発明の背景 発明の分野 本発明は、スピン安定発射体の分野のものである。 関連技術の説明 発射体用の誘導システムは、高価で、複雑であるとともに、発射または飛行の間にダメージを受けやすいことが多い。 発射体用の誘導システムを改善するための一般的な必要性がある。
安価で、シンプルで、堅固であり、そして、フィンまたは他のパーツを気流中に展開することなく、ならびに、ロケットまたは他の推進力生成デバイスを点火することなく、制御することが可能である、兵器のような、スピン安定発射体のための誘導システムを生成させることが特に望ましいだろう。 制御翼面および推進力生成デバイスをスピン安定発射体において使用するのには問題があることが理解されるだろう。 本発明の側面にしたがうと、スピン安定発射体のような発射体は、操縦のために慣性特性を使用する。 慣性操縦は、発射体のボディ中または外殻中の、空洞の中にある内部質量の動き（例えば、傾斜）を伴うことがある。 本発明の別の側面にしたがうと、スピン安定発射体のような発射体は、その外殻の空洞中に内部質量を有し、内部質量は、発射体のスピンとは逆方向に、外殻に対して逆回転する。 本発明のさらなる別の側面にしたがうと、スピン安定発射体のような発射体は、外殻の内面上に電磁石を有し、外殻の空洞内の質量を傾斜させるおよび／または回転させるために、電磁石に選択的に電圧を印加する。 本発明のさらに別の側面にしたがうと、スピン安定発射体は、外部ボディと、ボディの空洞中にある内部質量とを具備している。 内部質量の少なくとも一部分が、ボディの軸から離れるように選択的に動かすことができ、外殻に対して、軸を中心に回転するように、内部質量が外殻に機械的に結合されている。 本発明のさらなる側面にしたがうと、発射体の飛行を制御する方法は、発射体の前後軸を中心に、発射体の外殻を第１の方向に回転させるステップと、発射体の外殻に対して、第１の方向とは逆の第２の方向に、前後軸を中心に、発射体の内部質量を逆回転させるステップとを含んでいる。 内部質量は、外殻中の空洞内にある。 先の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、後で完全に説明し、特に特許請求の範囲において指摘する特徴を含んでいる。 以下の説明および添付の図面は、本発明のある例示的な実施形態を詳細に述べている。 しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が用いられることがあるさまざまな方法のうちのほんの少しのものを示している。 図面とともに考えるときに、本発明の、他の目的、利点、および新たな特徴が、本発明の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
添付の図面では、必ずしもスケーリングされていない。
図１は、本発明の実施形態にしたがった、発射体の断面図である。 図２は、その外殻が上向きに傾いている、図１の発射体の断面図である。 図３は、図１の発射体の端面図である。 図４は、本発明の実施形態にしたがった、発射体の磁気アクチュエータのパーツを示す端面図である。 図５は、図４の磁気アクチュエータの動作を示す例示である。 図６は、本発明の実施形態にしたがった、発射体のシーカーのパーツを示す例示である。 図７は、本発明の実施形態にしたがった、発射体の歳差運動を示す概念的な例示である。 図８は、図７において示されている歳差運動に対する補償を示している。 図９は、図４の磁気アクチュエータを使用する、発射体のための制御システムのブロック図である。 詳細な説明 スピン安定発射体は、発射体の前後軸を中心とした内部質量の逆回転により、その進路が制御される。 内部質量は、発射体の外部ボディの空洞内にあるブームであってもよい。 内部質量は、外殻に対して傾斜可能であり、または、そうでなければ、外殻の軸からシフトすることができる。 内部質量は、外殻の軸を中心に、外殻に対して逆回転するように構成されていてもよく、外殻のスピン方向とは逆方向に、外殻に対して回転する。 