JPH072195A - 推進燃料固定システムおよび方法 - Google Patents

推進燃料固定システムおよび方法

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JPH072195A
JPH072195A JP5320487A JP32048793A JPH072195A JP H072195 A JPH072195 A JP H072195A JP 5320487 A JP5320487 A JP 5320487A JP 32048793 A JP32048793 A JP 32048793A JP H072195 A JPH072195 A JP H072195A
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JP
Japan
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tank
propellant
center
fuel
impact
Prior art date
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Application number
JP5320487A
Other languages
English (en)
Inventor
Jeremiah O Salvatore
ジェレミアー・オー・サルバトレ
John R Murphy
ジョン・アール・マーフィー
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/40—Arrangements or adaptations of propulsion systems
    • B64G1/402—Propellant tanks; Feeding propellants

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Testing Of Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、宇宙船の速度変更動作中に擾乱ト
ルクの発生を阻止するために推進燃料を動かないように
固定する方法を提供することを目的とする。 【構成】 湾曲した側壁を有する推進燃料タンク22と、
進燃料タンク内で推進燃料をにゆるく保持する推進燃料
管理装置とを備え、スラスタを噴射して第１の衝撃44を
生成して推進燃料の質量中心42がタンクに関して第１の
衝撃方向と反対方向の速度Ｖ0 を与えられ、推進燃料の
質量中心とタンクの湾曲した側壁の曲率中心とを結ぶ線
が所望の速度変更の方向と平行になる図のｃの位置に推
進燃料が移動し、さらにタンク22の湾曲した側壁により
Ｖ0 のように下方に移動可能にし、スラスタを点火して
このＶ0 の方向に第２の衝撃を与えることによりその反
作用でこの速度Ｖ0 をゼロとし、その後所望の速度変更
を得るためにスラスタを点火して所望の速度変更の方向
に第３の衝撃48を生成することを特徴とする

