(57)【要約】      （修正有）【課題】改良された性能特性（より増大された重量あたりの運動量比、より高い速度限界、より長い作動寿命など）の制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）を提供する。【解決手段】ＣＭＧ２０は、内部ジンバル組立体ＩＧＡ２４と、所望の出力トルクを選択的に生成するように構成されたトルクモータ５８とを含む。ＩＧＡ２４は、ＩＧＡ支持構造体２８と、ＩＧＡ支持構造体２８に回転可能に装着されたＣＭＧ回転子２２と、一体型ＣＭＧ回転子をスピン軸５２の周りで回転させるように構成されたスピンモータ４８、５０とを含む。ＣＭＧ回転子２２は、回転子シャフト３４と、回転子周縁部７２と、複数の捩じり剛性を有する径方向スポーク７４とを備える一体型本体として形成される。【選択図】図１
2014038085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ（２０））であって、
固定子筺体（５６）と、
内部ジンバル組立体（ＩＧＡ（２４））であって、
前記固定子筺体（５６）に回転可能に結合されたＩＧＡ支持構造体（２８）と、
前記ＩＧＡ支持構造体（２８）に回転可能に装着されたＣＭＧ回転子（２２）と、
前記ＩＧＡ支持構造体（２８）に結合されたスピンモータ（４８、５０）であって、前記ＣＭＧ回転子（２２）をスピン軸（５２）の周りで回転させるように構成されたスピンモータ（４８、５０）と、
前記固定子筺体（５６）に結合されたトルクモータ（５８）であって、前記ＩＧＡ支持構造体（２８）をジンバル軸（６０）の周りで回転させて、前記ＣＭＧ（２０）の作動中、所望の出力トルクを選択的に生成するように構成されたトルクモータ（５８）とを備える、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ（２４））とを備え、
前記ＣＭＧ回転子（２２）が、
回転子シャフト（３４）と、
回転子周縁部（７２）と、
前記スピン軸（５２）の周りに円周方向に離間された複数の捩じり剛性を有する径方向スポーク（７４）であって、その各々が、前記回転シャフト（３４）に一体的に結合された内側スポーク端部（７６）を有し、前記回転子周縁部（７２）に一体的に結合された外側スポーク端部（７８）を有する、複数の捩じり剛性を有する径方向スポーク（７４）とを備える一体型本体として形成されることを特徴とする、ＣＭＧ（２０）。
【請求項２】
前記回転子シャフト（３４）の第１の端部の周りに配設された第１のスピン軸受（４４）と、
前記回転子シャフト（３４）の第２の対向する端部の周りに配設された第２のスピン軸受（４６）とをさらに備え、
前記内側スポーク端部（７６）が、
前記第１のスピン軸受（４４）の近位で前記回転子シャフト（３４）の前記第１の端部に結合された第１のスポーク−シャフト結合界接面（９０）と、
前記第２のスピン軸受（４６）の近位で前記回転子シャフト（３４）の前記第２の端部に結合された第２のスポーク−シャフト結合界接面（９２）とを備える、請求項１に記載のＣＭＧ（２０）。
【請求項３】
前記第１のスポーク−シャフト結合界接面（９０）と前記第２のスポーク−シャフト結合界接面（９２）の間に前記内側スポーク端部（７６）を貫通して形成された少なくとも１つの切欠部（９４）をさらに含む、請求項２に記載のＣＭＧ（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、一般に、制御モーメントジャイロスコープに関し、より詳細には捩じり剛性を有するスポーク付き回転子を含む制御モーメントジャイロスコープおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）は、一般に、衛星姿勢制御システムにおいて使用されている。汎用のＣＭＧは、主要ＣＭＧ筺体および内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）を含むことができ、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）は、主要ＣＭＧ内に装着されジンバル軸の周りで回転する。ＩＧＡは、構成要素の中でも、回転子組立体、少なくとも１つのスピンモータ、および回転子支持構造体を含む。「シェル回転子構造」、またはより簡単に「シェル回転子」と一般的に称される１つの知られている設計では、回転子組立体は、第１の半球回転子シェル部分と第２の半球回転子シェル部分の間に配設された環状回転子周縁部を含む。回転子周縁部は、第１および第２の円周方向の周縁部−シェル溶接継手それぞれに沿って、第１および第２の回転子シェル部分に溶接される。集約的には、回転子周縁部、第１の回転子シェル部分および第２の回転子シェル部分は、回転子シャフトがそこを通って延びる中央経路を有する略球形の本体を形成する。作動中、スピンモータは、回転子組立体をスピン軸の周りで比較的速い速度で回転させる。ＩＧＡは、さらに、回転子スピン軸に対してほぼ垂直であるジンバル軸の周りを、主要ＣＭＧ筺体内に装着された（たとえばトルクモジュール組立体などの）作動装置によって選択的に回転させられる。ＩＧＡがこうして「ジンバル支持される」とき、制御されたトルクが、回転子組立体の運動量移動により、スピン軸およびジンバル軸に対して直交する出力軸の周りで生成される。このジャイロスコープのトルクは、衛星の外部にボルト付けされた環状フランジなどのＣＭＧ装着界接面を介して主となる衛星に付与される。ＩＧＡをジンバル軸の周りで選択的に回転させることにより、衛星の姿勢は、必要に応じて極めて制御されたやり方で調整および再調整され得る。
