JP2017201874A

JP2017201874A - 高いエネルギー効率の球状運動量制御装置

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Publication number: JP2017201874A
Application number: JP2017084160A
Authority: JP
Inventors: マイケル・ウェイン・ブッシュロー; Wayne Bushroe Michael
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: US10836512B2; US20170320598A1; EP3241760B1; JP6896495B2; EP3241760A1

Abstract

【課題】球状運動量制御装置の提供。【解決手段】制御装置が、キャビティ１４の境界を画定するハウジング組立体１２と、キャビティ１４内に配置されるロータ支持軸１８と、球面支承インターフェースとを有する。球面支承インターフェースが、実質的にキャビティ１４の中心点を横断する３つの直交軸を中心とした、キャビティ１４内でのロータ支持軸１８の回転を促進する。ロータ１６が、スピン軸２０を中心として回転するようにロータ支持軸１８に設置される。球面支承インターフェースが、直交軸を中心としたロータ支持軸１８の回転を促進するための任意の形態をとることができ、これには例えば、低摩擦面支承インターフェースが含まれる。球面支承インターフェースが、キャビティ壁内に埋め込まれるかまたはロータ支持軸１８の一部を形成する拡大エンドキャップ６６、６８内に埋め込まれる回転要素ベアリング７４を有する。【選択図】図３

Description

[0001]本発明は概して運動量制御装置に関し、より詳細には、比較的高いエネルギー効率を有し、小型衛星の機内に配備されるのに良好に適する球状運動量制御装置（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｍｏｍｅｎｔｕｍｃｏｎｔｒｏｌｄｅｖｉｃｅ）に関する。

[0002]リアクションホイール組立体（ＲＷＡ：ＲｅａｃｔｉｏｎＷｈｅｅｌＡｓｓｅｍｂｌｙ）および制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ：ＣｏｎｔｒｏｌＭｏｍｅｎｔＧｙｒｏｓｃｏｐｅ）は、一般に、姿勢調整を目的として衛星および他の乗り物の機内に配備される。複数の運動量制御装置をアレイとして配置することにより、３次元空間内ですべての直交軸に関して、高度に制御される回転調整が実施され得る。そのスピン軸の向きを回転の３自由度で調整するのを可能にするような球状運動量制御（ＳＭＣ：ＳｐｈｅｒｉｃａｌＭｏｍｅｎｔｕｍＣｏｎｔｒｏｌ）装置を利用することにより単純化される衛星姿勢調整システムが作られ得ることが昔から認識されている。このような姿勢調整システムは、理論的に、単一のＳＭＣ装置または２つの余剰のＳＭＣ装置を含むことができ、３つから４つのＲＷＡまたはＣＭＧを含む従来の姿勢調整システムと比較して、有意に、コストを削減し、重量を低減し、複雑さを軽減することができた。しかし、数多くのＳＭＣ装置が提案されてきたが、このような装置を採用することは、デザインが過度に複雑であること、重量のある構造であること、動力消費率が高いこと、および、他の制限により、妨げられてきた。衛星のサイズが縮小し続けており、また、ミッションの継続時間が延びていることから、動力消費率が高いことが特に問題となる。比較的高いエネルギー効率を有し、本来であれば上に記載した制限を克服するような、ＳＭＣ装置を実現することを通して潜在的に可能となるような種類の、比較的コンパクトであり、軽量であり、単純である姿勢制御システムからの恩恵を、特には、いわゆる「ＣｕｂｅＳａｔ」および他の「ＳｍａｌｌＳａｔ」（衛星の重量が４００キログラム未満）が大きく受けることができる。

[0003]球状運動量制御（ＳＭＣ）装置の実施形態が提供される。特定の実施形態では、ＳＭＣ装置が、キャビティを含むハウジング組立体と、キャビティ内に配置されるロータ支持軸と、ロータ支持軸とハウジング組立体との間に形成される球面支承インターフェースとを有する。球面支承インターフェースが、キャビティの実質的に中心点を横断する３つの直交軸を中心とした、キャビティ内でのロータ支持軸の回転を促進する。球面支承インターフェースは、直交軸を中心とした回転のためにロータ支持軸の移動を制限することに関して任意の形をとることができ、これには例えば、低摩擦面支承インターフェース（ｐｌａｎｅｂｅａｒｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が含まれる。一実施形態では、球面支承インターフェースが、ハウジング組立体の内部に埋め込まれるかまたはロータ支持軸の一部を形成する拡大エンドキャップに埋め込まれる回転要素ベアリングを有する。ロータが、例えば１つまたは複数の精密なスピンベアリングを利用して、スピン軸を中心として回転するようにロータ支持軸に設置される。球状運動量制御装置が、ＳＭＣ装置の動作中に制御可能に出力されるトルクを発生させることおよび所望される姿勢調整を実現することを目的として、スピン軸を中心としたロータの回転を磁気的に駆動しまたハウジング組立体を基準としてロータ支持軸を選択的に回転させる電磁駆動システムをさらに有することができる。

