(57)【要約】【課題】無重力状態、加速方向が変化する状態、及び推薬残量が少ない状態において、推薬量を正確に測定することができる推薬タンクの液面形状計測装置と方法を提供する。【解決手段】推薬タンク１の外面１ａに固定された探触子複合体１０と、探触子複合体１０による超音波５の発信から超音波５の反射波５ｂの受信までの時間差により推薬液面の形状を算出する演算装置２０と、を備える。探触子複合体１０は、超音波５を発信する送信探触子１２と、複数の受信探触子１４とを有する。複数の受信探触子１４は、送信探触子１２を囲み、かつ互いに間隔を隔てて固定され、反射波５ｂを受信する。【選択図】図２
2018204971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体推薬を内部に保有する推薬タンクの液面形状計測装置であって、
前記推薬タンクの外面に固定された探触子複合体と、前記探触子複合体による超音波の発信から前記超音波の反射波の受信までの時間差により推薬液面の形状を算出する演算装置と、を備え、
前記探触子複合体は、前記超音波を発信する送信探触子と、
前記送信探触子を囲み、かつ互いに間隔を隔てて固定され、前記反射波を受信する複数の受信探触子と、を有する、推薬タンクの液面形状計測装置。
【請求項２】
前記推薬タンクの前記外面と前記受信探触子との間に、前記超音波の進行経路に対応したくさび部材を有する、請求項１に記載の推薬タンクの液面形状計測装置。
【請求項３】
前記送信探触子は、発信する前記超音波の音軸に対し有効指向角を有しており、
前記受信探触子は、前記推薬液面が前記送信探触子に所定の推薬厚さで近接するときに、前記反射波を受信可能な位置に位置する、請求項１に記載の推薬タンクの液面形状計測装置。
【請求項４】
前記推薬タンクの前記外面に密着する内面と、前記送信探触子及び前記くさび部材を位置決めする複数の開口部とを有する探触子ホルダを備える、請求項２に記載の推薬タンクの液面形状計測装置。
【請求項５】
請求項１に記載の液面形状計測装置を用いた推薬タンクの液面形状計測方法であって、
（Ａ）前記推薬タンクの外面に複数の前記探触子複合体を互いに間隔を隔てて固定し、
（Ｂ）各探触子複合体の複数の前記受信探触子で受信した複数の前記反射波を用いて、推薬液面上の複数の液面位置を検出し、
（Ｃ）複数の前記液面位置を含む推薬液面の形状を算出する、推薬タンクの液面形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙飛行体の推薬タンクに係り、さらに詳しくは、推薬タンクの液面形状計測装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体推薬を用いる宇宙飛行体（例えば、液体ロケットや人工衛星）は、液体推薬を内部に保有する推薬タンクを有し、液体推薬を用いて飛行又は姿勢制御を行う。
この場合、液体推薬は、例えば、液体燃料、液体酸化剤、液体燃料と液体酸化剤の化合物又は混合物である。
【０００３】
宇宙飛行体が無重力空間を飛行する場合、推薬タンク内の液体推薬は、重力下とは異なる挙動を示す。そのため、推薬タンク内の推薬量を検出する手段が必要となる。
推薬タンク内の推薬量検出手段は、例えば、特許文献１，２に開示されている。
【０００４】
特許文献１の「宇宙飛行体の燃料タンク内の燃料量測定方法」は、人工衛星の加速行程の際に燃料タンク内の燃料量を測定する測定方法である。この方法は、加速方向に関して燃料タンクの底部を構成する第１領域につながれた第１端部と、第１領域から間隔を置いた第２領域につながれた第２端部とを有するチューブ内の燃料レベルを検出する。
【０００５】
しかし特許文献１の方法は、加速行程以外の飛行状態や、加速方向が変化する場合には、燃料量の測定ができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２１６７４号公報
【特許文献２】特開昭６１−１２２５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１は、特許文献２の方法の説明図である。
