ロケット、ロケット制御の方法、および圧力補償を利用したロケット評価の方法
【課題】ロケット、ロケットモータ、ロケットを制御する方法、およびロケット設計を評価する方法を提供すること。
【解決手段】いくつかの実施形態では、ロケットを制御する方法は、燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップとを含むことができる。この方法は、対数領域での補償された信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された信号を提供するために、対数領域での補償された信号の逆対数を取るステップとをさらに含むことができる。
【解決手段】いくつかの実施形態では、ロケットを制御する方法は、燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップとを含むことができる。この方法は、対数領域での補償された信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された信号を提供するために、対数領域での補償された信号の逆対数を取るステップとをさらに含むことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年５月１１日出願の「ＲＯＣＫＥＴＳ， ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＲＯＣＫＥＴ ＣＯＮＴＲＯＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＲＯＣＫＥＴ ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ（ロケット、ロケット制御の方法、および圧力補償を利用するロケット評価の方法）」という名称の米国特許出願第１２／７７７５０８号の出願日の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の実施形態は、固体推進剤ロケットモータなどロケットモータの圧力を制御するため、およびロケット設計を評価するための制御システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
固体推進剤ロケットモータは、固体燃料装薬または「粒子」を含む推進剤を採用し、推進剤が燃焼して、排ガスおよび他の燃焼生成物を生成し、これらは、ロケットモータの１つまたは複数のノズルを通して放出されて、推力を提供する。固体推進剤の粒子がひとたび点火されると、消火するのは難しく、通常は点火後にすべての粒子が消費される。さらに、固体推進剤ロケットエンジンでは、液体推進剤ロケットエンジンよりも推力の変更を行うのが難しい。しかし、固体推進剤ロケットモータの構造設計が単純であること、および固体推進剤の貯蔵が容易であることが、固体推進剤モータの利点である。
【０００４】
固体推進剤モータの推力を制御する方法は、複雑な制御方式を含むことが多く、そのような制御方式は、ロケットが広範囲の動作条件にわたって動作することができるように、大きな計算力および／または複数の制御装置を必要とすることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のことに鑑みて、圧力など比較的簡単に取得されるシステムデータを利用して未知の変数を補償する、固体推進剤ロケットモータの推力を制御するための制御システムおよび方法を提供することが望まれる。さらに、制御システムおよび方法が、計算力をそれほど必要とせず、比較的広範囲の動作条件にわたって、例えば比較的広範囲の圧力にわたって動作可能な制御装置を利用することが望ましい。さらに、計算力をそれほど必要としない制御方法を利用してロケット設計をシミュレートして評価することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
いくつかの実施形態では、ロケットを制御する方法が、燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップとを含むことができる。この方法は、制御装置を用いて、対数領域での補償された総流積制御信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での補償された総流積制御信号の逆対数を取るステップと、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を移動させるステップとをさらに含むことができる。
【０００７】
追加の実施形態では、ロケットが、燃焼チャンバと、燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、燃焼チャンバからのガス流を調整するための少なくとも１つの弁と、圧力センサから圧力測定値を受信するように構成された制御装置とを含むことができる。制御装置は、圧力センサからの信号の対数を計算し、誤差信号を決定し、対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差信号をフィルタリングし、補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせるようにさらに構成されてプログラムされる。
【０００８】
さらなる実施形態では、コンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価する方法が、ロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力するステップと、計算された燃焼圧力の対数を計算するステップと、誤差値を決定するために、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算するステップと、対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差値をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された制御信号を決定するために、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取るステップと含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態によるロケット用のロケットモータの長手方向断面図である。
【図２】図１のロケットモータの機動制御弁および機動制御スラスタの概略軸方向図である。
【図３】図１のロケットモータの概略図である。
【図４】図１に示されるようなロケットモータ用の圧力補償器を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
いくつかの実施形態では、ロケット用のロケットモータが、図１に示されるような上側または最終段ロケットモータを備えることがある。モータケースアセンブリがモータケースハウジング１２を備えることができ、モータケースハウジング１２は、圧力容器１４（「モータケース」と呼ぶこともある）を収容し、複数の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ（図１および２）が圧力容器１４と連絡している。圧力容器１４内部では、低密度フォーム２０などの断熱ライニングが、固体推進剤粒子２２を少なくとも部分的に取り囲み、断熱することができる。
【００１１】
固体推進剤粒子２２は、ヒドロキシル末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）ポリマーをベースとする結合剤系を有する自己保持型クラス７ＨＭＸ（シクロテトラメチレンテトラニトラミン）酸化複合物推進剤を含むことができ、オパシファイアとして少量のカーボンブラックを含むイソホルンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）で硬化され、推進剤は、広い圧力範囲にわたって比較的安定して燃焼するように配合される。追加の実施形態では、固体推進剤粒子２２は、例えば、アルミニウム粉末を燃料とするヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）ポリマーベース結合剤を含むことができる。しかし、使用のために選択される固体推進剤は、当業者に知られている任意の適した推進剤でよい。固体推進剤粒子２２は、燃焼して、排ガスおよび他の燃焼生成物を発生することがあり、それらの生成物がロケットモータから放出されて、推力を発生する。固体推進剤粒子２２がひとたび点火されると、消火するのは難しいことがあり、通常は点火後にすべての粒子が消費される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、軸方向推力弁１０は、軸方向スラスタ２６を通した軸方向推力の比例動作および制御を行うように構成されたピントル弁として構成することができる。図２に示されるように、この図では分かりやすくするために軸方向スラスタ２６の出口円錐部２４が破線で示されており、機動制御スラスタ３２、３４、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂを、それぞれ機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂに動作可能に結合させることができ、ピッチ、ヨー、およびロール制御を含む機動機能を行うために位置させて向きを定めることができる。さらに、機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂは、比例弁として構成することができる。
【００１３】
「開いた」または「閉じた」状態で動作するように構成することができる弁が知られている。さらに、少なくとも第３の動作状態、すなわち「部分的に開いた」動作状態を含む弁が、「比例弁」として知られている。各弁の状態は、各弁ごとのオリフィスまたは「スロート」の横方向開放断面積によって決定することができる。
【００１４】
さらに、ロケットモータは、圧力容器１４内部のチャンバ圧力を測定するように位置決めされた１つまたは複数の圧力センサ５６（図３）（すなわち、圧力トランスデューサ）を含むことができる。同様に、チャンバ温度を測定するために温度センサを含むこともでき、さらに、推力を予測することができるようにする、またはシステム性能を監視することができるようにする測定値を提供するために加速度計を含むこともできる。推進システムの所望のパラメータを制御するために、加速度計からのフィードバックを閉ループ制御システムで使用することもできる。
