JP2005531724A - カルダン継手上の可動の末広がり部によってステアリング可能なロケットエンジン・ノズル - Google Patents

Abstract

このノズルは、可動の末広がり部（２０）と、エンジンの燃焼室（１２）の後端部壁面に固定された静止部（１６）とを備える。カルダン継手は、可動の末広がり部と静止部を、それぞれの球面（２４ａ，１６ａ）を介して互いに接触させた状態で連結する。アクチュエータ・デバイス（５０ａ，５０ｂ）は、一方の球面を他方の球面上で摺動させてノズルの方向を変える。弾性復原手段（６２，６４）は、ノズルの可動の末広がり部（２０）と静止部（１６）の間に設けられ、可動の末広がり部を静止部の方へ引き付け、それによって、ノズルを任意の方向に向けるように、二つの球面（２４ａ，１６ａ）を互いに接触した状態で保つ。

Description

本発明は、ロケットエンジンのためのステアリング可能なノズルに係る。本発明の適用分野は、特にミサイル、特に約５００ｍｍ未満の径の戦術ミサイルであるが、それのみの限定されるものではない。

ステアリング可能なノズルを有するロケットエンジンは、
後端部壁面に開口が設けられた燃焼室を構成するケーシング；
可動の末広がり部と静止部を有する少なくとも一つのノズル；
前記可動の末広がり部と前記静止部を連結する結合リンク・デバイス；及び、
前記ノズルに作用して、その方向を変え、それによって、前記燃焼室から噴出された燃焼ガスによって作り出される推進力ベクトルの方向を変えるアクチュエータ・デバイス；を備えている。

従来の結合リンク・デバイスは、金属または複合材料の層と弾性材料の層とを交互に積み重ね、互いに接続することにより作られた積層構造の球面接合部（laminated spherical abutment）を使用している。そのような装置は、弾性材料の層が剪断変形することにより、ノズルがケーシングに対して限られた範囲内で旋回することを可能にする。上記の積層構造の接合部は、燃焼ガスによりノズルに作用する力の影響を受けて、通常、圧縮応力が作用するように設計されており、引張り力に対する強度は限られている。都合の悪いことに、ある条件において、上記積層構造の接合部に引張り力が作用することがあり得る。それに加えて、上記積層構造の接合部は、経時変化の影響を受け易く、また、非常に広い温度範囲に渡って使用できるような積層構造の接合部を製作することも容易ではない。

上記の欠点を取り除くため、ステアリング可能な末広がり部を備えたノズルが提案されている。そのようなノズルでは、末広がり部に球面が設けられ、ノズルの静止部にも上記球面と相補的関係にありそれと直接接触する球面が設けられている（ボール・アンド・ソケット・システム）。一方の球面を他方の球面の上で摺動させることによって、ノズルの末広がり部の方向の変更がなされる。互いに接触状態にあるノズルの可動の末広がり部と静止部は、典型的には、カーボン／カーボン複合材料で作られており、その材料は、特に高温度で良好な熱−機械的挙動を示し、アブレーション（ablation：融除）に対して大きな抵抗を示す。

そのような支持構造を採用することによって、積層構造の球面接合部を有する支持構造の欠点を取り除くことができる。しかし、解決すべき課題がまだ残されている。それは、ノズルの末広がり部の方向の全てにおいて、二つの接触球面の間の気密性を確保することである。これを実現するためには、操作角度がどの状態にあっても、ボールとソケットの間の恒久的な接触を確保する必要がある。そのようなステアリング可能なノズルを用いて、予備試験が行われた。これらの試験によれば、上記の概念は実現可能であるが、プレストレスが与えられたアクチュエータを用いてボールをソケットに押し付けた場合には、ピッチ面及びヨー面のコントロールについて限界があることが判明した。

本発明の目的は、上述の積層された球面の接合部による継手を使用する従来技術が有する欠点が無い、ロケットエンジン用のステアリング可能なノズルを提供することにある。特に、本発明の目的は、頑丈で信頼性が高く、且つ、ノズルの方向の全てにおいて、接触面での気密性を確保することが可能な、結合された支持構造を提供することにある。

