JP2006508320A - ミサイル制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ミサイル（１０）は固定ノズル（２０）と可動推力ベクトルノズル（２２）の両方を備えたマルチノズルグリッドを有する後部セクション（１２）を含む。可動ノズルは、それぞれ複数の可動ノズルを含む多数の個別アレイバー（３２ａ〜３２ｄ）で構成されてもよい。１つ以上のアレイバーの動きを使用して、ミサイルの推力の方向を変え、例えばミサイルのロール、ヨー、スピンを行う。

Description

本発明はミサイルシステムに関し、特に推力ベクトル制御を備えたミサイルシステムに関する。

関連技術の背景

任意の数の巡航ミサイルのような攻撃用ミサイルは樹木の頂部や水面のちょうど上のような低高度で飛行し、敵のレーダによる検出を避けるように構成されている。このような状況では、目標とされた船は例えばほんの数秒で最初に兆しを識別し、そしてその防御用ミサイルの１つを発射するような対抗手段をとるかもしれない。通常、地上または船上装備防御用ミサイルはキャニスタ、すなわちミサイル発射機からほぼ垂直方向に発射され、そしてその翼表面が何らかの実質的な運動を有効にできる前に、ミサイルは最初に十分な速度に達しなければならない。これは一般的に、ミサイルがピッチオーバでき、そして到来するミサイルの兆しを探し始めることができる前に、ミサイルを数千フィートの高度に到達させることに言い換えられる。これらの運動に必要な時間は長すぎると考えられる。

この問題を取り扱おうと試みて多数のシステムが開発されてきた。これらの概念のいくつかはジェットタブ、可動ノズル、液体インジェクションおよびジェットベーンシステムとして分類することができる。しかしながら、これらのシステムを使用するデバイスは一般的に多くの現在の応用にとって不適当である。リトラクタブジェットベーンは例えば、厳重な容量制限を有する何らかの発射キャニスタ装填ミサイルにとって必要な要求である、ミサイル後部制御表面を折りたたむ要請と両立しない。

結合された二方向運動のためにミサイルフィンにピボット取り付けされた補助推進ユニットを含む着脱可能なジェットタブシステムは、同様に制御表面を折りたたむことと相容れず、ミサイル胴体構造外部の付加容量のために発射キャニスタ断面積の増加を必要とする。この種のシステムは米国特許第４，８４４，３８０号に示されている。

可動ノズルシステムは重く、複雑で、着脱可能ではない。液体インジェクションシステムは十分な推力ベクトル角をもたらさない。

既存のジェットベーンメカニズムはミサイル操縦制御ユニットに対して冗長なフィードバック制御電子回路を備えた着脱不可能または組み込みの作動システムである。着脱不可能ジェットベーンメカニズムはミサイルレンジおよび性能を制限し、ミサイルの軌道全体を通してロケット推力の低下をもたらす。自己作動ジェットベーンメカニズムも重く、本質的に複雑であり、したがってミサイル発射に対してさらに多くのロケット推進剤が必要となり、十分な信頼性を欠く。

レイセオンにより作られカナダ海スパローシステムで使用されている船上防御システムはミサイル排気ブルーム中にベーンを有する。しかしながら、このシステムはミサイル上に見られるものに対して冗長である要素を含み、これは不必要な重量を加え、過度に複雑で非常に費用がかかる。

発射時のミサイル制御を提供する非常に多くの従前の試みは最適なシステムを依然として生み出していない。

したがって、発射中にミサイル制御を行うシステムおよび技術におけるさらなる改良に対する技術的な必要性が存在する。

発明の概要

本発明の観点にしたがうと、ミサイルは複数の固定ノズレットと複数の可動ノズレットとを含む。

本発明の他の観点にしたがうと、ミサイルは十字形形態の複数の固定ノズレットと、十字形形態のアーム間の可動ノズレットとを備えたノズルプレートを含む。

本発明のさらに他の観点にしたがうと、ミサイルは複数の固定ノズレットと複数の可動ノズレットとを備えたノズルグリッドと、ノズルグリッドに動作可能に結合された加圧ガス源とを含む。