【００１５】
図２に示されるように、１８０°離隔して位置され、ロケットモータの長手方向軸Ｌに対して横向きの共面機動制御スラスタ３２、３４をそれぞれ関連して備える２つの機動制御弁２８、３０の選択動作を、ピッチ制御のために使用することができる。ヨー制御は、一対の機動制御スラスタ４０ａおよび４２ａを機動制御弁３６ａおよび３８ａによって選択動作させること、またはそれと直径方向で対向する一対の機動制御スラスタ４０ｂおよび４２ｂを機動制御弁３６ｂおよび３８ｂによって選択動作させることによって行うことができる。図示されるように、一対の機動制御スラスタ４０ａ、４２ａおよび４０ｂ、４２ｂは、共面で、ロケットモータの長手方向軸Ｌに対して横方向に向けることができ、これらを使用して、長手方向軸Ｌの各側に、軸を通して同一の側方オフセットで、均衡の取れた平行な推力ベクトルを提供することができる。
【００１６】
固体推進剤粒子２２の燃焼中に上述の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの任意のものを開くことによって総出口流積を増加させることで、圧力容器１４内部の圧力を低下させる。圧力容器１４内部でのそのような圧力低下は、推進剤の燃焼速度を低下させ、したがって推力を減少させる。
【００１７】
姿勢制御弁すべてが、完全に閉じた位置など固定位置で保持されている状態では、軸方向推力弁１０を部分的に閉じることによって、圧力容器１４内部でのより高い動作圧力、およびそれに対応してより高い推力を達成することができる。軸方向推力弁１０を部分的に閉じることで、ノズルスロート４８の実効横方向断面積を縮小し、これにより、より高い動作圧力、したがってより高い推力を生み出すことができる。これは、ロケットの速度を増加させ、ミッション時間を短縮させることができる。上述したように、軸方向推力弁１０はピントル弁として構成することができ、アクチュエータ４４が電池４６によって動力供給され、アクチュエータ４４は、ノズルスロート４８に対して近づいたり離れたりするようにピントル要素５０を移動させるように構成され、それにより、ノズルスロート面積を変え、圧力容器１４内部での圧力および得られる推力を変える。ただ１つの軸方向推力弁およびそれに関連する軸方向スラスタを図示し、前述の実施形態を参照して説明したが、追加の実施形態では、複数の軸方向推力弁およびそれらに関連する軸方向スラスタを含むことができることが企図される。機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、および３８ｂは、軸方向推力弁１０と同様に、電池４６など１つまたは複数の他の電池によって動力供給される電池式アクチュエータ（図示せず）によって作動させることができる。追加の実施形態では、燃料電池によって弁に動力供給することができる。追加の実施形態では、各弁が比例弁でよく、これは、電気駆動式、空気圧駆動式、油圧駆動式、および機械駆動式システムの１つまたは複数によって制御することができ、それらのシステムは、動作モードで線形または非線形に作用することができる。
【００１８】
図３は、図１および２を参照して説明したもののような１つまたは複数のロケットモータと制御システム５４とを含むロケットモータシステム５２の一実施形態を概略的に示す。ロケットモータは、固体推進剤エンジンとして、またはハイブリッドエンジンとして構成することができる。適切な推進剤、酸化剤、および点火源の構造の詳細は当業者に知られており、また、例えば本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６３９３８３０号で見ることもできる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、各弁の状態を制御するための方法は、制御システム５４への制御入力またはプロセス変数として使用される圧力測定値に依拠する。この制御モードでの制御入力５８は、総推力コマンド、推力ベクトルコマンド、およびチャンバ圧力コマンドである。弁セット当たりの正味推力（Ｆｎｅｔ，ｉ）は、推力ベクトルコマンドから導出される。本明細書で使用するとき、正味推力とは、対向するノズルの推力の差、およびいかなる対向するノズルにも対応しないノズルからの推力と定義される。
【００２０】
標準の弾道方程式によれば、所与のチャンバ圧力を得るための総スロート面積は、以下の式で与えられる。
Ａｔ＝（Ｃ＊ρＡｓｒ（Ｐｃ／Ｐｒｅｆ）ｎ）／（ｇｃＰｃ）
ここで、
ρ＝推進剤の密度［ｋｇ／ｍ３］
Ｐｒｅｆ＝基準圧力［Ｎ／ｍ２］
Ａｓ＝推進剤の表面積［ｍ２］
ｎ＝指数
ｒ＝Ｐｒｅｆでの燃焼速度［ｍ／ｓ］
Ａｔ＝弁ｉのスロート流積［ｍ２］
Ｐｃ＝ガス発生器圧力［Ｎ／ｍ２］
ｇｃ＝重力定数［（ｋｇ／Ｎ）（ｍ／ｓ２）］
Ｃ＊＝特性排気速度［ｍ／秒］
である。
【００２１】
所与の弁セットからの正味推力は、ガス発生器（ＧＧ）圧力（すなわち圧力容器１４の圧力）に比例し、対向する弁の調整されたスロート面積の差は、
Ｆｎｅｔ，ｉ＝（Ａｔ，ｉ−Ａｔ，ｊ）ＰＣＦであり、ここで、弁ｉおよびｊは、弁セットを備え、逆向きの推力を発生させる。
【００２２】
図３に示されるように、制御システム５４は、ミッション目的を達成するためにロケットモータの各弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、および３８ｂを操作するように構成することができる。さらに、制御システム５４は、１つまたは複数の燃焼チャンバ圧力センサ５６など、１つまたは複数のセンサから信号を受信するように構成することができる。制御システム５４は、ミッション目的に合うようにコマンドを分析することができ、１つまたは複数のセンサ５６からの信号を分析することができ、予想されない、未知の、または予測が難しい状態を補償することができ、ミッション目的に合うように適切なシステム応答、例えば１つまたは複数の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの適切な位置決めを決定することができる。例えば、制御システム５４は、１つまたは複数の総推力コマンド、推力ベクトルコマンド、およびチャンバ圧力コマンドを受信することができる。次いで、制御システム５４は、弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂを、コマンドを実現すると予測される位置に位置決めし、コマンドを実現するように圧力コマンドを決定することができる。弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂが位置決めされた後、または弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂが位置決めされるとき、制御システム５４は、圧力センサ５６から信号を受信することができ、誤差値を計算することができる。次いで、制御システム５４は、誤差値を利用して、補償された弁位置コマンドを計算することができ、補償された弁位置コマンドを弁制御装置に送信して、弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂを新たな位置に位置決めし、圧力コマンドと測定された圧力との誤差を減少させる。制御システム５４は、圧力センサ５６からの信号を繰り返し受信して、圧力コマンドと比較することができ、非ゼロの誤差値が計算されたときはいつでも、補償された弁位置コマンドを生成して、測定された圧力とコマンド圧力の誤差を減少させることができる。
【００２３】
図４に示されるように、補償された弁位置コマンドなど、補償されたコマンドの計算を容易にするために、制御システム５４の制御装置は、入力信号を対数領域に変換することができる。例えば、制御装置は、圧力コマンド６０（Ｐｃ）を、圧力コマンドの自然対数６２（ｌｎ（Ｐｃ））に変換し、測定された圧力６４（Ｐｍ）を、測定された圧力の自然対数６６（ｌｎ（Ｐｍ））に変換することができる。圧力コマンドの自然対数６２と測定された圧力の自然対数６６の差を計算して、誤差値６８（すなわち、ｌｎ（Ｐｃ）−ｌｎ（Ｐｍ）＝誤差値）を決定することができる。次いで、比例利得フィルタ７２、積分器７４、および積分利得フィルタ７６を有する比例積分（ＰＩ）制御装置７０など１つまたは複数の制御装置を使用して、誤差値６８を利用して対数領域での利得値を計算することができる。ＰＩ制御装置７０において、比例利得フィルタ７２によって、誤差値６８を利用して比例利得７８を計算することができる。さらに、積分器７４によって誤差値６８を積分して、積分された誤差値８０を提供することができ、積分された誤差値８０を利用して積分補償値８２を計算することができ、積分補償値８２に自由体積８４を乗算して、積分利得８６を計算することができる。いくつかの実施形態では、燃焼チャンバ内部での自由体積８４（すなわち、固体材料によって占有されていない空間）を一定値で表すことができる。追加の実施形態では、自由体積８４を表す値は、例えば所定の関数またはテーブルに応じて燃焼チャンバ内部の自由体積が増加するにつれて、時間と共に変化することがある。次いで、比例利得７８と積分利得８６を加算して、対数領域での総利得８８を提供することができる。次いで、逆対数器９０が、総利得８８の真数を計算することができ、物理領域での補償された制御信号９２を提供することができる。
【００２４】
圧力制御法を利用する推力制御の難点として、制御装置への入力、およびそれらの入力と制御装置出力との関係が、物理領域で非線形となることがある。例えば、弁の複合的な開放のサイズと燃焼チャンバの圧力との関係が線形に相関しないことがある（すなわち、燃焼速度がチャンバ圧力の非線形関数である）。これにより、未知の変数を補償して、正確に制御された圧力応答を提供することができる圧力補償方式の利用が難しくなっている。しかし、チャンバ圧力の対数と弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの複合的な開放のサイズの対数との関係は、実質的に線形になることがある。これに鑑みて、線形制御理論およびＰＩ制御装置７０などの線形制御装置は、本明細書で説明するように対数領域でそのような制御装置を利用するとき、ロケットの動作範囲にわたって利用することができる。