逆回転により、発射体の外側の（スピンしていない）環境に対して、実質的に同じ向きにブームを保つことができる。 したがって、発射体の外殻に迎え角を与えることにより、発射体を操縦するために、発射体内のブームまたは他の重量のポジショニングを使用することができる。 磁気システムを使用して、ブームまたは他の重量を逆回転させてもよい。 発射体は、発射体の狙いを定めることと、所望の照準点に向けて発射体を操縦することとを支援するレーザ誘導システムを有していてもよい。 図１は、発射体１０の外殻または外部ボディ１２内の重量を動かすことにより操縦可能である、スピン安定発射体１０を示している。 重量は、外殻１２中の空洞１８の中に位置しているブームまたは内部質量１４の一部分であってもよい。 ブーム１４は、ｙ軸アクチュエータ２２とｚ軸アクチュエータ２４との、対のアクチュエータに結合されている。 アクチュエータ２２および２４は、ブーム１４を、発射体１０の外殻１２および他のパーツに対して、y方向２６とｚ方向２８とにそれぞれ傾斜させるために使用される。 下記でより詳細に説明するように、アクチュエータ２２および２４は、ブーム１４を傾斜させるだけでなく、発射体１０の外殻１２および他のパーツの軸３０から外れて、ブーム１４の少なくとも１つの一端をピボット回転させる。 アクチュエータ２２および２４はまた、発射体１０のスピン方向とは逆方向に、外殻１２に対してブーム１４を逆回転させる。 この逆回転は、ブーム軸３４を中心としたブーム１４の回転とは対照的に、外殻軸３０を中心としたブーム１４の回転である。 発射体１０を所定の方向に操縦するために、発射体１０の外部環境に対して実質的に同じ向きにブーム１４を維持するように、逆回転は、発射体１０の他のパーツのスピンと実質的に同じレートである。 アクチュエータ２２および２４は、幅広いさまざまな形態のうちの任意の形態を取ることができ、そのうちのいくつかだけを下記で論じる。 ある意味で、アクチュエータ２２および２４の描写は、アクチュエータ２２および２４が、単一の一体化したデバイスの個別の側面または特徴に過ぎないという点で、概略的であると考えることができる。 加えて、ブーム１４を傾斜させ、逆回転させるために使用される、アクチュエータ２２および２４により表されているメカニズムは、外殻１２内の他の場所に位置していてもよいことが理解されるだろう。 ブーム１４は、発射体１０の重量のおよそ半分を構成していてもよく、例えば、発射体１０の重量の４９％から５１％であってもよく、より広くは、発射体１０の重量の４５％から５５％であってもよい。 発射体１０のブーム１４の重量と発射体１０のその他のものの重量とをバランスさせることにより、発射体１０の飛行の制御を簡略化することができる。 しかしながら、代替的に、ブーム１４が、発射体の重量の半分よりも大幅に少なくてもよく、例えば、発射体１０の重量のおよそ２０％であってもよいことが理解されるだろう。 ブーム１４は、アクチュエータ２２および２４とともに発射体１０の他のシステムにも電力を供給するために使用されるバッテリー４０を含んでいてもよい。 代替的に、あるいは、付加的に、ブーム１４または他の内部質量は、鉛または別の重い素材を含んでいてもよい。 発射体１０は、発射体１０のノーズ４６中に誘導電子機器４４を有していてもよい。 ブーム１４の傾斜および／または逆回転を制御するアクチュエータ２２ならびに２４を制御するために、電子機器４４を使用してもよい。 誘導電子機器４４はまた、ターゲットに向けて発射体を誘導するための照準システムに結合されていてもよく、ターゲットに向けて発射体を誘導するための照準システムから情報を受信してもよい。 下記で説明するように、例は、レーザ誘導システムまたは照準システムである。 発射体１０のスピンレートは、１００〜５００Ｈｚのオーダーであってもよい。 しかしながら、発射体１０に対する他のスピンレートもありうることが理解されるだろう。 発射体１０は、さまざまなデバイスのうちの何らかのものであってもよい。 １つの例を示すために、発射体１０は、少なくともおよそ５０ｍｍの直径を有する砲弾のような兵器であってもよい（が、他の直径の発射体とともに使用することも可能である）。 