(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットのターボポンプに用いられるインデューサの異常を判定する異常判定装置であって、
前記インデューサの入力側における圧力を取得する圧力取得部と、
前記インデューサに加わる応力の経時変化を示す応力応答を取得する応力応答取得部と、
前記応力応答に基づいて、前記インデューサの累積疲労損傷度を計算する累積疲労損傷度計算部と、
前記累積疲労損傷度の時間に対する変化率である寿命消費率を計算する寿命消費率計算部と、
前記累積疲労損傷度及び前記寿命消費率に基づいて、前記ロケットの１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記インデューサの損傷度の限界を規定する寿命限界を超えるか否かを予測し、前記１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記寿命限界を超えると予測した場合に、前記インデューサが異常であると判定する判定部と、
を備え、
前記応力応答取得部は、伝達関数を用いて、前記圧力の経時変化を示す圧力応答を前記応力応答に変換することによって、前記応力応答を取得し、
前記インデューサは、前記１回のフライト当たり予め定められた使用時間だけ使用される異常判定装置。
【請求項２】
前記判定部は、前記１回のフライトの開始時点から所定の経過時間が経過した時点において、前記寿命限界から前記累積疲労損傷度を減算した残存寿命を計算し、前記残存寿命を前記寿命消費率で除算することにより、前記累積疲労損傷度が前記寿命限界に達するまでの残存時間を計算し、前記残存時間及び前記経過時間に基づいて、前記１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記寿命限界を超えるか否かを予測する、請求項１に記載の異常判定装置。
【請求項３】
前記判定部は、前記残存時間及び前記経過時間の和が前記使用時間よりも小さい場合に、前記１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記寿命限界を超えると予測する、請求項２に記載の異常判定装置。
【請求項４】
前記判定部は、前記寿命消費率が予め定められた基準値よりも大きい場合に、前記インデューサが異常であると判定する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の異常判定装置。
【請求項５】
ロケットのターボポンプに用いられるインデューサの異常を判定する異常判定装置が行う異常判定方法であって、
前記インデューサの入力側における圧力を取得するステップと、
前記インデューサに加わる応力の経時変化を示す応力応答を取得するステップと、
前記応力応答に基づいて、前記インデューサの累積疲労損傷度を計算するステップと、
前記累積疲労損傷度の時間に対する変化率である寿命消費率を計算するステップと、
前記累積疲労損傷度及び前記寿命消費率に基づいて、前記ロケットの１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記インデューサの損傷度の限界を規定する寿命限界を超えるか否かを予測し、前記１回のフライト中に前記累積疲労損傷度が前記寿命限界を超えると予測した場合に、前記インデューサが異常であると判定するステップと、
を備え、
前記応力応答を取得するステップでは、伝達関数を用いて、前記圧力の経時変化を示す圧力応答を前記応力応答に変換することによって、前記応力応答を取得し、
前記インデューサは、前記１回のフライト当たり予め定められた使用時間だけ使用される異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常判定装置及び異常判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品等の寿命を予測する診断システムが知られている。例えば、特許文献１には、センサによって検出された入力に基づいて、フロントサイドメンバの疲労損傷度を算出し、フロントサイドメンバの寿命が近づいていることを警告する車両の疲労損傷度診断システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７９９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
無人の宇宙機等の飛翔体では、万が一、フライト中にインデューサが破損した場合には、機体を破壊することにより、安全化処置が講じられることがある。しかし、有人型の飛翔体の場合、機体を破壊することは許容されない。このため、インデューサが破損する前に異常を検知し、安全に運転を停止することが求められる。
【０００５】
インデューサは、１回のフライトで使用される使用時間が予め定められており、その使用時間の間に、インデューサの累積疲労損傷度がインデューサの寿命に達しなければ、安全に運転を行うことができる。しかしながら、飛翔体のインデューサでは、様々な要因によって損傷が累積する。例えば、インデューサにおいては、通常の運用状態においても微小なキャビテーションがランダムに発生しており、この加振力により応力が発生し、インデューサの破壊につながるおそれがある。このように、損傷が一定の割合で累積されるとは限らない。
【０００６】
