Ordnance system having a common bus, a method of operation, and aerospace vehicles, including it

本発明は、一般的に、打ち上げ可能なビークル（ｖｅｈｉｃｌｅ）上の通信構造に関する。 より詳細には、本発明は、打ち上げ可能なビークル内の様々なサブシステムに関する統合化されたオードナンス・システム（ｏｒｄｎａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ）に関する。

米国政府は、本発明に支払い済みのライセンス、及び契約Ｎｏ． ＮＲＯ−０００−０１−Ｃ−４３７２の条項により与えられるような妥当な条項に基づいて他者にライセンスを付与することを特許権者に要求する、限られた状況における権利を有する。

打ち上げ可能なビークルは、多種多様な独立の機能を実行するための様々なオンボード・システムを利用する。 例えば、ビークル遠隔計測システムは、飛行中にビークルを制御するための遠隔計測データを提供する。 遠隔計測システムの様々な構成要素は、ビークルの全長の周りに分散配置され、そしてビークル尾部の操縦舵面（例えば、翼又はデフレクタ）並びにビークルの機首に配置されたコントローラ構成要素を含む。 様々な構成要素との相互作用を行うため、専用の導体がビークルの全長に沿って配線（ｒｏｕｔｅ）され、そのためビークル重量の追加、及び通信導管又は「レースウエイ（軌道）（ｒａｃｅｗａｙｓ）」による機械的輻輳が発生する。 追加のビークル・システムは更に、例えば、固体ロケット・モータを起動し、使用済みのブースタ段を切り離すため爆発用装薬を活動化し、又は圧力等化大気ベント（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｖｅｎｔｓ）を活動化するため用いられるオードナンス・システムのようなシステムを含み得る。 そのようなシステムはまた、ビークルの全長に沿って専用の導体、そして爆発用装薬と一般的にビークルの機首近くに配置されているオードナンス・コントローラとの間のレースウエイを通って配線された専用の導体を必要とする。 この追加の専用のケーブル配線はまた、ケーブル配線の質量及び輻輳をもたらす。

更に、ひとたびビークル・システムの設計が完成してしまうと、追加の制御構成要素、センサ及びオードナンス構成要素のような初期設計への変更、グレードアップ、又はシステムの増強等は、ケーブル配線の再設計、追加のケーブル配線重量の質量管理、ケーブル配線用導管及びレースウエイの再設計、前に承認し検証した設計の再認定、及びシステム再設計の他の非現実さにつきものの「波及」効果のため非現実的になる。

その上、健全さ及び全体の動作能力に関する打ち上げ前ビークルの静的状態モニタリングは、独立のシステムとして実装された場合、ビークルに追加の質量及びケーブル配線の要件を更に担わせる追加のシステムを要求する。 従って、従来技術の上記欠点に対する統合化され且つ拡張可能な解法を提供することが望ましいであろう。

本発明は、共通バスを有するオードナンス・システムを構成する。 本発明の一実施形態においては、オードナンス・システムは、データをその上で受信及び送信するよう構成されたアドレス可能なバスを含む。 アドレス可能なバスは更に、制御プロセス及び遠隔計測プロセスを含み且つアドレス可能なバスを制御するよう構成されたオードナンス・コントローラに結合される。 オードナンス・システムは更に、アドレス可能なバスに結合され且つ制御プロセスに応答する少なくとも１つのイニシエータと、アドレス可能なバスに結合され且つ遠隔計測プロセスと相互作用する（ｉｎｔｅｒａｃｔ）よう構成された少なくとも１つの遠隔計測センサとを含む。

本発明の別の実施形態においては、オードナンス・システムは、遠隔計測データをアドレス可能なバスを介して受信するよう構成された遠隔計測システムと、オードナンスをアドレス可能なバスを介して制御するよう構成されたオードナンス制御システムとを含む。 本発明の更に別の実施形態においては、オードナンス・システムを制御する方法が提供される。 遠隔計測データは、遠隔計測センサからアドレス可能なバスを介して受信され、そしてオードナンスは更に、オードナンス・コントローラによりアドレス可能なバスを介して制御される。

