(57)【要約】  宇宙船の姿勢を修正するためのアクチュエータ装置は、電気エネルギーをフライホイール（１）の機械的回転エネルギーに変換する可逆変換チェーンを備える。上記電気エネルギーは、スーパーコンデンサであってもよい容量性素子（４）に蓄積される。上記アクチュエータは、また、一方では上記容量性素子に接続され、他方では宇宙船電力バスに接続されるための電力変換機（５）を備えている。上記変換器によって、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーを一定に維持するように損失を補償することができる。
2011511733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する可逆変換チェーンを備え、宇宙船（１００）の姿勢を修正するのに適したアクチュエータ装置において、
少なくとも回転軸を中心に回転するように構成されるフライホイール（１）と、
上記フライホイールと連結され、該フライホイールによる上記回転軸を中心とする回転が伝導されることによって動作する可逆動作モータ−発電機（２）と、
上記モータ−発電機に電気的に接続される制御エレクトロニクス（３）と、
上記制御エレクトロニクスに電気的に接続される容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）と、
一方が上記容量性アセンブリに接続され、他方が上記宇宙船の電力バスに接続され、上記電力バスから上記容量性アセンブリに電力供給を行う電力変換器（５）とを有し、
上記制御エレクトロニクス（３）は、上記回転軸に沿って生成されかつ上記制御エレクトロニクスに送信されるトルクを示す少なくとも１つの設定値を用いて、モータ−発電機におけるモータモードでの動作又は発電機モードでの動作を選択するのに適しており、さらに、上記モータモードにするために上記容量性アセンブリ（４）から上記モータ−発電機（２）への電気エネルギーの伝達、又は上記発電機モードにするために上記モータ−発電機（２）から上記容量性アセンブリ（４）への電気エネルギーの伝達を調節するのに適しており、これにより上記回転軸を中心とするフライホイール（１）の加速又は減速がそれぞれ行われ、さらに、上記設定値に対応する上記宇宙船（１００）におけるリアクショントルクを生成するのに適していることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）は、少なくともスーパーコンデンサを備えている、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
生成されるトルクを示す上記設定値は、上記モータ−発電機（２）を流れる電流の値、上記モータ−発電機（２）によって生成されるトルク、又は上記フライホイール（１）の運動量の変化に対応する、請求項１又は２記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
上記設定値は、上記モータ−発電機（２）を流れる電流の値に対応し、上記アクチュエータ装置は、上記モータ−発電機を流れる上記電流を感知する少なくとも１つの測定センサを備え、上記制御エレクトロニクス（３）は、上記モータ−発電機（２）と上記容量性アセンブリ（４）との間で伝達される電気エネルギーを、上記設定値と上記モータ−発電機を流れる上記電流との間における偏差の作用として調節するのに適している、請求項３に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
上記容量性アセンブリ（４）は、５０００Ｊよりも大きい電機エネルギー蓄積容量を有している、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
上記容量性アセンブリ（４）は、１０００Ｗよりも大きい充電又は放電電力を有している、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
上記フライホイールが不動となりかつ上記容量性アセンブリ（４）が最大電気エネルギーを含む初期状態から上記フライホイール（１）が最大速度まで加速した後の、上記容量性アセンブリ（４）は、上記モータ−発電機（２）の逆起電力よりも大きい、上記容量性アセンブリにおける２つの出力ターミナルの間における残留電圧を有するのに適している、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
上記容量性アセンブリ（４）は、上記容量性アセンブリにおける２つの出力ターミナルの間における残留電圧を有するのに適しており、上記残留電圧は、上記フライホイール（１）が不動となりかつ上記容量性アセンブリ（４）が最大電気エネルギーを含む初期状態に対して２よりも少ない係数の分だけ低減され、上記フライホイールが上記初期状態から最大速度まで加速された後の電圧である、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項９】
上記モータ−発電機（２）は、ブラシレス多相同期型である、請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１０】
３Ｎ・ｍよりも大きいトルクを生成するのに適している、請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１】
上記モータ−発電機（２）は、５００Ｗよりも大きいピーク電力を有する、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２】
上記制御エレクトロニクス（３）は、上記モータ−発電機（２）における少なくとも１つの入力において周期スイッチング比を修正することによって、上記容量性アセンブリ（４）と上記モータ−発電機（２）との間における電気エネルギーの伝達を調節するのに適している、請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３】
上記制御エレクトロニクス（３）は、上記容量性素子（４）と上記モータ−発電機（２）との間における電気エネルギーの伝達が行われている間、上記制御エレクトロニクス（３）は、９５％よりも大きいエネルギー効率を有する、請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１４】
上記電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギー値を示し、かつ上記電力変換器に入力される少なくとも１つの設定値に基づいて、上記宇宙船電力バスから上記容量性アセンブリ（４）への電気エネルギーの追加的伝達を制御するのに適しており、上記合計エネルギーは、上記フライホイール（１）の運動回転エネルギーと上記容量性アセンブリ（４）に蓄積される電気エネルギーとの合計に等しい、請求項１〜１３のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１５】
上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す上記設定値は、対応する回転軸を中心とする上記フライホイール（１）の回転速度が同時に速度閾値よりも低いときには、上記容量性素子（４）に蓄積される電気エネルギーを示す値にのみ依存する、請求項１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１６】
上記容量性アセンブリ（４）のターミナルにおける電圧を測定するように構成され、かつ上記電圧の第１測定信号を、上記電力変換器（５）に送信するために接続される第１センサをさらに備え、上記電力変換器は、上記第１測定信号が電圧閾値よりも低いときには、上記第１測定信号に基づいて上記追加電気エネルギーを調節するのに適している、請求項１４又は１５に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１７】
上記フライホイールの回転軸を中心とする上記フライホイール（１）の回転速度を測定するように構成され、かつ上記回転速度の第２測定信号を上記電力変換器（５）に送信するために接続される少なくとも１つの第２センサをさらに備え、上記フライホイールの上記回転速度の上記第２測定信号が絶対値において上記速度閾値よりも低い場合には、上記電力変換器は、追加電気エネルギー伝達のみを制御するのに適している、請求項１５又は１６に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１８】
上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す上記設定値は、上記合計エネルギーの値に直接対応する、請求項１４に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１９】
上記容量性アセンブリ（４）のターミナルにおける電圧を測定するように構成され、かつ上記電圧の第１測定信号を上記電力変換器（５）に送信するために接続される第１センサをさらに備え、
上記フライホイールにおける少なくとも１つの回転軸を中心とする上記フライホイール（１）の回転速度を測定するように構成され、上記回転速度の第２測定信号を上記電力変換器（５）に送信するために接続される少なくとも１つの第２センサをさらに備え、
上記電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーを示す上記設定値と、上記第１及び第２測定信号に基づいて算出される対応値との間における偏差に基づいて、上記追加電気エネルギー伝達を調節するのに適している、請求項１８に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２０】
