JPH08506782A

JPH08506782A - 微小重力状態を改善する飛行機の操縦方法および相当するシステム

Info

Publication number: JPH08506782A
Application number: JP6513857A
Authority: JP
Inventors: ルフェブル，リュク; メルシエ，フラビアン
Original assignee: センタナショナルデチュードスパティアレ
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 1996-07-23
Also published as: EP0673331A1; ES2101491T3; FR2698846B1; FR2698846A1; DK0673331T3; EP0673331B1; RU95113449A; CA2151265A1; RU2099256C1; DE69308593D1; WO1994013532A1; US5707026A; ATE149442T1; DE69308593T2

Abstract

(57)【要約】微小重力状態を改善するための飛行機の操縦方法とそれに相当するシステム。自由浮遊形態（Ｍ）にある備品の瞬時位置に係わる情報を操縦士に与えるのではなく、操縦士には、前記備品の予測位置に係わる情報が与えられる。微小重力の研究に係わる出願

Description

【発明の詳細な説明】微小重力状態を改善する飛行機の操縦方法および相当するシステム技術的背景この発明は、微小重力状態を改善する飛行機の飛行あるいは操縦方法およびそれに相当するシステムに関するものである。その応用は、微小重力、すなわち材料科学、生命科学、宇宙航行学において用いられる備品テスト等である。発明の概要自由落下軌道の後半にある、あるいは換言すれば弾道飛行を行う飛行機の中において、非常に低い重力レベルがつくり出されることが知られている。図１は、そのような飛行機の軌道ｚ（ｔ）を図式的に示している。水平飛行を開始すると、飛行機は加速され、入り口上昇が課せられる。そして、揚力が完全に打ち消され、抵抗力を相殺することにより推力が減少される。そして、飛行機は理論的な楕円線分、すなわち放物線を描く。この放物線の最後では、飛行機は出口上昇を経験する。飛行機のキャビンと微小重力の実験が行われる備品との接触を防ぐために、キャビン内の備品を放物線の開始時に放出することが知られており、そして、この備品は自由浮遊状態となる。飛行機の軌道に適合させるため、操縦士には備品が自由浮遊状態にとどまるように飛行を修正するための情報が与えられる。最初の解決案は、備品を撮影し、その画像を操縦室に映し出すことによって与えられる。そして、操縦士は、備品の瞬間的な位置に作用するように、自らの飛行機の軌道を訂正することができる。この方法では、このような飛行において、微小重力レベルはほぼ１０^-3ｇ未満に下がり、これはしばしば不十分である。さらに、この方法は、飛行機の応答時間の結果によって不安定となる。発明の説明この発明の目的は、これらの欠点を取り除くことにある。この終わりに、この発明は、少なくとも１０秒の自由浮遊を行い、また、おおよそ１０^-4ｇ〜１０^-6 ｇの微小重力レベルに達することが可能な飛行機の飛行あるいは操縦方法を提案する。これらの目的は、軌道を訂正するために操縦士に与えられた情報の特別な選択の結果として成し遂げられる。この情報は、飛行機の相対的な位置の鉛直成分であり、瞬間的なものではなく予測されるものである。実際には数秒であるこの予測は、操縦士に軌道修正させることが可能である。例えば、自由は飛行機の応答時間から得られ、操縦の不安定さは回避される。更に詳細には、この発明は、微小重量状態を改善する飛行機の操縦方法に関するものであり、飛行機には本質的な弾道軌道が与えられ、微小重力状態に置かれるために飛行機内において備品が放出され、飛行機に関連する前記備品が占める基本的な位置に基づいて情報が処理され、飛行機の軌道がこの情報の作用として修正され、前記処理は、処理される情報が備品の予測される相対的な位置の鉛直成分であり、予測時間が決定されまた規定されることによって特徴づけられている。