(57)【要約】【課題】【解決手段】打ち上げの際、最終的な昇圧段階を提供する乗物作動式の打ち上げ用乗物の上段ステージ３を有する宇宙船組立体すなわち「スタック」１を備える宇宙船システムである。スタック１は、上段ステージと相互に接続されたペイロード構造体２も有している。上段ステージ３及びペイロード構造体２は、共に、打ち上げの際、推力軸線とほぼ一致する中心軸線を画成する。スタック１は、中心軸線に対し平行でない最大慣性モーメント軸線を有する。スタック１は、内部減衰を有しており、上段ステージ３及びペイロード構造体２が同一の回転速度及び同一の方向に向けて中心軸線の周りにて回転するならば、不安定な章動が生ずる。
2006525191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船システムにおいて、
該宇宙船システムはスタックを含み、
該スタックは、打ち上げの際に最終的な昇圧段階を提供するロケット作動の打ち上げ用乗物の上段ステージと、該上段ステージと相互に回転可能に接続されたペイロード構造体とを有し、該上段ステージ及び該ペイロード構造体は共に、打ち上げの際に打ち上げ軸線とほぼ一致する中心軸線を画成しており、前記スタックは、前記中心軸線に対し平行でない最大慣性モーメント軸線を画成しており、且つ、前記上段ステージ及び前記ペイロード構造体が共に同一の回転速度及び方向で前記中心軸線の周りを回転したならば不安定な章動が生じるであろうような内部減衰作用を有しており、
前記最終的な昇圧段階の際に前記ペイロード構造体を前記上段ステージに相対的に回転させ且つ前記スタックのコーニング運動を緩和するコントローラを有する、宇宙船システム。
【請求項２】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記コントローラは、地球に配置され且つ無線信号を介して前記スタックと連絡するようになされている、宇宙船システム。
【請求項３】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記コントローラは、オンボード型であり、また、前記スタックの一部を形成している、宇宙船システム。
【請求項４】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記最終的な昇圧段階の際に前記上段ステージに相対的な動力回転を前記ペイロード構造体に与えるモータを有する、宇宙船システム。
【請求項５】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記ペイロード構造体と前記上段ステージとの間に設けられた振動隔離装置にして、複数の減衰器とばね部材とを有する振動隔離装置を有する、宇宙船システム。
【請求項６】
請求項５に記載の宇宙船システムにおいて、前記上段ステージと前記ペイロード構造体とを回転可能に相互に接続する動力駆動組立体を有する、宇宙船システム。
【請求項７】
請求項６に記載の宇宙船システムにおいて、前記動力駆動組立体は、前記ペイロード構造体と前記振動隔離装置とに接続され、該振動隔離装置は、前記上段ステージに接続されている、宇宙船システム。
【請求項８】
請求項６に記載の宇宙船システムにおいて、前記振動隔離装置は、前記ペイロード構造体と前記動力駆動組立体とに接続され、該動力駆動組立体は、前記上段ステージに接続されている、宇宙船システム。
【請求項９】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記ペイロード構造体及び前記上段ステージを相互に接続する少なくとも１つの動力作動アクチュエータを有し、前記コントローラは、最終的な打ち上げ段階の際に、前記スタックの章動を緩和し得るよう前記アクチュエータを能動的に制御するようになされている、宇宙船システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の宇宙船システムにおいて、前記動力作動アクチュエータは、電動の伸長可能なストラットを備えている、宇宙船システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の宇宙船システムにおいて、前記ペイロード構造体は、最終的な昇圧段階の少なくとも一部分の間、アイオリロの判定基準を満足させる速度にて前記上段ステージに相対的に回転し、前記スタックがコーニング運動に対し動的に安定的となるようにしている、宇宙船システム。
【請求項１２】
打ち上げの際、宇宙船を安定化させる方法において、
スピン軸線を有し、且つ、ペイロード構造体と、前記打ち上げの少なくとも一部分の間に昇圧力を発生させる打ち上げ用乗物構造体とを有する宇宙船であって、前記打ち上げ用乗物構造体が前記ペイロード構造体と回転可能に相互に接続されており、前記ペイロード構造体及び打ち上げ用乗物構造体が共に前記スピン軸線の周りにて同一の速度で回転するならば動的に不安定になるであろう前記宇宙船を提供するステップと、
打ち上げの際、前記ペイロード構造体を前記打ち上げ用乗物構造体に相対的に回転させて章動を緩和するステップとを備える、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、前記ペイロード構造体は、アイオリロの判定基準を満足させる速度にて前記スピン軸線の周りを前記打ち上げ用乗物構造体に相対的に回転され、それにより前記宇宙船が章動に関して動的に安定的となる、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法において、動力作動アクチュエータが、ペイロード構造体と打ち上げ用乗物構造体とを相互に接続し、
