(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨーアクチュエータとピッチアクチュエータとにより、ロケットエンジンの推力軸の方向を制御して、飛しょう体の飛しょう方向を制御するロケットエンジンの推力偏向装置において、推力室先端部に前記推力軸と同心状に連結されたヨースライダと、前記ヨースライダの先端部に同心状に連結され、軸心回りに回動自在にされたピッチスライダと、機体後端部に両端がヨー方向及びピッチ方向の回動を自在にして枢支され、前記ヨースライダ及びピッチスライダをそれぞれ拘束するとともに、回動して位置を変更させるガイドレールと、前記ガイドレールをヨー方向及びピッチ方向にそれぞれ回動させるアクチュエータとからなり、前記アクチュエータの駆動により前記ガイドレールを個別に作動させ、前記ヨースライダ及びピッチスライダの位置を個別に変え、前記推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が独立に設定できることを特徴とする推力偏向装置。
【請求項２】
前記アクチュエータが、先端部が機体後端部に連結され、後端部が前記ヨースライダ及びピッチスライダにそれぞれ連結され、伸縮により前記ガイドレールをヨー方向及びピッチ方向にそれぞれ回動させて、連結されたヨースライダ及びピッチスライダ位置を変えて前記推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が独立に設定できることを特徴とする請求項１の推力偏向装置。
【請求項３】
前記アクチュエータが、前記機体の後端部に設置され、両端がヨー方向及びピッチ方向に回動自在に枢着されている前記ガイドレールを、ヨー方向及びピッチ方向に直接回動させ、連結されたヨースライダ及びピッチスライダ位置を変えて前記推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が独立に設定できることを特徴とする請求項１の推力偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロケットエンジンの推力偏向装置に関し、特に、機体のピッチ方向およびヨー方向の偏向角を大きくとった時に生じるピッチ／ヨーの連成振動が生じ易くなること、および偏向角誤差が大きくなるのを防止できるようにした推力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の飛しょう体の飛しょう方向を制御するために採用されている推力偏向装置の一例として、図３に示すものがある。
図に示すように、機体１に推力を発生させると共に機体１の飛しょう方向を制御するための推力室２は、ジンバル３を介して機軸９に対してピッチ推力偏向角δＰ７、ヨー推力偏向角δＹ８を生じさせることができるように回転支持されており、その回転運動はヨーアクチュエータ４とピッチアクチュエータ５の作動により制御される。
【０００３】
図３（ａ）の紙面に平行な面をヨー面、ヨー面と直交する図３（ｂ）の紙面に平行な平面をピッチ面と定義すると、推力室２の軸心である推力軸６を含み、ヨー面に垂直な平面と機軸９とのなす角度であるヨー推力偏向角δＹ８、および、推力軸６を含みピッチ面に垂直な平面と機軸とのなす角度であるピッチ推力偏向角δＰ７は、推力室２と機体１後端部とにそれぞれ両端が連結され、油圧等で駆動され伸縮するヨーアクチュエータ４、およびピッチアクチュエータ５からなる両アクチュエータの作動により制御される。
【０００４】
しかしながら、このようにヨーアクチュエータ４、ピッチアクチュエータ５により推力軸６方向を偏向し、機体１の飛しょう方向の偏向を行うようにした従来の推力偏向装置では、次の解決すべき問題があった。
【０００５】
（ａ）ヨー推力偏向角δＹ８、ピッチ推力偏向角δＰ７がともに０でない偏向角δで飛しょうを行う場合は、推力軸６の偏向で行われる機体１のピッチ／ヨー系の制御は機構的に独立でなくなり、ピッチ推力偏向角δＰ７によって生じるヨー系の制御若しくはヨー推力偏向角δＹ８に生じるピッチ系の制御による影響、いわゆる、ピッチ推力偏向角δＰ７とヨー推力偏向角δＹ８との間に生じる従属性は、偏向角δが大きくなるほど顕著になる。
【０００６】
よって、大きな偏向角δにして飛しょうを行う必要がある場合、
▲１▼偏向角δレート制御において、ピッチ／ヨー系の制御に連成振動が生じ易くなり、
▲２▼このため、飛しょうの安定性が低下する。
従って、機体１を安定して飛しょうさせるためには、ソフトウェアによってピッチ・ヨー系の切り分けを行なう必要が生じる。
【０００７】
