JP2006152917A - Nozzleless roket - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノズルレスロケット及びそれをブースター(補助推進装置)とするダクテッドロケットエンジン用のノズルレスロケットに関するものである。 The present invention relates to a nozzleless rocket and a nozzleless rocket for a ducted rocket engine using the same as a booster (auxiliary propulsion device).
通常のロケットの構成部品であるノズルを有しないノズルレスロケットが、部品点数を減らすことによる構造の簡素化に基づく信頼性向上の観点から、従来より提案されてきた。このようなノズルレスロケットとしては、図12に示すものが知られている(例えば、非特許文献1を参照)。 Conventionally, nozzleless rockets that do not have nozzles, which are components of rockets, have been proposed from the viewpoint of improving reliability based on simplification of the structure by reducing the number of parts. As such a nozzleless rocket, what is shown in FIG. 12 is known (for example, refer nonpatent literature 1).
すなわち、図12に示すように、円筒状をなす燃焼ケース31の前端には、点火薬32とスクイブ33とからなる点火装置34が取り付けられている。燃焼ケース31内の燃焼室35内には推進薬36が充填され、この推進薬36の中心、すなわち燃焼ケース31の中心軸37方向には円孔38が形成されている。このノズルレスロケットはスクイブ33により点火薬32が発火し、その発火ガスにより推進薬36の内面36aが着火燃焼する。その後、発生する燃焼ガスは推進薬36の円孔38を流速及び流量を増加させながら流れ、後方にその燃焼ガスを高速で噴出することにより推力を発生させる。
That is, as shown in FIG. 12, an
しかしながら、このようなノズルレスロケットでは以下のような問題がある。
推進薬36の円孔38を流れる燃焼ガスは、図13に示すように前端から後端に向かって流速は増大し、圧力は減少する。一方、推進薬36の燃焼速度は、燃焼表面の燃焼ガスの圧力と流速の影響を受け、図14(a)に示すように燃焼ガスによる圧力が増加するにつれて燃焼速度は増加し、加えて図14(b)に示すように表面に燃焼ガス流が存在する場合には、燃焼ガスの流速が増加するにつれてさらに燃焼速度が増加する。
However, such a nozzleless rocket has the following problems.
As shown in FIG. 13, the flow rate of the combustion gas flowing through the
このような状況の下で、表面を流れる燃焼ガスの流速の増加による推進薬36の燃焼速度増加の程度が、燃焼ガスの圧力の減少による燃焼速度の減少の程度より大きい場合には、中心軸37方向に燃焼速度は一様とならず、前部が遅く燃焼し、後部が速く燃焼する。逆に、表面を流れる燃焼ガスの流速の増加による推進薬36の燃焼速度増加の程度が、燃焼ガスの圧力の減少による燃焼速度の減少の程度より小さい場合には、中心軸37方向に燃焼速度は一様とならず、前部が速く燃焼し、後部は遅く燃焼する。
Under such circumstances, when the degree of increase in the combustion speed of the
この結果、例えば図15に示すように、推進薬36の形状は、着火後t1、t2、t3、t4、t5時点と変化していき、推進薬36の一部の円孔38を形成する推進薬36の内面36aが燃焼ケース31の内周面31aに到達するt3時点以後は、燃焼面積、ひいては燃焼圧力の低下が顕著になる。そして、低い圧力領域における固体ロケットモータに特有な図16(a)及び(b)に示すような不安定燃焼を生じたり、燃焼が中断して推進薬36が残存する。その結果、飛翔体の速度が十分ではなかったり、振動により構成部品に損傷を与えたりするという問題があった。
As a result, for example, as shown in FIG. 15, the shape of the
さらに、近年ではダクテッドロケットエンジンにおいて、ブースターロケットにより飛翔体を加速した後、ブースターロケットのノズルを分離する必要のないノズルレスロケットがダクテッドロケットエンジン用のブースターロケットとして図17に示すようなものが提案されている(例えば、非特許文献2を参照)。 Furthermore, in recent years, in a ducted rocket engine, a nozzleless rocket that does not need to separate the booster rocket nozzle after accelerating the flying object with a booster rocket is proposed as a booster rocket for a ducted rocket engine as shown in FIG. (For example, see Non-Patent Document 2).