上記電力変換器（５）は、さらに、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーを示す少なくとも１つの値が上記値についての閾値よりも低い場合には、上記追加電気エネルギー伝達を制御するのに適している、請求項１４〜１９のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２１】
上記電力変換器（５）はローパスフィルタを備え、該ローパスフィルタは、上記追加電気エネルギー伝達が上記フィルタによってフィルタリングされる伝達コマンドに基づいて実行されるように構成されている、請求項１４〜２０のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２２】
上記電力変換器（５）は、上記宇宙船電力バスから上記容量性アセンブリ（４）への追加電気エネルギー伝達における日付け入り時間系列に対応する他の設定値を受信するのに適している、請求項１４〜２１のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２３】
上記追加電気エネルギー伝達が、上記容量性アセンブリ（４）と上記モータ−発電機（２）との間における電気エネルギー伝達に関連するいかなる時定数よりも大きい時定数に基づいて制御され、上記制御エレクトロニクス（３）によって調節されるのに適している、請求項１４〜２２のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２４】
上記第１センサは、上記容量性アセンブリ（４）における２つの出力ターミナルに接続される電圧計を備えている、請求項１６又は１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２５】
上記第２センサは、上記フライホイール（１）に連結される速度計を備えている、請求項１７又は１９に記載のアクチュエータ装置。
【請求項２６】
上記アクチュエータ装置のうちの少なくとも２つは、１つの同じ共通容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）と、上記共通容量性アセンブリに接続される１つの同じ共通電力変換器（５）とを共有することを特徴とする、請求項１〜２５のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置を複数備えるアクチュエータシステム。
【請求項２７】
上記システムにおける各アクチュエータ装置は、上記制御エレクトロニクス（３）が、対応する容量性アセンブリ（４）とモータ−発電機（２）との間における電気エネルギーの伝達を制御するのに適しており、各アクチュエータ装置の上記フライホイール（１）が、上記制御エレクトロニクスに入力される設定値に基づいて、上記フライホイールにおける少なくとも１つの回転軸と平行なトルク成分を生成する、請求項２６に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２８】
上記共通電力変換器（５）は、上記少なくとも２つのアクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す少なくとも１つの設定値に基づいて、上記宇宙船（１００）の上記電力バスから上記共通容量性アセンブリ（４）への電気エネルギーの追加伝達を制御するのに適している、請求項２６又は２７に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２９】
上記共通電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置にそれぞれ含まれる合計エネルギーの値を示す設定値に基づいて、個別に用いられる上記アクチュエータ装置についてそれぞれ制御される電気エネルギーの追加伝達の合計に上記伝達が等しくなるように、電気エネルギーの追加伝達を制御するのに適していると共に、各アクチュエータ装置における合計エネルギーはそれぞれ、上記フライホイール（１）の運動回転エネルギーと上記アクチュエータ装置の容量性アセンブリ（４）に蓄積される電気エネルギーとの合計と等しい、請求項２６〜２８のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータシステム。
【請求項３０】
請求項１〜２５のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置を少なくとも１つ備えている、宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３１】
少なくとも３つの独立したアクチュエータ装置を備え、上記アクチュエータ装置のそれぞれは請求項１〜２５のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置である、請求項３０に記載の宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３２】
少なくとも２つのアクチュエータ装置を有する、請求項２６〜２９のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータシステムを備えている、宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３３】
アクチュエータ装置のフライホイール（１）における少なくとも１つの回転軸を中心に生成されるトルクについての設定値を算出する宇宙船姿勢制御システムであって、上記算出は、一方では上記回転軸を中心とする宇宙船（１００）の姿勢及び／又は回転速度の運動パラメータと、他方では上記運動パラメータに対応する設定値との間における偏差とに基づく、請求項３０〜３２のうちのいずれか１項に記載の宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３４】
少なくとも１つのアクチュエータ装置によって生成されるトルクについての設定値を算出する宇宙船姿勢制御システムであって、これによって上記装置のフライホイール（１）における少なくとも１つの回転軸を中心に上記宇宙船を回転させ、上記回転軸を中心とする上記フライホイールの回転速度ωにおける絶対値｜ω｜が最大値ωｍａｘになった直後には、上記トルク設定値の絶対値はＰｍａｘ／｜ω｜以下であり、上記Ｐｍａｘは定数である、請求項３０〜３３のうちのいずれか１項に記載の宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３５】
生成されるトルクについての設定値を算出する宇宙船姿勢制御システムであって、上記トルク設定値の絶対値は、Ｐｍａｘ／｜ω｜及び一定値Ｃｍａｘから選択される小さいほうの値以下である、請求項３４に記載の宇宙船姿勢制御システム。
【請求項３６】
宇宙船の所定の回転軸を中心に回転するための宇宙船に搭載される、請求項３０〜３５のうちのいずれか１項に記載の宇宙船姿勢制御システムの使用であって、
上記姿勢制御装置における少なくとも１つのアクチュエータ装置における合計エネルギーは、
Ｊｃｒａｆｔ（Δ）を上記宇宙船の所定の回転軸を中心とする宇宙船の慣性モーメントとし、Ωｍａｘを上記宇宙船の所定の回転軸を中心とする最大回転速度とし、Ｊｆｌｙｗｈｅｅｌを上記フライホイールの回転軸を中心とする上記アクチュエータ装置の慣性モーメントとし、γ（Δ）を、方向Δに沿ったアクチュエータ装置によって生成し得る最大運動量と少なくとも１つの回転軸に沿ったアクチュエータ装置のフライホイールによって生成され得る最大運動量との間における増幅係数とすると、
【数１】
2011511733.tif 000006
以上の値に調節される、姿勢制御システムの使用。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、人工衛星などの宇宙船の姿勢を修正するために好適なアクチュエータ装置に関する。
【０００２】
〔発明の内容〕
宇宙の地球観測ミッションには、多大な制約が含まれる。特に、露光量及び画像解像度を最大限にする試みがなされてきた。この目的のためには、撮像機器の視線を迅速に傾けることができるということが大きな利点になる。言い換えると、人工衛星の姿勢を変更するためには、人工衛星を容易かつ迅速に回転し得る必要がある。これによって特に、人工衛星の軌跡における外側の視野を増加させることができ、立体撮影の露光能力を向上させることができる。
【０００３】
しかしながら、長い間、人工衛星姿勢の迅速な修正に対するこのような必要性は、この種のミッションに用いられるアクチュエータ装置の性能、すなわち、リアクションホイールの性能によって限定されてきた。この観点から、ジャイロアクチュエータを使用することが重要なステップとして看做されていた。これは人工衛星の姿勢修正能力を向上させることが可能であるからであるが、反面、人工衛星プラットホームにおける容積の増加及びエネルギー消費を制限するものであった。
【０００４】
ところで、ジャイロアクチュエータにはいくつかの不具合も含んでいる。それは、この種のアクチュエータによって生成される出力トルクは回転ジャイロトルクであるという事実によるものである。この特性は特に、固定軸を中心とする人工衛星の回転を複雑にし、人工衛星の姿勢制御アルゴリズムをも複雑にする。
【０００５】
周知のように、リアクションホイール装置はモータを備え、その固定子が人工衛星プラットホームに固定され、ロータはフライホイールへ順に接続される。このホイールによって、ロータの慣性を向上することができる。そして、モータによってロータ上にトルクが生成されるとき、人工衛星プラットホームにおいてリアクショントルクが反対向きに生成される。このように生成され得る最高トルクは、現在利用可能なリアクションホイールについて１Ｎ・ｍ（ニュートン×メートル）よりも低い。これは特に、１メートルトンよりも少ない重量の小型人工衛星に搭載可能である全てのリアクションホイールに適用可能である。しかしながら、人工衛星の容積が数百キログラムの場合、高姿勢修正人工衛星に対して、５〜１０Ｎ・ｍのオーダーのトルクが目標とされ、人工衛星の容積が１メートルトンよりも大きい場合は数十Ｎ・ｍのトルクが目標とされる。
