(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビークルの固体分流及び姿勢制御システムであって、
異なるスラストレベルを生成するためのプロファイルをもつ固体プロペラントグレインを備えた固体プロペラントガスジェネレータと、
前記固体プロペラントガスジェネレータの実効的出口エリアを調整する制御バルブと、
前記固体プロペラントグレインの燃焼レートの積分計算を行い、前記制御バルブの動作を制御するコントローラと、を有し、
前記固体プロペラントグレインは、第１ブーストフェーズの間に第１のレベルで燃焼され、コーストフェーズの間に第２のレベルで燃焼され、第２ブーストフェーズの間に第３のレベルで燃焼され、
前記コントローラは、前記第２ブーストフェーズが所定の時点で開始されるように、前記コーストフェーズの間に前記固体プロペラントジェネレータによって生成される圧力を制御する、ビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項２】
前記固体プロペラントガスジェネレータの前記固体プロペラントグレインは、一定でない燃焼エリアを有する、請求項１記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項３】
前記プロファイルは、第１ブーストフェーズグレインと、中間サステインフェーズグレインと、第２ブーストフェーズグレインと、を有する請求項２記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項４】
前記第１ブーストフェーズグレインを形成する前記ジェネレータグレインは、第１エリアを有し、前記第２ブーストフェーズグレインは、第２エリアを有し、前記中間サステインフェーズを構成する前記グレインは、前記第１エリア及び第２エリアよりも小さい第３エリアを有する請求項３記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項５】
前記第３エリアは、前記各第１及び第２エリアの１／２である、請求項４記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項６】
前記第３エリアは、前記各第１及び第２エリアの１／２より小さい、請求項４記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項７】
前記固体プロペラントガスジェネレータの前記固体プロペラントグレインの平均バルク温度の検出手段と、
前記固体プロペラントガスジェネレータにより生成された圧力の検出手段と、を有し、
前記コントローラには、前記温度の検出手段及び前記圧力の検出手段からの、前記検出された温度及び圧力を表す信号が送信される、請求項１記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項８】
前記コントローラは、前記コントローラへのスラストレベルコマンドを表す信号を受ける、請求項１記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項９】
前記コントローラは、モードコマンドを表す信号を受ける、請求項１記載のビークルの固体分流及び姿勢制御システム。
【請求項１０】
ビークルの制御方法であって、
異なるスラストレベルを生成するためのプロファイルをもつ固体プロペラントグレインを有した固体プロペラントガスジェネレータと、前記固体プロペラントガスジェネレータの実効的出口エリアを調整するための制御バルブと、を用意し、
コントローラで、前記固体プロペラントグレインの燃焼レートの積分計算を行い、
前記固体プロペラントグレインが、第１ブーストフェーズの間に第１のレベルで燃焼し、コーストフェーズの間に第２のレベルで燃焼し、および第２ブーストフェーズの間に第３のレベルで燃焼するように、前記コントローラにより前記制御バルブを制御すると共に、
前記コントローラにより、前記第２ブーストフェーズが所定の時点で開始されるように、前記コーストフェーズの間に前記固体プロペラントジェネレータによって生成される圧力を制御する、ことを特徴とする、ビークルの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスフロー即ち物質流のターンダウン比を高くするための固体プロペラントガスジェネレータのインパルスマネージメントスキーム、即ちインパルスマネージメント技術（インパルス管理技術）に関する。また、本発明は、運動直撃兵器（kinetic hit-to-kill weapons）及びその他のタイプのミサイルに特に有用な固体分流及び姿勢制御システム（solid divert and attitude control system）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
