷率が予め決められた最大エンジン損傷率よりも小さいように、損傷エンジンの少なくとも１つの動作制約条件（「動作限界」とも呼称される）を変更する段階とが行われる、マルチエンジンベイを制御する方法によって実現される。

この場合に、エンジンの損傷レベルは、エンジン故障の確率を表している情報である。

段階ａ）～段階ｄ）は、通常は、１つ又は複数のコンピュータを使用して行われる。

段階ｃ）中に、複数のエンジンが損傷していることが検出される場合に、段階ｄ）において、少なくとも１つの動作限界がエンジンの各々に関して変更される。その限界値を超えるとエンジンが損傷していると見なされる限界値、即ち、実際には、エンジンの最大損傷率が、エンジンすべてに関して同一の値を使用する代わりに、各エンジンに関して個別的に定義されてもよい。

動作制約条件又は動作限界は、エンジンを制御するために使用される変数空間のサブセットを定義する表現であり、このサブセット内に、当該のエンジンに適用されるコマンドが含まれることが必要とされる。言い換えると、したがって、エンジンを制御するための動作限界を課すことが、エンジンに伝送される（又は、そのエンジン自体の制御ユニットを有するそのエンジンに関するそのエンジンの制御ユニットに伝送される）コマンドの値が、このように定義されるサブセットの範囲内にとどまる形に、エンジンが制御されるようにエンジンを制約する。

動作限界は、通常は、特に、エンジンを制御するために使用される変数空間のサブセットを定義する、関係又は式、特に、不等式、採用随意にベクトル不等式の形で表現される。これらの変数は、エンジンの状態変数であり、特に、例えばアクチュエーター位置のようなエンジンの制御変数としうる。動作限界は、採用随意に、時間の関数であってもよい。

例えば、動作限界に関する式に関係しうるこれらの変数は、ターボポンプの回転速度、ターボポンプからの出口圧力、燃焼ガス温度、又は、熱交換器からの出口における温度等としうる。

上述した本発明の方法では、各エンジンの損傷レベルが周期的に評価される。エンジンの損傷レベルが予め決められた値を超えた直後に、そのエンジンの損傷率（ｒａｔｅ ｏｆ ｄａｍａｇｅ）を減少させるために、是正処置が起動される。エンジンの損傷レベルが比較的に緩慢にのみ変化するように、即ち、そのエンジンに対して一時的緩和処置が適用されなかった場合に比べてより遅い速度でそのエンジンが劣化するように、そのエンジンが動作させられる形に、１つ又は複数の動作限界が変更される。

したがって、本発明の方法は、エンジンのいずれもが迅速に劣化することなしにベイが使用され続けることを可能にする。したがって、且つ、有利に、ベイの信頼性が非常に緩慢にのみ低減し、及び、ベイの信頼性の損失が可能な限り阻止される。

例えば、動作限界を変更することは、エンジンに関する最大スラスト値を減少させること、エンジンによって受け入れられることが可能な最大混合比を減少させること等を含みうる。

段階ｄ）において動作限界を変更することは、任意の方法で行われてもよく、即ち、１つ又は複数の動作限界を加えること及び／又は取り除くこと、及び／又は、１つ又は複数の動作限界を変更すること等によって行われうる。

エンジンの１つ又は複数の動作限界に対する変更と、したがってベイに対する変更とが、エンジンに対して加えられる制御において、及び、したがってベイに対して加えられる制御において計算に入れられる（制御段階ａ）。

本発明の方法を行う際には、エンジンの動作限界のセットがそれから変更される予め決められた損傷値が、特に、時間の関数としてエンジンに関する損傷曲線（又は、エンジン故障の確率を示す曲線）の関数として決定されうる。

当然であるが、時間の関数としてのエンジンの状態に対する損傷が、エンジンが被る応力に応じて、様々な形で変化しうる。しかし、エンジンは中程度の制御値又は公称制御値で動作させられることが多く、又は、実際には、エンジンは、予め決められたフライトプランに準拠するように動作させられうる。したがって、エンジンの動作限界がそれから変更される損傷レベルを決定するために、公称動作するエンジンに関する、又は、フライトプランによって予想される仕方で動作するエンジンに関する、時間の関数としての損傷の変化を示す曲線が、一般的に使用される。

その次に、エンジンの１つ又は複数の動作限界が段階ｄ）においてそれから変更される予め決められた損傷レベルを、エンジンの損傷率が予め決められた閾値を超える値に設定することができ、この閾値より上ではエンジンが迅速に劣化する。この閾値は、時間の関数として損傷がどのように変化するかを示す曲線に基づいて選択される。

エンジンの動作限界がそれから変更される予め決められた値は、さらに、損傷レベルの関数として、例えば、損傷レベルに到達し終わる前の特定の（予め決められた）時間の長さの関数として決定されてもよい。

その後に行われる１つ又は複数の動作限界に対する変更（段階ｄ））が、エンジンの最大の損傷率を予め決められた値よりも低く維持するように選択される。

したがって、段階ｃ）で変更された動作限界が計算に入れられる場合には、その後で、段階ｄ）の前に計算に入れられた無変更の動作限界に基づいてエンジンが制御される場合にそのエンジンが劣化したであろう速度よりも遅い速度で、そのエンジンが劣化することが生じさせられる。

