JP2006266198A - ２段推力制御ロケットモータ - Google Patents

Abstract

【課題】２段推力を有するロケットモータにおいて、推進剤の高充填化を図り、各段の推進剤の隔離を行い且つ悪影響を及ぼさない隔壁を得るとともに、ロケット全体としての安全性、信頼性を高める。
【解決手段】モータケース１０内に隔壁４１を介して後方側に第一推進剤２１、前方側に第二推進剤３１の２つの推進剤を配置し、前記第一推進剤２１および第二推進剤３１をそれぞれ発火させるための点火装置４２、４３と、燃焼により発生するガスを排出するためのノズル１１とを備えた２段推力制御ロケットモータにおいて、第一推進剤２１が、内面燃焼方式を有する固体推進剤であり、第二推進剤３１が、端面燃焼方式を有する固体推進剤であることを特徴とする２段推力制御ロケットモータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータケース内に２つの推進剤を、隔壁を介して配置して、第一推進剤を燃焼させた後、所定の延期秒時後に第二推進剤を燃焼させることにより、２つの推力を発生することを可能とした２段推力制御ロケットモータに関するものである。

従来のロケットモータは、固体推進剤をモータケース内に配置し、その点火のために必要な点火装置と推進剤の燃焼ガスを排出するためのノズルを有する構造であり、点火装置によって着火した推進剤は、そのグレインに沿った燃焼を開始した後は、その燃焼が尽きるまで燃焼過程を停止することは極めて困難であった。
そのため、航続距離を延長させる手段として、一度、推力発生によりロケットモータを飛翔させ、飛翔中に再度ロケットモータに推力を発生させるという技術が盛んに研究されている。

例えば、特許文献１には、２段推力型ロケットモータにおいて、ロケットモータ内の中間部内に設けられた隔壁で一端側の第１燃焼室と他端側の第２燃焼室とを区分して、この隔壁部には、第１燃焼室の燃焼剤に着火させるための発火装置の機能と第１燃焼室と第２燃焼室とを連結させる連通孔を形成させ、第１燃焼室の推進剤の燃焼では閉の状態を保ち、第２燃焼室の推進薬の燃焼では、その燃焼圧力で蓋体を開くようにした発明が開示されている。

また、特許文献２には、２段推力型ロケットモータにおいて、前記した両燃焼室間に設けられた中央に開口を有する隔壁に、第１燃焼室の燃焼剤に着火させるための発火装置の機能と、隔壁部に前後スライド自在に設けられた開口を閉鎖するポートカバーと、前記開口を閉鎖する前方位置でポートカバーをロックし第２段の推進剤が燃焼する際にこのロックを解除する第１ロック手段と、第２段の推進剤が燃焼する際にポートカバーが後方へスライドした位置でロックする第２ロック手段とを設けた発明が開示されている。

この両方の発明で共通しているのは、第１燃焼室と第２燃焼室との間に隔壁を有し、この隔壁部に第１燃焼室の推進剤が燃焼している際は、第２燃焼室の推進剤の燃焼を防ぎ、第２燃焼室の推進剤が燃焼した際は隔壁部に設けられた連通孔の開口あるいはポートカバーのスライドなどによって燃焼圧力を第１燃焼室へ導く機能をとっていることである。

さらに、特許文献３には、固体推進剤ロケットモータにおいて、各燃焼室間に設けられた隔壁に複数の連通孔を設け、第２燃焼室の燃焼によって発生する燃焼圧力により、ステンレス鋼などで作られた破断ダイヤフラムを破壊して、燃焼ガスを第１燃焼室へ導くようにした発明が開示されている。すなわち、この発明は前記した２件の発明とは異なり、隔壁を一部破壊して２段目以降の燃焼を行う方法である。

さらに、特許文献４には、固体推進薬の２パルスロケットモータが充填されたケース及び発火装置並びに製造方法において、前記した３件の発明とは異なり第一パルス爆薬粒と第二爆薬粒との接合部にケブラーを充填したEPDM材料とした絶縁体を設けることにより、第一パルス爆薬粒の燃焼時に第二パルス爆薬粒の燃焼を防ぐようにした発明が開示されている。