【０００３】  [0003]（公序良俗違反につき、不掲載）一般に、ＣＭＧシェル回転子は、他の従来知られているＣＭＧ回転子と比較して、優れた重量あたりの運動量比および比較的高い作動速度限界、ならびに高い角度剛性を含む優れた性能特性を提供する。しかし、ＣＭＧ性能の重量あたりの運動量比、速度能力、および他の尺度（たとえば作動寿命など）におけるさらなる改良が依然として望ましい。さらには、顕著な欠点として、シェル回転子ベースの構造を有するＣＭＧの製造に関連付けられる製造スケジュールおよびコストは、かなりのものになる傾向がある。シェル回転子の商業的生産が数１０万米国ドル以上かかり、完成に１年以上を必要とすることは珍しくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]したがって、シェル回転子組立体および他の従来知られているＣＭＧ回転子組立体と比較して、改良された性能特性（たとえば、より増大された重量あたりの運動量比、より高い速度限界、より長い作動寿命など）を提供することが望ましい。理想的には、そのようなＣＭＧの実施形態、特に先進の回転子がＣＭＧ内に含まれる実施形態は、コスト効果が高く時間効率の良い製造プロセスを利用して生産を施すことができる。また、そのような高い性能の回転子を含むＣＭＧを製造するための製造プロセスを提供することも望ましい。本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図およびこの背景技術を併用して、後続の詳細な説明および付属の特許請求の範囲から明らかになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）の実施形態が提供される。１つの実施形態では、ＣＭＧは、固定子筺体と、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）と、固定子筐体に結合されたトルクモータであって、ＩＧＡをジンバル軸の周りで回転させて、ＣＭＧの作動中、所望の出力トルクを選択的に生成するように構成されたトルクモータとを含む。ＩＧＡは、さらに、固定子筺体に回転可能に結合されたＩＧＡ支持構造体と、ＩＧＡ支持構造体に回転可能に装着された一体型ＣＭＧ回転子と、ＩＧＡ支持構造体に結合されたスピンモータであって、一体型ＣＭＧ回転子をスピン軸の周りで回転させるように構成されたスピンモータとを含む。
【０００６】
[0006]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）を製造する方法がさらに提供される。１つの実施形態では、方法は、一体品回転子の予備成形物を生産するステップと、一体品回転子の予備成形物を機械切削して一体型ＣＭＧ回転子を画成するステップと、一体型ＣＭＧ回転子を内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）内に設置するステップとを含み、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）は、ＩＧＡ支持構造体と、一体型ＣＭＧ回転子をＩＧＡ支持構造体に対してスピン軸の周りで回転させるように構成されたスピンモータとを含む。ＩＧＡは、次いで、固定子組立体に装着され、この固定子組立体は、固定子組立体筺体と、ＩＧＡをジンバル軸の周りで選択的に回転させて、ＣＭＧの作動中、所望の出力トルクを選択的に生成するトルクモータとを含む。
【０００７】
[0007]本発明の少なくとも１つの例が、これ以後、以下の図を併用して説明され、図中、同じ番号は同じ要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]本発明の例示的な実施形態によって示された高性能の一体型ＣＭＧ回転子を含む制御モーメントジャイロスコープの断面図である。
【図２】[0009]図１に示される例示的な一体型ＣＭＧ回転子の等角図である。
【図３】[0009]図１に示される例示的な一体型ＣＭＧ回転子の上面図である。
【図４】[0010]図３の線４−４に沿って得られた、図１〜３に示された例示的な一体型ＣＭＧ回転子の一部分の断面図である。
【図５】[0011]図１〜４に示されたＣＭＧ回転子などの一体型ＣＭＧ回転子を含む、制御モーメントジャイロスコープを製造する例示的な方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0012]図示を簡単に明確にするために、図面は、構築の一般的な方法を示している。図面の要素は、必ずしも原寸に比例して描かれるものではない。たとえば、図内の要素または領域の一部の寸法は、本発明の実施形態の理解の向上を助けるために他の要素または領域に対して強調され得る。良く知られている特徴および技術の説明および図示は、本発明を不必要に曖昧にすることを回避するために省略されることがある。