[0004]別の実施形態では、ＳＭＣ装置が、ハウジング組立体と、ハウジング組立体内に含まれて３つの直交軸を中心としてハウジング組立体を基準として移動可能であるロータ支持軸と、ハウジング組立体内に含まれてスピン軸を中心として回転するようにロータ支持軸に回転可能に設置されるロータとを有する。ハウジング組立体が概略球状のキャビティを有すことができ、その中にロータ支持軸およびロータが配置される。一実装形態では、概略球状キャビティが直径Ｄ_{ＣＡＶＩＴＹ}を有し、ロータ支持軸が最大長さＬ_ＡＸＬＥを有し、ロータが最大直径Ｄ_{ＲＯＴＯＲ}を有し、これらが、Ｄ_{ＣＡＶＩＴＹ}＞Ｌ_ＡＸＬＥ＞Ｄ_{ＲＯＴＯＲ}となるように寸法決定される。ＳＭＣ装置が、概略球状のキャビティ内でロータ支持軸を支持する複数の回転要素ベアリングをさらに有することができる。複数の回転要素ベアリングがロータ支持軸内に埋め込まれ得、概略球状のキャビティを画定するハウジング組立体の内部部分に接触するようにロータ支持軸から外側に突出してよい。別法として、複数の回転要素ベアリングがハウジング組立体の内部部分内に埋め込まれてもよく、ロータ支持軸の両端部のところに設けられる拡大端部領域または拡大ポーラーキャップ（ｐｏｌａｒｃａｐ）に接触するようにハウジング組立体の内部部分から内側に突出してもよい。

[0005]さらに別の実施形態では、ＳＭＣ装置がロータおよびロータ支持軸を有することができる。ロータ支持軸が、さらに、ロータを通って延在するシャフトと、ロータの両側または両半体上に配置されるポーラーエンドキャップ（ｐｏｌａｒｅｎｄｃａｐ）とを有することができる。ポーラーエンドキャップがシャフトによって接合され得、シャフトを基準として拡大される放射状の幾何形状を各々が有することができる。さらに、１つまたは複数のスピンベアリングが、スピン軸を中心としたロータ支持軸を基準としたロータの回転を促進するようにシャフトとロータとの間に配置され得る。一実装形態では、ＳＭＣ装置が概略球状のキャビティを有するハウジング組立体をさらに有し、この概略球状のキャビティがロータおよびロータ支持軸を含む。この場合、ポーラーエンドキャップの各々が、概略球状のキャビティの一部分に実質的に適合する外側表面の幾何形状を有することができる。

[0006]以下で、同様の参照符号が同様の要素を示している以下の図をと併せて、本発明の少なくとも１つの実施例を説明する。

[0007]本発明の例示の実施形態に従って示される、概略球状のキャビティを含む球状運動量制御（ＳＭＣ）装置を示す等角図である。本発明の例示の実施形態に従って示される、概略球状のキャビティを含む球状運動量制御（ＳＭＣ）装置を示す部分分解図である。 [0008]第１の断面に沿う、図１および２に示されるＳＭＣ装置を示す断面図であり、ロータ支持軸の拡大端部部分または「ポーラーエンドキャップ」と、心棒およびロータを含む概略球状のキャビティとの間に形成される球面支承インターフェースをより明瞭に示している。 [0009]第１の断面に対して垂直である第２の断面に沿う、図１〜３に示されるＳＭＣ装置を示す断面図であり、周囲の電磁駆動システムによってロータの移動を制御するのを可能にするような形で環状アレイまたは交互のバンドの永久磁石がロータボディ内に埋め込まれ得る、１つの手法をより明瞭に示している。 [0010]代替的実施形態のＳＭＣ装置における、ロータ支持軸と、概略球状キャビティを画定するハウジング組立体の内部との間に設けられ得る他の球面支承インターフェース（部分的に示される）を示す断面図である。代替的実施形態のＳＭＣ装置における、ロータ支持軸と、概略球状キャビティを画定するハウジング組立体の内部との間に設けられ得る他の球面支承インターフェース（部分的に示される）を示す断面図である。

[0011]以下の「発明を実施するための形態」は本質的に単に例示であり、本発明を限定することならびに本発明の用途および使用を限定することを意図されない。本文献を通して見られる「例示」という用語は「例」という用語と同義であり、またこの「例示」という用語は、以下の説明が本発明の複数の非限定の例を単に提供するものであり、特許請求の範囲の記載される本発明の範囲を限定するものとして一切解釈されるべきではない、ことを強調するために以下で繰り返し利用される。

[0012]以下では、比較的コンパクトであり、軽量であり、高いエネルキー効率を有し、デザインによって拡大縮小可能である、球状運動量制御（ＳＭＣ）装置の実施形態を説明する。「球状（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ）」という用語によって示されるように、ＳＭＣ装置の実施形態が、慣性質量またはロータを収容する概略球状のキャビティを含み、この慣性質量またはロータが、キャビティの実質的に中心点を横断する直交軸を中心として回転させられ得る。「球状運動量制御装置」または「ＳＭＣ装置」という記述で見られる「球状」という用語は、後で詳細に説明される、このキャビティの概略幾何形状、および、ハウジング組立体の内部とロータ支持軸との間に形成される対応する球面支承インターフェースの概略幾何形状を指すのに利用される。したがって、本文献の特許請求の範囲のセクションで特徴または構成要素が曖昧さを残さず明確に「球状」として説明されない限りにおいて、上で言及した記述で見られる「球状」という用語は、ＳＭＣ装置の任意の他の特徴または構成要素を限定するものとしてみなされるべきではない。ＳＭＣ装置のロータ、および、ＳＭＣ装置は、一般に、いくつかの実施形態において概略球状の形状要素（ｆｏｒｍｆａｃｔｏｒ）を有してよいが、すべての実施形態において球状の幾何形状を有することが必要というわけではない。

