(57)【要約】  悪天候アジリティスラスタ、ならびに関連システムおよび方法が開示される。代表的な航空宇宙システムは、第１の端部および第１の端部と全体として反対側の第２の端部を有する打ち上げ機を含み、打ち上げ機は、第１の端部と第２の端部との間に延びる機軸に沿って細長い。推進システムが打ち上げ機によって担持され、この推進システムは、打ち上げ機を打ち上げるよう打ち上げ機の第１の端部寄りに位置決めされた対応のノズルを備えた少なくとも１基の主エンジンを含む。少なくとも１基の側方に向けられたスラスタが打ち上げ機の第２の端部寄りに位置決めされている。本システムは、打ち上げ機と通信状態にあるコントローラを更に含み、コントローラには、実行されると、打ち上げ機を打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、打ち上げ機下降中、打ち上げ機を第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、少なくとも１基の側方向きスラスタの起動を方向づけて下降中、打ち上げ機を誘導する命令がプログラムされている。
2019520255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空宇宙システムであって、
第１の端部および前記第１の端部と全体として反対側の第２の端部を有する打ち上げ機を含み、前記打ち上げ機は、前記第１の端部と第２の端部との間に延びる機軸に沿って細長く、
前記打ち上げ機によって担持された推進システムを含み、前記推進システムは、前記打ち上げ機を打ち上げるよう前記打ち上げ機の前記第１の端部寄りに位置決めされた対応のノズルを備えた少なくとも１基の主エンジンを含み、
前記打ち上げ機の前記第２の端部寄りに位置決めされた少なくとも１基の側方に向けられたスラスタを含み、
前記打ち上げ機と通信状態にあるコントローラを含み、前記コントローラには、実行されると、
前記打ち上げ機を打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、
打ち上げ機下降中、前記打ち上げ機を前記第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、
前記少なくとも１基の側方向きスラスタの起動を方向づけて下降中、前記打ち上げ機を誘導する命令がプログラムされている、航空宇宙システム。
【請求項２】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、前記打ち上げ機の前記第２の端部寄りに位置決めされた多数の側方向きスラスタのうちの１基である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
個々の側方向きスラスタは、対応の個々のノズルを有し、前記対応の個々のノズルは、対応のノズル出口を有し、前記個々のノズルの前記ノズル出口は、同一平面上に位置している、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記多数の側方向きスラスタのうちの４基は各々、異なる方向に向けられたスラスト軸線を有する、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記多数の側方向きスラスタのうちの３基は、同一方向に向けられたスラスト軸線を有する、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、前記機軸に対して側方成分を含むスラストを方向づけるよう位置決めされている、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、前記機軸に対して非側方成分を含むスラストを方向づけるよう位置決めされている、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、２値の組をなすスラスト設定値、すなわちオフとオンを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、多数の非ゼロのスラスト設定値を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラには、実行されると、前記打ち上げ機を方向づけて前記打ち上げ機が前記少なくとも１基の主エンジンによって提供される力と組み合わせて前記少なくとも１基の側方向きスラスタによって提供される力を受けて側方に並進するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１基の主エンジンは、中央主エンジンおよびオフセンタ主エンジンを含み、前記コントローラには、実行されると、
前記打ち上げ機を方向づけて前記打ち上げ機が前記オフセンタ主エンジンおよび前記少なくとも１基の側方向きスラスタによって提供される動力を受けて下降するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記コントローラには、実行されると、前記少なくとも１基の側方向きスラスタを方向づけて前記打ち上げ機が着陸した後に、前記少なくとも１基の側方向きスラスタが、前記打ち上げ機の向きを制御するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントローラには、実行されると、前記打ち上げ機に加えられた外力に対応した入力を受け取って前記少なくとも１基の側方向きスラスタを方向づけて少なくとも部分的に前記入力に応答して前記打ち上げ機の向きを制御するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントローラには、実行されると、前記打ち上げ機に加えられた風力に対応した入力を受け取って、前記少なくとも１基の側方向きスラスタを方向づけて少なくとも部分的に前記入力に応答して前記打ち上げ機の向きを制御するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１５】
前記コントローラには、実行されると、前記打ち上げ機の移動先である着陸場所の傾斜角に対応した入力を受け取って前記少なくとも１基の側方向きスラスタを方向づけて前記少なくとも部分的に前記入力に応答して前記打ち上げ機の向きを制御するようにする命令がプログラムされている、請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
前記命令は、実行されると、前記少なくとも１基の側方向きスラスタおよび前記少なくとも１基の主エンジンの起動を方向づけて前記打ち上げ機を側方成分を含む方向に推進するようにする、請求項１記載のシステム。
【請求項１７】
前記命令は、実行されると、前記少なくとも１基の側方向きスラスタおよび前記少なくとも１基の主エンジンの起動を方向づけて前記打ち上げ機を側方の方向に推進する、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
前記打ち上げ機は、第１のブースタ段を有し、前記システムは、前記第１の段によって解除可能に担持された第２の段を更に含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１９】
航空宇宙システムを稼働させる方法であって、
前記システムの打ち上げ機の第１の端部寄りに位置決めされた１基または２基以上の主エンジンからのスラストを用いて前記打ち上げ機を打ち上げるステップを含み、
前記打ち上げ機を方向づけて下降させるステップを含み、
（ａ）前記１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基、および（ｂ）少なくとも１基の側方に向けられたスラスタにより前記打ち上げ機の下降を制御するステップを含み、（ｃ）前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、前記少なくとも１基の主エンジンから前記打ち上げ機の長手方向機軸に沿って間隔を置いて配置され、
前記打ち上げ機を方向づけて前記少なくとも１基の主エンジンの対応のノズルが下方に向いた状態で前記打ち上げ機が着陸するようにするステップを含む、方法。
【請求項２０】
前記打ち上げ機を打ち上げる前記ステップは、前記１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも第１の主エンジンを用いて実施され、前記打ち上げ機の下降を制御する前記ステップは、前記１基または２基以上の主エンジンのうちの前記第１のエンジンではなく第２のエンジンを用いて実施される、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記打ち上げ機の下降を制御する前記ステップは、前記打ち上げ機に加わる漸変風荷重に対応するステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタは、複数の側方に向けられたスラスタを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタを２つだけのスラスタ設定値、すなわちオフとオンに交互に切り替えることによって前記少なくとも１基の側方向きスラスタを制御するステップを更に含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記少なくとも１基の側方向きスラスタを方向づけて多数の非ゼロスラストレベルのうちの任意のレベルを生じさせることによって前記少なくとも１基の側方向きスラスタを制御するステップを更に含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記打ち上げ機の下降を制御する前記ステップは、前記打ち上げ機を前記打ち上げ機の前記長手方向機軸に整列しておらずかつ側方成分および垂直成分を含むベクトルに沿って動かすステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記打ち上げ機の下降を制御する前記ステップは、前記打ち上げ機の姿勢が全体として同一のままである状態で前記打ち上げ機を側方へ動かすステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
前記打ち上げ機の下降を制御する前記ステップは、前記打ち上げ機の姿勢が全体として同一のままである状態で前記打ち上げ機を側方かつ垂直に動かすステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２８】