【００２５】
典型的には制御装置によって利用される線形時不変系の入力と出力の関係の数学的表現であり、しかしこの場合にはＰＩ制御装置７０によって使用するために制御システム５４の入力の対数と出力の対数の関係の数学的表現である伝達関数（すなわちＧｐ（ｓ））は、以下のように表すことができる。
【００２６】
Ｇｐ（ｓ）＝Ｋｐ／（τｐｓ＋１）
ここで、
Ｋｐ＝１／（Ｎ−１）であり、
Ｎは燃焼速度指数であり、
τｐはプラント時定数であり、これは、
１／τｐ＝−｛（Ｋｇａｓ／Ｖｃ）＊（（Ｎ−１）／Ｐｃ）＊（ρＡＢＲＢ）＊（（Ｐｃ／Ｐｍ）＾Ｎ）｝
で表すことができる。ここで、
Ｖｃは燃焼チャンバの自由体積であり、
ρは推進剤密度であり、
ＡＢは燃焼表面積であり、
ＲＢは基準圧力での燃焼速度であり、
Ｋｇａｓ＝１２ＲＴ／ＭＷであり、
Ｒは理想気体定数であり、
Ｔはガス温度であり、
ＭＷはガスの分子量である。
【００２７】
次いで、関数Ｇｐ（ｓ）を利用して、比例フィルタ７２に関する制御利得を分析計算することができる。例えば、ＰＩ制御装置７０に関して、比例フィルタ７２の利得Ｋｃおよび積分フィルタ７６の利得Ｋｉは、以下に表すように決定することができる。
【００２８】
Ｋｉ＝ＣＬｘ２／（τｐＫｐ）
および
Ｋｃ＝（２ζＣＬｘ−１）／Ｋｐ
ここで、
ζは減衰比であり、
ＣＬｘは、
ＣＬｘ＝ωｎτｐ
によって定義される閉ループ因子であり、
ここで、
ωｎはシステムの自然周波数である。
【００２９】
離散時間に関しては、積分制御装置利得Ｋｉをさらに簡略化することができる。例えば、線形体積推定器を利用して、時間が経つにつれて増加するチャンバ自由体積を推定することができ、積分制御装置利得Ｋｉは、以下のように表すことができる。
【００３０】
Ｋｉ［ｎ］＝（ＣＬｘ２／Ｋｐ）＊（Ｖｃ０／Ｖｅｓｔ［ｎ］）＊（１／τｐ０）
ここで、
Ｖｃ０は初期自由チャンバ体積であり、
Ｖｅｓｔ［ｎ］はチャンバ自由体積推定値であり、
τｐ０は初期チャンバ自由体積での開ループ時定数である。
【００３１】
システム利得を計算して正確な制御応答を提供することに加えて、制御システムを利用して、システム応答時間および飛行中のシステム効率を変え、ミッション目的に合うように調整することができる。あるミッション段階に関しては、制御システムは、正味推力の変更など、コマンドに対する比較的高速のシステム応答を容易にすることができ、またあるミッション段階に関しては、制御システムは、燃料の比較的効率的な使用を容易にすることができる。制御装置は、圧力設定点を利用することによってそのようなシステム変化を容易にすることができ、この圧力設定点は、特定のミッション段階に関するエンジンに関するコマンド圧力でよい。例えば、特定のミッション段階に関して比較的急速な推力の変化を予想することができる場合、圧力設定点は、現在の正味推力の要件を満たすのに必要な圧力よりも高い圧力値に設定することができ、さらには、予想される正味推力の要件を満たすのに十分に高い圧力値に設定することもできる。圧力が、現在の正味推力の要件よりも高い値に設定されるとき、対向する弁を通してガスを抜くことができ、これは、システムの燃料効率を低下させることがある。しかし、正味推力の増加が必要とされるとき、システムは、燃焼チャンバの圧力を増加させずに、弁を位置決めし直して、正味推力増加の要件を実現することができ、これは、弁を位置決めし直すのにかかる時間内に推力の増加を実現できるようにすることができる。圧力設定点Ｐｓｅｔは、最大予想推力Ｆｍａｘが必要になると予想される時点よりも前に、最大予想推力Ｆｍａｘを実現するように設定することができる。圧力設定点は、以下の式に従って決定することができる。
【００３２】
Ｐｓｅｔ＝Ｆｍａｘ／（ＣｆＡｍａｘ）
ここで、
Ｃｆは、（１つまたは複数の）スラスタの放出効率であり、
Ａｍａｘは、（１つまたは複数の）弁の最大流積である。
【００３３】
特定のミッションまたはミッションの特定の段階に関して、応答時間よりも燃料効率が重要である場合、圧力設定点は、正味推力コマンドを実現するのに必要な最小圧力に、またはその付近に設定することができる。任意の特定のミッションまたはミッション段階に関して、圧力設定点は、性能および燃料効率要件を最良に満たすように選択することができる。これに鑑みて、圧力設定点は、例えば外部信号および制御装置にプログラミングされた所定のスケジュールの１つまたは複数によって、飛行中の任意の点で変更することができる。
【００３４】
さらに、本明細書で説明される制御方法を利用して、例えばコンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価することができる。例えば、特定のロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力することができ、そのロケット設計に関する燃焼チャンバ圧力値を計算することができる。次に、計算された燃焼圧力の対数を計算することができる。次いで、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算することによって、誤差値を決定することができる。次いで、例えば図４を参照して説明したものと同様にしてＰＩフィルタを用いて、誤差値をフィルタリングして、対数領域での補償された制御信号を決定することができる。最後に、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取ることによって、対数領域での補償された制御信号の真数を計算して、物理領域での補償された制御信号を決定することができる。また、圧力設定点の値を、本明細書で述べるようにロケットを操作する際に使用するのと同様に、ロケット設計を評価する際にも利用することができる。
【００３５】
非限定な実施形態の追加の例を以下に記載する。
（実施形態１）
ロケットを制御する方法であって、
燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、
測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、
誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップと、
制御装置を用いて、対数領域での補償された総流積制御信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、
物理領域での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での補償された総流積制御信号の逆対数を取るステップと、
物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を移動させるステップと
を含む方法。
（実施形態２）
誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分フィルタを用いて誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む実施形態１の方法。
（実施形態３）
燃焼チャンバの自由体積が増加するにつれて、比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む実施形態２の方法。
（実施形態４）
積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュールに従って利得を変化させるステップを含む実施形態３の方法。
（実施形態５）
燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めするステップ
をさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態６）
燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して複数の弁を位置決めするステップ
をさらに含む実施形態５の方法。
（実施形態７）
圧力設定点を決定するステップと、圧力設定点を基準チャンバ圧力値として利用するステップをさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態８）
圧力設定点を決定するステップが、
特定の弁特性を利用して、弁セットに関して、利用可能なスロート面積に対する最高正味推力コマンドを実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
推進剤の特性を利用して、正味推力の要件すべてを満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
計算された値の最大値を選択するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態９）
圧力設定点を決定するステップが、
最大予想推力を決定するステップと、
最大予想推力を実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
最大予想推力未満である現在の推力の要件を満たしながら、最大予想推力を実現するのに必要な圧力を圧力設定点として利用するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態１０）
圧力設定点を決定するステップが、
現在の推力の要件を決定するステップと、
現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を圧力設定点として利用するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態１１）
所定の推力値を実現すると予想されるガス排出のレベルよりも高い最小の速度でガスを排出するためにロケットモータを制御するステップと、弁の応答速度でロケット推力の増加を実現できるようにするために、対向する弁を通して余剰のガスを抜くステップと
をさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態１２）
燃焼チャンバと、
燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、
燃焼チャンバからのガス流を調整するための少なくとも１つの弁と、
制御装置とを備えるロケットであって、制御装置が、圧力センサから圧力測定値を受信するように構成され、かつ
圧力センサからの信号の対数を計算し、