兵器は、弾頭または他の爆薬のような、付加的な特徴を有していてもよい。 図２は、飛行中の発射体１０を示しており、発射体１０は、飛行の方向６０に対して傾いている。 飛行の方向６０に対して発射体１０（特に、発射体の外殻１２の外殻軸３０）を傾けさせることは、結果として、発射体１０の外殻１２における不均一な空気力になり、発射体１０は、飛行方向６０に対して、ゼロでない迎え角となる。 例えば、図２において示されているように、発射体ノーズ４６を上向きに傾けると、発射体１０に揚力６２が与えられる。 不均一な空気力は、発射体１０を操縦して、飛行発射体の飛行方向６０を変化させる。 それゆえ、飛行方向６０に対して発射体１０の角度を適切に制御することにより、発射体１０の飛行経路を制御することができる。 図３は、発射体１０の回転またはスピンと、外殻１２に対する、ブーム１４の傾斜およびブーム１４の逆回転を示している。 発射体１０が、第１の方向７０（例では、時計回り）にスピンまたは回転する一方で、外殻に対するブーム１４の逆回転は、逆方向７２（例では、反時計回り）である。 ブーム１４の主軸７４が、外殻１２の主軸３０からオフセットされるように、ブーム１４は、逆回転の間、傾斜される。 ブーム１４の傾斜の角度が大きくなると、発射体１０の外殻１２の偏差すなわち迎え角が大きくなる。 発射体１０のその他のものの質量に比べて、ブーム１４の質量が大きくなると、ブーム１４の所定の量の傾斜が、外殻１２を傾けることに及ぼす影響が、大きくなることが理解されるだろう。 図４および図５は、発射体１０に対する１つの可能性あるアクチュエータ構成である、磁気アクチュエータ８０を示している。 示されているアクチュエータ８０では、外殻１２は、その内面８８上に一連の電磁石８１〜８６を有している。 電磁石８１〜８６は、第１の対の電磁石８１および８２と、第２の対の電磁石８３および８４と、第３の対の電磁石８５および８６との、３対の、直径の反対側の電磁石を構成している。 電磁石対は、電磁石８１〜８６のうちの異なるものに対して、交互に、連続してブーム１４を引き付けるための、三相アクチュエータ８０として動作する。 ブーム１４は、その回りに巻きつけられているワイヤループまたは他の導体９０を有している。 また、ブーム１４は、例えばＵジョイントのようなジョイント９２で、発射体１０のその他のものに結合されている。 スプリング９４（あるいは、他の類似する機械的なまたは他のエレメント）は、ブーム１４に何も力がかかっていないときに、発射体または外殻の中心軸３０（図１）に向けてブーム１４を動かす傾向がある中心力を与える。 外殻１２が回転することにより、電磁石８１〜８６が、ブーム１４の回りに回転磁界を引き起こす。 ブーム１４の回りに巻きついている、ワイヤループまたは他の導体９０を通って、電流が流れる。 個別の電磁石８１〜８６に対して、連続して電力を適用することにより、ブーム１４が、磁石８１〜８６のうちの第１のものに、そして、次の磁石に等と、連続して引き付けられる。 これは、外殻１２の中心線軸３０から外してブーム１４を傾斜させ、スプリング９４からの中心力に逆らって、ブーム１４のすべてまたは一部分を外側に引っ張る。 連続する電磁石８１〜８６に順次ブーム１４を引き付けることはまた、傾いたブーム１４を、外殻１２に対して、軸３０を中心に回転させる。 電磁石８１〜８６に適用される電流（または電圧）を選択することにより、および、どのくらいの速さで１つの電磁石から次の電磁石へと電流（または電圧）をシフトするかにより、ブーム１４の傾斜角および相対的な回転速度の双方を制御することができる。 ブーム１４が発射体１０の外部環境に対して回転しないように、（外殻１２に対する）ブーム１４の相対的な回転速度をセットしてもよい。 図６は、ターゲットに向けて発射体１０を誘導するのを支援するために、発射体１０（図１）の一部分として使用してもよいシーカー１００を示している。 シーカー１００は、発射体１０のノーズ４６（図１）中に位置していてもよい。 