航空宇宙システムであって、
打ち上げ機に作動可能に結合可能なコントローラを含み、前記コントローラには、実行されると、
前記打ち上げ機を１基または２基以上の主エンジンからのスラストにより打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、
打ち上げ機下降中、前記打ち上げ機を前記第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、
前記少なくとも１基の側方向きスラスタおよび前記１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基の起動を方向づけて下降中、前記打ち上げ機を側方へ動かす命令がプログラムされており、前記少なくとも１基の側方向きのスラスタは、前記打ち上げ機の長手方向機軸に沿って前記少なくとも１基の主エンジンから間隔を置いて配置されている、航空宇宙システム。
【請求項２９】
前記打ち上げ機を更に含む、請求項２８記載の航空宇宙システム。
【請求項３０】
前記１基または２基以上の主エンジンのうちの第１の主エンジンは、下降中不作動状態にあり、前記命令は、実行されると、前記１基または２基以上の主エンジンのうちの第２の主エンジンの起動を方向づける、請求項２８記載の航空宇宙システム。
【請求項３１】
前記命令は、実行されると、前記打ち上げ機に加わる漸変風荷重に対応した入力に応答して前記少なくとも１基の側方向きスラスタおよび前記１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基の主エンジンの起動を方向づける、請求項２８記載の航空宇宙システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、悪天候アジリティスラスタ、ならびに関連システムおよび方法に関する。本技術の実施形態は、前方の側方に向けられたスラスタ付きのロケットブースタを含む。
【０００２】
〔関連出願の参照〕
本願は、２０１６年６月１日に出願された係属中の米国特許仮出願第６２／３４４，２８８号の優先権主張出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００３】
ロケット製造業者は、ペイロードを宇宙空間中に打ち上げるコストを減少させようとして常に努力している。かかるコストを減少させるための一方式は、ロケットを宇宙空間に推進するために用いられる１つまたは２つ以上のブースタ段を回収することである。特定の方式では、ブースタは、垂直に着陸し、次にもう一度打ち上げるために修繕される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この方式の一欠点は、特定の条件下において着陸動作中にブースタを制御することが困難な場合があるということにある。したがって、当該技術分野において、向上したブースタ回収技術が依然として要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一観点によれば、航空宇宙システムであって、
第１の端部および第１の端部と全体として反対側の第２の端部を有する打ち上げ機またはビークルを含み、打ち上げ機は、第１の端部と第２の端部との間に延びる機軸に沿って細長く、
打ち上げ機によって担持された推進システムを含み、推進システムは、打ち上げ機を打ち上げるよう打ち上げ機の第１の端部寄りに位置決めされた対応のノズルを備えた少なくとも１基の主エンジンを含み、
打ち上げ機の第２の端部寄りに位置決めされた少なくとも１基の側方に向けられたスラスタを含み、
打ち上げ機と通信状態にあるコントローラを含み、コントローラには、実行されると、
打ち上げ機を打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、
打ち上げ機下降中、打ち上げ機を第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、
少なくとも１基の側方向きスラスタの起動を方向づけて下降中、打ち上げ機を誘導する命令がプログラムされていることを特徴とする航空宇宙システムが提供される。
【０００６】
本発明の別の観点によれば、航空宇宙システムを稼働させる方法であって、
システムの打ち上げ機またはビークルの第１の端部寄りに位置決めされた１基または２基以上の主エンジンからのスラストを用いて打ち上げ機を打ち上げるステップを含み、
打ち上げ機を方向づけて下降させるステップを含み、
（ａ）１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基、および（ｂ）少なくとも１基の側方に向けられたスラスタにより打ち上げ機の下降を制御するステップを含み、（ｃ）少なくとも１基の側方向きスラスタは、少なくとも１基の主エンジンから打ち上げ機の長手方向機軸に沿って間隔を置いて配置され、
打ち上げ機を方向づけて少なくとも１基の主エンジンの対応のノズルが下方に向いた状態で打ち上げ機が着陸するようにするステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【０００７】
本発明の更に別の観点によれば、航空宇宙システムであって、
打ち上げ機またはビークルに作動可能に結合可能なコントローラを含み、コントローラには、実行されると、
打ち上げ機を１基または２基以上の主エンジンからのスラストにより打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、
打ち上げ機下降中、打ち上げ機を第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、
少なくとも１基の側方向きスラスタおよび１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基の起動を方向づけて下降中、打ち上げ機を側方へ動かす命令がプログラムされており、少なくとも１基の側方向きのスラスタは、打ち上げ機の長手方向機軸に沿って少なくとも１基の主エンジンから間隔を置いて配置されていることを特徴とする航空宇宙システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本技術の実施形態に従って構成された側方に向けられているスラスタを備えた第１の段を有する多段打ち上げ機またはビークルを含むシステムの部分概略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されている第１段の実施形態を示す図であり、着陸装置が本技術の一実施形態に従って展開された状態を示す図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに示された第１段の一部分を示す図であり、多数の側方向きスラスタが本技術の別の実施形態に従って位置決めされた状態を示す図である。
【図１Ｄ】図１Ａに示されたビークルの部分概略平面等角図である。
【図１Ｅ】図１Ｂに示された第１段の部分略図である。
【図２Ａ】空気力学係数および関連の３次当てはめ曲線を示す図である。
【図２Ｂ】空気力学係数および関連の３次当てはめ曲線を示す図である。
【図２Ｃ】空気力学係数および関連の３次当てはめ曲線を示す図である。
【図２Ｄ】本技術の実施形態に従って構成された代表的なビークルの部分略図である。
【図３】本技術の実施形態に従って種々の相対風条件に関する環境風速の関数としての達成可能な距離値を示す図である。
【図４Ａ】本技術の実施形態による側方向きスラスタおよび中央主エンジンを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図４Ｂ】本技術の実施形態による側方向きスラスタおよび中央主エンジンを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図５Ａ】本技術の実施形態による側方向きスラスタおよびダウンウィンド形主エンジンを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図５Ｂ】本技術の実施形態による側方向きスラスタおよびダウンウィンド形主エンジンを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図６Ａ】本技術の実施形態によるアップウィンド形主エンジンおよび側方向きスラスタを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図６Ｂ】本技術の実施形態によるアップウィンド形主エンジンおよび側方向きスラスタを用いたビークルのシミュレーションからの結果を示す図である。
【図７Ａ】本技術の実施形態によるビークルのシミュレーションに基づいて相対風速の関数としてのピッチ角を示す図である。
【図７Ｂ】本技術の実施形態によるビークルのシミュレーションに基づいて相対風速の関数としてのスラストベクトル制御角を示す図である。
【図７Ｃ】本技術の実施形態によるビークルのシミュレーションに基づいて相対風速の関数としての側方向きスラスタ力を示す図である。
【図８Ａ】本技術の実施形態による空気力学的モデルで用いられたデータを生じさせるための４次および５次曲線当てはめを示す図である。
【図８Ｂ】本技術の実施形態による空気力学的モデルで用いられたデータを生じさせるための４次および５次曲線当てはめを示す図である。
【図８Ｃ】本技術の実施形態による空気力学的モデルで用いられたデータを生じさせるための４次および５次曲線当てはめを示す図である。
【図９Ａ】本技術の実施形態による中央主エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのスラストベクトル制御角を示す図である。
【図９Ｂ】本技術の実施形態による中央主エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としての側方向きスラスタ力を示す図（Ｂ）である。
【図１０Ａ】本技術の実施形態によるダウンウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのスラストベクトル制御角を示す図である。
【図１０Ｂ】本技術の実施形態によるダウンウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としての側方向きスラスタ力を示す図である。
【図１１Ａ】本技術の実施形態によるアップウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのスラストベクトル制御角を示す図である。
