JP2016511361A - 可動ニードルが設けられる宇宙船スラスタ用の可変ネック部を有するノズル - Google Patents

Abstract

本発明は、宇宙航行体スラスタ用の可変スロート部を持つノズルであって、ハウジングの直径よりも小さい開口直径のスロート（３０）を有する円筒状のハウジングと、ノーズ（２８）がハウジングのスロートから引っ込んだ所にある高い放出速度の前部位置と、ノーズがネックに当接している低い放出速度の後部位置との間でハウジングの内部で摺動するのに適しているニードル（２４）であって、ノズルのハウジングの内部で摺動するためのロッド（２６）を備え、ロッドが、漸減する直径のノーズで終端するニードルと、を備えるノズルに関する。ロッドのノーズは、ノズルハウジングの座形成ネックに当接するようになるのに適しており、ノーズがノズルのハウジングのネックに軸方向に当接している場合にガスが通過できるようになっているようにその外周に形成される少なくとも２つの軸方向溝（３４）を含む。

Description

本発明は、反作用による、または噴射ガスによる推進の原理を用いて、ミサイル、発射装置、またはさらに人工衛星などの宇宙航行体を駆動するための推力を供給するためのスラスタの全般的な分野に関する。本発明は、より正確には、固体推進スラスタに取り付けられる固定スロートノズルに関する。

固体推進スラスタは、主に、粉末（推進剤）のブロックを含むシェルと、点火装置と、固定した発散部分のあるノズルとによって構成される。粉末のブロックは、燃焼室として働くスラスタの軸に位置しているチャネルによって貫通される。点火装置は、シェルの１つの端部で粉末を点火し、推進剤の燃焼が、スラスタの前部から後部の方へ伝播する。粉末は、予め定められた速度で燃焼し、それによって、ノズルを介して噴出される燃焼ガスが生成される。

ノズルのスロート部により、所望の圧力を燃焼室に維持し同時に期待した推力を生じるように、粉末のブロックの燃焼を制御することができる。したがって、単一の放出速度で推力を供給するスラスタの場合は、ノズルのスロート部は、一定不変であり、推力の所望のレベルに応じて予め決められる。

それにもかかわらず、単一の一定不変のスロート部を用いることは、動作の２つの速度（通常、高い放出速度および低い放出速度）を有するスラスタに適していない。

このような欠点を軽減するために、可変のスロート部を備えるノズルを設けることが知られている。実際には、並進で移動可能なニードルが、ノズルの内部に収容される。燃焼ガスの流れ内のニードルの位置は、ノズルを通過するガスのための流れセクションを決定する働きをし、それによって、スラスタの動作速度に合わせてガス噴出部が調整される。

それにもかかわらず、先行技術で知られている可変スロート部スラスタは、（高い放出速度に対応する）スラスタの高レベルの圧力における動作段階時にも（低い放出速度で動作すること対応する）スラスタの低レベルの圧力における動作段階時にもスラスト係数を最適化できるようにならない。

本発明の主な目的は、スラスタノズルのスロート部を、高い放出速度から低い放出速度まで変化し得る放出速度に適応させることを提案することによって、この種の欠点を軽減することである。

この目的は、宇宙航行体スラスタ用の可変スロート部を持つノズルであって、後端部において、ハウジングの直径よりも小さい開口直径のスロートを有する円筒状のハウジングと、ニードルのノーズがハウジングのスロートから軸方向に引っ込んだ所にある高い放出速度の前部位置と、ニードルのノーズがハウジングのネックに軸方向に当接している低い放出速度の後部位置との間でハウジングの内部で摺動するのに適しているニードルであって、ノズルのハウジングの内部で摺動するための円筒形ロッドを備え、ロッドが、漸減する直径のノーズの後端部で終端し、ロッドのノーズが、ノズルハウジングの座形成ネックに軸方向に当接するようになるのに適しているニードルと、を備えるノズルによって達成され、本発明によるそのノズルにおいては、ニードルのロッドのノーズは、ノズルのハウジングのネックに軸方向に当接している場合にガスが通過できるようになっているようにその外周に形成される少なくとも２つの軸方向溝を含む。