本発明のさらに他の観点にしたがうと、ミサイルは推力ベクトル制御システムと、推力ベクトル制御システムに機械的に結合されたエアロダイナミック制御システムとを含む。

本発明の別の観点にしたがうと、ミサイルを推進させる方法は、複数の固定ノズレットを通して高圧ガスを移動させて、推力を提供してミサイルを推進させ、同時に複数の可動ノズレットを通して高圧ガスを移動させて、追加推力を提供してミサイルを推進させることを含む。可動ノズレットを通してガスを移動させることは、ミサイルのコース、ミサイルの方向、ミサイルのスピンレートのうちの少なくとも１つを制御する。

先のおよび関連する目的を達成するために、本発明は後に完全に説明され、請求項で特に指摘されている機能を含む。以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に記述している。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が使用されてもよいさまざまな方法のいくつかではあるが示している。本発明の他の目的、効果および新規な特徴は、図面とともに考察されるとき、本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

添付図面では必ずしもスケーリングされていない。

好ましい実施形態の詳細な説明

ミサイルは固定ノズレットと可動推力ベクトルノズレットの両方を備えたマルチノズルグリッドを有する後部セクションを含む。可動ノズレットは、それぞれ複数の可動ノズレットを含む多数の個別アレイバーで構成されてもよい。１つ以上のアレイバーの動きを使用して、ミサイルの推力の方向を変え、例えばミサイルのロール、ヨー、スピンを行う。

最初に図１および図２を参照すると、ミサイルすなわち発射体１０は加圧ガス源１４とノズルグリッド１６とを有する後部セクション１２を含む。加圧ガス源はさまざまな従来のロケット燃料の任意のもののような、推進剤の燃焼により高圧ガスを生成してもよい。代わりに、高圧チャンバが他の適切な高圧ガス源からガスを受け取ってもよい。さらに、加圧ガス源１４は複数の加圧ガス源を含んでいてもよい。

ノズルグリッド１６は加圧ガス源１４に動作可能に結合され、中細ノズルの使用を通して加圧ガスを膨張させる。ノズルグリッド１６は以後ノズレットとして言及する複数の小さなノズルを含む。ノズレットは固定ノズレット２０と可動推力ベクトルノズレット２２の両方を含み、これらは推力ベクトル制御システム２４の部品である。ノズレット２０および２２は単一ノズルプレート２６中で組み合わせてもよい。図２に示されているように、固定ノズレット２０は十字形形態３０に配置してもよい。可動ノズレット２２は多数のアレイバー３２ａ〜３２ｄで配置されてもよく、これらは少なくとも一部が固定ノズレット２０の十字形形態３０のアーム間に位置付けられる。以下でさらに詳細に説明するように、各アレイバー３２ａ〜３２ｄは互いにほぼ平行にアレイ配置された複数の可動ノズレット２２を有していてもよい。示されているように、後部セクション１２の軸について対称に配置された４つのアレイバー３２ａ〜３２ｄが存在してもよい。アレイバー３２ａ〜３２ｄはノズルプレート２６中の開口部に置いてもよく、ノズルプレート２６に関して回転または傾斜するように構成されてもよい。以下でさらに説明するように、アレイバーを傾斜させるために、各アレイバー３２ａ〜３２ｄに対応するモータが存在してもよい。

制御電子回路３８がモータに動作可能に結合され、モータの動作、したがってアレイバー３２ａ〜３２ｄの方向を制御してもよい。制御電子回路３８はミサイル１０の位置および／または方向を示すデータを受け取ってもよい。データは制御電子回路３８で処理され、ミサイルの所望コース、方向および／またはスピンレートからのずれを検出してもよい。制御電子回路３８はその後信号を送信して、アレイバー３２ａ〜３２ｄの方向を変え、ミサイル１０のコース、方向および／またはスピンレートを所望のパラメータに訂正してもよい。制御電子回路は集積回路を利用するプロセッサのようなよく知られた電子デバイスを含んでいてもよい。バッテリ４０ａ〜４０ｃを使用してモータおよび／または制御電子回路３８に電力を提供してもよい。制御電子回路３８とバッテリ４０ａ〜４０ｃはアレイバー３２ａ〜３２ｄの対の隣接部間に位置付けられてもよい。