【０００６】
リアクションホイールによって生成され得るトルク制限は、ロータを加速又は減速させるために必要な非常に高い電力によるものである。この電力は、取り上げられる用途によっては、数キロワット（ｋＷ）に達し得る。このように、生成し得る最大トルクは、人工衛星の電力供給システムが供給し得る最大電力によって固定される。さらに、リアクションホイール装置の通常の設計において、ロータのブレーキングの間、エネルギーがモータ制御電子部品に分散される。このエネルギー損失は、人工衛星の姿勢を修正するための能力に重大な制限を与えるものである。
【０００７】
これら制限のうちのいくつかについて、ＵＳ  ２００７／００２３５８０の開示によって取り組みがなされている。この文献は、宇宙船の姿勢を制御するために用いられる少なくとも２つのリアクションホイールの間における運動量伝達システムを記載している。このシステムでは、各ホイールは、モータ−発電機によって駆動されるフライホイールを備え、モータ−発電機は可逆電力供給に接続される。モータ−発電機によって、２つのホイールの間における運動エネルギーを伝達することが可能となり、又は電気的エネルギーを生成することが可能となる。トルクが必要とされる場合、例えば第１ホイールが加速され、第２ホイールにブレーキがかけられることが必要となり、第１ホイールのモータ−発電機がモータとして作動し、かつ第２ホイールのモータ−発電機が発電機として作動するように、二つの電力調節対が作動する。第２ホイールのモータ−発電機によって生成される電気エネルギーは、第１ホイールのモータ−発電機に伝達される。このシステムでは、生成された過剰な電気エネルギーは、補助レジスタにおいて消費され、調整器によって供給され得る電気エネルギーの量は、宇宙船の電力供給ライン（又は“電力バス”）によって供給される。
【０００８】
しかしながら、ＵＳ  ２００７／００２３５８０に記載されるようなシステムは、いくつかの他の制限を含んでいる。まず、１つのホイールから他のホイールへの運動エネルギーの伝達では、中間制御電子システムを用いる。この結果、２つの制御電子システムからの効率損失が蓄積され、運動エネルギーの電子エネルギーへの変換と電子エネルギーの運動エネルギーへの変換とが同時に行われること、又はその逆の変換が同時に行われることに関連する効率損失が蓄積される。
【０００９】
他の不具合は、動作中に、連結される２つのホイールによって生成され得る過剰なエネルギーが、レジスタにて分散されることによって失われるということである。さらに、宇宙船が最大トルクで回転される場合によくあることであるが、全てのホイールを同時に加速させる必要がある場合には、ホイール間のエネルギー伝達は不可能であり、かつ高電力が宇宙船電力バスによって供給される必要がある。宇宙船電力バスによって供給されるこの電力と、後にシステムによって生成され得るトルクとは、順に、従来の宇宙船電力供給システムの通過帯域によって制限される。このような高出力の一時的状態は、宇宙船に搭載される他の有用な装備の運用に支障をきたすおそれがあり、また、搭載されたバッテリーの寿命を低下させるおそれもある。
【００１０】
このような制限を回避するために、２つの軸に沿って宇宙船の姿勢を制御するように、３つのホイールではなく少なくとも４つのホイールの束を用いることができ、実行する動作を考慮して設計されるエネルギー蓄積を確保するように、この代理機能性を用いることができる。エネルギー蓄積は、全てのホイールの高速度から得られ、これは４つのホイールにおける運動量の合計がゼロになるように構成される。運動量のゼロ加算は、ホイールの運動代理機能性によって可能となる。１つのホイールにおける運動量の一部は、他のホイールへ伝達され、宇宙船電力バスからの過剰電力を用いずに全方向の所望のトルクを生成する。
【００１１】
この場合の第１の不具合は、必要なホイールの最小数に対して、余分なリアクションホイールが常にシステムにおいて必要とされるということである。
【００１２】
上記方法の第２の不具合は、ホイールのうちのいくつかは、比較的高回転速度にて連続して作動されるという事実にある。不可欠なフライホイールバランス効果のため、その寿命が低下するように見受けられる。しかしながら、これらの変更は、搭載される光学機器の視線の安定性にとって不都合である。
【００１３】
最後に、全てのリアクションホイールについての電力調節システムは、中央エレクトロニクスを追加することを意味している。これは機能停止の付加的な原因となる。このため、これを二重化する必要があるが、これによってシステムの複雑さがさらに増加する。
【００１４】
さらに、機械的エネルギーを電気的エネルギーに可逆的に変換するために、スーパーコンデンサなどの電気エネルギー蓄積素子を用いることも知られている。このような電気エネルギー蓄積素子は、バッテリーに比べ、充電又は放電反応時間が短く、寿命も長いという利点を有している。
【００１５】
例えば、文献ＦＲ９９  １３６３１は、非常に高速で回転し、各々がモータ−発電機に接続される２つの整合／対向回転フライホイールを備える運動エネルギー蓄積装置を記載している。モータ−発電機は、モータモードで作動して運動エネルギーとして装置が受けるエネルギーを蓄積するために反対向きにフライホイールを加速させ、発電機モードとして作動しフライホイールを減速させることによって電気エネルギーを回復させる。この文献は、高い一時的出力要求について必要な電力を供給するためにスーパーコンデンサを用いることを開示している。これによって出力要求変更の速度を落とすためにフライホイールの使用を制限することができる。この装置の目的は、高い一時的電力要求に左右されがちで、かつ人工衛星姿勢制御によって補償するには高すぎる寄生トルクを発生させる傾向にあるフライホイールの著しい加速又は減速を防止することである。この結果、このような装置はその性質上、フライホイールの加速又は減速によって発生する傾向にあるトルクを制限し、このためその使用によって宇宙船の回転能力を増加させることは不可能である。
【００１６】
スーパーコンデンサの使用についての他の例がＦＲ  ２  ８４２  １４４に示されている。この応用分野はまったく異なる。これは、モータ車両用のパワートランスミッションからなっているためである。ＦＲ  ２  ８４２  １４４に係る装置は、電気モータと機械的に連結される熱エンジンと、電気モータに電気的に連結されるスーパーコンデンサとを備えている。スーパーコンデンサは、ブレーキング時に車両の運動エネルギーを回復させかつ蓄積するために用いられ、車両速度が落ち着いたら、すなわち必要なパワーが小さくなったら運動エネルギーを元に戻す。この場合、熱モータはシャットダウンされる。このため、低放電パワー、典型的には上記用途において充電パワーの３分の１においてスーパーコンデンサが作動する。熱モータは、高いパワー要求に対して用いられる。このため、不安定な速度における一時的状態の間、電気的に高いトルクを生成する上で、このような動作は適していない。
【００１７】
この結果、周知の装置では、宇宙船の回転能力を増加できるものはなく、この要求を満たす新規なアクチュエータ装置に対する要望は依然として大きい。
【００１８】
〔発明の概要〕
この目的のために、本発明は、以下のアクチュエータ装置を提案する。すなわち、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する可逆変換チェーンを備え、宇宙船の姿勢を修正するのに適したアクチュエータ装置において、
少なくとも回転軸を中心に回転するように構成されるフライホイールと、
上記フライホイールと連結され、該フライホイールによる上記回転軸を中心とする回転が伝導されることによって動作する可逆動作モータ−発電機と、
上記モータ−発電機に電気的に接続される制御エレクトロニクスと、
上記制御エレクトロニクスに電気的に接続される容量性電気エネルギー蓄積アセンブリと、
一方が上記容量性アセンブリに接続され、他方が上記宇宙船の電力バスに接続され、上記電力バスから上記容量性アセンブリに電力供給を行う電力変換器とを有している。
【００１９】
上記制御エレクトロニクスは、上記回転軸に沿って生成されかつ上記制御エレクトロニクスに送信されるトルクを示す少なくとも１つの設定値を用いて、モータ−発電機におけるモータモードでの動作又は発電機モードでの動作を選択するのに適しており、さらに、上記モータモードにするために上記容量性アセンブリから上記モータ−発電機への電気エネルギーの伝達、又は上記発電機モードにするために上記モータ−発電機から上記容量性アセンブリへの電気エネルギーの伝達を調節するのに適しており、これにより上記回転軸を中心に回転するフライホイールの加速又は減速がそれぞれ行われ、さらに、上記設定値に対応する上記宇宙船におけるリアクショントルクを生成するのに適していることを特徴とする、アクチュエータ装置。
【００２０】
本発明に係るこのようなアクチュエータ装置は、リアクションホイールの原理に基づく。これは、固定軸に沿って方向付けられた高いトルクを生成し得る。その結果、宇宙船の姿勢変更の制御を単純に行うことができる。特に、互いに垂直な回転軸に沿って構成されるフライホイールは、互いに独立して制御されてもよい。
【００２１】
他の長所は、この種の装置によって、人工衛星電力供給システムに対して、高出力トルクを個別に伝達することができるということである。
【００２２】
ボールベアリング又は磁気ベアリングによって固定軸を中心に回転した状態で維持されるフライホイールを備える装置を製造することができる。
【００２３】
