JP7471410B2 - 液体燃料ロケット用のバルブタイミングシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、バルブの制御に関し、より詳細には、液体燃料ロケットの最小インパルスビット期間を減少させるバルブタイミングおよび制御に関する。

液体燃料ロケットおよび他の同様のシステムは、バルブおよびバルブの制御を利用して、燃焼器への燃料の流れを制御し、これにより、燃焼器によって生成される推力を制御する。バルブの作動中に、バルブが開いたまま維持される最も小さい期間が最小インパルスビット（ＭＩＢ）と呼ばれ、この最小インパルスビットは、バルブを介して流体流れに適用され得る制御の粒度、および従って、液体燃料ロケットエンジンの推力制御の粒度を要求する。

任意の所与のバルブの最小インパルスビット時間は、バルブの開応答および閉応答のばらつきに起因して変化し得る。このばらつきは、バルブの経年変化、バルブの摩耗、バルブが作動している環境条件等を含む任意の数の要因に基づくものである。ばらつきを補償し、予測可能な一貫した制御を提供するために、離散的なバルブの作動が、一般に、バルブの実際の最小インパルスビットよりも僅かに長く実施される。
また、液体燃料ロケットのバルブの最小インパルスビット期間を含む先行技術文献の一例として、最小インパルススラスタの最小インパルスビット期間を示す非特許文献１であるＪ．Ｍｏｒｇａｎ Ｐａｒｋｅｒ ｅｔ ａｌ．ＴＨＥ ＭＩＮＩＭＵＭ ＩＭＰＵＬＳＥ ＴＨＲＵＳＴＥＲが挙げられる。

一例では、バルブコントローラは、少なくとも１つの電流センサ入力部と、少なくとも１つの電圧センサ入力部と、プロセッサが少なくとも１つの電流センサ入力部および少なくとも１つの電圧センサ入力部に接続される、プロセッサおよびメモリと、を備え、バルブコントローラは、単一のバルブ作動の電流プロファイルおよび電圧プロファイルに基づいてバルブの少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを決定するように構成され、バルブコントローラは、バルブ制御を調整して、少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成される。

上述のバルブコントローラの他の例では、実際の最小インパルスビットは、少なくとも１つの外部要因と相互に関連付けられ、バルブコントローラは、バルブ制御を調整して、少なくとも１つの実際の最小インパルスビットおよび少なくとも１つの外部要因を構成するように構成される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、外部要因は、エンジン圧力およびバッテリ電圧の少なくとも１つである。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、バルブコントローラは、バルブの最初の作動での少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを決定するように構成される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、バルブコントローラは、バルブの更新された最小インパルスビットを周期的に決定するようにさらに構成される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、バルブコントローラは、バルブの最も直近に決定および更新された最小インパルスビットに基づいてバルブ制御を調整するようにさらに構成される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、最小インパルスビットは、最初のバルブ開時間に部分的に基づいており、該最初のバルブ開時間は、電流プロファイルの増加における低下部となるように決定される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、最小インパルスビットは、完全に閉じられたバルブ時間に部分的に基づいており、完全に閉じられたバルブ時間は、電圧スパイクと、バルブコントローラによってゼロにされたバルブ制御電流との間の時間となるように決定される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、最小インパルスビットは、最初のバルブ開時間に部分的に基づいており、最初のバルブ開時間は、電流プロファイルにおける低下部となるように決定される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、少なくとも１つの電流センサ入力部および少なくとも１つの電圧センサ入力部の各々は、バルブ制御信号ラインに接続されており、該バルブ制御信号ラインを検出するように構成される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、バルブ制御信号ラインは、液体燃料ロケットエンジンバルブに制御可能に接続される。

任意の上述のバルブコントローラの他の例では、液体燃料ロケットエンジンバルブは、燃料容器から燃焼器への液体燃料の流れを少なくとも部分的に制御する。

バルブの最小インパルスビットを決定する１つの例示的な方法は、バルブ制御信号の電流プロファイルおよび電圧プロファイルを監視し、電流増加における低下部の開始となるように最初のバルブ開時間を決定し、バルブ制御信号の電圧スパイクとなるようにバルブ完全閉時間を決定し、最初のバルブ開時間からバルブ完全閉時間までの時間の長さとなるようにバルブの最小インパルスビットを決定することを含む。