前記アクチュエータは、スピン軸線に対し垂直な方向のトルクを発生させて前記宇宙船の章動を能動的に制御し得るよう、選択的に作動される、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記ペイロード構造体と前記打ち上げ用乗物構造体との間に減衰器を提供するステップを備える、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法において、前記ペイロード構造体は、前記打ち上げ用乗物構造体が昇圧力を発生する間、前記打ち上げ用乗物構造体に相対的に回転される、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記ペイロード構造体は、前記昇圧力の停止後、前記打ち上げ用乗物構造体から分離される、方法。
【請求項１８】
スピン安定化された宇宙船において、
ペイロード構造体と、
スピン軸線の周りにて前記ペイロード構造体に対し回転し得るよう前記ペイロード構造体と回転可能に相互に接続された上段ステージの打ち上げ用乗物であって、上昇打ち上げ段階の際、前記打ち上げ用乗物を作動させるモータを有する前記上段ステージ打ち上げ用乗物と、
前記打ち上げ用乗物を前記ペイロード構造体に相対的に回転させ得る形態とされた動力作動アクチュエータと、
前記ペイロード構造体を前記打ち上げ用乗物から分離させ得るよう選択的に作動される解放機構と、
上段ステージの打ち上げ段階の際、前記動力アクチュエータを作動させ、且つ、前記ペイロード構造体を前記打ち上げ用乗物に相対的に回転させるコントローラと、を備える、スピン安定化された宇宙船。
【請求項１９】
請求項１８に記載の宇宙船において、
前記ペイロード構造体と前記打ち上げ用乗物構造体とを相互に接続し、且つ、ペイロード構造体と打ち上げ用乗物構造体との間に前記スピン軸線に対し垂直な方向のモーメントを発生させる、少なくとも１つの動力作動アクチュエータを備え、前記コントローラは、前記上昇打ち上げ段階の際、コーニング運動の増大を減少させ得るよう前記動力作動アクチュエータを選択的に作動させるようになされている、宇宙船。
【請求項２０】
請求項１９に記載の宇宙船において、少なくとも１つのばねと、前記ペイロード構造体を前記打ち上げ用乗物構造体に相互に接続し、且つ、コーニング運動を減少させ得るようエネルギを放散する少なくとも１つの減衰器とを有する負荷隔離器を備える、宇宙船。
【請求項２１】
請求項２０に記載の宇宙船において、前記負荷隔離器は、章動安定性を保証するのに十分なエネルギを放散させる、宇宙船。
【請求項２２】
打ち上げ用乗物システムにおいて、
該宇宙船はスタックを含み、
該スタックは、打ち上げの際に最終的な昇圧段階を提供するロケット作動の打ち上げ用乗物の上段ステージと、該上段ステージと相互に接続されたペイロード構造体とを有し、前記上段ステージ及び前記ペイロード構造体は共に、打ち上げの際に打ち上げ軸線とほぼ一致する中心軸線を画成しており、前記スタックは、前記中心軸線に対し平行でない最大慣性モーメント軸線を画成しており、且つ、前記上段ステージ及び前記ペイロード構造体が同一の回転速度及び方向で前記中心軸線の周りを回転したならば不安定な章動が生じるであろうような内部減衰作用を有しており、
前記ペイロード構造体は、角運動量を蓄える回転部材を有する姿勢制御システムを備えており、
前記姿勢制御システムと作用可能に接続されたコントローラにして、最終的な昇圧段階の際に、スタックのコーニング運動を緩和する形態とされたコントローラと、を備える打ち上げ用乗物システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記コントローラは、地球に配置され、且つ、無線信号を介して前記スタックと連絡するようになされている、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２４】
請求項２２に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記コントローラは、オンボード型であり、また、前記スタックの一部を形成している、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２５】
請求項２２に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記ペイロード構造体と前記上段ステージとの間に設けられ、複数の減衰器とばね部材とを有する振動隔離装置を有する、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記上段ステージと前記ペイロード構造体とを回転可能に相互に接続する動力駆動組立体を有する、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記動力駆動組立体は、前記ペイロード構造体と前記振動隔離装置とに接続され、該振動隔離装置は、前記上段ステージと接続されている、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２８】
請求項２６に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記振動隔離装置は、前記ペイロード構造体と前記動力駆動組立体とに接続され、該動力駆動組立体は、前記上段ステージと接続されている、打ち上げ用乗物システム。
【請求項２９】
請求項２２に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記ペイロード構造体及び前記上段ステージを相互に接続する少なくとも１つの動力作動アクチュエータを有し、前記コントローラは、最終的な打ち上げ段階の際に前記スタックの章動を緩和し得るよう前記アクチュエータを能動的に制御するようになされている、打ち上げ用乗物システム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の打ち上げ用乗物システムにおいて、前記動力作動アクチュエータは、電動の伸長可能なストラットを備えている、打ち上げ用乗物システム。