すなわち、図17に示すように、ダクテッドロケットエンジン41の前部にはガス発生器43が配設され、後部には燃焼室35(2次燃焼室)を有するノズルレスロケット45が配設され、それらの間には両者間に連通される噴射孔46とそこを通る燃焼ガス流量を制御する流量制御装置47とが設けられている。ダクテッドロケットエンジン41の側部には、空気取り込み用ダクト48が設けられ、燃焼室35に空気を導入するように構成されている。この空気取り込み用ダクト48の燃焼室35への入口にはポートカバー49が設けられ、所定の時点で破壊され空気が燃焼室35へ取り込まれるようになっている。燃焼ケース31の内周部には図示しない断熱材が配置され、その内側が燃焼室35となり、燃焼室35に推進薬36が充填されるようになっている。ダクテッドロケットエンジン41の後端にはダクテッドロケットエンジン用のラムノズル50が設けられている。
That is, as shown in FIG. 17, a
そして、点火装置34の作動により、燃焼室35に収容された推進薬36が着火燃焼し、発生する推力により飛翔体が所定の速度まで加速される。その後、ポートカバー49が解放され、空気取り込み用ダクト48を通して空気が圧縮されて燃焼室35内に取り込まれる。それと同時に、燃焼室35の前方に配置されたガス発生器43の作動が開始され、発生する燃料ガスが噴射孔46を通して燃焼室35内に噴射され、前記の空気と混合着火し燃焼を開始して推力を発生する。その後飛翔体は、飛行高度、速度の変化により取り込まれる空気量に応じて、流量制御装置47によりガス発生器43からのガス発生量が最適に制御されながら推力を発生し飛行が継続される。
しかしながら、前記のダクテッドロケットエンジン41では、ブースターに適用されるノズルレスロケットの推進薬について前述のように中心軸37方向における燃焼速度が一定ではないため、作動後期に燃焼圧力が低下し、前述の図16に示すような不安定燃焼が発生する。このような不安定燃焼によりダクテッドロケットエンジン作動のためのポートカバー49の解放時期が遅れ、無推力飛行の時間が長くなり、その間の空気抵抗により速度が低下し、所定の射程距離が得られなくなるという問題があった。また、ラムノズルの作用により燃焼後期において不安定燃焼を発生しないまでも、燃焼圧力が低くなって性能が低下する結果、必要な速度を得るために推進薬量を増加させる必要があった。そのために燃焼室35を長くする必要が生じ、その結果、ダクテッドロケットエンジン41の重量が増加し、飛翔体の速度低下等の飛翔性能が悪化するという問題があった。
However, in the
そこで、本発明の目的とするところは、推進薬の不安定燃焼又は燃焼圧力の低下を抑え、飛翔体の射程距離の延長、高速度化等の飛翔性能を向上させることができるノズルレスロケットを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a nozzleless rocket capable of suppressing the unstable combustion of the propellant or the decrease in the combustion pressure, and improving the flight performance such as extending the range of the flying object and increasing the speed. It is to provide.
上記の目的を達成するために、本発明における第1の発明のノズルレスロケットは、筒状をなす燃焼ケースの前部には点火装置が設けられ、燃焼ケース内の燃焼室には推進薬が充填され、その推進薬の中心部には燃焼ケースの中心軸線方向に延びる内孔を備えたノズルレスロケットにおいて、少なくとも2種の推進薬が中心軸線方向の全領域又は一部領域にわたって半径方向に層状に充填され、中心軸線方向の各位置で内孔を形成する推進薬の内表面から半径方向に燃焼ケースの内壁面に到るまでの燃焼時間の和が同じになるように構成することを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the nozzleless rocket according to the first aspect of the present invention is provided with an ignition device at the front of a cylindrical combustion case, and a propellant is placed in the combustion chamber in the combustion case. In a nozzleless rocket which is filled and has an inner hole extending in the central axis direction of the combustion case at the center of the propellant, at least two types of propellants are radially spread over the whole area or a partial area in the central axis direction. It is configured so that the sum of the combustion time until reaching the inner wall surface of the combustion case in the radial direction from the inner surface of the propellant which is filled in layers and forms an inner hole at each position in the central axis direction is the same. It is a feature.
第2の発明のノズルレスロケットは、第1の発明において、少なくとも2種の推進薬を構成する各推進薬の半径方向の厚みが、推進薬の組成、推進薬が充填される燃焼室の直径と長さ、及び内孔の断面積と長さに基づいて設定されることを特徴とするものである。 In the nozzleless rocket of the second invention, in the first invention, the radial thickness of each propellant constituting at least two types of propellants is the composition of the propellant and the diameter of the combustion chamber filled with the propellant. And the length, and the cross-sectional area and length of the inner hole are set.
