JPH01109200A - 宇宙ビークルの推進剤消費量を監視する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数個の推進ユニットを備えた宇宙ビークルの
推進剤消費量を連続的に監視することに係す、特にビー
クルをそのサービス軌道から排出するのに充分な推進剤
を残した状態でのビークルの使用寿命の終わりを確認す
ることに関する。

静止軌道の飽和を回避するために宇宙ビークルの使用寿
命の終わりにこのような排出を行うことが必須になって
いる。

排出を可及的に遅く行い、しかもかかる排出が可能であ
るよう充分な安全度を以て行う必要があり、推進剤消費
量を監視する精密な方法および装置に対する要求が増え
ている。

現在、宇宙ビークル（自動または有人衛星）の使用寿命
の終わりの予測は精度が低く、その結果、軌道からの除
去（低高度軌道の有人または自動衛星を地上へ戻すこと
、静止衛星を混雑しない軌道に入れること）はその装置
の有効使用寿命をある程度犠牲にした安全度で行われて
いる。

今日まで使用されて来た技術は下記の３つに分類される
。

ａ−熱力学的方法 一定容積の貯蔵タンクにヘリウムのような予加圧したガ
スを入れ、搭載ヘリウムの質量を知れば、熱力学の式を
用いてヘリウムタンクおよび各推進剤タンクのの圧力お
よび温度を測定することにより、各推進剤タンクの推進
剤の量を計算できる。

この方法の精度はそれほど高くない。その理由は主とし
て物理−化学データ、即ち推進剤中のヘリウムの溶解度
、推進剤の密度、推進剤の飽和蒸気圧、貯蔵タンクの容
積などの信頼性に欠けるからである。

同じ問題はベロー型タンク（その使用は廃れつつある）
の場合にも生じる。ただし、この場合、ヘリウムと推進
剤との混合に起因する誤差は除去される。

ｂ−計数法 成る衛星では、姿勢および軌道制御推進ユニットの弁の
開閉に関する情報は地上ヘテレメータされ、消費された
推進剤の量は、平均比インパルス、平均推力および弁解
数時間に基づき、この情報からおおざっばに計算される
。

テレメータの内容も計算アルゴリズムも監視作用（混乱
トルクの見積もり、故障追尾など）の目的よりもむしろ
推進剤予算を確立する目的で前置て最適化されている。

このとき、システムレベルでの機能明細に用いられる推
進剤予算の精度の要求を表す式がない。

Ｃ−直接レベル、容積または流量測定法この分野の周知
の解法は総て、液レベル、液またはガス容積、液または
ガス流量を直接測定するための計器を述べている。

宇宙ビークルの用途では、容積と流量の測定のみが可能
である。総ての周知の装置は；対応する測定に専ら傾注
し、而して直接ｆｌｆｉｔ　（計器）および関連型ｆｆ
１（ケーブル、電源など）が増し、 宇宙で未だ証明されていない複雑な技術に基づくから使
用が極めて仮説的である。

また特許ＰＲ−２，４１４，７２１から、アルキメデス
推力を測定することに基づく低重量流量を測定する計器
が知られている。

本発明は大量のデータを地上へ伝送したり搭載装置の点
で体積や重量を太き（増すことなしに、宇宙ビークルの
推進剤消費量を正確かつ簡単に監視する方法および装置
に関する。

一観点では、本発明は作動手段により受信された作動指
令に従って作動手段により操作される複数個の推進ユニ
ットを備えた宇宙ビークルの推進剤消費量を連続的に監
視する方法であって、基準時間から各推進ユニットへ付
与される作動指令の数Ｎとその累積期間Ｓとを記憶し、
各推進ユニットにより前記参照時間から消費される推進
剤の質量Ｍを Ｍ＝ｆ　（Ｎ）＋ｇ　（Ｓ） から計算し、ここにｆとｇは所定の独立関数であり、各
推進ユニットにより消費される質量を総計する、方法に
在る。