誤差信号を決定し、
対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差信号をフィルタリングし、
補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせる
ようにプログラムされたロケット。
（実施形態１３）
少なくとも１つの弁が、少なくとも１つの比例弁を備える実施形態１２のロケット。
（実施形態１４）
制御装置が、比例積分制御装置を使用して誤差信号をフィルタリングするようにさらにプログラムされた実施形態１２または１３のロケット。
（実施形態１５）
コンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価する方法であって、
ロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力するステップと、
ロケット設計に関する燃焼チャンバ圧力値を計算するステップと、
計算された燃焼圧力の対数を計算するステップと、誤差値を決定するために、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算するステップと、
対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差値をフィルタリングするステップと、
物理領域での補償された制御信号を決定するために、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取るステップと
を含む方法。
（実施形態１６）
誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分フィルタを用いて誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む実施形態１５の方法。
（実施形態１７）
計算された燃焼チャンバ自由体積に従って、比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む実施形態１５または１６の方法。
（実施形態１８）
積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュールに従って利得を変化させるステップを含む実施形態１７の方法。
（実施形態１９）
圧力設定点を決定するステップと、圧力設定点を基準チャンバ圧力値として利用するステップとをさらに含む実施形態１５から１８のいずれか１つの方法。
【００３６】
本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、本発明は、これらの記載した実施形態に限定されない。そうではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、特許請求の範囲は、その範囲内にすべての均等デバイス、システム、および方法を含む。本願で特許請求する本発明の範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に追加、削除、および変更を施すことができる。同様に、本発明の範囲内に留めながら、１つの実施形態からの特徴を別の実施形態の特徴と組み合わせることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 軸方向推力弁
１２ モータケースハウジング
１４ 圧力容器
２０ 低密度フォーム
２２ 固体推進剤粒子
２６ 軸方向スラスタ
２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ 機動制御弁
３２、３４、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ 機動制御スラスタ
４４ アクチュエータ
４６ 電池
４８ ノズルスロート
５０ ピントル要素
５２ ロケットモータシステム
５４ 制御システム
５６ 圧力センサ
５８ 制御入力
６８ 誤差値
７０ 比例積分（ＰＩ）制御装置
７２ 比例利得フィルタ
７４ 積分器
７６ 積分利得フィルタ
７８ 比例利得
８０ 積分された誤差値
８２ 積分補償値
８４ 自由体積
８６ 積分利得
８８ 総利得
９０ 逆対数器
９２ 制御信号
Ｌ 長手方向軸
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年５月１１日出願の「ＲＯＣＫＥＴＳ， ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＲＯＣＫＥＴ ＣＯＮＴＲＯＬ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＲＯＣＫＥＴ ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ（ロケット、ロケット制御の方法、および圧力補償を利用するロケット評価の方法）」という名称の米国特許出願第１２／７７７５０８号の出願日の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の実施形態は、固体推進剤ロケットモータなどロケットモータの圧力を制御するため、およびロケット設計を評価するための制御システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
固体推進剤ロケットモータは、固体燃料装薬または「粒子」を含む推進剤を採用し、推進剤が燃焼して、排ガスおよび他の燃焼生成物を生成し、これらは、ロケットモータの１つまたは複数のノズルを通して放出されて、推力を提供する。固体推進剤の粒子がひとたび点火されると、消火するのは難しく、通常は点火後にすべての粒子が消費される。さらに、固体推進剤ロケットエンジンでは、液体推進剤ロケットエンジンよりも推力の変更を行うのが難しい。しかし、固体推進剤ロケットモータの構造設計が単純であること、および固体推進剤の貯蔵が容易であることが、固体推進剤モータの利点である。
【０００４】
固体推進剤モータの推力を制御する方法は、複雑な制御方式を含むことが多く、そのような制御方式は、ロケットが広範囲の動作条件にわたって動作することができるように、大きな計算力および／または複数の制御装置を必要とすることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のことに鑑みて、圧力など比較的簡単に取得されるシステムデータを利用して未知の変数を補償する、固体推進剤ロケットモータの推力を制御するための制御システムおよび方法を提供することが望まれる。さらに、制御システムおよび方法が、計算力をそれほど必要とせず、比較的広範囲の動作条件にわたって、例えば比較的広範囲の圧力にわたって動作可能な制御装置を利用することが望ましい。さらに、計算力をそれほど必要としない制御方法を利用してロケット設計をシミュレートして評価することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
いくつかの実施形態では、ロケットを制御する方法が、燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップとを含むことができる。この方法は、制御装置を用いて、対数領域での補償された総流積制御信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での補償された総流積制御信号の逆対数を取るステップと、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を移動させるステップとをさらに含むことができる。
【０００７】
追加の実施形態では、ロケットが、燃焼チャンバと、燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、燃焼チャンバからのガス流を調整するための少なくとも１つの弁と、圧力センサから圧力測定値を受信するように構成された制御装置とを含むことができる。制御装置は、圧力センサからの信号の対数を計算し、誤差信号を決定し、対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差信号をフィルタリングし、補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせるようにさらに構成されてプログラムされる。
【０００８】
さらなる実施形態では、コンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価する方法が、ロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力するステップと、計算された燃焼圧力の対数を計算するステップと、誤差値を決定するために、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算するステップと、対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差値をフィルタリングするステップと、物理領域での補償された制御信号を決定するために、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取るステップと含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態によるロケット用のロケットモータの長手方向断面図である。
【図２】図１のロケットモータの機動制御弁および機動制御スラスタの概略軸方向図である。
【図３】図１のロケットモータの概略図である。
【図４】図１に示されるようなロケットモータ用の圧力補償器を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
いくつかの実施形態では、ロケット用のロケットモータが、図１に示されるような上側または最終段ロケットモータを備えることがある。モータケースアセンブリがモータケースハウジング１２を備えることができ、モータケースハウジング１２は、圧力容器１４（「モータケース」と呼ぶこともある）を収容し、複数の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ（図１および２）が圧力容器１４と連絡している。圧力容器１４内部では、低密度フォーム２０などの断熱ライニングが、固体推進剤粒子２２を少なくとも部分的に取り囲み、断熱することができる。