第3の発明のノズルレスロケットは、前部には燃料ガスを発生するガス発生器が設けられ、後部には第1又は第2の発明のノズルレスロケットが設けられるとともに、側部には空気取り込み用ダクトが設けられ、ガス発生器からの燃料ガスと空気取り込み用ダクトからの空気とが混合されて燃焼するダクテッドロケットエンジンに適用されるブースターとして用いられることを特徴とするものである。 The nozzleless rocket of the third invention is provided with a gas generator for generating fuel gas at the front part, the nozzleless rocket of the first or second invention at the rear part, and air on the side part. An intake duct is provided, which is used as a booster applied to a ducted rocket engine in which fuel gas from a gas generator and air from an air intake duct are mixed and burned.
本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
第1の発明のノズルレスロケットにおいては、少なくとも2種の推進薬が中心軸線方向の全領域又は一部領域にわたって半径方向に層状に充填され、中心軸線方向の各位置で内孔を形成する推進薬の内表面から半径方向における燃焼ケースの内壁面に到るまでの燃焼時間の和が同じになるように構成されている。従って、推進薬の燃焼中に内孔を形成する推進薬の内表面が燃焼ケースの内壁面に到達するまでの時間が不均一になって発生する燃焼面積の低下、すなわち燃焼圧力の低下による不安定燃焼を生じることなく推進薬は安定に燃焼し、燃焼圧力の低下を抑えることができる。その結果、飛翔体の射程距離の延長、高速度化等の飛翔性能を向上させることができる。
According to the present invention, the following effects can be exhibited.
In the nozzleless rocket according to the first aspect of the present invention, at least two kinds of propellants are filled in layers in the radial direction over the entire region or a partial region in the central axis direction, and propulsions that form inner holes at respective positions in the central axis direction The sum of the combustion time from the inner surface of the medicine to the inner wall surface of the combustion case in the radial direction is the same. Therefore, the time until the inner surface of the propellant that forms the inner hole during combustion of the propellant reaches the inner wall surface of the combustion case becomes uneven, resulting in a decrease in the combustion area, that is, a decrease due to a decrease in combustion pressure. The propellant burns stably without causing stable combustion, and can suppress a decrease in combustion pressure. As a result, it is possible to improve the flight performance such as extending the range of the flying object and increasing the speed.
また、第2の発明のノズルレスロケットでは、前述した推進薬の燃焼時間の和を同じにするために、少なくとも2種の推進薬を構成する各推進薬の半径方向の厚みが、推進薬の組成、推進薬が充填される燃焼室の直径と長さ、及び内孔の断面積と長さに基づいて設定される。このように、推進薬の半径方向の厚みがより具体的な条件に基づいて設定されることから、前記第1の発明の効果を十分に発揮させることができる。 Further, in the nozzleless rocket of the second invention, in order to make the sum of the combustion times of the propellants described above, the thickness in the radial direction of each propellant constituting at least two types of propellants is It is set based on the composition, the diameter and length of the combustion chamber filled with the propellant, and the cross-sectional area and length of the inner hole. Thus, since the radial thickness of the propellant is set based on more specific conditions, the effect of the first invention can be sufficiently exerted.
さらに、第3の発明のノズルレスロケットにおいては、第1又は第2の発明のノズルレスロケットがダクテッドロケットエンジンに適用されるブースターとして用いられる。従って、ダクテッドロケットエンジンのブースターとして第1又は第2の発明のノズルレスロケットの効果を発揮することができる。 Furthermore, in the nozzleless rocket of the third invention, the nozzleless rocket of the first or second invention is used as a booster applied to a ducted rocket engine. Therefore, the effect of the nozzleless rocket of the first or second invention can be exhibited as a booster of a ducted rocket engine.
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態について図面に基づき詳細に説明する。
図1〜7は、本発明の第1実施形態を説明するための図である。図1はノズルレスロケットの一例を示す断面図、図2(a)及び(b)は使用される推進薬の燃焼速度特性を示すグラフ、図3(a)、(b)及び(c)は、使用される推進薬の厚み設定を説明するための部分拡大断面図である。図4(a)〜(e)はノズルレスロケットに用いられる推進薬の成形工程を示す断面図、図5はノズルレスロケットの圧力パターンを示すグラフ、図6はノズルレスロケットに用いられる推進薬の形状の一例を示す断面図、図7は図6の推進薬の燃焼速度特性を示すグラフ、図8は図6のノズルレスロケットの圧力パターンを示すグラフである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1-7 is a figure for demonstrating 1st Embodiment of this invention. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a nozzleless rocket, FIGS. 2A and 2B are graphs showing the combustion rate characteristics of the propellant used, and FIGS. 3A, 3B and 3C are FIG. 3 is a partial enlarged cross-sectional view for explaining the thickness setting of the propellant used. 4 (a) to 4 (e) are cross-sectional views showing a molding process of a propellant used for a nozzleless rocket, FIG. 5 is a graph showing a pressure pattern of the nozzleless rocket, and FIG. 6 is a propellant used for the nozzleless rocket. FIG. 7 is a graph showing the combustion rate characteristics of the propellant in FIG. 6, and FIG. 8 is a graph showing the pressure pattern of the nozzleless rocket in FIG.