シーカー１００は、図６ではターゲット平面１０６として表されている、ターゲットまたは他の照準点（到着先）を照らしている、レーザターゲット照射機からの光１０４を受信する。 ターゲット照射機スポット１０４を生成させるために使用されるレーザは、発射体１０を発射させるための発射装置の一部分であってもよく、または、別のシステムの一部分であってもよい。 ターゲット照射機からの光１０４は、シーカー１００のレンズ１１０を通過し、シーカー１００の光検出器アレー（ＰＤＡ）１１２により受信される。 ＰＤＡの例は、電荷結合素子（ＣＣＤ）である。 ＰＤＡ１１２は、発射体１０の目視線１１６から、レーザターゲット照射機１０４のイメージ１１４の半径Ｒを検出する。 ＰＤＡ１１２は、ＰＤＡ１１２の平面内で、（例えば、目視線１１６が、ＰＤＡ１１２の平面と交差する）ＰＤＡ１１２の中心点１１８の回りに、ターゲット照射機１０４のイメージの角度θも決定する。 発射体１０のスピンレートを決定するために、角度θの決定が使用され、時間にわたっての角度θの変化は、当然、スピンレートｐに対応する。 発射体１０のアクチュエータを適切に制御することによってブーム１４（図１）のポジショニングおよび回転を制御するために、シーカー１００からの情報が、誘導電子機器４４（図１）により使用される。 磁気アクチュエータ８０（図４）の界のような界を、シーカー１００が接続されているまたは取り付けられている発射体１０の一部のスピンレートｐに対応するレートで駆動するために、シーカー１００からの情報を使用してもよい。 オフセット半径Ｒが増加するにつれて、ブーム１４のずれ（傾斜角）を増加させるために、シーカー１００からの情報が、誘導電子機器４４により使用される。 ブーム１４はまた、ターゲットと整列される。 いったんＲ＝０になると、発射体１０をターゲットに導く目視線が確立される。 シーカー１００は、発射体１０用のターゲット追跡に対して使用することができる、さまざまな光学システムのうちの単なる１つであることが、理解されるだろう。 他の光学コンポーネントまたは非光学コンポーネントを利用してもよい。 図７および図８は、発射体１０の誘導および進路制御における別の要因である、ウエザーベーンニング抗力により誘発される歳差運動を示している。 図７を参照すると、発射体１０は、ベクトルＶの方向に飛行しており、外殻軸３０の回りをレートｐでスピンしている。 発射体１０は、正のＹ軸を中心に、ノーズがピッチアップされると、ウエザーベーンニング抗力が、Ｙ軸を中心にモーメントＭを生成させる。 歳差運動は、レートΩで、Ｘ軸を中心に、発射体ノーズ４６を回転させる。 図８を参照すると、歳差運動に対する補償は、歳差運動を打ち消すために、ブーム１４（図１）の回転を速めること、または、遅らせることを伴うことがある。 発射体１０（図１）のピッチのみが望まれているが、歳差運動が原因となりヨーも生じるという点で、歳差運動は、ピッチ・ヨーの相互作用である。 ＰＤＡ１１２上のターゲットイメージ１０６は、対応するアクチュエータ入力１３２によるピッチ応答１３０を示唆している。 最初の軌道１３６から、改善された軌道１３８へと、発射体の軌道を動かすために、（歳差運動の影響を無視して）ピッチ応答１３０が選択される。 しかしながら、ピッチ応答１３０は、歳差運動応答１４６を生成させ、これは、ピッチ応答１３０と歳差運動応答１４６とのベクトルの和であるターゲット応答１４８を生成させる。 上記で示したように、歳差運動応答１４６を打ち消すために、ブーム１４の逆回転を速めることまたは遅らせることを使用してもよい。 図９は、発射体１０（図１）を操縦するために、アクチュエータ８０（図４）を制御するのに使用される制御ループ２００を示している。 発射体または弾丸１０の飛行は、発射体ダイナミクス２０２を生成させ、これは、ＰＤＡ１１２において受信したＲ誤差およびθの値２０４に影響を与える。 アクチュエータ８０（図４）の磁石８１〜８６（図４）に対する信号を生成させるために、Ｒおよびθの値が使用される。 