JP2009257154A - 飛翔体のサイドスラスタ - Google Patents

Abstract

【課題】飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）を２基のバルブで行うことができ、耐振動・耐衝撃性能が高く、単独でもニュートラル運転ができ、バルブ駆動に異常が発生しても流路が閉塞せず、一定流量を保ちつつ流れの方向を変えることができる飛翔体のサイドスラスタを提供する。
【解決手段】飛翔体１の軸線に直交する面内に軸心２に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁１０を備え、ロータリー式３方弁を介して噴射用ガス３を噴射する。各ロータリー式３方弁１０は、３方向４ａ，４ｂ，４ｃの単独噴射と反対方向４ａ，４ｃの同時噴射ができ、かつ噴射用流路が常に開口している。
【選択図】図２

Description

本発明は、飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）を行う飛翔体のサイドスラスタに関する。

飛翔体のサイドスラスタとは、ロケット等の飛翔体に取り付けられ、その軸線に直交する面内でガスを噴射して３軸姿勢制御（２次元移動と回転）を行う装置である。かかるサイドスラスタは、サイドジェットとも呼ばれる。
従来のサイドスラスタは、例えば特許文献１，２に開示されている。

図７は、特許文献１に開示されたサイドスラスタ用のフラッパ式２方弁であり、（Ａ）は主要部の斜視図、（Ｂ）は作動説明図である。
このフラッパ式２方弁５６は、互いに逆向きにした噴射ノズル５０，５０の間にフラッパ弁５１を備える。フラッパ弁５１は、一対のソレノイド５２，５２を駆動源とし、ソレノイド５２の直線運動を回転運動に変換する機構としてレバー５３やシャフト５４などで構成される伝達機構５５を介して駆動される。また、サイドスラスタは、図示しないガス発生器を備える。ガス発生器は、固体ガス発生剤を用いており、イグナイタにより点火すると固体ガス発生剤が燃焼してガスを発生し続けるようになっている。

図８は、上述したフラッパ式２方弁を備えた飛翔体の模式図であり、（Ａ）は全体側面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
この例において、上述したフラッパ式２方弁５６は、飛翔体５７の軸線に直交する面内に図のように４基設置され、全体でサイドスラスタを構成する。
各フラッパ式２方弁５６は、飛翔体５７に両噴射ノズル５０，５０を飛翔体側部に開口させた状態にして搭載され、選択された片側の噴射ノズル５０をフラッパ弁５１で閉塞することにより、ガス発生器から連続的に供給されるガスを反対側の噴射ノズル５０から噴射し、これにより飛翔体５７に横方向の推力を付与する。また、横方向の推力を必要としない場合には、フラッパ弁５１を中立状態にし、ガス発生器からのガスを両方の噴射ノズル５０，５０から噴射させて両方向への推力のバランスを得るものである。
この推力のバランスにより推力を発生しない運転を「ニュートラル運転」と呼ぶ。

図９は、特許文献２に開示されたサイドスラスタであり、（Ａ）は主要部の斜視図、（Ｂ）は作動説明図である。
特許文献２は、ノズル６１の数が６である３軸姿勢制御用推進装置６４において、これを含むモータケース６６の一端に、弁体が回転することによって流路を切り替え可能な弁体回転式の３方向吐出切換弁６０を２つ含んだ構成である。モータケース６６に装填されている推薬６８を燃焼させて燃焼ガス６９を得て、１ないし２のノズル６１を開放して燃焼ガス６９を吐出し、残り５ないし４のノズルは全閉止の動作とする。これにより、ピッチ制御、ロール制御及びヨー制御の３軸姿勢制御並びにニュートラル運転の選択を行うものである。

特開平１１−３３６６１２号公報、「飛翔体のサイドスラスタ」 特開２００４−３０６７６２号公報、「３軸姿勢制御用推進装置及びその装置を備えた飛行物体」

上述した特許文献１のサイドスラスタは、噴射方向が２方向であるため、飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）を行うためには少なくとも４基のフラッパ式２方弁５６が必要となる。
また、このフラッパ式２方弁は、ソレノイド駆動であるため、リターンスプリングが必要であり、サイドスラスタの耐振動・耐衝撃性のため、プランジャ質量に対してリターンスプリングを強化する必要があり、駆動特性（中立戻り、応答性）の悪化をまねくおそれがあった。