運動直撃兵器の操縦には、分流及び姿勢制御システム（divert and attitude control systemus:DACS)が必要とされる。運動エネルギー迎撃体（kinetic kill vehicle:kv)あるいはミサイル等のビークルは、ミサイルやその他の空中物体あるいは地球軌道上または宇宙空間の目的物、例えばサテライトの破壊に用いられる。インパルスフレキシビリティ（エネルギー管理）は、これらのシステムにおいて非常にクリティカルなパラメータである。フレキシビリティが高いことは、ビークルのキャパビリティ、あるいは性能が高いことを意味するからである。液体推進システムは、もともとオン−オフ動作を通じてのインパルスマネージメント性質を有している、つまり、必要なときにのみ燃料が使用されることから、現在のところ最もフレキシビリティが高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在の液体システム生成には毒性が伴ない、安全面及び環境面で有害なものである。液体システムのようなハイブリッド推進システムは、エネルギー管理においてフレキシブルなものであり、また、無毒性化により安全性を向上することができるものの、デンシティ−インパルスとよばれるインパルス密度が非常に減少してしまう。一方、固体推進システムは、インパルス密度が最も高く、すべての安全条件、及び武器に無感応であるこという要求を満たすことができるものの、所望のエネルギー管理フレキシビリティを得ることはできない。
【０００４】
固体分流及び姿勢制御システムのエネルギー管理能力を向上させるために、種々の方法が試みられている。例えば、追随点火可能なグレイン(ロケット推進薬の薬粒)からのパルス化オペレーションや、dP/dT消滅(extinguishments)及びマルチイグナイタによる再点火、及び、比例制御もしくはパルスウェーブモジュレーション(pulse width modulation:PWM)による出口エリアモジュレーションを通じての圧力制御が試みられている。これらの各手法においては、オペレーションの制限(例えば、インパルスフレキシビリティの制限やターンダウン比が小さいこと等)や、その他の望ましからざる性質(例えば、コンポーネントの増加、複雑化、コストや重量の増加等)が問題となる。
【０００５】
上述の背景の下、本発明は、固体分流及び姿勢制御システムのエネルギー管理能力を向上させることを目的とする。
【０００６】
本発明に係る管理技術及びシステムによれば、上述の難点が克服される。
【０００７】
本発明は、３０：１よりも大きいターンダウン比を達成することができる固体分流及び姿勢制御システムを提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、上述の固体分流及び姿勢制御システムにおいて、そのスラストレスポンス（スラストチェンジ率）が、自燃性システムのスラストレスポンスを超えるものを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、本発明に係る固体分流及び姿勢制御システムにより達成される。
【００１０】
本発明は、ビークルの固体分流及び姿勢制御システムであって、異なるスラストレベルを生成するためのプロファイルをもつ固体推進剤グレインを備えた固体プロペラントガスジェネレータと、前記固体プロペラントガスジェネレータの実効的出口エリアを調整する制御バルブ手段と、前記固体プロペラントの燃焼レートの積分計算を行うとともに、前記固体プロペラントの燃焼レートの積分の計算結果とターゲット時間を表す信号とに応答して前記制御バルブの動作を制御するコントローラと、を有するビークルの固体分流及び姿勢制御システムである。
【００１１】
また、前記ジェネレータの前記固体プロペラントグレインは、一定でない燃焼エリアを有してもよい。
【００１２】
前記プロファイルは、第１ブーストフェーズグレインと、中間サステインフェーズグレインと、第２ブーストフェーズグレインと、を有してもよい。
【００１３】
前記第１ブーストフェーズグレインを形成する前記ジェネレータグレインは、第１エリアを有し、前記第２ブーストフェーズグレインは、第２エリアを有し、前記中間サステインフェーズを構成する前記グレインは、前記第１エリア及び第２エリアよりも小さい第３エリアを有するものとしてもよい。
【００１４】
前記第３エリアは、前記各第１及び第２エリアの１／２、又は、前記各第１及び第２エリアの１／２より小さいものとしてもよい。