特許文献２の「宇宙飛行体の推進薬残量測定法」は、宇宙飛行体に搭載された推薬タンク１の表面に超音波探触子２を取り付け、超音波探触子２により推薬タンク内の推薬厚さｈを測定し、この推薬厚さｈから推薬量を測定する。
図１において、３は液体推薬、４は内部ガス、３ａは推薬液面である。
【０００８】
特許文献２の方法は、超音波５（発信波５ａ）を発信する超音波探触子２が、推薬液面３ａで反射された超音波５（反射波５ｂ）を受信し、その時間差Ｔと推薬内の音速Ｃから推薬厚さｈを算出する。
しかし、この方法には、以下の課題があった。
【０００９】
（１）液体推薬内の超音波５は、推薬液面３ａでほぼ全反射する。しかし、無重力状態、又は加速方向が変化する状態では、液面形状は、種々の形状に変動する。
そのため、図１の点ａ〜ｄのように、発信波５ａに対する液面形状が適正範囲にないと超音波探触子２に向けて反射される反射波５ｂの強度が弱く、検出できないことがある。
【００１０】
（２）宇宙飛行体は、最終ミッション（例えば、軌道から離脱して地球に帰還する場合など）のため、液体推薬の残量（推薬残量）を正確に把握することが重要である。
しかし、特許文献２の方法の場合、図１の点ｅ〜ｇのように、推薬厚さｈが小さくなると、発信波５ａの発信と反射波５ｂの受信の時間差Ｔが極端に短くなり、ノイズにより時間差Ｔの計測が困難となり、推薬残量の正確な測定ができなくなる。
【００１１】
そのため、従来の方法では、無重力状態、加速方向が変化する状態、及び推薬残量が少ない状態において、推薬量の測定が困難又は不可能であった。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、無重力状態、加速方向が変化する状態、及び推薬残量が少ない状態において、推薬量を正確に測定することができる推薬タンクの液面形状計測装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、液体推薬を内部に保有する推薬タンクの液面形状計測装置であって、
前記推薬タンクの外面に固定された探触子複合体と、前記探触子複合体による超音波の発信から前記超音波の反射波の受信までの時間差により推薬液面の形状を算出する演算装置と、を備え、
前記探触子複合体は、前記超音波を発信する送信探触子と、
前記送信探触子を囲み、かつ互いに間隔を隔てて固定され、前記反射波を受信する複数の受信探触子と、を有する、推薬タンクの液面形状計測装置が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、上記液面形状計測装置を用いた推薬タンクの液面形状計測方法であって、
（Ａ）前記推薬タンクの外面に複数の前記探触子複合体を互いに間隔を隔てて固定し、
（Ｂ）各探触子複合体の複数の前記受信探触子で受信した複数の前記反射波を用いて、推薬液面上の複数の位置を検出し、
（Ｃ）複数の前記位置を含む推薬液面の形状を算出する、推薬タンクの液面形状計測方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の受信探触子が、送信探触子を囲み、かつ互いに間隔を隔てて推薬タンクの外面に固定され、反射波を受信する。
この構成により、受信探触子は送信探触子から離れて位置しており、推薬厚さが小さい場合でも、超音波の発信と反射波の受信の時間差が大きくなり、ノイズの影響を低減して時間差の計測が容易となる。
【００１６】
また、複数の受信探触子が複数の反射波を受信するので、推薬液面における各反射波の反射位置が相違する。この構成により、液面形状が種々の形状に変動する場合でも、複数の受信探触子によりいずれかの反射波を検出することができる。
【００１７】
従って、本発明によれば、無重力状態、加速方向が変化する状態、及び推薬残量が少ない状態において、推薬量を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】特許文献２の方法の説明図である。
【図２】本発明による液面形状計測装置の全体構成図である。
【図３】図２の部分拡大図とそのＢ−Ｂ断面図である。
【図４】探触子複合体の作用説明図である。
【図５】本発明による推薬タンクの液面形状計測方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図２は、本発明による液面形状計測装置１００の全体構成図である。