【請求項３１】
打ち上げの際、宇宙船を安定化させる方法において、
スピン軸線を有し、且つ、ペイロード構造体と、前記打ち上げの少なくとも一部分の間に昇圧力を発生させる打ち上げ用乗物構造体とを有する前記宇宙船であって、前記打ち上げ用乗物構造体は、前記ペイロード構造体と回転可能に相互に接続されており、前記ベイロード構造体は、角運動量を蓄える回転部材を有する姿勢制御システムを含み、前記ペイロード構造体及び打ち上げ用乗物構造体が前記姿勢制御システムを作動させずに前記スピン軸線の周りを同一の速度で共に回転するならば動的に不安定になるであろう前記宇宙船を提供するステップと、
打ち上げの際、前記ペイロード構造体を前記打ち上げ用乗物構造体に相対的に回転させ、且つ、これと同時に前記姿勢制御システムを作動させて前記宇宙船の章動を緩和するステップと、を備える、方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載に方法において、動力作動アクチュエータが、ペイロード構造体と打ち上げ用乗物構造体とを相互に接続し、
前記アクチュエータは、スピン軸線に対し垂直な方向のトルクを発生させて前記宇宙船の章動を能動的に制御し得るよう、選択的に作動される、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載に方法において、前記ペイロード構造体と前記打ち上げ用乗物構造体との間に減衰器を提供するステップを備える、方法。
【請求項３４】
請求項３１に記載に方法において、前記ペイロード構造体は、前記打ち上げ用乗物構造体が昇圧力を発生する間、前記打ち上げ用乗物構造体に相対的に回転される、方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、２００３年１月１４日付けで出願された、「スピン安定化された宇宙船（ＳＰＩＮ  ＳＴＡＢＩＬＩＺＥＤ  ＳＰＡＣＥＣＲＡＦＴ）」という名称の米国仮特許出願明細書６０／４３９，８３４号の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
人工衛星及びその他宇宙船（ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ）は、一般に、打ち上げ用乗物（ｌａｕｎｃｈ−ｖｅｈｉｃｌｅ）の上段ステージ（ｕｐｐｅｒ  ｓｔａｇｅ）に取り付けられ、該上段ステージは、最終的な打ち上げ又は昇圧段階にて人工衛星を周回軌道に乗せる。かかる上段ステージは、宇宙船及び打ち上げ用乗物の上段ステージを一緒にスピン軸線の周りにてスピンさせることにより安定化されている。しかし、宇宙船及び打ち上げ用乗物の各々は、典型的には、運動エネルギを放散させる流体を内部に有する推進剤タンクを収容しており、その結果、不安定となる。かかる不安定によってシステムのスピン軸線はその望ましい長手方向方位から逸脱し、スピン過程の間、更に外方にコーニング運動する。数度のコーニング運動でも最終的な周回中、数ｋｍの誤差となる可能性がある。かかるコーニング運動に対応するため推進剤に十分な余裕を持たせることは、上段ステージが受容することができないであろう約１００ｋｇ程度の燃料を必要とする可能性がある。更に、大きいコーニング角になると、高度のみならず、周回の傾き及び昇交点にても著しい誤差を生じる可能性がある。コーニング運動が十分顕著となるならば、完全な宙返りが生ずる可能性がある。これが生じるならば、宇宙船は全体として迷子の状態となり、ミッションの過早の終了をもたらすことになる。更に、所定の宇宙船及び打ち上げ用乗物の上段ステージのコーニング運動の振舞いを予見するためには、著しい時間及びリソースが必要とされよう。打ち上げ用乗物と宇宙船（ペイロード（ｐａｙｌｏａｄ））の流体動作が不適合であるならば、広範囲な分析、試験及び同様のものが必要とされよう。
【０００３】
打ち上げの際、最終的な昇圧段階を提供するロケット作動の打ち上げ用乗物の上段ステージを有する宇宙船／打ち上げ用乗物スタックを備える宇宙船システムが提供される。該スタックは、また、上段ステージと回転可能に相互に接続された人工衛星のようなペイロード構造体も有している。上段ステージとペイロード構造体とは、共に、打ち上げの際、推力軸線と全体として一致する中心軸線を画成する。スタックは、中心軸線に対し平行でない最大慣性モーメント軸線を有している。スタックは、内部減衰作用を有しており、このため、上段ステージ及びペイロード構造体が同一の回転速度にて且つ、同一の方向に向けて中心軸線の周りを共に回転するならば、不安定な章動（ｎｕｔａｔｉｏｎ）が生じる。該システムは、最終的な昇圧段階中、ペイロード構造体を上段ステージに対して回転させてスタックのコーニング運動を緩和するコントローラを有している。
【０００４】
ペイロード構造体と、スピン軸線の周りにて該ペイロード構造体に対し回転し得るようペイロード構造体と回転可能に相互に接続された上段ステージ打ち上げ用乗物とを有する宇宙船も提供される。該打ち上げ用乗物は、その最終的な上昇段階の間、打ち上げ用乗物を作動させる乗物モータを有している。宇宙船は、打ち上げ用乗物をペイロード構造体に対し回転させ得る形態とされた動力作動アクチュエータを有している。解放機構が選択的に作動されてペイロード構造体を打ち上げ構造体から分離させ、また、コントローラは、動力作動アクチュエータを作動させ且つ、上昇打ち上げ段階の間、ペイロード構造体を打ち上げ用乗物に対し回転させる。
【０００５】