上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリは、少なくともスーパーコンデンサを備えていることが好ましい。このエネルギー蓄積コンポーネントは、人工衛星において一般的に用いられるバッテリーについて、特に、伝達され得る瞬間的パワー、容積、寸法、寿命、そしてコストについて数多くの有利な点を有している。
【００２４】
このように、容量性アセンブリは、高回転速度を用いて非常に短期間に人工衛星を回転させるために非常に高いトルクを用いる場合においても、必要なトルクを生成するために要求されるパワーを供給する。この目的のために、大量のエネルギーを蓄積し、非常に高い充電又は放電パワーに作動するように容量性アセンブリが選択されてもよい。
【００２５】
特に、容量性アセンブリは、５０００Ｊよりも大きい電気エネルギー蓄積容量を有してもよく、１０００Ｗよりも大きい充電又は放電パワーを有してもよい。
【００２６】
本実施形態はともかく、上記装置は以下の有利な点を有している。
【００２７】
装置は、３Ｎ・ｍ（ニュートン×メートル）よりも大きく、１０Ｎ・ｍに達し得る高トルクを生成し得る。実際、これらのトルクは、容量性アセンブリを用いて電気エネルギーの伝達から生成されるが、これは高電流に対応し得る。
【００２８】
この合計量は、典型的には１０〜３０ｋｇに限定され得るが、これは宇宙船の合計量制限について特に有利である。実際、上記装置は、回転軸毎に１つのフライホイールを有するのみである。
【００２９】
フライホイールからの運動エネルギーが、減速を行っている間に元に戻されるとき、容量性アセンブリに蓄積される電気エネルギーの形態で、宇宙船電力バスからのエネルギー消費が低減される。
【００３０】
これによって、エネルギーが容量性アセンブリに電気の形態で蓄積され得るように、特に照射中に、非常に低い振動レベルを得ることができ、この場合、フライホイールの回転速度は低い。
【００３１】
生成されるトルクの設定値代表値は、モータ−発電機を流れる電流の値、モータ−発電機によって生成されるトルク、又はフライホイールの運動量の変化と対応し得る。
【００３２】
１つの有利な実施形態では、設定値は、モータ−発電機を流れる電流の値と対応し得、上記アクチュエータ装置は、また、モータ−発電機を流れる上記電流の少なくとも１つの測定センサを備え、制御エレクトロニクスは、設定値と、モータ−発電機を流れる電流の測定との間における偏差の作用として、モータ−発電機と容量性アセンブリとの間で伝達される電気エネルギーを調節するのに適したものであり得る。
【００３３】
上記装置の特定の実施形態によると、モータ−発電機は、ブラシレス多相同期型である。
【００３４】
本発明に係るアクチュエータ装置の特に単純な実施形態によると、周期的スイッチング比を少なくとも１つの入力において修正することによって、容量性アセンブリとモータ−発電機との間における電気エネルギーの伝達を調節するのに適したものであり得る。この場合、周期的比率は閉じたループにおいて、所望の作動モード、すなわちモータ又は発電機の作用として、また、モータ−発電機を流れる電流の測定と、所望のトルクを生成するために必要な電流との間における偏差の作用として、自動的に修正されてもよい。
【００３５】
このような調節モードによって、特に正確な状態でフライホイールに伝達されるトルクの値を制御することができる。
【００３６】
さらに、本発明に係る装置において、姿勢変更期間よりもはるかに長い期間、低い補償パワーレベルを実行することのみによって宇宙船電力バスを用いてエネルギー損失を補償する。このようなエネルギー損失は、装置における電気レジスタ、及び様々な摩擦によって引き起こされ得る。特に、損失を補償するために宇宙船電力バスによって供給される電力は、モータ−発電機と容量性アセンブリとの間で伝達される電力よりも少なくとも略１０倍少ない。このように、アクチュエータ装置は、宇宙船に供給される電気エネルギーを用いる装備における他のアイテムの電力供給を妨げない。
【００３７】
この目的のために、電力変換器は、アクチュエータ装置における合計エネルギー値を示し、電力変換器に入力される少なくとも１つの設定値に基づいて、宇宙船電力バスから容量性アセンブリへの電気エネルギーの追加の伝達を制御するのに適したものであり得る。本発明の範囲内で、アクチュエータ装置における合計エネルギーという表現は、フライホイールの回転の運動エネルギーと、容量性アセンブリに蓄積される電気エネルギーとの合計を意味する。
【００３８】
適切であれば、生成可能なトルクの値をさらに増加させるために、宇宙船に対する迅速な姿勢変更を行う前の適切な時間だけ、容量性アセンブリは宇宙船電力バスから充電されてもよい。この目的のために、高トルクを生成するためにモータ−発電機に後で伝達される予定の充電量を、容量性アセンブリに予め蓄積することが可能である。フライホイールの減速と反対方向に高トルクを生成するために、対称動作が実行されてもよい。
【００３９】
本発明はまた、上記のようにいくつかのアクチュエータ装置を備えるアクチュエータシステムを提案するが、上記装置のうちの少なくとも２つは、１つの共通容量性電気充電蓄積アセンブリと、上記共通容量性アセンブリに接続される１つの共通電力変換器とを共有する。
【００４０】
この場合、上記システムにおける各アクチュエータ装置について、制御エレクトロニクスは、対応する容量性アセンブリとモータ−発電機との間における電気エネルギーの伝達を制御するのに適したものであり得、そのため、各アクチュエータ装置のフライホイールは、同じアクチュエータ装置の制御エレクトロニクスに入力される設定値に基づいて、上記フライホイールにおける少なくとも１つの回転軸と平行なトルク成分を生成する。
【００４１】
またこの場合、共通電力変換器は特に、少なくとも２つのアクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す少なくとも１つの設定値に基づいて、宇宙船電力バスから共通容量性アセンブリへの電気エネルギーの追加の伝達を制御するのに適したものであり得るが、上記少なくとも２つのアクチュエータ装置における上記合計エネルギーは、各装置におけるそれぞれの合計エネルギーの合計と等しい。
【００４２】
適用可能であれば、共通電力変換器はまた、電気エネルギーの追加の伝達を制御するのに適したものであり得るが、その制御は、上記装置がそれぞれ別々に用いられる場合、上記伝達が、アクチュエータ装置についてそれぞれ制御される電気エネルギーにおける追加の伝達の合計と等しくなるように行われる。
【００４３】
本発明はまた、上記の少なくとも１つのアクチュエータ装置を備える宇宙船姿勢制御システムを提案する。特にこれは、少なくとも３つの独立アクチュエータ装置を備えていてもよく、これらの装置のそれぞれは、本発明に基づいて別個である。この場合、３つのアクチュエータ装置は、独立して３つの異なる方向にトルクを生成するように構成されていてもよい。
【００４４】
本発明はまた、共通電気エネルギー蓄積アセンブリ及び電力変換器を有する少なくとも２つのアクチュエータ装置を備えるアクチュエータシステムを含む、他の宇宙船姿勢制御システムを提案する。
【００４５】
これらの姿勢制御システムは、アクチュエータ装置のフライホイールにおける少なくとも１つの回転軸を中心に生成されるトルクについての設定値を算出するのに適したものであり得るが、この算出は、一方では上記少なくとも１つの回転軸を中心とする宇宙船の姿勢及び／又は回転速度などの運動パラメータと、他方では上記運動パラメータに対応する設定値との間における偏差に基づいて行われる。
【００４６】
最終的に、本発明は、決定された回転軸Δを中心に回転する予定の宇宙船に搭載される上記の姿勢制御システムの使用を提案する。この使用によると、姿勢制御装置における少なくとも１つのアクチュエータ装置における合計エネルギーは、以下の式で示される値以上の値に調節される。
【００４７】
【数１】
2011511733.tif 000003
【００４８】
ここで、Ｊｃｒａｆｔ（Δ）は決定された回転軸Δを中心とする宇宙船の慣性モーメントを示し、Ωｍａｘは上記決定された回転軸を中心とする宇宙船の最大回転速度を示し、Ｊｆｌｙｗｈｅｅｌは上記フライホイールの回転軸を中心として問題となるアクチュエータ装置の慣性モーメントを示す。さらに、上記式においてγ（Δ）は、一方では方向Δに沿ってアクチュエータ装置によって生成され得る最大運動量Ｈ（Δ）と、他方では少なくとも１つの回転軸に沿ったアクチュエータ装置のフライホイールによって生成され得る最大運動量Ｈｆｌｙｗｈｅｅｌとの間における増幅定数を表し、式Ｈ（Δ）＝γ（Δ）×  Ｈｆｌｙｗｈｅｅｌが成り立つ。
【００４９】
〔図面の説明〕
添付の図面を参照し、実施形態の非限定的な例を挙げる以下の説明を読めば、本発明の他の特徴及び有利な点が明らかになるであろう。
【００５０】
図１は、人工衛星に搭載される本発明に係るアクチュエータ装置の配置を示す原理図である。
【００５１】
図２は、本発明に係るアクチュエータ装置の概要図である。
【００５２】
図３は、本発明に係るアクチュエータ装置に用いられるモータ−発電機における特定の電気的接続モードを示す回路図である。
【００５３】
図４は、本発明に係るアクチュエータ装置における合計エネルギー制御モードを示す論理図である。
【００５４】
図５は、本発明に係るアクチュエータ装置における他の合計エネルギー制御モードの原理図である。
【００５５】
図６は、本発明に係るアクチュエータシステムを示す原理図である。
【００５６】
〔発明の詳細〕
ここで、人工衛星姿勢制御を挙げて本発明を詳細に説明するが、他の種類の宇宙船についても同様に用いることができるということを理解されたい。
【００５７】