本発明の好適実施例においてはニ ー、前記質量Ｍは Ｍ　　＝　（ｒｎｘ　ｓ）　十ｍ０ｘＮ）から計算し、
ここに市は与えられた推進ユニットの作動中の平均推進
剤流量、ｍｏは所定の一定質量であるニ ー、参照時間の周期的連続を規定し、各推進ユニットの
各参照時間に最後の参照時間からの作動指令の数と累積
期間とを記憶し、参照時間から消費される推進剤の質量
を計算し、このように相次いで計算された質量を総計す
るニ ー、作動指令の数Ｎと累積期間Ｓとを地上へ伝送し、消
費された推進剤の質量Ｍを地上で決める。

−１推進ユニツトにより消費される推進剤の質量はビー
クル上で決められ、地上へ伝送される。

他の観点では、本発明は複数個の推進ユニット、前記推
進ユニットに関連した作動手段、および作動指令を前記
作動手段へ付与する制御ユニットを備えた宇宙ビークル
の推進剤消費量を連続的に監視する装置であって、前記
制御ユニットに、論理ユニット、基準時間から前記作動
指令の数Ｎと累積期間Ｓとを記憶する前記論理ユニット
のメモリ部域、前記論理ユニットにより作られる論理信
号に従って前記作動指令を前記作動手段へ付与するパワ
ーステージ、各参照時間に前記部域の内容をサンプリン
グし、前記内容を表すテレメータ信号を地上へ伝送する
ユニット、および参照時間から消費される推進剤の質量
Ｍを Ｍ＝ｆ　（Ｎ）＋ｇ　（Ｓ） （ここにｆとｇは所定の関数である）から計算する手段
を含む、装置に在る。

本発明の好適実施例においては： −１前期作動手段は各々推進ユニットに関連した電磁弁
であるニ ー、前記作動手段は推進ユニットへの推進剤の流れを制
御する空気弁と前記パワーステージにより制御されかつ
前記空気弁への気体流体の流れを制御する電磁弁とを含
む； 一１圧力および／または温度センサを前記推進ユニット
に関連させかつ前記論理ユニットへ接続する。

本発明を実施するのに必要な最小の設備は下記の機能を
果たすものである： ａ）期間Ｔにおける推進ユニットの全作動時間の捕捉： ｂ）期間Ｔにおける推進ユニットの全作動回数の捕捉： Ｃ）このデータを記憶し、これを期間Ｔの終わりに地上
へ伝えること： ｄ）計算アルゴリズムを物理的に実施することｅ）デー
タの受容と記憶。

一般に、機能ｃ）、ｄ）および＋ｅ）は衛星または地上
に既に存在する設備により実施でき、この設備を広い意
味で規定するに当たり対応要件を許されることのみを必
要とするだけである。

機能ａ）とｂ）は衛星の設計の際に明示されるべきであ
る。

周知のように、パルスモードの推進ユニットノ性能は測
定可能な下記の２つのパラメータにより特徴付けられる
ニ ー、インパルスビットＩＢ。

一１推進ユニット弁の平均電気解放時間Ｔｏおよび電気
閉鎖時間ＴＦ（最後のパルスから）の関数として与えら
れた比インパルス■Ｓ０これら２つのパラメータは一般
に別々に測定され、これらから、源に応じて、数値機能
の表または各変数、即ち 一１ｌＢ＝Ｆｌ　（Ｔｏ、ＴＦ）、 −１ＩＢ＝Ｆ２　（Ｔｏ、ＴＦ）（測定値は与えられた
入口圧力および与えられた推進剤温度に対するものであ
る）の表が演鐸される。

１ＢをＩｓで割ると、与えられたインパルス（ＴＯ，Ｔ
Ｆの関数として）に対する推進剤消費量が得られ、故に
、衛星の全寿命に対するＴＯとＴＦを知って推進剤予算
を作ることは簡単である。

ＴｏとＴＦを正確に規定するためには大量の情報が必要
であり、少なくともテレメトリ７オーマ。

トが混雑している理由で、これを地上へ伝送することは
未だ考慮されていない。

他方、本発明のアルゴリズムは下記の２つのデータのみ
を必要とする： ｌ）与えられた期間の作動期間の総和（推進ユニット１
つに付きカウンタ１つ）； ２）同じ期間中のパルスの全数（推進ユニット１つに付
きカウンタ１つ）。