ペイロード構造体と、回転継手無しにて、すなわち、従来の要領にて接続された上段ステージ打ち上げ用乗物とを有し、また、角運動量を蓄えるためのモーメンタムホイール、１つ又は複数の反動ホイール、又はその他の同様の装置を有する宇宙船が更に提供される。この１つ又は複数のホイールは、連結された宇宙船／打ち上げ用乗物／ホイールシステムの動力学的影響力を通じて最終的な昇圧段階の間、組み合わさった宇宙船及び打ち上げ用乗物を安定化させる。この影響力は、回転継手により実現可能なものと実質的に数学的に同一であるが、宇宙船又はペイロードにおける既存のアクチュエータを利用することができ、全体的により軽量な解決策となることができる。
【詳細な説明】
【０００６】
本発明の上記及びその他の特徴、有利な効果並びに目的は、以下の説明、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより、当該技術分野の当業者に更に理解され且つ了知されよう。
【０００７】
本明細書の目的上、「上方」、「下方」、「右側」、「左側」、「後部」、「正面」、「垂直」、「水平」という語及びそれらの派生語は、図１にて方位決めしたような本発明に関するものである。しかし、本発明は、その反対の意味が明示的に特定されている場合を除いて、各種の代替的な方位及びステップ順序をとることが可能であることを理解すべきである。また、添付図面に示し且つ、以下の説明に記載された特定の装置及び過程は、特許請求の範囲に規定された本発明の思想の単に一例としての実施の形態を示すものであることも理解すべきである。従って、本明細書に開示された実施の形態に関する特定の寸法及びその他の物理的特徴は、明示的に別段の記載がない限り、限定的なものと理解されるべきではない。
【０００８】
宇宙船の動力学
宇宙船の動力学における周知の原理は、その最小慣性モーメントと整合した軸線の周りをスピンする剛体はエネルギの放散が存在するとき、不安定であるということである。この形態は、エネルギ力が少しでも損失すれば、システムをこのスピンから逸脱させることになる、最大運動−エネルギを呈する。図１を参照すると、宇宙船組立体又はスタックは、人工衛星のようなペイロード構造体２と、打ち上げ用乗物の上段ステージ３とを有している。全体として、先行技術のシステムにおいて、ペイロード構造体２は、２つの構造体を相対的モーメントを許容しないようにして剛性に相互に接続するコネクタを利用して上段ステージ３に固定される。ペイロード構造体２及び上段ステージ３は、全体として、打ち上げの最終段階の間、スピン軸線４の周りを共にスピンし、スタックを安定化させるのを助ける。しかし、かかる前方に取り付けたペイロード及び打ち上げ用乗物は、共に、全体として、長く細い形状を有しており、このため、スタックは、その最小慣性モーメントと整合され又は該慣性モーメントに近い軸線の周りにてスピンし、不安定なシステムを形成する。このように、スタックは、コーニング運動角度５にて「コーニング運動」の要領で章動する傾向となる。コーニング運動角度が大きいならば、高度のみならず、周回傾き及び昇交点にて顕著な誤差を生じさせる可能性がある。コーニング運動角度の増大が続くならば、スタックは、最大軸線の周りにて平坦にスピンし始め、宇宙船は迷走することになろう。
【０００９】
全体として、人工衛星のペイロードにおける流体の動きはコーニング運動増大の原因であるが、幾つかの上段ステージ打ち上げ用乗物の設計における極低温冷却剤もコーニング運動増大の原因となる。燃料タンク、ヒートパイプ及びその他の流体を充填したキャビティは、本来的に運動エネルギを熱に変化させ且つ、最終的にその熱を宇宙に放射する要領にて宇宙船の本体と相互作用する放散性のサブシステムである。この相互作用は、大部分、剛体のジャイロスコープ的動力学に依存する。章動モードは、流体モードと強力に結合されるならば、運動エネルギを流体中に効率的に伝達する可能性がある。このため、この問題は、強減衰動数が章動モードの振動数となる強制共振の問題である。
【００１０】
球形の燃料タンク及び簡単なヒートパイプの設計は、容易に解析できる、すなわち以前の飛行データに基づいて少なくともその性能を制限することが可能である。更に、球形のタンクは、相対的に弱い減衰器となる傾向となる。しかし、現在の技術の宇宙船は、体積効率さのため、非球形のタンクを内蔵することがしばしばであり、かかるタンクは、偏向板の重量のため、偏向板を含むことは殆どない。かかる偏向板は、流体モードを解消し且つ、章動動力学との結合を低下させることができるが、かかる偏向板は、偏向板の上述した重量のため、一般に含められていない。更に、低いスピン速度の動力学は、流体動力学における表面張力効果を増大させる可能性がある。結合又はエートベッシュ（Ｅｏｔｖｏｓ）数が小さいとき、これらの効果は、スピン動力学を支配し、動揺（ｓｌｏｓｈ）減衰が予想できない程、大きい結果となる。
【００１１】
先行技術の二重スピン人工衛星は、全体として、スピン部分（ロータ）と、安定化のための非スピン部分（プラットフォーム）とを有している。プラットフォームにおけるエネルギの放散率がロータのそれを上廻るとき、かかる人工衛星の姿勢動力学は、安定化させることができる。この技術は、相対的なスピン速度を有する任意の数の回転体に適用し得るよう一般化されている。システム回転部分は、モーメンタムホイールのようなものとして作用し、システムに対しジャイロスコープ的剛性を加え且つ、動力学を効果的に増強し、このため、システムは不安定な小軸線スピナーではなくて、本来的に最大軸線のスピナーであるかのように安定的に振舞う。このため、コーニング運動の増大速度を遅くし又は逆転させることさえもできる。
【００１２】
多数体スピナーの章動安定性