上述したように、エンジンの損傷レベルは、エンジン故障の確率を表している情報である。

この損傷レベルは、単にエンジントラブルに関係する情報ではなく、又は、さらには、単にエンジンの軽微な機能不全（例えば出力低下）に関係する情報ではない。

この損傷レベルは、通常はエンジンの動作履歴の関数としての、エンジン故障の確率の推定値を提供する情報（一般的に、連続的であって、二進法ではない）である。

損傷レベルは、エンジンの主構成要素の損傷レベルから計算されてもよい。したがって、例えば、エンジンの損傷レベルは、エンジンのサブシステムのそれぞれの損傷レベルの最大値の関数として計算されてもよい。エンジンのすべてが反動エンジンである場合には、その損傷レベルは、特に、主燃焼室の損傷と、エンジンの推進剤供給ターボポンプの損傷とのそれぞれのレベルの関数として計算されてもよい。

例えば、損傷レベルは、実験によって、及び／又は、１つ又は複数の測定値の間の学習因果関係と、エンジンのサブシステムの劣化又はエンジン自体の劣化のレベルとに基づいて、測定されてもよい。この劣化は、フライト毎に累積する。エンジンに対して行われるメンテナンス作業中に採取される測定値を使用して、先行するフライトに関する記憶が保存されてもよい。

エンジンの損傷レベルは、特に、エンジン又はエンジンのサブシステムの損傷率から積分法によって求められてもよい。

例えば、エンジンのサブシステムの場合に、損傷率は、
１）ターボ機関に関しては、例えば、個々の周波数範囲に関して蓄積又は加重された、ターボ機関の振動エネルギーの関数である値、及び／又は、任意の他の適切なパラメーターの関数である値、
２）アクチュエーターに関しては、消費された電力の値、又は、この値を積分する関数、及び／又は、
３）燃焼室に関しては、「過剰」値、即ち、燃焼室内の推進剤の混合率に関する予め決められた上限を超える値、又は、実際には、この「過剰」値を積分する関数
であってよい。

さらに、ターボ機関においては、ターボ機関のポンプによって供給される出力がターボ機関の回転の速度に密接に関連付けられているということがよく知られている。ポンプによって供給される出力を増大させること、又は、このターボ機関の回転速度を増大させることが、ターボ機関の振動エネルギーの増大を生じさせ、したがって、そのターボ機関の損傷率の増大を生じさせる。

したがって、本発明によって、（エンジンが損傷していると考えられる時に）マルチエンジンベイ内におけるエンジンのターボ機関の限界回転速度を減少させることが、当該のターボ機関に関するこの制限速度の制約によって、マルチエンジンベイを制御することを結果的にもたらす。このことが、ポンプの出力を減少させ、したがってポンプの振動のレベルを減少させることを通常は必要とする形で、マルチエンジンベイを制御することと、これによって当該エンジンの損傷率を低下させることを結果的にもたらす。

同じようにして、特定の値（例えば、アクチュエーター）によって、所定位置にバルブを保持するために必要とされる保持電流が、そのバルブに対して加えられる油圧トルクを表している。そのバルブの損傷率が、そのバルブに加えられるトルクの値に確実に関連付けられる。

したがって、本発明によって、マルチエンジンベイ内のエンジンの動作限界を変更することと、バルブの位置保持電流の最大値を減少させることによって損傷したバルブを有することとが、バルブの位置保持電流が減少させられることを通常は必要とし且つバルブに対して加えられるトルクが減少させられることを必要とする仕方で、マルチエンジンベイを制御することを結果的にもたらす。このことが、バルブがその一部分を形成するエンジンの損傷率を減少させることを結果的にもたらす。

最後に、燃焼室内においては、燃焼室に対する損傷率を減少させ、且つ、したがって、その燃焼室がその一部分を形成するエンジンに対する損傷率を減少させるために、燃焼室内において受け入れ可能である混合比の最大値を減少させることが可能である。

一実施態様では、各エンジン毎に、段階ｂ）において、エンジンの損傷レベルが、より以前の時点におけるそのエンジンの少なくとも１つの損傷レベルの関数として評価される。例えば、損傷レベルが、時点ｔ－１における損傷レベルと、これに加えて、以前に計算に入れられた時点ｔ－１と考慮中の時点ｔとの間に生じさせられる追加的な損傷の推定値とから、計算されてもよい。損傷レベルは、各々の時間間隔内で生じる追加的な損傷を積分することによって計算される。時点ｔ－１と時点ｔとの間のエンジンの摩耗を表す追加的な損傷値が、スラスト、及び／又は、振動、圧力、温度等の関数であってもよい。

本発明の第２の目的は、マルチエンジンベイの故障のリスクを許容可能であるレベルに抑制しながらそのマルチエンジンベイを制御する働きをする、マルチエンジンベイのための制御システムを提案することである。

この目的は、同様にマルチエンジンベイのための制御システムによって実現され、この制御システムは、
ａ）マルチエンジンベイが所望のスラストを供給するように、且つ、各エンジンがそのエンジンの１組の動作限界にしたがって動作させられるように、マルチエンジンベイを制御するために適している制御ユニットと、
ｂ）エンジン各々に関する損傷レベルを周期的に評価するように構成されているエンジン正常性評価ユニット（ｅｎｇｉｎｅ ｈｅａｌｔｈ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）と、
ｃ）エンジンの損傷レベルが予め決められた値を超えるか否かを周期的に評価し、及び、「損傷」エンジンと呼称されるエンジンの損傷レベルが予め決められた値を上回る場合に、損傷エンジンの損傷率がその損傷エンジンの予め決められた最大損傷率よりも小さいように、その損傷エンジンの少なくとも１つの動作レベルを変更するように構成されている動作限界更新ユニットとを備える。