Ｒおよびθの値は、タイミング信号２１０および位相調整２１２とともに、タイマー２１４に入力されて、信号に適切なタイミングを提供するために使用される。 タイマー２１４からの出力は、必要な増幅量を決定する利得調整２２２を有している、増幅器２２０により増幅される。 アクチュエータ８０の３つの電磁石対に出力信号が送られ、出力信号は、アクチュエータ電圧２２８、２２９、および２３０に、アクチュエータ８０の位相の時間遅延２２４、２２５、および２２６を与え、これらの電圧は、電磁石対８１および８２と、電磁石対８３および８４と、電磁石対８５および８６とに与えられる。 説明した発射体および操縦方法は、有利なことに、低コストであり、いかなる外部制御翼面も伴っておらず、実現するのが簡単である。 加えて、ここで説明した操縦システムは、堅固であり、発射体の発射の間に生じることがあるような、応力が大きい環境において有利である。 さらに、発射体１０の制御システムは、その目的を達成するために必要とされる最小数の自由度を制御する。 発射体１０の制御システムは、３次元の動作を制御するのに必要な最小数である、２自由度を制御する。 無誘導発射体と比較すると、発射体１０は、距離と精度が増加し、動いているターゲットとのより良い交戦が可能になる。 さらに、現在の兵器システムと互換性があり、特別な改良を何ら必要としない。 光学誘導目視線制御システムは、現在の誘導システムよりもコストが低く、これは、特に、その飛行の最後に発射体１０が壊れることを考慮すると有利である。 ある好ましい実施形態に関して、本発明を示し説明してきたが、本明細書および添付の図面を読んで理解したときに、均等な代替物および改良が、当業者の心に浮かぶだろうことは明らかである。 特に、上記で説明したエレメント（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、コンポジション等）により実行されるさまざまな機能に関して、このようなエレメントを説明するために使用した（“手段”への言及を含む）用語は、そうではないと示されていない限り、ここで示した本発明の例示的な実施形態において機能を実行する開示した構造と、たとえ構造的に均等でなかったとしても、説明したエレメントの特定の機能を実行する（すなわち、機能的に均等である）何らかのエレメントに対応することを意図している。 加えて、いくつかの示した実施形態のうちの１つ以上に関してだけ、本発明の特定の特徴を上記で説明したかもしれないが、このような特徴は、何らかの所定のアプリケーションあるいは特定のアプリケーションに対して所望および有利であるように、他の実施形態のうちの１つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。 ある好ましい実施形態に関して、本発明を示し説明してきたが、本明細書および添付の図面を読んで理解したときに、均等な代替物および改良が、当業者の心に浮かぶだろうことは明らかである。 特に、上記で説明したエレメント（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、コンポジション等）により実行されるさまざまな機能に関して、このようなエレメントを説明するために使用した（“手段”への言及を含む）用語は、そうではないと示されていない限り、ここで示した本発明の例示的な実施形態において機能を実行する開示した構造と、たとえ構造的に均等でなかったとしても、説明したエレメントの特定の機能を実行する（すなわち、機能的に均等である）何らかのエレメントに対応することを意図している。 加えて、いくつかの示した実施形態のうちの１つ以上に関してだけ、本発明の特定の特徴を上記で説明したかもしれないが、このような特徴は、何らかの所定のアプリケーションあるいは特定のアプリケーションに対して所望および有利であるように、他の実施形態のうちの１つ以上の他の特徴と組み合わせることができる。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］スピン安定発射体において、
外部ボディと、