上記方法の他の例は、バルブの最小インパルスビットを少なくとも１つの外部環境要因と相互に関連づけることを含む。

任意の上記方法の他の例では、少なくとも１つの外部環境要因は、エンジン圧力およびバッテリ電圧の少なくとも１つを有する。

任意の上記方法の他の例は、方法を周期的に繰り返し、各繰り返しにおいて、決定された最小インパルスビットを更新することを含む。

一例に従う液体燃料ロケットエンジンは、燃焼器と、燃料ラインおよび第１バルブによって燃焼器に接続された液体燃料容器と、酸化剤ラインおよび第２バルブによって燃焼器に接続された酸化剤容器と、第１バルブにバルブ制御電流を出力するように構成され、少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成されたバルブコントローラであって、第１バルブの単一の作動の電流プロファイルおよび電圧プロファイルに基づいてバルブの少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを決定する指示を格納するバルブコントローラと、を備える。

上述の液体燃料ロケットエンジンの他の例は、バルブ制御電流の電流プロファイルを検出するように構成された少なくとも１つの電流センサと、バルブ制御電流の電圧プロファイルを検出するように構成された少なくとも１つの電圧センサとを備える。

本発明のこれらおよび他の特徴部は、以下の明細書および図面から最も良く理解されることができる。

大いに概略化した例示的な液体燃料ロケットエンジンの図である。 図１の液体燃料ロケットエンジンでの使用のための例示的なバルブ制御システムの概略図である。 図２のバルブ制御システムのバルブタイミングチャートを概略的に示す図である。 特定のバルブの最小インパルスビットを決定するために、実験的なタイミングデータを用いてバルブを作動させるプロセスを概略的に示す図である。

図１は、大いに概略化した例示的な液体燃料ロケットエンジン１０を概略的に示している。本開示に関連しないエンジン１０のシステムおよび制御は、説明の目的のために省略および／または簡素化され、本明細書に記載される概念を実施する実用的な液体燃料ロケットエンジンは、実用的な例を実施するのに必要とされ得る任意の数の付加的な構成およびシステムを有することができる。液体燃料ロケットエンジン１０は、液体燃料容器２０、酸化剤容器３０および燃焼器４０を備える。液体燃料容器２０は、燃料ライン２２を介して燃焼器４０に接続されており、流体バルブ２４が、燃焼器４０への液体燃料の流れを制御する。同様に、酸化剤容器３０は、流体ライン３２を介して燃焼器４０に接続されており、該燃焼器４０への酸化剤の流れは、流体バルブ３４によって制御される。バルブ２４，３４の各々は、コントローラ５０によって制御される。

燃焼器４０内では、液体燃料および酸化剤は、混合され、点火されて、残りの燃焼生成物はノズル４２を通して放出され、これにより、推力が生成される。生成された推力の大きさは、燃焼器４０へ噴射される液体燃料の量によって制御される。摩耗および環境条件のような種々の条件、およびバルブ毎の製造のばらつきに起因して、バルブ２４の最小インパルスビットは、ばらつきを含み得るものであり、許容ウインドウ内に入り得る。可能である最も離散的な制御を提供するために、ばらつきを最小化することが望ましい。

図１の参照を継続して、図２は、電気的に制御されるバルブ１１０を有したバルブ構成１００を示しており、バルブ１１０は、該バルブ１１０が開いているときにバルブ１１０を通して流体１２０を通過させ、バルブ１１０が閉じているときに流体１２０を通過させない。バルブ１１０は、電流信号１３０によって制御される。電流信号１３０は、コントローラ１４０の電流ドライバ１４２の部分から発生する。電圧センサ１３２および電流センサ１３４は、バルブ１１０に入力される電流信号１３０の電圧および電流（のそれぞれ）を監視するように構成されている。各センサ１３２，１３４のセンサ出力は、コントローラ１４０内のプロセッサ１４４に供給される。

バルブ１１０の作動中に、制御信号１３０は、初めにバルブ１１０を開くように高電流レベルに指令され、そして、バルブ１１０を介して流体を流す十分な時間の間、開位置にバルブ１１０を維持するように、より小さい「維持」レベルに落とされる。予め定義された期間後に、電流信号１３０はゼロにされ、バルブ１１０は閉じられる。最初に開いて完全に閉じられるまでの合計の期間は、最小インパルスビットである。

図１および図２の参照を継続して、図３は、時間（ｔ）に対する単一の例示的な最小インパルスビットの電流（ｉ）プロファイル２１０および電圧（ｖ）プロファイル２２０を示している。電流プロファイル２１０および電圧プロファイル２２０は、ｔ＝０（点２０１）で始まり、コントローラは、点２０２への安定的な電流増加の形態で制御開信号を開始する。電流プロファイルの点２０２では、バルブが開き始め、電流低下２０３が生じる。コントローラが開電流を出力し始めることと、バルブが開き始めることとの間の時間の長さは、開可変時間２１３と呼ばれる。最小インパルスビット（ＭＩＢ）は、バルブ２４，３４が完全に開かれる時間（点２０５）から、バルブ２４，３４が完全に閉じられる時間（点２０９）までの期間である。