一実施態様では、動作限界更新ユニットは、損傷エンジンの最大スラストを減少させることによって、損傷エンジンの上記少なくとも１つの動作限界を変更するように構成されている。

このシステムは、特に、次の２つの実施態様の一方又は他方によって実現されうる。

「ボトムアップ型（ｂｏｔｔｏｍ－ｕｐ）」実施態様と呼称される第１の実施態様では、制御システムは、各エンジン毎のためのエンジンコンピュータを有し、及び、動作限界更新ユニットは、各々のエンジンコンピュータ内に、動作限界更新モジュールを備え、この動作限界更新モジュールは、
予め決められた値をエンジンの損傷レベルが超えるか否かを周期的に評価し、
予め決められた値をエンジンの損傷レベルが超える場合に、予め決められた損傷エンジンの最大損傷率よりもその損傷エンジンの損傷率が小さいように、損傷エンジンの少なくとも１つの動作限界を変更し、
その損傷エンジンの上記少なくとも１つの動作限界に適用される変更を制御ユニットに知らせるように構成されており、
その制御ユニットは、１つ又は複数の損傷エンジンに関する上記少なくとも１つの動作限界に対して適用される上記変更を計算に入れながら、ベイを制御するように構成されている。

この実施態様では、動作限界更新ユニットの機能は、エンジンコンピュータ内で行われる。

「トップダウン型（ｔｏｐ－ｄｏｗｎ）」と呼称される第２の好ましい実施態様では、制御システムは、中央コンピュータと、各エンジン毎のためのエンジンコンピュータとを有する。さらに、
各エンジンコンピュータ内において、エンジン正常性評価ユニットは、エンジンの各々に関する損傷レベルを周期的に評価するように構成されているエンジン健全性評価モジュールを備え、
中央コンピュータ内において、動作限界更新ユニットは動作限界更新モジュールを備え、この動作限界更新モジュールは、
個々のエンジン健全性評価モジュールによって通信されるその個々のエンジンのそれぞれの損傷レベルに基づいて、予め決められた値を各エンジンの損傷レベルが超えるか否かを、エンジンの各々に関して評価するように、
損傷レベルが予め決められた値を超える「損傷エンジン」と呼称される各々のエンジンに関して、その損傷エンジンの損傷率が、予め決められた損傷エンジンの最大損傷率よりも小さいように、その損傷エンジンの少なくとも１つの動作限界を変更するように、及び、
１つ又は複数の損傷エンジンの上記少なくとも１つの動作限界に適用される変更を制御ユニットに知らせるように構成されており、
制御ユニットは、１つ又は複数の損傷エンジンに関する上記少なくとも１つの動作限界に適用される上記変更を計算に入れながら、ベイを制御するように構成されている。

この実施態様では、上記実施態様と違って、動作限界更新ユニットの機能は、中央コンピュータ内で行われる。

本発明は、さらに、上記定義の通りの制御システムを含むマルチエンジンベイも提供する。

本発明は、非限定的な具体例として示されている実施形態の以下の詳細な説明を理解する時に適切に理解されることが可能であり、及び、本発明の利点がより適切に明らかになる。この説明は添付図面を参照する。

「トップダウン型」実施形態と呼称される、本発明の第１の実施形態におけるマルチエンジンベイの略側面図である。 「ボトムアップ型」実施形態と呼称される、本発明の第２の実施形態におけるマルチエンジンベイの略側面図である。 様々なスラスト値に関するエンジンに対する損傷の変化を、図１に示されているベイの１つのエンジンに関して示すグラフである。 図１に示されているベイの１つのエンジンに関して、本発明がそのエンジンを制御するために使用されるか否かに対応する、エンジンに関する時間の関数としての損傷の変化とドリフトとを示す。 一実施形態における本発明の方法の諸段階を示す流れ図である。

以下では、マルチエンジンベイ１０を、図１と図２とをそれぞれに参照して、２つの互いにわずかに異なる実施形態において説明する。

両方の実施形態では、マルチエンジンベイ１０は、それぞれに２０Ａ、２０Ｂ、…、２０Ｊと参照番号が付与されており、且つ、エンジン２０として集合的に参照番号が付与されている、１０つのエンジンを備える（図１には５つのエンジンだけが示されている）。

このベイは、さらに、２つの推進剤タンクと、推進剤を分配して加圧する回路と、様々な追加の装置部品（図示されていない）とを有する。

これらのエンジンの各々は、ノズル（ノズル２４Ａ、２４Ｂ、…、２４Ｊ）から上流に各々が配置されている燃焼室（燃焼室２２Ａ、２２Ｂ、…、２２Ｊ）を備えるロケットエンジンである。参照番号２２、２４は、それぞれに、燃焼室とノズルとを集合的に示すために使用されている。

ベイ１０は、制御システム３０によって制御される。

制御システム３０は、中央コンピュータ３１と、１０つのエンジンコンピュータ３４Ａ、３４Ｂ、…、３４Ｊを備える。

エンジンの動作と制御とに関する情報を交換するエンジンコンピュータ３４Ａ、３４Ｂ、…、３４Ｊと中央コンピュータ３１は、データ伝送バス３６によって互いに接続されている。