本発明のノズルレスロケットは、燃焼ケースの前部に点火装置が設けられ、燃焼ケース内の燃焼室には推進薬が充填されている。その推進薬は、燃焼ケースの中心軸線方向に内孔を有し、少なくとも2種の推進薬が中心軸線方向の全領域又は一部領域にわたって半径方向に層状に充填されて構成されている。推進薬は、中心軸線方向の各位置で初期内孔を形成する推進薬の内表面から半径方向の燃焼ケース内壁面までの燃焼時間の和が同じになるように構成されている。このようなノズルレスロケットについて、以下に具体的に説明する。 In the nozzleless rocket of the present invention, an ignition device is provided at the front of the combustion case, and the combustion chamber in the combustion case is filled with propellant. The propellant has an inner hole in the central axis direction of the combustion case, and is configured such that at least two types of propellants are filled in layers in the radial direction over the entire region or a partial region in the central axis direction. The propellant is configured such that the sum of combustion times from the inner surface of the propellant forming the initial inner hole at each position in the central axis direction to the inner wall surface of the combustion case in the radial direction is the same. Such a nozzleless rocket will be specifically described below.
図1に示すように、有蓋円筒状をなす鉄製の燃焼ケース1の前部には点火装置2が取り付けられ、その内部の燃焼室3には、2種類の推進薬、すなわち第1推進薬4と第2推進薬5とが半径方向に層状に充填されている。第1推進薬4の中心部には燃焼ケース1の中心軸線6方向に延びる内孔7が設けられている。この例では、第1推進薬4と第2推進薬5の2種類の推進薬が用いられているが、3種類以上の推進薬を用いることもできる。後述する推進薬の製造性等を考慮すれば、本例のように2種類の推進薬を用いることが好ましい。
As shown in FIG. 1, an
第1推進薬4と第2推進薬5とは、その組成が異なり、従って燃焼速度が異なる。この例では第2推進薬5の方が第1推進薬4の燃焼速度より速いものを使用している。そして、第1推進薬4の半径方向の厚み4aが、燃焼室3の前部から後部に向かって厚く、逆に第2推進薬5は燃焼室3の前部から後部に向かって薄くなるように構成されている。但し、内孔7は前部から後部まで同一の直径となるように形成されている。
The
ノズルレスロケットの特徴は、推進薬の中心軸線6方向のどの位置においても、初期の内孔7を形成する第1推進薬4の内表面4bから半径方向の燃焼ケース1の内壁面1aまでの燃焼時間の和、すなわち第1推進薬4と第2推進薬5との燃焼時間の和が同じになるように構成されている点である。ここで、燃焼ケース1の内壁面1aに断熱材が設けられている場合には、前記の燃焼時間は初期の内孔7を形成する第1推進薬4の内表面4bから半径方向における断熱材の内表面までの燃焼時間ということになる。
The feature of the nozzleless rocket is that from any
この例では、第1推進薬4より燃焼速度の速い第2推進薬5を第1推進薬4の燃焼速度の遅い領域に厚く充填し、第1推進薬4の燃焼速度の速い領域には薄くなるようにテーパ状に形成されている。この場合、中心軸線6方向の後部側には第1推進薬4を充填しない構成を採ることもできる。しかし、逆に第1推進薬4より燃焼速度の遅い第2推進薬5を用いる場合には、第1推進薬4の燃焼速度の速い領域に第2推進薬5を厚く充填し、遅い領域に薄く充填するか或いは充填しない構成を採ることもできる。このような構成により、両推進薬の半径方向における燃焼時間の和を、中心軸線6方向のどの位置においても同じにすることができる。
In this example, the
この例では、第1推進薬4及び第2推進薬5として、酸化剤と燃料とを混合したコンポジット推進薬(固体推進薬)を用いた。すなわち、酸化剤が過塩素酸アンモニウム(AP)等の過塩素酸塩であり、バインダー(燃料兼結合材)が末端水酸基含有ポリブタジエン(HTPB)等の水酸基含有ポリマーを主成分とするコンポジット推進薬が用いられる。前記燃焼時間の和が同じになる条件を満たすことができれば、また製造性等に問題がなければ、コンポジット推進薬以外のダブルベース推進薬からなる推進薬等を使用することも可能である。