【００１１】
固体推進剤粒子２２は、ヒドロキシル末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）ポリマーをベースとする結合剤系を有する自己保持型クラス７ＨＭＸ（シクロテトラメチレンテトラニトラミン）酸化複合物推進剤を含むことができ、オパシファイアとして少量のカーボンブラックを含むイソホルンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）で硬化され、推進剤は、広い圧力範囲にわたって比較的安定して燃焼するように配合される。追加の実施形態では、固体推進剤粒子２２は、例えば、アルミニウム粉末を燃料とするヒドロキシル基末端ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）ポリマーベース結合剤を含むことができる。しかし、使用のために選択される固体推進剤は、当業者に知られている任意の適した推進剤でよい。固体推進剤粒子２２は、燃焼して、排ガスおよび他の燃焼生成物を発生することがあり、それらの生成物がロケットモータから放出されて、推力を発生する。固体推進剤粒子２２がひとたび点火されると、消火するのは難しいことがあり、通常は点火後にすべての粒子が消費される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、軸方向推力弁１０は、軸方向スラスタ２６を通した軸方向推力の比例動作および制御を行うように構成されたピントル弁として構成することができる。図２に示されるように、この図では分かりやすくするために軸方向スラスタ２６の出口円錐部２４が破線で示されており、機動制御スラスタ３２、３４、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂを、それぞれ機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂに動作可能に結合させることができ、ピッチ、ヨー、およびロール制御を含む機動機能を行うために位置させて向きを定めることができる。さらに、機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂは、比例弁として構成することができる。
【００１３】
「開いた」または「閉じた」状態で動作するように構成することができる弁が知られている。さらに、少なくとも第３の動作状態、すなわち「部分的に開いた」動作状態を含む弁が、「比例弁」として知られている。各弁の状態は、各弁ごとのオリフィスまたは「スロート」の横方向開放断面積によって決定することができる。
【００１４】
さらに、ロケットモータは、圧力容器１４内部のチャンバ圧力を測定するように位置決めされた１つまたは複数の圧力センサ５６（図３）（すなわち、圧力トランスデューサ）を含むことができる。同様に、チャンバ温度を測定するために温度センサを含むこともでき、さらに、推力を予測することができるようにする、またはシステム性能を監視することができるようにする測定値を提供するために加速度計を含むこともできる。推進システムの所望のパラメータを制御するために、加速度計からのフィードバックを閉ループ制御システムで使用することもできる。
【００１５】
図２に示されるように、１８０°離隔して位置され、ロケットモータの長手方向軸Ｌに対して横向きの共面機動制御スラスタ３２、３４をそれぞれ関連して備える２つの機動制御弁２８、３０の選択動作を、ピッチ制御のために使用することができる。ヨー制御は、一対の機動制御スラスタ４０ａおよび４２ａを機動制御弁３６ａおよび３８ａによって選択動作させること、またはそれと直径方向で対向する一対の機動制御スラスタ４０ｂおよび４２ｂを機動制御弁３６ｂおよび３８ｂによって選択動作させることによって行うことができる。図示されるように、一対の機動制御スラスタ４０ａ、４２ａおよび４０ｂ、４２ｂは、共面で、ロケットモータの長手方向軸Ｌに対して横方向に向けることができ、これらを使用して、長手方向軸Ｌの各側に、軸を通して同一の側方オフセットで、均衡の取れた平行な推力ベクトルを提供することができる。
【００１６】
固体推進剤粒子２２の燃焼中に上述の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの任意のものを開くことによって総出口流積を増加させることで、圧力容器１４内部の圧力を低下させる。圧力容器１４内部でのそのような圧力低下は、推進剤の燃焼速度を低下させ、したがって推力を減少させる。
【００１７】
姿勢制御弁すべてが、完全に閉じた位置など固定位置で保持されている状態では、軸方向推力弁１０を部分的に閉じることによって、圧力容器１４内部でのより高い動作圧力、およびそれに対応してより高い推力を達成することができる。軸方向推力弁１０を部分的に閉じることで、ノズルスロート４８の実効横方向断面積を縮小し、これにより、より高い動作圧力、したがってより高い推力を生み出すことができる。これは、ロケットの速度を増加させ、ミッション時間を短縮させることができる。上述したように、軸方向推力弁１０はピントル弁として構成することができ、アクチュエータ４４が電池４６によって動力供給され、アクチュエータ４４は、ノズルスロート４８に対して近づいたり離れたりするようにピントル要素５０を移動させるように構成され、それにより、ノズルスロート面積を変え、圧力容器１４内部での圧力および得られる推力を変える。ただ１つの軸方向推力弁およびそれに関連する軸方向スラスタを図示し、前述の実施形態を参照して説明したが、追加の実施形態では、複数の軸方向推力弁およびそれらに関連する軸方向スラスタを含むことができることが企図される。機動制御弁２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、および３８ｂは、軸方向推力弁１０と同様に、電池４６など１つまたは複数の他の電池によって動力供給される電池式アクチュエータ（図示せず）によって作動させることができる。追加の実施形態では、燃料電池によって弁に動力供給することができる。追加の実施形態では、各弁が比例弁でよく、これは、電気駆動式、空気圧駆動式、油圧駆動式、および機械駆動式システムの１つまたは複数によって制御することができ、それらのシステムは、動作モードで線形または非線形に作用することができる。
【００１８】
図３は、図１および２を参照して説明したもののような１つまたは複数のロケットモータと制御システム５４とを含むロケットモータシステム５２の一実施形態を概略的に示す。ロケットモータは、固体推進剤エンジンとして、またはハイブリッドエンジンとして構成することができる。適切な推進剤、酸化剤、および点火源の構造の詳細は当業者に知られており、また、例えば本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６３９３８３０号で見ることもできる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、各弁の状態を制御するための方法は、制御システム５４への制御入力またはプロセス変数として使用される圧力測定値に依拠する。この制御モードでの制御入力５８は、総推力コマンド、推力ベクトルコマンド、およびチャンバ圧力コマンドである。弁セット当たりの正味推力（Ｆｎｅｔ，ｉ）は、推力ベクトルコマンドから導出される。本明細書で使用するとき、正味推力とは、対向するノズルの推力の差、およびいかなる対向するノズルにも対応しないノズルからの推力と定義される。
【００２０】
標準の弾道方程式によれば、所与のチャンバ圧力を得るための総スロート面積は、以下の式で与えられる。
Ａｔ＝（Ｃ＊ρＡｓｒ（Ｐｃ／Ｐｒｅｆ）ｎ）／（ｇｃＰｃ）
ここで、
ρ＝推進剤の密度［ｋｇ／ｍ３］
Ｐｒｅｆ＝基準圧力［Ｎ／ｍ２］
Ａｓ＝推進剤の表面積［ｍ２］
ｎ＝指数
ｒ＝Ｐｒｅｆでの燃焼速度［ｍ／ｓ］
Ａｔ＝弁ｉのスロート流積［ｍ２］
Ｐｃ＝ガス発生器圧力［Ｎ／ｍ２］
ｇｃ＝重力定数［（ｋｇ／Ｎ）（ｍ／ｓ２）］
Ｃ＊＝特性排気速度［ｍ／秒］
である。
【００２１】
所与の弁セットからの正味推力は、ガス発生器（ＧＧ）圧力（すなわち圧力容器１４の圧力）に比例し、対向する弁の調整されたスロート面積の差は、
Ｆｎｅｔ，ｉ＝（Ａｔ，ｉ−Ａｔ，ｊ）ＰＣＦであり、ここで、弁ｉおよびｊは、弁セットを備え、逆向きの推力を発生させる。
【００２２】
図３に示されるように、制御システム５４は、ミッション目的を達成するためにロケットモータの各弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、および３８ｂを操作するように構成することができる。さらに、制御システム５４は、１つまたは複数の燃焼チャンバ圧力センサ５６など、１つまたは複数のセンサから信号を受信するように構成することができる。制御システム５４は、ミッション目的に合うようにコマンドを分析することができ、１つまたは複数のセンサ５６からの信号を分析することができ、予想されない、未知の、または予測が難しい状態を補償することができ、ミッション目的に合うように適切なシステム応答、例えば１つまたは複数の弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの適切な位置決めを決定することができる。例えば、制御システム５４は、１つまたは複数の総推力コマンド、推力ベクトルコマンド、およびチャンバ圧力コマンドを受信することができる。次いで、制御システム５４は、弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂを、コマンドを実現すると予測される位置に位置決めし、コマンドを実現するように圧力コマンドを決定することができる。弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂが位置決めされた後、または弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂが位置決めされるとき、制御システム５４は、圧力センサ５６から信号を受信することができ、誤差値を計算することができる。次いで、制御システム５４は、誤差値を利用して、補償された弁位置コマンドを計算することができ、補償された弁位置コマンドを弁制御装置に送信して、弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂを新たな位置に位置決めし、圧力コマンドと測定された圧力との誤差を減少させる。制御システム５４は、圧力センサ５６からの信号を繰り返し受信して、圧力コマンドと比較することができ、非ゼロの誤差値が計算されたときはいつでも、補償された弁位置コマンドを生成して、測定された圧力とコマンド圧力の誤差を減少させることができる。