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、３軸安定化された宇宙
船、特にスラスタ活動およびそれによって発生させられ
た擾乱トルクによって誘発された推進燃料の動きを減少
するように速度変更動作中に宇宙船燃料タンク中の推進
燃料を動かないようにするシステムおよび方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】宇宙船に対する軌道保持要求は、種々の
動作を実行するために宇宙船スラスタを噴射する必要性
を周期的に指示する。一例として、ステーション維持動
作は宇宙船の東西側のスラスタの噴射（東西動作）また
は宇宙船の北南側のスラスタの噴射（北南動作）を要求
する。これらの動作を実行するために必要なスラスタ活
動によって誘発された推進燃料の動きは、宇宙船姿勢指
向動作を劣化させる宇宙船上の擾乱トルクを生成する。
これらの擾乱は、推進燃料中の自然的消費効果がその相
対運動を減少して静止させるまで続く。擾乱トルクは宇
宙船姿勢、したがって宇宙船指向動作に影響を与える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ステーション維持動作
中およびその後に適切な宇宙船姿勢を保持するために、
宇宙船の姿勢制御は燃料の動きによって発生させられた
擾乱トルクの存在時に宇宙船の姿勢指向要求を満たすた
めに特別なジャイロベース姿勢制御方式に変更される。
宇宙船姿勢制御方式は著しく大量の推進燃料の消費を必
要とし、推進燃料が静止状態に達するまで、ステーショ
ン維持動作中およびその後の指向動作明細の休止を必要
とする。
【０００４】ステーション維持動作中に擾乱トルクを減
少するために使用される別の方法は、誘発された擾乱を
最小にするために非常に低いスラスタレベルを有するス
テーション維持スラスタを使用することである。しかし
ながら、このようなスラスタは軌道獲得段階または章動
制動段階等の別の使命段階中の有効性を制限する。大き
い冗長スラスタは、獲得および章動制動段階に対して同
じレベルのスラスタの余裕を提供することが必要とされ
る。冗長スラスタの使用は宇宙船の複雑さを増し、費用
を増加させる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の推進燃料固定シ
ステムおよび方法は、タンク内の特定の場所に液体推進
燃料を引き付けて保持するために推進燃料タンク内にお
ける推進燃料管理装置およびステーション維持またはそ
の他の速度変更動作を達成するために特別に時間割りさ
れた衝撃のシーケンスを使用する。この衝撃シーケンス
は推進燃料が動作にとって好ましいタンク内の位置に移
動され、この位置に達するとタンクに関して静止される
ことを可能にする。動作が実行されたとき、動作によっ
て誘発された推進燃料の移動量は著しく減少され、それ
によって宇宙船上の擾乱トルクを減少し、推進燃料が静
止されるのに必要な時間を短縮する。期間およびタイミ
ングの適切な調整により、休止された姿勢指向明細およ
び特別な姿勢制御方式の両方が減少または除去されるこ
とができる。
【０００６】特別の姿勢制御方式に要する時間を減少す
ることによって、推進燃料使用量（姿勢を制御するため
の）が減少される。さらに、慣性基準ユニット（ＩＲ
Ｕ）、すなわちジャイロの動作による磨耗もまた劣化さ
れた指向動作の継続期間と同様に減少される。特別の姿
勢制御方式が宇宙船設計から取除かれることができる場
合、ステーション維持動作中の姿勢制御用の推進燃料は
不要である。宇宙船設計、試験、製造および動作は簡単
にされ、費用は減少される。動作を達成するために必要
とされる推進燃料費用はタンク内の所望の位置に推進燃
料を移動するためのスラスタの点火による噴射によって
増加されるが、推進燃料の全体的な使用量は宇宙船姿勢
を保持するための推進燃料使用量をなくするか、或は減
少することによって減少される。
【０００７】推進燃料は、スラスタ噴射の以下のシーケ
ンスによって固定される。最初に、１以上のスラスタは
タンクに対する推進燃料の移動を生じさせる第１の衝撃
を生成するために噴射される。衝撃は、推進燃料の質量
中心が、その質量中心からタンク壁の曲率中心まで延在
するラインが所望の速度インクレメントに平行であり、
それに直接向かう位置に移動されるまで推進燃料管理装
置に隣接したその元の位置から湾曲したタンクの壁に沿
って推進燃料の質量中心を移動させる方向に与えられ
る。
【０００８】第２に、１以上のスラスタがタンクに関す
る推進燃料の質量中心の移動をゼロにするようにタンク
に関する現在の推進燃料の質量中心の移動方向において
第２の衝撃を生成するために点火され噴射される。この
衝撃は第１の衝撃と同じであるか、或はそれより少し小
さい。
【０００９】第３に、タンクに関して静止させられた推
進燃料により、１以上のスラスタが所望の速度変更を生
じるように噴射される。推進燃料は速度変更の方向に関
してタンクの“後部”に移動されているため、推進燃料
はスラスタの力に応答してこの位置において静止して保
持された状態である。動作およびそれによって発生させ
られた擾乱トルクからの推進燃料移動は減少される。速
度変更動作が終了したとき、推進燃料は推進燃料タンク
内の推進燃料管理装置の動作によってゆっくり元の位置
に戻る。
【００１０】
【実施例】本発明のその他の目的、特徴および利点は、
以下の詳細な説明、特許請求の範囲および添付図面から
明らかになるであろう。図１に示された宇宙船10は、本
発明の推進燃料固定システムを含んでいる。宇宙船10
は、太陽パネル等の宇宙船の種々の部品が結合されてい
る本体12を含む。本発明に関係のないこれらの部品は簡
明化のために取り除かれている。本体12は、各表面の向
く方向を示すために北、南、東、西、天頂、天底で示さ
れた６つの表面を有する立方体として示されている。宇
宙船本体は簡明化のために立方体として示されるが、そ
の他の形状および本体方位が可能であることを理解すべ
きである。
【００１１】宇宙船10は、一部分だけが示されている複
数のスラスタを具備している。これらは東向きの推力を
生成する宇宙船の西側の西スラスタ14と、西向きの推力
を生成する宇宙船の東側の東スラスタ16と、南向きの推
力を生成する宇宙船の北側の北スラスタ18と、天頂方向
の推力を生成する宇宙船の天底側の天底スラスタ20とを
含んでいる。スラスタ用の液体推進燃料は、宇宙船本体
内の４つの推進燃料タンク22に含まれ、通常の方法でス