以下に、共通の軸線の周りにてスピン自在であるｍ体を有する打ち上げ用乗物について説明する。この派生的説明は、Ａ．Ｊ．アイオリロ（Ｉｏｒｉｌｌｏ）の１９６５年の結果に従うものである。Ｈ０は、このスピン軸線の周りのシステムの角運動量を表わすものとする。ｉ番目の体は、スピン慣性力ｌｉを有し、また、ｉ番目の体内に固定されたフレームＢｉは、慣性フレームＮ内にて角速度ベクトルωＢｉ／Ｎを有する。表現上の簡略化のため、スケーラωｉは、各体のスピン軸線の周りにおける慣性角速度を表わす。体は、十分な釣合い及び対称のものであると仮定し、このため、乗物の質量中心に対する乗物の全横慣性力Ｉｉ（スピン体の集合体の合計値）は、Ｂｉフレームの任意のものにおいて一定である。スピン軸線に対して横方向のωＢｉ／Ｎの成分は、ω０である。かかるシステムの慣性章動振動数ω０は、次の通りである。
【００１３】
【数１】
2006525191.tif 000003
【００１４】
角運動量及び運動エネルギは次のように表わされる。
【００１５】
【数２】
2006525191.tif 000004
【００１６】
【数３】
2006525191.tif 000005
【００１７】
外部トルクが無く、このため角運動量はＮにて一定となると仮定すれば、次式のようになる。
【００１８】
【数４】
2006525191.tif 000006
【００１９】
このため、エネルギの放出率（Ｅの上にドットを付したもの）は、次式となる。
【００２０】
【数５】
2006525191.tif 000007
【００２１】
等式（４）から代入すれば、次式となる。
【００２２】
【数６】
2006525191.tif 000008
【００２３】
ここで、λｉ＝λ０−ωｉは、ｉ番目の回転体フレームＢｉにて観察された、章動振動数である。
【００２４】
【数７】
2006525191.tif 000009
【００２５】
（７）を（４）に代入すれば、次式となる。
【００２６】
【数８】
2006525191.tif 000010
【００２７】
エネルギの放出率は、運動エネルギが放散される時、マイナスであるため、この関係の右側はマイナスであり、横方向率ω０（コーニング運動を明示する）は、
【００２８】
【数９】
2006525191.tif 000011
【００２９】
であるとき減少することを示す。これらの状態下にて、スピン体の集合体は共通の軸線の周りにて平衡なスピン状態となり勝ちとなる、すなわち姿勢動力学は、受動的に安定的となる。このため、ｉ番目の体
【００３０】
【数１０】
2006525191.tif 000012
【００３１】
における受動的なエネルギ放散は、慣性スピンωｉが（ａ）ω０と反対であるか、（ｂ）ω０と同一方向であるが、より遅いならば、安定化する。Ｈ０の方向が正であるとするならば、（これが真である慣性座標系が画成されることのみを必要とする）、次に、受動的安定性は、λ０＞ωｉでありさえすればよい。この不同一さは、アイオリロの判定基準として知られるようになっている。本発明の内容において、本明細書に記載したスピン体は、回転継手を通じて打ち上げ用乗物に取り付けた人工衛星、打ち上げ用乗物自体及び（又は）同様の運動量の議論を可能にするその他の体（反動ホイール又はモーメンタムホイールのような）とすることができる。
【００３２】
スピンするペイロードｍ＝２を有する打ち上げ用乗物の場合、付加文字ｐはペイロードを表わし、ｕは上段ステージを示すものとする。アイオリロの判定基準は、次の通りである。
【００３３】
【数１１】
2006525191.tif 000013
【００３４】
次の３つの条件の任意のものが満たされるとき、コーニング運動は増大しない。
【００３５】
【数１２】
2006525191.tif 000014
【００３６】
【数１３】
2006525191.tif 000015
【００３７】
【数１４】
2006525191.tif 000016
【００３８】
理解し得るように、これらの条件は、Ｈ０（従ってω０）がプラスであり、
【００３９】
【数１５】
2006525191.tif 000017
【００４０】
がマイナスであると仮定する。しかし、等式（９）は、任意のパラメータに対する一般的なケースを捕捉するものである。
【００４１】
能動的減衰器による安定化エネルギの放散の導入
アイオリロの判定基準により、簡単な容積調節式減衰器からより巧緻な水銀充填リングまで、宇宙用途のための効果的なエネルギ減衰器ハードウェアが開発されるに至っている。判定基準は、特別の設計を必要とせず、そのエネルギ放散の結果、適宜な回転フレーム内にて適用される特定の大きさのトルクとなるに過ぎない。
【００４２】
２つの体の回転動作をより全体的な項にて表わす等式は、次の通りとなる。
【００４３】
【数１６】
2006525191.tif 000018
【００４４】
【数１７】
2006525191.tif 000019
【００４５】
ダイアディックＩｐ、Ｉｕがそれらの質量中心の周りのペイロード及び上段ステージの慣性力を表わす場合、ベクトルωｐ、ωｕは、Ｎにおけるペイロード固定フレーム及び段固定フレームの角速度を表わす。τｊは、継手に加えられたトルクを表わし、τｄｐ、τｄｕは、内部のエネルギ放散過程によりペイロード及び上段ステージにそれぞれ加えられた減衰トルクを表わす。上段ステージフレームに対するペイロードフレームの方位、又は姿勢は、相対的角速度ωｐ／ｕに依存し、また、任意の姿勢の表現値（四元数のような）を伝搬させることで計算することができる。方向−コサインマトリックス
【００４６】
【数１８】
2006525191.tif 000020
【００４７】
は、姿勢を表わすものとして使用することができる。その誘導値は微分方程式により与えられる。
【００４８】
【数１９】
2006525191.tif 000021
【００４９】
ここで、上付き符号Ｘは、問題となる成分における斜め−対称の外積マトリックスを示す、すなわち、
【００５０】
【数２０】
2006525191.tif 000022
【００５１】