【００１５】
前記ガスジェネレータの前記固体プロペラントの平均バルク温度の検出手段と、前記固体プロペラントガスジェネレータにより生成された圧力の検出手段と、を有し、前記コントローラは、前記温度の検出手段及び前記圧力の検出手段からの、前記検出された温度及び圧力を表す信号を検出する手段を有するようにしてもよい。
【００１６】
前記コントローラへのスラストレベルコマンドを表す信号を受けるための手段を更に有するようにすることもできる。
【００１７】
前記コントローラへのモードコマンドを表す信号を受けるための手段を更に有するようにしてもよい。
【００１８】
前記固体プロペラントは、第１ブーストフェーズの間に第１のレベルで燃焼され、コーストフェーズの間に第２のレベルで燃焼され、第２ブーストフェーズの間に第３のレベルで燃焼され、前記コントローラは、前記第２ブーストフェーズが所定の時点で開始されることが確実となるように、前記コーストフェーズの間に前記固体プロペラントジェネレータによって生成される圧力の制御に用いられるようにしてもよい。
【００１９】
また、異なるスラストレベルを生成するためのプロファイルをもつ固体プロペラントグレインを有した固体プロペラントガスジェネレータと、前記固体プロペラントジェネレータの実効的出口エリアを調整するための制御バルブと、を用意し、ターゲット時間に関する情報をコントローラに入力し、前記コントローラで、前記固体プロペラントの燃焼レートの積分計算を行い、前記ターゲット時間情報と前記算出された燃焼レートの積分結果とに応答して、前記ビークルのフライトの少なくとも一部の間に前記制御バルブを動作させるように、前記コントローラから前記制御バルブに少なくとも一つの信号を送信することを特徴とする、ビークルの制御方法も提供される。
【００２０】
更に、前記少なくとも一つの信号は、ブーストフェーズが適切に開始されることが確実となるように、前記フライトのサステインフェーズの間に前記制御バルブに送信される、ビークルの制御方法も提供される。
【００２１】
本発明によれば、また、ビークルの固体分流及び姿勢制御システムであって、異なるスラストレベルを生成するためのプロファイルをもつ固体推進剤グレインを備えた固体プロペラントガスジェネレータと、前記固体プロペラントガスジェネレータの実効的出口エリアを調整する制御バルブ手段と、前記プロペラントの燃焼レートを算出するとともに前記ビークルのフライトのコーストフェーズの間の前記固体プロペラントジェネレータにより生成される圧力を変化させることで前記制御バルブ手段の動作を制御するコントローラとを有するものが提供される。本発明の好適実施形態によれば、固体プロペラントジェネレータグレインプロファイルは、ウェブにそって、第１高スラストまたはブーストフェーズグレインと、中間低スラストまたはサステインフェーズグレインと、第２高スラストまたはブーストフェーズグレインを有する。
【００２２】
本発明に係る固体分流は、ターンダウン比が３０：１を越えるという利点を有する。更に、このシステムでは、コントローラの動作によって、多種のミッションタイムラインが調整可能となる。更に、本発明に係るシステムは、ターンダウン比に応じてブーストフェーズスラストの４０〜５０％の中間スラストミッドコース補正能を有し、固体プロパルジョンシステムが、液体プロパルジョンシステムとほぼ同一に近いインパルスフレキシビリティを有するようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る方法の一実施形態の概略説明図である添付図面を参照して本発明の好適実施形態の詳細な説明を行う。
【００２４】
発射機から運動エネルギー迎撃体(ｋｖ)が分離する際に、第一のブースト(又はハイスラスト)フェーズが開始される。この第１ブーストフェーズが完了した後に、運動エネルギー迎撃体は、コーストフェーズ(coast phase)に入る。インパクトと呼ばれる衝突の直前に、運動エネルギー迎撃体は、第２ブーストに入る。運動エネルギー迎撃体がそのミッションを達成するためには、この第２ブーストフェーズは、ミッションにおいて正確なポイントで発生せねばならない。第２ブーストフェーズの発生が早すぎると、運動エネルギー迎撃体は、衝突前に燃料切れとなり、ミッションを達成できない。また、この第２ブーストフェーズの発生が遅すぎると、運動エネルギー迎撃体は、ターゲットをミスしてしまう。
【００２５】