上記の目的は、本発明のロケットエンジン用のステアリング可能なノズルによって実現される。本発明のロケットエンジン用のステアリング可能なノズルは、下記構成を備える：
燃焼室の周囲を取り囲み、後端部壁面を有するケーシング；
可動の末広がり部、及び前記後端部壁面に固定された静止部を備えたノズル；
ノズルの前記可動の末広がり部と前記静止部をそれぞれの球面を介して互いに接触させた状態で、前記可動の末広がり部を前記静止部に連結する結合リンク・デバイス；
ノズルの前記可動の末広がり部に作用して、前記一方の球面を他方の球面上で摺動させてノズルの方向を変えることにより、エンジンの推進力ベクトルの方向を変えることを可能にするアクチュエータ・デバイス。

本発明に基づく上記のステアリング可能なノズルは、更に、ノズルの前記可動の末広がり部と前記静止部の間に設けられた弾性復原手段を備え、この弾性復原手段は、前記可動の末広がり部に作用してそれを前記静止部の方へ引き付け、それによって、前記ノズルをいずれの方向に向けた場合でも、前記二つの球面を互いに接触した状態で保つようにする。

作用する弾性復原力によって、運転中に与えられる変位に関係なく、二つの球面を互いに押し付ける方向に作用する比較的安定した力が確保される。このようにして、これらの二つの球面の間の気密性を損なうことなく、任意の方向にノズルを向けることが可能になる。

前記リンク・デバイスとして、カルダン継手タイプを用いることができる。そのカルダン継手は、下記構成を備える：
リング；
ノズルの前記可動の末広がり部を前記リングに、二つの第一のヒンジを介して接続する、二本の第一のリンクアーム；
ノズルの静止部を前記リングに、二つの第二のヒンジを介して接続する二つの第二のリンクアーム。

前記弾性復原手段を、前記第一のリンクアームの中に組み込むことができる。

前記弾性復原手段を、プレストレスが与えられたバネによって構成することができる。

もう一つの実施形態において、前記弾性復原手段は、組み立ての際に弾性的に変形させられた前記リンク・デバイスの弾性変形可能部分（例えば、前記カルダン継手のリング）によって、少なくとも部分的に構成される。

摩擦低減手段を、互いに接触状態にある前記二つの球面の間に設けることができる。前記摩擦低減手段を、潤滑剤、例えばグラファイト・グリースにより構成することができる。変形形態として、前記摩擦低減手段を、前記二つの球面の間の接触領域内のコーティングまたは界面部分（interface part）によって構成することができる。例えば、低い摩擦係数を有する物質によるコーティングを、一方または双方の表面に施すことができる。

前記アクチュエータ・デバイスを、従来のリニア・アクチュエータまたはシリンダによって構成することができる。変形形態として、前記リンク・デバイスが、二つのピボット軸を有するカルダン継手である場合、前記アクチュエータ・デバイスは、前記カルダン継手軸の方向を直接に操作するため、前記カルダン継手軸上に配置された回転式アクチュエータを備える。

積層された球面の接合部を使用する従来のノズルと比べて、本発明のステアリング可能なノズル装置は、以下のような、大きな利点を有している。

− このノズルは、環境条件及び経年変化に対して、より頑丈である
− このノズルは、より広い球面接触面積を使用することにより、推進力の方向の角度変位として大きな角度を可能にする。このことは、可動の末広がり部を有するデバイスに固有の、大きく推進力方向を曲げる現象と結びつき、且つ、ノズルに固有の空力的な効果によるものである。

− このノズルは、リエントラント力現象の影響を受けにくい。即ち、可動の末広がり部に対して、その上流端側の方向に作用する力の影響を受けにくい。ここで、そのような力は、積層構造の接合部 に損傷を与えることがあるが、本発明のノズルの接触球面によりそれを吸収することができる。

− このノズルは、比較的高価な部品である積層された球面の接合部の使用を不要にするのみではなく、それを使用する場合に必要となる熱からの保護を不要にする。

本発明は、添付図面を用いた以下の実施形態の説明によって、更に良く理解できるであろう。

図１から３に、ロケットエンジンの概略図を示す。このロケットエンジンは、燃焼室１２の周囲を取り囲むケーシング１０を有し、その中に固体推進剤（図示せず）のブロックが収容される。燃焼室１２は、その後端部壁面１４に開口が設けられ、その開口は、ノズルの前端部につながっている。ノズルは、スロート部１６及び末広がり部２０を備えている。