（ｂ）ヨーアクチュエータ４又はピッチアクチュエータ５の変位とヨー推力偏向角δＹ８又はピッチ推力偏向角δＰ７とは厳密には比例しておらず、偏向角δが大きくなると、偏向角δの増大によりその非線形性は顕著になる。
よって、大きな偏向角δを大きくとって飛しょうする必要のある場合には、偏向角レート制御において、機体１の飛しょう方向を変更させる舵効き係数が変動することになる。
従って、機体１を所望する方向に精度良く操舵力を発生させ、所望方向に飛しょう体を飛しょうさせるためには、ソフトウェアによって偏向角δに応じた制御ゲインのスケジューリングを行う必要がある。
【０００８】
このような問題は、推力軸６の方向を偏向して飛しょう方向を制御するための構成要素として、図３に例示した推力偏向装置とは異なる、回転出力式アクチュエータ、ピッチ／ロール式２軸ジンバル等の他既存方式を用いた場合でも、同様に生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ヨーアクチュエータとピッチアクチュエータとをそれぞれ制御して、推力軸の方向を制御し、飛しょう体の飛しょう方向を制御するようにしたロケットエンジンの推力偏向装置において、ヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角を大きくして飛しょうするときにおいても、ピッチ／ヨー系の制御の独立性を保持し、相互間に生じる従属性（干渉）を小さくすることにより、ピッチ／ヨー系の連成振動を小さくして、ソフトウェア等によるピッチ／ヨー系の切り分けの必要性をなくすとともに、偏向角増大に伴う舵効きの非線形性を小さくして、偏向角に応じて行われている、ソフトウェア等による制御ゲインのスケジューリングを不要にできる推力偏向装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の推力偏向装置は、次の手段とした。
【００１１】
（１）ヨーアクチュエータとピッチアクチュエータとにより、ロケットエンジンの推力軸の方向を制御し、飛しょう体の飛しょう方向を制御するようにしたロケットエンジンの推力室先端部に、推力軸と同心状にヨースライダとを連結して設けた。
【００１２】
（２）ヨースライダの先端部に同様に推力軸と同心状に連結され、しかも、推力軸の軸心回りに回動自在にされているピッチスライダを設けた。
【００１３】
（３）飛しょう体の機体後端部に両端がヨー方向及びピッチ方向の回動を自在にして枢支され、ヨースライダ及びピッチスライダをそれぞれ拘束して、機体後端部での回動に対応して、ヨースライダ及びピッチスライダの位置を変更させるガイドレールを設けた。
【００１４】
（４）ガイドレールをヨー方向及びピッチ方向にそれぞれ個別に回動させ、このガイドレールの回動によりヨースライダ及びピッチスライダの位置を変えて、推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が、独立に設定できるようにしたアクチュエータを設けた。
【００１５】
（ａ）本発明の推力偏向装置は、上述（１）〜（４）の手段により、ヨーアクチュエータとピッチアクチュエータとを、それぞれ制御し、ヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角をゼロ以外の大きさにして飛しょうさせる場合においても、アクチュエータによって駆動されるガイドレールの回動により、推力軸方向を決めるヨースライダ及びピッチスライダの位置は、正確に推力軸線上に配置され、推力軸方向を正確に制御できるのでピッチ／ヨー系の制御は機構的に独立性が保持され、ピッチ／ヨー系の制御相互間の従属性（干渉）を小さくできる。
【００１６】
また、この従属性は偏向角が大きくなるほど顕著になるのが通常であるが、偏向角を大きくする場合においても、ソフトウェア改修を必要とすることなく従属性を小さくして、飛しょう安定性を増大させることができる。
【００１７】
また、本発明の推力偏向装置は、上述（１）〜（４）の手段に加え、次の手段とした。
【００１８】
（５）アクチュエータが、先端部が機体後端部に連結され、後端部がガイドレールに拘束されたヨースライダ及びピッチスライダにそれぞれ連結され、伸縮させることによりヨースライダ及びピッチスライダを介してガイドレールをヨー方向及びピッチ方向にそれぞれ回動させることにより、ヨースライダ及びピッチスライダの位置を変えて、推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が独立に設定できるものにした。
【００１９】
