JP2008539389A - ミサイル制御システム及び方法 - Google Patents

Abstract

ミサイル12は制御弁20を有するダイバートおよび姿勢制御システムスラスタ16、18を有する制御システム10を含んでいる。各制御弁は複数の小さいノズル24を有するノズルプレート26を有する。ノズルプレートは１対の部分30、32を含み、その一方は他方に関して回転可能である。ノズルプレートを通る流動の制御はノズルプレートの部分の相対的な位置により影響される。ノズルプレートの上流コンバージェント部分はミサイルに関して固定されることができ、ノズルプレートの下流スロートおよび／またはダイバージェント部分は可動である。ノズルプレートの可動部分の動作はミサイル本体に対して外部のアクチュエイタの使用によって行われることができる。制御弁はダイバートスラスタからの流動を制御するための簡単で軽量でコンパクトな方法を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明はミサイルシステム、特にミサイルおよびロケットエンジン用の制御システムに関する。

ロケットおよびミサイルのダイバートスラスタに使用されるようなスロットル制御弁は典型的に単一のコンバージェント−ダイバージェントノズルのコンバージェント部から出入りすることのできるピントルを含んでいる。このような機構は姿勢制御システムを逸らす大量の質量を付加する。さらに、ピントルとその対応する付勢システムは通常内部に位置され、これらは推力を発生することに使用される燃焼により生成されるガスの高圧力、高温の環境に露出される欠点がある。

前述の説明から、ダイバートスラスタのスロットル制御弁の改良が可能であることが認識されるであろう。

本発明の特徴によれば、制御弁は相対的回転可能な１対のプレートまたはプレートのセクションを有する。各プレートまたはセクションは対応する開口を有し、それは流体がそこを通過することを可能にするために一列に整列されることが可能であり、または部分的な流動だけを可能にするか流動を可能にしないように整列されないようにされることができる。制御開口は複数のコンバージェント−ダイバージェントノズルを形成するように結合することができる。

本発明の別の特徴によれば、ロケットエンジンの制御弁はそこに固定部開口を有する固定部分と、そこに可動部開口を有する可動部分とを含んでいる。可動部分は固定部分の上を覆って位置する。可動部分は固定部分に回転可能に取り付けられる。固定部開口と可動部開口はそれぞれコンバージェントセクションと、ダイバージェントセクションとスロートを有する複数のノズルを生成するように結合する。可動部分が固定部分に関して開位置にあるとき、固定部開口と可動部開口は一直線に整列され、そこを通る流体の流動を可能にする。固定部開口と可動部開口は相互にオフセットされ、可動部分が固定部分に関して閉位置にあるとき、そこを通る流体の流動を阻止する。

本発明の別の特徴によれば、ロケットエンジンからの推力を制御する方法は、制御弁の加圧されたガスの上流を提供し、制御弁の部分を相対的に構成し、それによって制御弁を通る流体の流動を制御するために各部分中に複数の穴を選択的に整列させ、あるいは整列させないステップを含んでいる。

前述の、及び関連される結末を実現するために、本発明は以後十分に説明され、特に特許請求の範囲で指摘される特徴を含んでいる。以下の説明と添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明する。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ることのできる種々の方法の幾つかを示しているだけである。本発明のその他の目的、利点、優れた特徴は図面を伴って考察するとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

添付図面では、必ずしも実寸大である必要はない。
ミサイルは制御弁を有するダイバートおよび姿勢制御システムスラスタを有する制御システムを含んでいる。各制御弁は複数の小さいノズルを有するノズルプレートを有している。ノズルプレートは１対の部分を含み、その一方は他方に関して回転可能である。ノズルプレートを通る流体の制御はノズルプレートの部分の相対的な位置付けにより行われることができる。ノズルプレートの上流コンバージェント部分はミサイルに関して固定されることができ、ノズルプレートの下流スロートおよび／またはダイバージェント部分は可動である。ノズルプレートの可動部分の動作はミサイル本体に対して外部のアクチュエイタの使用によって実現されることができる。制御弁はダイバートスラスタからの流体を制御するための簡単で軽量でコンパクトな手段を提供する。