制御システム３０は、３つの機能ユニット、即ち、ベイの全体的制御のための制御ユニット３２と、エンジン正常性評価ユニット３８と、動作限界を更新するためのユニット４０とを備える。制御ユニット３０は、さらに、各々のエンジンの動作の制御のために、エンジン制御ユニット４２を備える。制御ユニット３２と、エンジン正常性評価ユニット３８と、動作限界更新ユニット４０は、制御システム３０内で実行される機能モジュールである。

制御ユニット３２は、個々のエンジン２０に伝送されるためのコマンドを計算するユニットである。例えば、これらのコマンドは、特に、エンジンが特定の時点に供給することが求められているスラストの値によって構成されてもよい。

各々のエンジンにおいて、且つ、制御ユニット３２から受け取られるコマンドに基づいて、エンジンコンピュータ３４は、個々のアクチュエーターの動作限界を計算に入れながら、エンジンのアクチュエーターの各々に伝送されるべきコマンド（調節可能なバルブが開かれなければならない度合いを決定するコマンド等）を計算し、及び、このエンジンコンピュータ３４は、これらのコマンドをアクチュエーターに伝送する。

制御システム３０のユニットによって行われる計算のすべては、エンジンに対する制御の連続性を確実なものにするように、周期的にリアルタイムで行われる。

制御ユニット３２は、ランチャーのために必要とされる合計スラストＦをベイが供給するように、且つ、各エンジンがそのエンジンに適用可能である１組の動作限界に準拠して動作させられるように、ベイのためのコマンドを計算する。

これと同時に、ベイが動作中である間に、エンジン正常性評価ユニット３８は、エンジン各々の健全性の状態、即ち、エンジン各々の劣化の状態、及び、より概括的にはベイの劣化の状態を連続的に（即ち、周期的に）評価する。特に、エンジン正常性評価ユニット３８は、エンジン各々の損傷ＥＮＤＯを各時間ステップ毎に周期的に評価する。損傷ＥＮＤＯの値は、動作限界更新ユニット４０に伝送される。

動作限界更新ユニット４０（以下では、簡明にするために「ユニット４０」と呼称される）は、各エンジンに関する予め決められた値に対して、各エンジンの損傷を比較するように構成されている。

特定のエンジンに関して、その損傷が、最大の許容可能な損傷レベルであるように選択されている予め決められた値を超える場合には、ユニット４０は、その損傷エンジンが損傷させられている比率が、エンジン損傷の予め決められた最大率ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘよりも小さいように、そのエンジンの動作限界の少なくとも１つを変更する。

変更された動作限界の値は制御ユニット３２に伝送され、この制御ユニット３２は、そのエンジンに適用されるべきコマンドを決定するために、この変更された動作限界を計算に入れる。

制御システム３０の機能ユニットの各々は、概ね一定不変である２つの計算サイクルの間の時間ステップサイズを用いて、循環的に且つ反復的に、リアルタイムで、その機能ユニットに割り当てられている計算ステップを行う。

各サイクル毎に、制御ユニット３２が、エンジン２０の制御ユニット３４に伝送されなければならないコマンド（例えば、スラストセットポイント（ｔｈｒｕｓｔ ｓｅｔｐｏｉｎｔ））を計算する。エンジン正常性評価ユニット３８が、個々のエンジン２０の損傷のそれぞれのレベルを計算する。ユニット４０は、各エンジン２０の損傷ＥＮＤＯを最大許容可能損傷値ＥＮＤＯ＿Ｓと比較し、及び、この値が超えられる時に、１つ又は複数の当該エンジンの動作限界の１つ又は複数を変更する。

図５に要約されているように、行われる方法は、したがって、
ａ）所望のスラストを供給するようにベイが制御され、及び、各エンジンは、そのエンジンに関して指定された１組の動作限界に準拠する形でベイが動作させられる段階と、
ｂ）各エンジンの損傷レベルＥＮＤＯが周期的に評価される段階と、
ｃ）各エンジンに関して、そのエンジンの損傷レベルＥＮＤＯが予め決められた値ＥＮＤＯ＿Ｓを超えるか否かが周期的に検出される段階と、
ｄ）エンジンの損傷が予め決められた値ＥＮＤＯ＿Ｓを超える場合に、そのエンジンは損傷していると見なされ、及び、その損傷エンジンの損傷率ｄＥＮＤＯ／ｄｔが予め決められたエンジン最大損傷率ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘよりも小さいように、その損傷エンジンの動作限界の少なくとも１つが変更される段階とを含む。

ユニット３２、３８、４０、４０（この場合にユニット４０は段階ｃ）と段階ｄ）の両方を行う）によってそれぞれに行われる動作を含む段階ａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）の各々は、周期的に行われる必要があるが、これらの段階は任意の順序で行われてよい。

具体例として示されている、本発明の２つの実施形態の特徴を以下で説明する。

トップダウン型アーキテクチャー
第１の実施形態（図１）では、電子制御システム３０は、段階ｄ）において動作限界に対する変更が「集中化した（ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ）」形で行われるので、「トップダウン型」と呼ばれる動作を示している。