特許文献１に記載の疲労損傷度診断システムでは、警告閾値が予め設定されているので、疲労損傷度の累積速度が変化した場合に、適切なタイミングで警告することができないおそれがある。例えば、安全に運転を行うことができる場合でも、警告閾値の設定によっては、インデューサが異常であると判定されることがある。このように、１回の動作当たりに予め定められた使用時間だけ使用される部品（インデューサ）について、異常の判定精度の向上が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る異常判定装置は、ポンプに用いられるインデューサの異常を判定する装置である。この異常判定装置は、インデューサに加わる応力の経時変化を示す応力応答を取得する応力応答取得部と、応力応答に基づいて、インデューサの累積疲労損傷度を計算する累積疲労損傷度計算部と、累積疲労損傷度の時間に対する変化率である寿命消費率を計算する寿命消費率計算部と、累積疲労損傷度及び寿命消費率に基づいて、インデューサの異常を判定する判定部と、を備える。インデューサは、ポンプの１回の動作当たり予め定められた使用時間だけ使用される。
【０００８】
本発明の別の態様に係る異常判定方法は、ポンプに用いられるインデューサの異常を判定する異常判定装置が行う異常判定方法である。この異常判定方法は、インデューサに加わる応力の経時変化を示す応力応答を取得するステップと、応力応答に基づいて、インデューサの累積疲労損傷度を計算するステップと、累積疲労損傷度の時間に対する変化率である寿命消費率を計算するステップと、累積疲労損傷度及び寿命消費率に基づいて、インデューサの異常を判定するステップと、を備える。インデューサは、ポンプの１回の動作当たり予め定められた使用時間だけ使用される。
【０００９】
この異常判定装置及び異常判定方法では、インデューサに加わる応力応答に基づいてインデューサの累積疲労損傷度が計算され、累積疲労損傷度の時間に対する変化率である寿命消費率が計算される。そして、累積疲労損傷度及び寿命消費率に基づいて、インデューサの異常が判定される。このように、累積疲労損傷度だけでなく寿命消費率を考慮することによって、累積疲労損傷度の累積速度（寿命消費率）に応じてインデューサの異常を判定することができる。その結果、インデューサの異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００１０】
上記異常判定装置は、インデューサの入力側における圧力を取得する圧力取得部をさらに備えてもよい。応力応答取得部は、圧力の経時変化を示す圧力応答に基づいて、応力応答を取得してもよい。この場合、インデューサに加わる応力を直接計測できない場合でも、インデューサの入力側における圧力を計測することによって、インデューサに加わる応力の応力応答を間接的に取得することができる。
【００１１】
判定部は、累積疲労損傷度及び寿命消費率に基づいて、動作中に累積疲労損傷度がインデューサの損傷度の限界を規定する寿命限界を超えるか否かを予測し、動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えると予測した場合に、インデューサが異常であると判定してもよい。動作中に累積疲労損傷度がインデューサの寿命限界を超えると、インデューサが破損するおそれがある。このため、動作中に累積疲労損傷度がインデューサの寿命限界を超えると予測された場合に、インデューサが異常であると判定される。これにより、インデューサが破損する前にインデューサの異常を判定することが可能となる。
【００１２】
判定部は、動作の開始時点から所定の経過時間が経過した時点において、寿命限界から累積疲労損傷度を減算した残存寿命を計算し、残存寿命を寿命消費率で除算することにより、累積疲労損傷度が寿命限界に達するまでの残存時間を計算し、残存時間及び経過時間に基づいて、動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えるか否かを予測してもよい。この場合、経過時間が経過した時点における寿命消費率で、残存寿命を消費すると仮定して、動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えるか否かが予測される。このため、動作中において、何らかの要因によって寿命消費率が変化した場合でも、寿命消費率に応じて、インデューサの異常を判定することができる。その結果、インデューサの異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００１３】
判定部は、残存時間及び経過時間の和が使用時間よりも小さい場合に、動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えると予測してもよい。動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えるか否かは、残存時間及び経過時間の和と使用時間との大小関係によって決まる。このため、動作中に累積疲労損傷度が寿命限界を超えるか否かの予測精度を向上することができ、インデューサの異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００１４】