【図１１Ｂ】本技術の実施形態によるアップウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としての側方向きスラスタ力を示す図である。
【図１２Ａ】本技術の実施形態による中央主エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのビークルピッチ角を示す図である。
【図１２Ｂ】本技術の実施形態によるアップウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのスラストベクトル制御角を示す図である。
【図１２Ｃ】本技術の実施形態によるダウンウィンド形エンジンおよび側方向きスラスタを用いた作動に関して多数のビークルピッチ角について相対風の関数としてのスラストレベルを示す図である。
【図１３Ａ】本技術の実施形態に従って構成されたビークル用の主エンジンノズル、スラスタ、および隔離弁を示す図である。
【図１３Ｂ】本技術の実施形態に従って構成されたビークル用の主エンジンノズル、スラスタ、および隔離弁を示す図である。
【図１４Ａ】本技術の実施形態による１２基の前方取り付け型側方向きスラスタを有するビークル形態を示す図である。
【図１４Ｂ】本技術の実施形態による４８基の前方取り付け型側方向きスラスタを有するビークル形態を示す図である。
【図１５】本技術の実施形態に従って構成された制御ミキサを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書において開示する技術の実施形態は、前方の側方に向けられたスラスタを備えたロケットブースタ、ならびに関連システムおよび方法に関する。特定の実施形態では、ブースタは、ロケットを上昇中に上方に推進する１基または２基以上の主エンジン（ブースタの底部寄りに位置決めされている）を有する。加うるに、ブースタは、ブースタを動力式の垂直着陸操作中に安定化するために側方に差し向けられる（例えば、少なくとも部分的に）とともにブースタの底部から離れたところに位置決めされた１基または２基以上のスラスタを有するのが良い。ブースタが下降しているとき（ペイロードを上方に上昇させた後）、側方向きスラスタを発火してブースタを垂直「尾部下げ」着陸中に標的（例えば、直立）形態に差し向けまたは差し向けるのを助ける。特定の実施形態では、この構成により、ブースタには追加の安定性および制御が与えられ、ブースタの主エンジンをジンバリングする（gimballing）ことによって更に安定性および制御が得られる。
【００１０】
上述の構成は、多数の利点のうちの１つまたは２つ以上を提供することができる。例えば、予想される一利点は、ブースタが接地またはタッチダウンに先立って、側方により効果的に並進することができるということにある。特に、側方向きスラスタの助けにより、ブースタは、それ自体が標的着陸スポット上に直接位置するよう効果的に横方向に動くことができる。側方向きスラスタは、大形主エンジンよりも小形であり軽量でありかつ燃料使用量が少なく、したがって、燃料を少なくした状態でかつ／あるいは交差範囲を増大させた状態で側方並進操作を実施することができまたは実施するのを助けることができる。
【００１１】
上述の構成の別の予想される利点は、着陸中に得られる主エンジン動力が軸外し主エンジンより提供される場合であっても上述の構成によりブースタが着陸することができるということにある。例えば、多数の主エンジンを備えたブースタ上の典型的には中央エンジンは、ブースタの質量中心を軸方向に通って整列するスラストを提供する唯一のエンジンである。したがって、中央エンジンは、代表的には、ブースタの質量中心を通らないスラストベクトルを回避するようブースタを着陸させるために用いられる唯一の主エンジンである（または、変型例として、全ての主エンジンは、ブースタを着陸させるために用いられる）。多くの場合、中央エンジン以外の任意の単一のエンジン（例えば、機外側エンジン）は、ブースタを着陸操作のために直立に維持するのに足るほど遠くへジンバリングすることはない。したがって、中央エンジンは、ブースタを着陸させることができる唯一のエンジンであり、ブースタ全体は、中央エンジンが作動をし損ねた場合に失われる。しかしながら、側方向きスラスタにより提供される側方スラストの追加により、軸外しまたは機外側エンジンを用いると、例えば中央エンジンが再点火し損ねた場合、または違ったやり方で不作動状態である場合にブースタを安全に着陸させることができる。
【００１２】
上述の構成の更に別の予想される利点は、側方向きスラスタが、ブースタが転倒しないで安全に着陸することができる風条件のエンベロープを拡張することができるようにすることにある。特に、側方向きスラスタを突風に対応するものに足るほど迅速なレートで作動状態にしたり不作動状態にしたりすることができる。側方向きスラスタをブースタ段の頂部寄りに位置決めすることができるので、これら側方向きスラスタは、ブースタの質量中心に対して長いモーメントアームを提供することができ、したがって、これら側方向きスラスタが提供するスラストの大きさが比較的小さいのでその結果として、大きな再配向モーメントが得られる。さらに、側方向きスラスタにより提供される追加の安定性により、ブースタは、小形かつ軽量の着陸装置を採用することができ、と言うのは、着陸装置をこれが小さな最大傾斜角に対応するよう寸法決めすることができるからである。加うるに、側方向きスラスタは、ブースタがタッチダウンした後であっても作動して着陸状態のブースタが地面、海上着陸プラットフォーム、および／または他の着陸プラットフォームに固定されている状態で、着陸状態のブースタが強風によってひっくり返らないようにすることができる。
【００１３】
上述の特徴により、ブースタは、多種多様な環境条件で作動することができる（例えば、ブースタは、「全天候」および／または悪天候能力を有することができる）。加うるに、ブースタは、高い利用可能性を有することができ、このことは、かかるブースタが天候条件に関してだけでなく、エンジンアウトおよび／または他の非天候関連条件に対して広い作動エンベロープを有することができるということを意味している。
【００１４】
上述の特徴および関連システム（以下に詳細に説明する）は、従来型宇宙ビークルに関して用いられる典型的な反応制御システム（ＲＣＳ）装置とは異なっている。かかるＲＣＳ装置は、宇宙の真空内で作動するよう設計されており、この場合、外力、例えば風および重力は、本明細書において開示するブースタが再使用前に着陸する陸環境とは対照的に、存在せずまたは大幅に少ない。その結果、従来型ＲＣＳ装置は、比較的低レベルのスラストを生じさせ、尾部下げ着陸を容易にするようには位置決めされておらず、しかも／あるいは断続的かつ／あるいは可変荷重、例えば風により生じる荷重に応答するようには構成されていない。加うるに、従来型ＲＣＳ装置は、典型的には、宇宙ビークルを１本または２本以上の軸線回りに回転させるよう構成されている。これとは対照的に、本技術に実施形態は、ブースタを例えば側方に並進させてこれを尾部下げ着陸操作の最終段階の間、着陸場所と適正に整列させるよう位置決めされるとともに制御されるスラスタを含む。かかる場合、ブースタを再配向させるのではなくブースタを並進させることが有利な場合がある。例えば、宇宙ビークルを再配向する従来型技術は、典型的には、第１の角度再配向、次に新たなベクトルに沿う移動、次に元の姿勢に戻す第２の角度再配向を必要とする。側方向きスラスタを１基または２基以上の主エンジンと組み合わせて用いることによってブースタを単に並進させることにより、ビークルを少ないステップで適正に位置決めすることができる。（ａ）地面に対するブースタの近接度、および／または（ｂ）搭載された燃料の制限された量が所与の場合、この結果は重要な場合があり、（ａ）と（ｂ）の両方の要因は、ブースタを操作する機会を制限する場合がある。
【００１５】
別の例では、側方並進は、長手方向並進（例えば、上方並進）を伴う。両方の実施例において、宇宙ビークルの姿勢は、これが並進を行っているときでも全体として同一の状態を保つことができる。例えば、宇宙ビークルは、これを並進させているときに上方に向けられたままの状態を保つことができる。上述したように、この方式は、所望の側方運動を達成するために宇宙ビークルをその初期姿勢から遠ざかって回動させ、次に例えば尾部下げ着陸のために宇宙ビークルを逆方向に回動させてその元の姿勢に戻す必要性をなくすことができる。操作中、姿勢が僅かに変わる場合があるが、初期または標的姿勢から２°以内の範囲にあることが予測される（すなわち、全体として同一である）。標的姿勢は、垂直（例えば、平坦面上における着陸のために）であっても良く非垂直（例えば、ピッチング／ローリング中の船舶甲板上への着陸のために）であっても良い。
【００１６】
１．０  代表的なシステム
図１Ａ〜図１Ｅは、本技術の実施形態に従って構成された代表的なシステム１００を示している。システム１００は、多段構成を備えたビークル１１０（例えば、打ち上げ機）を含むのが良い。したがって、ビークル１１０は、第１段１１１、第２段１１２、およびフェアリング１１４によって包囲されたペイロード１１３（図１Ａに概略的に示されている）を有するのが良い。第１段１１１および第２段１１２は、ペイロード１１３を宇宙空間中に方向づけるようブースタとして作動する。他の実施形態では、ビークル１１０は、単一のブースタまたは３基以上のブースタを有するのが良い。これら実施形態のいずれにおいても、ブースタのうちの少なくとも１基（例えば、第１段１１１）は、尾部下げ形態で地球に戻されるよう構成され、次に、次の打ち上げの際に再使用される。
【００１７】
第１段１１１は、推進システムを有するのが良く、この推進システムは、第１または中央の主エンジン１１５ａおよび多数の機外側主エンジン１１５ｂ，１１５ｃとして図示された１基または２基以上の主エンジン１１５を含むのが良い。打ち上げの際、主エンジン１１５は、ビークル１１０を上方に方向づける主要な原動力を提供する。尾部下げ再突入の際、主エンジン１１５により提供されるスラストを１基または２基以上の第１段側方向きスラスタ１１６によって増強することができる。側方向きスラスタ１１６は、尾部下げ下降中に第１段１１１の質量中心（第１段１１１の底部寄りに位置している）に対して大きなモーメントアームを提供するよう主エンジン１１５よりも相当な距離上方に位置したところに配置されるのが良い。側方向きスラスタ１１６を第１段１１１の周囲周りの多数の場所に位置決めすることができ、かかる場所としては、第１の場所１１７ａ、第２の場所１１７ｂ、第３の場所（図１Ａでは見えない）、および第４の場所１１７ｄを含む。各場所は、１基または２基以上の側方向きスラスタを受け入れることができる。例えば、第１の場所１１７ａは、第１の側方向きスラスタ１１６ａ１、第２の側方向きスラスタ１１６ａ２、および第３の側方向きスラスタ１１６ａ３として示された３基の側方向きスラスタを収容することができる。他の実施形態では、各場所は、他の数の側方向きスラスタを収容することができ、これについては後述する。