この実施形態では、エンジン正常性評価ユニット３８は、エンジンコンピュータ３４内に組み込まれているソフトウェアモジュールによって構成されている。ベイ１０が動作中である間に、各エンジンに関して、エンジン健全性評価モジュールは、エンジンの損傷レベルＥＮＤＯを周期的に評価する。その次に、エンジン健全性評価モジュールは、損傷レベルを表示するフラグをコンピュータ３１に送る。

動作限界更新ユニット４０は、中央コンピュータ３１内に組み込まれているソフトウェアモジュール４０によって主として構成されている。

各エンジンに関してエンジン健全性モジュールから受け取られたＥＮＤＯフラグに基づいて、ユニット４０は、エンジンの損傷レベルＥＮＤＯが予め決められた値ＥＮＤＯ＿Ｓを超えるか否かを評価する。

この比較を行う時に、ユニット４０が、エンジンが損傷していることを検出する場合に、ユニット４０は、そのエンジンの信頼性を保証するために、エンジンの動作限界の１つ又は複数を変更する。この具体例では、動作限界を変更するユニット４０は、エンジンの動作点を低下させること、即ち、そのエンジンの最大公称スラストを低減させることにある。本発明においては、この変更は、損傷エンジンの損傷率が、予め決められたエンジン最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも低く保たれるように行われる。

その次に、ユニット４０は、最大公称スラスト値を制御ユニット３２に伝送する。

制御ユニット３２は、基本的に、中央コンピュータ３１内に組み込まれているソフトウェアモジュール３２によって構成されている。動作限界更新ユニット４０から受け取られる変更された動作限界の関数として、制御ユニット３２は、所望の値に全スラストを維持するために、個々のエンジンによって給送されるべきそれぞれのスラスト値を計算する。制御ユニット３２は、エンジンコンピュータ３４に対して、このように決定されたそれぞれのスラスト値を送る。

エンジンコンピュータ３４内において、及び、受け取られたスラスト値の関数として、エンジン制御ユニット４２は、個々のエンジン２０をそれぞれに制御するように作用する。

「ボトムアップ型」アーキテクチャー
以下では、第２の実施形態（図２）における、電子制御システム３０のアーキテクチャーを説明する。この実施形態は、次で説明する相違点を除いて、第１の実施形態と同じである。

この実施形態では、上述したように、エンジン正常性評価ユニット３８は、エンジンコンピュータ３４内に組み込まれているソフトウェアモジュール３２によって構成されている。ベイ１０が動作中である間に、各エンジンに関して、エンジン健全性評価モジュール３８は、そのエンジンの損傷レベルＥＮＤＯを周期的に評価する。

動作限界更新ユニット４０は、上記実施形態とは対照的に、エンジンコンピュータ３４内に配置されているソフトウェアモジュール（同じく参照番号４０で示されている）で基本的に構成されている。

したがって、この実施形態では、各エンジンにおいて、損傷フラグＥＮＤＯが、エンジン健全性評価モジュール３８によって、エンジンコンピュータ３４内の動作限界更新モジュール４０に送られる。

そのエンジンの損傷ＥＮＤＯが予め決められた値ＥＮＤＯ＿Ｓを超える場合には、動作限界更新モジュール４０は、損傷エンジンの損傷率ｄＥＮＤＯ／ｄｔが予め決められたエンジンの最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも低いように、そのエンジンの動作限界の少なくとも１つを変更する。

その次に、モジュール４０は、
エンジンの最大スラスト値が制限され終わっていることを表示する第１のフラグ「Ｆｌａｇ １」と、
エンジンの新たな最大スラスト値を表示する第２のフラグ「Ｆｌａｇ ２」とを制御ユニット３２に伝送する。

採用随意に、第２のフラグは、効率のレベルの形態で表現されてもよく、即ち、第２のフラグによって伝送される値は、単に、モジュール４０によって決定される、計算に入れられるべき最大スラスト値と、エンジンが完全な動作状態にある時のそのエンジンの公称最大スラストを定義する初期最大スラスト値との間の比率である。したがって、効率のレベルは、そのエンジンの公称（又は、初期）動作限界（そのエンジンの公称最大スラスト）によって除算した、そのエンジンの変更された動作限界（そのエンジンの実際の最大スラスト）の間の比率を表す。

上述したように、制御ユニット３２は、個々のエンジンの動作限界に対して行われた変更を計算に入れながら、ベイを制御するように構成されている。

制御システム３０の動作は、本発明によるベイ１０を制御する方法の実施の具体例からより適切に理解されることが可能である。

最初に、エンジン２０の健全性の状態が劣化させられるプロセスを、図３を参照して説明する。

図３は、エンジン２０の損傷レベルＥＮＤＯがどのように時間の関数として変化するかを示す、曲線Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の形の図である。この図では、損傷レベルＥＮＤＯは縦座標軸に沿ってプロットされており、及び、時間は横座標軸に沿ってプロットされている。損傷の時間微分レベルｄＥＮＤＯ／ｄｔは、「損傷率」と呼称されている。

マルチエンジンベイ１０が使用される時には、各エンジンの損傷レベルＥＮＤＯは、曲線Ｓにしたがって、時間の経過に応じて増大する。

各エンジン２０に関して、そのエンジンに加えられる応力の関数として、即ち、そのエンジンが出力することが求められるスラストの関数として、損傷レベルＥＮＤＯが増大する。したがって、最も応力がかけられている（即ち、最大のスラストを出力する）エンジンの損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）が、より少ない応力がかけられているエンジンの損傷率よりも高い。曲線Ｓは、エンジンの要求されたスラストの様々な値に関する損傷レベルＥＮＤＯの変化を示す。曲線Ｓ１は最大スラストに対応し、及び、曲線Ｓ３は最小スラストに対応する。