判定部は、寿命消費率が予め定められた基準値よりも大きい場合に、インデューサが異常であると判定してもよい。想定される基準値よりも寿命消費率が大きい場合には、インデューサに何らかの異常が生じている可能性がある。このため、寿命消費率が基準値よりも大きい場合に、インデューサが異常であると判定することによって、インデューサが破損する前にインデューサの異常を判定することができる。その結果、インデューサの異常の判定精度を向上することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異常の判定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る異常判定装置の判定対象の一例を模式的に示す図である。
【図２】本実施形態に係る異常判定装置の機能ブロック図である。
【図３】図２の異常判定装置のハードウェア構成図である。
【図４】レインフロー法アルゴリズムを用いた応力応答の分解を説明するための図である。
【図５】レインフロー法アルゴリズムを用いた応力応答の分解を説明するための図である。
【図６】インデューサの翼素材のＳ−Ｎ曲線を示す図である。
【図７】インデューサの異常判定を説明するための図である。
【図８】図２の異常判定装置が行う異常判定方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る異常判定装置の判定対象の一例を模式的に示す図である。図１に示されるように、判定対象として、ロケット１のターボポンプに設けられるインデューサ２が挙げられる。ロケット１は、噴射による反作用によって推進力を得る装置であり、繰り返し使用可能な再使用型である。ロケット１は、例えば、液体ロケットである。ロケット１のロケットエンジンでは、燃料として液体水素及び液体酸素等の液体燃料Ｆが用いられる。ロケット１は、高圧の液体燃料Ｆを供給するためのターボポンプを備えている。インデューサ２は、ターボポンプの吸込性能を向上するために、ターボポンプの入力側に設けられる回転体である。インデューサ２は、方向Ｂに延びる配管３に設けられ、配管３の延在方向に延びる回転軸ＡＸ周りに回転する。インデューサ２は、配管３を流れる液体燃料Ｆを吸い込んで、液体燃料Ｆを昇圧する。
【００１９】
インデューサ２は、低圧の液体燃料Ｆを吸い込むので、この液体燃料Ｆの圧力が液体燃料Ｆの飽和蒸気圧よりも低くなると、液体燃料Ｆが沸騰して多数の小さい気泡が発生する。そして、気泡の周囲の圧力が液体燃料Ｆの飽和蒸気圧よりも高くなると、気泡が消滅する。この瞬間、気泡の周囲の液体燃料Ｆは気泡の中心付近で衝突するので、圧力波が発生し、振動を発生させる。このようにして、液体燃料Ｆでは、キャビテーションが発生し、キャビテーションによって、インデューサ２に応力が加わることが知られている。インデューサ２には、キャビテーション以外にも様々な要因により応力が加わる。この応力がインデューサ２に蓄積されていくと、インデューサ２の破損につながるおそれがある。なお、インデューサ２は、１回のフライト当たり予め定められた使用時間Ｘだけ使用される。インデューサ２では、特にインデューサ翼を判定対象とすることがあるが、以下ではインデューサ２として説明する。
【００２０】
配管３の内面には、圧力センサ４が設けられている。圧力センサ４は、例えば、インデューサ２の回転軸ＡＸに沿った方向Ｂにおいて、インデューサ２の入力側先端と略同じ位置か、インデューサ２の入力側先端から所定の距離だけ液体燃料Ｆの上流に配置される。この圧力センサ４によって、インデューサ２の周辺の圧力（入力側における圧力）が計測され、計測された圧力が異常判定装置１０に送信される。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る異常判定装置の機能ブロック図である。図２に示される異常判定装置１０は、インデューサ２の異常を判定する装置である。異常判定装置１０は、ロケット１のインデューサ２の累積疲労損傷度に基づいて、インデューサ２の異常を判定する。
【００２２】
図３は、異常判定装置１０のハードウェア構成図である。図３に示されるように、異常判定装置１０は、物理的には、１又は複数のプロセッサ１０１、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory)等の記憶装置１０２、ハードディスク装置等の補助記憶装置１０３、キーボード等の入力装置１０４、ディスプレイ等の出力装置１０５、並びに、データ送受信デバイスである通信装置１０６等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成され得る。異常判定装置１０の図２に示される各機能は、プロセッサ１０１及び記憶装置１０２等のハードウェアに１又は複数の所定のコンピュータプログラムを読み込ませることにより、１又は複数のプロセッサ１０１の制御のもとで各ハードウェアを動作させるとともに、記憶装置１０２及び補助記憶装置１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
【００２３】
図２に戻って、異常判定装置１０の詳細について説明する。異常判定装置１０は、圧力取得部１１と、応力応答取得部１２と、累積疲労損傷度計算部１３と、寿命消費率計算部１４と、判定部１５と、出力部１６と、を備えている。
【００２４】