【００１０】
[0013]以下の詳細な説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明または本発明の適用および用途を限定することは意図されない。さらには、先行の背景技術または後続の詳細な説明に提示されたいかなる理論によっても縛られることは意図されない。
【００１１】
[0014]図１は、本発明の例によって示された高性能回転子２２を含む制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）２０の断面図である。回転子２２は、有利には、但し必ずしもそうではないが、一体型または単一部分として製作され、それ故に、本明細書では「一体型ＣＭＧ回転子２２」と称される。そのような単一または一体型構造は、少なくとも部分的には、溶接継手を解消することにより、非常に優れた構造的整合性を有して製造することを可能にしており、この溶接継手は、高いトルク負荷サイクルにおいて疲労し、回転子の作動寿命を早期に限定する傾向がある。したがって、そのような溶接継手または他の機械的取り付け点の解消は、一体型ＣＭＧ回転子２２が、より高い回転速度およびより大きいトルク負荷で作動することを可能にし、それによってＣＭＧ２０の性能面（たとえばより高い運動量対重量比）を高めながら、応力集中および全体的な機械的疲労を低減し、回転子の作動の寿命を増大する。ＣＭＧ性能の運動量対重量比および他の尺度における改良はまた、以下でより十分に説明されるように、ＣＭＧ回転子２２を、高い角度剛性または捩じり剛性を有するいくつかの径方向に延びる回転子スポークを含むように製作することによって達成される。さらに別の利点として、一体型ＣＭＧ回転子２２、したがって全体としてＣＭＧ２０は、コスト効果が良く比較的時宜にかなったやり方で製作され得る。一体型ＣＭＧ回転子２２は、図２〜４を併用して以下で詳細に説明され、ＣＭＧ回転子２２を製造する例示的な方法は、図５を併用して以下で説明される。しかし、最初に、ＣＭＧ２０の全体的な論議が提供されて例示的であるが非限定的な文脈を確立し、この文脈において例示的なＣＭＧ回転子２２がより良好に理解され得る。
【００１２】
[0015]図１に示される例示的な実施形態を参照すれば、ＣＭＧ２０は、２つの主要組立体、すなわち内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）２４および固定子組立体２６から構成される。一体型ＣＭＧ回転子２２はＩＧＡ２４内に含まれ、ＩＧＡ２４は、ＣＭＧ回転子２２が回転可能に装着される回転子支持構造体２８をさらに含む。回転子支持構造体２８は、ＣＭＧ作動中、回転子２２を支持するのに適した任意の構造的要素または構造要素の集まりを備えることができる。図示された例では、回転子支持構造体２８は、基部リング組立体３２にボルト留めされたまたは別の形で固着されたヨークまたはサドル構造３０を含む。基部リング組立体３２は、さらに、固定子組立体２６に装着され、それにより、基部リング組立体３２、したがってその全体としてＩＧＡ２４は、固定子組立体２６に対してジンバル軸６０の周りで回転することができるようになる。図２〜４を併用して以下でより十分に説明されるように、一体型ＣＭＧ回転子２２は、固定端部３６（図１に示された向きでは回転子シャフト３４の上側端部）と、対向する浮遊端部３８（図示された向きではシャフト３４の下側端部）とを有する回転子シャフト３４を含むように製作される。回転子シャフト３４の固定端部３６は、回転子支持構造体２８内、具体的にはサドル構造３０の第１の腕部内に設けられた第１の円筒状空洞または環帯部４０内に受け入れられ、一方で浮遊端部３８は、サドル構造３０の対向する腕部内に設けられた第２の環帯部４２内に受け入れられる。
【００１３】
[0016]一体型ＣＭＧ回転子２２の高速回転を容易にするために、第１のスピン軸受４４（たとえば固定組合せ軸受カートリッジ）が、環帯部４０内に配設され、回転子シャフト３４の固定端部３６周りに配置される。同様に、第２のスピン軸受４６（たとえば浮遊式組合せ軸受カートリッジ）が、環帯部４２内に配設され回転子シャフト３４の浮遊端部３８の周りに配置される。第１および第２のスピンモータ４８および５０は、さらに、いわゆる「二重スピンモータ構成」で回転子シャフト３４の対向する端部（すなわち固定端部３６および浮遊端部３８それぞれ）の周りに配設される。通電されたとき、スピンモータ４８および５０は、一体型ＣＭＧ回転子２２を（点線５２によって図１に表される）スピン軸の周りで比較的高い速度で回転させ、この速度は、一例では１分あたり約１０、０００回転に近いまたはこれを超えるものになり得る。ＩＧＡ２４は、１つまたは複数の加熱器、通気弁、回転センサなどのさまざまな他の構成要素をさらに含むことができるが、これらの構成要素は、業界では標準的なものであり、簡潔さの理由から本明細書においては詳細に説明されない。たとえば、図１に示されるように、ＩＧＡ２４は、回路カードおよび光チョッパ５４を含む回転速度計組立体をさらに装備して、ＣＭＧ２０の作動中、一体型ＣＭＧ回転子２２の回転速度および／または角度位置を監視することができる。