【００１８】
図１Ｂは、着陸装置１１９が展開された状態で第１段１１１を示している。図１Ｃは、図１Ｂに示された第１段１１１の詳細部分を示しており、特に、３つの側方向きスラスタ１１６ａ１，１１６ａ２，および１１６ａ３を示している。各側方向きスラスタは、対応のノズル１１８ａ１，１１８ａ２，および１１８ａ３を有する。ノズルの出口は、共通出口平面１２０内に位置決めされるのが良く、各ノズルがビークル外面１２１から突き出る程度は、ビークル外面１２１の曲率に起因して様々であって良い。ノズルは、幾つかの実施形態では、固定された位置を有することができ、他の実施形態では、可変位置を有することができる。これら実施形態のうちの任意のものに関し、ノズルによって方向づけられたスラストの少なくとも一部分（例えば、全てまたは相当な部分）は、側方に、例えば第１段１１１の長手方向軸線に対して横方向に（かつ／あるいは非ジンバリング向きにあるときに主エンジンがスラストを方向づける軸線に対して横方向に）方向づけられている。したがって、本明細書で用いられる「側方向きスラスタ」という用語は、一般に、主エンジンとは異なり、かつ少なくとも側方成分を含むスラストを方向づけるスラスタを意味している。特定の実施形態では、側方向きスラスタは、より多くのスラストを長手方向ではなく側方の方向に方向づける。他の側方スラスト発生エンジン（例えば、長手方向軸線に沿って互いに間隔を置いて設けられた別の側方向きスラスタ、および／またはジンバリングされた主エンジン）と組み合わせて用いられた場合、側方向きスラスタは、ビークル１１０を側方に（例えば、純粋に側方である経路または垂直成分をも含む経路に沿って）並進させてビークルを尾部下げ着陸可能に位置決めすることができる。
【００１９】
側方向きスラスタ１１６は、多くの適当な形態のうちの任意の形態を取ることができる。例えば、側方向きスラスタは、ポンプ輸送および／または圧力供給式過酸化水素系を有するのが良い。特に、側方向きスラスタ１１６は、ポンプ供給式スラスタまたは圧力供給式スラスタを有するのが良い。他の実施形態では、側方向きスラスタは、「温かいガス」圧力供給式スラスタまたは「温かいガス」圧力供給式エジェクタ型スラスタを有するのが良い。特に、一実施形態では、適当な性能およびフォールトトレランスを提供する小形の印刷可能圧力供給式エジェクタ型スラスタを含む。
【００２０】
図１Ｄおよび図１Ｅは、それぞれ、図１Ａおよび図１Ｂに示されたビークル１１０および第１段１１１の平面等角図であり、図１Ｄと図１Ｅの両方は、コントローラ１２３を概略的に示している。本明細書において説明するビークル実施形態のうちの任意の実施形態に関し、制御機能をコンピュータまたはコンピュータ利用コントローラによって管理することができる。したがって、以下に説明する技術の多くの実施形態は、プログラム可能コンピュータまたはコントローラによって実行されるルーチンを含むコンピュータ実行可能またはコントローラ実行可能命令の形態を取るのが良い。当業者であれば理解されるように、この技術を図示するとともに以下に説明するコンピュータ／コントローラシステム以外のコンピュータ／コントローラシステムで実施できる。この技術は、以下に説明するコンピュータ実行可能命令のうちの１つまたは２つ以上を実行するよう特別にプログラムされ、構成され、または構造化された特定目的向けコンピュータ、コントローラ、またはデータプロセッサで具体化できる。したがって、本明細書において一般的に用いられる「コンピュータ」および「コントローラ」という用語は、任意のデータプロセッサを意味し、そしてコンピュータおよびコントローラとしては、少なくとも幾つかの実施形態では、インターネット家電および手持ち型装置（パームトップコンピュータ、ウェアラブルコンピュータ、セルラーフォンまたはモバイルフォン、マルチプロセッサシステム、プロセッサ利用またはプログラム可能消費者エレクトロニクス、ネットワークコンピュータ、ミニコンピュータなど）を含むことができる。これらコンピュータによって取り扱われる情報をＣＲＴディスプレイまたはＬＣＤを含む任意適当なディスプレイ媒体に提供するのが良い。
【００２１】
本技術はまた、分散型環境においても実施でき、この場合、タスクまたはモジュールは、通信ネットワークを介して連携されているリモート処理装置によって実施される。分散型コンピュータ計算環境では、プログラムモジュールまたはサブルーチンがローカルおよびリモート記憶装置内に配されるのが良い。分散型環境は、ビークル上にかつ／あるいはビークル外に支持される装置を含むことができる。以下に説明する技術の諸観点を磁気および光可読またはリムーバブルコンピュータディスクを含むコンピュータ可読媒体上に記憶しまたは分散させることができるとともにネットワークにより電子的に分散させることができる。本技術の諸観点に特有のデータの構造および伝送もまた、本技術の実施形態の範囲内に含まれる。
【００２２】
幾つかのコンピュータ利用シミュレーションは、全体として図１Ａ〜図１Ｅを参照して上述した構成と同様な構成を有するロケットビークル形態の実行可能性および有効性を評価するよう実施された。第１の組をなすシミュレーションが作動可能な中央主エンジンまたはダウンウィンド形主エンジンまたはアップウィンド形主エンジンと関連して垂直尾部下げ着陸操作中にビークルの姿勢を変更するよう前方取り付け型側方向きスラスタを有する代表的な形態の能力を判定するよう実施された。第２のシミュレーションは、着陸中にビークルの姿勢を変更するよう同一の方向に向いた多くの側方向きスラスタの能力を分析するよう実施された。第３のシミュレーションが１２基のスラスタ（各々が可変スラストレベルを有する）を用いた結果を、４８基のスラスタ（これらスラスタの各々は、２値スラストレベルを有する）を用いた結果と比較するよう実施された。上述のシミュレーションを以下に次々と説明する。
【００２３】
２．０  第１のシミュレーション
本項は、代表的なロケット形態の制御権限ならびに特定の実施形態に従って種々の相対風を受けた状態におけるロケットの第１段を着陸させる予想ロバストネス要件および制限に取り組んでいる。本項は、公称中央主エンジンか非中央主エンジン（例えば、再始動する上で中央主エンジンが故障した場合）かのいずれかを用いて着陸性能を評価する。軌道およびビークル姿勢制御は、主エンジンスラスト変化、制限スラストベクトル制御（ＴＶＣ）角度、および側方向きスラスタによって容易になる。
【００２４】
この分析は、終端スラスト＝重量（Ｔ＝Ｗ）条件に集中して向けられている。ビークルに関して非線形であるが、単純化された３自由度（３ＤＯＦ）平面上空気力学的モデルが曲線当てはめコンピュータ計算流体力学（ＣＦＤ）分析から開発された。オプティマイザがビークルの姿勢を漸変相対向かい風に対して変更して、姿勢変更された垂直着陸のための所要のＴＶＣ角度、主エンジンスラスト、および側方向きスラスタ力を見出すよう用いられた（例えば、固定されていても良くまたは変化していても良い着陸プラットフォームデッキ角度をマッチさせるために固定されまたは変化しているピッチで）。次に、オプティマイザを用いて選択された（例えば、最適の）ピッチ角度およびＴＶＣ角度を見出して低い（例えば、最小限の）側方向きスラスタ要件を達成して漸変相対向かい風に対して姿勢変更するよう用いられた。この方式は、Ｔ＝Ｗ操作中にビークルの交差範囲能力を評価するために用いられた。これらのやり方を中央主エンジンおよびアップウィンド形とダウンウィンド形機外側主エンジンの場合の両方について繰り返し実施して中央エンジン故障に対するシステムのロバストネスを判定する。
【００２５】
この分析で用いられる単純化された空気力学的モデルおよび重心（ＣＧ）の場所は、低亜音速においてビークル‐Ｘ軸（下降の際）回りに極めて安定性があった。したがって、ビークルは、横風中ではウェザーコックとなる傾向があり（大きなピッチングモーメントによって）、それにより側方向きスラスタ貢献が得られたとしても制限されたＴＶＣ権限が所与の場合、着陸ビークルを垂直の向きに姿勢変更するのが困難である。これらの限度は、オフセンタ主エンジンが用いられる場合には特に困難である。横風に起因したピッチングモーメントおよび制限されたＴＶＣ権限はまた、ピッチ角が着陸のためにある値に固定されていない場合であっても、ビークルを姿勢変更することができる最も大きな相対横風に上界を置く。
【００２６】
２．１  仮定
近似された空気力学的モデルを開発する目的で、１組の制限されたＣＦＤデータを用いた。空気力学係数を代表的なＣＧ場所に参照させた。空気力学係数は、単純化のためおよび空気力学的モデルへの書き込みのために３次方程式（図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ）に当てはめられた。基準迎え角（ＡＯＡ）の変化を用いて曲線当てはめを助けた。この新たな基準は、図２Ｄに示されているように相対風ベクトルとビークルの正のＺ軸（α0と呼ばれる）との角度として定められたＡＯＡを用いている。図２Ｄに示されている第１段１１１は、図１Ａ〜図１Ｅに示された第１段と全体としてほぼ同じであるが、フィン１２２を更に有する。注目されるべきこととして、通常のビークルＡＯＡは、相対風とビークルの正のＸ軸（αと呼ばれる）とのなす角度として定義される。
【００２７】
３自由度（３ＤＯＦ）方程式を以下に示されているように姿勢変更および基本ビークルモデルを達成するよう釣り合わされた。
2019520255.tif 000003
【００２８】
以下の分析は、相対風に基づいており、その相対風は、環境風および慣性速度を含む。単純な幾何学的形状および一定速度に基づく図３は、読者が相対風能力を位置誤差是正能力（フィートで表わされている）の関数としてマッピングするのを助けてアップウィンドから着陸プラットフォームに接近する利点を実証している。
【００２９】
２．２  着陸中における側方向きスラスタの利点の説明