[0013]ＳＭＣ装置が、概略球状のキャビティの壁と、ロータを設置するところのロータ支持軸との間に形成される球面支承インターフェースを有する。ロータ支持軸が、さらに、両側にある拡大終端部分または「ポーラーエンドキャップ」を有することができ、その間を細長いシャフトが延在する。ポーラーエンドキャップがロータ支持軸の長手方向軸に沿ってロータを越えて延在してよく、その結果、ロータの外側表面とキャビティ壁との間に円周方向の隙間または放射状の障害物が設けられる。特定の実施形態では、ポーラーエンドキャップが外側球状キャップ表面を有することができ、この外側球状キャップ表面が、球状キャビティの境界を画定するハウジング組立体の内部に接触し、それによりハウジング組立体との面支承インターフェースを形成する。この場合、球状キャビティの内部および／またはポーラーエンドキャップが、例えば、連続層または戦略的に配置される隆起パッド（ｒａｉｓｅｄｐａｄ）として存在する低摩擦材料で被覆され得る。別法として、回転要素ベアリングがポーラーエンドキャップに接触するようにハウジング組立体の内部に埋め込まれてもよく、または逆に、ハウジング組立体の内部に接触するようにポーラーエンドキャップ内に埋め込まれてもよい。さらに別の実施形態では、いくらかのトレードオフまたは不利が生じるが、磁気ベアリングおよびエアベアリングなどのアクティブベアリングシステムを含めた、他の支承インターフェースが、直交軸を中心としたロータ支持軸の回転を促進するのに利用され得る。

[0014]球面支承インターフェースを実装するための具体的な手法に関係なく、ロータ支持軸のシャフトと周囲のロータとの間に第２の支承インターフェースがさらに設けられる。１つまたは複数のスピンベアリング（例えば、回転要素ベアリング）がこのインターフェースのところに設けられてよく、それにより、ロータ支持軸の周りでロータを低摩擦で回転させることが可能となる。ＳＭＣ装置の動作中、電磁駆動システムがスピン軸を中心としたロータの回転を駆動する。ロータ支持軸は、ロータの回転と共にスピン軸を中心として回転しても回転しなくてもよい。最終的に高効率のローラ支持システムまたはロータサスペンションシステムが得られ、これが、摩擦損失を極端に低くしてスピン軸を中心としてロータを高速で回転させることおよび電磁駆動システムにより定期的に駆動することを可能にする。さらに、ロータ支持軸の向き（および、ひいてはロータおよびスピン軸の向きが）が正確に調整され得ることから、ロータの角度方向または回転速度のいずれかを調整することにより３次元空間内の任意の所与の方向におけるホスト衛星（ｈｏｓｔｓａｔｅｌｌｉｔｅ）（または、他の乗り物）の適切な姿勢調整が実施され得る。３次元空間内での任意の方向での高度に制御されるトルクの出力を可能にするＳＭＣ装置の能力により、低減される数（例えば、１つまたは２つ）の運動量制御装置を含む姿勢調整システムを作ることが可能となる。このような姿勢調整システムは、一般に３つから４つのリアクションホイール組立体（ＲＷＡ）および制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）を含む従来の姿勢調整システムと比較して、得られる姿勢制御システムの全体のコスト、重量、エンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）および複雑さを大幅に低減するのを可能にし得る。

[0015]図１および２は、本発明の例示の実施形態に従って示される、ＳＭＣ装置１０のそれぞれ等角図および部分分解図である。ＳＭＣ装置１０はさらに、装置１０の中心を横断する垂直な断面に沿う形で、図３および４の断面図にも示される。ＳＭＣ装置１０は、比較的コンパクトであり、軽量であり、拡大縮小可能であり、高いエネルギー効率を有するデザインであることを特徴とし、したがって、小型衛星または「ＳｍａｌｌＳａｔ」の機内に配備されるのに良好に適する。したがって、以下では、主に小型衛星に関連させてＳＭＣ装置１０を説明する。しかし、ＳＭＣ装置１０（および、本明細書で説明される他のＳＭＣ装置）が任意の特定の用途および使用法のみに限定されないことを強調しておく。ＳＭＣ装置１０は、代わりに、サイズに関係なくまたそのような乗り物が宇宙空間で操作されるものであるかどうかに関係なく、多様な異なる種類の乗り物の機内に配備され得、さらには、乗り物ではない（ｎｏｎ−ｖｅｈｉｃｕｌａｒ）用途およびプラットフォームでも利用され得る。

[0016]図１〜４をまとめて参照すると、ＳＭＣ装置１０が、概略球状のキャビティ１４を取り囲むハウジング組立体１２を有する。ロータ１６およびロータ支持軸１８が概略球状のキャビティ１４内に含まれる。ロータ１６がロータ支持軸１８に設置され、スピン軸２０（図２および３）を中心としてロータ支持軸１８を基準として回転することができる。加えて、ロータ１６およびロータ支持軸１８の両方が、図３および４において座標の凡例２４によって示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に一致する３つの直交軸を中心として回転することができる。３つの直交軸（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）は概略球状のキャビティ１４の実質的に中心点を横断し、この中心点も図３に示される記号２２によって示されている（ロータ１６の質量中心とも表される）。ロータ１６およびロータ支持軸１８が、スピン軸２０に非平行である軸を中心として一体に回転する。特定の事例では、ロータ１６がスピン軸２０を中心としてロータ支持軸１８と一体に回転してもよい。しかし、しばしば、ロータ支持軸１８はロータ１６より低い速度でスピン軸２０を中心として回転する場合もあり、または、ロータ１６が通常は軸２０を中心として回転しない場合もあり、これは、ＳＭＣ装置１０の設計パラメータおよび動作パラメータによって決定される。