本発明のノズルのニードルは、ノズルのスロートのための２つの動作モード、すなわち、ニードルのノーズがスロートから軸方向に引っ込んだ所にある高い放出速度における第１の動作モードと、ニードルのノーズがスロートに軸方向に当接している低い放出速度における第２の動作モードとを規定する働きをする。第１の動作モードにおいては、ノズルを離れる燃焼ガスのための流れセクションは最大にある。第２の動作モードにおいては、燃焼ガスのための流れセクションは、ニードルのノーズに形成される溝ほどに減少される。それにもかかわらず、この流れセクションは、ゼロではなく、ガス噴出部をスラスタの動作の低い放出速度に調整することができるようになる。結果として、この種のニードルにより、その時点で圧力の異なるレベルに対応するスラスタの異なる動作段階に合わせてスラスト係数を最適化することができる。

そのうえ、この種のニードルがスロートに対して軸方向に当接するその位置にある場合、これは、燃焼ガスの温度に耐える良好な能力を示す。ガスとの熱交換面積は、比較的大きく、それにより放熱が高められ、その結果、ニードルの温度がより小さい程度にしか上昇せず、それにより非常に少ない腐食しか引き起こさない。

最後に、本発明のノズルのニードルにより、スラスタの動作モードにかかわらず、これを構成する部品の発熱に比較的敏感でないノズルを有することができる。動作の高い放出モードにおいては、ノズルのスロートは、従来のものと変わりがないが、動作の低い放出モードにおいては、ニードルのノーズをスロートに押し付けることにより、ガス噴出部はニードルおよびスロートを保持する構造体から独立した方法で調整されることになる。

ニードルのロッドのノーズは、形状が円錐形であってもよい。あるいは、ノーズは、ロッドの直径よりも小さい直径を有する円筒形形状の部分で終端することができる。

ロッドのノーズの溝は、互いから規則正しく間隔を置いて設けられることが好ましい。また、ロッドのノーズが、互いから１２０°の間隔を置いて設けられる３つの溝を有することが好ましい。

また、本発明は、上に規定されるような可変スロート部を持つノズルを含む、宇宙航行体スラスタを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、いかなる限定的な特徴も有さない実施形態を示す、添付の図面を参照して行われる次の説明から明らかになる。

本発明によるノズルが取り付けられるスラスタの概略長手方向断面図である。 図１のノズルのニードルの斜視図である。 図１および図２のニードルの一つの動作位置における図である。 図１および図２のニードルの別の動作位置における図である。 本発明の異なる実施形態のニードルの一つの動作位置における図である。 本発明の異なる実施形態のニードルの別の動作位置における図である。

本発明は、反作用によって、または噴射ガスにって推力を与えるという原理に基づいて動作する（ミサイル、発射装置、または人工衛星用の）任意の宇宙航行体スラスタに関する。

図１は、固体推進スラスタ１０に適用される本発明の非限定的な実施例の非常に概略的な図である。もちろん、本発明はまた、他の形態（液体、固体、またはハイブリッド）の推進剤を用いたスラスタに適用される。

知られている方法では、図１に示されるスラスタ１０は、主として、同様に円筒形形状のハウジング１４を含む実質的に円筒形形状の外側シェル１２を備える。

スラスタの前端部において、ハウジング１４は、たとえば（スラスタの長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って）前部の方へ延在する粉末のブロック１６の形の推進剤を含む。

粉末のブロック１６は、スラスタの長手方向軸Ｘ−Ｘに位置しているチャネル１８によって貫通され、このチャネル１８は燃焼室として働く。ハウジング１４の前端部に取り付けられる点火装置２０により、粉末は命令によって点火されることができるようになる。

推進剤の燃焼は、スラスタのハウジング１４の内部で前部から後部の方へ伝播し、燃焼ガスは、スラスタの後端部に配置される静止した発散コーンを有するノズル２２を通して放出される。

また、スラスタは、ハウジング１４の内部で移動可能であるニードル２４を有する。ニードルは、ハウジングの直径よりも小さい直径の円筒形ロッド２６を備える。ニードルは、ハウジングの内部で軸方向に摺動するのに適しており、燃焼ガスの流れ内のその位置は、ノズル２２を離れるガスのための流れセクションを決定する働きをする。

ニードルのロッド２６は、さまざまな材料から、たとえば特に複合材料から、および特にセラミックマトリックス複合材料から、または耐火性複合材料から、または金属から、および特にタングステンから作られ得る。

その後端部において、ニードルのロッド２６は、その「ノーズ」と呼ばれる凹状の流線形輪郭を形成するように縮小する直径を有する部分２８によって終端する。このノーズは、燃焼ガスのための出口開口を画定するハウジングの幾何学的スロート３０に軸方向に当接するようになるのに適している。スロート３０は、ハウジングの直径よりも小さい開口直径を有するが、ニードルのノーズ２８のための座として働く。