圧力取得部１１は、インデューサ２の入力側における圧力を取得する圧力取得手段として機能する。圧力取得部１１は、圧力センサ４によって計測された圧力を取得する。圧力取得部１１は、圧力センサ４によって計測された圧力を例えば１０ｋＨｚ程度のサンプリング間隔ΔＴでサンプリングし、圧力応答を取得する。圧力応答は、インデューサ２の入力側の圧力の経時変化を示し、所定時間ごとのインデューサ２の入力側の圧力を時系列に並べた圧力列である。圧力取得部１１は、圧力応答を応力応答取得部１２に出力する。
【００２５】
応力応答取得部１２は、圧力取得部１１によって取得された圧力応答に基づいて、応力応答を取得する応力応答取得手段として機能する。応力応答は、インデューサ２に加わる応力の経時変化を示し、所定時間ごとのインデューサ２に加わる応力を時系列に並べた応力列である。応力応答取得部１２は、予め設定されている伝達関数を用いて、圧力応答を応力応答に変換する。伝達関数は、圧力センサ４によって計測された圧力とインデューサ２に加わる応力との関係を規定する関数である。例えば、インデューサ２に歪みセンサが設けられ、圧力センサ４によって計測された圧力と、歪みセンサによって計測されたインデューサ２の歪みと、の関係を規定する関数を伝達関数として事前に求めておく。応力応答取得部１２は、取得した応力応答を累積疲労損傷度計算部１３に出力する。
【００２６】
累積疲労損傷度計算部１３は、応力応答取得部１２によって取得された応力応答に基づいて、インデューサ２の累積疲労損傷度を計算する累積疲労損傷度計算手段として機能する。累積疲労損傷度計算部１３は、例えばレインフロー法アルゴリズムを用いて、応力応答を応力振幅と平均応力との組に分解する。
【００２７】
図４及び図５は、レインフロー法アルゴリズムを用いた応力応答の分解を説明するための図である。図４の（ａ）〜（ｃ）及び図５の（ａ）〜（ｃ）において、横軸は時間（軸）を示し、縦軸は応力σを示す。図４の（ａ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、応力応答から、サンプリング区間Ｔで評価対象を抽出する。サンプリング区間Ｔは、応力応答の評価される最低周期に基づいて予め定められる。また、評価される最高周期に基づいて、サンプリング間隔ΔＴが予め定められる。サンプリング区間Ｔは、例えば、数秒程度である。累積疲労損傷度計算部１３は、評価対象の最大値及び最小値を抽出し、最大値を境界として評価対象を横軸における前半部分Ｒ１と後半部分Ｒ２とに分割する。
【００２８】
そして、図４の（ｂ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、前半部分Ｒ１を後半部分Ｒ２の後ろに接続することによって、両端に最大値を有する形状を呈する容器を生成する。図４の（ｃ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、この容器に仮想的に水を満たす。累積疲労損傷度計算部１３は、この最高水位点Ｗｍａｘ１と最低水位点Ｗｍｉｎ１との差分を算出して応力振幅σａ１とし、最高水位点Ｗｍａｘ１と最低水位点Ｗｍｉｎ１との中間値を算出して平均応力σｍ１とする。累積疲労損傷度計算部１３は、分解によって異なる組が得られるごとに、その組に対して新たな番号ｉを例えば昇順に割り当てる。
【００２９】
次に、図５の（ａ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、最低水位点Ｗｍｉｎ１から水を抜き、新たな最低水位点Ｗｍｉｎ２を決定する。そして、累積疲労損傷度計算部１３は、最低水位点Ｗｍｉｎ２に対応する貯水部分の水の最高水位点Ｗｍａｘ２と最低水位点Ｗｍｉｎ２とを用いて、応力振幅σａ２及び平均応力σｍ２を算出する。同様に、図５の（ｂ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、最低水位点Ｗｍｉｎ２から水を抜き、新たな最低水位点Ｗｍｉｎ３を決定し、最高水位点Ｗｍａｘ３と最低水位点Ｗｍｉｎ３とを用いて、応力振幅σａ３及び平均応力σｍ３を算出する。同様に、図５の（ｃ）に示されるように、累積疲労損傷度計算部１３は、最低水位点Ｗｍｉｎ３から水を抜き、新たな最低水位点Ｗｍｉｎ４を決定し、最高水位点Ｗｍａｘ４と最低水位点Ｗｍｉｎ４とを用いて、応力振幅σａ４及び平均応力σｍ４を算出する。
【００３０】
このようにして、累積疲労損傷度計算部１３は、評価対象の応力応答を複数の組（σａｉ，σｍｉ）に分解する。累積疲労損傷度計算部１３は、各組が得られた回数ｎｉをそれぞれカウントする。この例では、図４及び図５に示される分解により、回数ｎ１〜ｎ４はいずれも１となる。そして、累積疲労損傷度計算部１３は、次のサンプリング区間Ｔについても同様の処理を行う。累積疲労損傷度計算部１３は、さらなる分解によって異なる組が得られた場合には、その組に対して番号ｉを前回までの分解によって得られた組の連番で割り当てる。
【００３１】
累積疲労損傷度計算部１３は、ｋ（１以上の整数）個の組（σａｉ，σｍｉ）のそれぞれについて、式（１）で示される修正グットマン線図を用いて、等価応力振幅Ｓｓｉを計算する。等価応力振幅Ｓｓｉとは、平均応力がある場合に疲労強度に対する影響を考慮して補正した変動応力である。なお、引張強さＳｂは、インデューサ２の翼素材の引張強さであり、翼の材料によって予め定められる固定値である。番号ｉは、１以上ｋ以下の整数である。
【数１】
0006693198.tif 000002