[0017]図１〜４に示される比較的単純な実施例では、ハウジング組立体１２が上側半球半体２６および下側半球半体２８を有する。ハウジング組立体１２の半体２６、２８が一体に接合されて概略球状のシェルを形成し、この概略球状のシェルがロータ１６およびロータ支持軸１８を取り囲む。シェル半体２６、２８が、概略球状のキャビティ１４の境界を画定するかまたは概略球状のキャビティ１４を画定するように組み合わされる内側キャビティ壁３０を有する。シェル半体２６、２８は、このように概略球状のキャビティ１４を画定するように、一体にボルト留めされ得るか、クランプされ得るか、または、他の形で取り付けられ得る。ＳＭＣ装置１０が組み立てられるときに概略球状のキャビティ１４が密閉されるような実施形態では、ハウジング組立体１２が、１つまたは複数の示されない密閉要素（例えば、ガスケットまたはＯリング）と、地球上での試験のためにキャビティ１４内に真空を引き入れるのを可能にする真空ポートとをさらに有することができるが、このような必要性はすべての実施形態に当てはまるわけではない。上で示したように、示される実施例ではハウジング組立体１２は非常に単純に示されている。別の実施形態では、ハウジング組立体１２は、取付具、溶接、ねじ式の取り付け、および、他の接合技術、の任意の組み合わせを利用して一体に接合される追加のまたは代替の構成要素を有してもよい。ＳＭＣ装置１０の実際の実装形態では、ハウジング組立体１２は、宇宙船設置インターフェース（ｓｐａｃｅｃｒａｆｔｍｏｕｎｔｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅ）（例えば、ハウジング組立体１２の中央部分の周りに延在するボルト孔を備える円周方向フランジ）およびワイヤリングハーネスなどの、示されない多様な他の構成要素を有してもよく、通常はそのような構成要素を有することになる。

[0018]（ｉ）ロータ１６がキャビティ１４のエンベロープ内に嵌合されること、および、（ｉｉ）ロータ１６がエネルギーを蓄積する慣性要素として十分に機能すること、を条件として、ロータ１６は任意の幾何形状および構造を有することができる。しかし、一般には、ロータの全体質量を基準とした、その動作速度範囲においてロータ１６の運動量発生能力を最適化することが望ましい。これは、静止するハウジング組立体１２（具体的には、キャビティ壁３０）と高速でスピンするロータとの間での接触を起こさないようにしながらキャビティの寸法および製造公差が許容するのと同程度にロータ１６の実質的部分または大部分をスピン軸２０から離して配置することにより、達成され得る。これに関連して、図３および４に示されるように、ロータ１６は、有益には、径方向に厚みの増した幾何形状を有する中間セクション領域または赤道領域３２を有する。３次元で見る場合、厚みの増した赤道領域３２は、フライホイールとして効果的に機能する環状構造である。ロータ１６は、赤道領域３２に加えて、ロータ支持軸１８に対してロータ１６を位置合わせする内側管状コア３４を有し、例えば、この管状コア３４はそこを通る長手方向チャネルを有することができ、ロータ支持軸１８のシャフトがその長手方向チャネルを通って延在する。赤道領域３２を内側管状コア３４に物理的に接続するための接合部分３６がさらに設けられる。示される実施例では、接合部分３６が球状シェルの形態をとり、その結果、ロータ１６が実質的に球状の外側の幾何形状４０を有するようになる。したがって、以下では接合部分３６を「ロータシェル部分３６」と称するが、他の実施形態では、ロータシェル部分３６が、赤道領域３２を管状コア３４に接合するのに適する異なる形態を有してもよく、これは、径方向に延在するウェブまたはディスク形状のウェブなどである。

[0019]上で示したように、赤道領域３２は、ロータ１６の質量−運動量変換能力（ｍａｓｓ−ｔｏ−ｍｏｍｅｎｔｕｍｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を最適化するために比較的薄い壁のロータシェル部分３６と比較して径方向に厚みの増した幾何形状を有するように作られる。このようにして、ロータの質量のかなりの部分をロータの中間セクションの周りに集中させることができ、具体的には、運動量を蓄積する（ｍｏｍｅｎｔｕｍ−ｓｔｏｒｉｎｇ）フライホイールとして機能する赤道領域３２内に集中させることができる。加えて、所望される場合、ロータの質量をさらに低減するために、１つまたは複数の空隙または開口部がロータ１６の中にまたはロータ１６を通るように形成され得、例えば、図３および４に示されるように、環状空隙３８がロータ１６の中かつスピン軸２０の周りに設けられてよい。ロータ１６は任意の数の構成要素から作られてよく、図１〜４に示される実施形態では、環状空隙３８を取り囲むように溶接されるかまたは他の形で接合される２つ以上の構成要素から作られ得る。ロータ１６の構成要素は、しばしば、鋼などの金属または合金から作られる（しかし、必ずというわけではない）。別の実装形態では、ロータ１６が、カーボン繊維複合材などの複合材料から作られる、ロータ中間セクションの周りに添着される補助リムを有することができる。

[0020]ロータ１６は、後で説明する磁気駆動システムとの磁気相互作用を可能にするような形で外側表面４０に跨って分布される交互の磁気極性を有する領域を有するように製造される。図２でグラフィック４２により示されるように、また、図３に概略的に示されるように、交互のＮ極およびＳ極を有する領域が環状バンドとして配置され得、ロータ１６の中間セクションの周りに延在する。これは、例えば、ロータ１６のボディ内に、永久磁石、および可能性として磁極片などの他の強磁性構造を埋め込むことにより、達成され得る。円周方向のアレイまたは環状のグループとしてＵ形または馬蹄形の磁石４４がロータ１６のボディ内に埋め込まれ得るという１つの手法を示している図４の断面図を例えば考察する。見られるように、各磁石４４が、そのそれぞれのＮ極およびＳ極を隣り合う磁石４４のＮ極およびＳ極にそれぞれ隣接させるように、配置される。追加の利点として、厚みの増した赤道領域３２の中に磁石４４を配置することで、ロータ１６の中央平面の周りに質量を集中させるのをさらに補助することになる。別の実施形態では、例えばロータ１６の外側表面の全体に跨って変化する磁気極性の別個の領域を作るために、他のロケーションにおいてロータ１６内に追加の永久磁石が埋め込まれ得る。さらに別の可能性として、ロータ１６は、例えばロータ１６を強磁性材料から作り、ゴルフボールの窪んだ表面とある程度同様の手法で外側ロータ表面４０内に凹部または「窪み」を設けることにより、ロータ１６のボディに跨って可変磁気抵抗のポイントを設けるように、設計され得る。