ラスタに接続されている。４つのタンクが示されている
が、本発明の方法は任意の数のタンクを備えた宇宙船に
おいて使用可能であることを理解すべきである。
【００１２】宇宙船動作は、ボックス24として示された
制御装置によって制御される。制御装置は宇宙船姿勢を
監視するセンサを含み、それは慣性基準ユニットまたは
ジャイロを含んでいる。制御装置24はまた宇宙船スラス
タの噴射点火を制御する。制御装置は自動化された宇宙
船制御のためにプログラムされることが可能であり、或
は地上から送信され、アンテナ26によって受信された命
令信号を実行することができ、またはその両方で制御さ
れる。制御装置はボックスとして示されているが、良く
知られているように宇宙船中に分離して配置された部品
で構成されることもできる。
【００１３】推進燃料タンク22は図２に断面で示され、
推進燃料出口28および推進燃料入口30を含んでいる。出
口28および入口30は、球形の推進燃料タンク22の対向し
た両極のキャップにある。推進燃料タンクは軸32および
この軸に垂直な赤道平面34を有する。推進燃料タンク
は、出口28において推進燃料の一部分を閉込めるための
トラップハウジング36によって示された出口端のトラッ
プを含む。トラップハウジング36から延在する羽根38か
ら構成されている推進燃料管理装置は、表面張力の作用
によってその位置に推進燃料を引き付けてゆるく保持す
るために使用される。
【００１４】以下、図２のａ乃至ｄを参照してステーシ
ョン維持動作の関係において推進燃料固定方法を説明す
る。図２のａは、ステーション維持動作前のタンク中の
推進燃料を示し、推進燃料40は推進燃料管理装置の羽根
38によってトラップハウジング36に隣接した位置に保持
されている。トラップハウジング36の外側の推進燃料の
質量中心は、42で示されている。以下の説明において、
実行されるべき速度変更動作は東向きである。
【００１５】動作は、東向きの矢印44によって示された
小さい衝撃を与えるように西スラスタ14の噴射により開
始する。この衝撃に応答して、推進燃料の質量中心42は
図２のｂに示されたように衝撃44と反対方向でタンク22
に関する速度Ｖ0 を獲得する。質量中心は、図２のｃに
示されているようにそれがタンク22の西側に達するまで
移動する。推進燃料がタンク内で移動すると、湾曲した
側壁は推進燃料の質量中心の速度の方向を変化する。
【００１６】一度質量中心がタンクの西側に移動する
と、天底スラスタ20が噴射され、図２のｃに示されてい
るように推進燃料の質量中心の現在の速度Ｖ0 と同じ方
向に天頂に向いた矢印46で示された衝撃を生成する。衝
撃は、第１の衝撃44と同じであるか、或はそれより少し
小さい。この第２の衝撃46に応答して、推進燃料の質量
中心はタンク22に関して静止する。推進燃料制動効果を
使用しなくても、推進燃料移動を停止するために要求さ
れた衝撃46は、移動を開始するために使用された衝撃44
と同じである。制動効果が考慮される場合、推進燃料の
質量中心の相対的な移動を停止するために必要とされる
衝撃46は最初の衝撃44より少し小さい。
【００１７】タンクの西側で停止させられた推進燃料の
質量中心により、西スラスタ14は図２のｄに示されてい
るように再度噴射され、東に向かって所望の速度変更を
行い、速度変更動作を完了するように衝撃48を生成す
る。推進燃料は西スラスタの力に応答してタンクの西側
に沿ってその位置において静止状態である。最後に、動
作が完了したとき、推進燃料は推進燃料管理装置の影響
によりゆっくり元の位置に戻る。
【００１８】この動作を達成するための衝撃の方向であ
る、速度変更動作の方向に関してタンクの“後部”に推
進燃料の質量中心42を位置することによって、また速度
変更の方向に平行にタンクの“後部”の曲率中心と推進
燃料の質量中心を整列することによって、推進燃料の質
量中心は、速度変更衝撃の適用によりタンクに関して運
動させられない。結果として、推進燃料の移動は、推進
燃料移動により宇宙船に作用する擾乱トルクが減少また
は除去されるように速度変更動作中に減少または除去さ
れる。これは、速度変更動作およびその直後の動作中に
要求される姿勢補正を簡単にする。結果的に、推進燃料
使用量は減少され、宇宙船設計、試験、製造および動作
が簡単にされ、費用が減少される。
【００１９】推進燃料タンクの好ましい形状は、タンク
が推進燃料の全ての質量中心位置に対して単一の曲率中
心を有するように球形である。しかしながら、タンクが
著しい量の湾曲された壁を有しているならば、その他の
タンク形状が本発明において使用されることが可能であ
る。本質的なタンク形状の特徴は、質量中心が速度変更
動作に対して噴射方向に関してタンクの“後部”位置に
推進燃料の質量中心が移動され、また質量中心からタン
クの“後部”の曲率中心に延在するラインが動作噴射方
向に平行なことである。
【００２０】主要な速度変更動作がＥ−ＷまたはＮ−Ｓ
方向にステーション維持している好ましい実施例におい
て、球形タンクが使用され、推進燃料管理装置はタンク
の天頂または天底のいずれかの側に推進燃料を引き付け
るように配置される。動作方向にかかわらず、推進燃料
の質量中心は、上記に説明されているようにタンクに関
してほぼ90°移動される。推進燃料移動を開始するため
の第１の衝撃の方向は、速度変更の方向であることが好
ましい。しかしながら、その他の衝撃方向が推進燃料移
動を開始するために使用されることができる。推進燃料
移動を停止するための第２の衝撃の方向は、速度変更の
ものに対してほぼ垂直である。
【００２１】本発明は上記に示され、説明された方法に
限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲に
限定されているような本発明の技術的範囲を逸脱するこ
となく、種々の変更および修正が実行されることが可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】宇宙船本体に取付けられた推進燃料タンクおよ
びスラスタを示した宇宙船本体の斜視図。
【図２】本発明の推進燃料固定方法のスラスタ噴射シー
ケンスおよび衝撃によって誘発される推進燃料移動を示
した推進燃料蓄積タンクの概略図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・アール・マーフィー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90245、エル・セグンド、カリフォルニ ア・ストリート 877