ビークルの前方端部への１基または２基以上の側方向きスラスタの追加は、かかるスラスタを備えていない同様のビークルと比較して、（ａ）横風中での姿勢変更された垂直着陸および／または（ｂ）着陸中の厳密な位置制御を可能にすることが期待される。側方向きスラスタを備えていないビークルは、典型的には、ジンバリングされた軸方向エンジンおよび／または主エンジンが傾動し（または、ビークルを傾動させるよう押す風力に対抗し）またはビークルを向ける主エンジンのＴＶＣ能力を用いることによって並進するとともに相対向かい風に対して操作する。次に、いったん向けられると、ＴＶＣは、全体として、ビークル重心と整列し（ピッチングモーメントに対抗するのに必要なことを除き）、その結果、加速度ベクトルがビークル本体と整列する。概念的に説明すると、かかるビークルは、ビークルを向ける軸方向エンジンスラストおよびＴＶＣと軸方向エンジンスラストの組み合わせを用い、ビークル姿勢は、横速度および垂直速度を制御するために用いられる。
【００３０】
これとは対照的に、本技術の分析の主題であるビークルは、側方向きスラスタを有し、これら側方向きスラスタは、横力およびピッチングトルクをもたらすよう余剰制御エフェクタを提供する。これは、少なくとも２つの観点のうちの一方または両方においてビークルのためになり、第１に、ビークルは、相対横風（並進速度または環境風に起因する）と関連した力およびモーメントを特定の（しかしながら制限された）ピッチ角に姿勢変更することができ、それによりビークルが位置制御を維持しながら適正な姿勢で着陸することができるようにする。第２に、側方分散および外乱を、ビークル本体を再び向ける必要なく、直接的横力により軽減することができ（組み合わせ状態の主エンジンＴＶＣと側方向きスラスタを用いてピッチングモーメントの釣り合いを取りながら横力を作る）。これは、厳密かつ時機を得た制御応答を外乱および側方オフセットにもたらし、そして着陸制御精度を向上させる（例えば、最大にする）ことが見込まれる。
【００３１】
２．３  制限ビークル特性
横風に起因したピッチングモーメントは、圧力中心に対する低い重心に起因している。ブースタビークルは、代表的には、負の本体Ｘ軸回りに極めて安定性がある。その結果、ブースタビークルは、着陸のＴ＝Ｗ部分中に並進しているとき（例えば、下降速度Ｖｘ＝−７フィート／ｓ（−２．１３ｍ／ｓ）で）かつ相当強い横風に当たったときにピッチング力を作る場合が多い。このピッチングモーメントは、ＴＶＣおよび側方向きスラスタの使用により克服されるべきであり、それによりビークルの制御を維持する。特に、組み合わせ状態のｚ方向におけるＴＶＣ力と側方向きスラスタ力は、並進および風に起因した横力（ＣＮ＿Ｗｉｎｄからの）に打ち勝つべきである。
【００３２】
２．４  分析結果
２．４１  着陸時における姿勢変更条件（固定ピッチ）
着陸時、着陸プラットフォームデッキ角（これは、安定化された着陸プラットフォームについてはゼロである）に一致するピッチ角でビークルの姿勢を定常風に対して変更することが必要な場合がある。非線形オプティマイザが用いられた（所要の側方向きスラスタ力およびＴＶＣ角度を求めてビークルの姿勢を特定のピッチ角で一定の相対的横風（−Ｖｚ方向）に対して変えるための上述の非線形空気力学的モデルを用いて）。図４Ａおよび図４Ｂは、中央主エンジン（これだけ）が作動している状態の結果を示し、図５Ａおよび図５Ｂは、ダウンウィンド形主エンジン（これだけ）が作動している状態の結果を示し、図６Ａおよび図６Ｂは、アップウィンド形主エンジン（これだけ）が作動している状態の結果を示している。本願におけるこれらの図および他の図の垂直軸線上のスラスト値は、固定ベース値に対してスケール変更されている。
【００３３】
図４Ａおよび図４Ｂは、モデル化された形態が中央エンジン（図４Ａ）および側方向きスラスタ（図４Ｂ）を用いて最大±４°（破線の垂直線によって示されている）までの種々のピッチ角で最高４７ノットまでの相対風に対して姿勢変更することができることを示している。したがって、着陸中におけるデッキ姿勢および動作を予測するための適当な方法を用いることによって着陸プラットフォームピッチ／ロール要件を更に４°緩和させることができる。相対風に対するこの上限により、代表的には、着陸軌道を変更することによって風を検討するとともにこれに順応して高い風速条件でアップウィンド（ストレートダウンまたはダウンウィンドとは対照的に）からプラットフォームに接近することが要求される。
【００３４】
図５Ａおよび図５Ｂならびに図６Ａおよび図６Ｂは、中央主エンジンが利用可能ではない場合、相対風がない場合であってもＴＶＣ角を飽和させる前に±１°未満のピッチ範囲に対して姿勢変更することができるに過ぎないビークルについての結果を示している。図５Ａおよび図５Ｂは、オフセンタ主エンジンだけを用いた場合、ゼロピッチ姿勢変更条件がゼロ相対風で−３°を超えるＴＶＣを必要とするが、ビークルがゼロピッチ角で姿勢変更するのが良い相対向かい風に関する上界が４７ノット（図４Ａおよび図４Ｂ）から３６ノット（点線の垂直線）に減少することを示している。図６Ａおよび図６Ｂは、アップウィンド形オフセンタ主エンジンだけを用いることにより、ゼロ風の場合であっても３°を超えるＴＶＣが必要であることを示している。
【００３５】
２．４２  側方向きスラスタ要件を緩和するための最適ピッチ角での姿勢変更
次に上述の姿勢変更分析をビークルピッチ角に対して制約条件なしで繰り返した。この分析は、ビークルピッチ角を用いて操縦を助ける最終の着陸段階に先立ってＴ＝Ｗ期間を調べている。ＴＶＣ角は、この場合もまた、±４°に制約される。この分析を次の条件、すなわち、中央主エンジンだけの発火条件、アップウィンド形主エンジンだけの発火条件、およびダウンウィンド形主エンジンだけの発火条件について完了させた。結果が図７Ａ〜図７Ｃに示されている。中央主エンジンの場合、例示のビークルが−７°まで縦揺れすることを条件として、かかる例示のビークルが側方向きスラスタを全く必要としないで３２ノットの相対風に対して姿勢変更することができるということが理解できる。３２ノットを超えると、ＴＶＣ姿勢変更権限がない状態になり（例えば、最大４°では）、側方向きスラスタがこの追加の相対風誘起ピッチングモーメントを釣り合わせるために必要になる。
【００３６】
アップウィンド形主エンジンだけを用いた場合、側方向きスラストおよび主エンジンＴＶＣの完全４°が、ビークルが−１．７°まで縦揺れした状態で、ゼロ相対風速であってもビークルの姿勢を変更するために必要になる。前方相対速度が増大すると、側方向きスラスタからの大きな力が必要とされる。
【００３７】
ダウンウィンド形主エンジンおよび完全−４°ＴＶＣだけを用いた場合、側方向きスラスト（上述の場合とは逆の方向における）がゼロ相対風および１．７°ピッチ角の場合であってもビークルの姿勢を変更するのに必要とされる。相対風が増大すると、側方向きスラスタからの小さな力が約４２ノットの風速まで必要とされ、かかる風速の時点において必要なものはなくなり、姿勢変更がＴＶＣおよびピッチ角単独で維持される。
【００３８】
２．５  第１のシミュレーションからの結論
・特定の実施形態では、ＴＶＣ権限のある部分が制御について保たれるのが良い（例えば、姿勢変更範囲が±４°である）。
・着陸方式が起動を着陸プラットフォームのアップウィンド側にバイアスさせた場合、強風条件における交差範囲を向上させることができる（例えば、最大にすることができる）。
・特定の実施形態では、許容可能な着陸風条件は、着陸デッキ角度要件にマッチするのに必要な最大姿勢変更可能速度まで制限される。
・外側の主エンジンだけを用いて（例えば、中央エンジンが故障している場合）ビークルが横風の際に着陸するために垂直に姿勢変更することができる能力がダウンウィンド形主エンジンを用いた場合には低下する。この問題は、ビークルを横揺れさせて利用可能な外側主エンジンを整列させてダウンウィンド形ではなくアップウィンド形にすることによって回避できる。
【００３９】
３．０  第２のシミュレーション
より詳細な６ＤＯＦ非線形静的姿勢変更モデルを開発し、そして、相対風と整列していない機外側主エンジンを用いた場合に、ベースライン形態（図１Ａ〜図１Ｅに示されているように１２基の側方向きスラスタを有する）および姿勢変更条件を分析するためにかかるモデルを用いた。このモデルは、ビークルがゼロピッチ姿勢に命じられるとともにこれが最適姿勢を自由に見出すことができる場合、中央、アップウィンド形、およびダウンウィンド形主エンジンを用いて様々な相対風の中におけるビークル形態の姿勢変更可能性を分析するために用いられた。特定の試験事例を分析したが、これら試験事例は、制限されたＴＶＣ範囲、そして適当な姿勢変更応答を求めるために制限された側方向きスラスタ権限範囲、および特定の側方向きスラスタ故障を含んでいた。
【００４０】
３．１  ３ＤＯＦ分析に関する仮定
近似的な空気力学的モデルを開発する目的で、空気力学係数を単純化のために４次および５次多項式曲線（図８Ａ〜図８Ｃ）に当てはめた。基準迎え角（ＡＯＡ）の範囲を用いて曲線当てはめを助けた。この新たな基準は、相対風ベクトルとビークル位置Ｚ軸（α0と呼ばれる）とのなす角度として定義されたＡＯＡを用いている。注目されるべきこととして、通常のビークルＡＯＡは、相対風とビークルの正のＸ軸（αと呼ばれる）とのなす角度として定義される。姿勢変更および基本ビークルモデルを達成するために釣り合わされなければならない（３ＤＯＦ）モデルおよび方程式について表題２．０の下で上述した。
【００４１】
３．２  新たな形態に関するＤＯＦ分析
３．２１  着陸時における姿勢変更条件（固定ピッチ）
少なくとも１つの実施形態に従って着陸の際の歯車負荷を減少させるため、ビークルの姿勢を着陸プラットフォームデッキ角（これは、安定化された着陸プラットフォームについてはゼロである）に一致したピッチ角で定常風に対して変更する。図９Ａおよび図９Ｂは、中央主エンジンを用いた場合の代表的な結果を示し、図１０Ａおよび図１０Ｂは、ダウンウィンド形主エンジンが用いられた場合の代表的な結果を示し、図１１Ａおよび図１１Ｂは、アップウィンド形主エンジンを用いた場合の代表的な結果を示している。次に上記の図の各々を用いて変更することができるのがどの固定ピッチ角であるかを求める。
【００４２】
図９Ａおよび図９Ｂは、モデル化された形態が中央主エンジンおよび側方向きスラスタを用いて最大±４°（図９Ａの破線の垂直線によって示されている）までのビークルピッチ角で最高５９ノットまでの相対風に対して姿勢変更することができることを実証している。したがって、適当なデッキ姿勢および動作予測を開発して着陸の際に用いると、着陸プラットフォームピッチ／ロール要件を更に±４°緩和させることができる。これは、ビークルに設けられた側方向きスラスタを用いることによって図４Ａおよび図４Ｂに示されている結果と比較した場合に相対風の能力が更に１２ノット追加されたという改良結果を表わしている。