【００３２】
図６は、インデューサ２の翼素材のＳ−Ｎ曲線を示す図である。図６では、横軸はサイクル数Ｎを示し、縦軸は応力振幅を示す。Ｓ−Ｎ曲線は、各応力振幅の応力のみが加わった際に、インデューサ２が損傷に至るサイクル数Ｎを示す。このＳ−Ｎ曲線は、インデューサ２の翼素材の疲労試験結果に基づいて定められる。なお、図６のグラフＧ１はマイナー則を示し、グラフＧ２は修正マイナー則を示す。
【００３３】
累積疲労損傷度計算部１３は、インデューサ２の翼素材のＳ−Ｎ曲線をもとに、等価応力振幅Ｓｓｉの応力のみがインデューサ２に加わった際に、インデューサ２が損傷に至るサイクル数Ｎｉを式（２）を用いて計算する。基準サイクル数Ｎ０は、基準応力振幅Ｓ０の応力のみがインデューサ２に加わった際に、インデューサ２が損傷に至るサイクル数である。傾きｂは、Ｓ−Ｎ曲線の傾きである。なお、両振り応力による応力集中効果を考慮して、傾きｂの値をＳ−Ｎ曲線の傾きの２倍としてもよい。
【数２】
0006693198.tif 000003
【００３４】
修正マイナー則を用いた場合、累積疲労損傷度ψ（ｔ）は式（３）で示される。累積疲労損傷度ψ（ｔ）は、ｎ回目のフライトの開始時点から経過時間ｔが経過した時点までの累積疲労損傷度である。なお、経過時間ｔは、ｎ回目のフライトの開始時点からの経過時間であり、サンプリング間隔ΔＴを単位時間としている。つまり、ｎ回目のフライトの開始時点からの経過時間がサンプリング間隔ΔＴ増加するごとに、経過時間ｔに１が加算される。以下の説明では、ｎ回目のフライトの開始時点から経過時間ｔが経過した時点を単に「経過時間ｔ」とする場合がある。
【数３】
0006693198.tif 000004
【００３５】
累積疲労損傷度計算部１３は、式（３）を用いて累積疲労損傷度ψ（ｔ）を計算する。累積疲労損傷度計算部１３は、サンプリング間隔ΔＴごとに累積疲労損傷度ψ（ｔ）を計算し、計算した累積疲労損傷度ψ（ｔ）を寿命消費率計算部１４及び判定部１５に出力する。
【００３６】
寿命消費率計算部１４は、累積疲労損傷度ψ（ｔ）の時間に対する変化率である寿命消費率ψ’（ｔ）を計算する寿命消費率計算手段として機能する。寿命消費率計算部１４は、サンプリング間隔ΔＴごとに累積疲労損傷度計算部１３から受け取る累積疲労損傷度ψ（ｔ）の差分Δψを計算する。つまり、寿命消費率計算部１４は、累積疲労損傷度ψ（ｔ）から累積疲労損傷度ψ（ｔ−１）を減算することにより、経過時間ｔが経過した時点における差分Δψ（ｔ）を計算する。
【００３７】
寿命消費率計算部１４は、式（４）に示されるように、差分Δψ（ｔ）をサンプリング間隔ΔＴで除算することによって、経過時間ｔにおける寿命消費率ψ’（ｔ）を計算する。寿命消費率計算部１４は、計算した寿命消費率ψ’（ｔ）を判定部１５に出力する。
【数４】
0006693198.tif 000005
【００３８】
判定部１５は、インデューサ２の累積疲労損傷度ψ及び寿命消費率ψ’（ｔ）に基づいて、インデューサ２の異常を判定する判定手段として機能する。ここで、図７を用いて、判定部１５によるインデューサ２の異常判定の概要を説明する。
【００３９】
図７は、インデューサ２の異常判定を説明するための図である。図７の横軸は時間を示し、縦軸は累積疲労損傷度ψを示す。インデューサ２の寿命を「１」とし、寿命を寿命安全率ｓｆで除算した値を寿命限界（１／ｓｆ）としている。寿命安全率ｓｆは、インデューサ２の寿命に対するマージンを設定するための値であり、例えば、１〜５程度である。つまり、寿命限界(１／ｓｆ)は、インデューサ２の損傷度の許容される限界を規定する値である。また、ロケット１の１回のフライト当たり、使用時間Ｘだけインデューサ２が動作する。ｎ回目のフライトの開始時点では、ｎ−１回目までのフライトによって累積疲労損傷度ψｎ−１が蓄積されている。この場合、残存寿命は、例えば (１／ｓｆ−ψｎ−１)である。
【００４０】
ｎ回目のフライトにおいて、累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えなければ、インデューサ２は正常と判定され、累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると、インデューサ２は異常と判定される。つまり、判定部１５は、累積疲労損傷度ψ（ｔ）及び寿命消費率ψ’（ｔ）に基づいて、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かを予測する。判定部１５は、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測した場合に、インデューサ２が異常であると判定し、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えないと予測した場合に、インデューサ２が正常であると判定する。具体的には、判定部１５は、経過時間ｔにおける寿命消費率ψ’（ｔ）でインデューサ２の寿命が消費され続けた場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かに基づいて、インデューサ２の異常判定を行う。
【００４１】
より具体的には、判定部１５は、式（５）に示される判定値Ｄ（ｔ）を用いてインデューサ２の異常を判定する。
【数５】
0006693198.tif 000006
【００４２】