（ｂ）本発明の推力偏向装置は、上述（５）の手段により、上述（ａ）に加え、ヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角を大きくする場合においても、偏向角を大きくなることにより発生するピッチ／ヨー系の連成振動を生じ難くして、飛しょう安定性を増大することができる。
【００２０】
また、本発明の推力偏向装置は、上述（１）〜（４）の手段に加え、次の手段とした。
【００２１】
（６）アクチュエータが、機体の後端部に設置され、両端がヨー方向及びピッチ方向に回動自在に枢着され、機体後端部に枢着されているガイドレールをヨー方向及びピッチ方向に直接回動させることにより、ヨースライダ及びピッチスライダを介しそれぞれ回動させることにより、ヨースライダ及びピッチスライダの位置を変え、推力軸方向を所望方向に変更するヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角が独立に設定できるものにした。
【００２２】
（ｃ）本発明の推力偏向装置は、上述（６）の手段により、上述（ａ）に加え、ヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角を大きくする場合においても、ヨーアクチュエータ又はピッチアクチュエータの変位とヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角とは厳密に比例するようになり、偏向角が大きくなると顕著になる非線形性を解消し、偏向角を大きくするときに生じていた、舵効き係数の変動もなく、機体を所望する方向に精度良く飛しょうさせるためのソフトウェア等による偏向角に応じた制御ゲインのスケジューリングが不要になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の推力偏向装置の実施の一形態を、図面に基づき説明する。
【００２４】
なお、図において図３に示す部材と同一若しくは類似の部材については、同一符号を付して詳細説明は省略する。
図１は、本発明の推力偏向装置の実施の第１形態を示す図で、図１（ａ）は、飛しょう体後端部の平面図、図１（ｂ）は飛しょう体後端部の側面図である。
【００２５】
図に示すように、推力室１の先端部にはヨースライダ１１が固定され、このヨースライダ１１の先端部には、ピッチスライダ１２が推力室１の軸心に設置された推力軸６回りに回動自在に支持されている。
更に、これらのヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、機体１の後端に両端が回動自在に支持され、後方が半円形にされたヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４上に拘束するようにしている。
【００２６】
即ち、このヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、先端部が機体１の後端に先端が連結されるとともに、後端部がヨースライダ１１及びピッチスライダ１２にそれぞれ連結された、ピッチアクチュエータ１６及びヨーアクチュエータ１５の駆動による、ヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４の作動による拘束部が移動することによって、推力軸６の方向を、図３により定義した、推力軸６を含みヨー面に垂直な平面と機軸１とのなす角であるヨー推力偏向角δＹ８及び推力軸６を含みピッチ面に垂直な平面と機軸１とのなす角であるピッチ推力偏向角δＰ７にする。
【００２７】
換言すれば、ヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４上に拘束されたヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、推力軸６上に位置しピッチガイドレール１４を含む平面と機軸１とのなす角は、ヨー推力偏向角δＹ８に等しく、ヨーガイドレール１３を含む平面と機軸１とのなす角は、ピッチ推力偏向角δＰ７に等しく、これをピッチアクチュエータ１６及びヨーアクチュエータ１５により制御する。
【００２８】