[0021]図１に示されるように、ＳＭＣ装置１０が、ロータ１６およびロータ支持軸１８の移動を磁気的に制御する電磁駆動システム４６をさらに有する。ＳＭＣ装置１０の動作中、制御装置５４が、概略球状のキャビティ１４の周りに分布される電磁石のアレイを選択的に励磁し、それにより、スピン軸２０を中心としたロータ１６のスピン速度を制御し、さらには、概略球状のキャビティ１４内でのロータ１６およびロータ支持軸１８の角度方向を制御する。特定の事例では、電磁駆動システム４６がさらに、スピン軸２０を中心としたロータ支持軸１８のスピン速度を直接に制御することができる。電磁駆動システム４６が、これらの機能を行うのに適する、動力源、電磁石、センサ、温度管理デバイス、および、配線系統のアーキテクチャ、の任意の組み合わせを有することができる。示される実施例では、電磁駆動システム４６が３つの制御リング構造４８、５０、５２（図１、３および４に示される）を有する。これらは後での段落でより完全に説明される。電磁駆動システム４６が制御装置５４および動力源５６をさらに有し、これらの両方が図１に概略的に示されている。制御装置５４は、任意の適切な数の、個別の、マイクロプロセッサ、ナビゲーション装置、メモリ、動力供給源、ストレージデバイス、インターフェースカード、および、当技術分野で既知の他の標準的な構成要素、を利用して実装され得る。加えて、制御装置５４が、本明細書で説明される、種々の方法、処理タスク、計算、および、制御機能を実行するように設計される任意の数のソフトウェアプログラムまたは命令を有することができるかまたはそれらと協働することができる。

[0022]制御リング構造４８、５０、５２が相互に直交する関係で概略球状のキャビティ１４の周りに配置される。図３および４に最も明瞭に示されるように、各制御リング構造４８、５０、５２が電磁石５８の環状のグループまたは円周方向のアレイを含み、これらの電磁石５８が周囲のリングボディ６０内に埋め込まれるかまたは収容される。各制御リング構造４８、５０、５２のリングボディ６０は、電磁石５８をそれらの所望の位置で保持するのに適する任意の環状の固定具または構造であってよい。例えば、特定の実施形態では、制御リング構造４８、５０、５２のリングボディ６０の各々が射出成形されるリングを備えることができ、その中に電磁石５８が埋め込まれる。配線系統（部分的にのみ示される）が電磁石５８から制御装置５４まで延在してよく、さらに動力源５６に接続される。電磁石５８は、すべての必要なロータ回転角度に跨るようにロータの移動を動的に駆動するのに適する多様な異なるステータ巻き付け技術に従って巻き付けられてよい。電磁石アレイの配置およびデザインは代替的実施形態では変化してよく、例えば、電磁石の球状アレイが概略球状のキャビティ１４の実質的に全体の周りに分布されてよく、それを囲んでよい。ＳＭＣ装置の動作中、制御装置５４が、ロータ１６のスピン速度、ロータ１６の角度方向、および、ロータ支持軸１８の角度方向を制御するような形で励振磁界のタイミングおよびロケーションを制御するために電磁石５８を適切に励磁する。ロータまたは慣性質量の回転を電磁気的に駆動するための制御スキームは一般的な意味では既知であり、本文献の恩恵を受ける当業者によるＳＭＣ装置１０内での使用法に適合するとして認識される。選択される電磁石５８とロータ１６との間の磁気相互作用が図４の磁束線のグラフィック６２により限定的な説明的な意味で示されている。

[0023]図１〜４を継続して参照すると、図２および３に最も明瞭に示されるように、ローラ支持心棒１８が２つのポーラーエンドキャップ６６、６８の間を延在してそこで終端する細長いロータシャフト６４を有する。ポーラーエンドキャップ６６、６８がロータシャフト６４の両端部に添着され、それらと共に一体に形成されてよい。ポーラーエンドキャップ６６、６８がロータシャフト６４を基準として拡大される放射状の幾何形状を有し、その結果、エンドキャップ６６、６８が径方向においてロータシャフト６４を越えて延在することになる。ロータ支持軸１８はロータ支持軸１８の長手方向軸に対して垂直である中線平面（ｍｉｄｌｉｎｅｐｌａｎｅ）を中心として横方向に実質的に左右対称であってよく、心棒の各半体が実質的に茸形状の断面幾何形状を有する。ロータ支持軸１８は複数の部片（例えば、シャフトとエンドキャップとのインターフェースのところに茸の形状の断面幾何形状を有する２つの半体）から作られてよく、ＳＭＣ装置１０の製造中にこれらの複数の部片がねじ式に取り付けられるかまたは別の形で接合されて心棒１８を作り、後で説明するスピンベアリングの位置を定める。加えて、特定の実施形態では、ロータ支持軸１８が磁化され得、その結果、ポーラーエンドキャップ６６、６８が、電磁駆動システム４６との磁気相互作用のさらに別の可能性を実現するように互いに反対の磁気極性を有するようになる。