ロケット１のｎ−１回目のフライトまでの累積疲労損傷度ψｎ−１に、ｎ回目のフライトの開始時点から経過時間ｔが経過した時点までの累積疲労損傷度ψｎ（ｔ）を加えた値は、１回目のフライトの開始時点からｎ回目のフライトにおける経過時間ｔまでの累積疲労損傷度ψである。判定部１５は、寿命限界(１／ｓｆ)及び累積疲労損傷度ψに基づいて残存寿命を計算する。判定部１５は、例えば、累積疲労損傷度ψを寿命限界(１／ｓｆ)から減算し、減算結果を経過時間ｔにおける残存寿命とする。つまり、判定部１５は、式（５）の右辺第１項の分子に示されるように、経過時間ｔにおける残存寿命を計算する。
【００４３】
判定部１５は、残存寿命及び寿命消費率ψ’（ｔ）に基づいて、残存時間ｔｒ（ｔ）を計算する。判定部１５は、例えば、式（５）の右辺第１項に示されるように、残存寿命を寿命消費率ψ’（ｔ）で除算することにより、残存時間ｔｒ（ｔ）を計算する。残存時間ｔｒ（ｔ）は、寿命消費率ψ’（ｔ）でインデューサ２の寿命が消費され続けた場合に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)に達するまでの時間である。判定部１５は、残存時間ｔｒ（ｔ）及び経過時間ｔに基づいて、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かを予測する。具体的には、判定部１５は、残存時間ｔｒ（ｔ）と経過時間ｔとの和が使用時間Ｘよりも小さい場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測し、残存時間ｔｒ（ｔ）と経過時間ｔとの和が使用時間Ｘ以上である場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えないと予測する。
【００４４】
つまり、判定部１５は、式（６）に示されるように、判定値Ｄ（ｔ）が負の値である場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測し、インデューサ２が異常であると判定する。判定部１５は、判定値Ｄ（ｔ）が０以上である場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えないと予測し、インデューサ２が正常であると判定する。
【数６】
0006693198.tif 000007
【００４５】
また、図７に示されるように、寿命消費率ψ’（ｔ）が、グラフＧｃｒｉの傾斜である基準値ψ’ｃｒｉよりも大きければ、インデューサ２は異常と判定され、寿命消費率ψ’（ｔ）が基準値ψ’ｃｒｉ以下であれば、インデューサ２は正常と判定されてもよい。つまり、判定部１５は、式（７）に示されるように、寿命消費率ψ’（ｔ）が所定の基準値ψ’ｃｒｉよりも大きい場合に、インデューサ２が異常であると判定し、寿命消費率ψ’（ｔ）が所定の基準値ψ’ｃｒｉ以下である場合に、インデューサ２が正常であると判定してもよい。基準値ψ’ｃｒｉは、実験等によって予め設定される。
【数７】
0006693198.tif 000008
【００４６】
判定部１５は、インデューサ２が異常であるか正常であるかを示す判定結果を出力部１６に出力する。
【００４７】
出力部１６は、判定部１５によって判定された判定結果を出力する出力手段として機能する。出力部１６は、例えば、ディスプレイ等の出力装置１０５に判定結果を出力する。出力部１６は、判定結果が異常であることを示す場合に、ロケット１の運転を安全に停止させるように、ロケット１の制御部に停止指示を送信してもよい。
【００４８】
次に、異常判定装置１０が行う異常判定方法の一例を説明する。図８は、異常判定装置１０が行う異常判定方法の一例を示すフローチャートである。図８に示される一連の処理は、ロケット１のｎ回目のフライトが開始されるタイミングで開始される。
【００４９】
まず、圧力取得部１１が、圧力センサ４によって計測された圧力を、インデューサ２の入力側における圧力として取得する（ステップＳＴ１１）。具体的には、圧力取得部１１は、圧力センサ４によって計測された圧力をサンプリングし、インデューサ２の入力側における圧力の圧力応答を取得する。そして、圧力取得部１１は、圧力応答を応力応答取得部１２に出力する。
【００５０】
続いて、応力応答取得部１２は、圧力応答に基づいて、応力応答を取得する（ステップＳＴ１２）。具体的には、応力応答取得部１２は、予め設定されている伝達関数を用いて、圧力応答を応力応答に変換する。そして、応力応答取得部１２は、応力応答を累積疲労損傷度計算部１３に出力する。
【００５１】
続いて、累積疲労損傷度計算部１３は、応力応答取得部１２によって取得された応力応答に基づいて、インデューサ２の累積疲労損傷度ψ（ｔ）を計算する（ステップＳＴ１３）。具体的には、累積疲労損傷度計算部１３は、例えばレインフロー法アルゴリズムを用いて、応力応答を複数の組（σａｉ，σｍｉ）に分解する。そして、累積疲労損傷度計算部１３は、組（σａｉ，σｍｉ）のそれぞれについて、式（１）を用いて等価応力振幅Ｓｓｉを計算する。そして、累積疲労損傷度計算部１３は、等価応力振幅Ｓｓｉの応力のみがインデューサ２に加わった際に、インデューサ２が損傷に至るサイクル数Ｎｉを式（２）を用いて計算する。そして、累積疲労損傷度計算部１３は、式（３）を用いて累積疲労損傷度ψ（ｔ）を計算し、寿命消費率計算部１４及び判定部１５に出力する。
【００５２】