図１には、本発明の一実施形態に係る固体分流及び姿勢制御システム１０が示される。このシステム１０は、運動エネルギー迎撃体やその他のミサイルやミサイルの応用物にて用いることができる。システム１０は、フライトの間にスラストレベルに変動が生じるようにされたグレインプロファイルを有した固体プロペラントガスジェネレータ１２と、固体プロペラントガスジェネレータの出口エリアあるいは実効的出口エリアを調整するための制御バルブ１４と、運動エネルギー迎撃体またはミサイルのフライトにおける最終フェーズが開始されたときに第２ブーストフェーズが確実に発生するよう制御バルブ１４の動作を制御するコントローラ１６を有する。
【００２６】
制御バルブ１４は、高温のガスジェネレータによる腐食に耐えることのできるものであれば、従来知られているどのタイプの制御バルブも、適宜用いて良い。コントローラ１６は、従来知られているどのコントローラでも適宜用いることができる。
【００２７】
固体プロペラントガスジェネレータは、ウェブ(最初の燃焼ポイントまたは表面４０から最終燃焼ポイントまでの距離)に対してのプロファイルを有した固体推進剤グレイン１８を含んでいる。このグレインは、第１ブーストフェーズグレイン２０と、中間サステインフェーズグレイン２２及び第２ブーストフェーズグレイン２４を含んでいる。コンスタント燃焼エリアを有し、本発明に係るシステムに用いられ得る、このようなシステムの一つを図２に示す。通常、この種の固体推進システムでは、動作圧力範囲は、約１００〜２５００psiである。この種の固体推進剤グレインプロファイル及びバルブエリアのみの制御を用いる場合、選択された推進剤のタイプにより、得られる最大ターンダウン比(最小スラストに対する最大スラストの比)は、１４：１となる。
【００２８】
本発明に係るシステムで用いられる固体推進剤グレイン１８の好適実施例を図３に示す。
【００２９】
上述の例と同様に、固体推進剤グレイン１８’は、最初の燃焼表面４０’から、第１ブーストフェーズグレイン２０’、中間サステインフェーズグレイン２２’、及び最終フェーズである第２のブーストフェーズグレイン２４’を有する、ウェブに対してのプロファイルを有する。前述の例と同様に、固体推進システムの動作圧力範囲は、１００〜２５００psiである。図３の固体推進システムは、図２の固体推進システムとは、ノンコンスタント、つまり一定ではない燃焼エリアを有するという点で異なる。このノンコンスタント燃焼エリアにおいては、第１ブーストフェーズグレイン２０’と第２ブーストフェーズグレイン２４’のそれぞれにおける総エリアが、中間サステインフェーズグレイン２２’の総エリアよりも大きいという点で異なる。好適実施例では、第１ブーストフェーズグレイン２０’と第２ブーストフェーズグレイン２４’のそれぞれの総エリアは、中間サステインフェーズグレイン２２’のエリアの少なくとも２倍、もっとも好適には、３．５倍である。バルブ制御出口エリアがない場合、このような固体推進剤グレインプロファイルにより、約２４：１という最大ターンダウン比が得られることが見いだされた。
【００３０】
しかし、図３のコンフィグレーションあるいは形状を有する固体推進剤グレインを本発明に係る制御システムに用いて３０：１以上のターンダウン比を達成するには、ミサイルや運動エネルギー迎撃体のサステインフェーズの間に固体推進ジェネレータにより生成されるインパルスを、フライトのバルブエリアの変更を通じて、管理することが必要であることがみいだされた。
【００３１】
本発明によれば、ジェネレータの圧力の制御及び推進剤燃焼レートの積分(propellant burn rate integral)計算のために、コントローラ１６が用いられている。コントローラ１６は、これらの機能を実行しうるものであれば、従来知られているプロセッサやコントローラを適宜用いることができる。更に、必要であれば、コントローラ１６は、従来知られているプログラム言語を適宜用いて上述の機能を達成するようにプログラムされるようにしてもよい。
【００３２】
コントローラ１６に対して、推進剤燃焼レートの算出に必要な情報を提供するために、センサ２６，２８が設けられている。センサ２６は、ジェネレータ１２の固体推進剤の平均バルク温度を測定し、測定された温度をコントローラ１６に送る。センサ２８は、ジェネレータ１２で生成されるガスのリアルタイム圧力を測定し、測定された圧力をコントローラ１６に送る。センサ２６，２８は、従来知られているセンサを適宜用いることができる。
【００３３】
図１に示されるように、コントローラ１６は、また、オンボードのガイダンスコンピュータ(図示せず)から、ターゲットとなる時間及びスラストレベルコマンドあるいはモードコマンドに関するリアルタイム情報をも受信する。ここでは、スラストレベルコマンドとは、得られるべきスラストの定量化を意味し、また、モードコマンドは、高レベルスラスト又は低レベルスラストのコマンドを意味する。
【００３４】