この等式化により、インターフェース剛さ及び減衰が小さい姿勢動作における微分方程式を生成させ、また、エネルギの放散率を確立することができる。
【００５２】
顕在的な減衰装置のエネルギ放散率は、しばしば十分に理解される。すなわち、Ｅ（ｔ）は、システムパラメータの相対的に簡単な関数である。例えば、ｎ×ｎ質量により記述したｎ自由度のシステムが与えられるならば、減衰及び剛さマトリックスＭ、Ｃ、Ｋ、及び物理的座標における自由振動に対する運動等式は、次の通りとなる。
【００５３】
【数２１】
2006525191.tif 000023
【００５４】
エネルギ（運動及び位置エネルギの合計）は、次式となる。
【００５５】
【数２２】
2006525191.tif 000024
【００５６】
誘導値は、次式となる。
【００５７】
【数２３】
2006525191.tif 000025
【００５８】
関連する運動−エネルギ放散率が
【００５９】
【数２４】
2006525191.tif 000026
【００６０】
の項を加えるとのみ考えるならば、この項は振動の項であり、全体的な意味にて、合計値は、
【００６１】
【数２５】
2006525191.tif 000027
【００６２】
にて十分に表わされる。このように、形態的減衰を予見すれば、直線状システムとして表わすことのできる顕在的な減衰装置の放散率の簡単な推定値が得られる。
【００６３】
安定化エネルギの放散状態を導入するための能動的作動
簡単な回転継手の場合、等式（１０）、（１１）における境界トルクτｊは、スピン軸線の周りのモータトルクと、スピン軸線に対し垂直の制限トルクとから成っている。これらの制限トルクは、２つの回転体が接続されたままであることのみを保証する。しかし、アクチュエータを回転継手と直列に組み込むことは、τｊに対する多数のより多くの可能性を開くことになる。これらのアクチュエータは、電気機械的、液圧的又は任意の多数のその他の技術のものとすることができる。特に、τｊは、安定的な二重スピンシステムの体特徴の各々にトルクを加えるような要領にて駆動することができる。
【００６４】
一例として、アクチュエータにより加えられたτｊは次式により選ばれるものと考える。
【００６５】
【数２６】
2006525191.tif 000028
【００６６】
ここで、τｄｕは既知であると仮定する（この例の場合のみ）。次に、運動方程式は次式となる。
【００６７】
【数２７】
2006525191.tif 000029
【００６８】
【数２８】
2006525191.tif 000030
【００６９】
この例において、ペイロードの減衰状態は増大する一方、上段ステージの減衰状態は零となる。このため、十分に低いωρの場合、このシステムは安定的となろう。
【００７０】
アイオリロの判定基準は、エネルギ放散減衰器の設計に対し何も要求しない。このため、任意の減衰器のトルク特徴は、物理的に実現可能であるかどうかを問わずにτｊを通じて与えることができる。当該例は、数学的に便宜な減衰器モデル、すなわちカーネダンパー（Ｋａｎｅ  Ｄａｍｐｅｒ）と共に実施され、かかる振舞いを組み込むことができる方法を示す。その他の減衰等式も勿論、有効である。
【００７１】
カーネ減衰器は、球形慣性力Ｉｄ（慣性マトリックスは対角状であり、零でない全ての入力値は等しい）と、減衰定数ｃとから成る数学モデルである。該減衰器は球形であるため、減衰器の慣性マトリックスは、全てのフレームにて一定である。このため、運動方程式を生成するとき、減衰器の角運動量の誘導値が任意の便宜なフレームに対して取られる。ペイロードの場合、
【００７２】
【数２９】
2006525191.tif 000031
【００７３】
【数３０】
2006525191.tif 000032
【００７４】
ここで、ωｄｐは球形体の角速度である。検査により、システムがωｄｐ＝ωｐである相対的平衡状態となる迄、減衰器のトルクは有効である。
【００７５】
上段ステージに対して同様の等式を生成することができる。継手トルクは次式のように選ばれる。
【００７６】
【数３１】
2006525191.tif 000033
【００７７】
このため、形成されるシステムの運動方程式は次式のようになる。
【００７８】
【数３２】
2006525191.tif 000034
【００７９】
【数３３】
2006525191.tif 000035
【００８０】
これにより、能動的補償は、６つの状態、すなわち等式（２０）、（２１）にて説明した２つの仮想的減衰器本体の角速度を含む。ユーザは減衰係数及び減衰器の仮想的慣性力を選ぶ必要がある。この選択は、分離運動力学及び熱／電力制限値のようなシステムのその他の条件により課された角速度に対してアイオリロの判定基準が満足されるように行われる。
【００８１】
宇宙船を安定化させるための二重スピンスピン動力学の利用
上述したように、スタック（図１）は、全体として、人工衛星のようなペイロード２と、打ち上げ用乗物３の上段ステージとを有している。図示した例において、スタック１は、図２に関して以下により詳細に説明するペイロードスピン組立体６（「ＰＳＡ」）を有している。該ＰＳＡ６は、ペイロード２を打ち上げ用乗物の上段ステージ３に対してスピンさせる電気駆動モータを有している。ＰＳＡ６は、先行技術の装置であるが、ＰＳＡ６は、以前、上段ステージ３が打ち上げの上昇段階を完了した後に、ペイロード２を打ち上げ用乗物の上段ステージ３に対してスピンさせるために利用されていた。このため、先行技術の適用例において、ＰＳＡ６は、打ち上げ用乗物３を分離する直前に、ペイロード又は人工衛星２をスピンさせ、打ち上げ用乗物３から分離した後、人工衛星２に対し回転安定性を提供するため利用されていた。人工衛星組立体１は、人工衛星２内での振動負荷を減少させるためばね及び（又は）減衰器を有する振動隔離構造体７を備えることもできる。これと代替的に、以下により詳細に説明するように、受動的ばね及び減衰器の負荷隔離構造体に代えて、能動的負荷隔離装置２０を利用してもよい。スピン及び減衰器の負荷隔離装置は、その各々の内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書５，８０３，２１３号、米国特許明細書５，９１８，８６５号及び米国特許明細書５，９４７，２４０号に示されている。スタック１は、本明細書の目的のため、図１に概略図で示したコントローラ８Ａを更に有している。図示した例において、コントローラ８Ａは、無線信号を介して宇宙船に作用可能に連結された地球型装置の形態をしている。しかし、コントローラは、また、スタック内に取り付けられ且つ、ＰＳＡ６、振動隔離構造体７及び打ち上げ用乗物３と作用可能に接続されたオンボード装置を備えることもできる。