図１、図２、図３Ａ、および図３Ｂの実施形態においては、ニードル２４のノーズ２８は、円錐形の形状から成る。

スラスタの長手方向軸Ｘ−Ｘに平行な方向に沿ったハウジング１４の内部のニードル２４の移動は、アクチュエータ３２、たとえば電気機械、火工、空気圧、またはさらに火工／空気圧アクチュエータによって制御される。移動は、可逆性でもよく、またはこれは非可逆性でもよい。

アクチュエータ３２の指令に基づき、ニードルは、ノズル２８がハウジングのスロート３０から軸方向に引っ込んだ所にある高い放出速度位置と呼ばれる前部位置（図１、図３Ａ、および図４Ａ）から、ノーズがハウジングのスロートに軸方向に当接している低い放出速度位置と呼ばれる後部位置（図３Ｂ、および図４Ｂ）まで、スラスタのハウジング内で移動する。

本発明によれば、ニードルのノーズ２８は、ノーズがハウジングのスロート３０に軸方向に当接している場合にガスが通過できるように、その外周に配置される少なくとも２つの軸方向溝３４を含む（図２）。

図１、図２、図３Ａ〜図３Ｂ、および図４Ａ〜図４Ｂに示される実施形態においては、溝３４の各々は、より詳細には、ノーズの外表面から突出する２つのタング２６の間に円周方向に画定される。したがって、ニードルがその後部、低い放出速度位置に移動される場合には、突出しているタング２６は、スロート３０に軸方向に当接するようになり、それによって、燃焼ガスはタングの間に形成される溝３４に沿って通過することによって放出されることができるようになる。

ニードルのノーズの溝３４は、（スラスタの長手方向軸Ｘ−Ｘを中心に）互いから規則正しく間隔を置いて設けられることが好ましい。少なくとも２つのこれらの溝があり、１２０°で隣接する溝の対の間に円周方向に間隔を置いて設けられるそれらの３つがあることが好ましい。

そのうえ、溝の数およびそれらの流れセクションは、ニードルがその後部の低い放出速度位置にある場合にノズルを通して放出されるガスの放出速度を較正するように予め定められる。

図４Ａおよび図４Ｂは、ニードルのノーズ２８’がスロート３０の直径よりも小さい直径を有する円筒形形状の部分３８’により終端される本発明によるニードル２４’のもう１つの実施形態を示している。ニードルの他の特徴、特に突出しているタング３６の間に形成される溝３４を持つノーズの存在は、上に記述した実施形態の特徴と同一のままである。

Claims (6)

1. 宇宙航行体スラスタ用の可変スロート部を持つノズル（２２）であって、
   後端部において、ハウジングの直径よりも小さい開口直径のスロート（３０）を有する円筒状のハウジング（１４）と、
   ニードルのノーズ（２８；２８’）がハウジングのスロートから軸方向に引っ込んだ所にある高い放出速度の前部位置と、ニードルのノーズがハウジングのネックに軸方向に当接している低い放出速度の後部位置との間でハウジングの内部で摺動するのに適しているニードル（２４；２４’）であって、ノズルのハウジングの内部で摺動するための円筒形ロッド（２６；２６’）を備え、ロッドが、漸減する直径のノーズの後端部で終端し、ロッドのノーズが、ノズルハウジングの座形成ネックに軸方向に当接するようになるのに適している、ニードルと
   を備えるノズルであって、
   ニードルのロッドのノーズが、ノズルのハウジングのネックに軸方向に当接している場合にガスが通過できるようになっているようにその外周に形成される少なくとも２つの軸方向溝（３４）を含むことを特徴とする、ノズル。
2. ニードルのロッド（２６）のノーズ（２８）が、円錐形の形状を有する、請求項１に記載のノズル。
3. ニードルのロッド（２６’）のノーズ（２８’）が、円筒形形状の、およびロッドの直径よりも小さい直径の部分（３８’）で終端する、請求項１に記載のノズル。
4. ニードルのロッドのノーズの溝が、互いから規則正しく間隔を置いて設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のノズル。
5. ノズルのロッドのノーズが、互いから１２０°の間隔を置いて設けられる３つの溝を有する、請求項４に記載のノズル。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の可変部を持つノズル（２２）を含む、宇宙航行体スラスタ（１０）。

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