本実施の形態の推力偏向装置は、上述のように構成され、ピッチスライダ１２に後端が連結されたヨーアクチュエータ１５の駆動による、ピッチガイドレール１４の作動によりヨー推力偏向角δＹ８が制御され、ヨースライダ１１に後端が連結されたピッチアクチュエータ１６の駆動による、ヨーガイドレール１３の作動によりピッチ推力偏向角δＰ７が制御され、ピッチ／ヨー系の推力偏向角の制御が機構的に独立になるため、ヨー推力偏向角δＹ８及びピッチ推力偏向角δＰ７を大きくして飛しょうするときにおいても、ピッチ／ヨー系の制御系の独立性を保持され、ヨー推力偏向角δＹ８及びピッチ推力偏向角δＰ７を大きくするときに生じる、ピッチ／ヨー系の制御相互間に生じる従属性を小さくすることができ、連成振動により生じる飛しょうの不安定性を小さくできるため、ソフトウェア等によるピッチ／ヨー系の切り分けが不要になる。
【００２９】
次に、図２は、本発明の推力偏向装置の実施の第２形態を示す図で、図２（ａ）は、飛しょう体後端部の平面図、図２（ｂ）は、ひしょう体後端部の側面図である。
【００３０】
実施の第１形態と同様に、本実施の形態の推力偏向装置の推力室１の先端部にはヨースライダ１１が固定され、このヨースライダ１１の先端部には、ピッチスライダ１２が推力軸６回りに回動自在にされて連結されている。
更に、これらのヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、機体１の後端に両端が回動自在に支持され、後方が半円形にされたヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４上に拘束するようにしている。
【００３１】
即ち、このヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、先端部が機体１の後端に先端が連結されるとともに、後端部がヨースライダ１１及びピッチスライダ１２にそれぞれ連結され、連結部に設けられたピッチアクチュエータ２２及びヨーアクチュエータ２１の直接駆動による、ヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４の作動による拘束部が移動することによって、推力軸６の方向を、図３により定義した、推力軸６を含みヨー面に垂直な平面と機軸１とのなす角であるヨー推力偏向角δＹ８及び推力軸６を含みピッチ面に垂直な平面と機軸１とのなす角であるピッチ推力偏向角δＰ７にする。
【００３２】
換言すれば、ヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４上に拘束されたヨースライダ１１及びピッチスライダ１２は、推力軸６上に位置しピッチガイドレール１４を含む平面と機軸１とのなす角は、ヨー推力偏向角δＹ８に等しく、ヨーガイドレール１３を含む平面と機軸１とのなす角は、ピッチ推力偏向角δＰ７に等しく、これをピッチアクチュエータ２２及びヨーアクチュエータ２１により制御するようにしている。
【００３３】
本実施の形態の推力偏向装置は、上述のように構成され、ピッチスライダ１２を拘束しているピッチガイドレール１４をヨーアクチュエータ２１の駆動による、直接作動させることによりヨー推力偏向角δＹ８が制御され、ヨースライダ１１を拘束しているヨーガイドレール１３をピッチアクチュエータ２２の駆動による、直接作動させることによりピッチ推力偏向角δＰ７が制御され、ピッチ／ヨー系の推力偏向角の制御が実施の第１形態と同様に機構的に独立になる。
【００３４】
従って、ヨー推力偏向角δＹ８及びピッチ推力偏向角δＰ７を大きくして飛しょうするときにおいても、ピッチ／ヨー系の制御系の独立性を保持され、ヨー推力偏向角δＹ８及びピッチ推力偏向角δＰ７を大きくするときに生じるピッチ／ヨー系の制御相互間に生じる従属性を小さくすることができ、連成振動により生じる飛しょうの不安定性を小さくできるため、オートパイロットによるピッチ／ヨー系の切り分けが不要になる。
【００３５】
さらに、本実施の形態の推力偏向装置では、推力軸６の方向を制御するためにヨースライダ１１及びピッチスライダ１２を拘束し、移動させるためのヨーガイドレール１３及びピッチガイドレール１４が機体１の後端に設けたヨーアクチュエータ２１及びピッチアクチュエータ２２の駆動による、直接作動させられるために、ヨーアクチュエータ２１及びピッチアクチュエータ２２の変位とヨー推力偏向角δＹ８及びピッチ推力偏向角δＰ７とが厳密に比例するようになる。
【００３６】
これにより、ヨー推力偏向角及びピッチ推力偏向角を大きくしたときにおいても、非線形性は解消され大きい偏向角時に生じていた、舵効き係数の変動もなく、機体を所望する方向に精度良く飛しょうさせるためのオートパイロット等による偏向角に応じた制御ゲインのスケジューリングが不要になる。