図１は、太陽パネル１０１と観察機器１０２とを備えた人工衛星１００を示している。この機器は、機器１０２の指示方向Ｐがプラットホーム１１０に固定されるように、人工衛星のプラットホーム１１０に直接収容されてもよい。それにより、方向Ｐの変更は、人工衛星１００の方向性を修正することによって行われる。人工衛星１００の方向性は、人工衛星姿勢とも称される。周知のように、人工衛星１００には、太陽パネル１０１に接続される自動電力供給システムが設けられ、自動電力供給システムは、特に、バッテリーアセンブリ１０３と主電源ボックス１０とを備えている。上記ボックス１０はその出力において電力供給接続部を有するが、その決定電圧は図面においてＶａと示され、例えば２５又は５０Ｖ（ボルト）に等しい。これらのターミナルの１つは一般的にプラットホーム１１０のアース端子に接続され、もう１つのターミナルは一般的に、人工衛星１００の電力バスと称されている。人工衛星１００における電気エネルギーを使用する様々な機器は、上記電力バスと人工衛星のアース端子との間における電源に接続される。
【００５８】
図１は、また、本発明に係る３つのアクチュエータ装置の模式図を示している。これらのアクチュエータ装置は１０４という参照番号で示され、それぞれフライホイール１を備えている。３つのフライホイール１は、プラットホームに接続される直交３面体におけるＸ，Ｙ，及びＺで示されるそれぞれの軸を中心に回転するように構成されている。各アクチュエータ装置１０４は、電力バスとアース端子とに接続され、フライホイールの加速及び減速トルクの反応によって、対応するフライホイール１の回転軸を中心に人工衛星１００を傾けることができる。１０５で示される中央人工衛星軌道姿勢コンピュータは、例えば電気信号の形態にて同じ設定値に各アクチュエータ装置１０４に送信するために、上記アクチュエータ装置１０４に接続されている。この設定値は、対応するフライホイールの軸上の問題となるアクチュエータ装置によって生成される予定のトルクの値と、上記装置に含まれる合計エネルギー値とを好適に示す。このようにして、撮影される外部物体に正確に指示方向Ｐを向けるために人工衛星１００を傾けることが可能であり、任務の遂行に必要かつ十分な最小及び最大限界の間で装置における合計エネルギーを維持しつつ、照射時における上記方向付けでのプラットホーム１１０を安定化させることができる。
【００５９】
図２に示すように、各アクチュエータ１０４は、以下の構成要素を備えている。フライホイール１、モータ−発電機２、制御エレクトロニクス３及びスーパーコンデンサ４である。これらの構成要素は、フライホイール１の運動回転エネルギーをスーパーコンデンサ４に含まれる電荷に、対応する電気エネルギーへ可逆的に変換するチェーンを形成するために互いに接続されている。スーパーコンデンサ４は、変換チェーンの１次側におけるエレクトロニクス３の２つのターミナルに電気的に接続され、モータ−発電機２の固定子は、変換チェーンの２次側におけるエレクトロニクス３の２つの他のターミナルに電気的に接続されている。固定子は人工衛星のプラットホーム１１０に固定されており、フライホイール１は、ロータの回転で駆動されるモータ−発電機２のロータと組み合わされている。
【００６０】
さらに、スーパーコンデンサ４は、電源ボックス１０と電気的に接続されている。より具体的には、スーパーコンデンサ４における２つのターミナルのうちの１つは、人工衛星１００のアース端子に接続されており、スーパーコンデンサ４の他のターミナルは、５で示される電力変換器を介して電力バスに接続されている。
【００６１】
図２のアクチュエータ装置の一般的動作をここで説明するが、これはフライホイール１の軸Ｘを中心に人工衛星を傾ける単純な場合の説明である。このような姿勢変更について、反応ホイール原理によると、生成されたトルクがＸ軸に対して平行状態を維持するので、アクチュエータ装置１０４のうちの１つだけが用いられる。さらに、人工衛星、及び問題となるアクチュエータ装置のフライホイールにおけるそれぞれの回転速度は、初期状態及び最終状態では部分的にゼロであり、又は非常に低いと仮定する。
【００６２】
動作プロフィールが、２個又は３個の連続する相に一般的に分けられる。すなわち、Ｘ軸の回りの回転における人工衛星の加速相と、Ｘ軸の回りにおける一定速度での人工衛星の回転相と、続いて、同じ軸を中心とする回転減速相とである。上記加速及び減速相は、プラットホーム１１０における適切な反応トルクを生成するために算出される速度変化プロフィールに応じて、フライホイール１を加速又は減速することによって実行される。中間相においては、フライホイール１は、実質的に一定速度で回転する。
【００６３】
動作の始めにおいて、フライホイール１の速度は低く、スーパーコンデンサ４は、好ましくは最大まで充電される。加速相において、フライホイール１における所望の設定値トルクＣｃ（ｔ）と、プラットホーム１１０における反応による反対トルク-Ｃｃ（ｔ）とを生成するために、制御エレクトロニクス３は、電気エネルギーをスーパーコンデンサ４から、モータモードで使用されるモータ−発電機２に伝達する。フライホイール１の速度が増加するにつれて、スーパーコンデンサ４に含まれる電荷が減少し、フライホイール１の加速に必要な電力が増加する。
【００６４】
さらなる目的は、加速相においてエネルギーの過剰消費を防ぐために、エレクトロニクスを単純化し、所定の電力よりも低い電力でそれを動作することであってもよい。このために、上記のように少なくとも１つのアクチュエータ装置を備える宇宙船姿勢制御システムは、少なくとも１つのアクチュエータ装置によって生成されるトルクのための設定値を好適に算出する。これによって、上記装置のフライホイールにおける少なくとも１つの回転軸を中心に上記宇宙船を回転させるが、上記トルク設定値の絶対値はＰｍａｘ／｜ω｜以下であり、上記回転軸を中心とする上記フライホイールの回転速度ωの絶対値｜ω｜が最大値ωｍａｘよりも大きくなるとすぐに、Ｐｍａｘは一定になる。同時に、アクチュエータ装置から要求される最大パワーはＰｍａｘよりも小さい。
【００６５】
この場合、最大トルク値Ｃｍａｘを上回る値をとらない設定値について、上記装置によって生成される上記トルク設定値の絶対値はまた、２つの値Ｃｍａｘ及びＰｍａｘ／｜ω｜の小さい方の値以下に、すなわち、Ｍｉｎ（Ｃｍａｘ、Ｐｍａｘ／｜ω｜）以下に選択されてもよい。
【００６６】
加速相の期間を減らすために設定値トルクを最大化するように、２つの値Ｃｍａｘ及びＰｍａｘ／｜ω｜の小さい方の値以下に、すなわち、Ｍｉｎ（Ｃｍａｘ、Ｐｍａｘ／｜ω｜）と等しくなるように設定することが好ましい。
【００６７】
加速限界はおそらく、スーパーコンデンサ４のターミナルにおける電圧が下限値に達するとき、及び／又はフライホイール１の速度が上限値に達するときに達成され得る。この場合、フライホイール１はもはや加速継続が無理であり、一定の人工衛星回転速度での動作相に切り替えることができる。この第２相において、フライホイール１及び人工衛星１００のそれぞれの回転速度は実質的に一定であり、フライホイール１の軸上のモータ−発電機２によって加えられるトルクは実質的にゼロである。
【００６８】
減速相では、フライホイール１は、発電機モードのモータ−発電機２を用いて減速される。この場合、モータ−発電機２は、制御エレクトロニクス３によって電荷に変換される電流を生成するが、上記電荷は、スーパーコンデンサ４を再充電するために、スーパーコンデンサ４に伝達される。
【００６９】
同様の制限が当該減速相に適用されるが、加速相について上記で規定されたものと同じ値によって絶対値が限定されるトルク設定値を適用することが好ましい。
【００７０】
所望の動作を行うために人工衛星は、ここで説明するように、少なくとも１つのアクチュエータ装置を含む姿勢制御システムを備えてもよく、高い頻度でこのような装置を少なくとも３つ備えていてもよい。姿勢制御システムは、上記アクチュエータ装置のうちの少なくとも１つに含まれる合計エネルギーを最小値に調節するのに適しており、固定される人工衛星の回転軸Δを中心に、予め固定される最大速度Ωｍａｘで人工衛星を、エネルギー伝達によって回転させることができる。
【００７１】
より具体的には、ここで説明するように、少なくとも１つのアクチュエータを備えるアクチュエータシステムは、アイドリング状態（フライホイールの速度がゼロ）から起動され、人工衛星の回転に必要な運動量を生成し、回転軸Δを中心とする速度Ωｍａｘまで増加させる。回転速度は絶対値で考えられる。これを以下の式で示す。
【００７２】
【数２】
2011511733.tif 000004
【００７３】
ここで、Ｊｓａｔｅｌｌｉｔｅ（Δ）は軸Δ回りの人工衛星の慣性モーメントであり、Ｊｆｌｙｗｈｅｅｌはその軸回りのフライホイールの慣性モーメントであり、ωは人工衛星を回転させるフライホイールの全回転速度のうちの最も大きな回転速度であり、γ（Δ）は、一方では軸Δに沿ってアクチュエータによって生成し得る最大運動量Ｈ（Δ）と、他方では少なくとも１つの回転軸に沿ってアクチュエータのフライホイールによって生成し得る最大運動量Ｈｆｌｙｗｈｅｅｌとの間における増幅定数であり、これは式Ｈ（Δ）＝γ（Δ）ｘＨｆｌｙｗｈｅｅｌに基づく。人工衛星における最終運動エネルギー、つまり軸Δ回りの回転のＥｓａｔｍａｘは、１／２Ｊｓａｔｅｌｌｉｔｅ  ×  Ωｍａｘ２に等しい。フライホイールの最終運動エネルギーは同時に以下の式と等しい。
【００７４】
【数３】
2011511733.tif 000005
【００７５】
このエネルギー量は、最初、アクチュエータシステム装置のうちの少なくとも１つのスーパーコンデンサに電気の形態で蓄積されなければならない。これはまた、任務の遂行中に人工衛星が回転される優先方向の作用として、姿勢制御システムのアクチュエータ装置を介して分散されてもよい。
【００７６】
本発明は、３００ｋｇから１トンクラスまでのアクチュエータ装置に適用し得る以下の特徴を例として挙げる。
【００７７】
フライホイール１は、３５０〜５００ｍｍ（ミリメートル）の直径と、４〜８ｋｇ（キログラム）の質量を有することができる。
【００７８】
モータ−発電機２は、ブラシレス多相同期型のものであってもよい。