図１および２は固体燃料ロケットエンジン14のような加圧されたガス源13からの推力を制御するためのミサイル12の制御システム10を示している。この制御システム10はダイバートスラスタ16と姿勢制御スラスタ18を含んでいる。

ダイバートスラスタはそれぞれノズルプレート26中の複数の小さいノズル（ノズレット）24を通る流体を制御するための制御弁20を含んでいる。ノズルプレート26は実質的に形状が円形であることができる。ノズルプレート26の可動の外部（ダイバージェント）セクション30は上方に位置し、固定されたまたは静止の内部（コンバージェント）セクション32に関して回転可能である。内部セクション32は外部セクション30の上流である。セクション30と32はブッシング34により中心回転軸で共に結合されている。制御弁アクチュエイタ38は外部セクション30へ機械的に結合され、それによって内部セクション32に関して外部セクション30を回転させ、通路40とノズル24を通るロケットエンジン14からの流体の流動量を制御する。

図３乃至６を更に参照すると、制御弁20の詳細が与えられている。セクション30と32はそれぞれ開口50と52を有している。開口50と52は、整列されるとき制御弁20を通る加圧されたガスの通過を可能にするためのコンバージェント−ダイバージェントノズル24を形成する。図面に示されているように、静止または固定された内部セクション32はノズル24のコンバージェント部分として機能する開口52を有する。可動な外部セクション30はノズル24のスロートおよび／またはダイバージェント部として機能する開口50を有している。内部セクション32に関する外部セクション30の相対的な回転はノズル24の開放、部分的開放、または閉鎖のために使用されることができる。セクション30と32は予荷重された保持リング58によりハウジング56内に保持されている。針軸受60が外部ダイバージェントセクション30と内部コンバージェントセクション32との間と、外部ダイバージェントセクション30と保持リング58との間に配置されている。適当な座金62が針軸受60と、外部ダイバージェントセクションと、内部コンバージェントセクション32と、保持リンク58の間に配置されている。針軸受60と座金62は制御弁20の他の部分に関してダイバージェントセクション30の低摩擦の回転を可能にする。

制御弁アクチュエイタ38は螺子シャフト70を回転するモータ68を含んでいる。シャフト70に螺子で結合されたナット72は、モータ68がシャフト70を回転されるときにシャフト70を上下に動かす。ナット72はピンまたはトラニオン74を有し、それはヨーク78の対応する穴76と結合する。トラニオン74と穴76の結合はヨーク78とナット72との間の相対的な回転を可能にする。ヨーク78は外部のダイバージェントセクション30に取り付けられ、ハウジング56中のスロット79を通過する。（ナット72から遠い側の）モータ68の他方の端部はミサイル12の外部表面80に結合されている。したがってモータ68によるシャフト70の回転はコンバージェントセクション32に関するダイバージェントセクション30の回転運動を生じさせる。

制御弁20はある従来技術のダイバートスラスタよりも優れた幾つかの利点を提供する。その１つとして、多数のノズル24を有するノズルプレート26の使用は単一のノズルスラスタと比較するとき、所望量の推力がよりコンパクトで軽量のシステムによって得られることを可能にする。さらに、制御弁20の全ての可動部分は高温の上流の加圧された燃焼室82の外部に位置される（図１）。特に、アクチュエイタ38と可動のダイバージェントセクション30は加圧された燃焼室82の外部にある。これによって、加圧された燃焼室82を囲む全ての部分が固定されているので、加圧された燃焼室82の密封を容易にする。