【００１４】
[0017]図１を続けて参照すれば、固定子組立体２６は、固定子組立体筺体５６と、トルクモジュール組立体として組み込まれ得るトルクモータ５８とを含む。固定子組立体筺体５６は、回転子支持構造体２８、より全体的にはＩＧＡ２４を支持する。ＣＭＧ２０の作動中、トルクモータ５８は、ＩＧＡ２４をスピン軸５２に直交する（点線６０によって図１に表される）ジンバル軸の周りで選択的に回転させる。ジンバル軸受６２（たとえば大口径組合せ軸受）が、固定子組立体筺体５６と回転子支持構造２８の間に配設されて、ＩＧＡ２４がジンバル軸６０の周りで回転するときの摩擦を最小限に抑える。ＩＧＡ２４の回転速度および／または角度位置を検出するために、ＣＭＧ２０は、回転速度計、分解器などの１つまたは複数のセンサを装備することができる。たとえば、図１に部分的に示されるように、光回転式符号器６４が、固定子組立体筺体５６内に配設されてＩＧＡ２４の速度および／または位置を監視することができる。図１に示されないが、ＣＭＧ２０はまた、電気信号および／または電力を、固定子組立体２６に装着された、または主となる車両上に配備された電気構成要素（たとえば電源）から、回転式の界接面を介して、ＩＧＡ２４に内蔵された電気構成要素（たとえばスピンモータ４８および５０）に送信するのに適したスリップリング組立体または（通常、信号モジュール組立体として使用される）他の装置も含むことができるが、信号モジュール組立体は、すべての実施形態に含まれる必要はなく、ＩＧＡ２４が比較的限定された角度回転を有する実施においては排除されてよい。
【００１５】
[0018]ＣＭＧ２０を宇宙探査機（たとえば衛星）、航空機または他の車両に装着することを可能にするために、装着界接面６６が、固定子組立体筺体５６の外部に設けられる。装着界接面６６は、中を貫通する複数のボルト開口を有する環状構造を備えることができ、この環状構造は、主となる車両の壁に直接ボルト留めされてよく、またはその代わりに中間の装着構造にボルト留めされてよく、次にこの中間の装着構造は車両上に装着される。上記で指摘されたように、所望のトルクを主となる車両に付与するために、トルクモータ５８は、ＩＧＡ２４、したがって回転子２２を、ジンバル軸６０の周りで選択的に回転させる。一体型ＣＭＧ回転子２２（特に以下で説明される回転子周縁部７２）は、十分な質量のものであり、ＣＭＧ作動中、十分に高い回転速度で旋回され、回転子２２のその回転平面から外れる移動が、スピン軸５２とジンバル軸６０の両方に直交する出力軸の周りでかなりのジャイロスコープトルクを誘発する。この出力トルクは、ＣＭＧ回転子２２から、スピン軸受４４および４６、回転子支持構造体２８、ジンバル軸受５０、ならびに固定子組立体筺体５６を通って装着界接面６６に伝達されて、所望のジャイロスコープのトルクを主となる車両に付与し、それによって極めて制御可能な姿勢調整を実施する。
【００１６】
[0019]図１に示される例示的な実施形態では、固定子組立体２６は、ＩＧＡカバー６８を含むように示されており、このＩＧＡカバー６８は、ＩＧＡ２４の他の構成要素および一体型ＣＭＧ回転子２２を封止式に封入する。ＩＧＡカバー６８は、真空に近い状態を、ＣＭＧ２０の接地試験中に固定子組立体２６内に生み出すことを可能にする。加えて、ＩＧＡカバー６８は、一体型ＣＭＧ回転子２２およびＩＧＡ２４の他の構成要素（たとえばスピン軸受４４および４６）から熱を分散させるための放射熱通路をもたらす。ＣＭＧ２０が宇宙探査機上に配備される実施形態では、また特定の他の実施形態では、ＣＭＧ２０はＩＧＡカバー６８を含まなくてよい。しかし、設けられる場合、ＩＧＡカバー６８は、ＣＭＧ２０の他の追加の構成要素を支持する必要はなく、またはＩＧＡ６８は、送信用通路を提供する必要はない。したがって、ＩＧＡカバー６８は、比較的薄壁になり、完璧なまたは完璧に近い半球形状を有するように設計されて、ＣＭＧ２０の総容量および重量を最小限に抑えることができる。
【００１７】
[0020]図２および３は、一体型ＣＭＧ回転子２２の等角図および上面図それぞれである。回転子シャフト３４に加えて、一体型ＣＭＧ回転子２２は、慣性要素または回転子周縁部７２と、回転子周縁部７２を回転子シャフト３４に結合する複数の径方向に延びるスポーク７４と含む。回転子スポーク７４は、（図１内に特定される）ジンバル軸（６０）を含む平面内に全体的に存在し、（これもまた図１に特定される）スピン軸５２に直交する長手方向軸に沿って延びる。回転子スポーク７４は、ほぼ定間隔でスピン軸５２の周りで円周方向にまたは角度的に離間され、たとえば、ＣＭＧ回転子２２が７個の回転スポークを含む図例では、スポーク７４は、約５１．４°の間隔で離間されて置かれる。この例にもかかわらず、一体型ＣＭＧ回転子２２の実施形態は、あらゆる実用数のスポークを、そのスポークの総数が偶数であれ奇数であれ、含むことができることが強調される。各々の回転子スポーク７４は、内側端部７６および対向する外側端部７８を含み、これらの端部は、回転子シャフト３４の外側円周方向表面８０（図３で特定された）および回転子周縁部７２の内側円周方向表面８２にそれぞれ接合される。上記で簡潔に示されたように、また、図４を併用して以下でより十分に説明されるように、回転子スポーク７４は、（図１）スピン軸５２に対して垂直な軸について考えたときに、比較的高い捩じり応力性能および高い捩じり剛性を有するように各々が製作され、その結果、本明細書では「捩じり剛性を有する径方向スポーク７４」と称される。