In this example, as the
前記第1推進薬4の半径方向の厚み4aと第2推進薬5の半径方向の厚み5aを設定するには、例えば以下のような方法で行うことができる。従来から、ロケット推進薬の燃焼性能計算には、推進薬表面を流れる燃焼ガスの圧力、流速に対する推進薬の燃焼速度特性又は推進薬形状を入力データとする計算プログラムが使用され、計算過程において推進薬の内面形状の変化が計算されている。
In order to set the radial thickness 4a of the
具体的には、例えば前記燃焼時間の和が同じになるように構成すべく、各推進薬の厚みを燃焼速度で割った値の和を一定にする。つまり、第1推進薬4の厚み4aをその燃焼速度で割った値と、第2推進薬5の厚み5aをその燃焼速度で割った値との和を一定にする。第1推進薬4の燃焼速度と第2推進薬5の燃焼速度は、別途第1推進薬4の組成と第2推進薬5の組成に基づいて決定される。従って、前記燃焼時間の和が中心軸線6方向において同じになるように構成することが容易にできる。
Specifically, for example, the sum of the values obtained by dividing the thickness of each propellant by the combustion speed is made constant so that the sum of the combustion times is the same. That is, the sum of the value obtained by dividing the thickness 4a of the
また、燃焼性能計算プログラムを使用する場合には、入力データとして図2(a)及び(b)に示すような第1推進薬4と第2推進薬5の組成により決定される推進薬の燃焼圧力に対する燃焼速度特性と燃焼表面を流れる燃焼ガスの流速に対する燃焼速度特性が入力される。さらに、入力データとして図3(a)に示す第1推進薬4の形状(外径D1、内径D2、長さL)及び第2推進薬5の形状〔中心軸線方向位置(X)とその位置での第2推進薬5の内径Dx〕が入力されて燃焼性能計算プログラムにより、推進薬の形状の変化を計算することができる。
When the combustion performance calculation program is used, the propellant combustion determined by the composition of the
図3(b)及び(c)は推進薬形状を変化させた場合の計算結果の例であり、図3(b)の二点鎖線に示すように、初期の第2推進薬5の内面形状を形状A、形状B又は形状Cのように変化させる。それらの場合、図3(c)の二点鎖線に示すように、第1推進薬4の内表面4bが最初に燃焼ケース1の内壁面1aに到達した時点における推進薬の内孔形状が、前記形状A、形状B又は形状Cの場合についてそれぞれ計算される。この要領で初期形状をいろいろ変化させて計算を行うことにより試行錯誤的に推進薬の燃焼時間が中心軸線6方向の各位置で同じになる初期の推進薬の厚みを設定することができる。
FIGS. 3B and 3C are examples of calculation results when the shape of the propellant is changed. As shown by the two-dot chain line in FIG. 3B, the inner shape of the initial
このようにして設定された形状を有する推進薬は、図5に実線で示す燃焼圧力パターンを示し、全燃焼期間にわたって不安定燃焼を発生させるような低い圧力レベルに低下することなく推進薬は安定に燃焼して、燃焼を終了する。図5には、従来のノズルレスロケットの燃焼圧力パターンを破線で一緒に示した。 The propellant having the shape set in this way shows the combustion pressure pattern shown by the solid line in FIG. 5, and the propellant is stable without dropping to a low pressure level that causes unstable combustion over the entire combustion period. To complete combustion. In FIG. 5, the combustion pressure pattern of the conventional nozzleless rocket is shown together with a broken line.