このデータを充分なものにするために、関数Δｍ＝Ｆ　
（Ｔｏ、ＴＦ）は下記のように簡単にされる。

一１Δｍ＝　（ｍｘＴｏ）＋ｍ。

ここに糸＝平均推進剤流量 ｍ、−各インパルスで消費された推進剤の一定質量 即ち、閉鎖時間に起因するΔｍの変動は各インパルスで
推進ユニットの下流側で回路へ注入され推進に使用され
なかった一定質量の推進剤の宇宙での蒸発により生じる
； 一１市とｍｏは関数ｍ、＝Ｆ　（ｒｈ、Ｔｏ、ＴＦ）を
統計的に処理することにより得られる値ｍ０の平均標準
偏差を最小にするように市を選択することにより値Δｍ
＝　（’ｒｏ、ＴＦ）から計算される一１Ｔｏ、ＴＦお
よび市は大きい精度で既知であり、この方法の誤差は平
均標準偏差ｍ、に起因する。使用される推進剤予算は下
記のように作られる： Ｍ＝　（＋ｍｘ　（ΣＴｏ））＋　（ｍ０ｘＮ）ここに
、ΣＴＯ＝作動期間の合計、 Ｎ＝インパルスの総数。

推進剤予算の精度は下記の二次設備を含むことにより高
められる。

一１貯蔵タンクの数および推進装置の複雑性に応じて、
１つ以上の圧力センサを設け、貯蔵タンクの圧力または
推進ユニット弁の入口側における推進剤の圧力を与える
； −、データＩＢとＩｓを測定された圧力に関連付ける従
来の計算アルゴリズム、 一１貯蔵タンクの数および推進装置の複雑性に応じて、
１つ以上の温度センサを設け、貯蔵タンクの温度または
推進ユニット弁の入口側における推進剤の温度を与える
； −、データ！ＢとＩＳを測定された温度に関連付ける従
来の計算アルゴリズム。

一般に、本発明は下記のものに適用できるニー、ガスま
たは液推進装置ニ ー、開閉時間を測定できる弁により流量を制御するよう
にした種類の加圧装置。

本発明の目的、特徴および利点は添付図面に関する以下
の記載から明らかになろう。

第１図は推進ユニット２を備えた衛星に搭載した本発明
を実施するのに必須の部品を示す模式図である。

各推進ユニット２は各種推進ユニットに共通の制御ユニ
ット４から作動指令を受は取る作動手段３を備える。

制御ユニットは論理ユニット５、メモリ部域６、パワー
ステージ７、および地上Ｔと情報を交換するテレメトリ
ユニット８から成る。データ受容処理手段（図示せず）
は地上に設けられる。

ユニット５．６．８（および恐らくユニット７）は例え
ば、搭載コンビ二一夕の一部を形成する。

制御ユニットの構成要素は総てほぼ周知の型式のもので
、本発明はその組み合わせ方に関する。

論理ユニット５は論理信号（低電流、低電、例えば５ｖ
）をパワーステージ７へ伝送し、パワーステージは論理
信号から推進ユニットの少なくとも一つのための制御ま
たは作動制御情報（中電流、中電圧、例えば２６ｖ）を
導出する。

論理ユニット５は恐らくはインターフェース（図示せず
）を介して制御情報Ｃを受信する。情報Ｃは、制御ルー
プ、例えば、宇宙ビークルをその回転軸線の一つに関し
て宇宙ビークルを制御／案内するループからの出力から
成る。この情報は反自動速度パルスを含むことができる
。

論理ユニット５が１つ以上の推進ユニット２の電気オン
／オフサイクルを表す先に述べた論理指令を生じるのは
、ユニット８を介して地上から受信されるこの情報はお
よび／または指令からである。論理信号からユニットは
、参照時間から各推進ユニットの開放／閉鎖サイクル（
または作動指令）の数Ｎおよび同じ時間からのこの推進
ユニットの開放または作動時間の合計Ｓを決める。これ
らのパラメータＮとＳはメモリ部域６に記憶される。

このメモリ部域はテレメトリユニット８により読まれ、
このようにして得られた値は宇宙ビークルｌに適したフ
ォーマットでこれにより地上へ伝送される。

参照時間の周期的連続は好ましくは規定され、各時間に
メモリ部域６に記憶された値が検索され前記部域がクリ
アされる前にユニット８により地上へ伝送される。パラ
メータＮとＳは故に参照時間により設定された頻度でサ
ンプリングされる。