ここで、スロート部１６は、ノズルのスロート部そのもののみではなく、収束部及び末広がりの開始部をも意味している。このスロート部１６は、例えば、ケーシングの後端部壁面１４に固定されたリング１８の中にネジ込まれることによって接続され、それによって後端部壁面１４に固定されるようになっている。

このスロート部１６は、典型的には、カーボン／カーボン複合材料で作られ、リング１８は、典型的には、断熱性を備えた複合材料で作られている。熱に対する保護層は、ケーシングの内面に設けられる。そのような燃焼室の構造は、それ単独で、良く知られている。

ノズル（または少なくともその一部）の末広がり部２０は、動くことが可能であり、ノズルの静止部、具体的にはスロート部１６の上に取り付けられている。

これもまた従来から知られているように、可動の末広がり部を用いてステアリング可能なノズルを構成することは、末広がり部の主軸の実際のピボット角度に対して推進力の方向の角度変位を拡大することことができる点で有利である。

この可動の末広がり部２０は、典型的には、ケーシング２２（例えば金属製の）の内面に、耐アブレーション材料製の内側レイヤ２３が被覆されたものである。後者の材料は、例えば、カーボン繊維またはシリカ繊維をフェノール系樹脂のマトリクスで結合した複合材料である。その上流側の端部で、可動の末広がり部２０は、内側のリング形状の部分２４を有している。この部分は、典型的には、カーボン／カーボン複合材料で作られている。

上記のスロート部１６及び可動の末広がり部２０は、中心がノズルの軸１１上にあるそれぞれの球面１６ａ及び２４ａを介して互いに接触状態にある。

なお、上記の可動の末広がり部の各部分２２、２４及び２３は、複合材料からなる一体化された部品を構成するように結合することができる。

ノズルの可動の末広がり部は、ノズルの静止部にカルダン継手タイプの機械的リンクを介して接続されている。この継手は、リング３０（例えば、金属製）、二つのリンクアーム３２及び３４、他の二つのリンクアーム４２及び４４、を備えている。ここで、リング３０は、ケーシングの端部壁面の周りに配置されている。二つのリンクアーム３２及び３４は、ノズルの可動の末広がり部のケーシング２２に取り付けられ、それらの端部は、二つのそれぞれのヒンジ３６及び３８を介して上記のリング３０に接続されている。他の二つのリンクアーム４２及び４４は、リング３０に取り付けられ、それらの端部は、燃焼室のケーシング１０の後端部壁面１４に接続され、その結果、他の二つのそれぞれのヒンジ４６、４８を介してノズルの静止部に接続されている。

上記のリンクアーム３２、３４、及びヒンジ３６、３８は、軸１１の回りで互いの反対側の位置に配置されている。ピボット軸３９を構成するヒンジ３６、３８の軸は、軸１１に対して垂直な面内に位置している。

同様に、上記のアーム４２、４４及びヒンジ４６、４８は、燃焼室の軸２１の回りで互いの反対側の位置に配置されている。ピボット軸４９を構成するヒンジ４６、４８の軸は、軸２１に対して垂直な面内に位置している。上記のヒンジ３６、３８、４６、４８は、リング３０の回りで等角度ずつ離れた位置にそれぞれ配置され、それによって、ピボット軸３９とピボット軸４９が互いに直交するように構成されている。

上記の部分１６及び２４の球面１６ｂ、２４ｂは、軸１１と軸２１の間で実現可能な角度変位の範囲の限界を定める。

このノズルは、複数のリニア・アクチュエータもしくはシリンダ、または、複数の回転式アクチュエータのいずれかを用いて駆動することができる。前者のリニア・アクチュエータまたはシリンダは、一方の端部がノズルの末広がり部２０のケーシング２２に支持され、その反対側の端部が燃焼室のケーシング１０に支持される。後者の回転式アクチュエータは、カルダン継手のピボット軸３９及び４９上に設けられ、それによってカルダン継手二つのピボット軸を直接、操作するように構成される。

図に示された例では、二つのリニア・アクチュエータ５０ａ及び５０ｂのみが示されている。それらは、ヒンジ５２ａ、５２ｂ及び５４ａ、５４ｂを介して、ケーシング１０及びケーシング２２に接続され、アクチュエータ５０ａ及び５０ｂの軸５１ａ及び５１ｂを含む子午面の間の角度は、約９０度である。