上述の実施形態はさまざまな構成部品を配置する非常にさまざまな適切な方法の１例にすぎないことを理解するであろう。例えば、異なる数および／または配置のアレイバーを利用してもよいことを理解するであろう。さらに、用語“アレイバー”は複数の可動ノズレット２２をリンクして可動ノズレット２２がともに動けるようにする幅広いさまざまなデバイスを包含することを理解するであろう。このようなアレイバーは図２に示されているほぼ矩形のアレイバー３２ａ〜３２ｄ以外の他の形状を持っていてもよい。

次に図３に移ると、ノズルプレート２６および関連部品のさらなる詳細が示されている。アレイバー３２ａ〜３２ｄはノズルプレート２６中の空洞に適合する。カバー４２ａおよび４２ｂは空洞をカバーし、その空洞にはアレイバー３２ａ〜３２ｄと対応するモータが位置付けられている。カバー４２ｂおよび４２ｃはその中に１つ以上の穴を持ち、例えばアレイバーピン４４ｂおよび４４ｃならびにモータシャフト４６ｂおよび４６ｃが穴に突出できるようにしてもよい。カバー４２ｂおよび４２ｃはねじまたは他の適切な留め具によりノズルプレート２６に結合されてもよい。

図４はノズルプレート２６の破断図を示しており、固定ノズレット２０と可動ノズレット２２の１つの可能性ある形態を図示している。アレイバー３２ａおよび３２ｃはその両側にアレイバーピン４４ａおよび４４ｃを有する。以下でさらに詳細に説明するように、対応するモータを使用してそれらの各ピンについてアレイバー３２ａ〜３２ｄを傾斜させてもよい。

ノズルプレート２６の１つの側は高圧チャンバと連通していてもよく、高圧チャンバは加圧ガス源１４（図１）から高圧ガスを受け取る。チャンバはすべてのノズレット２０および２２がチャンバと連通するように構成されてもよい。したがって、高圧チャンバ中の高圧ガスの配置は固定ノズレット２０と可動ノズレット２２の両方を通してガスを流出させるのに十分である。

他の適切な配置を利用して高圧ガスをノズレット２０および２２に提供してもよいことを理解するであろう。例えば、複数のチャンバおよび／または高圧ガス源を使用してもよい。

図に示されているように、固定ノズレット２０と可動ノズレット２２のそれぞれは実質的に同じ寸法を有していてもよい。しかしながら、適切である場合には異なる形態を有するノズレットを利用してもよいことを理解するであろう。例えば、固定ノズレット２０は可動ノズレット２２と異なる形態を有していてもよい。また、固定ノズレット２０のうちのいくつかが固定ノズレット２０の他のものと異なる形態を有していてもよく、および／または、可動ノズレット２２のうちのいくつかが可動ノズレットの他のものと異なる形態を有していてもよい。さらに、固定ノズレット２０および／または可動ノズレット２２の数および／または配置は示されているもの以外であってもよい。

図５は（図５で破線により示されている）ノズルプレート２６内の他の構成部品の配置を示している。特に、アレイバー３２ａ〜３２ｄに対応するカバー４２ａ〜４２ｄが示されている。さらに示されているものはアレイバー３２ａ〜３２ｄのアレイバーピン４４ａ〜４４ｄである。モータ５０ａ〜５０ｄも同様に示されている。

次に図６〜図８に移ると、ノズルプレート２６に対してアレイバー３２ａをシールするためのシーリングメカニズムが示されている。他のアレイバー３２ｂ、３２ｃおよび３２ｄに対して、同様なシーリングメカニズムを利用してもよい。アレイバー３２ｂは変形可能な延長部５２、５４、５６および５８を有し、これらはノズルプレート２６中で対応する延長空洞６２、６４、６６および６８に適合する。高圧チャンバ７０中のような、ノズルプレート２６より上の高圧は変形可能な延長部５２および５４を下向きに曲げさせ、対応する延長空洞６２および６４の壁に対してそれらを押す。

同様に、ノズルプレート２６より下の、空洞７２中の高圧は変形可能な延長部５６および５８を対応する空洞６６および６８の壁上に押させる。アレイバー３２ｂの変形可能な延長部５２〜５８はしたがって非常に上昇した温度を有するかもしれない排気ガスが、アレイバー３２ｂとノズルプレート２６との間の潤滑剤７６に到達するのを妨げる。潤滑剤７６はグラファイトのような材料であってもよく、これはロケット燃料の燃焼により生成されるもののような、熱いガスにさらされることにより劣化または破壊されるかもしれない。その延長部５２〜５７とのアレイバー３２ａの自己シーリング機能は潤滑剤７６の炭化または他の劣化を防ぐ。