本発明のまた別の実施形態においては、機体（ａｉｒｆｒａｍｅ）は、アドレス可能なバスを制御するよう構成されたオードナンス・コントローラを用いてアドレス可能なバス上のデータを送信及び受信するよう構成された当該アドレス可能なバスを有し、当該オードナンス・コントローラは、制御プロセス及び遠隔計測プロセスを含む。 機体は更に、アドレス可能なバスに結合され且つ制御プロセスに応答する少なくとも１つのイニシエータと、アドレス可能なバスに結合され且つ遠隔計測プロセスと相互作用するよう構成された少なくとも１つの遠隔計測センサとを含む。

本発明の更なる実施形態においては、オードナンス・システムをモニタリングするリアルタイム健全管理システム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）がアドレス可能なバスを含み、当該アドレス可能なバスを介して、少なくとも１つのイニシエータ及び少なくとも１つの遠隔計測センサの健全状態をモニタリングする健全モニタリング・プロセスが相互作用を行い、そして前記リアルタイム健全管理システムは更に、アドレス可能なバスに結合され且つ健全モニタリング・プロセスと相互作用して健全状態を決定するよう構成された少なくとも１つの健全モニタリング・センサを含む。

本発明の追加の特徴及び利点は、次に続く発明の詳細な説明に記載され、そして一部は、その説明から当業者に明らかであろうし、また本発明の実施により学習され得る。 本発明の特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲で示される方法及び組み合わせにより認識され、また得られる。

明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明を実行する最良のモードと現在考えられるものを示す。

添付図面に示される本発明の例示的装置の実施形態及び方法をここで詳細に説明する。 そこにおいて、類似の参照数字は、図面全体にわたり類似又は対応の構成要素を示す。 しかしながら、本発明は、そのより広い見地において、特定の詳細、代表的装置及び方法、及びこの明細書で示しそして説明する例示的事例に限定されるものでないことに留意されたい。

本発明の様々な実施形態に従ったオードナンス・システムは、ロケット、衛星、ミサイル、打ち上げビークル、又は他のそのような装置を含む様々な種類の機体と統合化され又はそれらと一緒に利用され、そこにおいてはオードナンスを利用して、様々な状態変化を開始する。 そのようなオードナンスは、点火装置、爆発用ボルト（ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ ｂｏｌｔｓ）、アクチュエータ、ガス・ジェネレータ、分離装置、圧力等化及び換気装置を含むが、これらに限定されるものではなく、そしてこれらは以下で個々に又は集約的に「オードナンス」と呼ばれる。

オードナンスが実際の爆発又は火工作用を与えるが、そのような装置は、通常、電気的動作又は制御されるイニシエータに結合され、当該電気的動作又は制御されるイニシエータは、特定の電気信号に応答し、そしてそれに結合されたオードナンスの設計された動作を開始する。 特定のイニシエータに指向された開始信号が、生じ、又は電子コントローラにより与えられる。 なお、電子コントローラは、それに結合された１又はそれより多くのイニシエータの活動化の協調を調整する。 図１において、機体１０は、本明細書で説明する様々な構成要素を含むオードナンス・システム１２を含むように示されている。 図示のように、オードナンス・システム１２は、特定の機体１０の複数のステージ（段）１６にわたって配備され得る。 更に、オードナンス・システム１２は、オードナンス・コントローラ１４、及びそれにアドレス可能なバス２２を介して結合された１又はそれより多くのイニシエータ１８，２０を含み得る。 オードナンス・システム１２は更に、１又はそれより多くの関連のイニシエータ１８，２０のそれぞれに応答する１又はそれより多くのオードナンス２４，２６を含み得る。 オードナンス・システム１２は更に１又はそれより多くのセンサ２８，３０を含み得て、当該１又はそれより多くのセンサ２８，３０は更に、オードナンス・コントローラ１４にアドレス可能なバス２２を介して結合される。 センサ２８，３０は、重要な情報をオードナンス・システム１２に与えるよう構成されている遠隔計測センサ又は他のセンサを含み得る。