第１図において、作動手段は弁、好ましくは電磁弁であ
り、これは推進流体を入れた貯蔵タンクからの推進剤（
酸化剤／燃料）の流速を決める。

これらの貯蔵タンクはその内部容量に関する圧力および
／または温度情報を論理ユニットへ伝送するセンサに関
連している。

第２図の実施例において、推進ユニットに関連した作動
ユ４ットは、推進ユニットへの推進流体の供給を制御す
る空気弁、およびパワーステージ７からの信号により制
御されかつ貯蔵タンク（図示せず）からの加圧流体の弁
１１への供給を制御する中間電磁弁１２を含む。地上へ
の伝送がしばら（不可能であれば、ＮとＳの相次ぐ値は
メモリ部域６にしばら（記憶され、伝送条件が再び良く
なるや否や地上へ伝送される。゛ テレメトリユニットはディジタルまたはアナログの形態
でメモリ部域６に記憶されたＮとＳの値をサンプリング
できる。

第３図の実施例において、作動指令は同期作動ユニット
を介して数個の推進ユニットへ同時に付与される。他の
実施例（図示せず）では、これらの指令は数個の推進ユ
ニットへ順次付与される。

他の実施例（図示せず）では、推進流体は複数個の貯蔵
タンクに貯蔵され、関連推進ユニットへの供給は数個の
同期した弁により制御される。

同じことは２種類の流体（燃料／酸化剤）を同じ推進ユ
ニットへ供給はする場合にも当て嵌まる。

２つの参照時間の間で推進ユニットにより消費される推
進剤の質量は地上で下記の式から計算される。

Ｍ＝ｆ　　（Ｎ）＋ｇ　（Ｓ） ここにｆとｇは独立した所定の関数である。

関数ｆは好ましくは下記の式により規定さ丘る。

ｆ　（Ｎ）＝ｍ０ｘＮ ここにｍ、はゼロ推進期間に、点火されそして直ちに消
えた推進ユニットの消費量に対応する所定の一定質量で
ある。

関数ｇは好ましくは下記の式により規定される。

ｇ　（Ｓ）　＝市ｘｓ ここに市は作動された推進ユニットを通る平均推進剤流
量である。

これに代えて、２つの相次ぐ参照時間の間で消費される
推進剤の質量を、ユニット１に関連した、またはユニー
ト１が一部を形成するマイクロプロセッサにより宇宙ビ
ークル上で計算し、メモリ部域６で記憶された相次ぐ計
算の結果をユニット５により地上へ伝送する。

手段の要件と利用可能性に応じて、ＮとＳの値あるいは
Ｍの値が地上へ伝送される。

消費される推進剤の全質量は各種期間および／または各
種推進ユニットに対するＭの計算値を総計することによ
り演鐸される。

第４図は制御ユニットの特に簡単な実施例を示す。これ
は別々のユニットから成り、メモリ６゜は論理ユニット
５°に関連し、テレメトリユニット８°はサンプリング
ステージ８°Ａとテレメトリステージ本体８°　Ｂとに
分割される。

この実施例では、作動手段３°は２つの推進ユニットに
２種類の相補推進流体（燃料／酸化剤）を送る。

これに代えて、これらの部品は１つの推進ユニットだけ
を制御することもできる。

推進剤消費量を連続的に計算することにより、初期￥！
を量を知るときの精度、特に関数ｆ、！：ｇおよびその
パラメータを規定するときの精度を以て衛生の使用寿命
の終わりを予測することができる。