【００１８】
[0021]回転子周縁部７２は、ＣＭＧ回転子２２の主要慣性質量として使用するのに適した任意の構造的要素、構造的要素のグループまたは集まりの形態をとることができる。図１〜３で示されるように、回転子周縁部７２は通常、環状本体または一体型リングの形態をとることになる。回転子周縁部７２は、凸状輪郭を有する外側の円周方向表面８４を含み、この輪郭は、球形の中央領域または赤道帯を近似して周縁部７２の質量を最大化しながら、ＣＭＧ回転子２２に比較的コンパクトな外包をもたらす。それでもなお、回転子周縁部７２の外側輪郭は、実施形態の中で可変になり得る。回転子周縁部７２の外径は、通常、許容可能な応力、作動する回転子速度、および回転子重量によって決定され、一方で周縁部７２の内径は、所望の重量対運動量比を達成するように最適化され得る。通常、回転子周縁部７２の径方向厚さを増大させることにより、一体型ＣＭＧ回転子２２のトルク容量および運動量容量が改良されるが、それに対応して重量の犠牲を伴う。
【００１９】
[0022]別の実施形態では、ＣＭＧ２０は、組み立て中、回転子周縁部７２の周りに固着された、二次または補助周縁部（図示されず）をさらに装備することができる。第１の例では、補助周縁部は、金属または合金（たとえば鋼）から一体品リングとして製作されてよく、締まりばめまたは熱ばめ方法を利用して回転子周縁部７２の周りに装着される。あるいは、補助周縁部は、炭素繊維複合物などの複合材料から製作可能であり、ＣＭＧ回転子２２とは別個に事前硬化され、次いで回転子周縁部７２の周りに設置される、またはその代わりに、可鍛性の事前硬化されたまたは緑状態にあるときに周縁部７２の周りに巻き付けられ、その後製造工程中に硬化される。そのような場合でも、回転子２２の構造的要素（すなわち、回転子周縁部７２、回転子スポーク７４、および回転子シャフト３４）が、以下でより十分に説明されるように、単一本体または一体品として一体的に形成されるとき、ＣＭＧ回転子２２は一体型構造によって特徴付けられ得る。そのような補助周縁部を一体型ＣＭＧ回転子２２の周りに装着することにより、補助周縁部は、回転子周縁部７２を圧縮状態に置く、または回転子周縁部のフープ強さを補強することによって、作動応力を低減することを助けることができる。これは、さらに、溶接継手を有さないながらも作動応力性能を有する回転子組立体の生産を可能にしており、この溶接継手は、そうでなければ望ましくないことに、回転速度および回転子寿命を低減させる恐れがある。
【００２０】
[0023]先に述べられたように、ＣＭＧ回転子２２は、好ましくは、一体型または単一の本体または質量として製造される。そのような場合、図１〜３に示される例示的な実施形態を参照すれば、回転子シャフト３４、回転子周縁部７２、および径方向スポーク７４は、一体品として一体的に結合される。これは、図３の線４−４に沿って得られた（部分的に示された）一体型ＣＭＧ回転子２２の断面図である図４を参照することによってより十分に理解され得る。一体型または一体品部分の一体的に結合された領域または区域間の精密な境界は、ＣＭＧ回転子２２の一体型構造の図では幾分概念的であるとの理解の下、点線８６が図４に設けられて、回転子周縁部７２と径方向スポーク７４の外側末端部（図４では１つだけが完全に示されている）の間の全体的境界または分界を視覚的に区別する。点線８８がさらに設けられて、回転子シャフト３４と径方向スポーク７４の内側末端部の間の全体的な分界を視覚的に区別する。各々の径方向スポーク７４は、所定の長さＬ１を有し、この長さＬ１は、好ましくは、一体型ＣＭＧ回転子２２（図４では「Ｒ１」として特定される）の半径の約半分より大きい。
【００２１】
[0024]各々の径方向スポーク７４の外側スポーク端部７８が回転子周縁部７２の内側円周方向表面８２に一体的に連結される領域は、本明細書においては、「周縁部−スポーク結合界接面」と称され、図４では円８９によって全体的に特定される。各々の径方向スポーク７４は、以下で説明されるように、内側スポーク端部７６から外側スポーク端部７８にかけて軸方向高さにおいて下向きに先細になり得るが、各々の外側スポーク端部７８の最も外側の端部領域は、広げられ、具体的には高さおよび幅が徐々に増大して、周縁部−スポーク結合界接面において滑らかな移行をもたらし、それによって周縁部−スポーク結合界接面８９においてより均一な応力分布を達成することができる。図４において両方向矢印「Ｈ１」によって特定されるように、外側スポーク端部７８は、所定の最大高さを有するように各々が製作される。非限定的な例として、図１〜４に示されるように、各々の外側スポーク端部７８の軸方向高さ（Ｈ１）は、回転子周縁部７２の軸方向高さより小さくまたはこれと等しくなることができるが、この寸法は重要ではなく、径方向スポーク７４の交差軸の剛性を微調整するためにまたはその他の理由で特定の限界内で調整されてよい。