図１は更に、以下で説明されるように健全管理システムの部分を示し、当該健全管理システムは、健全センサ３２，３４として示されるセンサを含み得て、当該健全センサ３２，３４は、オードナンス・コントローラ１４にアドレス可能なバス２２を介してアクセス可能であり且つ結合される。 例示としてであり限定するものでないが、健全センサ３２は、イニシエータ１８の準備（ｒｅａｄｉｎｅｓｓ）又は能力についてセンサ情報（ｓｅｎｓｏｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）をオードナンス・コントローラ１４に与えるよう構成される一方、オードナンス・コントローラ１４にアドレス可能なバス２２を介して結合された健全センサ３４は、オードナンス２４の健全さ及び信頼性状態を提供するよう構成される。 状態情報は、オードナンス２４の運用寿命の妥当性、並びにオードナンス２４の潜在的故障モードのモニタリング、並びにオードナンス２４の活動化又は利用に対する有用性を見つける他の構造又はサポート機能を通して向上した安全及び信頼性を可能にすることを見つける。

図２は、本発明の一実施形態に従ったオードナンス・システムを示す。 図１に示すオードナンス・システム１２は様々な構成要素から成るように示されているが、一方、図２は、オードナンス・システム１２が様々なシステムから成るように示す。 図２に示されるように、オードナンス・システム１２は制御システム３６から成り、当該制御システム３６は、一般的に、アドレス可能なバス２２を介して１又はそれより多くのイニシエータの開始及び順序付けを制御し、それらのイニシエータの１つがイニシエータ４２として示され、当該イニシエータ４２は更にオードナンス４４に結合される。 イニシエータ４２の順序付け及び活動化は、オードナンス・コントローラ１４内のオードナンス制御処理部４６により制御される。

オードナンス・システム１２は更に、１又はそれより多くの遠隔計測センサ４８からのセンサ・データ（ｓｅｎｓｏｒｙ ｄａｔａ）をモニタリングし且つ検索するための遠隔計測システム３８を含み得て、当該１又はそれより多くの遠隔計測センサ４８は、アドレス可能なバス２２を介してアクセス可能である。 遠隔計測センサ・データは、オードナンス・コントローラ１４内の遠隔計測処理部５０を介して管理され且つ要求される。

オードナンス・システム１２は更に健全管理システム４０を含み、当該健全管理システム４０は１又はそれより多くのセンサ５２−５６を含み、当該１又はそれより多くのセンサ５２−５６は、オードナンス・コントローラ１４内の健全管理処理部５８の制御下にある。 センサ５２−５６を用いて、オードナンス・システム１２内の様々な構成要素の１又はそれより多くの健全状態をモニタリングし得て、当該１又はそれより多くの健全状態は、イニシエータ４２の状態又は動作準備（センサ５６を介して）、オードナンス４４の機能及び信頼性（センサ５４を介して）、並びに任意の物理的環境又はオードナンス４４の周りの環境を含むが、これらに限定されるものではない。 その上、健全管理システム４０は更に、センサ５２のようなセンサを介して、遠隔計測センサ４８の様々な機能的様相をモニタリングし得る。

様々なセンサが、本システムのサブシステム及び構成要素をモニタリングするため採用され得る。 例示としてであり限定するものではないが、例示的センサは、ロケット・モータの内腔（ｂｏｒｅ）の周りに分散配置され、粒子変形（ｇｒａｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）及びモータの内腔の内腔チョーキングをモニタリングする光ファイバ・センサ、及び内部モータ圧力及びボンド・ライン保全性をモニタリングするための側壁荷重光ファイバを含み得る。 追加の光ファイバ・センサは、接合（ｊｏｉｎｔ）及びノズル圧力をモニタリングするための端壁荷重圧力センサ、及び接合温度及び絶縁温度に応答する光ファイバ温度センサを含み得る。 他の技術センサは、ケース及びノズル材料保全性を測定し且つモニタリングするための超音波センサ、及び例えば、ノズル、ケース及び推進剤に対して損傷を与える材料を測定し且つモニタリングするための渦電流センサを含み得る。