この図において、液面形状計測装置１００は、探触子複合体１０と演算装置２０とを備える。
【００２１】
探触子複合体１０は、液体推薬３を内部に保有する推薬タンク１の外面１ａに固定される。この図において、推薬タンク１は球形であり、その外面１ａに６つの探触子複合体１０が互いに均等に間隔を隔てて固定されている。
なお、推薬タンク１は球形に限定されず、その他の形状であってもよい。また、探触子複合体１０は、６つに限定されず、１〜５、又は７以上であってもよい。
【００２２】
演算装置２０は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、探触子複合体１０から、超音波５の発信波５ａとその反射波５ｂを受信し、探触子複合体１０による超音波の発信から超音波５の反射波５ｂの受信までの時間差Ｔにより推薬液面３ａの形状を算出する。
【００２３】
図３は、図２の部分拡大図とそのＢ−Ｂ断面図である。
この図において、探触子複合体１０は、超音波５（発信波５ａ）を発信する送信探触子１２と、複数（この例で１６個）の受信探触子１４と、を有する。
【００２４】
送信探触子１２は、好ましくは圧電素子であり、電気パルスにより超音波５（発信波５ａ）を送信する。送信探触子１２は、この例では垂直探触子である。
【００２５】
複数の受信探触子１４は、送信探触子１２を囲み、かつ互いに間隔を隔てて固定され、反射波５ｂを受信する。
受信探触子１４は、好ましくは圧電素子であり、超音波５（反射波５ｂ）を電気信号に変換して受信する。受信探触子１４は、この例では垂直探触子である。
【００２６】
この例で、内側の８つの受信探触子１４（以下、「内側受信探触子１４Ａ」）が、送信探触子１２の中心から同一の円周上に周方向に４５度ずつ隔てて配置されている。また、外側の８つの受信探触子１４（以下、「外側受信探触子１４Ｂ」）も、送信探触子１２の中心から内側受信探触子１４Ａの外側の同一の円周上に周方向に４５度ずつ隔てて配置されている。
なお、受信探触子１４は、１６個に限定されず、複数であればよい。また、複数の受信探触子１４の配置は、この例に限定されず、送信探触子１２を囲み、かつ互いに間隔を隔てていればよい。
【００２７】
図３において、探触子複合体１０は、さらに複数のくさび部材１６を有する。
複数のくさび部材１６は、推薬タンク１の外面１ａと受信探触子１４との間に挟持されており、超音波５の進行経路に対応した形状を有する。
【００２８】
図４は、探触子複合体１０の作用説明図である。
この図において、ｈｍは計画推薬厚さである。
計画推薬厚さｈｍは、推薬液面３ａが送信探触子１２に近接するときの推薬厚さである。計画推薬厚さｈｍは、宇宙飛行体の最終ミッション（例えば、軌道から離脱して地球に帰還する場合など）のため、推薬残量を正確に把握できるように設定する。
【００２９】
すなわち、計画推薬厚さｈｍは、軌道離脱するための推薬残量を精度良く計測するための「推薬厚さの検出可能な最小値」を意味する。なお、推薬厚さが計画推薬厚さｈｍより小さい場合でも、検出できることが好ましい。しかし、この場合、計測精度の低下や、計測できないことがあり得る。
【００３０】
図４において、θ１とθ３は、計画推薬厚さｈｍのときのくさび部材１６への反射波５ｂの入射角度である。入射角度θ１は、内側受信探触子１４Ａのくさび部材１６への反射波５ｂと外面１ａの垂線とのなす角度である。同様に、入射角度θ３は、外側受信探触子１４Ｂのくさび部材１６への反射波５ｂと外面１ａの垂線とのなす角度である。
【００３１】
図４において、θ２とθ４は、内側受信探触子１４Ａと外側受信探触子１４Ｂの軸線と外面１ａの垂線とのなす角度である。
【００３２】
くさび部材１６は、推薬タンク１の外面１ａと受信探触子１４との間に挟持され、くさび部材１６の内面に入射した反射波５ｂを受信探触子１４に伝達する機能を有する。
また、くさび部材１６は、上述した反射波５ｂの入射角度θ１，θ３を受信探触子１４に適した屈折角度（例えばθ２，θ４）に変換する機能を有する。
入射角度と屈折角度の関係は、推薬タンク１とくさび部材１６の音速に基づくスネルの法則により定めることができる。
【００３３】
送信探触子１２は、発信する超音波５（発信波５ａ）の音軸に対し有効指向角φを有している。