前記ボディの空洞中にある内部質量とを具備し、
前記内部質量の少なくとも一部分が、前記ボディの軸から離れるように選択的に動かすことができ、外殻に対して、前記軸を中心に回転するように、前記内部質量が前記外殻に機械的に結合されているスピン安定発射体。
［２］前記内部質量は、前記ボディのノーズに結合されている円筒形のブームである［１］に記載の発射体。
［３］前記内部質量は、バッテリーを含む［１］または［２］に記載の発射体。
［４］前記内部質量は、鉛を含む［１］〜［３］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［５］前記内部質量は、前記発射体の重量のうち２０％〜５５％を構成する［１］〜［４］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［６］前記内部質量は、前記発射体の重量のうち４９％〜５１％を構成する［１］〜［４］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［７］前記内部質量は、前記外殻に対して傾斜可能である［１］〜［６］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［８］前記内部質量を選択的に動かし、前記内部質量を回転させるように、前記内部質量に動作可能に結合されているアクチュエータをさらに具備する［１］〜［７］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［９］前記アクチュエータは、磁気力を使用して、前記外殻に対して前記内部質量を位置付ける磁気アクチュエータである［８］に記載の発射体。
［１０］前記磁気アクチュエータは、前記外殻の内面に取り付けられている、直径の反対側の電磁石の対を含み、
前記内部質量の少なくとも一部分を前記外殻の軸から離れるように動かし、前記外殻に対して、前記外殻の軸を中心に、前記内部質量を回転させるように、前記電磁石の対に対して連続的に電圧を印加してもよい［９］に記載の発射体。
［１１］前記アクチュエータにより前記内部質量の動きを制御するために、前記アクチュエータに動作可能に結合されている制御電子機器をさらに具備する［８］〜［１０］のうちのいずれか１つに記載の発射体。
［１２］前記制御電子機器に動作可能に結合されているシーカーをさらに具備し、
前記シーカーは、前記発射体に対するターゲットの位置に関する情報を前記制御電子機器に提供する［１１］に記載の発射体。
［１３］前記シーカーは、ターゲット照射機のイメージの位置を検出する光検出器アレー（ＰＤＡ）を備える［１２］に記載の発射体。
［１４］発射体の飛行を制御する方法において、
前記方法は、
前記発射体の前後軸を中心に、前記発射体の外殻を第１の方向に回転させることと、
前記発射体の前記外殻に対して、前記第１の方向とは逆の第２の方向に、前記前後軸を中心に、前記発射体の内部質量を逆回転させることとを含み、
前記内部質量は、前記外殻中の空洞内にある方法。
［１５］前記逆回転させることは、所定の方向に前記発射体を操縦するために、前記発射体の外部環境に対して実質的に同じ向きに前記内部質量を保つように、外部ボディに対して前記内部質量を逆回転させることを含む［１４］に記載の方法。
［１６］前記空洞内で前記内部質量を動かして、それにより、前記発射体の飛行方向に対してゼロでない迎え角に前記発射体を配置することにより、前記発射体を操縦することをさらに含む［１５］に記載の方法。
［１７］前記動かすことは、前記空洞内で、前記外殻に対して前記内部質量を傾斜させることを含む［１６］に記載の方法。
［１８］前記傾斜させることと、前記逆回転させることとは、前記内部質量を傾斜および逆回転させる磁気力を使用して、前記発射体の磁気アクチュエータにより達成される［１７］に記載の方法。
［１９］前記操縦することは、前記発射体のシーカーにより受信した情報に基づく、前記内部質量の動きの方向と、逆回転のレートとを含む［１６］〜［１８］のうちのいずれか１つに記載の方法。 |