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 宇宙船が湾曲した側壁を有する推進燃料
    タンクと、推進燃料管理装置とを含み、推進燃料管理装
    置は前記推進燃料タンク内の推進燃料を引き付けて、推
    進燃料管理装置の位置でタンク中にゆるく保持し、複数
    のスラスタが複数の方向において衝撃を生成する軌道上
    の宇宙船において速度変更動作中に使用される推進燃料
    固定方法において、 前記スラスタの一部分を点火し噴射して第１の衝撃を生
    成し、それによって推進燃料の質量中心がタンクに関し
    て前記第１の衝撃方向と反対方向の速度を与えられ、 推進燃料の質量中心とタンクの前記湾曲した側壁の曲率
    中心とを結ぶ線が前記所望の速度変更の方向と平行な位
    置に移動されるまで、前記推進燃料が前記タンクに関し
    て移動し、さらに前記タンクの湾曲した側壁に追従して
    移動することを可能にし、 前記タンクに関する推進燃料の質量中心の速度をゼロに
    するように前記スラスタの一部分を点火し噴射して推進
    燃料の質量中心の移動方向に第２の衝撃を生成し、 所望の速度変更を完了するために前記スラスタの一部分
    を点火し噴射して前記所望の速度変更の方向に第３の衝
    撃を生成し、この第３の衝撃は推進燃料の質量中心と前
    記タンク曲率中心の整列方向であり、それによって前記
    第３の衝撃に応答した前記タンクに関する前記推進燃料
    の質量中心の移動が最小にされるステップを含んでいる
    ことを特徴とする速度変更動作中の推進燃料固定方法。
  2. 【請求項２】 前記第２の衝撃の大きさは前記第１の衝
    撃の大きさ以下である請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記推進燃料は前記タンクに関する前記
    推進燃料の質量中心の移動の方向をほぼ90°変化するよ
    うに前記タンク中で移動する請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 宇宙船がほぼ球形の側壁を有する推進燃
    料タンクと、この推進燃料タンク内の推進燃料管理装置
    とを備え、この推進燃料管理装置が推進燃料を引き付け
    て、推進燃料管理装置の位置でタンク中にゆるく保持
    し、複数のスラスタが複数の方向において衝撃を生成す
    る軌道上の宇宙船において速度変更動作中に使用される
    推進燃料固定方法において、 前記スラスタの一部分を点火し噴射して第１の衝撃を生
    成し、それによって推進燃料の質量中心がタンクに関し
    て前記第１の衝撃と反対方向の速度を与えられ、 推進燃料の質量中心と前記球形壁の曲率中心とを結ぶ線
    が前記所望の速度変更の方向と平行である所望の速度変
    更の方向に関して前記タンクの後部に移動されるまで、
    前記推進燃料が前記タンクに関して移動し、前記タンク
    の前記球形の壁に追従して移動することを可能にし、 前記タンクに関する推進燃料の質量中心の速度をゼロに
    するように前記スラスタの一部分を点火し噴射して推進
    燃料の質量中心の移動方向に第２の衝撃を生成し、 所望の速度変更を完了するために前記スラスタの一部分
    を点火し噴射して前記所望の速度変更の方向に第３の衝
    撃を生成し、この第３の衝撃は前記推進燃料の質量中心
    から前記タンクの曲率中心に延在するラインに平行であ
    り、それによって前記第３の衝撃に応答した前記タンク
    に関する前記推進燃料の質量中心の移動が最小にされる
    ステップを含んでいることを特徴とする速度変更動作中
    の推進燃料固定方法。
  5. 【請求項５】 前記第１および第３の衝撃は実質的に同
    じ方向である請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記第２の衝撃の大きさは前記第１の衝
    撃の大きさ以下である請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記タンクは１対の対向して間隔を隔て
    られた極キャップおよび間隔を隔てられてそれらの中間
    に位置する赤道面を有し、前記推進燃料管理装置は前記
    極キャップの一方に配置され、前記所望の速度変更動作
    の方向は前記赤道面に平行であり、前記第３の衝撃は前
    記平面に平行な方向である請求項４記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第１の衝撃は第３の衝撃と同じ方向
    である請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記第２の衝撃は第３の衝撃に対して垂
    直である請求項７記載の方法。
JP5320487A 1992-12-18 1993-12-20 推進燃料固定システムおよび方法 Pending JPH072195A (ja)

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US992397 1992-12-18
US07/992,397 US5284309A (en) 1992-12-18 1992-12-18 Propellant immobilizing system and method

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