【００８２】
図２を参照すると、ＰＳＡ６は、打ち上げ用乗物の上段ステージ３に接続されるモータアダプタリング９を有している。ピニオン歯車１１が電気駆動モータ１０に取り付けられ且つ、リング歯車１２と係合してペイロード構造体２を打ち上げ用乗物３に対して動力制御状態で回転させる。４つの分離ばね１３は、人工衛星２を打ち上げ用乗物の上段ステージ３から分離させる。図示したＰＳＡは、ペイロード２を上段ステージ３に対して約７０ｒｐｍ迄スピンさせることができる。
【００８３】
図３を更に参照すると、能動的負荷隔離装置２０は、打ち上げ用乗物の上段ステージ３に取り付け得る形態とされた第一のリング１４を有している。該負荷隔離構造体７は、また、ＰＳＡ６（図２）に又はペイロード２に直接、固定し得る形態とされた第二のリング１５も有している。上述したように、減衰器及びばねを有する負荷隔離構造体７は既知である。しかし、先行技術の「受動的」負荷隔離構造体と相違して、能動的負荷隔離装置２０は、第一のリング１４及び第二のリング１５を相互に接続してスピン軸線４に対し垂直の制限トルクを提供する複数の動力作動アクチュエータ２１を有している。多岐に亙る動力作動ストラット２１を利用して動力作動による能動的制御を行うことができるが、ストラット２１の１つの好ましい形態は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書６，３５４，５７６号に開示されている。この型式の動力作動ストラット２１は、能動的及び受動的振動隔離効果を提供する。減衰機構の更なる例は、その各々の内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書５，２４９，７８３号、米国特許明細書５，３３２，０７０号及び米国特許明細書６，００３，８４９号に開示されている。
【００８４】
図４ないし図６を参照すると、ＰＳＡ６及び（又は）負荷隔離構造体７及び（又は）能動的負荷隔離装置２０の色々な組み合わせを利用してペイロード２を打ち上げ用乗物の上段ステージ３に相互に接続することができる。図４に示した例において、ペイロード構造体２は、受動的隔離器７及び能動的隔離器２０を利用せずに、ＰＳＡ６によって打ち上げ用乗物の上段ステージ３に相互に接続される。図４の形態が利用されるとき、ＰＳＡ６を利用して等式（９）にて上述したアイオリロの判定基準を満足させる回転速度にてペイロード２を打ち上げ用乗物３に対してスピンさせる。図示した例において、ＰＳＡ６は、上記により詳細に示した電気モータを有する動力作動スピン装置である。しかし、非動力作動スピンテーブルを利用してペイロード構造体２を打ち上げ用乗物３に相互に接続してもよい。かかる非動力作動のスピンテーブルは、当該技術分野にて既知であり、商業的に利用可能な「在庫品」部品を表わす。非動力作動のスピンテーブルが利用されるとき、打ち上げ用乗物３は、乗物の動力の下、スピンされてペイロード構造体２と打ち上げ用乗物３の上段ステージとの間にて相対的な回転を実現する。構造体が上述したアイオリロの判定基準に適合することを保証するため、十分なスピン増が提供される。
【００８５】
図５及び図６を更に参照すると、ＰＳＡ６に加えて、受動的負荷隔離構造体７又は能動的負荷−隔離装置２０を利用してペイロード構造体２を打ち上げ用乗物３に相互に接続することができる。受動的負荷隔離構造体７が利用されるとき、等式（１０）ないし（１６）は、受動的減衰器７のエネルギ放散機能を説明する。これと代替的に、能動的負荷隔離装置２０が利用されるとき、システムの振舞い及び必要な制御は等式（１７）ないし（２４）にて説明される。コントローラ８Ａ又は８Ｂは、スタック１が打ち上げ上昇段階の間、安定的であるのを保証するため、これらの等式に従ってプログラム化されている。ペイロード構造体２は、アイオリロの判定基準を満足させ得るよう打ち上げ用乗物の上段ステージ３に対し十分な角度量にてスピンさせることが好ましいが、幾つかの適用例の場合、ペイロード構造体２を相対的に遅いコーニング運動の増大速度を提供するのに十分、スピンさせ、システムが完全に安定的でないときでさえ、特定の打ち上げのための必要条件を満たすことができるようにする。このように、システムが完全に安定的でないときでさえ、コーニング運動の増大程度を、特定の打ち上げのための必要条件に適合するのに十分、緩和させることができる。図７には、ペイロードは、打ち上げ用乗物に強固に相互接続されており、このため、２つの構造体は、同一の速度にてスピン軸線の周りを回転する、ペイロード構造体及び打ち上げ用乗物のコンピュータシミュレーションの結果が示されている。コンピュータシミュレーションは、システムは最終的に、平坦なスピンとなることを示す。かかる平坦なスピンの結果、一般に、実際の宇宙船の打ち上げ状況にて宇宙船のミッションが完全に失われることになろう。
【００８６】