これらの曲線の各々は、損傷レベルＥＮＤＯが値ＥＮＤＯ＿Ｓに達するまで連続する第１の期間を表し、及び、この第１の期間中は、損傷レベルＥＮＤＯは比較的緩慢に増大する。

したがって、エンジン２０に関しては、損傷レベルがこの損傷レベルＥＮＤＯ＿Ｓよりも低い限り、信頼性が優れており、及び、故障の確率ＥＮＤＯは非常に低いままである。

この期間中は、エンジンに対する最も最近のメンテナンス作業をした時点からの測定された、そのエンジンが使用されてきた持続時間ｔに比例している形で、損傷レベルＥＮＤＯが全体的に増大する。（当然であるが、損傷レベルＥＮＤＯは、エンジンが実際に被る応力をより詳細に計算に入れることによって、そのエンジンに関してより正確に計算されうる。）

損傷レベルが値ＥＮＤＯ＿Ｓを超えると、且つ、第２の期間中に、損傷レベルＥＮＤＯは、はるかにより迅速に増大し始める。この損傷レベルＥＮＤＯ＿Ｓから、そのエンジンは損傷していると見なされる。

したがって、曲線Ｓは、２つの期間を区別する働きをし、即ち、故障の確率がその期間中は非常に低い状態のままであり、及び、時間の関数として非常に緩慢に増大する第１の期間（ＥＮＤＯ＜ＥＮＤＯ＿Ｓ）と、エンジンがその期間中にはるかに迅速に劣化する（単位時間当たりの損傷の増加の速度が高い）第２の期間（ＥＮＤＯ＞ＥＮＤＯ＿Ｓ）とを区別する働きをする。

損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）は、第２の期間中においては、エンジンに要求されるスラストが小さい時に、これに対応する形で、より小さい。したがって、第２の期間中は、曲線Ｓ３の勾配は、曲線Ｓ２の勾配よりも小さく、及び、曲線Ｓ１の勾配よりも遙かに小さい。

この例では、曲線Ｓ３に対応し且つ曲線Ｓ３の第２の部分（ｔ＞Ｔ３）内で生じる、スラストに関するそのエンジンの損傷率が、ロケットによって行われなければならないミッションの場合に、許容可能である損傷率であるということが理解される。

したがって、曲線Ｓ３に対応するスラストよりもそのスラストが大きくはないようにエンジンを抑制することによって、そのエンジンの損傷率が、許容可能であると見なされている予め決められた値（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも低い（又は、最悪でもこの値に等しい）ことを確実なものにする役割を果たす（これは、曲線Ｓ３を有する第２の期間中のそのエンジンの損傷率である）。

本発明は、この特性を次のように利用する。エンジンが損傷しており、そのエンジンの損傷レベルが予め決められた値ＥＮＤＯ＿Ｓを超えているということが観察された直後に（即ち、そのエンジンが第２の期間中に動作を開始した直後に）、そのエンジンの１つ又は複数の動作限界が変更され（この例では、そのエンジンに要求される可能性がある最大スラストが低減させられ）、したがって、そのエンジンは、最大許容可能損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）であると見なされている損傷率よりもそのエンジンの損傷率が小さい（スラストコマンドに関する）動作点において動作させられる。

したがって、この具体例では、そのエンジンに対する損傷レベルが値ＥＮＤＯ＿Ｓに達することが観察された直後に、そのエンジンに要求される可能性がある最大スラストが、そのエンジンの最大スラストを曲線Ｓ３に対応するスラストに設定することによって低減させられる。この時点から、そのエンジンのために計算されるスラストは必然的にその最大スラストよりも小さい。したがって、この時点から、そのエンジンに要求されるスラストは、曲線Ｓ３に対応し且つ比較的低い損傷率をもたらすスラストよりも低い。したがって、この時点から、そのエンジンの損傷率はｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘよりも低い状態のままである。

この作用は、エンジンに要求されるスラストを直接的に減少させることによっては行われず、エンジンの動作限界（即ち、エンジンの最大スラストのための限界値）に対して変化を加えることによって行われる。当然であるが、例えばポンプの最大回転速度等のような、任意の他の動作限界が選択されることも可能である。

動作限界に対する変更、又は、動作制約条件に対する変更は、モジュール４０によって決定され、及び、その次に、ベイ制御ユニット（モジュール３２）によって計算に入れられ、これによって、通常は、そのエンジンからのスラストの低減を結果的に生じさせる。

ベイから得られる動作が図４に示されている。

ここで想定されているシナリオは、当該エンジンに応じてそのエンジンに対してメンテナンスが多かれ少なかれ最近において行われ終わっているエンジン２０をマルチエンジンベイ１０が有する、再使用可能なランチャーのシナリオである。したがって、飛行中の特定の時点において、そのエンジンは、それぞれの故障確率ＴＡ、ＴＢ、…，ＴＪを呈する。