コントローラ１６は、この情報を用いて、フライトのコーストフェーズの間の低スラストミッドコース補正のためのジェネレータ圧力変化を行うためにこの情報を用いる。この補正は、制御バルブ１４を用いてジェネレータ１２のスロートエリア(throat area)を減少させることでなされ、これにより、燃焼レート率、従ってスラストが増大する。得られるスラストは、サステインフェーズ燃焼エリアが低いことから、比較的低く、最大(ブーストフェーズ)分流の約４０〜５０％である。本発明に係るシステムを用い、バルブエリアを変動させることで、ミッドコース補正で、１０lbfのサステインが１５０lbfにまで上昇された。
【００３５】
運動エネルギー迎撃体がそのミッションを成功させるためには、最終燃焼エリア変更、第２ブーストフェーズの開始、が、インターセプトに先立って特定の時間長で発生せねばならない。このコントローラ１６は、第２ブーストフェーズグレイン燃焼時間及びターゲットとなる時間を知ることで、その特定のポイントを算出する。推進剤燃焼レートの積分を計算することで、コントローラは、残りのサステインフェーズグレインの量を計算することができる。フライトのコーストフェーズの間、サステイン圧力レベルは、バルブ１４の制御を通じてコントローラ１６によって修正される。このようにバルブ１４をコントロールすることで、コントローラ１６によって、フライトの最後のフェーズが開始せねばならないときに、適切なポイントにおいて、最終ブーストフェーズグレインが確実に露出(expose)されるようになる。図４は、インパルス管理例の概略を示す。この図において、実線は、ブーストフェーズどうしの間の最大時間と最大ターンダウン比を示し、点線は、ブーストフェーズどうしの間の最小時間と、サステインスラストの更に高いレベルを示す。
【００３６】
推進剤燃焼レートの積分の算出がサステインフェーズへの移行時に開始されると、より正確性が向上することができる。
【００３７】
上述のように、本発明に係るシステムによれば、運動エネルギー迎撃体あるいはミサイルにおいて、ミッションタイムラインを広範囲で調整することができるようになる。また、このシステムは、中程度スラスト(最大スラストの４０〜５０％)ミッドコース補正能力を提供する。更に、バルブエリアを変動させることで、１０lbfサステインスラストを、ミッドコース補正で１５０lbfに上昇させることができた。
【００３８】
本発明に係るシステムでは、固体分流及び姿勢制御システムの主たる難点を解消することができ、固体プロペラントガスジェネレータにて、液体推進システムにおけるインパルスフレキシビリティに近いインパルスフレキシビリティを得ることができる。更に、このシステムは、燃焼レートの積分計算及びターゲット時間情報を通じて、種々のミッション時間に対して対応させることができる。特に、ラバーバンドインパルスプロファイル(rubber band impulse profile)に適合させることができる。更に、本発明に係るシステムは、高エクスポーネント推進剤に関する圧力制御に係る問題(センシティビティ)を回避することができ、要求されるバルブスロットルレンジを３：１未満に減少させることができる。
【００３９】
本発明によれば、上述したような手段、目的及び利点を達成することができる、高物質フローターンダウン比が得られる固体プロペラントガスジェネレータインパルス管理スキームが提供されることは明らかである。本発明を上述の実施形態に基づいて説明したが、その他の代替例、変形例、及び修正が可能であることは、当業者には明らかである。これらの代替例等は、本発明のクレーム範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体分流及び姿勢制御システムの説明図である。
【図２】コンスタントバーンエリアを備えたグレインプロファイルの概略説明図。
【図３】本発明の好適実施形態に係るバーンエリアを備えたグレインプロファイルの概略説明図。
【図４】本発明に係る固体分流及び姿勢制御システムを用いたインパルス管理プロファイルの説明図。
【符号の説明】
１０      姿勢制御システム
１２      固体プロペラントガスジェネレータ
１４      制御バルブ
１６      コントローラ
１８      固体推進剤グレイン
２０      ブーストフェーズグレイン
２２      中間サステインフェーズグレイン
２４      ブーストフェーズグレイン
２６，２８      センサ
４０      表面
【図１】
0003853621.tif 000002
【図２】
0003853621.tif 000003
【図３】
0003853621.tif 000004
【図４】
0003853621.tif 000005