次に、ノズルレスロケットに充填される推進薬の成形方法について、図4に基づいて説明する。まず、図4(a)に示すように円柱状の第1鋳型8を円筒状をなす燃焼ケース1の中心軸線6上に取付具9により取り付け、第1鋳型8と燃焼ケース1との隙間10に第2推進薬5となる第2スラリー11を流し込み、硬化に必要な温度で数日間保持して硬化させる。その後、図4(b)に示すように、第1鋳型8を離型し、次いで図4(c)に示すように、先端に切削工具12を備えた回転軸体13を円筒状をなす第2推進薬5の内部空間に挿入する。そして、回転軸体13を回転させ、その先端の切削工具12で第2推進薬5の内表面5bが所定形状(寸法)になるように切削して仕上げる。この場合、必要に応じて第2推進薬5の内表面5bに表面処理を施すことができる。
Next, a method for forming the propellant filled in the nozzleless rocket will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 4A, a columnar
その後、図4(d)に示す第2鋳型14を燃焼ケース1の中心軸線6上に取付具9により取り付け、第2鋳型14と第2推進薬5との空間15に第1推進薬4となる第1スラリー16を流し込んで硬化させる。その後、第2鋳型14を離型し、端面を仕上げることにより図4(e)に示す形状の第1推進薬4及び第2推進薬5が積層成形される。尚、図4(b)の状態で第2推進薬5の形状寸法が設定した値になる場合には、図4(c)に示した切削工具12による第2推進薬5の内表面5bの仕上げを省略することができる。
Thereafter, the second mold 14 shown in FIG. 4 (d) is mounted on the
次に、前述の計算結果に基づき、前記の成形工程に従って製造した推進薬の具体例について説明する。まず、第1推進薬4として、末端水酸基含有ポリブタジエン(HTPB)バインダー10〜20質量%と、過塩素酸アンモニウム(AP)80〜90質量%とを含有する混合物を用いた。第2推進薬5として、前記HTPBとAPに、それらの合計量100質量部に対して金属酸化物である燃焼触媒を1〜10質量部添加したものを用いた。燃焼ケース1としては、長さ1000mm、外径100mmのものを用いた。第1推進薬4の初期の内孔径を40mmに設定した場合、中心軸線6方向の各位置の推進薬の燃焼時間が同じになる推進薬の初期形状は図6のように設定される。第1推進薬4及び第2推進薬5の燃焼速度のパターンを図7に示し、これらの推進薬を用いた燃焼圧力のパターンを図8に示した。図8に示したように、全燃焼期間にわたって不安定燃焼を発生させるような低い圧力レベルに低下することなく推進薬は安定に燃焼した。
Next, a specific example of the propellant manufactured according to the molding process will be described based on the above calculation result. First, as the
これまで説明してきた図1の例では、第2推進薬5はノズルレスロケットの後端で厚みが0となるように充填されているが、推進薬の組成、推進薬を充填する燃焼室3の形状寸法によっては、図9に示すように第2推進薬5を中心軸線6方向の一部領域(前半部)に充填する場合もある。
In the example of FIG. 1 described so far, the
次に、上記第1実施形態のノズルレスロケットの作用について説明する。
さて、図1に示されるノズルレスロケットでは、第1推進薬4が点火装置2により着火・燃焼し、第1推進薬4の燃焼ガスは第1推進薬4の内孔7を前部から後部へ流れる。従来のノズルレスロケットでは、図13に示すように燃焼ガスの流速は後部に向けて増加し、圧力は減少する。ところが、図1の第1推進薬4では、表面を流れる燃焼ガスの流速の増加による燃焼速度増加の程度が、燃焼ガスの圧力の減少による燃焼速度の減少の程度より大きくなって、中心軸線6方向に燃焼速度は一様にならず前部が遅く、後部は速く燃焼する。
Next, the operation of the nozzleless rocket of the first embodiment will be described.
In the nozzleless rocket shown in FIG. 1, the
さらに、前部の第2推進薬5が充填されている部分においては、内孔7を形成する第1推進薬4の内表面4bが第2推進薬5の内表面5bに到達してからは燃焼速度が増大し後部に位置する推進薬に比べて燃焼速度が速くなる。その結果、中心軸線6方向各位置での初期における第1推進薬4の内表面4bから燃焼ケース1の内壁面1aまでの到達時間は一定(均一)となる。これにより、燃焼面積の低下、すなわち燃焼圧力の低下が不安定な燃焼を生じさせるような低圧力レベルになることを回避でき、推進薬の燃焼は全燃焼期間を通して安定に行われ、要求される性能が得られる。
Further, in the portion filled with the
以上の第1実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・ 第1実施形態のノズルレスロケットにおいては、第1推進薬4及び第2推進薬5が中心軸線6方向の全領域にわたって半径方向に層状に充填され、中心軸線6方向の各位置で内孔7を形成する第1推進薬4の内表面4bから半径方向における燃焼ケース1の内壁面1aに到るまでの燃焼時間の和が同じになるように構成されている。従って、推進薬の燃焼中に内孔7を形成する第1推進薬4の内表面4bが燃焼ケース1の内壁面1aに到達するまでの時間が不均一になって発生する燃焼面積の低下、すなわち燃焼圧力の低下による不安定燃焼を生じることなく第1推進薬4及び第2推進薬5は安定に燃焼し、燃焼圧力の低下を抑えることができる。その結果、飛翔体の射程距離の延長、高速度化等の飛翔性能を向上させることができる。さらに、飛翔体は有害な振動を受けることもない。
The effect exhibited by the above first embodiment will be described below.