特許第２６６６８９８号公報 特許第２６６６８９９号公報 特公平７−３９８１９号公報 特許第３２３１７７８号公報

従来の技術で説明したように、２段推力を有するロケットモータの技術的な課題は、第一推力と第二推力の各々の推進剤を如何に隔離するか、つまり隔壁によって如何に第一推進剤の燃焼時に第二推進剤の燃焼を防ぐかということと、その隔壁が各々の燃焼に悪影響を及ぼさないかということにある。

その観点からすると、前述の特許文献１、特許文献２および特許文献３に記載の方法は、隔壁部に連通孔を生じさせて第二推進剤の燃焼ガスをノズルへ導く方法としているが、第二推進剤の燃焼ガス流によって、隔壁部に存在する点火装置あるいは保持部は燃焼ガス流に乱れを生じさせると共に焼損することが予測され、例えば溶融した焼損物がノズルに向けて飛散して、ノズルを損傷する問題がある。

また、特許文献４記載のものでは、前記特許文献１〜３記載のものとは異なり、ケブラーを充填したＥＰＤＭ材料を第一および第二推進剤の間に施工していることから、前記特許文献１〜３記載のものにおいて問題と思われる焼損物が少ないことでは有効ではあるが、第一および第二推進剤の両方共に燃焼方式が内面燃焼方式であるため、特に第二推進剤の燃焼を防ぐには十分ではないと予測される。
また、２段推力制御ロケットモータの場合、点火装置が２つ必要とされており、発火機構としても複雑であることから、安全機構を有することが必要と考えられた。

さらに、既に従来から提案されている発明についてその概要を説明したが、いずれの発明も推進剤のグレインは、内面燃焼方式であり充填率が低いものとなっている。これは、推進剤の点火方法の困難性によるものと推測され、燃焼方式が限定されているものと考えられる。

本発明者らは、前記の問題点を考慮し鋭意研究した結果、２段推力制御ロケットモータにおいて、第二推進剤を端面燃焼型とすることで推進剤の高充填化を狙い、またこの端面燃焼型推進剤の発火方法を容易にすることを見出し、本発明を達成した。
すなわち本発明は、次に記載する通りの構成を有する。
（１）モータケース内に隔壁を介して後方側に第一推進剤、前方側に第二推進剤の２つの推進剤を配置し、前記第一推進剤および第二推進剤をそれぞれ発火させるための点火装置と、燃焼により発生するガスを排出するためのノズル部分とを備えた２段推力制御ロケットモータにおいて、第一推進剤が、内面燃焼方式を有する固体推進剤であり、第二推進剤が、端面燃焼方式を有する固体推進剤であることを特徴とする２段推力制御ロケットモータ。
（２）第二推進剤の内部に熱伝導物質が含まれていることを特徴とする上記（１）の２段推力制御ロケットモータ。
（３）前記熱伝導物質が金、銀、銅、アルミニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン及びこれらの内少なくとも１種を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種であり、その形状が線、箔又はチップであることを特徴とする上記（２）の２段推力制御ロケットモータ。
（４）第一推進剤と第二推進剤との間に用いられる隔壁が耐熱材及び／又は断熱材から成る隔壁を有することを特徴とする上記（１）〜（３）の２段推力制御ロケットモータ。
（５）前記隔壁の材料がゴム、樹脂又はセルロース材であることを特徴とする請上記（４）の２段推力制御ロケットモータ。
（６）第一推進剤の点火装置が、第一推進剤の上流側に配置され、点火後は第一推進剤の燃焼時に焼尽性を有することを特徴とする上記（１）〜（５）の２段推力制御ロケットモータ。
（７）第二推進剤の点火装置が、第一推進剤の燃焼終了後に点火可能であり、薄膜状又は板状に形成された点火薬が第二推進剤の端面に配置されることを特徴とする上記（１）〜（６）の２段推力制御ロケットモータ。
（８）前記第一および第二推進剤の点火装置における点火薬への着火方式がレーザー着火方式であることを特徴とする上記（１）〜（７）の２段推力制御ロケットモータ。
（９）前記第一および第二推進剤の点火装置が、セーフアーム機構を有することを特徴とする上記（１）〜（８）の２段推力制御ロケットモータ。

本発明は、端面燃焼方式の第二推進剤を用いることにより、推進薬の高充填化を図るとともに、第一と第二の燃焼の切り替わりにおいて発生する飛散物などの影響が少ない信頼性の高い２段推力制御ロケットモータが達成できる。
また、本発明は、セーフアーム機構を有するレーザー着火方式による点火装置を用いることで、高安全性で且つ信頼性の高い点火が可能となる。