[0024]球面支承インターフェースがポーラーエンドキャップ６６、６８とハウジング組立体１２の内側キャビティ壁３０との間に設けられる。球面支承インターフェースは、キャビティ１４の実質的に中心点を横切る３つの直交軸（座標の凡例２４で示されるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸）を中心としたロータ支持軸１８（および、ひいてはロータ１６）の移動を制限するような、概略球状の幾何形状を有する任意の種類の支承インターフェースであってよい。加えて、球面支承インターフェースは、理想的には、その角度的な可動範囲（ＲＯＭ：ＲａｎｇｅｏｆＭｏｔｉｏｎ）の全体にわたってロータ支持軸１８をしっかり支持し、一方で、支持心棒１８とキャビティ壁３０との間のインターフェースを比較的低摩擦にする。ロータ１６は望ましくは球面支承インターフェースから窪んでおり、それにより、ハウジング組立体１２と高速でスピンするロータとが望まれずに接触することが回避される。したがって、ロータ１６は、望ましくは、外側ロータ表面４０とハウジング組立体１２の内側キャビティ壁３０との間に放射状の隙間または円周方向の障害物を設けるように、寸法決定される。したがって、ロータ支持軸１８は、スピン軸２０に沿う最大長さ（Ｌ_ＡＸＬＥ）を有することができ（図３で両方向の矢印７０によって示される）、対して、ロータ１６が、Ｌ_ＡＸＬＥより小さい最大外径（Ｄ_{ＲＯＴＯＲ}；図３で両方向の矢印７２によって示される）を有する。さらに、ロータ支持軸１８の長さが概略球状のキャビティ１４の内径（Ｄ_{ＣＡＶＩＴＹ}）とほぼ等しいがそれよりわずかに小さくなるように寸法決定され、その結果、Ｄ_{ＣＡＶＩＴＹ}＞Ｌ_ＡＸＬＥ＞Ｄ_{ＲＯＴＯＲ}となる。

[0025]球面支承インターフェースに沿う摩擦を最小にするために、図２および３に示されるように、多数の回転要素ベアリング７４がポーラーエンドキャップ６６、６８内に埋め込まれ得る。回転要素ベアリング７４が、概略球状のキャビティ１４を画定する内側キャビティ壁３０に接触するようにポーラーエンドキャップ６６、６８から外側に突出する。この事例では、内側キャビティ壁３０に実質的に滑らかな表面が与えられ、これが３次元的外側レースとして機能し、その上をベアリング７４の回転要素が移動することができる。回転要素ベアリング７４は示される実施例ではシングルポイントボールベアリングであるが、宇宙空間で使用されるように適合され（ＳＭＣ装置１０が宇宙船の機内に配備される場合）、ポーラーエンドキャップ６６、６８に一体化される特殊なボール状伝達ユニット（ｂａｌｌｔｒａｎｓｆｅｒｕｎｉｔ）として一般にみなされてよい。各回転要素ベアリング７４が単一の球状回転要素またはボールを含むことができ、これがポーラーエンドキャップ６６、６８内に形成されるポケットまたはキャビティ内で捕捉される。回転要素ベアリング７４が、スピン軸２０を中心として軸対称であるアレイとして、ポーラーエンドキャップ６６、６８の外側面に跨って分布され、それにより、概略球状のキャビティ１４内での心棒１８の角度方向に関係なくロータ支持軸１８を均等に支持する。言い換えると、回転要素ベアリング７４はロータ支持軸１８（具体的には、ポーラーエンドキャップ６６、６８の外側面）内に埋め込まれ、概略球状のキャビティ１４を画定するハウジング組立体１２の内部部分に接触するようにローラ支持心棒１８から外側に突出する。別の実施形態では、回転要素ベアリング７４が、ポーラーエンドキャップ６６、６８の周りに分布される１つまたは複数のリングとして構成される円筒形ローラなどの、別の種類の回転要素を含むことができる。このような実施形態では、ローラは、概略球状のキャビティ１４の内側表面の半径に適合するように丸みをつけられてよい。

[0026]スピン軸２０を中心としたロータ１６の回転を促進するために、ロータ支持軸１８とロータ１６との間に第２の支承インターフェースがさらに設けられる。例えば、図３に示されるように、第１の精密なスピンベアリング７６がロータシャフト６４の第１の端部部分の周りの、ポーラーエンドキャップ６６に隣接するロケーションのところに配置され得、対して、第２の精密なスピンベアリング７８がロータシャフト６４の第２の反対側の端部部分の周りの、ポーラーエンドキャップ６８に隣接するロケーションのところに配置され得る。ロータ１６は凹部８８を有するように形成され、その中でスピンベアリング７６、７８が対合可能に受けられる。したがって、示される実施例では、スピンベアリング７６、７８がロータ１６内に埋め込まれるかまたはロータ１６内で窪んでよいが、このような必要性はすべての実施形態に当てはまるわけではない。スピンベアリング７６、７８は、ロータ１６とロータ支持軸１８との間に低摩擦回転インターフェースを提供するように選択される。スピンベアリング７６、７８は、各々が、環状外側リング８０およびカップ形状内側リング８２を有する環状ボールベアリングの形態をとる。「外側」および「内側」という用語は概略球状のキャビティ１４の中心を基準として定義される。スピンベアリング７６、７８が、リング８０、８２の間で捕捉される複数の回転要素８４（例えば、ボール）をさらに有する。スピンベアリング７６、７８が保持ナット８６を利用してロータシャフト６４の周りで固定され得、この保持ナット８６がロータシャフト６４にねじ式に係合され得、ベアリング７６、７８の全体に所望の軸方向予荷重を作用させるように締められ得る。スピンベアリング７６、７８は、ローラ１６のその角度的なＲＯＭの全体にわたっての押しつけ支持を強化するためにテーパ状のレースが与えられ得る（つまり、ベアリング７６、７８がテーパ状のレースのボールベアリング（ｔａｐｅｒｅｄｒａｃｅｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇ）であってよい）。別の実施形態では、スピンベアリング７６、７８がローラーベアリングなどの別の種類の回転要素ベアリングであってもよい。