ノズルプレート２６とアレイバー３２ａ〜３２ｄは、ガラスまたはグラファイト強化フェノール材料のような、さまざまな適切な材料の任意のものから作られていてもよい。幾重にも織られた織物挿入物を使用して、強化フェノール材料を補強してもよい。

ノズルプレート２６は、例えば０．２５インチ（６．４ミリメートル）から２インチ（５１ミリメートル）までの範囲で、さまざまな適切な厚みの任意のものを有するようにしてもよい。

上述したフェノール材料のような材料を使用すると、ノズルプレート２６および／またはアレイバー３２ａ〜３２ｄの鋳造ができる。鋳造は、機械加工のような他のプロセスと比較したとき、製造費用を大きく減少させるかもしれないことを理解するであろう。

セラミック挿入物をノズレット２０および２２中に置いて、普通のフェノール材料を使用することによって可能となるものよりも、高い温度および／またはより長い時間での動作を可能にしてもよい。適切なセラミック化合物は、所望の特性を提供するために、カーボン、ジルコニウム、および／またはアルミニウムのような金属で質を高めてもよい。

図９および図１０はモータ５０ｂとアレイバー３２ｂとの間の機械的リンク機構を示している。ギア８０はモータシャフト４６ｂに付けられている。ギア８０はリンク８８の歯のある表面８４とかみ合っている。リンク８８はアレイバー３２ｂのアレイバーピン４４ｂに取り付けられている。モータ５０ｂのモータシャフト４６ｂの回転はリンク８８を回転させ、それによりアレイバー３２ｂを回転させる。

モータ５０ｂの回転をアレイバー３２ｂに伝えるために、他のタイプの機械的リンク機構を使用してもよいことを理解するであろう。このような適切なリンク機構は、例えば、ギア、ベルト、カムおよび従動節のような幅広いさまざまな機械的デバイスを含んでいてもよい。

図１１〜図１４はある力をミサイル１０上に生じさせるための、アレイバー３２ａ〜３２ｄのさまざまな形態を図示している。図１１はまっすぐな、方向が変えられていない推力を示しており、すべてのアレイバー３２ａ〜３２ｄはヌル位置である。すなわち、アレイバー３２ａ〜３２ｄは、すべての可動ノズレット２２がまっすぐ後ろに向いているように位置付けられている。

図１２は同じ方向に傾斜されているトップおよびボトムのアレイバー３２ａおよび３２ｃを示しており、これによりヨーモーメントをミサイル１０に与える。図１３に示すように、代わりに、他の２つのアレイバー３２ｂおよび３２ｄが傾斜される場合には、ロールモーメントがミサイル１０に与えられる。アレイバー（３２ａおよび３２ｃ、ならびに３２ｂおよび３２ｄ）の対向する対の両方を適切に傾斜させることにより、ヨーおよびロールの両方が同時に適用されてもよいことを理解するであろう。

図１４はアレイバー３２ａ〜３２ｄの傾斜により、スピントルクをミサイル１０に生じさせることを図示している。図１４はミサイル１０に反時計回りのスピンを与えるように傾斜されているアレイバー３２ａ〜３２ｄを図示している。

上述の動きの組み合わせを提供するように別の方法でアレイバー３２ａ〜３２ｄが制御されてもよいことを理解するであろう。例えば、ヨーおよび／またはロールは、アレイバー３２ａ〜３２ｄの位置を適切に制御することにより、スピンと組み合わされてもよい。

さらに、アレイバーに対する多くの代替配置および方向が可能であることを理解するであろう。

図１５〜図１７は他の実施形態のミサイルすなわち発射体１０を示しており、推力ベクトル制御システム２４と機械的に結合されているエアロダイナミック制御システム９０を有している。図１５〜図１７に示されているように、エアロダイナミック制御システム９０のフィン９２ａ〜９２ｄは、図１７に示されているフィン−バーリンク機構９４ａのような各フィン−バーリンク機構を通して推力ベクトル制御システム２４のアレイバー３２ａ〜３２ｄのそれぞれに結合されている。