以下に、本発明についての詳細を示す。
本発明に用いる第一推進剤は、固体推進剤であれば良く、例えばニトロセルロース、ニトログリセリンを主とするダブルベース推進薬、あるいは酸化剤として過塩素酸アンモニウム、燃料兼粘結剤としてＨＴＰＢ（末端水酸基ポリブタジエン）系バインダー、金属燃料としてアルミ粉などから成る固体推進薬が用いられる。
第一推進薬のグレインは、所望の推力パターンを出現させるために、内孔形状を丸孔、光芒あるいはスロットなどの形状が用いられる。

また、第二推進剤は、例えば酸化剤として過塩素酸アンモニウム、燃料兼粘結剤としてＨＴＰＢ（末端水酸基ポリブタジエン）系バインダー、金属燃料としてアルミ粉などから成る固体推進薬が用いられ、推進薬の燃焼速度を高めるために、例えば過塩素酸アンモニウムを微粒化したものを使用する、あるいは燃焼触媒として酸化鉄などを用いることもできる。

推進薬の燃焼速度を高めるための前述以外の方法として、推進剤中に熱伝導物質を含ませることができる。熱伝導物質としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン及びこれらの内少なくとも１種を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができ、金、銀及びアルミニウムなどの高熱伝導物質を用いることが特に好ましい。熱伝導物質は線、箔又はチップの形状として用いることができ、例えば銀線を含ませる場合では推進剤の機軸方向に配置して用いる。
この銀線は、推進薬の燃焼速度を増速するために挿入するものであり、約０．１〜１ｍｍの線径が用いられるが、推進薬の製造上あるいは推進薬の燃焼速度を増速する関係上、０．２〜０．５ｍｍが好ましい。
また、推進剤中の銀線本数は、多ければ多いほど推進剤の燃焼安定域に至る時間を早くすることが可能であり、さらに推進剤の薬外径によっても決められるものであるが、例えば薬外径が２００ｍｍであれば９本以上が好ましい。

第一推進剤と第二推進剤の間に設ける隔壁は、第一推進剤の燃焼による第二推進剤の着火を防ぐことができるもので、例えばＮＢＲ、ＥＰＤＭなどのゴムまたはアラミド繊維あるいはガラス繊維などのフィラーを含む前記記載のＮＢＲ、ＥＰＤＭなどの耐熱材料からなるシート、あるいは前述耐熱材料と断熱材料、例えば発泡樹脂やセルロース材料等との組み合わせからなる積層シートで、全体の厚みが数ｍｍ〜十数ｍｍのものが用いられる。

第一推進剤の点火装置は、着火源をレーザー光とし、そのレーザー光により点火される点火薬が入れられたケースを、前記第一推進剤と第二推進剤の間に設けた隔壁の中央部に配置し、第一推進剤の上流側から点火薬の燃焼火炎が下流側に発生する構造とし、点火薬の燃焼時には形状を維持した後、第一推進剤の燃焼中に焼尽するものとする。

材質としては、自らが燃焼する機能を有するものであり、例えばアクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ニトロセルロースを含侵したセルロース材料などが用いられる。
ここで用いる点火薬は、レーザー光によりまず初期点火薬に着火させ、さらに主点火薬に着火させ、第一推進剤に着火させるものとする。

この初期点火薬には、例えば黒色小粒薬あるいはボロン／硝酸カリウム系の点火薬を粉状にしたものを用い、主点火薬には、例えばボロン／硝酸カリウム系の点火薬をペレット状にしたものを用いる。
また、レーザーは光ファイバーを通じて点火薬に送られる構造とするが、この光ファイバーは、第二推進剤の周囲に施工されたインシュレータとモータケース間に配置されることが好ましい。

第二推進剤の点火装置は、第一推進剤と同様にレーザー光を着火源とするが、第一推進剤用とは別に設けるものとし、光ファイバーの配置は第一推進剤用と同じところに並列とすることが好ましい。
ここで用いる点火薬は、第二推進剤の着火面である部分に円盤状に配置され、着火源によりまず初期点火薬に着火させた後、主点火薬に伝播させたのち、第二推進剤の着火面に着火させるものとする。
この初期点火薬には、例えば黒色小粒薬あるいはボロン／硝酸カリウム系の点火薬を粉状にしたものを用い、主点火薬には、例えばボロン／硝酸カリウム系の点火薬をペレット状にしたものを用いる。