[0027]ロータ支持軸１８とロータ１６との間のインターフェースのところに精密なスピンベアリングを設けることにより、および／または、静止するハウジング組立体１２とロータ１６との間に連続するように結合される２つの回転インターフェースを設けることにより、摩擦損失を非常に低減してロータの回転が開始および維持され得る。したがって、ＳＭＣ装置１０が、定期的に電磁気的に駆動することのみで（電磁駆動システム４６の静止モードで行われ得る）、したがって消費動力を最小にして、長時間にわたってロータ１６の高速回転を支持することができる。このように、ＳＭＣ装置１０は高エネルギー効率の運動量制御装置を提供し、これは、例えば数週間または数年間のスケールのミッション期間といったような長期間のミッションに取り組むことになる小型衛星の機内に配備され得る。加えて、キャビティ壁３０とポーラーエンドキャップ６６、６８との間の物理的インターフェースおよびロータ支持軸１８とロータ１６との間の物理的インターフェースがロータ１６をしっかりと構造的に支持する。これにより、ロータ１６とハウジング組立体１２とを物理的に接触させることなく、ＳＭＣ装置１０が大きい磁気的な過渡的荷重に耐えることが可能となる。対照的に、電磁サスペンションシステムを利用する運動量制御装置は摩擦損失を非常に低くすること（実質的にゼロにすること）を達成し得るが、通常、電磁気的なロータのサスペンションを高い信頼性で維持するためには多量の消費動力を必要とし、動力供給の一時的中断の被害を受けやすく、また一般に、スピンするロータと静止するハウジングの内部とを物理的に接触させることなく大きい磁気的な過渡的荷重に耐えることができない。最後に、高エネルギー効率であることに加えて、ＳＭＣ装置１０はさらに、比較的コンパクトであり、軽量であり、容易に拡大縮小可能である。

[0028]ＳＭＣ装置１０の上述の実施形態では、回転要素ベアリングが、ハウジング組立体の内部に接触して球面支承インターフェースに沿う摩擦損失を低減するように、ポーラーエンドキャップ内に埋め込まれる。別の実施形態では、球面支承インターフェースが、キャビティ壁内に埋め込まれてロータ支持軸のポーラーエンドキャップに接触するポイントベアリングなどの、他の種類の回転要素ベアリングを有することができるか、または、他のロケーションに配置される回転要素ベアリングを有することができる。さらにこの点を説明すると、図５が代替的実施形態のＳＭＣ装置１０’の部分断面図であり、ここでは、同様の構造的特徴を示すのに同様の参照符号が利用されるが、これらの特徴がある程度変化している可能性があることを示すためにプライム（’）記号が追加されている。図５に示される実施形態では、回転要素ベアリング９０が概略球状のキャビティ１４’の内部の周りに選択的に配置され（例えば、キャビティ１４’と同心の球状アレイとして）、それにより、いわゆる「点在型（ｓｔｕｄｄｅｄ）」のキャビティインターフェースを形成する。図２および３に関連させて上で説明した回転要素ベアリング７４と同様に、回転要素ベアリング９０は特殊なボール状伝達ユニットと実質的に同様であるシングルポイントボールベアリングであってよいが、これは宇宙空間で使用されるように適合され、ハウジング組立体１２に一体化される。回転要素ベアリング９０のボールがハウジング組立体１２’の内部（具体的には、キャビティ壁３０’の中）に埋め込まれ、ロータ支持軸１８に接触するようにキャビティ１４’の中へと径方向に突出する。回転要素ベアリング９０は概略球状のキャビティ１４’の内部の周りに戦略的に配置され、ＳＭＣ装置１０’の構成要素は、ロータ支持軸１８’の任意の所与の角度位置において、心棒１８’を物理的に支持するために回転要素ベアリング９０のサブセットをポーラーエンドキャップ６６’、６８’に接触させるように、寸法決定される。ポーラーエンドキャップ６６’、６８’が、３次元の内側レースウェイとして効果的に機能するためのやはり滑らかな球状キャップの幾何形状（例えば、キャビティ１４’の一部分に各々が実質的に適合する外側表面の幾何形状）を与えられ、概略球状のキャビティ１４’内のロータ支持軸１８’の角度方向を変更されるかまたは調整されるときにベアリング９０がその内側レースウェイに沿って移動する。言い換えると、回転要素ベアリング９０の球状アレイが内側キャビティ壁３０’の周りに分布されて概略球状のキャビティ１４’の中へと内側に突出し、ポーラーエンドキャップ６６’、６８’の外側球状キャップ表面に係合され、それにより球面支承インターフェースを形成する。