これは、３〜１０Ｎ・ｍのトルクを生成するように選択されてもよい。このピーク電力は、５００Ｗ（ワット）を越えていてもよく、特に５００〜１０００Ｗまででもよい。このようなモータは市場で入手可能であり、５〜１０ｋｇの質量を有してもよい。
【００７９】
制御エレクトロニクス３は、容量性素子４とモータ−発電機２との間における電気エネルギーの伝達が行われている間、９５％よりも大きいエネルギー出力を有することができる。
【００８０】
スーパーコンデンサは、０．５〜１．５ｋｇまでの数値をとり得る容量性アセンブリ質量について、５０００Ｊ（ジュール）よりも大きい、特に５０００〜１５０００Ｊの電気エネルギー蓄積容量を有することができる。
【００８１】
これらの条件下で、アクチュエータに蓄積され得る最大運動量は、２５〜４０Ｎ・ｍ・ｓ（ニュートン×メートル×秒）に達することができ、この値が大きくなればなるほど、人工衛星傾斜速度は高くなり得ると考えられる。
【００８２】
回転時にフライホイール１と連結されるモータ−発電機２のロータには、永久磁石が備えられている。固定子は、１つ以上の巻線を備えている。これらの巻線におけるそれぞれの電力供給は、上記固定子に対して角度位置のセンサを用いて、ロータの回転と同期して切り替えられる。このように、所望の磁気トルクが精度よく生成され得る。
【００８３】
線形動作モードでは、モータモードで作動するモータ−発電機２に伝達される電流Ｉｍ、又は発電機モードで作動するモータ−発電機２によって生成される電流Ｉｍは、生成トルクＣｍ、モータ又は抵抗に対して実質的に比例する。言い換えると、Ｃｍ＝Ｋｔ  ×  Ｉｍが成り立つ。Ｋｔは一定のトルクを示す。周知のように、この一定のＫｔは、また、モータ−発電機２の逆起電力Ｅの式つまりＥ＝Ｋｔ×ωに含まれている。ここでωはロータの回転速度を示す。
【００８４】
生成されるトルクを示す設定値は、モータ−発電機２を流れる電流Ｉｍの値、モータ−発電機２によって生成されるトルクＣｍの値、又は、フライホイール１の運動量の変化値に対応し得る。“パラメータの値に対応する設定値”という表現は、例えば設定値とパラメータとの間における比例関係のように、設定値がパラメータ値の関数となる任意の関係を意味する。特に、設定値が、モータ−発電機を流れる電流Ｉｍの値と対応するとき、アクチュエータ装置はまた、上記電流に対する少なくとも１つの測定センサを備えていてもよい。この場合、制御エレクトロニクスは、設定値とモータ−発電機を流れる電流の測定との間における偏差の作用として、モータ−発電機と容量性アセンブリとの間で伝達される電気エネルギーを調節するのに適している。
【００８５】
言い換えると、トルク値Ｃｃに基づいてトルクを生成するために、制御エレクトロニクス３は、所望の値Ｉｃ＝Ｃｃ／Ｋｔにてモータ電流Ｉｍを制御し得る。Ｉｍについて測定された値がＩｃと等しいとき、生成されるトルクＣｍは、設定値Ｃｃと等しい。
【００８６】
特に有利な実施形態によると、パルス切替オートパイロット装置は、ロータの位置に対して同期的に、固定子の巻線のそれぞれにおいて交互に電流Ｉｍを、モータ作動モードについては方向付けを可能にし、発電機作動モードについては電流Ｉｍの回復を可能にする。電流Ｉｍに対する測定センサは、測定値Ｉｍｍを生成する。測定値Ｉｍｍと設定値Ｉｃとの間における偏差の作用は、固定子巻線入力における周期的スイッチング比Ｒをもたらし得る。モータ−発電機２の電気ターミナルの間に存在する平均電圧Ｖｍはこの場合、Ｒ  ×  Ｖｓと等しい。ここで、Ｖｓはスーパーコンデンサ４における２つのターミナルの間の出力電圧である。周期的比Ｒは、絶対値で、Ｖｍがモータモードの逆起電力Ｅ（｜Ｖｍ｜＞Ｅ）よりも大きく、発電機モードのＥ（｜Ｖｍ｜＜Ｅ）よりも小さく調節されるが、平均値の観点から、ＩｍｍはＩｃと実質的に等しい。Ｉｃに対するＩｍｍの制御は、２つの値の間における偏差の作用として周期的比を調節することによって、閉じたループにおいて有利に行われる。上記の最も重要な物理的パラメータを図２に示すが、これは当業者が上記の動作を再現できるように標準的な表示である。
【００８７】
図３は、モータ−発電機２の固定子が、２ａ、２ｂ及び２ｂで示される３つの巻線を備えている場合の図２に対応する。これは、エレクトロニクス３の中の巻線２ａ・２ｂ・２ｃの３相電流電源に対して想定できる接続を示す。各巻線は、スーパーコンデンサ４における２つのターミナルに順に接続されるサーキットアームの中央点に接続される。上記サーキットアームは、巻線２ａ（又は２ｂ若しくは２ｃ）について、巻線の電力供給を可能にするか又は阻害する上部スイッチングトランジスタＡ（又はＣ若しくはＥ）と、周期的比Ｒを調節する下部スイッチングトランジスタＢ（又はＤ若しくはＦ）とを備える。スイッチングトランジスタ制御電極Ａ−Ｆは、それぞれ、マイクロコントローラ３０の出力に接続されている。マイクロコントローラ３０はその入力において、測定電流値Ｉｍｍと設定値Ｉｃとの間における偏差ΔＩを示す信号を受信する。
【００８８】
典型的には、このようなモータ−発電機２における電力供給電流クリッピング制御部は、２０〜１００ｋＨｚ（キロヘルツ）のトランジスタＢ・Ｄ・Ｆにおける切替周波数にて作動するが、トランジスタＡ・Ｃ・Ｅによる相の切替は、回転速度ωに基づいて典型的に０〜１ｋＨｚの周波数にて行われる。このようなクリッピング制御エレクトロニクスによって、ロータの位置に対するモータ−発電機２の固定子の巻線における電力供給電流を同期させつつ、設定値Ｉｃと共に平均モータ電流値Ｉｍを制御することが可能になる。
【００８９】
有利な点としては、スーパーコンデンサ４は、上記装置の作動範囲を通して最大速度で作動するとき、スーパーコンデンサ４のターミナルにおける電圧が常に最大逆起電力Ｅよりも著しく大きくなるように設計されてもよい。これらの条件下において、制御エレクトロニクス３は、モータに電力を与える際、スーパーコンデンサ４によって伝達される電圧Ｖｓの上昇段階を必要としない。この場合のエレクトロニクス３は、より単純な構成である。一般的なルールとして、フライホイールが不動でありかつ容量性アセンブリ最大電気エネルギーを含んでいる初期状態からフライホイールが最大速度まで加速した後、モータ−発電機の逆起電力よりも大きい２つの出力ターミナルの間における残留電圧を表示するにふさわしいものとして容量性アセンブリが有利に用いられ得る。特に、容量性アセンブリの出力ターミナルの間に存在する残留電圧は、フライホイールが初期状態から最大速度まで加速した後には、モータ−発電機の逆起電力の２倍よりも大きくてもよい。
【００９０】
容量性アセンブリは、また、フライホイールが初期状態から最大速度まで加速した後、フライホイールが不動でありかつ容量性アセンブリが最大電気エネルギーを含む初期状態に対して、２よりも少ない係数によって減じられる、２つの出力電圧の間における残留電圧を表示するのに適したものであってもよい。
【００９１】
さらに、制御エレクトロニクス３は、モータ−発電機２において追加の電圧上昇装置を必要とすることなく、発電機モードでスーパーコンデンサ４を再充電するために、モータ−発電機２の固定子における巻線のインダクタンスを用いてもよい。
【００９２】
最終的に、スーパーコンデンサを使用すると、アクチュエータ装置によって生成される高周波電磁妨害をかなりフィルタリングすることができ、これらの妨害効果を減衰させるために制御エレクトロニクスにフィルタが追加される必要が時々生じるが、このフィルタは単純化されるということを注意すべきである。このフィルタリングは、本発明に係るアクチュエータ装置の他の利点を示している。
【００９３】
モータ−発電機２及び制御エレクトロニクス３のエネルギー出力、及びジュール効果損失は、電気エネルギー損失を誘発する。同様に、モータ−発電機２において、また、フライホイール１の回転において発生する摩擦は、機械的エネルギー損失を誘発する。これらの理由によって、スーパーコンデンサ４に蓄積される電気エネルギーとフライホイール１の運動回転エネルギーとの合計に等しい、アクチュエータ装置における合計エネルギーは、損失が補償されない場合低下する。この場合、パワー変換器５の役割は、人工衛星電力バスからのこれらの損失を補償することであり、特定の値の間に上記装置における合計エネルギーを維持することである。有利な点としては、変換器５によって制御される、人工衛星電力バスからの電力の伝達は、エレクトロニクス３によるモータ−発電機２の制御に含まれる時定数よりもはるかに長い時定数を有している。言い換えると、アクチュエータ装置は高トルクを生成することができるが、人工衛星電力バスから抽出されるパワーの変化は、スーパーコンデンサ４とモータ−発電機２との間で伝達される電力の変化に対して、例えば概ね、少なくとも１０の係数の分だけ遅い。実際、このようなトルクを生成するために必要な瞬間的電力はスーパーコンデンサ４から伝達されるが、人工衛星電力バスから直接伝達されるものではない。このように、電力バスを用いて電力が与えられる他の人工衛星装備に対して、何の妨害も誘発されない。当該装備におけるこれらの他の項目はこの場合、定期的かつ安定した動作を行う。これは、従来技術の装置にはない、本発明に係るアクチュエータ装置の他の利点を示している。
【００９４】
アクチュエータ装置における合計エネルギーのこのような制御は、閉じたループの制御システムを用いて、また、スーパーコンデンサ４に含まれる電荷及び／又はフライホイール１の運動エネルギーの測定を用いて有利に行われ得る。これは、アクチュエータ装置の合計エネルギーの値を示す設定値に基づいて行われる。この合計エネルギーは、１／２Ｃ・Ｖｓ２＋１／２Ｊｒ・ω２と等しい。ここで、Ｃはスーパーコンデンサの容量を示し、Ｖｓはそのターミナルにおける電圧を示し、Ｊｒは問題の回転軸を中心とするフライホイールの慣性モーメントを示し、ωはフライホイールの回転速度を示す。
【００９５】
フライホイールの回転速度が低いとき、スーパーコンデンサに含まれる電気エネルギー１／２Ｃ・Ｖｓ２によって合計エネルギーが概算され得ることを注意すべきである。これによりこの場合、スーパーコンデンサのターミナルにおける電圧Ｖｓは、式Ｖｓ＝（２Ｅ／Ｃ）１/２を介して上記装置の合計エネルギーを代表する値を示す。