【００２３】
図４に示されるように、補償された弁位置コマンドなど、補償されたコマンドの計算を容易にするために、制御システム５４の制御装置は、入力信号を対数領域に変換することができる。例えば、制御装置は、圧力コマンド６０（Ｐｃ）を、圧力コマンドの自然対数６２（ｌｎ（Ｐｃ））に変換し、測定された圧力６４（Ｐｍ）を、測定された圧力の自然対数６６（ｌｎ（Ｐｍ））に変換することができる。圧力コマンドの自然対数６２と測定された圧力の自然対数６６の差を計算して、誤差値６８（すなわち、ｌｎ（Ｐｃ）−ｌｎ（Ｐｍ）＝誤差値）を決定することができる。次いで、比例利得フィルタ７２、積分器７４、および積分利得フィルタ７６を有する比例積分（ＰＩ）制御装置７０など１つまたは複数の制御装置を使用して、誤差値６８を利用して対数領域での利得値を計算することができる。ＰＩ制御装置７０において、比例利得フィルタ７２によって、誤差値６８を利用して比例利得７８を計算することができる。さらに、積分器７４によって誤差値６８を積分して、積分された誤差値８０を提供することができ、積分された誤差値８０を利用して積分補償値８２を計算することができ、積分補償値８２に自由体積８４を乗算して、積分利得８６を計算することができる。いくつかの実施形態では、燃焼チャンバ内部での自由体積８４（すなわち、固体材料によって占有されていない空間）を一定値で表すことができる。追加の実施形態では、自由体積８４を表す値は、例えば所定の関数またはテーブルに応じて燃焼チャンバ内部の自由体積が増加するにつれて、時間と共に変化することがある。次いで、比例利得７８と積分利得８６を加算して、対数領域での総利得８８を提供することができる。次いで、逆対数器９０が、総利得８８の真数を計算することができ、物理領域での補償された制御信号９２を提供することができる。
【００２４】
圧力制御法を利用する推力制御の難点として、制御装置への入力、およびそれらの入力と制御装置出力との関係が、物理領域で非線形となることがある。例えば、弁の複合的な開放のサイズと燃焼チャンバの圧力との関係が線形に相関しないことがある（すなわち、燃焼速度がチャンバ圧力の非線形関数である）。これにより、未知の変数を補償して、正確に制御された圧力応答を提供することができる圧力補償方式の利用が難しくなっている。しかし、チャンバ圧力の対数と弁１０、２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂの複合的な開放のサイズの対数との関係は、実質的に線形になることがある。これに鑑みて、線形制御理論およびＰＩ制御装置７０などの線形制御装置は、本明細書で説明するように対数領域でそのような制御装置を利用するとき、ロケットの動作範囲にわたって利用することができる。
【００２５】
典型的には制御装置によって利用される線形時不変系の入力と出力の関係の数学的表現であり、しかしこの場合にはＰＩ制御装置７０によって使用するために制御システム５４の入力の対数と出力の対数の関係の数学的表現である伝達関数（すなわちＧｐ（ｓ））は、以下のように表すことができる。
【００２６】
Ｇｐ（ｓ）＝Ｋｐ／（τｐｓ＋１）
ここで、
Ｋｐ＝１／（Ｎ−１）であり、
Ｎは燃焼速度指数であり、
τｐはプラント時定数であり、これは、
１／τｐ＝−｛（Ｋｇａｓ／Ｖｃ）＊（（Ｎ−１）／Ｐｃ）＊（ρＡＢＲＢ）＊（（Ｐｃ／Ｐｍ）＾Ｎ）｝
で表すことができる。ここで、
Ｖｃは燃焼チャンバの自由体積であり、
ρは推進剤密度であり、
ＡＢは燃焼表面積であり、
ＲＢは基準圧力での燃焼速度であり、
Ｋｇａｓ＝１２ＲＴ／ＭＷであり、
Ｒは理想気体定数であり、
Ｔはガス温度であり、
ＭＷはガスの分子量である。
【００２７】
次いで、関数Ｇｐ（ｓ）を利用して、比例フィルタ７２に関する制御利得を分析計算することができる。例えば、ＰＩ制御装置７０に関して、比例フィルタ７２の利得Ｋｃおよび積分フィルタ７６の利得Ｋｉは、以下に表すように決定することができる。
【００２８】
Ｋｉ＝ＣＬｘ２／（τｐＫｐ）
および
Ｋｃ＝（２ζＣＬｘ−１）／Ｋｐ
ここで、
ζは減衰比であり、
ＣＬｘは、
ＣＬｘ＝ωｎτｐ
によって定義される閉ループ因子であり、
ここで、
ωｎはシステムの自然周波数である。
【００２９】
離散時間に関しては、積分制御装置利得Ｋｉをさらに簡略化することができる。例えば、線形体積推定器を利用して、時間が経つにつれて増加するチャンバ自由体積を推定することができ、積分制御装置利得Ｋｉは、以下のように表すことができる。
【００３０】
Ｋｉ［ｎ］＝（ＣＬｘ２／Ｋｐ）＊（Ｖｃ０／Ｖｅｓｔ［ｎ］）＊（１／τｐ０）
ここで、
Ｖｃ０は初期自由チャンバ体積であり、
Ｖｅｓｔ［ｎ］はチャンバ自由体積推定値であり、
τｐ０は初期チャンバ自由体積での開ループ時定数である。
【００３１】
システム利得を計算して正確な制御応答を提供することに加えて、制御システムを利用して、システム応答時間および飛行中のシステム効率を変え、ミッション目的に合うように調整することができる。あるミッション段階に関しては、制御システムは、正味推力の変更など、コマンドに対する比較的高速のシステム応答を容易にすることができ、またあるミッション段階に関しては、制御システムは、燃料の比較的効率的な使用を容易にすることができる。制御装置は、圧力設定点を利用することによってそのようなシステム変化を容易にすることができ、この圧力設定点は、特定のミッション段階に関するエンジンに関するコマンド圧力でよい。例えば、特定のミッション段階に関して比較的急速な推力の変化を予想することができる場合、圧力設定点は、現在の正味推力の要件を満たすのに必要な圧力よりも高い圧力値に設定することができ、さらには、予想される正味推力の要件を満たすのに十分に高い圧力値に設定することもできる。圧力が、現在の正味推力の要件よりも高い値に設定されるとき、対向する弁を通してガスを抜くことができ、これは、システムの燃料効率を低下させることがある。しかし、正味推力の増加が必要とされるとき、システムは、燃焼チャンバの圧力を増加させずに、弁を位置決めし直して、正味推力増加の要件を実現することができ、これは、弁を位置決めし直すのにかかる時間内に推力の増加を実現できるようにすることができる。圧力設定点Ｐｓｅｔは、最大予想推力Ｆｍａｘが必要になると予想される時点よりも前に、最大予想推力Ｆｍａｘを実現するように設定することができる。圧力設定点は、以下の式に従って決定することができる。
【００３２】
Ｐｓｅｔ＝Ｆｍａｘ／（ＣｆＡｍａｘ）
ここで、
Ｃｆは、（１つまたは複数の）スラスタの放出効率であり、
Ａｍａｘは、（１つまたは複数の）弁の最大流積である。
【００３３】
特定のミッションまたはミッションの特定の段階に関して、応答時間よりも燃料効率が重要である場合、圧力設定点は、正味推力コマンドを実現するのに必要な最小圧力に、またはその付近に設定することができる。任意の特定のミッションまたはミッション段階に関して、圧力設定点は、性能および燃料効率要件を最良に満たすように選択することができる。これに鑑みて、圧力設定点は、例えば外部信号および制御装置にプログラミングされた所定のスケジュールの１つまたは複数によって、飛行中の任意の点で変更することができる。
【００３４】
さらに、本明細書で説明される制御方法を利用して、例えばコンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価することができる。例えば、特定のロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力することができ、そのロケット設計に関する燃焼チャンバ圧力値を計算することができる。次に、計算された燃焼圧力の対数を計算することができる。次いで、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算することによって、誤差値を決定することができる。次いで、例えば図４を参照して説明したものと同様にしてＰＩフィルタを用いて、誤差値をフィルタリングして、対数領域での補償された制御信号を決定することができる。最後に、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取ることによって、対数領域での補償された制御信号の真数を計算して、物理領域での補償された制御信号を決定することができる。また、圧力設定点の値を、本明細書で述べるようにロケットを操作する際に使用するのと同様に、ロケット設計を評価する際にも利用することができる。
【００３５】
非限定な実施形態の追加の例を以下に記載する。
（実施形態１）
ロケットを制御する方法であって、
燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、
測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、
誤差信号を発生するために、測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップと、
制御装置を用いて、対数領域での補償された総流積制御信号を発生するために誤差信号をフィルタリングするステップと、
物理領域での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での補償された総流積制御信号の逆対数を取るステップと、
物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を移動させるステップと
を含む方法。
（実施形態２）
誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分フィルタを用いて誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む実施形態１の方法。
（実施形態３）
燃焼チャンバの自由体積が増加するにつれて、比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む実施形態２の方法。
（実施形態４）
積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュールに従って利得を変化させるステップを含む実施形態３の方法。