前記備品および飛行機の飛行パラメータに対して、放出状態における備品の相対的な予測位置の鉛直成分を計算することは可能である。都合の良いことに、備品の相対的な予測位置の縦成分である第２の情報を処理することも可能である。備品の相対的な予測位置の水平成分である第３の情報を処理することも可能である。この発明は、手動による操縦あるいは飛行を制限するものではない。それは自動操縦の場合にも応用される。この場合、この発明に準じて計算され、かつ予想される位置の鉛直成分からなる情報は基準値と比較され、計算された情報と基準値との差は、飛行機の制御を自動的に修正するのに用いられる誤差信号を構成する。また、この発明は、以上に定義した処理を利用する操縦システムに関するものでもある。このシステムは、飛行機の中において微小重力状態となるように備品を放出する手段と、前記備品によって占められる飛行機に対する相対的な位置に基づいて情報を処理すると共にこの情報を操縦室に表示する手段とからなり、前記システムは、情報を処理するための手段が備品の相対的な予測位置の鉛直成分を計算することが可能であり、予想時間が決定されると共に規定されることを特徴とする。上記定義において、用語”飛行機”は、空中を進む全ての装置に対して用いるものとする。説明および簡易化された目的を通して一般的な飛行機が仮定され、キャビン内において放出された備品が台となる。図面の簡単な説明図１は、既に説明したように、微小重力状態を創り出すことができる飛行機の軌道を図式的に示したものである。図２は、飛行機に関する基準マークを図式的に定義するものである。図３は、発明の処理を遂行する手段を示すものである。図４は、伝達される情報を計算するための組織図である。実施例の概要説明図２ａは、飛行機の壁２、４、仮定された台Ｍ、壁４と共に構成要素をなす加速度計用プレートＡを図式的に示している。図２ｂは、飛行機の軸であり、かつ水平軸と角度θをなす縦基準軸Ｘとを示している。この角度θは、飛行機の姿勢を示している。図３は、この発明の処理の遂行を可能とするシステムを示している。それは、第１に機械的放出システム１０であり、台Ｍを支える板１２と、クロスされてつながれると共に、台Ｍの基準位置を規定する２つのアーム１４と、台Ｍに基準速度を与える放出素子と、制御板１６とによって構成されている。図示されているように、このシステムは、加速度計用プレートＡと一体になっている（そこにはこれらをいくつか設けることができる）。このシステムは、様々な検出器あるいは変換器２２（ジャイロスコープ・ユニット、ジャイロメータ・ユニット等）、また加速度計用プレートＡに接続された複合取得ユニット（ＭＡＵ）と一体になっている。それは、処理ユニット３２、表示装置３４、およびキーボード３６を有したコンピュータ３０を備えている。この処理ユニット３２は、複合取得ユニットＭＡＵからメッセージを受信する。この処理ユニット３２は、ＭＡＵからの情報、および飛行機とその操縦技術とに係わる情報のための取得カードを備えている。それは、アナログ信号として計算された情報が供給されるアナログ／デジタル変換カードと同様に放出システムのデジタル制御カードをも備えている。付加的にまた安全性のために、選択装置４２は、一方は加速度信号Ｚを直接受信するＭＡＵに接続され、もう一方は加速度あるいは予測情報Ｉの何れかを受信する処理ユニット３２にそれぞれ接続された２つの入力を備えている。この選択装置４２は、この加速度Ｚあるいは情報Ｉの何れかを出力する。最後に、このシステムは、情報Ｉあるいは加速度Ｚを表示する素子５０を備えている。この素子は好ましくはアナログ素子であり、発光ダイオードと２つの滑動子Ｃ⁺、Ｃ^-を備えている。情報Ｉあるいは加速度Ｚ（同一の表示器が含まれているので）は、高さが値を示す線として現れる。どのような他の表示素子をも考えることができる。特に模擬手段あるいはデジタル表示手段を用いることが可能である。専門家は、位置計測あるいは計算に基づいて台Ｍの予測位置を計算する方法について知っているであろう。