一方、特許文献２のサイドスラスタ（３軸姿勢制御用推進装置）は、２基の３方向吐出切換弁６０で３軸姿勢制御ができるが、単独ではニュートラル運転ができない。
また、万一、バルブ駆動に異常が発生してストップした場合、バルブが閉塞しバーストするおそれがあった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）を２基のバルブで行うことができ、耐振動・耐衝撃性能が高く、単独でもニュートラル運転ができ、バルブ駆動に異常が発生しても流路が閉塞せず、一定流量を保ちつつ流れの方向を変えることができる、飛翔体のサイドスラスタを提供することにある。

本発明によれば、飛翔体の軸線に直交する面内に軸心に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁を備え、該ロータリー式３方弁を介して噴射用ガスを噴射する飛翔体のサイドスラスタであって、
各ロータリー式３方弁は、３方向の単独噴射と反対方向の同時噴射ができ、かつ噴射用流路が常に開口している、ことを特徴とする飛翔体のサイドスラスタが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ロータリー式３方弁は、飛翔体の軸線に平行な回転軸を中心に回転駆動される中空円筒形のロータリー弁と、
該ロータリー弁の外面に気密に嵌合する弁本体と、
該弁本体に内端が連結され前記面内で互いに異なる方向にガスを噴射する３基の噴射ノズルとを備え、
該３基の噴射ノズルは、ロータリー弁の外面と連通する同一面積のノズルポートをそれぞれ有し、
前記ロータリー弁は、周方向に隔てた２つの弁ポートを有し、該弁ポートのいずれか一方又は両方が、前記ノズルポートのいずれかに常に連通する。

また、前記ノズルポートと弁ポートの開口面積は常に一定となるように、各ポートサイズが設定されている。

また、前記３方向は、中間方向を基準として−９０度、０度、＋９０度の方向であり、
前記ロータリー弁は、噴射方向を−９０度と＋９０度、−９０度のみ、＋９０度のみ、および２つの弁ポートのいずれかが０度のみの５ポジションに弁ポートを制御する。

上記本発明の構成によれば、飛翔体の軸線に直交する面内に軸心に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁を備え、各ロータリー式３方弁は３方向の単独噴射ができるので、その組み合わせにより、飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）ができる。
また各ロータリー式３方弁は反対方向の同時噴射ができるので、単独で推力を発生しないニュートラル運転ができる。
さらに各ロータリー式３方弁は噴射用流路が常に開口しているので、バルブ駆動に異常が発生しても流路が閉塞しないのでバーストのおそれがない。

また、ノズルポートと弁ポートの開口面積は常に一定となるように、各ポートサイズが設定されているので、一定流量を保ちつつ、流れの方向を変えることができる。

また、中空円筒形のロータリー弁は、回転軸を中心に回転駆動されるので、耐振動・耐衝撃性能を高めることができる。
さらに、ロータリー弁の回転位置決めは電動モータの回転によるため構造が単純にできる。
また、負荷が小さいため応答性も良くなる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による飛翔体のサイドスラスタの断面図である。この図において、１は飛翔体の軸線に垂直な断面、２は飛翔体の軸心、１０はロータリー式３方弁である。
本発明のサイドスラスタは、飛翔体の軸線に直交する面内に軸心２に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁１０を備え、このロータリー式３方弁１０を介して噴射用ガス３を噴射する。
また各ロータリー式３方弁１０は、３方向の単独噴射と反対方向の同時噴射ができ、かつ噴射用流路が常に開口している。

この図において、３方向の単独噴射は、４ａ，４ｂ，４ｃの３方向と５ａ，５ｂ，５ｃの３方向であり、中間方向（４ｂ，５ｂ）を基準としてそれぞれ−９０度、０度、＋９０度の方向である。
以下、説明の都合上、４ａ，５ａを左方向、４ｂ，５ｂを上方向、４ｃ，５ｃを右方向と呼ぶ。

図１において、２基のロータリー式３方弁１０は３方向の単独噴射ができるので、その組み合わせにより、飛翔体の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）ができる。
例えば、２基とも左方向（４ａ，５ａ）又は右方向（４ｃ，５ｃ）を単独噴射すると軸心２を中心とする右回転又は左回転ができる。また、右方向と左方向の組み合わせ（４ｃと５ａ、又は４ａと５ｃ）により、左方向又は右方向の並進ができる。さらに、上方向とニュートラル（４ｂ，５ａ，５ｃ又は５ｂ，４ａ，４ｃ）により、下方向又は上方向の並進ができる。