図８には、図７にて使用したものと同一のペイロード及び打ち上げ用乗物構造体を利用するコンピュータシミュレーションの結果が示されている。しかし、図８において、ペイロード構造体は打ち上げ用乗物の上段ステージに対して回転させる。ペイロード構造体を打ち上げ用乗物に対して相対的に回転させる結果、コーニング運動程度は減少して零となり、安定的なシステムとなり、これにより、安定的なシステムを提供する。
【００８７】
１つの好ましい実施の形態において、コントローラ８Ａ又は８Ｂは、打ち上げの上昇段階の開始時、ペイロード２を上段ステージ３に対してスピンさせる信号ＰＳＡに提供する。ＰＳＡをスピンさせる信号は、打ち上げ用乗物３の乗物モータ１６が作動されるときとほぼ同時に与えることができる。これと代替的に、ペイロード構造体２は乗物モータ１６の始動直前に、ＰＳＡによってスピンさせてもよい。更に、ペイロード構造体２は、乗物モータ１６の作動後ある時間スピンさせることができる。全体として、乗物モータ１６は、相対的に短時間始動させ、「デルタＶ」燃焼を提供し、その後、打ち上げ用乗物構造体１が「惰行運動」するようにする。このように、全体として、打ち上げ工程の上昇段階は、デルタＶ部分と、惰行運動部分との双方を含む。惰行運動段階の完了時、ペイロード構造体２は打ち上げ用乗物３から分離され、最終的なデルタＶはペイロード構造体２における乗物モータにより提供され、ペイロード構造体２を標的にて又は軌道に乗って周回する状態にする。
【００８８】
図９を更に参照すると、人工衛星３０又はその他のかかるペイロード構造体は、打ち上げ用乗物の上段ステージ３に固定することができる。人工衛星３０は、角運動量を蓄える回転部材を有する姿勢制御システム３１を備えている。かかるモーメンタムホイール制御システムは、人工衛星がその適正な周回状態に達したならば、人工衛星の姿勢を制御するため利用されている。かかる姿勢制御システムは、少なくとも１つのモーメンタムホイールを有し、また、人工衛星又はその他の宇宙乗物の姿勢を制御する３つ又はより多くのモーメンタムホイールを共通に有する。上述した色々な形態と相違して、人工衛星３０は、従来設計の非回転型接続組立体３２を介して打ち上げ用乗物３に接続されている。人工衛星３０は、接続組立体３２により打ち上げ用乗物３に直接接続することができる。これと代替的に、図３に示したような能動的隔離器２０を利用してもよい。該能動的隔離器２０は、接続組立体３２と人工衛星３０との間に配置することができる。これと代替的に、能動的隔離器２０を打ち上げ用乗物３及び接続組立体３２に接続してもよい。
【００８９】
コントローラ８Ａ又は８Ｂは、打ち上げの上昇段階の間、姿勢制御システム３１を作動させ、システムを安定化させ得るようプログラム化されている。該姿勢制御システム３１は、乗物モータ１６の始動直前又は乗物モータ１６の作動後に作動させることができる。これと代替的に、姿勢制御システム３１は、打ち上げ用乗物３の乗物モータ１６とほぼ同時に作動させてもよい。
【００９０】
モーメンタムホイール姿勢制御システム３１を利用する宇宙乗物の制御を支配する全体的な原理は既知である。このため、コントローラ８Ａ又は８Ｂは、打ち上げの上昇段階の間、人工衛星３０が周回するときと実質的に同一の要領にて人工衛星３０及び打ち上げ用乗物３の姿勢を制御し得るようプログラム化されている。しかし、コントローラは、適正な制御入力を決定するとき、打ち上げ用乗物３の追加的な質量、減衰特徴及び同様のものを考慮する。更に、システムの質量は乗物モータ１６の推進剤が燃焼するとき、実質的に変化し、このため、制御入力はシステムの変化する動的特性を考慮するよう変化する。
【００９１】
上記の説明において、当該技術分野の当業者は、本明細書に開示された着想から逸脱せずに本発明に対し形態変更を為すことが可能であることが容易に理解されよう。かかる形態変更は、特許請求の範囲がその文言により明示的に別段の記載をしない限り、特許請求の範囲に含まれるものと見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の１つの形態による宇宙船システムの部分概略図である。
【図２】打ち上げ用乗物の上段ステージから分離する直前にペイロードをスピンさせるため利用される先行技術のペイロードスピン組立体の分解斜視図である。
【図３】本発明の１つの形態に従いコーニング運動を能動的に減少させるべくペイロードを打ち上げ用乗物の上段ステージに相互に接続するために利用される動力作動装置の斜視図である。
【図４】回転可能に相互に接続されたペイロード及び打ち上げ用乗物の概略図である。
【図５】回転可能に相互に接続されたペイロード及び打ち上げ用乗物を示し、ばね及び減衰器装置がペイロードに固定された図である。
【図６】回転可能に相互に接続されたペイロード及び打ち上げ用乗物を示し、ばね及び減衰器装置が打ち上げ用乗物に固定された図である。
【図７】不安定な宇宙船及び打ち上げ用乗物の上段ステージのコンピュータシミュレーションのグラフである。
【図８】本発明による安定的なペイロード及び打ち上げ用乗物の上段ステージを示すコンピュータシミュレーションのグラフである。
【図９】人工衛星内でモーメンタムホイールを利用して安定化される宇宙船／打ち上げ用乗物システムの部分概略図である。
【図１】
2006525191.tif 000036
【図２】
2006525191.tif 000037
【図３】
2006525191.tif 000038
【図４】
2006525191.tif 000039
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006525191.tif 000042
【図８】
2006525191.tif 000043
【図９】
2006525191.tif 000044
【国際調査報告】
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