（実施形態５）
燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めするステップ
をさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態６）
燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での補償された総流積制御信号に応答して複数の弁を位置決めするステップ
をさらに含む実施形態５の方法。
（実施形態７）
圧力設定点を決定するステップと、圧力設定点を基準チャンバ圧力値として利用するステップをさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態８）
圧力設定点を決定するステップが、
特定の弁特性を利用して、弁セットに関して、利用可能なスロート面積に対する最高正味推力コマンドを実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
推進剤の特性を利用して、正味推力の要件すべてを満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
計算された値の最大値を選択するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態９）
圧力設定点を決定するステップが、
最大予想推力を決定するステップと、
最大予想推力を実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
最大予想推力未満である現在の推力の要件を満たしながら、最大予想推力を実現するのに必要な圧力を圧力設定点として利用するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態１０）
圧力設定点を決定するステップが、
現在の推力の要件を決定するステップと、
現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を圧力設定点として利用するステップと
を含む実施形態７の方法。
（実施形態１１）
所定の推力値を実現すると予想されるガス排出のレベルよりも高い最小の速度でガスを排出するためにロケットモータを制御するステップと、弁の応答速度でロケット推力の増加を実現できるようにするために、対向する弁を通して余剰のガスを抜くステップと
をさらに含む実施形態１から４のいずれか１つの方法。
（実施形態１２）
燃焼チャンバと、
燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、
燃焼チャンバからのガス流を調整するための少なくとも１つの弁と、
制御装置とを備えるロケットであって、制御装置が、圧力センサから圧力測定値を受信するように構成され、かつ
圧力センサからの信号の対数を計算し、
誤差信号を決定し、
対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差信号をフィルタリングし、
補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせる
ようにプログラムされたロケット。
（実施形態１３）
少なくとも１つの弁が、少なくとも１つの比例弁を備える実施形態１２のロケット。
（実施形態１４）
制御装置が、比例積分制御装置を使用して誤差信号をフィルタリングするようにさらにプログラムされた実施形態１２または１３のロケット。
（実施形態１５）
コンピュータシミュレーションシステムを用いてロケット設計を評価する方法であって、
ロケット設計に関するパラメータを、コンピュータシミュレーションシステムのメモリ構成要素に入力するステップと、
ロケット設計に関する燃焼チャンバ圧力値を計算するステップと、
計算された燃焼圧力の対数を計算するステップと、誤差値を決定するために、計算された燃焼圧力の対数と所定の圧力の対数の差を計算するステップと、
対数領域での補償された制御信号を決定するために誤差値をフィルタリングするステップと、
物理領域での補償された制御信号を決定するために、対数領域での補償された制御信号の逆対数を取るステップと
を含む方法。
（実施形態１６）
誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分フィルタを用いて誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む実施形態１５の方法。
（実施形態１７）
計算された燃焼チャンバ自由体積に従って、比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む実施形態１５または１６の方法。
（実施形態１８）
積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュールに従って利得を変化させるステップを含む実施形態１７の方法。
（実施形態１９）
圧力設定点を決定するステップと、圧力設定点を基準チャンバ圧力値として利用するステップとをさらに含む実施形態１５から１８のいずれか１つの方法。
【００３６】
本発明を特定の実施形態を参照して説明してきたが、本発明は、これらの記載した実施形態に限定されない。そうではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、特許請求の範囲は、その範囲内にすべての均等デバイス、システム、および方法を含む。本願で特許請求する本発明の範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に追加、削除、および変更を施すことができる。同様に、本発明の範囲内に留めながら、１つの実施形態からの特徴を別の実施形態の特徴と組み合わせることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 軸方向推力弁
１２ モータケースハウジング
１４ 圧力容器
２０ 低密度フォーム
２２ 固体推進剤粒子
２６ 軸方向スラスタ
２８、３０、３６ａ、３６ｂ、３８ａ、３８ｂ 機動制御弁
３２、３４、４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ 機動制御スラスタ
４４ アクチュエータ
４６ 電池
４８ ノズルスロート
５０ ピントル要素
５２ ロケットモータシステム
５４ 制御システム
５６ 圧力センサ
５８ 制御入力
６８ 誤差値
７０ 比例積分（ＰＩ）制御装置
７２ 比例利得フィルタ
７４ 積分器
７６ 積分利得フィルタ
７８ 比例利得
８０ 積分された誤差値
８２ 積分補償値
８４ 自由体積
８６ 積分利得
８８ 総利得
９０ 逆対数器
９２ 制御信号
Ｌ 長手方向軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットを制御する方法であって、
燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、
前記測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、
誤差信号を発生するために、前記測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップと、
制御装置を用いて(with a controller)、対数領域(logarithm domain)での補償された総流積(total flow area)制御信号を発生するために前記誤差信号をフィルタリングするステップと、
物理領域(physical domain)での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での前記補償された総流積制御信号の逆対数を取る(exponentiating)ステップと、
物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して(in response to)少なくとも１つの弁を移動させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分(proportional-plus-integer)フィルタを用いて前記誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼チャンバの自由体積(free volume)が増加するにつれて、前記比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュール(gain schedule)に従って利得を変化させるステップを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めする(positioning)ステップ
をさらに含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して複数の弁を位置決めするステップ
をさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
圧力設定点(pressure set point)を決定するステップと、前記圧力設定点を基準(reference)チャンバ圧力値として利用する(utilizing)ステップをさらに含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
圧力設定点を決定するステップが、
特定の弁特性(valve characteristics)を利用して、弁セット(a valve set)に関して、利用可能なスロート面積(throat area)に対する最高正味推力コマンド(highest net thrust command)を実現する(meet)のに必要な圧力を計算するステップと、
推進剤の特性(propellant characteristics)を利用して、前記正味推力の要件(net thrust requirements)すべてを満たす(meet)のに必要な圧力を計算するステップと、
前記計算された値の最大値を選択するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
圧力設定点を決定するステップが、
最大予想推力(maximum anticipated thrust)を決定するステップと、