純粋に説明すると、その説明は、処理ユニット３２がどのように予測情報を決定するかによって与えられるものである。以下の決まりごとが用いられる。すなわち、指標”０”は地球の評価あるいは位置に対する相対的な量に割り当てられ、指標”ａｖ”は飛行機に係わる評価あるいは位置に対する相対的な量に割り当てられる配分される。台Ｍが自由浮遊の状態にあるとき、γ₀（M）＝ｇである。さらに、γ₀（A）＝ｇ＋ｎ₀・ｇが得られ、ここで、ｎ₀＝Ｐ（θ）・ｎ_avであり、Ｐ（θ）はθの関数で飛行機の位置から地球の位置までの航路のマトリクスである。θは実時間において得られた飛行機の姿勢であり、ｎ_avは実時間で加速度計用プレートＡから与えられる負荷要素である。そして、その結果、γ₀（M）−γ₀（A）＝−ｎ₀・ｇ、なお（ｄ²（AM）／ｄｔ²）₀＝−ｎ₀・ｇである。ここで、Ｘ、Ｙ、およびＺは、ＡＭの座標であり、またｎ_x、ｎ_y、およびｎ_z は、ｎの座標であり、その結果、以下のシステムが得られる。Ｘ”₀（ｔ）＝−ｎ_x0（ｔ）・ｇＹ”₀（ｔ）＝−ｎ_y0（ｔ）・ｇＺ”₀（ｔ）＝−ｎ_z0（ｔ）・ｇｎ_x0とｎ_z0とが時間の歩みｄｔに従って定数として残ると仮定すると、Ｘ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｘ₀（ｔ）＋Ｘ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｘ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｘ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｘ’₀（ｔ）＋ｘ”₀（ｔ）・ｄｔＹ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｙ₀（ｔ）＋Ｙ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｙ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｙ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｙ’₀（ｔ）＋Ｙ”₀（ｔ）・ｄｔＺ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｚ₀（ｔ）＋Ｚ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｚ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｚ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｚ’₀（ｔ＋ｄｔ）＋Ｚ”₀（ｔ）・ｄｔと書くことが可能である。そして、ＡＭ_av（ｔ＋ｄｔ）＝ｐ^-1（θ（ｔ＋ｄｔ）・ＡＭ₀（ｔ＋ｄｔ） θ（ｔ＋ｄｔ）＝θ（ｔ）＋θ’（ｔ）・ｄｔと書くことが可能であり、このθ’は実時間における飛行機の回転速度である。ここで、このアルゴリズムは、飛行機内における台の軌道を得ることを可能とするが、他のことも想像することができる。ｎ_x0、ｎ_y0およびｎ_z0が時間△ｔに従って定数として残ると仮定すると、Ｘ₀（ｔ＋△ｔ）＝Ｘ₀（ｔ）＋Ｘ’₀（ｔ）・△ｔ＋１／２Ｘ”₀（ｔ）・△ｔ² Ｙ₀（ｔ＋△ｔ）＝Ｙ₀（ｔ）＋Ｙ’₀（ｔ）・△ｔ＋１／２Ｙ”₀（ｔ）・△ｔ² Ｚ₀（ｔ＋△ｔ）＝Ｚ₀（ｔ）＋Ｚ’₀（ｔ）・△ｔ＋１／２Ｚ”₀（ｔ）・△ｔ² と書くことができ、また、ＡＭ_av（ｔ＋△ｔ）＝ｐ^-1（θ（ｔ＋△ｔ）・ＡＭ₀（ｔ＋△ｔ） θ（ｔ＋△ｔ）＝θ（ｔ）＋θ’（ｔ）・△ｔと書くことができる。ここで、台の予測される相対的な位置が得られるが、再び他のアルゴリズムが可能となる。操縦士に与えられる予測情報は、Ｚ_av（ｔ＋△ｔ）である。初期状態は、ＡＭ₀（ｔ₀）と（ｄ（ＡＭ）／ｄｔ）₀（ｔ₀）である。台に対する相対的な初期位置は、ＡＭ_av（ｔ₀）によって示すと、ＡＭ₀（ｔ₀）＝ｐ（θ（ｔ₀））・ＡＭ_av（ｔ₀）と書くことができる。