図示されているフィン−バーリンク機構９４ａは４バーリンク機構である。フィン−バーリンク機構９４ａはアレイバーピン４４ａ上の延長部９８に結合され、そしてフィンピン１０２上の突出部１００に結合されているロッドすなわち部材９６を含む。アレイバーピン４４ａの回転はルータ部材９６の動きを生じさせ、これは次にフィンピン１０２のシャフトに関してフィン９２ａを回転させ、したがってフィン９２ａを回転させる。フィン９２ａはミサイル１０の残りの部分に関して傾斜される。

アレイバー３２ａ〜３２ｄの動きがフィン９２ａ〜９２ｄの対応する動きを生じさせるように、フィン９２ａ〜９２ｄおよびアレイバー３２ａ〜３２ｄを機械的に結合させる多くの方法が存在することを理解するであろう。例えば、アレイバーとフィンは両方とも独立的してモータに機械的に結合されてもよい。

アレイバー３２ａ〜３２ｄとフィン９２ａ〜９２ｄを機械的に結合させることは、単一の制御システムおよび単一組のモータがミサイル１０のベクトル制御を達成できる利点がある。アレイバー３２ａ〜３２ｄはそれらの可動ノズレット２２とともに、ミサイル１０の動力飛行フェーズ中にミサイルのコースを変化させる主な方法であってもよい。フィン９４ａ〜９４ｄを利用して、推進システムがそのすべての推進剤を消費した後の、非動力飛行フェーズ中のミサイル飛行を制御してもよい。したがって、推力ベクトルの制御とエアロダイナミック制御作動の構成部品の制御との組み合わせは、ミサイル飛行中全体を通して維持され、制限されたミサイル速度がエアロ制御の有効性を抑制するミサイル発射中に推力ベクトル制御システムに動力を供給し、エアロダイナミック圧力がロケット燃焼終了直前に増強するとき、飛行方向安定性のためにエアロダイナミック制御フィン表面を利用する。可動ノズレット２２を備えたアレイバー３２ａ〜３２ｄの推力ベクトル制御システムは、フィン９２ａ〜９２ｄと機械的に結合されるので、デュアル冗長制御作動システムは要求されない。これは、最新の単一ノズルの概念と比較すると、全体的なシステムの複雑さ、付随的に発生する重量、組み立て費用を大きく減少させる。

さらに一般的には、推力ベクトル制御とのマルチノズルグリッドの組み合わせは、従来システムの推力ベクトル制御と比較して重量を減少させることができる。さらに、上述したようなシステムは、例えば、ミサイルにおいてロール制御および／またはスピンの生成および制御を可能にすることにより、従来技術のシステムよりも多くの機能を生み出す利点がある。さらに、従来のシステムと比較したときに、より少ない材料およびフェノール樹脂のようなより費用のかからない材料の使用、ならびに鋳造のようなより費用のかからない製造方法の使用の両方で、費用の節約が生じる可能性がある。

ジェットベーン推力ベクトル制御デバイスと比較すると、傾斜可能なアレイバーを備えたシステムはロケットモータ性能の劣化が非常に少ないかもしれない。さらに、ジェットベーンまたはジェットタブと異なり、飛行中に本システムのアレイバー３２ａ〜３２ｄを空中投棄する必要がない。

上述したようなシステムは、優れたリスク低減特性とともに、優れた重量最適化、ピッチオーバ安定性、費用効果、およびシステムの簡素化により、既知のジェットタブ、可動ノズル、着脱可能または排出可能なジェットベーン、ならびにリトラクタブルジェットベーンに対してさらに望ましい。大きな重量節減はタングステン／スチールサンドイッチジェットタブおよび大きなジンバルノズル作動システムに対して実現される。