また、ピッチ／ヨー系の制御の独立性が保持され相互間に生じる従属性は小さくなり、連成振動により生じる飛しょうの不安定性を小さくできるため、オートパイロットによるピッチ／ヨー系の切り分けが不要になる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の推力偏向装置は、ヨー及びピッチアクチュエータとによりロケットエンジンの推力軸の方向を制御し、飛しょう体の飛しょう方向を制御するようにしたロケットエンジンの推力室先端部に推力軸と同心状に連結したヨースライダ、ヨースライダの先端部に同様にして連結され、推力軸の軸心回りに回動自在にされたピッチスライダ、機体後端部に両端がヨー及びピッチ方向の回動を自在にして枢支され、ヨースライダ及びピッチスライダを拘束して、機体後端部での回動に対応して、これらの位置を変更させるガイドレール、ガイドレールをヨー及びピッチ方向にそれぞれ個別に回動させ、この回動によりヨー及びピッチスライダの位置を変え推力軸方向を所望方向に変更し、ヨー及びピッチ推力偏向角を独立に設定するアクチュエータを設けるものとした。
【００３８】
これにより、ヨーアクチュエータとピッチアクチュエータとを制御し、ヨー及びピッチ推力偏向角を共にゼロ以外にして飛しょうさせる場合でも、アクチュエータで駆動されるガイドレールの回動により、推力軸方向を決めるヨー及びピッチスライダの位置は、所望の飛しょうを行うための推力軸線上に配置され、推力軸方向を正確に制御するので、ピッチ／ヨー系の制御は機構的に独立性が保持され、ピッチ／ヨー系の制御相互間の従属性（干渉）を小さくできる。
また、この従属性は偏向角が大きくなるほど顕著になるが、偏向角を大きくする場合でも、ソフトウェア等の大改修を必要とすることなく従属性を小さくでき、連成振動により生じる飛しょうの不安定性を小さくできるため、ソフトウェア等によるピッチ／ヨー系の切り分けが不要になる。
【００３９】
また、本発明の推力偏向装置は、先端部が機体後端部に連結され、後端部がガイドレールに拘束されたヨー及びピッチスライダに連結され、伸縮によりヨー及びピッチスライダを介しガイドレールをヨー及びピッチ方向に回動させ、ヨー及びピッチスライダの位置を変え、推力軸方向を所望方向に変更できるヨー及びピッチ推力偏向角を独立に設定できるアクチュエータを設けるものにした。
【００４０】
これにより、本発明の推力偏向装置は、ヨー及びピッチ推力偏向角を大きくする場合も、偏向角が大きくなることによるピッチ／ヨー系の連成振動を生じ難くなり、連成振動により生じる飛しょうの不安定性を小さくできるため、ソフトウェア等によるピッチ／ヨー系の切り分けが不要になる。
【００４１】
また、本発明の推力偏向装置は、機体の後端部に設置され、両端がヨー及びピッチ方向に回動自在に枢着され、機体後端部に枢着されているガイドレールをヨー及びピッチ方向に直接回動させ、ヨー及びピッチスライダを介し回動してヨー及びピッチスライダの位置を変え、推力軸方向を所望方向に変更するヨー及びピッチ推力偏向角を独立に設定するアクチュエータを設けるものにした。
【００４２】
これにより、本発明の推力偏向装置は、ヨー及びピッチ推力偏向角を大きくする場合でも、ヨー又はピッチアクチュエータの変位とヨー及びピッチ推力偏向角とは厳密に比例し、偏向角が大きくなることによる非線形性は小さくなり、偏向角を大きくするときに生じる、舵効き係数の変動もなく、機体を所望する方向に精度良く飛しょうさせるためのソフトウェア等による偏向角に応じた制御ゲインのスケジューリングが不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の推力偏向装置の実施の第１形態を示す図で、図１（ａ）は飛しょう体後端部の平面図、図１（ｂ）は飛しょう体後端部の側面図、
【図２】本発明の推力偏向装置の実施の第２形態を示す図で、図２（ａ）は飛しょう体の後端部の平面図、図２（ｂ）は飛しょう体後端部の側面図、
【図３】従来の推力偏向装置の１例を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１    機体
２    推力室
３    ジンバル
４    ヨーアクチュエータ
５    ピッチアクチュエータ
６    推力軸
７    ピッチ推力偏向角δＰ
８    ヨー推力偏向角δＹ
９    機軸
１０  推力偏向装置
１１  ヨースライダ
１２  ピッチスライダ
１３  ヨーガイドレール
１４  ピッチガイドレール
１５  ヨーアクチュエータ
１６  ピッチアクチュエータ
２０  推力偏向装置
２１  ヨーアクチュエータ
２２  ピッチアクチュエータ
【図１】
0003771793.tif 000002
【図２】
0003771793.tif 000003
【図３】
0003771793.tif 000004