また各ロータリー式３方弁１０は反対方向の同時噴射（４ａ，４ｃ又は５ａ，５ｃ）ができるので、単独で推力を発生しないニュートラル運転ができる。

さらに各ロータリー式３方弁１０は噴射用流路が常に開口しているので、バルブ駆動に異常が発生しても流路が閉塞しない。

図２は、本発明による第１実施形態のロータリー式３方弁の斜視図である。
この図において、本発明のロータリー式３方弁１０は、中空円筒形のロータリー弁１２、弁本体１４、及び３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃを備える。

中空円筒形のロータリー弁１２は、飛翔体の軸線２に平行な回転軸６を中心に回転駆動され、その中空穴に噴射用ガス３が図示しないガス発生器から供給される。
ロータリー弁１２の回転駆動は、駆動モータ７により減速機８を介して行われ、角度センサ９によりその回転位置（ポジション）を検出するようになっている。

弁本体１４は、ロータリー弁１２の外面に気密に嵌合する。
３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、弁本体１４に内端が気密に連結され、飛翔体１の軸線２に直交する面内で互いに異なる３方向にガス３を噴射する。
以下、この３方向を図１と同様に説明の都合上、４ａを左方向、４ｂを上方向、４ｃを右方向と呼ぶ。

３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、ロータリー弁１２の外面と連通する同一面積のノズルポート１７をそれぞれ有する。このノズルポート１７はガス噴射時のスロート部であり、一定流量のガスを噴射できるようになっている。

ロータリー弁１２は、周方向に隔てた２つの弁ポート１３ａ，１３ｂ（この図では１３ａのみを示す）を有する。この２つの弁ポート１３ａ，１３ｂは、いずれか一方又は両方が、３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃのノズルポート１７のいずれかに常に連通するように設定されている。弁ポート１３ａ，１３ｂの面積は、ノズルポート１７より十分大きく設定するのがよい。
なお、弁ポート１３ａ，１３ｂの形状はこの例では角型であるが、回転方向に対称性が保たれる限りで、丸型でも楕円型でも、その他の形状でもよい。
以下、弁ポート１３ａ，１３ｂとノズルポート１７が重なる流路面積を開口面積と呼ぶ。この開口面積を介して噴射用ガス３が図示しないガス発生器から供給され、外部に噴射する。

図３は、図２のロータリー式３方弁の作動説明図である。この図において、（Ａ）は中立状態、（Ｂ）は左側噴射、（Ｃ）は上側噴射におけるロータリー弁１２のポジション（回転位置）を示している。

図３（Ａ）の中立状態は、ロータリー弁１２の２つの弁ポート１３ａ，１３ｂが相対するノズル１６ａ，１６ｃを均等に半分覆う位置である。この中立状態では、両方のノズル１６ａ，１６ｃから各々半分の推力で噴射するため、外力を発生しない。従って、単独でニュートラル運転ができる。

図３（Ｂ）の左側噴射では、ロータリー弁１２の左側の弁ポート１３ａが全開となり、右側の弁ポート１３ｂは全閉となる。従って、左側のノズル１６ａにみから噴射する。

図３（Ｃ）の上側噴射では、ロータリー弁１２の右側の弁ポート１３ｂを上まで回転させる。このとき左側の弁ポート１３ａはノズル位置よりも下がり、左側ノズルは全閉となる。従って、上側ノズル１６ｂからのみ噴射する。

同様に図３（Ａ）の中立状態から逆回転させると、右側噴射、左側の弁ポート１３ａによる上側の噴射となる。

上述した３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃの３方向は、中間方向を基準として−９０度、０度、＋９０度の方向である。
またロータリー弁１２は、上述した駆動モータ７と角度センサ９により、噴射方向を−９０度と＋９０度（図３（Ａ））、−９０度のみ（図３（Ｂ））、＋９０度のみ、および２つの弁ポート１３ａ，１３ｂのいずれかが０度のみ（図３（Ｃ））の５ポジションに弁ポートを制御する。

図４は、図２のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図である。この図において、横軸はロータリー弁１２の回転角、縦軸は開口面積である。また、３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃをそれぞれ左ノズル、上ノズル、右ノズルと呼ぶ。
この図において、回転角０度は図３（Ａ）の中立状態、回転角−２２．５度は図３（Ｂ）の左側噴射、回転角−６７．５度は図３（Ｃ）の上側噴射に相当する。
この図に示すように、バルブポートサイズを適切に選び、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）の途中を含めて、どの位置においても合計の開口面積が常に一定となるように設定されている。従って、駆動異常によりストップした場合でも閉塞せず、バーストを防止することができる。