その目的は、ミッションの持続時間全体にわたって、エンジン各々の損傷レベル（故障確率）を可能な限り低いレベルに保つことである。個々のエンジンの故障確率は、曲線Ｓ上の点の形で、図４に示されている。

図４は、特定のエンジン２０における、且つ、２つの互いに異なるシナリオにおける、損傷レベルＥＮＤＯと損傷レベルの時間微分ｄＥＮＤＯ／ｄｔとのそれぞれにおける変動を、曲線Ｓ、Ｓ'、Ｃ、Ｃ’の形で示している。

この両方のシナリオでは、検討中のエンジン２０の損傷レベルＥＮＤＯは、第１の期間Ｌ１の終わりに時点ＴＳにおいて値ＥＮＤＯ＿Ｓに達する。

第１のシナリオ（曲線Ｓ、曲線Ｃ）では、本発明は行われず、一方、第２のシナリオ（曲線Ｓ’、曲線Ｃ’）では、当該エンジン２０の動作限界の少なくとも１つを変更することによって、即ち、そのエンジンに要求される可能性がある最大スラストを低減させることによって、本発明が行われる。

第１のシナリオでは、時点ＴＳにおいては処置が開始されないので、エンジンは第２の動作期間Ｌ２に移行する。

この第２の動作期間Ｌ２（ｔ＞ＴＳ）中に、第１の想定されたシナリオでは、当該エンジン２０は、その最大スラストで使用される。そのエンジンの損傷レベルは迅速に増大し、及び、その損傷率はｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ（曲線Ｃ）よりも大きい。

これとは反対に、第２のシナリオでは、当該エンジン２０の損傷レベルが値ＥＮＤＯ＿Ｓに達し終わっていることが検出された直後に、このエンジンに要求される可能性がある最大スラスト値を低減させることによって動作限界が変更される。

この変更は、このエンジンの損傷率の低下をもたらし、このことは、値ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘに対応する図４の一点鎖線の下方に曲線Ｃ’が位置するということによって表されている。したがって、このことは、ミッションの終了時の損傷レベルが、動作限界が変更されなかった場合に生じていたはずである損傷レベルよりも小さいように、このミッションが継続されることを可能にする。

時点ＴＳにおいて損傷していることが検出されたエンジン２０の動作限界に対する変更、即ち、エンジン２０の最大スラストを低減させることは、このエンジンに関するコマンドを再計算させるようにベイの制御ユニット３２に強制する。これらのコマンドは、このエンジンに関する最大スラストのための変更された値を計算に入れながら、再計算される。エンジン２０に関してこのように再計算されたコマンドは、このエンジンの動作限界に対する変化によって変更されても又は変更されなくてもよい。

エンジン２０に関する動作限界の変更の結果として、時点ＴＳ後のそのエンジンの損傷率ｄＥＮＤＯ／ｄｔは、必然的に、動作限界（特に、エンジンの最大スラスト）が変更されなかった場合のその損傷率ｄＥＮＤＯ／ｄｔに比べて、より低い。

したがって、段階ｃ）においてエンジン２０の動作限界を変更することは、検討中のエンジンの劣化率の減少を結果的にもたらし、及び、したがって、そのベイの中の他のエンジンの劣化率を増大させる原因となる可能性がある。しかし、他のエンジンがより低い損傷レベルを有するので、これらのエンジンの劣化率は、有利なことに、より低く、及び、したがって、採用される方策が、ベイの全体的損傷の増大を減少させる役割を果たし、即ち、時間の関数として増大する、エンジンを損失する危険性を減少させる役割を果たす。

エンジンの損傷率が低減させられるようにエンジンの１つ又は複数の動作限界を変更するために、様々な方策が採用されてもよい（即ち、様々な変更が動作限界に加えられてもよい）。反動エンジンの動作限界の個数を考慮すると、動作限界のすべてを本明細書に列挙することは不可能である。

エンジンの損傷率を減少させるための主要な方策は、エンジンによって供給されることがある最大スラストを単に減少させることである。こうした状況においては、エンジンの動作限界のすべては、そのエンジンを制御するために、計算に入れられる最大スラスト値を減少させることによって変更される。

別の方策では、エンジンのための最大混合比を減少させうる。混合比の値は、特に、燃焼室内の燃焼ガスが到達する温度を決定する。この温度が高ければ高いほど、燃焼室の劣化がより迅速であり、即ち、エンジンに対する損傷率がより高い。

別の方策では、推進剤の一方及び／又は他方がエンジンに給送される最大率を低減させうる。これらの比率を低減させることは、１つ又は複数の推進剤給送ターボポンプの最高回転速度を減少させる役割を果たし、及び、したがって、ターボポンプの損傷率を低減させ、及び、したがって、エンジンの損傷率を低減させる役割を果たす。

Claims (9)