破線２０４は、バルブが開かなかった場合の連続した電流の増加を示している。電流の低下は点２０５で終わり、該点２０５では、バルブの「完全に開いた」位置を示している。そして、電流プロファイルは、開バルブ制御信号の最大電流２０６へと増加し続け、予め定義された期間保持される。予め定義された期間の後に、コントローラは、（点２０６での）開制御レベルから、点２０７での維持制御レベルへと制御電流を低下させる。バルブが点２０８（ｔ＝１）で閉じるべきかをコントローラが判断するまで、維持制御電流は、安定的に保持される。閉じるという判断がなされると、コントローラは、電流を０アンペアにして、バルブを閉じる。バルブは、点２０９（ｔ＝２）で完全に閉じる。

制御電流がゼロまで到達した後のいくらかのディレイまでバルブが完全に閉じないので、コントローラは、電圧センサ信号および電流センサ信号を監視する。バルブがｔ＝２で完全に閉じるときに、電圧スパイク２２１が生じる。バルブが閉じるように指令された後でかつバルブが完全に閉じられる前の付加的な時間２１１は最小ビット時間に影響を与え、最小ビット時間内のばらつきの原因であり、閉可変時間２１１と呼ばれる。

電圧および電流を監視することにより、コントローラは、バルブが閉じるように制御されるときからバルブが実際に閉じるときまでの時間を決定することができ、バルブの最小ビット時間は、コントローラが可変時間２１１，２１３に加えてバルブを開いた期間となるように決定される。

現存のシステムは、時間どおりに、予め設定されたコントローラを使用し、可変時間は、最小インパルスビットのばらつきを生じさせる。図１～図３を継続して参照して、図４は、所与のバルブ１１０についての正確な最小インパルスビット長さを決定する例示的な方法３００を概略的に示している。最初に、バルブ１１０は、「バルブを初期化する」ステップ３１０において、第１の開／閉サイクルを備えて組み立てられ、取り付けられ、および提供される。開／閉サイクル中に、コントローラは、（図３に示される）電流プロファイル２１０および電圧プロファイル２２０を格納する。

コントローラのメモリに格納されると、電流プロファイル２１０および電圧プロファイル２２０は、「可変パラメータを決定する」ステップ３２０において、可変パラメータを決定するように分析される。一例では、可変パラメータは、閉可変時間２１１および開可変時間２１３である。決定されると、可変時間は、コントローラのメモリに格納され、コントローラは、「最小インパルスビットを決定する」ステップ３３０において、最小インパルスビット時間を決定する。

最小インパルスビットは、バルブが開き始めるときからバルブが完全に閉じられるときまでの時間の長さであり、点２０１での最初の指令オンから点２０８での指令オフ時間に、可変閉時間２１１を加算して、可変オン時間２１３を減算したものである。決定されると、最小インパルスビットは、「ＭＩＢを格納する」ステップ３４０において格納され、制御シーケンスが、特定のバルブの実際の最小インパルスビットを構成するように調整される。

ある例では、上記のプロセスによって生成された最小インパルスビットは、特定のバルブの全ての条件の下で正確となるように推定され、液体燃料ロケットエンジンの動作の全体にわたって利用され得る。付加的な制御容量が利用可能である他の例では、最小インパルスビットは、最も直近に決定された最小インパルスビットを利用する後続のバルブ作動を用いて、液体燃料エンジンの動作の全体にわたって再び計算され得る。

別の例では、最小インパルスビットは、複数の条件、例えばエンジン圧力、バッテリ電圧等の下で決定され得る。この例では、決定された最小インパルスビットは、コントローラにおいて、最小インパルスビットが決定されたときに存在した環境または他の条件と相互に関連づけられる。バルブ１１０の後続の作動は、バルブの現在検出された条件に対応する最小インパルスビットを利用し、より少ないばらつきを有したより正確なタイミングを提供することができる。

液体燃料ロケットエンジンの最小インパルスビットについて上述したが、本明細書で説明したバルブタイミングシステムが任意の流体バルブ制御システムに適用され得るものであり、液体燃料ロケットエンジンの用途に限定されないことが理解される。

任意の上述の概念を、単独で、もしくは、任意または全ての他の上述の概念と組み合わせて用い得ることがさらに理解される。本発明の実施例が開示されたが、当業者は、特定の修正が本発明の範囲内に含まれ得ることを理解するであろう。この理由のために、以下の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するように検討されるべきである。

Claims (18)