図５は、本発明による第２実施形態のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図であり、３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃの相対角度は１２０°の場合である。
図６は、本発明による第３実施形態のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図であり、３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃの相対角度は６０°の場合である。
図５、図６に示すように、３基の噴射ノズル１６ａ，１６ｂ，１６ｃの相対角度が９０°以外の場合でも、バルブポートサイズを適切に選び、どの位置においても合計の開口面積が常に一定となるように設定し、駆動異常によりストップした場合でも閉塞せず、バーストを防止することができる。

上述した本発明の構成によれば、飛翔体１の軸線に直交する面内に軸心２に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁１０を備え、各ロータリー式３方弁１０は３方向（４ａ，４ｂ，４ｃと５ａ，５ｂ，５ｃ）の単独噴射ができるので、その組み合わせにより、飛翔体１の３軸姿勢制御（２次元移動と回転）ができる。
また各ロータリー式３方弁１０は反対方向（４ａ，４ｃと５ａ，５ｃ）の同時噴射ができるので、単独で推力を発生しないニュートラル運転ができる。
さらに各ロータリー式３方弁１０は噴射用流路が常に開口しているので、バルブ駆動に異常が発生しても流路が閉塞しないのでバーストのおそれがない。

また、ノズルポート１７と弁ポート１３ａ，１３ｂの開口面積は常に一定となるように、各ポートサイズが設定されているので、一定流量を保ちつつ、流れの方向を変えることができる。

また、中空円筒形のロータリー弁１２は、回転軸を中心に回転駆動されるので、直動部分が無く、耐振動・耐衝撃性能を高めることができる。
さらに、ロータリー弁の回転位置決めは電動モータの回転によるため構造が単純にできる。
また、負荷が小さいため応答性も良くなる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明による飛翔体のサイドスラスタの断面図である。 本発明による第１実施形態のロータリー式３方弁の斜視図である。 図２のロータリー式３方弁の作動説明図である。 図２のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図である。 本発明による第２実施形態のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図である。 本発明による第３実施形態のロータリー式３方弁の回転角と開口面積の関係図である。 特許文献１に開示されたサイドスラスタ用のフラッパ式２方弁の説明図である。 フラッパ式２方弁を備えた飛翔体の模式図である。 特許文献２に開示されたサイドスラスタの模式図である。

符号の説明

１ 飛翔体の軸線に垂直な断面、２ 飛翔体の軸心、３ 噴射用ガス、
４ａ，５ａ 左方向、４ｂ，５ｂ 上方向、４ｃ，５ｃ 右方向、
６ 回転軸、７ 駆動モータ、８ 減速機、９ 角度センサ、
１０ ロータリー式３方弁、１２ ロータリー弁、
１３ａ，１３ｂ 弁ポート、１４ 弁本体、
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 噴射ノズル、１７ ノズルポート

Claims (4)

1. 飛翔体の軸線に直交する面内に軸心に点対称に設置された２基のロータリー式３方弁を備え、該ロータリー式３方弁を介して噴射用ガスを噴射する飛翔体のサイドスラスタであって、
   各ロータリー式３方弁は、３方向の単独噴射と反対方向の同時噴射ができ、かつ噴射用流路が常に開口している、ことを特徴とする飛翔体のサイドスラスタ。
2. 前記ロータリー式３方弁は、飛翔体の軸線に平行な回転軸を中心に回転駆動される中空円筒形のロータリー弁と、
   該ロータリー弁の外面に気密に嵌合する弁本体と、
   該弁本体に内端が連結され前記面内で互いに異なる方向にガスを噴射する３基の噴射ノズルとを備え、
   該３基の噴射ノズルは、ロータリー弁の外面と連通する同一面積のノズルポートをそれぞれ有し、
   前記ロータリー弁は、周方向に隔てた２つの弁ポートを有し、該弁ポートのいずれか一方又は両方が、前記ノズルポートのいずれかに常に連通する、ことを特徴とする請求項１に記載の飛翔体のサイドスラスタ。
3. 前記ノズルポートと弁ポートの開口面積は常に一定となるように、各ポートサイズが設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の飛翔体のサイドスラスタ。
4. 前記３方向は、中間方向を基準として−９０度、０度、＋９０度の方向であり、
   前記ロータリー弁は、噴射方向を−９０度と＋９０度、−９０度のみ、＋９０度のみ、および２つの弁ポートのいずれかが０度のみの５ポジションに弁ポートを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の飛翔体のサイドスラスタ。

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