ノズル24は任意の種々の適切なサイズを有し、ノズルプレート26は少なくとも約１０個のノズル、または例示的な実施形態では８４個のノズルのような任意の種々の適切な数を有することができる。６個のノズルまたは２個のノズルのようなより少数のノズルが代わりに使用されることもできる。ノズルプレート26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任意の種々の適切な材料から作られることができる。多層の織地挿入部は強化フェノール材料を強化するために使用されることができる。普通のフェノール材料の使用で可能であるよりも高温および／または長期間の動作を可能にするためにセラミックの挿入部がノズル24に配置されることができる。適切なセラミック化合物は所望の特性を与えるように炭素、ジルコニウム、および／または酸化アルミニウムで濃縮されることができる。

図７および８はセクション30と32をオフセットし、それによって流体が制御弁20を通ることを阻止するために必要とされる回転量の図を与えている。ノズルプレートセクション30、32のそれぞれの開口50、52の結合領域90、92は開口50、52の他の部分の断面積と比較して小さい。結合領域90、92はノズル24の最も広い部分の面積の約１０％よりも小さい断面積を有し、ノズル24の最も広い部分の面積の約１％よりも小さい断面積を有することができる。結合領域90、92は比較的小さくてもよく、完全に開いた状態から完全に閉じた状態へ制御弁20を付勢するためには約５度以下の小さい角度の偏向しか必要とされない。ノズル24が、完全に開いた状態から完全に閉じた状態へ制御弁をシフトするために必要とされる回転量を制御するノズルプレート26の回転軸に対して最も近いことが認識されよう。

前述のノズル24はコンバージェントおよびダイバージェント部分を有している。より一般的には、ノズル24はコンバージェント−ダイバージェント型をもたない開口であってもよい。しかしながら、セクション30、32が共に接触する細い形状を有することが制御弁20の開口に対して有効であり、それによって制御弁20を完全に開いた状態から完全に閉じた状態へ動かすために必要な回転量を減少または最小にすることができる。

例示的な実施形態では、全てのノズル24は実質的に寸法及び形状が同じである。代わりに幾つかのノズルが他のノズルとは異なる寸法および／または形状を有していてもよいことが認識されよう。例えば回転軸およびブッシング34に最も近い内部ノズル94（図３）はより中心から離れたノズル96（図３）よりも小さいスロートおよび異なる形状を有することができる。

制御弁アクチュエイタ38および関連される部分を、加圧される燃焼室82の外部へ配置することによって、制御弁アクチュエイタ38は加圧される燃焼室82内で遭遇する可能性がある非常に高温の環境にさらされることはない。

図９は制御弁20が固定された外部（ダイバージェント）セクション30’と内部（コンバージェント）セクション32’との間に可動な中間スロートセクション31’を有する代わりの実施形態を示している。この代わりの実施形態の他の部分は前述の実施形態の部分に類似していてもよいことが認識されるであろう。

図１０は制御弁20のノズルプレート26が複数の付勢可能なノズル24’と、開かれた状態で維持されている１以上の固定されたノズル94を有している制御システム10の別の実施形態を示している。付勢可能なノズル24’はノズル24に関して前述した方法と類似した方法で、ノズルプレート26の一部を回転することによって選択的に開閉されることができる。固定されたノズル94は常に開いた構造、即ち付勢可能なノズル24’の開閉により影響されない構造で維持される。固定されたノズル94は付勢可能なノズル24’を含む周辺プレートセクション98により囲まれている中心の固定されたプレートセクション96中に位置されることができる。適切な軸受が中心の固定されたプレートセクション96と周辺プレートセクション98との間に設けられることができ、それによって２つの間での相対的な回転を可能にし、付勢可能なノズル24’の選択的な開閉が可能になる。

図１０に示されている構造は、あるノズルが常に開いた状態であり、他のノズルの開閉が所望されるように制御される状態で使用されてもよいことが認識されよう。

本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、等価の変更及び変形がこの明細書及び添付図面を読み理解した上で、当業者により行われることが明白である。特に前述の素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、構造等）により行われる種々の機能に関して、このような素子を説明するために使用される用語（「手段」の参照を含める）は特に説明がなければ、本発明のここで説明した例示的な１または複数の実施形態でその機能を行う説明された構造とは構造上等しくなくても、説明される素子の特定化された機能を行う（即ち機能的に等価の）任意の素子に対応することが意図されている。さらに、本発明の特定の特徴を１以上の幾つかの示された実施形態のみに関して前述したが、このような特徴は任意の所定または特定の応用で所望及び有効であるように、他の実施形態の１以上の他の特徴と組み合わせられることができる。