なお、上記の変形形態として、アクチュエータを、リング３０とノズルの可動の末広がり部２０の間に、取り付けることもできる。また、アクチュエータの数は、２よりも多くても良い。

本発明によれば、弾性復原手段が設けられ、その力が、ノズルの可動の末広がり部２０に対して、ノズル内のガスの流れの方向の反対方向に働き、それによって、ノズルの末広がり部がいずれの方向に向けられている場合にも、球面１６ａと２４ａが恒久的に互いに接触状態に保たれるようになる。その結果、球面１６ａと２４ａの間の気密性が、軸２１が軸１１に対して取ることが可能ないずれの方向においても確保される。

ここに示された例では、弾性復原手段は、バネ６２、６４（例えば、ベルビユ・ワッシャ・タイプ−Belleville washer type−）によって構成されている。これらのバネは、圧縮方向にプレストレスが与えられ、リンクアーム３２及び３４によって保持されている。

より詳しく説明すると、各リンクアーム３２、３４は、ロッド３１、３３を備え、それらのロッド３１、３３は、一方の端がヒンジ３６、３８に接続され、もう一方の端が、ノズルの末広がり部のケーシング２２に取り付けられたラグ２６、２８の穴２６ａ、２８ａを貫通している。

このもう一方の端は、当該ロッドの端にねじ込まれたナット４５、４７によって、これらのナット４５、４７とラグ２６、２８の間にバネ６２、６４を挿入した状態で、保持されている。この例では、上記のバネ６２、６４は、穴２６ａ、２８ａの中に嵌めこまれたブッシング６６、６８の拡大された端部の中に収容されている。

ロッド３１、３３と穴２６ａ、２８ａの間のクリアランスを無くすため、あるいは少なくとも小さくするため、上記のブッシング６６、６８は、穴２６ａ、２８ａの中に挿入され、その中をロッド３１、３３がクリアランス無しで貫通している。これによって、可動の末広がり部がその軸２１の回りで回転することを防止している。

バネ６２、６４に与えられる圧縮方向のプレアストレスの大きさは、ノズルの末広がり部２０が取り得る任意の方向において、球面１６ａ、２５ａが互いに押し合う力が有効な状態で確保されるように定められる。

アクチュエータ５０ａ、５０ｂを駆動して、ステアリング可能なノズルを操作する間、接触球面１６ａ、２４ａは互いに擦られる。部分１６と２４の間の摩擦は、乾式摩擦とすることもできる。

また、例えば、ボールとソケットの間の接触領域内で、ボール及びソケットを構成する二つの球面の一方または双方の上に設けられたコーティングまたは界面部分のような摩擦低減手段を使用することもできる。そのような摩擦低減手段として、例えば、テフロン（登録商標）ベースの材料、または、スロート部１６の残留ポアの中に少なくとも部分的に浸透されたグラファイト・グリースのような潤滑剤、などがある。

ノズルが取り得る任意の方向について、エンジンを正常な状態で運転するために必要とされる弾性復原をもたらすために、バネ以外の手段を使用することもできる。

例えば、この復原力を、可動の末広がり部をノズルの静止部に接続するリンク・デバイスの弾性変形部分によって発生させることもできる。前記弾性変形部分には、組み立ての際に弾性変形が与えられる。

以上のように、図２及び３の実施形態を更に変形した形態では、復原力は、バネ６２、６４を使用することなく、リング３０の弾性変形によって与えられる。その目的のためには、リング３０（例えば鋼製）は、締結されたナット４５、４７の効果によって弾性的に変形することが可能なように厚さが定められるか、あるいは、そのように厚さが減らされた部分を備える。