【００２２】
[0025]図４を続けて参照すれば、第１および第２の円は、第１および第２の軸方向に離間されたスポーク−シャフト結合界接面９０および９２それぞれを全体的に特定し、それに沿って内側スポーク７６の対向する縁領域が、回転子シャフト３４（図１に示されるように、シャフト３４の長手方向軸またはスピン軸５２に沿って考えたときの、内側スポーク端部７６が向かい合う縁領域）に結合される。１つの実施形態では、スポーク−シャフト結合界接面９０は、シャフト端部分３６に隣接して位置しており、一方でスポーク−シャフト結合界接面９２は、シャフト端部分３８に隣接して位置している。別の実施形態では、スポーク−シャフト結合界接面９２および９０は、ジンバル軸６０（図１）よりシャフト３４の第１および第２の対向する末端部それぞれの近くに位置している。こうして、ＣＭＧ回転子２２が、図１に示されるやり方でＩＧＡ２４内に設置されたとき、スポーク−シャフト結合界接面９０は、スピンモータ４８および固定されたスピン軸受４４に隣接して存在し、一方でスポーク−シャフト結合界接面９２は、スピンモータ５０および浮遊式スピン軸受４６に隣接して存在する。図示される例では、また図４において円９３によってさらに示されるように、内側スポーク端部７６の中間部分も同様に、回転子シャフト３４の中間セクションに連結し、それにより、内側スポーク端部７６は、シャフト高さ全体に沿って回転子シャフト３４に一体的に結合される。しかし、回転子スポーク７８の以下で説明される高い捩じり剛性特性は、主に、内側スポーク端部７６の対向する縁領域の広い姿勢によって、具体的にはスポーク−シャフト結合界接面９０および９２の軸方向に離間された配設によってもたらされる。したがって、中間のスポーク−シャフト結合界接面９３は、別の実施形態においてさらなる質量低減をもたらすために部分的にまたは全体的に除去されてよい。
【００２３】
[0026]スポーク−シャフト結合界接面９０および９２を回転子シャフト３４の対向するシャフト端部分３６および３８それぞれに隣接して形成することにより、（「Ｈ２」として図４に特定される）内側端部７６の軸方向高さは、回転子スポーク７４の角度剛性を増大するように最大化される。各々の内側スポーク端部７６に（図４では「Ｌ２」として特定される）回転子シャフト３４の長さに等しい軸方向高さを付与することは概ね実用的ではなく、というのは、シャフト３４の対向する末端部分は通常、邪魔の無い状態にして、回転子シャフト３４がＩＧＡ２４（図１）内に設置されるときに少なくとも２つのスピン軸受（たとえば図１に示されるスピン軸受４４および４６）および１つまたは複数のスピンモータ（たとえば図１に示されるスピンモータ４８および５０）を対向するシャフト端部の周りに配設するのに十分な空間を提供しなければならないためである。したがって、内側スポーク端部７６は、好ましくは、回転子シャフト３４の長さ（Ｌ２）にできるだけ近く、一実施形態ではスピン軸受およびスピンモータ（複数可）を収容する高さ（Ｈ２）を有するように形成される。こうして、特定の実施において、各々の回転子スポーク７４は、その内側スポーク端部７６が軸方向高さ（Ｈ２）を有するように製作され、この軸方向高さ（Ｈ２）は、大きさ的には、その外側スポーク端部７８の高さ（Ｈ１）より、回転子シャフト３４の長さ（Ｌ２）に近い。別の実施形態では、各々の内側スポーク端部７６は、回転子シャフト３４の長さ（Ｌ２）の少なくとも約二分の一である軸方向高さ（Ｈ２）を有する。さらに別の実施形態では、各々の内側スポーク端部７６は、一体型ＣＭＧ回転子２２の半径（Ｒ１）（図４では「Ｒ１」として特定される）とほぼ等しい（すなわちその半径と比べてわずか約１０％しか異ならない）軸方向高さ（Ｈ２）を有する。通常、内側スポーク端部７６の最大高さ（Ｈ２）は、外側端部７８の最大高さ（Ｈ１）より大きく、好ましくはその少なくとも２倍になる。
【００２４】
[0027]各々の径方向スポーク７４は、対向する長手方向畝部または背部９６および９８を含む。各々の径方向スポーク７４が、その外側スポーク端部７８からその内側スポーク端部７６にかけて軸方向高さにおいて増大するとき、背部９６および９８は、回転子シャフト３４の近位で増大しながら分岐する。径方向スポーク７４は、好ましくは、スポークの長さに沿って径方向外向きに進むとき、軸方向の高さが徐々にまたは無段階的に増大する軸方向に先細にされた表面形状を各々が有するように製作されるが、場合によっては、スポーク７４が軸方向の段階式の形状を有するように製作されることは、決して排除されない。たとえば、図４に示されるように、各々の径方向スポーク７４の対向する長手方向畝部または背部９６および９８は、全体的に弧状、傾斜状、または放物状の輪郭が各々に付与されてよく、それにより、各々のスピン９６、９８は、回転子シャフト３４に向かって近位に増大しながら、ジンバル軸６０（図１）から徐々にさらに離れるようになる。