JP2009257629A - サイドスラスタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】飛しょう体に設けられ、応答性に優れ、大気圏外でも使用できる、小型、軽量、低価格なサイドスラスター装置を提供する。
【解決手段】サイドスラスタは、スラスタノズル５と流量調整バルブスラスタノズル６とガスジェネレータと推薬から構成される。スラスタノズル５を胴体周方向に９０°おきに４個、その中心軸が機体中心軸を通り側面に垂直な軸から距離ｂ／２だけ離して配置し、発生する推力の作用線が機体中心軸を通らないように構成することにより機体軸まわりのローリングモーメントを発生させ、機体のロール制御を可能とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、地表または空中より発射され、目標に向かって空中を飛しょうする誘導飛しょう体に関するものである。

誘導飛しょう体が、空気密度の小さい高高度を飛しょうする場合や、発射直後のように低速で飛しょうする場合、誘導飛しょう体周辺の動圧が非常に小さくなり、操舵翼を用いた空力操舵装置を使用して姿勢を制御すると、制御の効果が非常に小さくなり、誘導飛しょう体の機動性が大きく損なわれる。この問題を解決するためにするために、サイドスラスタ装置を利用して機動性の向上が図られる。

このようなサイドスラスタ装置の一例として、横加速度発生用スラスタとロール回転用スラスタとを備え、軌道制御と姿勢制御を行うサイドスラスタ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２７１１９８号公報（第５頁、第１図）

従来の飛しょう体において、低動圧条件下で高機動性能を得る方法として、従来のサイドスラスタ装置を利用する際、ロール方向の姿勢制御を実現するために特許文献１のごときロール回転専用のスラスタを用いる方法、６孔噴射サイドスラスタを用いる方法およびスラスタ装置以外の空力制御デバイスを用いる方法等があった。

しかし、特許文献１のスラスタ装置は、いわゆるバンクツーターン方式であり応答時定数が大きくなる問題があった。また、６孔噴射サイドスラスタは６個のスラスタノズル及び制御バルブが必要となり、コストや重量増の原因となる問題があった。また、空力操舵の場合には大気圏外では使用できない問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたもので、小型、軽量、低価格なサイドスラスタ装置を得ることを目的とする。

この発明のサイドスラスタ装置は、飛しょう体に設けられ、スラスタノズルからガスを噴射することで前記飛しょう体の進路を制御するサイドスラスタ装置であって、４個の前記スラスタノズルは、前記スラスタノズルの中心軸の各々が、前記飛しょう体の機体中心軸を原点とした直角座標系（ＵＶ座標系）においてＵ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）、Ｖ＝−ｂ/２の線上（Ｕ＜０）、Ｕ＝ｂ/２の線上（Ｖ＞０）、Ｖ＝ｂ/２の線上（Ｕ＞０）に位置して配置されるようにした。

この発明によれば、小型、軽量、低価格なサイドスラスタ装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、図を用いて本実施の形態に係るサイドスラスタ装置について説明する。
図１は誘導飛しょう体（以下、飛しょう体という）用のサイドスラスタ装置の構成を示した図である。
図１において、サイドスラスタ２は、スラスタノズル５と流量調整バルブ６とガスジェネレータ３と推薬４から構成される。サイドスラスタ２は、ガスジェネレータ３で推薬４が燃焼して発生した燃焼ガスをスラスタノズル５から外向きに噴出し、飛しょう体１の機体軸（機体中心軸ともいう）に垂直となる方向に推力を発生する。飛しょう体１はこの推力により、機体軸垂直方向に移動する力及び機体軸を中心として回転する力を得て飛しょう経路が制御される。
スラスタノズル５は、そのノズル口が飛しょう体１の胴体外周に位置するように配置される。

図２は、図１に示すサイドスラスタ装置のＡ-Ａ断面からみた透視断面図である。
４個のスラスタノズル５ａ〜５ｄが、飛しょう体１の胴体周方向に各々９０度の角度差をもって配置される。各スラスタノズル５は対称形状を有しており、対称形状を有するスラスタノズル５の中心軸（以後、スラスタノズル中心軸１０という）は機体軸を通り側面に垂直な軸から距離ｂ／２だけ離れて配置される。スラスタノズルから燃焼ガスを噴射することで、スラスタノズル中心軸１０に沿った推力が発生し、発生する推力はその作用線が機体中心軸を通らないように構成されている。