【００９６】
このように、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの第１制御モードによると、合計エネルギーの値を示す設定値は、軸を中心とするフライホイールの回転速度が同時に速度閾値よりも低いときには、容量性素子に蓄積される電気エネルギーの値にのみ依存し得る。この場合、上記設定値は、容量性素子のターミナルにおける電圧に等しいか又は比例するのが好ましい。
【００９７】
図４は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーにおける上記第１制御モードの実施形態を示す論理図である。ωｔは容量性アセンブリのターミナルにおける電圧Ｖｓについての閾値を意味し、Ｖｔはフライホイールの回転速度についての閾値を意味する。
【００９８】
上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの第２制御モードによると、設定値は合計エネルギー値に直接対応し得る。この場合、これは好適には上記合計エネルギーであり、又は上記合計エネルギーに比例し得る。
【００９９】
いずれの場合も、電力変換器は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーについての少なくとも１つの代表的値が、上記値について固定される閾値よりも低いとき、人工衛星電力バスからの追加の電気エネルギー伝達を制御するのに適したものであり得る。
【０１００】
上記追加的電力伝達は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーについての少なくとも１つの代表的値が、上記値について固定される閾値よりも大きいときに干渉され得る。
【０１０１】
制御モードのうちのそれぞれについて、電力変換器はローパスフィルタを備えている。該ローパスフィルタは、追加の電力伝達が上記フィルタによってフィルタリングされる伝達制御に基づいて実行されるように構成されている。
【０１０２】
さらに、人工衛星についてその後知られる姿勢変化のための開ループにおいて、容量性アセンブリの充電、すなわち、ここで説明している場合のスーパーコンデンサ４の充電を制御することができる。これによって、容量性アセンブリの充電レベルが、上記その後の姿勢変化を行うには十分であることを確実に実現できる。この目的のために、電力変換器はまた、宇宙船電力バスから容量性アセンブリまで、時間的及び日付入りの追加電気エネルギー転送シーケンスに対応する他の設定値を受け入れるのに適したものであるとすることができ、また、開ループにおける上記シーケンスの実行を制御するのに適したものであるとすることができる。
【０１０３】
容量性アセンブリに対するこのような開ループ充電は、上記のように、第１姿勢修正動作と同時に行われてもよい。本発明のこのような展開は、多数の人工衛星姿勢修正動作が急速かつ連続して行われる場合、特に有利である。上記動作についての従前の知識によって、動作計画を通じて、適切な期間にわたって必要とされる合計エネルギーを蓄積することが可能となる。さらに、容量性素子に対する開ループ充電は積載的な状態で、又は、アクチュエータ装置における合計エネルギーにおける閉ループ調節と平行して行われてもよい。例えば、閉ループで合計エネルギーが調節される元になる設定値は、作動計画の作用として変更され得る。
【０１０４】
一般的なルールとして、宇宙船電力バスからの追加電気エネルギー伝達は、容量性アセンブリとモータ−発電機との間における電気エネルギー伝達に関連するいかなる時定数よりも大きいか又ははるかに大きい時定数であって、制御エレクトロニクスによって調節される時定数に基づいて制御される。例えば、人工衛星の姿勢を制御するためのアクチュエータ装置のパスバンドは１〜２Ｈｚ（ヘルツ）であり、アクチュエータ装置における合計エネルギーの制御におけるパスバンドは０．１〜１Ｈｚである。
【０１０５】
人工衛星電力供給バスにおいてサンプリングされるピーク電力は、例えば５０又は１００Ｗよりも低い。
【０１０６】
上記の制御モードのいずれかに基づくアクチュエータ装置における合計エネルギーを制御するために、アクチュエータ装置はまた、容量性アセンブリのターミナルにおける電圧を測定するように構成される第１センサを含むことができる。この第１センサは、容量性アセンブリにおける２つの出力ターミナルに接続される電圧計であってもよい。これはまた、容量性アセンブリにおいて行われる電圧測定における第１信号を電力変換器に送信するために接続される。この場合、電力変換器は、上記第１測定信号に基づいて追加電気エネルギー伝達を調節するのに適している。
【０１０７】
アクチュエータ装置は、フライホイールの回転軸を中心として、フライホイールの回転速度を測定するように構成される少なくとも１つのセンサをさらに備えている。上記第２センサは、フライホイール１と連結される速度計であってもよい。これはまた、第２測定信号を電力変換器へ送信するために接続され、電力変換器は、フライホイールの回転速度の絶対値が速度閾値よりも小さい場合に、追加電気エネルギー伝達を制御するためだけに適している。
【０１０８】
アクチュエータ装置が第１及び第２センサの両方を備えている場合、電力変換器は、アクチュエータ装置における合計エネルギーを示す設定値と、第１及び第２測定信号に基づいて算出され、対応する値との間における偏差に基づいて、追加電気エネルギー伝達を調節するのに適している。特に、第１及び第２測定信号に基づいて算出される値は、上記装置に含まれる合計エネルギーに比例するものであってもよい。
【０１０９】
図５は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの第２制御モードを示す図である。この図の構成要素は標準的な使用方法に則って示されている。このため、この図は当業者によって直接理解され得るものである。この図において、Ｅｃは設定値を示し、Ｅｍはアクチュエータ装置における合計エネルギーについて算出される値を示し、Ｃｃはトルク設定値を示し、Ｃｗはフライホイールの回転中に発生する摩擦によって引き起こされるトルク損失を示し、Ｖｍは容量性アセンブリのターミナルにおける電圧を示し、ωｍはフライホイールの回転速度を示し、Ｗは変換器５によって人工衛星電力バスからスーパーコンデンサ４へ伝達される電気エネルギーの追加量を示し、ΔＥ（ｔ）はアクチュエータにおける合計エネルギーの開ループにおける調節設定値であり、ｔは時間変数を示す。
【０１１０】
図１で示される人工衛星の姿勢制御の場合、ベクトルトルク設定値は３つの軸Ｘ、Ｙ、及びＺに沿って分解され、３つのトルク成分が上記のように、各アクチュエータ装置によって同時に、かつ独立して生成される。本発明の第１実施形態によると、３つのアクチュエータ装置は分離し、独立していてもよい。この場合、それらの間には電気的又は機械的エネルギーの伝達が行われない。本発明の第２実施形態によると、図６に基づき、単一の容量性アセンブリ４及び単一の電力変換器５が、これら３つのアクチュエータ装置に共通であってもよい。
【０１１１】
上で詳述した本発明の実施形態に対して、上述の有利な点の少なくともいくつかは残しつつ、変形や応用を導入してもよいということを理解すべきである。これらの有利な点には以下の事項が含まれる。
【０１１２】
宇宙船から要求される動作のシーケンスに関係なく、宇宙船主要電源システムからの電力要求は、フライホイールとアクチュエータ装置の容量性アセンブリのと間における電力伝達よりも小規模のままである。
【０１１３】
宇宙船における２つの連続する傾斜動作の間で、各軸を中心とする宇宙船の回転速度が低い場合、例えば照射中では、フライホイールの回転速度は低くてもよい。アクチュエータ装置からの全てのエネルギーはこの場合、容量性アセンブリに含まれる。このため、フライホイールにより誘発され得る振動は著しく低減されるか又は除去される。
【０１１４】
本発明に係るアクチュエータ装置は、この種のアクチュエータを備える宇宙船の姿勢及び軌道制御のために、本発明の前に知られているような従来のリアクションホイールに対して好適に用いられ得る。これは、全てのリアクションホイール動作モード、特に低トルク高精度ポインティングモード、高精度ポインティング相におけるゼロ速度回避、補助アクチュエータによるホイール管理脱飽和、不良モード管理、重複性管理などに当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】人工衛星に搭載される本発明に係るアクチュエータ装置の配置を示す原理図である。
【図２】本発明に係るアクチュエータ装置の概要図である。
【図３】本発明に係るアクチュエータ装置に用いられるモータ−発電機における特定の電気的接続モードを示す回路図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータ装置における合計エネルギー制御モードを示す論理図である。
【図５】本発明に係るアクチュエータ装置における他の合計エネルギー制御モードの原理図である。
【図６】本発明に係るアクチュエータシステムを示す原理図である。
【図１】
2011511733.tif 000007
【図２】
2011511733.tif 000008
【図３】
2011511733.tif 000009
【図４】
2011511733.tif 000010
【図５】
2011511733.tif 000011
【図６】
2011511733.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月13日(2010.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する可逆変換チェーンを備え、宇宙船（１００）の姿勢を修正するアクチュエータ装置において、