In the nozzleless rocket according to the first embodiment, the
・ また、前述した第1推進薬4及び第2推進薬5の燃焼時間の和を同じにするために、第1推進薬4及び第2推進薬5の半径方向の厚みが、推進薬の組成、推進薬が充填される燃焼室3の直径と長さ、及び内孔7の断面積と長さに基づいて設定される。このように、第1推進薬4及び第2推進薬5の半径方向の厚みがより具体的な条件に基づいて設定されることから、上記の効果を十分に発揮させることができる。
(第2実施形態)
次に、前記第1実施形態のノズルレスロケットをダクテッドロケットエンジン用のブースターとして用いた例について説明する。
In addition, in order to make the sum of the combustion times of the
(Second Embodiment)
Next, an example in which the nozzleless rocket of the first embodiment is used as a booster for a ducted rocket engine will be described.
図10は、ノズルレスロケットをダクテッドロケットエンジン用のブースターとして装着した状態のダクテッドロケットエンジンを示す断面図であり、図17に示す従来のダクテッドロケットエンジンとは用いる推進薬の構成が異なるだけで、その他の構成は同じである。すなわち、ダクテッドロケットエンジン17の前部にはガス発生器18が配設され、後部には燃焼室3を有するノズルレスロケット20が配設されるとともに、それらの間には両者間に連通される噴射孔21とその噴射孔21を通る燃焼ガス流量を制御する流量制御装置22とが設けられている。ノズルレスロケット20の構成は、前記図1の構成と同様である。ダクテッドロケットエンジン17の側部には、その軸線方向に沿って空気取り込み用ダクト23が設けられ、燃焼室3に空気を導入するように構成されている。この空気取り込み用ダクト23の燃焼室3への入口にはポートカバー24が設けられ、所定の時点で破壊され空気が燃焼室3へ取り込まれるようになっている。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a ducted rocket engine in which a nozzleless rocket is mounted as a booster for a ducted rocket engine, and differs from the conventional ducted rocket engine shown in FIG. Other configurations are the same. That is, a
燃焼ケース1の内周部には図示しない断熱材が配置され、その内側が燃焼室3となり、燃焼室3に推進薬が充填されるようになっている。ダクテッドロケットエンジン17の後端にはラムノズル取付用の環状凹部25が設けられ、図示しないラムノズルが取り付けられるように構成されている。
A heat insulating material (not shown) is arranged on the inner peripheral portion of the
次に、この第2実施形態の作用について説明する。
さて、点火装置2の作動により第1推進薬4は燃焼を開始し、作動初期には前記第1実施形態と同様の作用で燃焼が進行する。そして、第1推進薬4の内表面4bが図示しないラムノズルのスロート表面に到達した後の推進薬の燃焼は、燃焼ガスがラムノズルで加速される通常のロケットモータと同様の作用で燃焼が進行する。その際、第1推進薬4と第2推進薬5との燃焼時間の和が同じになるように第1推進薬4の厚み4a及び第2推進薬5の厚み5aが設定されているので、図11の圧力パターンに示すように安定に作動が行われる。このため、ノズルレスロケット20は前記図13に示すような燃焼圧力の大きな低下と不安定燃焼を生じることがない。その後、ポートカバー24が解放されてダクテッドロケットエンジン17の作動が開始される。
Next, the operation of the second embodiment will be described.