図３は、このスラスタノズル中心軸の位置関係とサイドスラスタ作動時の様子を説明する図である。
図３は飛しょう体１の断面図であり、機体軸を図中のＺ軸としＺ軸と垂直な方向にＵＶ座標をとる（ＵＶはお互いに垂直）。ＵＶ座標の原点（０、０）は機体軸位置となる。
図３において、図２で示したスラスタノズル５ａはそのスラスタノズル中心軸がＵ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）に位置するように配置される。スラスタノズル５ｂはそのスラスタノズル中心軸がＶ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）に位置するように配置される。同様に、スラスタノズル５ｃはそのスラスタノズル中心軸がＵ＝ｂ/２の線上（Ｖ＞０）に位置するように配置され、スラスタノズル５ｄはそのスラスタノズル中心軸がＶ＝ｂ/２の線上（Ｕ＞０）に位置するように配置される。
スラスタノズル５ａを噴射することにより、図３中でＵ＝−ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ１が発生する。スラスタノズル５ｂを噴射することにより、図３中でＶ＝−ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ２が発生する。同様に、スラスタノズル５ｃを噴射することにより、図３中でＵ＝ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ３が発生する。スラスタノズル５ｄを噴射することにより、図３中でＶ＝ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ４が発生する。

飛しょう体１には、図示しない制御ユニットが設けられており、スラスタノズル５からの噴出ガス流量を、流量調整バルブ６により調整するためのスラスタ制御指令を送出することによって、機体軸に垂直方向の加速度制御およびロール姿勢角制御が行われるように構成される。
流量調整バルブ６は、ガスジェネレータ３で発生した燃焼ガスを４つのスラスタノズル５へ分配し、それぞれのスラスタノズル５で発生する推力を独立に制御できるように構成される。サイドスラスタ２は連続燃焼型であり、推薬４に点火した後はガスジェネレータ３内の圧力を一定に保つため、各スラスタノズル５から噴出する燃焼ガスの総和は一定に保たれる。

サイドスラスタ２は、配置する機体軸方向の位置により直接横力制御式とモーメント制御式に大別される。直接横力制御式は、サイドスラスタ２のスラスタノズル５を機体の重心近傍に置くことで、サイドスラスタ２の推力により機体軸垂直方向の加速度を得ることができる。モーメント制御式は、サイドスラスタ２のスラスタノズル５を機体の重心から離れた位置に配置することで、サイドスラスタ２の推力により機体の姿勢（迎え角）を変化させ、発生する空気力により機体軸垂直方向の加速度を得ることができる。なお、飛しょう体１の機体後方には、機体軸前方に推力を発生させる推進装置（図示せず）が設けられており、飛しょう体１は推進装置の動作によって機体を推進する。

次に、図３を用いてサイドスラスタ２の動作について説明する。
図３はサイドスラスタ２の作動時の様子を示したものである。Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は先に説明した通り、各スラスタノズル５から燃焼ガスを噴射することにより得られる推力である。Ｎ、Ｙ、Ｒはそれぞれ、各推力により機体に発生するＶ軸方向の垂直力、Ｕ軸方向の横力、Ｚ軸を中心としたローリングモーメントである。
ここで各推力は、その作用線が機体軸と交差しないように構成されている。このため、機体軸まわりのローリングモーメントを発生する。機体に働く垂直力Ｎ、横力Ｙ、ローリングモーメントＲは式（１）で表される。

式（１）において、機体に働く垂直力Ｎは、スラスタノズル５ａを噴射することにより発生する推力Ｔ１と、スラスタノズル５ｃを噴射することにより発生する推力Ｔ３のみで表現され、スラスタノズル５ｂを噴射することにより発生する推力Ｔ２やスラスタノズル５ｄを噴射することにより発生する推力Ｔ４は式（１）には含まれていない。
同様に、機体に働く横力Ｙは、スラスタノズル５ｂを噴射することにより発生する推力Ｔ２と、スラスタノズル５ｄを噴射することにより発生する推力Ｔ４のみで表現され、スラスタノズル５ａを噴射することにより発生する推力Ｔ１やスラスタノズル５ｃを噴射することにより発生する推力Ｔ３は式（１）には含まれない。
またローリングモーメントＲは、Ｔ１とＴ３の和と、Ｔ２とＴ４の和との差分で表現される。
よって、機体に働く垂直力ＮはＴ１とＴ３のみで制御可能であり、この制御によって機体に働く横力Ｙに影響を与えることはない。
同様に、機体に働く横力ＹはＴ２とＴ４のみで制御可能であり、この制御によって機体に働く横力Ｘに影響を与えることはない。
また、ローリングモーメントＲは、Ｔ１とＴ３の和とＴ２とＴ４の和との差分によって制御可能であることから、機体に働く垂直力Ｎと機体に働く横力Ｙに影響を与えることなく制御することが可能である。
このように本実施の形態では、機体に働く垂直力Ｎと、機体に働く横力Ｙと、ローリングモーメントＲとを互いに影響を与えることなく、容易に制御することが可能であることが判る。