図示のように、様々なシステム、オードナンス制御システム３６、遠隔計測システム３８及び健全管理システム４０は、様々なシステムと対応のイニシエータ及びセンサとの間の通信を容易にし且つ確立するための共通バス、即ちアドレス可能なバス２２を利用する。 そのような構成は、イニシエータ及びセンサがオードナンス・コントローラ１４により制御されるようなアドレス可能な共通バス２２を介して結合されるので有利である。 本発明の一実施形態に従って、イニシエータ及びセンサのそれぞれが、アドレス可能なバス２２を介して交換されるような唯一のアドレスに応答するよう構成されている。 そのようなことで、所与のイニシエータは、そのイニシエータ又はイニシエータのグループに一意的に割り当てられた特定のアドレス・コードにのみ応答するようプログラムされる。

図３は、本発明の例示的実施形態に従った共通バスの１つの特定の実施形態を示す。 共通バス構造をアドレス可能なバス６０として示し、当該アドレス可能なバス６０は、４線形態を含むよう示されている。 例示としてであり限定するものではないが、アドレス可能なバス６０は、電力線及び接地線から成る電力信号６２として示される動作電力を提供する１対の導体を含む。 アドレス可能なバス６０は更に、共用バス信号６４として示される１対の共用バス信号を備える。 図示のように、本発明のバス・アーキテクチャのため、様々なセンサ及びイニシエータは、無視し得る追加の質量しか被らず、また事実上前述したような導電性レースウエイ又は導管による追加の配線の輻輳も被らないでバスに結合され得る。 図３は、１又はそれより多くのモジュラー相互接続部６６を介したセンサ又はイニシエータのモジュラー・カップリングを示す。

シリアル・バスの１つの例示的実施形態は、国際標準化機構（ＩＳＯ）及びアメリカ規格協会（ＡＮＳＩ）（米国ワシントン）から入手可能であるＩＳＯ ＤＩＳ１６８４５、ＩＳＯ ＤＩＳ１１８９８国際ＣＡＮ標準のようなコントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）プロトコルを含む。 ＣＡＮプロトコルは、様々な電子装置又はノード間で通信するためのシリアル通信プロトコルである。 ＣＡＮプロトコルに従って、複数の異なる電子装置又はノードは、単一のシリアル・バスに結合され得て、それによりメッセージ及びデータは、１つの電子装置又はノードから別の電子装置又はノードへ送られ得る。 ＣＡＮプロトコルはメッセージ・ベースのプロトコルであり、そこにおいては、ＣＡＮフレームは、共通ＣＡＮバス上に置かれ、図３において共用バス信号６４として示される。 ＣＡＮバスは、単一のワイヤであり得て、又は異なって駆動されるワイヤ対であり得て、共通ＣＡＮバス上の各ノードはＣＡＮバス上に与えられた各ＣＡＮフレームを受け取り、そして特定のノードに特には宛てられてないそれらのＣＡＮフレームをフィルタリングして除く。

図４は、本発明の例示的実施形態に従った健全管理処理モジュールを示す。 例示としてであり限定するものではないが、健全管理処理部５８は、オードナンス・システム全体にわたり様々な構成要素に結合された対応の健全センサとインターフェースするための１又はそれより多くの処理モジュールを含み得る。 例示としてであり限定するものではないが、健全管理処理部５８はイニシエータ保全性モジュール６８を含み得て、当該イニシエータ保全性モジュール６８は、イニシエータ４２（図２）の１又はそれより多くの健全状態を決定するためのセンサ５６（図２）とインターフェースする。 イニシエータの健全状態は、本発明のオードナンス・システムの１又はそれより多くの実施形態を統合化する機体の耐用年数の間の様々な時点で関心がある。 例えば、イニシエータの健全は、当該イニシエータのスケジューリングされた活動化の前に検査され得る。 その上、イニシエータの健全は、本発明のオードナンス・システムを具体化する機体の打ち上げ又は配備の前に関心がある。 更に、イニシエータの信頼性は、オードナンス・システムを含む格納された又はオフラインの機体の配備の容易さを決定するため周期的にモニタリングされ得る。