1. 少なくとも１つの電流センサ入力部と、
   少なくとも１つの電圧センサ入力部と、
   プロセッサが前記少なくとも１つの電流センサ入力部および前記少なくとも１つの電圧センサ入力部に接続される、前記プロセッサおよびメモリと、
   を備えた液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラであって、このコントローラは、単一のバルブ作動の電流プロファイルおよび電圧プロファイルに基づいて前記液体燃料ロケットエンジンバルブの完全に閉じられたバルブ時間および最初のバルブ開時間を決定するように構成され、前記コントローラは、前記完全に閉じられたバルブ時間および前記最初のバルブ開時間に基づいてバルブ制御を調整して、前記少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成される、液体燃料ロケットエンジンバルブ用のバルブコントローラ。
2. 前記実際の最小インパルスビットは、少なくとも１つの外部要因と相互に関連付けられ、前記コントローラは、前記バルブ制御を調整して、前記少なくとも１つの外部要因に関連する前記少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
3. 前記外部要因は、エンジン圧力およびバッテリ電圧の少なくとも１つであることを特徴とする請求項２に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
4. 前記コントローラは、前記バルブの最初の作動での前記少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを決定するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
5. 前記コントローラは、前記液体燃料ロケットエンジンバルブの更新された最小インパルスビットを周期的に決定するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
6. 前記コントローラは、前記液体燃料ロケットエンジンバルブの最も直近に決定および更新された最小インパルスビットに基づいてバルブ制御を調整するようにさらに構成されることを特徴とする請求項５に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
7. 前記最小インパルスビットは、前記最初のバルブ開時間に部分的に基づいており、該最初のバルブ開時間は、前記電流プロファイルの増加における低下部となるように決定されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
8. 前記最小インパルスビットは、前記完全に閉じられたバルブ時間に部分的に基づいており、前記完全に閉じられたバルブ時間は、電圧スパイクと、前記コントローラによってゼロにされたバルブ制御電流との間の時間となるように決定されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
9. 前記最小インパルスビットは、前記最初のバルブ開時間に部分的に基づいており、前記最初のバルブ開時間は、前記電流プロファイルにおける低下部となるように決定されることを特徴とする請求項８に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
10. 前記少なくとも１つの電流センサ入力部および前記少なくとも１つの電圧センサ入力部の各々は、バルブ制御信号ラインに接続されており、該バルブ制御信号ラインを検出するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
11. 前記バルブ制御信号ラインは、前記液体燃料ロケットエンジンバルブに制御可能に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
12. 前記液体燃料ロケットエンジンバルブは、燃料容器から燃焼器への液体燃料の流れを少なくとも部分的に制御することを特徴とする請求項１１に記載の液体燃料ロケットエンジンバルブ用のコントローラ。
13. 液体燃料ロケットエンジンバルブの最小インパルスビットを決定する方法であって、
    バルブ制御信号の電流プロファイルおよび電圧プロファイルを監視し、
    電流増加における低下部の開始となるように最初のバルブ開時間を決定し、前記バルブ制御信号の電圧スパイクとなるようにバルブ完全閉時間を決定し、
    前記最初のバルブ開時間から前記バルブ完全閉時間までの時間の長さとなるように前記液体燃料ロケットエンジンバルブの前記最小インパルスビットを決定することを含む、方法。
14. 前記液体燃料ロケットエンジンバルブの前記最小インパルスビットを少なくとも１つの外部環境要因と相互に関連づけることをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの外部環境要因は、エンジン圧力およびバッテリ電圧の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法を周期的に繰り返し、各繰り返しにおいて前記決定された最小インパルスビットを更新することをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 燃焼器と、
    燃料ラインおよび第１バルブによって前記燃焼器に接続された液体燃料容器と、
    酸化剤ラインおよび第２バルブによって前記燃焼器に接続された酸化剤容器と、
    前記第１バルブにバルブ制御電流を出力するように構成され、少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成される、前記第１バルブ用のコントローラであって、前記第１バルブの単一の作動の電流プロファイルおよび電圧プロファイルに基づいて前記第１バルブの完全に閉じられたバルブ時間および最初のバルブ開時間を決定するように構成され、前記完全に閉じられたバルブ時間および前記最初のバルブ開時間に基づいて前記少なくとも１つの実際の最小インパルスビットを構成するように構成されるバルブコントローラと、
    を備えた液体燃料ロケットエンジン。
18. 前記バルブ制御電流の電流プロファイルを検出するように構成された少なくとも１つの電流センサと、前記バルブ制御電流の電圧プロファイルを検出するように構成された少なくとも１つの電圧センサとをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の液体燃料ロケットエンジン。

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