続いて、寿命消費率計算部１４は、寿命消費率ψ’（ｔ）を計算する（ステップＳＴ１４）。具体的には、寿命消費率計算部１４は、累積疲労損傷度ψ（ｔ）と累積疲労損傷度ψ（ｔ−１）との差分Δψ（ｔ）を計算する。そして、寿命消費率計算部１４は、式（４）を用いて、寿命消費率ψ’（ｔ）を計算し、寿命消費率ψ’（ｔ）を判定部１５に出力する。
【００５３】
続いて、判定部１５は、式（５）を用いて判定値Ｄ（ｔ）を計算する（ステップＳＴ１５）。そして、判定部１５は、インデューサ２の異常判定を行う（ステップＳＴ１６）。具体的には、判定部１５は、式（６）に示されるように、判定値Ｄ（ｔ）が負の値である場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測し、インデューサ２が異常であると判定する。また、判定部１５は、判定値Ｄ（ｔ）が０以上である場合に、ｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えないと予測し、インデューサ２が正常であると判定する。また、判定部１５は、式（７）に示されるように、寿命消費率ψ’（ｔ）が基準値ψ’ｃｒｉよりも大きい場合に、インデューサ２が異常であると判定し、寿命消費率ψ’（ｔ）が基準値ψ’ｃｒｉ以下である場合に、インデューサ２が正常であると判定してもよい。そして、判定部１５は、インデューサ２が異常であるか正常であるかを示す判定結果を出力部１６に出力する。
【００５４】
続いて、出力部１６は、判定結果に基づいてインデューサ２が異常であるか正常であるかを判定する（ステップＳＴ１７）。判定結果がインデューサ２が正常であることを示す場合（ステップＳＴ１７；Ｎｏ）、出力部１６は、例えば、ディスプレイ等の出力装置１０５に判定結果を出力し、そしてステップＳＴ１１〜ＳＴ１７の処理が繰り返される。
【００５５】
一方、判定結果がインデューサ２が異常であることを示す場合（ステップＳＴ１７；Ｙｅｓ）、出力部１６は、例えば、ディスプレイ等の出力装置１０５に判定結果を出力するとともに、ロケット１の運転を安全に停止させるように、ロケット１の制御部に停止指示を送信する（ステップＳＴ１８）。以上のようにして、異常判定装置１０が行う異常判定方法の一連の処理が終了する。
【００５６】
このように、異常判定装置１０及び異常判定装置１０が行う異常判定方法では、インデューサ２に加わる応力応答に基づいてインデューサ２の累積疲労損傷度ψが計算され、時間に対する累積疲労損傷度ψの変化率である寿命消費率ψ’（ｔ）が計算される。そして、累積疲労損傷度ψ及び寿命消費率ψ’（ｔ）に基づいて、インデューサ２の異常が判定される。
【００５７】
インデューサ２では、１回のフライトで使用される使用時間Ｘが予め定められており、その使用時間Ｘの間に、インデューサ２の累積疲労損傷度ψがインデューサ２の寿命に達しなければ、ロケット１の運転を安全に行うことができる。例えば、累積疲労損傷度ψに対して閾値を予め設定することによって、累積疲労損傷度ψが閾値を超えた場合にインデューサ２が異常であると判定することも考えられる。しかしながら、ロケット１のインデューサ２では、様々な要因によって損傷が累積するので、累積疲労損傷度ψが一定の割合で累積されるとは限らない。このため、累積疲労損傷度ψの累積速度（寿命消費率ψ’（ｔ））が変化した場合に、適切なタイミングでインデューサ２の異常を判定することができないおそれがある。例えば、安全性を重視して、閾値が大きく設定されている場合、ロケット１の運転を安全に行うことができたとしても、インデューサ２が異常であると判定されることがある。
【００５８】
これに対して、異常判定装置１０では、累積疲労損傷度ψだけでなく寿命消費率ψ’（ｔ）を考慮することによって、累積疲労損傷度ψの累積速度（寿命消費率ψ’（ｔ））に応じてインデューサ２の異常を判定することができる。その結果、インデューサ２の異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００５９】
具体的には、累積疲労損傷度ψ及び寿命消費率ψ’（ｔ）に基づいて、ロケット１のｎ回目のフライト中にインデューサ２の累積疲労損傷度ψがインデューサ２の寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かが予測される。ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると、インデューサ２が破損するおそれがある。このため、ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測された場合に、インデューサ２が異常であると判定される。これにより、インデューサ２が破損する前にインデューサの異常を判定することが可能となる。
【００６０】