【００４３】
図１０Ａおよび図１０Ｂならびに図１１Ａおよび図１１Ｂは、相対風がない場合であってもＴＶＣ角を飽和させない状態で±１°未満のピッチ範囲までしか姿勢変更することができないビークルについての結果を示している。図１０Ａおよび図１０Ｂは、ダウンウィンド形機外側主エンジンだけを用いた場合、ゼロピッチ姿勢変更条件がゼロ相対風で−３°を超えるＴＶＣを必要とするが、ビークルがゼロピッチ角で姿勢変更するのが良い相対向かい風に関する上界が４６ノット（点線の垂直線）であることを示している。相対風に対するこの上限により、着陸軌道を変更することによって風を検討するとともにこれに順応して高い風速条件でアップウィンドからプラットフォームに接近することが要求される。図１１Ａおよび図１１Ｂは、アップウィンド形機外側主エンジンだけを用いることにより、ゼロ風の場合であっても３°を超えるＴＶＣが必要であることを示している。これらの事例の両方は、エンジンＴＶＣ角をビークルＣＧに向かって整列させ、次に側方向きスラスタを用いて合力としての横力を相殺する傾向がある。
【００４４】
３．２２  側方向きスラスタ要件を緩和するために最適ピッチ角での３ＤＯＦの姿勢変更分析
次に上述の姿勢変更分析をビークルピッチ角に対して制約条件なしで繰り返した。この分析は、ビークルピッチ角を用いて操縦を助ける最終の着陸段階に先立ってＴ＝Ｗ期間を調べている。ＴＶＣ角は、この場合もまた、±４°に制約される。中央主エンジン条件、アップウィンド形主エンジン条件、およびダウンウィンド形主エンジン条件について完了させた。結果として得られた曲線が図１２Ａ〜図１２Ｃに示されている。中央主エンジンの場合、ビークルが−７°まで縦揺れすることを条件として、かかるビークルが側方向きスラスタを全く必要としないで４３ノットの相対風に対して姿勢変更することができるということが理解できる。４３ノットを超えると、ＴＶＣ姿勢変更権限がない状態になり（例えば、最大４°では）、側方向きスラスタがこの追加の相対風誘起ピッチングモーメントを釣り合わせるために必要になる。
【００４５】
アップウィンド形主エンジンだけを用いた場合、ビークルが−１．７°まで縦揺れした状態で、ゼロ相対風速であってもビークルの姿勢を変更するためにスラストおよび幾分かのＴＶＣが必要になる。
【００４６】
ダウンウィンド形主エンジンおよび完全−４°ＴＶＣだけを用いた場合、側方向きスラスト（上述の場合とは逆の方向における）がゼロ相対風および１．７°ピッチ角の場合であってもビークルの姿勢を変更するのに必要とされる。相対風が増大すると、側方向きスラスタからの小さな力が約５５ノットの風速まで必要とされ、この時点で、最適解が僅かにピッチングアップされた角度から−１０°ピッチ角に切り替わる（限度が最適化の際に用いられる）。
【００４７】
３．２３  ベースライン１２スラスタ形態を用いたＤＯＦ姿勢変更試験事例
ベースライン側方向きスラスタおよび主エンジン形態が図１３Ａおよび図１３Ｂに示されている。側方向きスラスタ（基数が１〜１２）の各々は、限定された範囲にわたって線形制御されると仮定される。各側方向きスラスタもまた、オフにすることができる。この形態はまた、隔離弁１３０（図１３Ｂ）を含むのが良く、かかる隔離弁を用いると、３基の側方向きスラスタへの推進役流れを止めて側方向きスラスタが開放位置で働かなくなった場合に推進剤の損失を阻止することができる。名目上、この形態は、Ｙ軸およびＺ軸方向に適当なスラストを発生させることができる。
【００４８】
スラスタ故障に対するロバストネスを含むこの形態を分析するため、Mathematica （イリノイ州所在のウォルフラム・リサーチ・オブ・シャンペイン（Wolfram Research of Champagne ）から入手できる）を用いて完全６ＤＯＦ静的力バランスモデルを開発した。このモデルは、主エンジン（各試験事例について１つだけ用いる）および１２基の側方向きスラスタを含んでいた。非線形オプティマイザを用いて、着陸操作の最終部分（これについて、Ｔ＝Ｗ、Ｖｘ＝−７フィート／ｓ（−２．１３ｍ／ｓ））の間、表題２．０の元で説明した３ＤＯＦモデルおよび上述の空気力学的曲線当てはめから導き出された機体ｙ方向から来た相対風（正のｚ軸ヨーイングモーメントを生じさせる）からの空気力学的力およびトルクに対してビークルの姿勢を変えた。非線形オプティマイザは、必要なピッチ角、ＴＶＣ角、ビークルの姿勢を変更するための適当な力およびトルクを生じさせるのに必要な側方向きスラスタ命令を見出すために用いられた。種々の特定の事例は、この形態（所与の限定を含む）が０ノット、２０ノット、４０ノット、および６０ノットの見かけの風に対して姿勢変更することができるかどうかを判定するために分析された。事例は、傾斜角がゼロであることが必要であること（固定水平プラットフォーム上へのタッチダウンについて必要とされる）とビークル傾斜角を最適化して側方向きスラスタ要件を最小限に抑えることができるということの両方を含んでいる。かかる事例は、中央エンジンのみ、アップウィンド形エンジンのみ、およびダウンウィンド形エンジンのみを用いることを含んでいる。また、中央エンジンを利用するが、故障した列をなす側方向きスラスタ（これらは、最も困難である結合された事例であるよう選択されるのが良い）を有する事例が含まれていた。
【００４９】
分析目的のため、２つの代表的な形態、すなわち、（１）側方向きスラスタが各々スロットル調整可能な状態の形態、および（２）側方向きスラスタのいずれもがオフでありまたは高い範囲でスロットル調整可能である状態の形態を分析した。第２の形態（スラストについて高い範囲を有しまたは完全にオフである）は、最高（２12−１）極小値を有する最適化空間を有する。
【００５０】
３．３  ６ＤＯＦ姿勢変更試験事例の説明
種々の試験事例を実施した（ｔ基の側方向きスラスタがゼロポンド‐フィートスラストまで下方に線形的にスロットル調整することを仮定している）。事例は、（１）固定水平プラットフォーム上へのタッチダウンについて必要とされる傾斜角がゼロ（ピッチ＝０）であることが必要であるということ、および（２）ビークル傾斜角を最適化して側方向きスラスタ要件を最小限に抑える一方で最大交差範囲速度を提供しまたは横風に対して姿勢変更することができるということの両方を含む。これら事例は、中央エンジンのみ、アップウィンド形エンジンのみ、およびダウンウィンド形エンジンのみを用いることを含んでいる。
【００５１】
中央エンジンが作動状態であるがピッチ角が制約されている完全６ＤＯＦモデルを利用した結果は、上述したより単純な３ＤＯＦ分析からの結果と一致しており、かかる結果は、ベースライン１２基側方向きスラスタ事例がビークルの姿勢を広範な相対風の中で変えることができるということを示している。追加の事例は、ビークルピッチ角が制約されておらず、最適化されている場合、必要とされる側方向きスラスタが少ないと言うことを実証した。
【００５２】
ベースラインとは異なり、ＴＶＣジンバルを各々が±４°の範囲に制約された２つの垂直軸ジンバル（ｙ機体軸およびｚ機体軸に関して）としてモデル化した。この分析のため、簡単な２軸回転を仮定してオプティマイザの収束の問題をなくす。
【００５３】
幾つかの事例は、側方向きスラスタの故障に対する形態のロバストネスを実証するために中央エンジンを利用したが、故障した列をなす側方向きスラスタ（スラスタ２，４，６）をシミュレートした。
【００５４】
３．４  第２のシミュレーションからの結論
・上述の静的分析に基づき、弱風から中程度の風の中で中央主エンジンを用いることは、比較的容易である。強風の事例および機外側主エンジン着陸は、制御自由度（姿勢と並進）を結合し、多数の（例えば、全ての）制御エフェクタを用いてビークル回転トルクと並進力を釣り合わせるためには一体型の制御割り当て解決策を必要とする。これは、着陸の際のＴＶＣおよび垂直速度制御のためにスラストでビークル姿勢を大々的に制御する既存の制御方式とは異なっている。
・本明細書において説明する代表的な形態に関し、機外側主エンジンだけを用いて作動する際の固定非ゼロデッキ角における姿勢変更された垂直着陸が制限される。ビークルを配向してアップウィンド方向において機外側主エンジンを整列させることにより、相対風に対して最も大きなゼロピッチ角姿勢変更能力を提供される。
・中央主エンジンだけが作動中である１２基の側方向きスラスタ形態は、（３基の）側方向きスラスタの故障した列が存在する場合であってもビークルの姿勢を着陸の際に変えることができる。
・高能率制御割り当てミキサをリアルタイムで実施するための方法について表題４．０の下で更に説明する。
・多数の風条件においてビークルの高精度の着陸は、高いロバストネスおよびシステムアベーラビリティを提供することが望ましい。強風の中における着陸の際の厳密なビークル姿勢制御（例えば、着陸装置要件を減少させまたは最小限に抑えるため）および中央主エンジン故障に対する裕度は、ビークル自由度を結合し、それにより多数の（例えば、全ての）自由度を強調された仕方で制御するためのアクチュエータ命令を発生させる側方向きスラスタおよび一体型制御方式の必要性が推進される。上述の分析は、その可能性を実証している。多くの小形のオン／オフ側方向きスラスタを用いた側方向きスラスタ概念は、例えば、以下の表題４．０の下で説明する重量およびコスト上の利益を提供する。
【００５５】
４．０  第３のシミュレーション
本項は、ＴＶＣ、主エンジンスラスト、および高精度着陸の際に使用される候補としての側方向きスラスタ配列のための命令を生じさせる代表的な制御ミキサについて説明する。２つの基本的な側方向きスラスタ配列について説明する。第１は、デッドバンドを備えた１２基の線形スラスタを含み、第２は、多くの（特に、４８基の）小形のオン／オフ（「２値」）スラスタを含む。
【００５６】
この制御ミキサ構成を３基の特定の側方向きスラスタ形態について開発した。第１の形態は、各々がゼロスラストまで下方に直線的にスロットル調整することができる１２基の「線形」スラスタを含む。第２の形態は、同じ１２基のスラスタを含み、各スラスタのスラスト範囲は、ゼロまたはスラスタの何らかの高い範囲であるが、最小スラストとゼロスラストとの間で線形的にスロットル調整可能ではないように制限される。第３の形態は、４８基のオン／オフ「２値」スラスタを含む。
【００５７】
疑似６ＤＯＦシミュレーションをSimulink（マサチューセッツ州所在のマスワークス・オブ・ナティック（Mathworks of Natic）から入手できる）において開発して長期に及んだ試験事例に対して制御ミキサの挙動を確証して実証したが、この長期に及んだ試験事例は、僅かであるが迅速な並進操縦を命じて調整を行い、それにより０〜６０ノットの横（相対）風外乱を阻止する。