前記最大予想推力を実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
前記最大予想推力未満である現在の推力の要件を満たしながら、前記最大予想推力を実現するのに必要な圧力を前記圧力設定点として利用するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
圧力設定点を決定するステップが、
現在の推力の要件(requirement)を決定するステップと、
前記現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
前記現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を前記圧力設定点として利用するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
所定の(predetermined)推力値を実現する(meet)と予想される(anticipated)ガス排出(emission)のレベルよりも高い最小の割合(minimum rate)でガスを排出(emit)するためにロケットモータを制御するステップと、弁の応答速度(response rate)でロケット推力の増加を実現できるようにするために、対向する(opposing)弁を通して余剰の(excess)ガスを抜く8venting)ステップと
をさらに含む請求項１から４に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼チャンバと、
前記燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、
前記燃焼チャンバからのガス流(gas flow)を調整する(regulating)ための少なくとも１つの弁と、
制御装置とを備えるロケットであって、前記制御装置が、前記圧力センサから圧力測定値を受信するように構成され、かつ
前記圧力センサからの信号の対数を計算し、
誤差信号を決定し、
対数領域での補償された制御信号を決定するために前記誤差信号をフィルタリングし、
前記補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での前記補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせる
ようにプログラムされたロケット。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの弁が、少なくとも１つの比例弁(proportional valve)を備える請求項１２に記載のロケット。
【請求項１４】
前記制御装置が、比例積分制御装置を使用して前記誤差信号をフィルタリングするようにさらにプログラムされた請求項１２または１３に記載のロケット。
【請求項１】
ロケットを制御する方法であって、
燃焼チャンバ圧力を測定するステップと、
前記測定された燃焼チャンバ圧力の対数を計算するステップと、
誤差信号を発生するために、前記測定された燃焼チャンバ圧力の対数と基準燃焼チャンバ圧力値の対数の差を計算するステップと、
制御装置を用いて(with a controller)、対数領域(logarithm domain)での補償された総流積(total flow area)制御信号を発生するために前記誤差信号をフィルタリングするステップと、
物理領域(physical domain)での補償された総流積制御信号を提供するために、対数領域での前記補償された総流積制御信号の逆対数を取る(exponentiating)ステップと、
物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して(in response to)少なくとも１つの弁を移動させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記誤差信号をフィルタリングするステップが、比例積分(proportional-plus-integer)フィルタを用いて前記誤差信号をフィルタリングするステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記燃焼チャンバの自由体積(free volume)が増加するにつれて、前記比例積分フィルタの積分フィルタの利得を変化させるステップをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記積分フィルタの利得を変化させるステップが、所定の利得スケジュール(gain schedule)に従って利得を変化させるステップを含む請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めする(positioning)ステップ
をさらに含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼チャンバの圧力を調整するために、物理領域での前記補償された総流積制御信号に応答して複数の弁を位置決めするステップ
をさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
圧力設定点(pressure set point)を決定するステップと、前記圧力設定点を基準(reference)チャンバ圧力値として利用する(utilizing)ステップをさらに含む請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
圧力設定点を決定するステップが、
特定の弁特性(valve characteristics)を利用して、弁セット(a valve set)に関して、利用可能なスロート面積(throat area)に対する最高正味推力コマンド(highest net thrust command)を実現する(meet)のに必要な圧力を計算するステップと、
推進剤の特性(propellant characteristics)を利用して、前記正味推力の要件(net thrust requirements)すべてを満たす(meet)のに必要な圧力を計算するステップと、
前記計算された値の最大値を選択するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
圧力設定点を決定するステップが、
最大予想推力(maximum anticipated thrust)を決定するステップと、
前記最大予想推力を実現するのに必要な圧力を計算するステップと、
前記最大予想推力未満である現在の推力の要件を満たしながら、前記最大予想推力を実現するのに必要な圧力を前記圧力設定点として利用するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
圧力設定点を決定するステップが、
現在の推力の要件(requirement)を決定するステップと、
前記現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を計算するステップと、
前記現在の推力の要件を満たすのに必要な圧力を前記圧力設定点として利用するステップと
を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
所定の(predetermined)推力値を実現する(meet)と予想される(anticipated)ガス排出(emission)のレベルよりも高い最小の割合(minimum rate)でガスを排出(emit)するためにロケットモータを制御するステップと、弁の応答速度(response rate)でロケット推力の増加を実現できるようにするために、対向する(opposing)弁を通して余剰の(excess)ガスを抜く8venting)ステップと
をさらに含む請求項１から４に記載の方法。
【請求項１２】
燃焼チャンバと、
前記燃焼チャンバの圧力を測定するための圧力センサと、
前記燃焼チャンバからのガス流(gas flow)を調整する(regulating)ための少なくとも１つの弁と、
制御装置とを備えるロケットであって、前記制御装置が、前記圧力センサから圧力測定値を受信するように構成され、かつ
前記圧力センサからの信号の対数を計算し、
誤差信号を決定し、
対数領域での補償された制御信号を決定するために前記誤差信号をフィルタリングし、
前記補償された制御信号の逆対数を取って、物理領域での補償された制御信号を提供し、物理領域での前記補償された制御信号に応答して少なくとも１つの弁を位置決めさせる
ようにプログラムされたロケット。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの弁が、少なくとも１つの比例弁(proportional valve)を備える請求項１２に記載のロケット。
【請求項１４】
前記制御装置が、比例積分制御装置を使用して前記誤差信号をフィルタリングするようにさらにプログラムされた請求項１２または１３に記載のロケット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２３６９０３（Ｐ２０１１−２３６９０３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−９８９８５（Ｐ２０１１−９８９８５）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（５９８１７４３７０）アライアント・テクシステムズ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】Ａｌｌｉａｎｔ Ｔｅｃｈｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９８９８５（Ｐ２０１１−９８９８５）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【出願人】（５９８１７４３７０）アライアント・テクシステムズ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】Ａｌｌｉａｎｔ Ｔｅｃｈｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．
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