以下、本発明の実施例を図１および図２に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

図１は本発明に基づく２段推力制御ロケットモータの機軸方向の断面図であり、１はロケットモータ、２は第一推進部、３は第二推進部、４は隔壁部である。図２は隔壁部４の拡大説明図である。
ロケットモータ１は、ほぼ円筒状のモータケース１０の内面にインシュレータ１６が施工され、機軸前方に前部鏡板１２、機軸後方にノズル１１が取り付けられる。ロケットモータ１の内部には機軸後方に第一推進部２、ほぼ中央部に隔壁部４、機軸前方に第二推進部３が作られ、すなわちロケットモータ１の内部は、隔壁部４により第一推進部２と第二推進部３とに区分されている。

第一推進部２には、内孔を持つ内面燃焼型の第一推進剤２１が配置され、第一推進剤２１の内孔により燃焼室２２を形成する。また、第二推進部３には銀線３２が機軸方向に挿入された端面燃焼型の第二推進剤３１が配置される。

隔壁部４は、隔壁４１を挟む形で第一点火装置４２および第二点火装置４３が取り付けられる。第一点火装置４２は、貫通孔が開けられた焼尽ケース２６の内部に、初期点火薬２７および主点火薬２８が納められたものであり、焼尽ケース２６の貫通孔から主点火薬２８の火炎が第一推進剤２１の燃焼面、すなわち燃焼室２２へ噴出するように配置される。第二点火装置４３は、初期点火薬３６および主点火薬３７が円盤状に密接配置されたものであり、主点火薬３７の火炎が第二推進剤３１へ伝播するように第二推進剤３１の燃焼端面に接触配置される。

ロケットモータ１の機軸前端、すなわち前部鏡板１２の前端にはセーフアーム付レーザー発振装置１３が取り付けられ、セーフアーム付レーザー発振装置１３から第一点火装置４２および第二点火装置４３へは第一光ファイバ１４および第二光ファイバ１５にて接続される。また、第一光ファイバ１４および第二光ファイバ１５は、モータケース１０とインシュレータ１６との間に密接並行して配置されている。

続いて、図１、２に基づいて本実施例によるロケットモータの作用について説明する。
平常時は、セーフアーム付レーザー発振装置１３はセーフ状態すなわち安全状態になっており、何らかの外乱により異常が発生しても、ロケットモータ１が意図しない燃焼を開始することがないようになっており、安全を保つことができる。更に、点火装置４２及び４３の着火機構にレーザー方式を用いることで、従来方式に見られる電気ケーブルのように電磁波等の外乱の影響を受けることがなく、また導爆線のように途中で燃焼が中断するおそれのない、安全で高信頼性を持つ点火装置となっている。

図示しない外部制御装置からのセーフアーム切替信号により、セーフアーム付レーザー発振装置１３がセーフ状態からアーム状態へ切り替えられ、ロケットモータ1は燃焼準備状態すなわち発射準備状態となる。なお、ロケットモータ１が発射されることなく待機状態に戻る場合、図示しない外部制御装置からのセーフアーム切替信号により、セーフアーム付レーザー発振装置１３はアーム状態からセーフ状態へ切り替えられ、再度安全を保つことができる。

発射準備状態となったロケットモータ１は、図示しない外部制御装置からの発射信号を受け、セーフアーム付レーザー発振装置１３から第一光ファイバ１４を通して第一点火装置４２へレーザーを照射する。レーザーの熱により初期点火薬２７が着火し、更に主点火薬２８が着火し、主点火薬２８の火炎が焼尽ケース２６の貫通孔から燃焼室２２へ向けて噴出し、第一推進剤２１が着火する。
ロケットモータ１は、第一推進剤２１の燃焼により発生する燃焼ガスをノズル１１より排出することで初期推力を生じ飛翔を開始する。

焼尽ケース２６は、第一推進剤２１が着火する時点では元の形状を保つが、第一推進剤２１の燃焼中には燃え尽きてしまう。また、隔壁４１は第一推進剤２１の燃焼熱により表層は焼損するが、第二点火装置４３を介して第二推進剤３１に全面が接触しているため、第一推進剤２１の燃焼圧力により破壊されることはなく、第二点火装置４３および第二推進剤３１が意図しない燃焼を開始することはない。