より具体的には、ロケット１のｎ回目のフライトの開始時点から経過時間ｔが経過した時点において、寿命限界(１／ｓｆ)から累積疲労損傷度ψを減算することにより、残存寿命が計算され、経過時間ｔにおける寿命消費率ψ’（ｔ）で残存寿命を除算することにより、累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)に達するまでの残存時間ｔｒ（ｔ）が計算される。そして、残存時間ｔｒ（ｔ）及び経過時間ｔに基づいて、ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かが予測される。ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かは、残存時間ｔｒ（ｔ）及び経過時間ｔの和と使用時間Ｘとの大小関係によって決まる。このため、残存時間ｔｒ（ｔ）及び経過時間ｔの和が使用時間Ｘよりも小さい場合に、ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測される。つまり、寿命消費率ψ’（ｔ）で、残存寿命を消費すると仮定して、ロケット１のｎ回目のフライト中に累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えるか否かが予測される。
【００６１】
例えば、図７の経過時間ｔ１及び経過時間ｔ２では、累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えないと予測されるので、インデューサ２が正常であると判定される。しかし、経過時間ｔ３では、累積疲労損傷度ψが寿命限界(１／ｓｆ)を超えると予測されるので、インデューサ２が異常であると判定される。このようにして、ロケット１のフライト中における、寿命消費率ψ’（ｔ）がリアルタイムでモニタされることにより、ロケット１のフライト中にインデューサ２の寿命が尽きるかどうかを判定することができる。これにより、ロケット１のフライト中において、何らかの要因によって寿命消費率ψ’（ｔ）が変化した場合でも、寿命消費率ψ’（ｔ）に応じて、インデューサ２の異常を判定することができる。その結果、インデューサ２の異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００６２】
例えば、インデューサ２に発生する加振力が、何らかの異常で増大し、構造的に歪み振幅過大となることがある。このような場合でも、インデューサ２の高サイクル疲労による破損の発生を防ぐために、インデューサ２の寿命に対してマージンを持たせて寿命限界(１／ｓｆ)が設定されているので、インデューサ２の寿命に対して余裕を持ってロケット１のエンジンを停止させることができる。
【００６３】
また、想定される基準値ψ’ｃｒｉよりも寿命消費率ψ’（ｔ）が大きい場合には、インデューサ２に何らかの異常が生じている可能性がある。このため、寿命消費率ψ’（ｔ）が基準値ψ’ｃｒｉよりも大きい場合に、インデューサ２が異常であると判定することによって、インデューサ２が破損する前にインデューサ２の異常を判定することができる。その結果、インデューサ２の異常の判定精度を向上することが可能となる。
【００６４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、インデューサ２に歪みセンサが設けられてもよい。この場合、応力応答取得部１２は、歪みセンサによって計測されたインデューサ２の歪みに基づいて、応力応答を直接取得してもよい。この場合、圧力取得部１１は省略され得る。また、応力応答取得部１２は、歪みセンサによってインデューサ２の歪みが計測できなかった場合に、圧力応答に基づいて、応力応答を取得してもよい。これにより、インデューサ２に加わる応力（歪み）を直接計測できない場合でも、圧力センサ４によってインデューサ２の入力側における圧力を計測することによって、インデューサ２に加わる応力の応力応答を間接的に取得することができる。
【００６５】
また、累積疲労損傷度計算部１３は、累積疲労損傷度ψ（ｔ）にｎ−１回目のフライトまでの累積疲労損傷度ψｎ−１を加算することによって、累積疲労損傷度ψを計算してもよい。この場合、累積疲労損傷度計算部１３は、累積疲労損傷度ψを寿命消費率計算部１４及び判定部１５に出力してもよい。
【００６６】
また、出力部１６は、判定結果がインデューサ２が異常であることを示す場合、ロケット１の制御部に停止指示を送信しなくてもよい。管理者がディスプレイ等の出力装置１０５に出力された判定結果を確認し、手動でロケット１の制御部に停止指示を送信してもよい。
【００６７】
また、異常判定装置１０は、ロケット１のターボポンプのインデューサ２に限られず、一般産業用ポンプのインデューサの異常を判定してもよい。この場合、ポンプの１回の動作当たりに、インデューサは、予め定められた使用時間Ｘだけ使用される。また、１回の動作当たりに、予め定められた使用時間Ｘだけ使用される部品の異常を判定してもよい。いずれの場合も、圧力取得部１１、応力応答取得部１２、累積疲労損傷度計算部１３、寿命消費率計算部１４、判定部１５及び出力部１６は、上記実施形態と同様に動作する。
【符号の説明】
【００６８】
１  ロケット
２  インデューサ
４  圧力センサ
１０  異常判定装置
１１  圧力取得部
１２  応力応答取得部
１３  累積疲労損傷度計算部
１４  寿命消費率計算部
１５  判定部
１６  出力部
【図１】
0006693198.tif 000009
【図２】
0006693198.tif 000010
【図３】
0006693198.tif 000011
【図４】
0006693198.tif 000012
【図５】
0006693198.tif 000013
【図６】
0006693198.tif 000014
【図７】
0006693198.tif 000015
【図８】
0006693198.tif 000016