式（１）により、所要の機体制御力Ｎ、Ｙ、Ｒを得るために各スラスタノズル５で発生すべき推力は次式で表される。

Ｔは一般に変数であって、Ｔが増加すると燃焼圧力ｐも増加し、Ｔが減少すると燃焼圧力ｐも減少する関係にある。燃焼圧力ｐは一定に保つ必要があるため、この燃焼圧力ｐは例えば図４に示すフローで調節すればよい。

図４は、燃焼圧力ｐを一定に保つ方法を説明するフロー図である。
図４において、加速度とロール角要求を受ける（ステップＳ０１）と、要求される加速度に応じて機体に働く垂直力Ｎと機体に働く横力Ｙを定め、また、要求されるロール角になるようにローリングモーメントＲを定める。ここで定めたＮ、Ｙ、Ｒに基づき式（２）に基づきＴ１〜Ｔ４を算出する（Ｓ０２）。算出したＴ１〜Ｔ４となるように流量調整バルブ６を制御する（Ｓ０３）。流量調整バルブ６により噴出ガス流量を調整した状態で燃焼圧力ｐを計測し（Ｓ０４）、燃焼圧力ｐが設定した設定燃焼圧力ｐ_Ｂと等しければ（Ｓ０５）ステップＳ０２に戻り、Ｓ０２〜Ｓ０５のステップを繰り返す。燃焼圧力ｐが設定した設定燃焼圧力ｐ_Ｂより大きければ、式（２）で示されるＴ１〜Ｔ４の推力の和の１/２であるＴの値をΔＴだけ減少させ、改めてＴ１〜Ｔ４の計算を行う。燃焼圧力ｐが設定した設定燃焼圧力ｐ_Ｂと等しくなるまでステップＳ０２〜ステップＳ０７を繰り返す。燃焼圧力ｐが設定した設定燃焼圧力ｐ_Ｂより小さいときも同様の処理を行う。
このような処理を行うことにより、燃焼圧力ｐを一定に保つことができる。

以上のように、本実施の形態のサイドスラスタ装置は、４個のスラスタノズルを各々９０度の角度差をもって配置し、スラスタノズルの中心軸を機体軸から距離ｂ／２だけ離れて配置するようにした。
このように構成することで、４孔のサイドスラスタにより機体軸まわりのローリングモーメントを発生することができ、また、対向するスラスタの推力Ｔ１とＴ３の合力は、推力Ｔ２とＴ４の合力と直交し、それぞれ必要な制御力Ｎ及びＹの方向と一致することから、制御を行い易い簡易な制御系を構成することができる。
したがって、従来のサイドスラスタ装置に比べ、小型、軽量、低価格なサイドスラスタ装置を得ることができる。

実施の形態２．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態２について説明する。図５、図６は実施の形態２による飛しょう体用のサイドスラスタ装置の構成を示している。実施の形態１と同等の構成には同一符号を付しその説明を省略する。

飛しょう体１の側面外周に、飛しょう経路を推力により制御するサイドスラスタ２が外側表面に噴射口５を向けて配置される。サイドスラスタ２は、ガスジェネレータ３で推薬４が燃焼して発生した燃焼ガスをスラスタノズル５から外向きに噴出し、機体軸に垂直方向に推力を発生する。４個のスラスタノズル５のうち、５ａ及び５ｄは、その中心軸が、機体中心軸を通り側面に垂直な軸から距離ｂ／２だけ離れて配置されており、発生する推力の作用線が機体中心軸を通らないように構成されている。

また、飛しょう体１の機体後方には、機体軸前方に推力を発生させる推進装置（図示せず）が設けられる。飛しょう体１は推進装置の動作によって機体を推進する。これによって、飛しょう体１は機体軸前方に飛しょうする。

飛しょう体１には、図示しない制御ユニットが設けられており、スラスタノズル５からの噴出ガスの噴出量を、流量調整バルブ６により調整するスラスタ制御指令を送出することによって、機体軸に垂直方向の加速度制御が行われるように構成される。流量調整バルブ６は、ガスジェネレータ３で発生した燃焼ガスを４つのスラスタノズル５へ分配し、それぞれのスラスタノズル５で発生する推力を独立に制御できるように構成される。サイドスラスタ２は連続燃焼型であり、推薬４に点火した後はガスジェネレータ３内の圧力を一定に保つため、各スラスタノズル５から噴出する燃焼ガスの総和は一定に保たれる。