【００５８】
４．１  仮定
ビークル形態および質量特性は、表題２．０の下で上述したビークル形態および質量特性であり、空気力学的効果モデルは、表題３．０の下で上述した空気力学的効果モデルと同一である。注目されるべきこととして、以下の分析は、横向きスラスタおよび前方フィンレイアウトがビークルのｙおよびｚ機体軸線と整列していることを前提としている。他の実施形態では、側方向きスラスタおよびフィンは、機体ｙ‐ｚフレーム内で４５°回転してある。この変化は、シミュレートされた応答の特定の結果を変更するが、全体的結論またはミキサ特性を変更することはない。
【００５９】
４．２  第１の実施形態‐１２基スラスタ形態
側方向きスラスタおよび主エンジン形態の第１の実施形態が図１４Ａに示されており、この形態は、図１３Ａに示されている形態と同一である。静的制御割り当て姿勢変更解決策を表題３．０の下で上述したようにこの形態について開発した。本項は、表題３．０の下で説明した最適化問題をリアルタイムで解決する動的最適化利用制御割り当てミキサを説明している。１２基の側方向きスラスタが線形であり、次にデッドバンドと一線をなすと仮定してこのミキサを最初に実証した。
【００６０】
４．３  第２の実施形態‐４８基の２値スラスタ形態
４８基の２値スラスタを用いた側方向きスラスタ形態の第２の実施形態が図１４Ｂに示されている。この形態では、１２基スラスタ形態における個々のスロットル調整側方向きスラスタの各々は、同一方向に配向させられかつ機体ｘ軸および交差軸（指し示す方向から）中で互いにオフセットしている４基の小形のスラスタで置き換えられている。これらの側方向きスラスタをオン／オフ「２値」方式でしか作動させることができず、したがって、パルス列が合力としての制御力（かかる力は、経時的に積分される）を変化させるために用いられることが前提とされている。
【００６１】
この形態の一利点は、単一の側方向きスラスタが故障した場合、利用可能な力が１基の小形のスラスタの力だけによって減少することにある。加うるに、他の潜在的な故障、例えばスラスタ弁が動かなくなって開いた状態になることは、かかる１基のスラスタによる外乱という悪影響を別のスラスタで打ち消し、そして結果としての（比較的僅かな）推進剤損失を吸収することによって対応できる。
【００６２】
かかる形態は、複雑ではあるが、事実、安価でありかつ／あるいは高い耐故障性を提供するとともに／あるいは高い帯域幅スラスタを用いることによって制御性能を向上させることができる。これら「多くの」スラスタの基数、サイズ、配置場所および配向状態をロケットシステムの全体的形態を含む適当な変数に依存するやり方で選択することができる。
【００６３】
この形態における弁の２値性状に起因して、この形態は、一般に、真の定常状態姿勢変更条件において作動することはない。これとは異なり、弁をオンオフにディザリングすることができ、それによりこれら弁がほぼ所望の姿勢変更条件で（例えば、その近くで）作動する。したがって、動的モデルが姿勢変更状態に対応した疑似定常状態に達するために必要とされる場合がある。
【００６４】
４．４  制御ミキサ問題
高度に結合されたシステムに関する制御割り当て問題、例えば強い横風の中におけるビークルおよび／または機外側主エンジンでの着陸は、自明ではない問題である。幾つかの方法がかかる問題に歴史的に適用された。考えられる一解決策は、制御有効性行列を「反転」させて全ての利用可能な制御エフェクタを用いて全部で６つの必要とされる力およびトルクを発生させるが、結果としての制御指令を制約して達成可能であるようにする（例えば、ＴＶＣ命令は、限度内になければならず、スラストは、常時正でなければならないことなど）ことである。所望の制御自由度よりも多くの制御エフェクタを有するシステムに関し、制御有効性行列は、直交ではない（システムは、過剰に設定される）。かかるシステムに監視、疑似反転方式を用いると、１組の制御命令を作ることができ、かかる制御命令は、理論的には、全ての６ＤＯＦ内の所望の加速度を達成する。多くの場合、この解決策は、全ての制御部に命令を出してこれが達成可能な限度内にあるようにするために（例えば、限度内のＴＶＣ命令、正のスラスト命令のみなど）制御有効性行列（エフェクタが互いに争いまたは相殺することに起因して正味の加速度がほとんどないようにしまたはゼロにするパルスの組み合わせ）のゼロ空間内に追加の制御命令ベクトルを追加することによって変更されなければならない。
【００６５】
４．５  制御割り当てミキサブロック図および疑似６ＤＯＦシミュレーション
本明細書において提供される最適化ミキサは、制御方式問題を解決する上で基本的に異なる方式である。この最適化ミキサは、数値フィードバックループ（これが含む実際の物理的動的要素はゼロである）を用いてアクチュエータ制約内で逆問題を解決する。また、このやり方により、互いに異なる形式の制御エフェクタ、例えば線形ＴＶＣおよびオン／オフ側方向きスラスタについて一体化された制御命令発生が可能である。この方式の説明は以下の通りである。
【００６６】
制御エフェクタが線形であると仮定し、そしてそれ自体図１５に示され、プラントモデルおよび外側ループ比例積分および微分（ＰＩＤ）コントローラのない制御割り当てミキサだけを調べると、この制御ミキサは、予想加速度を生じさせるためにアクチュエータ命令と計画された加速度および角加速度（「Ｂ行列」としてブロック図に示されている）との関係の積分モデルを用いている。予想加速度は、所望加速度から減算され、結果としての誤差が加速度空間からアクチュエータ空間に戻るようマップされ（ＢTＷを経て）そして積分される。このフィードバックループは、予想加速度と所望加速度との誤差を指数収束によりゼロにする。
【００６７】
正の有限（実数の正の固有値のみを有する）６×６重み行列Ｗが制御ミキサとビークルとの相互作用を減少させる（例えば、最小限に抑える）ために、制御されるべきシステムの帯域幅よりも極めて大きなレートで迅速な収束を提供するよう選択されるのが良い。代表的な実施形態では、対角行列が用いられ、各要素は、他の要素に対して６つの制御された自由度の各々の重要性を重み付けする。
【００６８】
閉ループフィードバック行列（−ＷＢＢT）の固有値は、常時負の実数であり（これは、負の有限である）、大域的指数収束を保証する。制御ミキサループは、純粋に、数学的ループであり、これらを含む物理的要素は、ゼロである。したがって、連続システムでは、有効ループ利得を恣意的に高く作ることができ、それにより収束が極めて迅速に起こるようにする。しかしながら、実現問題（別々の実現に起因する）は、フィードバック利得を制限する。これとは異なり、重み行列Ｗは、フィードバック行列（−ＷＢＢT）の閉ループ固有値を（ａ）制御されているビークルとの相互作用を軽減するためにビークルの剛体力学よりも極めて（例えば、少なくとも３倍）迅速であるようにするが、（ｂ）妥当なフレームレートで抽出データシステムにおいて実現されるのに足るほど低いようにするよう選択されるのが良い。この制御ミキサ構成は、制御エフェクタが線形であると仮定して、重み付け制御有効行列（√（Ｗ）Ｂ）の疑似逆数に収束するよう示されるのが良い。
【００６９】
本発明者がフィードバックループ内に単調非線形要素、例えば、ＴＶＣ限度（±５°）、主エンジン制限（スラストの２０％〜１００％）および側方向きスラスタ限度を導入した場合、このフィードバックループは、限度内で実行可能である限り、依然として指数収束を維持する。収束中、制御限度に達した場合、制御命令は、一方が存在しまたはアクチュエータ限度によって境界付けられた最も近い（重み付けされた２ノルム方向）解決策に収斂した場合、解決に達するまでその制限に「乗る」。この概念を１２基の線形スラスタ形態に適用した。
【００７０】
本発明者が制御ミキサフィードバックループ内により複雑で単調な非線形性、例えばデッドバンドを導入した場合、本発明者は、制御ミキサ事例について解を求めることができ、この場合、側方向きスラスタによってもたらされる力は、ゼロでありまたはある範囲をカバーする。これは、制御ミキサフィードバック経路内の各側方向きスラスタについてスラストのデッドバンドまたは「キープアウトゾーン」を含む制限要素を作ることによって達成される。このデッドバンドに起因して、最小問題がアクチュエータデッドバンド内に存在する場合に、指数収束を例外なく保証することができない。しかしながら、このループは、リプシッツ安定であり、すなわち、解決に関して狭い範囲に収束するよう示されるのが良い。制御エフェクタのデッドバンド内の解決策が所与の場合、ミキサは、デッドバンドの中または外でディザリングする命令を発生させることができ、積分領域（時間に関して）が必要とされる制御効果と均等な状態で変更されたパルス命令を作る。僅かな所要命令の場合、このシステムは、パルス（周波数とパルス幅の両方）変調器として働く。この方式は、例えば、デッドバンド形態を備えた１２基の線形スラスタに適用できる。
【００７１】
最後に、本発明者が２値（オン／オフ）である側方向きスラスタだけを想定している場合、単調な非線形性は、単調な履歴またはヒステリシスで置き換えられるのが良い。かかるミキサは、平均で、必要とされる力を発生させるパルス命令を生じさせる。この場合もまた、このループは、最適制御割り当てに関してリプシッツ安定性であることが示されるのが良い。この方式は、例えば、４８基２値スラスタ形態に適用できる。
【００７２】
上述した形態の全てに関し、ＴＶＣおよび主エンジンスラスト命令は、線形であるが制限されたものとして処理された（ＴＶＣについては±５°、主エンジンについては２０％〜１００％）。
【００７３】
４．６  分析事例の説明
MATLAB/Simulinkにおいて疑似６ＤＯＦモデルを開発して上述の構成例を試験するとともに実証した。図１５に示されている単純化されたモデルは、６ＤＯＦの慣性運動方程式およびサロゲート重力および空気力学的効果として作用するためにビークル姿勢および位置命令、制御ミキサおよび単純な外乱を発生させるために使用できるＰＩＤコントローラを含む。ミキサ構成を実証するため、ビークルに命令を与えてこれがホバリングし（Ｔ＝Ｗ）、そしてｙおよびｚ方向に数フィート（例えば、５フィート（１．５２ｍ）および１０フィート（３．０５ｍ））並進し、サロゲート風効果は、１０秒後、０〜６０ノットの風から変化する。
【００７４】