推進剤の残量が所定のしきい値以下に低下すると、適当
な推進ユニットの最終作動により、宇宙ビークルがその
軌道から排出される。

以上の記載は非限定例としてのものであり、本発明の範
囲から逸脱することなく当業者がこれを多々改変できる
ことは勿論である。

推進ユニット２の代わりに、例えばイオンまたは光子推
進ユニットを使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による推進剤消費量監視装置を備えた衛
星の模式図、第２図は第１実施例の部分模式図、第３図
は第２実施例の部分模式図、第４図は第３実施例の部分
模式図である。 １０８．衛星、　２９１．推進ユニット、　４゜０．制
御ユニット、　５．、、論理ユニット、６００．メモリ
部域、　７８０．パワーステージ、８０９．テレメトリ
ユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作動手段により受信された作動指令に従って作動手
   段により操作される複数個の推進ユニットを備えた宇宙
   ビークルの推進剤消費量を連続的に監視する方法であっ
   て、基準時間から各推進ユニットへ付与される作動指令
   の数Ｎとその累積期間Ｓとを記憶し、各推進ユニットに
   より前記参照時間から消費される推進剤の質量Ｍを Ｍ＝ｆ（Ｎ）＋ｇ（Ｓ） から計算し、ここにｆとｇは所定の独立関数であり、各
   推進ユニットにより消費される質量を総計する、方法。 ２、前記質量Ｍは Ｍ＝（■ｘｓ）＋ｍ＿０ｘＮ） から計算し、ここに■は与えられた推進ユニットの作動
   中の平均推進剤流量、ｍ＿０は所定の一定質量である、
   請求項１記載の方法。 ３、参照時間の周期的連続を規定し、各推進ユニットの
   各参照時間に最後の参照時間からの作動指令の数と累積
   期間とを記憶し、参照時間から消費される推進剤の質量
   を計算し、このように相次いで計算された質量を総計す
   る、請求項１記載の方法。 ４、作動指令の数Ｎと累積期間Ｓとを地上へ伝送し、消
   費された推進剤の質量Ｍを地上で決める、請求項１記載
   の方法。 ５、推進ユニットにより消費される推進剤の質量はビー
   クル上で決められ、地上へ伝送される請求項１記載の方
   法。 ６、参照時間の周期的連続を規定し、各推進ユニットの
   各参照時間に最後の参照時間からの作動指令の数と累積
   期間とを記憶し、参照時間から消費された推進剤の質量
   を計算し、このように相次いで計算された質量を総計す
   る、請求項２記載の方法。 ７、作動指令の数Ｎと累積期間Ｓとを地上へ伝送し、消
   費された推進剤の質量Ｍを地上で決める、請求項６記載
   の方法。 ８、参照時間の周期的連続を規定し、各推進ユニットの
   各参照時間に最後の参照時間からの作動指令の数と累積
   期間とを記憶し、参照時間から消費された推進剤の質量
   を計算し、このように相次いで計算された質量を総計す
   る、請求項５記載の方法。 ９、複数個の推進ユニット、前記推進ユニットに関連し
   た作動手段、および作動指令を前記作動手段へ付与する
   制御ユニットを備えた宇宙ビークルの推進剤消費量を連
   続的に監視する装置であって、この装置は、前記制御ユ
   ニットに、論理ユニット、基準時間から前記作動指令の
   数Ｎと累積期間Ｓとを記憶する前記論理ユニットのメモ
   リ部域、前記論理ユニットにより作られる論理信号に従
   って前記作動指令を前記作動手段へ付与するパワーステ
   ージ、各参照時間に前記メモリ部域の内容をサンプリン
   グし、前記内容を表すテレメータ信号を地上へ伝送する
   ユニット、および参照時間から消費される推進剤の質量
   Ｍを Ｍ＝ｆ（Ｎ）＋ｇ（Ｓ） （ここにｆとｇは所定の関数である）から計算する手段
   を含む、装置。 １０、作動手段は各々推進ユニットに関連した電磁弁で
   ある請求項９記載の装置。 １１、前記作動手段は推進ユニットへの推進剤の流れを
   制御する空気弁と前記パワーステージにより制御されか
   つ前記空気弁への気体流体の流れを制御する電磁弁とを
   含む請求項９記載の装置。 １２、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された圧力センサを更に含む請求項９記載の装置
   。 １３、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された圧力センサを更に含む請求項１０記載の装
   置。 １４、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された圧力センサを更に含む請求項１１記載の装
   置。 １５、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された温度センサを更に含む請求項９記載の装置
   。 １６、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された温度センサを更に含む請求項１０記載の装
   置。 １７、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された温度センサを更に含む請求項１１記載の装
   置。 １８、前記推進ユニットに関連しかつ前記論理ユニット
   へ接続された温度センサを更に含む請求項１２記載の装
   置。