本発明において、有効指向角φは大きく設定することが好ましく、例えば３０〜６０度である。
受信探触子１４（内側受信探触子１４Ａと外側受信探触子１４Ｂ）は、推薬液面３ａが送信探触子１２に所定の推薬厚さ（計画推薬厚さｈｍ）で近接するとき、反射波５ｂを受信可能な位置に位置する。
【００３４】
すなわち、この例において、計画推薬厚さｈｍのときに、有効指向角φの超音波５の反射波５ｂを受信可能な位置に外側受信探触子１４Ｂを配置する。
なお、有効指向角φは通常固定であるが、予測できない液面形状の変化に対応して、どの角度に反射波が戻るのが分からなくても、いずれかの外側受信探触子１４Ｂで任意の点を計測できるように設定するのがよい。
【００３５】
図３において、探触子複合体１０は、さらに探触子ホルダ１８を有する。
探触子ホルダ１８は、推薬タンク１の外面１ａに密着する内面１８ａと、送信探触子１２、受信探触子１４、及びくさび部材１６を上述した位置に固定するための複数の開口部１８ｂとを有する。
各開口部１８ｂは、内面１８ａまで貫通した穴であり、送信探触子１２及びくさび部材１６を推薬タンク１の外面１ａに密着した状態で位置決めするようになっている。
探触子ホルダ１８を用いることにより、送信探触子１２、受信探触子１４、及びくさび部材１６の相対的な位置決めを容易に行うことができる。
【００３６】
上述した探触子複合体１０の構成により、受信探触子１４は送信探触子１２から推薬タンク１の外面１ａに沿って離れて位置する。従って、推薬厚さｈが小さい場合でも、超音波５の発信と反射波５ｂの受信の時間差Ｔが大きくなり、ノイズの影響を低減して時間差Ｔの計測が容易となる。
【００３７】
図５は、本発明による推薬タンク１の液面形状計測方法の説明図である。
上述した液面形状計測装置１００を用い、本発明による推薬タンク１の液面形状計測方法は、Ｓ１〜Ｓ３の各ステップ（工程）からなる。
ステップＳ１において、推薬タンク１の外面１ａに複数の探触子複合体１０を互いに間隔を隔てて固定する。
ステップＳ２において、各探触子複合体１０の複数の受信探触子１４で受信した複数の反射波５ｂを用いて、推薬液面上の複数の液面位置Ｐを検出する。
ステップＳ３において、推薬液面上の複数の液面位置Ｐを含む推薬液面３ａの形状を算出する。
【００３８】
本発明の液面形状計測方法によれば、複数の受信探触子１４が複数の反射波５ｂを受信するので、推薬液面３ａにおける各反射波５ｂの反射位置が相違する。従って、液面形状が種々の形状に変動する場合でも、ステップＳ２において、複数の受信探触子１４によりいずれかの反射波５ｂを検出することができる。
また、ステップＳ３において、推薬液面３ａの形状を算出するので、得られた推薬液面３ａの形状から推薬量を正確に算出することができる。
【００３９】
例えば、推薬タンク内で推薬液面３ａが、タンク内表面に触れずに球体で浮いている場合、３点以上の液面位置から球体の大きさを計算して推薬量を正確に算出することができる。
また、推薬が内表面に触れて任意の点の集合として液面形状が分かれば、推薬タンクの形状は既知なので、液面形状から推薬厚さを計測し、積分して推薬量を算出することができる。
【００４０】
従って、本発明によれば、無重力状態、加速方向が変化する状態、及び推薬残量が少ない状態において、推薬量を正確に測定することができる。
【００４１】
なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｃ  音速、ｈ  推薬厚さ、ｈｍ  計画推薬厚さ、Ｐ  液面位置、Ｔ  時間差、
φ  有効指向角、１  推薬タンク、１ａ  外面、２  超音波探触子、
３  液体推薬、３ａ  推薬液面、４  内部ガス、５  超音波、
５ａ  発信波、５ｂ  反射波、１０  探触子複合体、１２  送信探触子、
１４  受信探触子、１６  くさび部材、１８  探触子ホルダ、
１８ａ  内面、１８ｂ  開口部、２０  演算装置、１００  液面形状計測装置
【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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