次に、サイドスラスタ２の動作について説明する。
図７はこのスラスタノズル中心軸の位置関係とサイドスラスタ２の作動時の様子を示したものである。
図７において、機体軸を図中のＺ軸としＺ軸と垂直な方向にＵＶ座標をとる（ＵＶはお互いに垂直）。ＵＶ座標の原点（０、０）は機体軸位置となる。
図７において、図６で示したスラスタノズル５ａはそのスラスタノズル中心軸がＵ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）に位置するように配置される。スラスタノズル５ｂはそのスラスタノズル中心軸がＶ＝０の線上（Ｖ＜０）に位置するように配置される。同様に、スラスタノズル５ｃはそのスラスタノズル中心軸がＵ＝０の線上（Ｖ＞０）に位置するように配置され、スラスタノズル５ｄはそのスラスタノズル中心軸がＶ＝ｂ/２の線上（Ｕ＞０）に位置するように配置される。
スラスタノズル５ａを噴射することにより、図７中でＵ＝−ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ１が発生する。スラスタノズル５ｂを噴射することにより、図７中でＶ＝０の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ２が発生する。同様に、スラスタノズル５ｃを噴射することにより、図７中でＵ＝０の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ３が発生する。スラスタノズル５ｄを噴射することにより、図７中でＶ＝ｂ/２の線上の矢印で示した向きに推力Ｔ４が発生する。

図中、Ｎ、Ｙ、Ｒは各推力により機体に発生する垂直力、横力、ローリングモーメントである。各推力のうちＴ１、Ｔ４は、その作用線が機体軸と交差しないように構成されているため、機体軸まわりのローリングモーメントを発生する。機体に働く垂直力Ｎ、横力Ｙ、ローリングモーメントＲは次式で表される。

これより所要の機体制御力Ｎ、Ｙ、Ｒに対し、各スラスタノズル５で発生すべき推力は次式で表される。

Ｔは一般に変数であって、実施の形態１と同様に図４に示すフローで調節すればよい。

この実施の形態２は以上のように構成されているので、４孔のサイドスラスタにより機体軸まわりのローリングモーメントを発生することができる。

したがって、従来のサイドスラスタを備えた飛しょう体に比べ、小型軽量簡単な構成で機体ロール制御能力を得ることができる。

実施の形態１に係るサイドスラスタ装置の構成図である。 実施の形態１に係るサイドスラスタ装置の断面図である。 実施の形態１に係るサイドスラスタ装置の動作を説明する図である。 実施の形態１に係るサイドスラスタ装置の燃焼圧力の調整方法を説明する図である。 実施の形態２に係るサイドスラスタ装置の構成図である。 実施の形態２に係るサイドスラスタ装置の断面図である。 実施の形態２に係るサイドスラスタ装置の動作を説明する図である。

符号の説明

１ 飛しょう体、２ サイドスラスタ、３ ガスジェネレータ、４ 推薬、５ スラスタノズル、６ 流量調整バルブ

Claims (2)

1. 飛しょう体に設けられ、スラスタノズルからガスを噴射することで前記飛しょう体の進路を制御するサイドスラスタ装置であつて、
   ４個の前記スラスタノズルは、前記スラスタノズルの中心軸の各々が前記飛しょう体の機体中心軸を原点とした直角座標系（ＵＶ座標系）においてＵ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）、Ｖ＝−ｂ/２の線上（Ｕ＜０）、Ｕ＝ｂ/２の線上（Ｖ＞０）、Ｖ＝ｂ/２の線上（Ｕ＞０）に位置して配置されることを特徴とするサイドスラスタ装置。
2. 飛しょう体に設けられ、スラスタノズルからガスを噴射することで前記飛しょう体の進路を制御するサイドスラスタ装置であつて、
   ４個の前記スラスタノズルは、前記スラスタノズルの中心軸の各々が前記飛しょう体の機体中心軸を原点とした直角座標系（ＵＶ座標系）においてＵ＝−ｂ/２の線上（Ｖ＜０）、Ｖ＝０の線上（Ｕ＜０）、Ｕ＝０の線上（Ｖ＞０）、Ｖ＝ｂ/２の線上（Ｕ＞０）に位置して配置されることを特徴とするサイドスラスタ装置。

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