本発明はある好ましい実施形態に関して示され説明されてきたが、この明細書および添付図面を読み理解したときに、均等な代替および修正が当業者に生じるであろうことは明らかである。特に、上述の要素（構成部品、アセンブリ、デバイス、構成など）により実行されるさまざまな機能に関して、このような要素を説明するのに使用された（“手段”として言及されるものを含む）用語は、別な方法で示されない限り、ここで示されている本発明の例示的な実施形態における機能を実行する開示された構造に対して構造的に均等でなくても、説明されている要素の特定の機能を実行する（すなわち、機能的に均等な）任意の要素に対応することを意図している。さらに、いくつかの示されている実施形態の１つ以上のもののみに関して、本発明の特定の機能を説明したが、任意の所定または特定の応用に対して望まれ利点があるように、このような機能は他の実施形態の１つ以上の他の機能と組み合わされてもよい。

図１は本発明にしたがったミサイルの側面図である。 図２は図１のミサイルの後部斜視図である。 図３は図２の制御システムのノズルプレートの斜視図である。 図４は図３のノズルプレートの破断図である。 図５はノズルプレートに適合された構成部品を示す斜視図である。 図６は図３のアレイバーとノズルプレートの詳細を図示している斜視破断図である。 図７は図６の破断図の側面図であり、さらに詳細を示している。 図８は図６の破断図の側面図であり、さらに詳細を示している。 図９はモータと図２の制御システムのアレイバーとの間の機械的リンク機構を示している分解図である。 図１０は図９の一部のクローズアップ図であり、さらに詳細を示している。 図１１は図２の制御システム用の可動ノズルのさまざまな可能性ある方向を示している端面図である。 図１２は図２の制御システム用の可動ノズルのさまざまな可能性ある方向を示している端面図である。 図１３は図２の制御システム用の可動ノズルのさまざまな可能性ある方向を示している端面図である。 図１４は図２の制御システム用の可動ノズルのさまざまな可能性ある方向を示している端面図である。 図１５は代替実施形態ミサイルの斜視図であり、作動可能フィンを利用している。 図１６は図１５のミサイルの一部のクローズアップ図である。 図１７は図１５のミサイルのアレイバーとフィンとの間のフィン−バーリンク機構の詳細を示している。

Claims (10)

1. 複数の固定ノズル（２０）と複数の可動ノズル（２２）とを含むノズルグリッド（１６）と、
   ノズルグリッドに動作可能に結合された加圧ガス源（１４）とを具備するミサイル（１０）。
2. 固定ノズルはノズルプレート（２６）の部品である請求項１記載のミサイル。
3. 可動ノズルはノズルプレート中の開口部内で移動可能である請求項２記載のミサイル。
4. 固定ノズルはほぼ十字形形態（３０）に配置され、
   可動ノズルは少なくとも一部が十字形形態のアーム間に位置付けられている請求項１ないし３のいずれか１項記載のミサイル。
5. 可動ノズルは複数の別々に作動可能なアレイバー（３２ａ〜３２ｄ）に分割され、
   アレイバーは各アレイバー軸に沿って傾斜して、対応するアレイバーの可動ノズルの方向を変化させるように構成されている請求項１ないし４のいずれか１項記載のミサイル。
6. 各アレイバーに動作可能に結合されたモータをさらに具備し、
   モータはアレイバーを個々に傾斜させるように構成されている請求項５記載のミサイル。
7. アレイバーはノズルプレート中の空洞（６２、６４、６６、６８）内に位置付けられた変形可能な延長部（５２、５４、５６、５８）を有し、
   変形可能な延長部は圧力下で空洞の壁を押し、アレイバーとノズルプレートとの間のシールを形成するように構成されている請求項２に従属した請求項５または６記載のミサイル。
8. 固定ノズルと可動ノズルはすべて固定ノズルと可動ノズルの上流で高圧チャンバ（７９）と連通している請求項１ないし７のいずれか１項記載のミサイル。
9. 可動ノズルに機械的に結合された可動フィン（９２ａ〜９２ｄ）をさらに具備する請求項１ないし８のいずれか１項記載のミサイル。
10. 固定ノズルを通して高圧ガスを移動させて、推力を提供してミサイルを推進させ、
    同時に可動ノズルを通して高圧ガスを移動させて、追加推力を提供してミサイルを推進させることを含み、
    可動ノズルを通してガスを移動させることは、ミサイルのコース、ミサイルの方向、ミサイルのスピンレートのうちの少なくとも１つを制御する請求項１ないし９のいずれか１項記載のミサイルを推進させる方法。

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