このシミュレーションでは、ビークルに作用する唯一の外力は、重力および単純な空気力学的外乱（ピッチング、軸方向、および垂直力）である。この単純化されたモデルは、ビークル運動を空気力学的力に結合することはしないで、これとは異なり、純粋な外乱として空気力学的力を概算する。この空気力学的外乱は、空気力学的力を標題３．０の下で説明した非線形曲線当てはめ空気力学的モデルから導き出せる。このシミュレーションでは、ビークルは、−７フィート（−２．１３ｍ）／ｓ（典型的な着陸速度）の垂直流れ場の中にある。ビークルがこの流れ場においてホバリングする（垂直位置を維持する）試験事例は、着陸段階を代表し、他方、疑似６ＤＯＦシミュレーションの欠点（例えば、ビークル運動と結合されない空気力学的現象に起因する）を軽減することが見込まれる。説明を単純化するため、この疑似６ＤＯＦはまた、詳細なアクチュエータ力学、センサ力学、システム遅れ、スロッシング力学、「本末転倒」効果、可撓体効果およびパラメータ不確実性を欠いている。しかしながら、このモデルは、より複雑なシミュレーションと関連する制御ミキサ挙動を実証する（適当なやり方で）よう設計されている。
【００７５】
試験シミュレーションを上述の３基の側方向きスラスタ形態について、中央主エンジンだけを用い、機外側アップウィンド形主エンジンだけを用い、そして機外側ダウンウィンド形主エンジンだけを用いて実施した。ダウンウィンド形事例は、煩雑にするのを避ける目的でここには提供されていないが、アップウィンド形事例と同様である。
【００７６】
上述の制御ミキサ構成は、例えば、ＴＶＣおよび主エンジンスラストと組み合わせて１２基スラスタ（線形）および１２基スラスタ（デッドバンドを備えた線形）形態に命令を出してビークルを単純な操縦でかつ代表的な風外乱に対して制御することができる。この制御ミキサ構成はまた、機外側主エンジンの使用と関連した結合力学を受けると、その仕事を実行することができる。
【００７７】
制御ミキサはまた、多くのオン／オフスラスタに単独でまたはＴＶＣおよびエンジンスラスト命令と組み合わせて指令を出し、それにより同じ操縦を達成するよう使用されるのが良い。かかる形態は、多くのスラスタを利用するが、線形スラスタ構成と比較して利点を有することができる。特に、作動弁は、極めて簡単かつ安価であると言える。加うるに、潜在的に複雑な隔離配管設備（図１３Ｂを参照して上述した）をなくすことができ、ただし、システム（および推進剤）が単一のスラスタ（開放または閉鎖）の故障を残りのスラスタを用いて軽減することができるよう寸法決めされるのが良いことを条件とする。加うるに、小形の高い帯域幅スラスタ弁は、大形の線形スラスタ制御弁よりも厳密な制御を提供することができる。
【００７８】
別の実施形態では、高帯域幅スラスタのうちの幾つかは、ビークルｘ軸に沿ってすらすと分布をもたらすよう構成されるのが良い。その結果、かかるスラスタは、垂直方向に高い帯域幅「バーニヤ」制御を提供するよう使用されるのが良い（主エンジンスラストと組み合わせて）。これを高精度ナビゲーションおよびデッキ動作予測と組み合わせると、着陸の際に正確なデッキ動作補償が可能である。また、厳密な垂直速度制御は、最終のアプローチまたは着陸の際に非垂直飛行経路角度の実現を可能にし、それにより広範な着陸および捕捉形態の実現を容易にすることができる。
【００７９】
５．０  別の実施形態
本技術の幾つかの実施形態による航空宇宙システムは、第１の端部および第１の端部と全体として反対側の第２の端部を有する打ち上げ機を含み、打ち上げ機は、第１の端部と第２の端部との間に延びる機軸に沿って細長い。推進システムが打ち上げ機によって担持され、この推進システムは、打ち上げ機を打ち上げるよう打ち上げ機の第１の端部寄りに位置決めされた対応のノズルを備えた少なくとも１基の主エンジンを含む。少なくとも１基の側方に向けられたスラスタが打ち上げ機の第２の端部寄りに位置決めされ、本システムは、打ち上げ機と通信状態にあるコントローラを含む。コントローラには、実行されると、打ち上げ機を打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、打ち上げ機下降中、打ち上げ機を第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、少なくとも１基の側方向きスラスタの起動を方向づけて下降中、打ち上げ機を誘導する命令がプログラムされている。
【００８０】
別の特定の実施形態では、少なくとも１基の側方向きスラスタは、多数の側方向きスラスタのうちの１基である。個々の側方向きスラスタは、対応の個々のノズルを有するのが良く、対応の個々のノズルは、対応のノズル出口を有し、個々のノズルのノズル出口は、同一平面上に位置している。個々のスラスタは、４つの互いに異なる方向に方向付けられるのが良く、本システムは、同一方向に向けられた多数の（例えば、３基の）スラスタを含むのが良い。個々の側方向きスラスタは、垂直軸線に対して側方成分を有し、特定の実施形態では非側方成分を有するスラストを方向づけるよう位置決めされるのが良い。側方向きスラスタは、多数の非ゼロスラスト設定値または２値の組をなすスラスト設定値（オフとオン）相互間で制御可能であるのが良い。コントローラには、打ち上げ機を方向づけて打ち上げ機が少なくとも１基の主エンジンによって提供される力と組み合わせて少なくとも１基の側方向きスラスタによって提供される力を受けて側方に並進するようにする命令がプログラムされるのが良い。少なくとも１基の主エンジンは、中央主エンジンおよびオフセンタ主エンジンを含むのが良く、コントローラは、打ち上げ機を方向づけて打ち上げ機がオフセンタ主エンジン（例えば、オフセンタ主エンジンだけ）および少なくとも１基の側方向きスラスタによって提供される動力を受けて下降するようにするのが良い。コントローラは、少なくとも１つの側方向きスラスタに命令を出して打ち上げ機が着陸スタ後にかつ／あるいは打ち上げ機に加わる外力（例えば、風力）に応答して打ち上げ機の向きを制御するのが良い。幾つかの実施形態では、コントローラは、打ち上げ機の走行方向である着陸場所の傾斜角に対応した入力に応答して少なくとも１つの側方向きスラスタに命令を出し、それにより少なくとも部分的にその入力に応答して打ち上げ機の向きを制御することができる。少なくとも１つの側方向きスラスタは、少なくとも１つの主エンジンと組み合わさって、打ち上げ機を側方成分を含む方向に、特定の実施形態では、側方の方向に打ち上げ機を推進することができる。打ち上げ機は、単段ビークルであっても良く、多段ビークルであっても良い。
【００８１】
本技術の幾つかの実施形態による航空宇宙システムは、打ち上げ機に作動的に結合可能でありかつ実行されると、打ち上げ機を１基または２基以上の主エンジンからのスラストにより打ち上げ機上昇中に第１の方向に方向づけ、打ち上げ機下降中、打ち上げ機を第１の方向とは逆の第２の方向に方向づけ、少なくとも１基の側方向きスラスタおよび１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基の起動を方向づけて下降中、打ち上げ機を側方へ動かす命令がプログラムされたコントローラを含む。少なくとも１つの側方向きスラスタは、打ち上げ機の長手方向ビークル軸線に沿って少なくとも１つの主エンジンから間隔を置いて配置されている。１基または２基以上の主エンジンのうちの第１のエンジンは、下降中不作動状態にあるとき、命令は、１基または２基以上のエンジンのうちの第２のエンジンの作動を指示することができる。命令は、少なくとも１つの側方向きスラスタおよび１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基の作動を打ち上げ機に加わる様々な風荷重に応答して指示することができる。
【００８２】
航空宇宙システムを作動させる代表的な方法は、システムの打ち上げ機の第１の端部寄りに位置決めされた１基または２基以上の主エンジンからのスラストを用いて打ち上げ機を打ち上げるステップと、打ち上げ機を方向づけて下降させるステップと、（ａ）１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも１基、および（ｂ）少なくとも１基の側方に向けられたスラスタにより打ち上げ機の下降を制御するステップとを含む。少なくとも１基の側方向きスラスタは、少なくとも１基の主エンジンから打ち上げ機の長手方向機軸に沿って間隔を置いて配置される。本方法は、打ち上げ機を方向づけて少なくとも１基の主エンジンの対応のノズルが下方に向いた状態で打ち上げ機が着陸するようにするステップを更に含むのが良い。別の特定の実施形態では、打ち上げ機を打ち上げるステップは、１基または２基以上の主エンジンのうちの少なくとも第１の主エンジンを用いて実施され、打ち上げ機の下降を制御するステップは、１基または２基以上の主エンジンのうちの第１のエンジンではなく第２のエンジン（例えば、第２のエンジンだけ）を用いて実施される。打ち上げ機の下降を制御するステップは、打ち上げ機を側方に動かす一方で打ち上げ機の姿勢が、全体として同一のままであり、例えば初期姿勢または標的姿勢の±２°の範囲内にあるようにするステップを含むのが良い。
【００８３】
上述のことから、本技術の特定の実施形態を例示目的で本明細書において説明したが、本技術の範囲から逸脱することなく種々の改造を行うことができるということは明らかであろう。例えば、代表的な打ち上げ機は、具体的に図示するとともに本明細書において説明した形態とは異なる形態を有することができる。主エンジンは、具体的に上述した形態および／またはスラストベクトル化能力を有することができる。側方向きスラスタは、用途に応じて、異なる形態、スラスト能力、および／または他の特性（例えば、固定された位置および回動形態）を有することができる。本明細書において説明したシミュレーションは、他の実施形態において他の仮定および方法論に従って実施できる。特定の実施形態との関連で説明した技術のある特定の観点を他の実施形態で組み合わせることができる。さらに、本技術のある特定の実施形態と関連した利点をこれら実施形態との関連で説明したが、他の実施形態もまた、かかる利点を示すことができ、全ての実施形態が必ずしも本技術の範囲に含まれるかかる利点を示す必要はない。したがって、本開示内容および関連技術は、明示的に図示されておらずまたは本明細書において説明されていない他の実施形態を含むことができる。
【００８４】
参照により引用した任意の技術文献が本開示内容とコンフリクトする程度まで、本開示内容は、その保護範囲を定める。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
2019520255.tif 000040