第一推進剤２１が燃焼終了した後、所定の延期秒時後、図示しない外部制御装置からの光路切替信号により、セーフアーム付レーザー発振装置１３内部で第一光ファイバ１４から第二光ファイバ１５へレーザー光路が切り替えられる。
続けて、図示しない外部制御装置からの再点火信号により、セーフアーム付レーザー発振装置１３から第二光ファイバ１５を通して第二点火装置４３へレーザーが照射され、レーザーの熱により初期点火薬３６が着火し、更に主点火薬３７が着火し、第二推進剤３１へ伝播する。

第二推進剤３１の燃焼圧力により隔壁４１が破壊され、第二推進剤３１は燃焼室２２へ通じる。隔壁４１の破片は、ノズルから排出されるまでに燃焼室２２内でほとんど燃え尽きてしまうが、燃え残りが生じた場合でも隔壁４１は非金属であるため、ノズル１１に損傷等の悪影響を与えることがない。
第二推進剤３１は端面燃焼方式であるため、従来の内面燃焼方式に比べて燃焼面積が小さくなり、発生推力に対して不利であるが、銀線３２を挿入し燃焼速度を高めることで発生推力を補っており、ロケットモータ１は、第二推進剤３１の燃焼により発生する燃焼ガスをノズル１１より排出することで、十分な後期推力を生じ航続距離を延長することができる。

本発明は、航続距離を延長する２段推力型ロケットモータとして、好適に利用できる。

本発明による２段推力制御ロケットモータの縦断面図の１例である。 第１図に示される隔壁部の拡大説明図である。

符号の説明

１・・・・・・・ ロケットモータ
２・・・・・・・ 第一推進部
３・・・・・・・ 第二推進部
４・・・・・・・ 隔壁部
１０・・・・・・ モータケース
１１・・・・・・ ノズル
１２・・・・・・ 前部鏡板
１３・・・・・・ セーフアーム付レーザー発振装置
１４・・・・・・ 第一光ファイバ
１５・・・・・・ 第二光ファイバ
１６・・・・・・ インシュレータ
２１・・・・・・ 第一推進剤
２２・・・・・・ 燃焼室
２６・・・・・・ 焼尽ケース
２７、３６・・・ 初期点火薬
２８、３７・・・ 主点火薬
３１・・・・・・ 第二推進剤
３２・・・・・・ 銀線
４１・・・・・・ 隔壁
４２・・・・・・ 第一点火装置
４３・・・・・・ 第二点火装置

Claims (9)

1. モータケース内に隔壁を介して後方側に第一推進剤、前方側に第二推進剤の２つの推進剤を配置し、前記第一推進剤および第二推進剤をそれぞれ発火させるための点火装置と、燃焼により発生するガスを排出するためのノズル部分とを備えた２段推力制御ロケットモータにおいて、第一推進剤が、内面燃焼方式を有する固体推進剤であり、第二推進剤が、端面燃焼方式を有する固体推進剤であることを特徴とする２段推力制御ロケットモータ。
2. 第二推進剤の内部に熱伝導物質が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の２段推力制御ロケットモータ。
3. 前記熱伝導物質が金、銀、銅、アルミニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン及びこれらの内少なくとも１種を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種であり、その形状が線、箔又はチップであることを特徴とする請求項２に記載の２段推力制御ロケットモータ。
4. 第一推進剤と第二推進剤との間に用いられる隔壁が耐熱材及び／又は断熱材から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の２段推力制御ロケットモータ。
5. 前記隔壁の材料がゴム、樹脂及びセルロース材からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項４に記載の２段推力制御ロケットモータ。
6. 第一推進剤の点火装置が、第一推進剤の上流側に配置され、点火後は第一推進剤の燃焼時に焼尽性を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の２段推力制御ロケットモータ。
7. 第二推進剤の点火装置が、第一推進剤の燃焼終了後に点火可能であり、薄膜状又は板状に形成された点火薬が第二推進剤の端面に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の２段推力制御ロケットモータ。
8. 前記第一および第二推進剤の点火装置における点火薬への着火方式がレーザー着火方式であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の２段推力制御ロケットモータ。
9. 前記第一および第二推進剤の点火装置が、セーフアーム機構を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の２段推力制御ロケットモータ。

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