本発明に基づくロケットエンジンの部分的な概略透視図。 図１のロケットエンジンの部分的な長手方向断面図。 図２の III−III 面の断面図。

符号の説明

１０・・・ケーシング、１１・・・軸、１２・・・燃焼室、１４・・・後端部壁面、１６・・・スロート部、１８・・・リング、２０・・・末広がり部、２１・・・軸、２２・・・ケーシング、２３・・・内側のレイヤ、１６ａ・２４ａ・・・球面（接合面）、２４・・・リング形状の部分、２６・２８・・・ラグ、２６ａ・２８ａ・・・穴、３０・・・リング、３１・３３・・・ロッド、３２・３４・・・リンクアーム、３６・３８・・・ヒンジ、３９・・・ピボット軸、４２・４４・・・リンクアーム、４６・４８・・・ヒンジ、４５・４７・・・ナット、４９・・・ピボット軸、５０ａ・５０ｂ・・・リニア・アクチュエータ、５１ａ・５１ｂ・・・軸、５２ａ・５３ｂ・５４ａ・５４ｂ・・・ヒンジ、６２・６４・・・バネ、６６・６８・・・ブッシング。

Claims (11)

1. ロケットエンジン用のステアリング可能なノズルであって、
   燃焼室（１２）の周囲を取り囲み、後端部壁面（１４）を有するケーシング（１０）と；
   可動の末広がり部（２０）、及び前記後端部壁面に固定された静止部（１６）を備えたノズルと；
   ノズルの前記可動の末広がり部と前記静止部をそれぞれの球面（２４ａ，１６ａ）を介して互いに接触させた状態で、前記可動の末広がり部を前記静止部に連結する結合リンク・デバイスと；
   ノズルの前記可動の末広がり部に作用して、前記一方の球面を他方の球面上で摺動させてノズルの方向を変えることにより、エンジンの推進力ベクトルの方向を変えることを可能にするアクチュエータ・デバイス（５０ａ，５０ｂ）と；を備え、
   前記ノズルは、下記特徴を備える：
   弾性復原手段（６２，６４）が、ノズルの前記可動の末広がり部（２０）と前記静止部（１６）の間に設けられ、この弾性復原手段は、前記可動の末広がり部に作用してそれを前記静止部の方へ引き付け、それによって、ノズルをいずれの方向に向けた場合においても、前記二つの球面（２４ａ，１６ａ）を互いに接触した状態で保つようにする。
2. 下記特徴を備えた請求項１に記載のノズル：
   前記リンク・デバイスは、
   リング（３０）と；
   ノズルの前記可動の末広がり部（２０）を前記リングに、二つの第一のヒンジ（３６，３８）を介して接続する、二本の第一のリンクアーム（３２，３４）と；
   前記リング（３０）を前記ケーシングの後端部壁面（１４）に、二つの第二のヒンジ（４６，４８）を介して接続する、二本の第二のリンクアーム（４２，４４）と；
   を備えたカルダン継手であって、
   前記ノズルは、下記特徴を有する：
   前記弾性復原手段（６２，６４）は、リンクアームに組み込まれている。
3. 下記特徴を備えた請求項２に記載のノズル：
   前記弾性復原手段（６２，６４）は、前記第一のリンクアーム（３２，３４）に組み込まれている。
4. 下記特徴を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載のノズル：
   前記弾性復原手段（６２，６４）は、プレストレスが与えられたバネ（６２，６４）によって構成される。
5. 下記特徴を備えた請求項１または２に記載のノズル：
   前記弾性復原手段（６２，６４）は、組み立ての際に弾性的に変形させられた前記リンク・デバイスの弾性変形可能部分によって、少なくとも部分的に構成される。
6. 下記特徴を備えた請求項２から５のいずれか一項に記載のノズル：
   前記弾性変形可能部分は、前記カルダン継手の前記リングである。
7. 下記特徴を備えた請求項１から６のいずれか一項に記載のノズル：
   摩擦低減手段が、互いに接触状態にある前記二つの球面の間に存在している。
8. 下記特徴を備えた請求項７に記載のノズル：
   前記摩擦低減手段は、潤滑剤により構成される。
9. 下記特徴を備えた請求項８に記載のノズル：
   前記潤滑剤は、グラファイト・グリースである。
10. 下記特徴を備えた請求項７に記載のノズル：
    前記摩擦低減手段は、前記二つの球面の間の接触領域内のコーティングまたは界面部分によって構成される。
11. 下記特徴を備えた請求項１から１０のいずれか一項に記載のノズル：
    前記リンク・デバイスは、二つのピボット軸を有するカルダン継手であり；
    前記ノズルは、下記特徴を備える：
    前記アクチュエータ・デバイスは、前記カルダン軸の方向を直接に操作するため、前記カルダン軸上に配置された回転式アクチュエータを備える。

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