また、台の軌道速度は、Ｖrel_av（Ｍ）（ｔ₀）を用いて示すと、（ｄ（ＡＭ）／ｄｔ）₀（ｔ₀）＝ＬＶ₀（Ｍ）（ｔ₀）−Ｖ₀（Ａ）（ｔ₀）＝Ｖrel₀（Ｍ）（ｔ₀）＋ω₀（ｔ₀）＾ＡＭ₀（ｔ₀）であり、Ｖrel₀（Ｍ）（ｔ₀）＝Ｐ（θ（ｔ₀（ｔ₀））・Ｖrel_av（Ｍ）（ｔ₀）であり、また、 ω₀（ｔ₀）＝（０，θ’（ｔ₀），０）である。最後に、図４は、上述した処置にしたがって情報Ｚ_av（ｔ＋△ｔ）を計算するための組織図である。種々のブロックの手段は以下の通りである。６０：パラメータ入力（キーボードより）６２：パラメータ取得（ＭＡＵ）６４：航路マトリクス計算６６：初期状態／地球位置の計算６８：実際の予測位置／地球位置の計算７０：予測位置／飛行機位置の計算と情報７２：情報の伝達とパラメータの記録と表示７４：パラメータの保管Ａ段階は放物線飛行を先行する部分であり、Ｂ段階は放物線飛行に相当し、Ｃ段階は放物線飛行の後に続く部分である。先に説明したように、様々な情報が伝導体内を流れる電気信号として旧来の様式で伝達される。マイクロウエーブ手段、あるいは赤外線手段等のワイヤレスの伝送手段を、特に台と処理ユニットとの間に用いることはこの発明の範囲を外れるものではない。このように台を備え付けることによって、加速度を知ることが可能であり、その結果、軌道に対してさらに正確さが得られる。また、飛行機の応答時間を考慮した深さ制御の関数として、予測により負荷要素ｎ_avを決定することが可能である。この発明によれば、台の初期回転速度を補正する手段を有するシステムを提供することができる。最後に、操縦士には他の情報を与えることが可能であり、その結果、操縦士は、湿気の多い中において、台を与えられた位置に運ぶよう適切な軌道を飛行機に与える。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９４年８月２２日【補正内容】（１）国際出願時の明細書の第２頁および第３頁（翻訳文の第１頁第１９行目から第２頁第２７行目）を以下のように訂正する。最初の解決案は、備品を撮影し、その画像を操縦室に映し出すことによって与えられる。そして、操縦士は、備品の瞬間的な位置に作用するように、自らの飛行機の軌道を訂正することができる。この方法は、例えばEP-A-486346において説明されている。負荷の位置と飛行機の位置との変動が測定され、後者は、この変動が与えられた値を維持するように操縦される。このような飛行において、微小重力レベルはほぼ１０^-3ｇ未満に下がり、これはしばしば不十分である。さらに、この方法は、飛行機の応答時間の結果によって不安定となる。発明の説明この発明の目的は、これらの欠点を取り除くことにある。この終わりに、この発明は、少なくとも１０秒の自由浮遊を行い、また、おおよそ１０^-4ｇ〜１０^-6 ｇの微小重力レベルに達することが可能な飛行機の飛行あるいは操縦方法を提案する。これらの目的は、軌道を訂正するために操縦士に与えられた情報の特別な選択の結果として成し遂げられる。この情報は、飛行機の相対的な位置の鉛直成分であり、瞬間的なものではなく予測されるものである。実際には数秒であるこの予測は、操縦士に軌道修正させることが可能である。例えば、自由は飛行機の応答時間から得られ、操縦の不安定さは回避される。更に詳細には、この発明は、微小重量状態を改善する飛行機の操縦方法に関するものであり、飛行機には本質的な弾道軌道が与えられ、微小重力状態に置かれるために飛行機内において備品が放出され、飛行機に関連する前記備品が占める基本的な位置に基づいて情報が処理され、飛行機の軌道がこの情報の作用として修正され、備品の相対的な予測位置の鉛直成分が決定され、予測時間が決定され、かつ、飛行機の軌道がこの鉛直成分の関数として修正されることによって特徴づけられる。前記備品および飛行機の飛行パラメータに対して、放出状態における備品の相対的な予測位置の鉛直成分を計算することは可能である。都合の良いことに、備品の相対的な予測位置の縦成分である第２の情報を処理することも可能である。