1. マルチエンジンベイ（１０）を制御する方法において、
   前記方法は、
   ａ）前記マルチエンジンベイが所望のスラストを供給するように、且つ、各エンジンがそのエンジンに関する１組の動作限界にしたがって作動させられるように、前記マルチエンジンベイを制御する段階と、
   ｂ）前記エンジンの各々に関する損傷レベル(ＥＮＤＯ）を周期的に評価し、前記エンジンの前記損傷レベルは、前記エンジンの故障の確率を表している情報である、段階と、
   ｃ）前記エンジンの各々に関して、前記エンジンの各々の前記損傷レベル（ＥＮＤＯ）が予め決められた値（ＥＮＤＯ＿Ｓ）を超えるか否かを周期的に評価する段階と、
   ｄ）「損傷」エンジンと呼称されるエンジンの前記損傷レベルが、予め決められた値を超える場合に、前記損傷エンジンの損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）が予め決められた前記損傷エンジンの最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも小さいように、前記損傷エンジンの少なくとも１つの動作制約条件を変更する段階とが行われる、制御方法。
2. 前記エンジンの１つ又は複数の前記動作限界に対する変更は、前記エンジンの最大スラスト値を低減させることを含む、請求項１に記載の制御方法。
3. エンジンの前記損傷レベルは、前記エンジンのサブシステムのそれぞれの損傷レベルの最大値の関数として計算される、請求項１又は２に記載の制御方法。
4. エンジンの各々に関して、前記段階ｂ）において、前記エンジンの前記損傷レベルは、より早期の時点における前記エンジンの少なくも１つの損傷レベルの関数として評価される、請求項１～３のいずれか１項に記載の制御方法。
5. マルチエンジンベイのための制御システム（３０）において、
   前記制御システム（３０）は、
   ａ）前記マルチエンジンベイが所望のスラストを供給するように、且つ、各エンジンがそのエンジンの１組の動作限界にしたがって動作させられるように、前記マルチエンジンベイを制御するために適している制御ユニット（３２）と、
   ｂ）前記エンジンの各々に関する損傷レベル（ＥＮＤＯ）を周期的に評価するように構成されており、且つ、エンジンの前記損傷レベルがエンジン故障の確率を表している情報である、エンジン正常性評価ユニット（３８）と、
   ｃ）各エンジンに関して、前記エンジンの前記損傷レベルが予め決められた値（ＥＮＤＯ＿Ｓ）を超えるか否かを周期的に評価し、及び、「損傷」エンジンと呼称されるエンジンの損傷レベルが予め決められた値を超える場合に、前記損傷エンジンの損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）が予め決められたエンジンの最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも小さいように、前記損傷エンジンの少なくとも１つの動作レベルを変更するように構成されている動作限界更新ユニット（４０）とを備える、ことを特徴とするマルチエンジンベイのための制御システム。
6. 前記動作限界更新ユニット（４０）は、前記損傷エンジンの最大スラストを低減させることによって前記損傷エンジンの前記少なくとも１つの動作限界を変更するように構成されている、請求項５に記載のマルチエンジンベイのための制御システム。
7. 前記制御システム（３０）は、各エンジン毎のためのエンジンコンピュータ（３４）を備え、
   前記動作限界更新ユニット（４０）は、各々の前記エンジンコンピュータ（３４）内に、動作限界更新モジュール（４０）を備え、前記動作限界更新モジュール（４０）は、
   予め決められた値（ＥＮＤＯ＿Ｓ）を前記エンジンの前記損傷レベルが超えるか否かを周期的に評価し、
   前記予め決められた値を前記エンジンの前記損傷レベルが超える場合に、予め決められたエンジン最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも前記損傷エンジンの損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）が小さいように、前記損傷エンジンの少なくとも１つの動作限界を変更し、
   前記損傷エンジンの前記少なくとも１つの動作限界に適用される変更を制御ユニット（３２）に知らせるように構成されており、
   前記制御ユニット（３２）は、１つ又は複数の損傷エンジンに関する前記少なくとも１つの動作限界に対して適用される前記変更を計算に入れながら、前記マルチエンジンベイを制御するように構成されている、請求項５又は６に記載のマルチエンジンベイのための制御システム。
8. 前記制御システムは、中央コンピュータ（３１）と、前記エンジンの各々のためのエンジンコンピュータ（３４）とを有し、さらに、
   各エンジンコンピュータ（３４）内において、前記エンジン正常性評価ユニット（３８）が、前記エンジンの各々に関する損傷レベル（ＥＮＤＯ）を周期的に評価するように構成されているエンジン健全性評価モジュールを備え、
   前記動作限界更新ユニット（４０）は、前記中央コンピュータ（３１）内において、動作限界更新モジュール（４０）を備え、前記動作限界更新モジュール（４０）は、
   その前記エンジン健全性評価モジュールによって通信される個々のエンジンのそれぞれの損傷レベルに基づいて、予め決められた値（ＥＮＤＯ＿Ｓ）をそのエンジンの損傷レベルが超えるか否かを、前記エンジンの各々に関して評価するように、
   前記損傷レベルが予め決められた値を超える「損傷」エンジンと呼称される各々のエンジンに関して、前記損傷エンジンの損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ）が、前記予め決められたエンジン最大損傷率（ｄＥＮＤＯ／ｄｔ＿ｍａｘ）よりも小さいように、前記損傷エンジンの少なくとも１つの動作限界を変更するように、及び、
   前記１つ又は複数の損傷エンジンの前記少なくとも１つの動作限界に適用される前記変更を前記制御ユニット（３２）に知らせるように構成されており、
   前記制御ユニット（３２）は、前記１つ又は複数の損傷エンジンに関する前記少なくとも１つの動作限界に適用される前記変更を計算に入れながら、前記マルチエンジンベイ（１０）を制御するように構成されている、請求項５又は６に記載のマルチエンジンベイのための制御システム。
9. 請求項５～８のいずれか１項に記載の制御システムを含むマルチエンジンベイ（１０）。

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