本発明によるミサイルの斜視図。 図１の制御システムの部分的切断図。 図１の制御システムの制御弁の斜視図。 図３の制御弁のコンポーネントを示す分解図。 図３の制御システムの部分的切断図。 図３の制御システムの一部分の切断図。 制御弁の断面の開口間のオフセット範囲を示す上面図。 図７の一部分の拡大図。 本発明による別の実施形態の制御システムを示す断面図。 本発明によるさらに別の実施形態の制御システムを示す部分的切断図。

Claims (10)

1. 圧力室に一体化され、固定部開口（52）を有する固定部分（32、30’）と、
   可動部開口（50）を有する可動部分（30、31’、32’）とを具備し、
   前記可動部分は前記固定部分の上に位置し、
   前記可動部分は前記固定部分に対して回転可能に取り付けられ、
   前記固定部開口と前記可動部開口はそれぞれコンバージェントセクションと、ダイバージェントセクションとスロートを有する複数のノズル（24、24’）を生成するために結合され、
   前記可動部分が前記固定部分に関して開位置にあるとき、前記固定部開口と前記可動部開口は整列され、そこを通る流体の流動を可能にし、
   前記可動部分が前記固定部分に関して閉位置にあるとき、前記固定部開口と前記可動部開口は相互にオフセットされ、そこを通る流体の流動を阻止するように構成されているロケットエンジンの制御弁（20）。
2. 前記固定部開口はコンバージェントセクションを含み、
   前記可動部開口はダイバージェントセクションとスロートの少なくとも一方を含んでいる請求項１記載の制御弁。
3. 前記固定部分は固定された実質的に円形のプレートであり、
   前記可動部分は可動の実質的に円形のプレートであり、
   これらの部分は円形のプレートの中心軸において共に結合されている請求項１または２記載の制御弁。
4. さらに前記固定部分に関して前記可動部分を回転するため、可動部分に機械的に結合されているアクチュエイタ（38）を具備し、
   そのアクチュエイタは、
   モータ（68）と、
   螺子シャフト（70）と、
   螺子シャフト上のナット（72）とを含み、
   前記ナットは可動プレートに固定して結合され、それによってシャフトの回転は可動プレートの運動を生成させる請求項３記載の制御弁。
5. さらに、前記固定部分に関して前記可動部分を回転するために可動部分に機械的に結合されているアクチュエイタを具備し、
   そのアクチュエイタは制御弁と連通する加圧されたガス源を含む本体に対して外部である請求項３記載の制御弁。
6. 前記複数のノズルは少なくとも１０個のノズルを含んでいる請求項１乃至５のいずれか１項記載の制御弁。
7. 制御弁の加圧された上流のガス源（13）と組み合わせられ、
   固定されたプレートが制御弁の上流側にあり、それによって弁を通る流体の流動は前記可動部開口を通過する前に固定部開口を通過する請求項１乃至６のいずれか１項記載の制御弁。
8. ミサイル（12）の一部である請求項７記載の制御弁。
9. ダイバートスラスタ（16）の制御システムの一部として、異なる方向でスラスタを制御する付加的な制御弁を含んでおり、
   システムはまた姿勢制御スラスタ（18）を含んでいる請求項７または８記載の制御弁。
10. 制御弁の加圧されたガスの上流部分を提供し、
    制御弁の部分を相対的に形成し、それによって制御弁を通る流体の流動を制御するために各部分で複数の穴を選択的に整列させるか整列させないように制御するステップを含んでいる請求項１乃至９のいずれか１項記載の制御弁を使用するロケットエンジンからの推力の制御方法。

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