健全管理処理部５８は更にオードナンス保全性モジュール７０を含み得て、当該オードナンス保全性モジュール７０は、オードナンス４４（図２）の１又はそれより多くの健全状態を決定するためのセンサ５４（図２）とインターフェースする。 オードナンスの健全状態は、本発明のオードナンス・システムの１又はそれより多くの実施形態を統合化する機体の耐用年数の間の様々な時点で関心があり得る。 例えば、オードナンスの健全は、当該オードナンスのスケジューリングされた開始の前に検査され得る。 その上、オードナンスの健全は、本発明のオードナンス・システムを具体化する機体の打ち上げ又は配備の前に関心があり得る。 更に、オードナンスの信頼性は、オードナンス・システムを含む機体の配備の容易さを決定するため周期的にモニタリングされ得る。 より僅かしかないオードナンス構成要素、連続的健全モニタリング、及びオフライン試験と関連する低減した動作処理のような安全の改善は、本発明の様々な実施形態の健全管理処理から生じる。

その上、健全管理処理部５８は更にセンサ保全性モジュール７２を含み得て、当該センサ保全性モジュール７２は、別のセンサの１又はそれより多くの健全状態を決定するためのセンサ５２（図２）とインターフェースする。 なお、別のセンサの一例は遠隔計測センサ４８である。 センサの健全状態は、本発明のオードナンス・システムの１又はそれより多くの実施形態を統合化する機体の耐用年数の間の様々な時点で関心があり得る。 例えば、センサの健全は、そのセンサのスケジューリングされた問い合わせの前に検査され得る。 その上、センサの健全は、本発明のオードナンス・システムを具体化する機体の打ち上げ又は配備の前に関心があり得る。 更に、センサの信頼性は、オードナンス・システムを含む機体の配備のための容易さを決定するため周期的にモニタリングされ得る。

健全管理処理部５８は更にシステム劣化モジュール７４を含み得て、当該システム劣化モジュール７４は、本発明のオードナンス・システムを具体化する機体内の全体的状態及び変化をモニタリングする。 システム劣化モジュール７４は、前述したようなセンサ・データに対する変化ばかりでなく、他のパラメータの中のオードナンス推進剤の退化及びオードナンス・ハウジング歪み及び応力を追跡することにより、オフライン・システムの容易さを促進する。

専用のセンサ及びイニシエータのケーブル配線がそのセンサ又はイニシエータの位置から一般的に遠隔に配置されたコントローラまでに冗長に横断するよりむしろ機体の全長に沿って単一の物理的バスを利用する共用又は共通バス・アーキテクチャの使用によるケーブル配線の低減を含む本発明の様々な実施形態の実施の結果として、利点及び便益が実現され得る。 機体の公称の全長に沿った冗長なケーブル配線の低減は、重要であり、そして質量の節約は、拡張するとき更に一層拡大され、又はいずれの冗長なケーブル配線のための追加のレースウエイは、コスト及び質量低減解析で考慮に入れられる。 更に、追加のケーブル配線及びレースウエイの質量はまた、機体の設計目的をなし遂げるため機体の打ち上げ又は飛行のための追加の推進剤を必要とする。 少ししか構成要素を使用しないことが故障の発現の機会がより少なくなることに直接つながるので、増強された信頼性がまた、本発明の様々な実施形態の実施を通じて実現される。 その上、設計の柔軟性、システムの増強／グレードアップ／拡張の機会が、機体全体のアーキテクチャに対する変更の衝撃の緩和に起因して実際的になる。

追加の利点及び変更が当業者により容易に行われるであろう。 従って、本発明はそのより広い見地において、図示しまた説明した特定の詳細、代表的装置及び方法及び例示的事例に限定されない。 従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物により規定される一般的発明概念の趣旨又は範囲から逸脱することなしに、そのような詳細から脱却し得るものである。

図１は、本発明の一例示的実施形態に従ったオードナンス・システムを含むよう構成された機体のブロック図である。

図２は、本発明の一例示的実施形態に従ったオードナンス・システムのブロック図である。

図３は、本発明の一例示的実施形態に従った共通通信バスの概略図である。

図４は、本発明の一例示的実施形態に従った健全管理処理部のブロック図である。

符号の説明

１０ 機体１２ オードナンス・システム１４ オードナンス・コントローラ１６ 複数のステージ（段）
１８，２０ イニシエータ２２，６０ アドレス可能なバス２４，２６ オードナンス２８，３０ センサ３２，３４ 健全センサ６２ 電力信号６４ 共用バス信号６６ モジュラー相互接続部