とりわけ、そのような軸方向に先細にされた設計は、高速ＣＭＧ作動中、ハブ応力を低減する。さらには、この先細にされたスポーク高さの形状により、対向するスポーク背部９６および９８は、一定の応力横材として効果的に機能する。スポーク７４は、図示される例では、そのそれぞれの長さに沿って（図３では「ＣＴ１」として特定され、以下でより十分に説明される）ほぼ一定の弦厚さを有するが、径方向スポーク７４の弦厚さは、代替の実施形態では各々のスポークの長さに沿って変化してよいことに留意されなければならず、たとえば、特定の実施においては、各々の径方向スポークの弦厚さは、回転子ハブ、回転子シャフト３４、およびスピン軸５２（図１）の近位で増大しながら、徐々に増大するように、スポーク高さとほぼ同じ方法で先細にされてよい。
【００２５】
[0028]運動量対重量比におけるさらなる改良が、ＣＭＧ回転子２２の重量を低減することによって回転子スポーク７４の捩じり剛性に悪影響を与えることなく実現され得る。ＣＭＧ回転子２０の重量は、各回転子スポーク７４を、比較的狭い横断方向のまたは弦の厚さ（図３では「ＣＴ１」として特定される）を有するように製作することによってスポーク捩じり剛性にほとんど影響を与えることなく好都合に低減され得る。たとえば、特定の実施形態では、また非限定的な例として、各々の回転子スポーク７４は、各々の外側スポーク端部７８の最大の軸方向高さ（Ｈ１）が、径方向スポークの弦厚さ（ＣＴ１）の少なくとも２倍であるように、各々の回転子スポーク７４の平均軸方向高さが、径方向スポーク弦厚さ（ＣＴ１）の少なくとも２倍であるように、かつ各々の内側スポーク端部７６の最大軸方向高さ（Ｈ２）が、径方向スポーク弦厚さ（ＣＴ１）の少なくとも４倍になるように製作され得る。さらには、スポーク質量を低減するために、１つまたは複数の凹部が、各々の回転子スポーク７４内に形成されてよく、または１つまたは複数の横断方向開口部が、各々の回転子スポーク７４を貫通して形成されてよい。たとえば図２および４に示されるように、照明穴または窓９４が、各々の回転子スポーク７４の本体内に切断されまたは別の形で形成されてよく、回転子シャフト３４またはスピン軸５２（図１）の長手方向軸に沿って考えたとき、スポークシャフト結合領域９０および９２の間に位置することができる。各々の横断方向窓９４は、好ましくは、回転子スポーク７４の中間部分を貫通して形成され、（図４において標識された）対向する背部９６および９８のいずれも侵害せず、スポーク７４の構造的整合性を維持する。各々の窓９４は、図２および４において示される例示的な実施形態では矩形の平面の表面形状を有するものとして示されているが、別の実施形態ではさまざまな他の表面形状をとることができる。
【００２６】
[0029]内側スポーク端部７６の高さ（Ｈ２）を回転子シャフト３４の長さ（Ｌ１）に対して最大化することにより、したがってスポーク−シャフト結合界接面９０および９２を回転子シャフト３４の対向する末端部に近接近して効果的に配置することにより、回転子スポーク７４の全体的な角度剛性または捩じり剛性が著しく増大されることをこうして理解されたい。そのような高い捩じりスポーク剛性は、一体型ＣＭＧ回転子２０が、トルクモータ５８によってかけられたトルクに高く反応できる、したがって極めて制御可能な状態を保ちながら、非常に速い回転速度で回転することを可能にする。さらには、ＣＭＧ回転子２２を、溶接継手または機械的結合界接面を有さない一体型構造を有するように製作することにより、ＣＭＧ回転子２２の実施形態は、著しく改良された応力性能を達成することができる。ＣＭＧ回転子２２を一体型または一体品の本体として製造する例示的な方法は、図５を併用して以下で説明される。
【００２７】
[0030]図５は、図１〜４を併用して上記で説明されたＣＭＧ回転子２２などの一体型ＣＭＧ回転子を含む制御モーメントジャイロスコープを製造する例示的な方法１００を図示する流れ図である。例示的な方法１００は、一体型または一体品のＣＭＧ回転子の予備成形物を生産するステップで開始する（ステップ１０２）。１つの実施形態では、一体型回転子の予備成形物は、単一のビレットを円筒形などの所望の大きさの形状になるように鍛造することによって製作される。ビレットは、好ましくは、高い引張強さおよび降伏強さを有し、中程度から良好な延性を有し、寿命疲労特性が小さい比較的密度の高い合金から構成される。適切な材料は、それだけに限定されないが、高力鋼を含む。次に、ステップ１０４では、鍛造のまたは一体品のＣＭＧ回転子の予備成形物は、大幅に機械切削され、その間、ビレットの大部分は除去されて、最終の一体型ＣＭＧ回転子の近似正味形状を画成する。たとえば、大幅な機械切削中、一体品のＣＭＧ回転子の予備成形物の上側および下側領域は除去されて、回転子シャフトの上側および下側端部を画成することができ、ＣＭＧ回転子の予備成形物の外側円周は丸められて、回転子周縁部の外側表面形状を画成することができる。次いで熱処理が行われてよく（ステップ１０６）、この熱処理は、静水圧プレス成形（「ＨＩＰ」）および場合によっては１つまたは複数の追加の高温処理ステップを伴い得る。