少なくとも回転軸を中心に回転するように構成されるフライホイール（１）と、
上記フライホイールと連結され、該フライホイールによる上記回転軸を中心とする回転が伝導されることによって動作する可逆動作モータ−発電機（２）と、
上記モータ−発電機に電気的に接続される制御エレクトロニクス（３）と、
上記制御エレクトロニクスに電気的に接続される容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）と、
一方が上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリに接続され、他方が上記宇宙船の電力バスに接続され、上記電力バスから上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリに電力供給を行う電力変換器（５）とを有し、
上記制御エレクトロニクス（３）は、上記回転軸に沿って生成されかつ上記制御エレクトロニクスに送信されるトルクを示す少なくとも１つの設定値を用いて、モータ−発電機におけるモータモードでの動作又は発電機モードでの動作を選択し、さらに、上記モータモードにするために上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）から上記モータ−発電機（２）への電気エネルギーの伝達、又は上記発電機モードにするために上記モータ−発電機（２）から上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）への電気エネルギーの伝達を調節し、これにより上記回転軸を中心とするフライホイール（１）の加速又は減速がそれぞれ行われ、さらに、上記設定値に対応する上記宇宙船（１００）におけるリアクショントルクを生成することを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）は、少なくともスーパーコンデンサを備えている、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
生成されるトルクを示す上記設定値は、上記モータ−発電機（２）を流れる電流の値、上記モータ−発電機（２）によって生成されるトルク、又は上記フライホイール（１）の運動量の変化に対応する、請求項１又は２記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
上記フライホイールが不動となりかつ上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）が最大電気エネルギーを含む初期状態から上記フライホイール（１）が最大速度まで加速した後の、上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）は、上記モータ−発電機（２）の逆起電力よりも大きい、上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリにおける２つの出力ターミナルの間における残留電圧を有している、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
上記電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギー値を示し、かつ上記電力変換器に入力される少なくとも１つの設定値に基づいて、上記宇宙船電力バスから上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）への電気エネルギーの追加的伝達を制御し、上記合計エネルギーは、上記フライホイール（１）の運動回転エネルギーと上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）に蓄積される電気エネルギーとの合計に等しい、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
上記アクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す上記設定値は、上記合計エネルギーの値に直接対応し、
上記アクチュエータ装置は、上記容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）のターミナルにおける電圧を測定するように構成され、かつ上記電圧の第１測定信号を、上記電力変換器（５）に送信するために接続される第１センサをさらに備え、
上記アクチュエータ装置は、上記フライホイールにおける少なくとも１つの回転軸を中心とする上記フライホイール（１）の回転速度を測定するように構成され、かつ上記回転速度の第２測定信号を上記電力変換器（５）に送信するために接続される少なくとも１つの第２センサをさらに備え、
上記電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置における合計エネルギー値を示す上記設定値と、上記第１及び第２測定信号に基づいて算出される対応値との間における偏差に基づいて、上記追加電気エネルギー伝達を調節する請求項５に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
上記電力変換器（５）はローパスフィルタを備え、該ローパスフィルタは、上記追加電気エネルギー伝達が上記フィルタによってフィルタリングされる伝達コマンドに基づいて実行されるように構成されている、請求項５又は６に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
上記アクチュエータ装置のうちの少なくとも２つは、１つの同じ共通容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）と、上記共通容量性電気エネルギー蓄積アセンブリに接続される１つの同じ共通電力変換器（５）とを共有することを特徴とする、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置を複数備えるアクチュエータシステム。
【請求項９】
上記システムにおける各アクチュエータ装置は、上記制御エレクトロニクス（３）が、対応する容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）とモータ−発電機（２）との間における電気エネルギーの伝達を制御し、各アクチュエータ装置の上記フライホイール（１）が、上記制御エレクトロニクスに入力される設定値に基づいて、上記フライホイールにおける少なくとも１つの回転軸と平行なトルク成分を生成する、請求項８に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１０】
上記共通電力変換器（５）は、上記少なくとも２つのアクチュエータ装置における合計エネルギーの値を示す少なくとも１つの設定値に基づいて、上記宇宙船（１００）の上記電力バスから上記共通容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）への電気エネルギーの追加伝達を制御すると共に、
上記共通電力変換器（５）は、上記アクチュエータ装置にそれぞれ含まれる合計エネルギーの値を示す設定値に基づいて、個別に用いられる上記アクチュエータ装置についてそれぞれ制御される電気エネルギーの追加伝達の合計に上記伝達が等しくなるように、電気エネルギーの追加伝達を制御すると共に、各アクチュエータ装置における合計エネルギーはそれぞれ、上記フライホイール（１）の運動回転エネルギーと上記アクチュエータ装置の容量性電気エネルギー蓄積アセンブリ（４）に蓄積される電気エネルギーとの合計と等しい、請求項８又は９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項１１】
請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータ装置を少なくとも１つ備えている、宇宙船姿勢制御システム。
【請求項１２】
少なくとも２つのアクチュエータ装置を有する、請求項８〜１０のうちのいずれか１項に記載のアクチュエータシステムを備えている、宇宙船姿勢制御システム。
【請求項１３】
アクチュエータ装置のフライホイール（１）における少なくとも１つの回転軸を中心に生成されるトルクについての設定値を算出する宇宙船姿勢制御システムであって、
上記算出は、一方では上記回転軸を中心とする宇宙船（１００）の姿勢及び回転速度の両方、又はいずれか一方の運動パラメータと、他方では上記運動パラメータに対応する設定値との間における偏差とに基づく、請求項１１又は１２に記載の宇宙船姿勢制御システム。
【請求項１４】
宇宙船の所定の回転軸を中心に回転するための宇宙船に搭載される、請求項１１〜１３のうちのいずれか１項に記載の宇宙船姿勢制御システムを使用する、姿勢制御システムの使用方法であって、
上記宇宙船姿勢制御システムにおける少なくとも１つのアクチュエータ装置の合計エネルギーは、
Ｊｃｒａｆｔ（Δ）を上記宇宙船の所定の回転軸を中心とする宇宙船の慣性モーメントとし、Ωｍａｘを上記宇宙船の所定の回転軸を中心とする最大回転速度とし、Ｊｆｌｙｗｈｅｅｌを上記フライホイールの回転軸を中心とする上記アクチュエータ装置の慣性モーメントとし、γ（Δ）を、方向Δに沿ったアクチュエータ装置によって生成し得る最大運動量と少なくとも１つの回転軸に沿ったアクチュエータ装置のフライホイールによって生成され得る最大運動量との間における増幅係数とすると、
【数１】
2011511733.tif 000013
以上の値に調節される、姿勢制御システムの使用方法。
【国際調査報告】
2011511733.tif 000014
2011511733.tif 000015
2011511733.tif 000016