備品の相対的な予測位置の水平成分である第３の情報を処理することも可能である。この発明は、手動による操縦あるいは飛行を制限するものではない。それは自動操縦の場合にも応用される。この場合、この発明に準じて計算され、かつ予想される位置の鉛直成分からなる情報は基準値と比較され、計算された情報と基準値との差は、飛行機の制御を自動的に修正するのに用いられる誤差信号を構成する。（２）国際出願時の明細書の第７頁（翻訳文の第４頁第２１行目から第５頁第２１行目）を以下のように訂正する。以下の決まりごとが用いられる。すなわち、指標”０”は地球の評価あるいは位置に対する相対的な量に割り当てられ、指標”ａｖ”は飛行機に係わる評価あるいは位置に対する相対的な量に割り当てられる配分される。 γは加速度を明示しており、Ａは加速度用プレート、Ｍは台、ＡＭは相互間の距離である。台Ｍが自由浮遊の状態にあるとき、γ₀（M）＝ｇである。さらに、γ₀（A）＝ｇ＋ｎ₀・ｇが得られ、ここで、ｎ₀＝Ｐ（θ）・ｎ_avであり、Ｐ（θ）はθの関数で飛行機の位置から地球の位置までの航路のマトリクスである。θは実時間において得られた飛行機の姿勢であり、ｎ_avは実時間で加速度計用プレートＡから与えられる負荷要素である。そして、その結果、γ₀（M）−γ₀（A）＝−ｎ₀・ｇ、なお（ｄ²（AM）／ｄｔ²）₀＝−ｎ₀・ｇである。ここで、Ｘ、Ｙ、およびＺは、ＡＭの座標であり、またｎ_x、ｎ_y、およびｎ_z は、ｎの座標であり、その結果、以下のシステムが得られる。Ｘ”₀（ｔ）＝−ｎ_x0（ｔ）・ｇＹ”₀（ｔ）＝−ｎ_y0（ｔ）・ｇＺ”₀（ｔ）＝−ｎ_z0（ｔ）・ｇｎ_x0とｎ_z0とが時間の歩みｄｔに従って定数として残ると仮定すると、Ｘ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｘ₀（ｔ）＋Ｘ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｘ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｘ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｘ’₀（ｔ）＋Ｘ”₀（ｔ）・ｄｔＹ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｙ₀（ｔ）＋Ｙ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｙ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｙ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｙ’₀（ｔ）＋Ｙ”₀（ｔ）・ｄｔＺ₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｚ₀（ｔ）＋Ｚ’₀（ｔ）・ｄｔ＋１／２Ｚ”₀（ｔ）・ｄｔ² このとき、Ｚ’₀（ｔ＋ｄｔ）＝Ｚ’₀（ｔ＋ｄｔ）＋Ｚ”₀（ｔ）・ｄｔと書くことが可能である。そして、ＡＭ_av（ｔ＋ｄｔ）＝ｐ^-1（θ（ｔ＋ｄｔ）・ＡＭ₀（ｔ＋ｄｔ） θ（ｔ＋ｄｔ）＝θ（ｔ）＋θ’（ｔ）・ｄｔと書くことが可能であり、このθ’は実時間における飛行機の回転速度である。請求の範囲１．飛行機には本質的な弾道軌道が与えられ、微小重力状態に置かれるために飛行機内において備品が放出され、飛行機に関連する前記備品が占める基本的な位置に基づいて情報が処理され、飛行機の軌道は、この情報の関数として修正され、備品（Ｍ）の相対的な予測位置の鉛直成分（Ｚ_av（＋△ｔ））が決定され、予測時間（△ｔ）が決定されて規定され、この鉛直成分の関数として飛行機の軌道が修正されることを特徴とする微小重量状態を改善する飛行機の操縦方法。２．備品の相対的な予測位置の鉛直成分が、この備品の放出状態および飛行機の飛行パラメータに基づいて計算されることを特徴とする請求項１記載の方法。３．備品の相対的な予測位置の縦成分である第２の情報が処理されることを特徴とする請求項１記載の方法。４．