【００２８】
[0031]例示的な方法１００を続けると（図５）、近似正味の回転子の予備成形物のさらなる機械切削が次に実施されて、ＣＭＧ回転子のより複雑な特徴を画成することができる（ステップ１０８）。たとえば、図１〜４に示されるＣＭＧ回転子２２を参照すれば、円周方向に離間された貫通穴が、スピン軸に対してほぼ平行な軸に沿って回転子の予備成形物の本体を貫通して切断されて、複数の捩じり剛性を有する径方向スポークの横側壁を画成することができる。この方法では、複数の捩じり剛性を有する径方向スポークは、回転子シャフトに一体的に結合された内側スポーク端部と、回転子周縁部の内側の円周方向表面に一体的に結合された外側スポーク端部とを各々が含むように製作され得る。スポーク端部は、先に説明されたように回転子シャフトの近位で増大しながら徐々に増大する、先細にされた軸方向高さおよび／またはこれも同様に回転子シャフトの近位で増大しながら増大する、先細にされた弦厚さを有するように製作される。次に、ステップ１１０において、一体型ＣＭＧ回転子を完璧に製作するために、必要であれば１つまたは複数の追加の製作ステップが実施され得る。たとえば、特定の実施形態では、補助周縁部（たとえば鋼リング）が、先に説明されたように熱ばめまたは締まりばめを使用して一体型ＣＭＧ回転子の周縁部の周りに装着されてよい。補助周縁部はまた、複合材料から製作されてもよく、事前硬化され、次いで回転子周縁部の周りに設置される、またはその代わりに、緑の事前硬化された状態で一体型ＣＭＧ回転子の周縁部の周りに巻き付けられ、次いでステップ１１０中に所定の場所で硬化される。最後に、ステップ１１２において、ＣＭＧ回転子は検査され、主となるＣＭＧの内部ジンバル組立体内に設置され得る。１つの実施形態では、検査は、特徴付けプロセスを伴うことができ、このプロセス中、ＣＭＧ回転子は、Ｘ線検査または別の検査技術を利用して構造的欠陥について調査される。ＣＭＧ回転子２２を上記で説明された方法で一体品の予備成形物（または単一の鍛造されたビレット）から製作し、したがって複数の別個に製作された構成要素の溶接または別の形による結合の必要性を解消することにより、ＣＭＧ回転子２２の製造に関連付けられる時間およびコストは、シェル回転子および他の従来知られている複合型回転子の製造と比較して著しく低減され得る。
【００２９】
[0032]上記を鑑みて、先進の回転子を含む制御モーメントジャイロスコープの複数の例示的な実施形態は、シェル回転子組立体および他の従来知られているＣＭＧ回転子組立体と比較して、性能特性を改良する（たとえば増大された重量あたりの運動量比、より高い速度限界、より長い作動寿命など）ことを理解されたい。上記で説明されたＣＭＧの実施形態は、コスト効果が高く時間効率の良い製造方法を利用して生産を施すことができる一体型ＣＭＧ回転子を使用した。前述はまた、そのような高性能な回転子を含むＣＭＧを生産するのに適した製造プロセスも提供している。
【００３０】
[0033]少なくとも１つの例示的な実施形態が前述の詳細な説明において提示されてきたが、数多くの変形形態が存在することを理解されたい。また、１つの例示的な実施形態または複数の例示的な実施形態は例にすぎず、本発明の範囲、適用、または構成をいかなる形でも限定することは意図されないことも理解されたい。それよりも、前述の詳細な説明は、当業者に対して、本発明の例示的な実施形態を実施するための好都合な指針を提供する。さまざまな変更が、例示的な実施形態において説明された要素の機能および配置において、付属の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく加えられてよいことを理解されたい。
【符号の説明】
【００３１】
２０  制御モーメントジャイロスコープ
２２  回転子
２４  内部ジンバル組立体
２６  固定子組立体
２８  回転支持構造体
３０  ヨークまたはサドル構造
３２  基部リング組立体
３４  回転子シャフト
３６  固定端部
３８  浮遊端部
４０、４２  環帯部
４４  第１のスピン軸受
４６  第２のスピン軸受
４８  第１のスピンモータ
５０  第２のスピンモータ
５２  スピン軸
５４  光チョッパ
５６  固定子組立体筺体
５８  トルクモータ
６０  ジンバル軸
６２  ジンバル軸受
６４  光回転式符号器
６６  装着界接面
６８  ＩＧＡカバー
７２  回転子周縁部
７４  回転子スポーク
７６  内側端部
７８  外側端部
８０  回転子シャフトの外側円周方向表面
８２  回転子周縁部の内側円周方向表面
８４  回転子周縁部の外側円周方向表面
８６、８８  点線
８９  周縁部−スポーク結合界接面
９０、９２  スポーク−シャフト結合界接面
９３  中間のスポーク−シャフト結合界接面
９４  窓
９６、９８  背部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
2014038085000001.pdf