[0029]別の実施形態では、球面支承インターフェースが他の形態をとることができるかまたは追加の構造的特徴を有することができる。例えば、ポーラーエンドキャップが外側球状キャップ表面を有することができ、この外側球状キャップ表面が球状キャビティを画定するハウジング組立体の内部に接触し、それによりハウジング組立体と共に面支承インターフェースを形成する。本明細書で見られる「面支承」という用語は、２つ以上の摺動表面の間に低摩擦インターフェースが形成されことを示し、支承インターフェースの幾何形状が平面であることを意味しない。例えば、ＳＭＣ装置１０”の別の実施形態を示している図６を考察する。ここでは、同様の構造的特徴を示すのに同様の参照符号が利用されるが、これらの特徴がある程度変化している可能性があることを示すためにダブルプライム（”）記号が追加されている。図６の実施形態では、ポーラーエンドキャップ６６”、６８”がやはり実質的に滑らかな球状キャップの幾何形状を与えられる。加えて、ハウジング組立体１２”の内部表面（具体的には、内側キャビティ壁３０”）に実質的に滑らかな球状の幾何形状が与えられ、それにより、ロータ１６”およびスピン軸２０”の向きを変更するためにロータ支持軸１８”の角度方向を調整するときに、キャビティ壁３０”に対してのまたはキャビティ壁３０”に沿うポーラーキャップ６６”、６８”の摺動移動を促進する。摩擦損失をさらに低減するために、１つまたは複数の層の低摩擦材料９２がポーラーエンドキャップ６６”、６８”の外側球状キャップ表面の上に付着され得る。加えてまたは別法として、１つまたは複数の層の低摩擦材料９４が、概略球状のキャビティ１４”を画定するハウジング組立体１２”の内部表面の上に付着され得る。付着される低摩擦材料は、ＳＭＣ装置１０”の動作中に摩擦損失を低減しながらポーラーエンドキャップ６６”、６８”を物理的に支持するような形で、連続層（例えば、図６に示される材料層９２のところで示される）として形成され得るかまたは隆起パッド（例えば、材料層９４のところで示される）として別個に分布され得、あるいは、球面支承インターフェースに沿って他の形で分布される。

[0030]このように、比較的コンパクトであり、軽量であり、拡大縮小可能であり、消費動力の観点で高いエネルギー効率を有する、ＳＭＣ装置の複数の実施形態を提示してきた。上述のＳＭＣ装置の実施形態は、ロータ支持軸またはスピン軸を中心とした慣性質量またはロータの高速回転を促進するような高効率の低摩擦損失アーキテクチャを特徴とし、これが、３次元空間内で任意の所望される向きへと選択的に正確に調整され得る。このように、スピンするロータの回転方向を選択的に調整することによりおよび／またはロータの回転速度を選択的に調整することにより、ホスト衛星（または、他の乗り物）の所望される姿勢調整が実現され得る。３次元空間内の任意の方向でのトルクの出力を可能にするＳＭＣ装置の能力により、低減される数の装置を含む姿勢調整システムを作ることが可能となる。結果として、３つから４つのＣＭＧまたはＲＷＡを含む従来の姿勢調整システムと比較して、姿勢調整システムの全体のコスト、重量、複雑さおよびエンベロープを大幅に低減するのを可能にするような、単一のＳＭＣ装置または対をなすＳＭＣ装置（冗長性のために）を利用する姿勢調整システムが作られ得る。

[0031]上記の「発明を実施するための形態」では複数の例示の実施形態を提示してきたが、多数の変形形態が存在することを認識されたい。また、例示の実施形態が単に例であり、本発明の範囲、利用可能性または構成を限定することを一切意図されないことを認識されたい。むしろ、上記の「発明を実施するための形態」は、本発明の例示の実施形態を実装するための好都合なロードマップを当業者に提供するものである。添付の特許請求に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、例示の実施形態で説明される要素の機能および構成において種々の変更が行われ得ることを理解されたい。

１０球状運動量制御装置
１０’ 球状運動量制御装置
１０” 球状運動量制御装置
１２ハウジング組立体
１２’ ハウジング組立体
１４キャビティ
１４’ キャビティ
１６ロータ
１６” ロータ
１８ロータ支持軸
１８’ ロータ支持軸
１８” ロータ支持軸
２０スピン軸
２０” スピン軸
２２記号
２４座標の凡例
２６上側半球半体
２８下側半球半体
３０内側キャビティ壁
３０’ 内側キャビティ壁
３０” 内側キャビティ壁
３２赤道領域
３４内側管状コア
３６接合部分
３８空隙
４０外側表面
４２グラフィック
４４磁石
４６電磁駆動システム
４８制御リング構造
５０制御リング構造
５２制御リング構造
５４制御装置
５６動力源
５８電磁石
６０リングボディ
６２磁束線のグラフィック
６４ロータシャフト
６６ポーラーエンドキャップ
６６’ ポーラーエンドキャップ
６６” ポーラーエンドキャップ
６８ポーラーエンドキャップ
６８’ ポーラーエンドキャップ
６８” ポーラーエンドキャップ
７０両方向の矢印
７２両方向の矢印
７４回転要素ベアリング
７６スピンベアリング
７８スピンベアリング
８０環状外側リング
８２カップ形状内側リング
８４回転要素
８６保持ナット
８８凹部
９０回転要素ベアリング
９２材料層
９４低摩擦材料

Claims

中心点を有する概略球状のキャビティ（１４）を含むハウジング組立体（１２）と、
前記概略球状のキャビティ内に配置されるロータ支持軸（１８）と、
前記ロータ支持軸と前記ハウジング組立体との間に形成される球面支承インターフェースであって、前記球面支承インターフェースが、前記概略球状のキャビティの実質的に前記中心点を横断する３つの直交軸を中心として回転するように前記ロータ支持軸の移動を制限する、球面支承インターフェースと、
前記ロータ支持軸に設置されてスピン軸（２０）を中心として前記ロータ支持軸に関して回転可能であるロータ（１６）と
を備える、
球状運動量制御装置（１０）。
前記ロータ支持軸（１８）が、
両端部を有するシャフト（６４）と、
前記シャフトの前記両端部に結合され、前記球面支承インターフェースに沿って前記ハウジング組立体（１２）に係合されるポーラーエンドキャップ（６６、６８）と
を備える、
請求項１に記載の球状運動量制御装置（１０）。
前記ロータ（１６）が管状コア（３４）を備え、前記ロータ支持軸（１８）が前記管状コア（３４）を通って延在し、前記球状運動量制御装置が、前記管状コアの端部部分と前記ロータ支持軸の端部部分との間に配置される第１のスピンベアリング（７６、７８）をさらに備える、請求項１に記載の球状運動量制御装置（１０）。