備品の相対的な予測位置の水平成分である第３の情報が処理されることを特徴とする請求項１記載の方法。５．飛行機の軌道選択が飛行機の操縦士によって行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。６．飛行機の軌道選択が自動的に行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。７．予測時間（△ｔ）が数秒であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。８．飛行機の中において微小重力状態となるように備品（Ｍ）を放出する手段（１０）と、前記備品（Ｍ）によって占められる飛行機に対する相対的な位置に基づいて情報を処理すると共に、この情報を操縦室に表示する手段とからなり、前記システムは、情報を処理するための手段（３０，ＭＡＵ）が備品（Ｍ）の相対的な予測位置の鉛直成分（Ｚ_av（ｔ＋△ｔ））を計算することが可能であり、予測時間（△ｔ）が決定されると共に規定される、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法を行うための操縦システム。９．情報処理手段が、少なくとも１つの加速度用プレート（Ａ）と、種々の検出器（２２）および加速度用プレート（Ａ）に接続された複合取得ユニット（ＭＡＵ）と、複合取得ユニット（ＭＡＵ）に接続された処理ユニット（３２）と処理ユニット（３２）に接続された表示装置（５０）とが一体となったコンピュータ（３０）とを含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。

Claims

【特許請求の範囲】１．飛行機には本質的な弾道軌道が与えられ、微小重力状態に置かれるために飛行機内において備品が放出され、飛行機に関連する前記備品が占める基本的な位置に基づいて情報が処理され、飛行機の軌道は、この情報の関数として修正され、前記処理は、処理された情報が備品（Ｍ）の相対的な予測位置の鉛直成分（Ｚ_av （＋△ｔ））であり、予測時間（△ｔ）が決定されて規定されることを特徴とする微小重量状態を改善する飛行機の操縦方法。２．備品の相対的な予測位置の鉛直成分が、この備品の放出状態および飛行機の飛行パラメータに基づいて計算されることを特徴とする請求項１記載の方法。３．備品の相対的な予測位置の縦成分である第２の情報が処理されることを特徴とする請求項１記載の方法。４．備品の相対的な予測位置の水平成分である第３の情報が処理されることを特徴とする請求項１記載の方法。５．飛行機の軌道選択が飛行機の操縦士によって行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。６．飛行機の軌道選択が自動的に行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。７．予測時間（△ｔ）が数秒であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。８．飛行機の中において微小重力状態となるように備品（Ｍ）を放出する手段（１０）と、前記備品（Ｍ）によって占められる飛行機に対する相対的な位置に基づいて情報を処理すると共に、この情報を操縦室に表示する手段とからなり、前記システムは、情報を処理するための手段（３０，ＭＡＵ）が備品（Ｍ）の相対的な予測位置の鉛直成分（Ｚ_av（ｔ＋△ｔ））を計算することが可能であり、予測時間（△ｔ）が決定されると共に規定される、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法を行うための操縦システム。９．情報処理手段が、少なくとも１つの加速度用プレート（Ａ）と、種々の検出器（２２）および加速度用プレート（Ａ）に接続された複合取得ユニット（ＭＡＵ）と、複合取得ユニット（ＭＡＵ）に接続された処理ユニット（３２）と処理ユニット（３２）に接続された表示装置（５０）とが一体となったコンピュータ（３０）とを含むことを特徴とする請求項８記載のシステム。