The
従って、ダクテッドロケットエンジン17を搭載した飛翔体は不安定な燃焼による低推力又は無推力飛行によって速度低下を起こすことなく、所定の射程距離が得られる。そのうえ、不安定な燃焼による性能低下を補うため燃焼室3を延長して推進薬量を増加させる必要がなく、従来技術の問題点であった飛翔体の重量増加による飛翔性能の低下を生じることもない。
Therefore, the flying object equipped with the ducted
尚、第2実施形態では第1推進薬4の内孔7は後端においてテーパ形状となっているが、図1に示す第1実施形態と同様に断面形状が中心軸線6方向に同一の形状にすることもできる。また、ガス発生器18の代わりに液体燃料が充填された液体燃料タンクを使用するラムジェットエンジンのブースターにも本発明のノズルレスロケットを適用することができる。
In the second embodiment, the
以上説明したように第2実施形態によれば、中心軸線6方向の各位置における推進薬の半径方向の燃焼時間を同じにしているために、燃焼圧力が不安定燃焼を生じる低いレベルに低下することなく、全燃焼期間を通じて推進薬の安定な燃焼が得られる。その結果、飛翔性能の低下及び重量の増加を抑えることができ、飛翔体の高速度化、射程距離の延長を達成することができる。よって、ダクテッドロケットエンジン17のブースターとしてノズルレスロケット20の効果を有効に発揮することができる。
As described above, according to the second embodiment, since the combustion time in the radial direction of the propellant at the respective positions in the direction of the
尚、前記実施形態を次のように変更して実施することも可能である。
・ 少なくとも2種の推進薬の境界部分の形状が中心軸線6方向に、断面2次曲線等による曲面になるように構成することもできる。
It should be noted that the above-described embodiment can be modified as follows.
-The shape of the boundary part of at least 2 types of propellant can also be comprised so that it may become a curved surface by the cross-sectional quadratic curve etc. in the
・ 少なくとも2種の推進薬を、中心軸線6方向の前部と後部で層の数を変える、例えば前部で2層、後部で3層とすることも可能である。
・ 前記第1推進薬4の内孔7を後部ほど拡径又は縮径するようにテーパ状に形成することも可能である。
It is also possible to change the number of layers of at least two propellants at the front and rear in the direction of the
The
更に、前記実施形態より把握される技術的思想について以下に記載する。
・ 前記推進薬は燃焼速度の異なる2種の推進薬で構成され、燃焼速度の遅い推進薬は燃焼ケースの後部ほど拡径されるテーパ状に形成され、燃焼速度の速い推進薬は燃焼ケースの前部ほど拡径されるテーパ状に形成されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のノズルレスロケット。このように構成した場合、中心軸線方向の各位置で推進薬の内表面から半径方向に燃焼ケースの内壁面に到るまでの燃焼時間の和を容易に同じになるように設定することができる。
Furthermore, the technical idea grasped from the embodiment will be described below.
The propellant is composed of two types of propellants having different burning rates. The propellant having a low burning rate is formed in a taper shape whose diameter is enlarged toward the rear part of the combustion case. The nozzleless rocket according to any one of
・ 前記燃焼時間の和が同じになるように構成すべく、各推進薬の厚みを燃焼速度で割った値の和を一定にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のノズルレスロケット。このように構成した場合、より簡易な指標で推進薬の燃焼時間の和が同じになるようにすることができる。 The sum of the values obtained by dividing the thickness of each propellant by the combustion speed is made constant so that the sum of the combustion times is the same. The nozzle-less rocket according to item. When comprised in this way, the sum of the combustion time of a propellant can be made the same with a simpler parameter | index.
・ 前記推進薬は、コンポジット推進薬であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のノズルレスロケット。このように構成した場合、推進薬の燃焼速度の調節を広い範囲にわたって容易に行うことができる。
The nozzleless rocket according to any one of
1…燃焼ケース、1a…内壁面、2…点火装置、3…燃焼室、4…第1推進薬、4b…内表面、5…第2推進薬、6…中心軸線、7…内孔、17…ダクテッドロケットエンジン、18…ガス発生器、20…ノズルレスロケット、23…空気取り込み用ダクト。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
少なくとも2種の推進薬が中心軸線方向の全領域又は一部領域にわたって半径方向に層状に充填され、中心軸線方向の各位置で内孔を形成する推進薬の内表面から半径方向に燃焼ケースの内壁面に到るまでの燃焼時間の和が同じになるように構成することを特徴とするノズルレスロケット。 An ignition device is provided at the front of the cylindrical combustion case, the combustion chamber in the combustion case is filled with propellant, and an inner hole extending in the central axis direction of the combustion case is formed in the center of the propellant. In the equipped nozzleless rocket,
At least two types of propellant are filled in a layered manner in the radial direction over the entire region or a part of the central axis direction, and the combustion case of the combustion case is formed radially from the inner surface of the propellant that forms an inner hole at each position in the central axis direction. A nozzleless rocket, characterized in that the sum of the combustion times until reaching the inner wall surface is the same.
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- 2004-11-29 JP JP2004344615A patent/JP2006152917A/en active Pending
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