JP2017536509A - 向上した配置システムを備えた宇宙船ノズル - Google Patents

Abstract

宇宙船エンジン（Ｍ）用のノズル（１）であって、このノズルが固定部分（２）および可動部分（３）を備え、このノズル（１）は、ノズル（１）の可動部分（３）を配置するための配置アクチュエータ（５）と、高ロック解除アクチュエータ（６）と、低ロック解除アクチュエータ（７）と、エジェクタ（４１）と、を備えた気体圧式配置システム（４）を含み、配置システム（４）が、順番に、配置アクチュエータ（５）をその支持位置からその配置位置に移動し、高ロック解除アクチュエータ（６）をその高ロック解除位置に移動するとともに、低ロック解除アクチュエータ（７）を低ロック解除位置に移動し、配置システム（４）をノズル（１）から出すようにエジェクタを駆動させるように構成されている供給システム（８）を含む。

Description

本発明は、宇宙船の上段のエンジン用のノズルの分野に関する。

宇宙船の上段のエンジンノズルは一般に、そのサイズのために問題を生じる。このため、上段の分離の前にノズルを受領することを可能にするために、下段のための特定の空間を必要としている。

このため、２つの部分に編成されたノズルを備えた解決策は、このサイズの問題に対処するために提案されてきた。ノズルはこのため、エンジンに対して固定されている部分と、上段の分離の前は引き込まれており、次いで、エンジンのノズルを形成するために、固定部分上に配置されるとともに係合される可動部分と、を備えている。

本出願人の名前での、まだ公開されていないＦＲ１４／５８１８４の特許出願には、このため、２つの部分のノズルのための配置システムが記載されている。

いずれにしろ、ノズルの配置および係合のために使用される既知のシステムは、複雑な構造に繋がり、それにより、上段の総重量を増大させ、したがって、上段の性能には不利である。

さらに、提案された解決策は構造的にかなり複雑であり、信頼性に関して不利である。

このため、本発明は、これら態様を少なくとも部分的に改善する解決策を提案することを目的としている。

このため、本発明は、宇宙船エンジン用のノズルであって、エンジンに対して固定されている固定部分と、前記固定部分に対して可動である可動部分とを備え、固定部分が自由端を提供し、可動部分が近位端および遠位端を提供し、固定部分の自由端および可動部分の近位端が、係合によってともにロックされるように適合されており、ノズルが、可動部分を配置するための、ノズルの固定部分内に配置された気体圧式配置システムを有し、
気体圧式配置システムが、
ノズルの可動部分がノズルの固定部分上に引き込まれている支持位置から、ノズルの可動部分の近位端がノズルの固定部分と係合している配置位置に移動するように適合された配置アクチュエータと、
配置システムをノズルの固定部分に保持する高ロック位置から、ノズルの固定部分からノズルの配置システムを係合解除する高ロック解除位置に移動するように適合した高ロック解除アクチュエータと、
配置システムを可動部分にロックする低ロック位置から、ノズルの配置システムをノズルの可動部分から係合解除する低ロック解除位置に移動するように適合した低ロック解除アクチュエータと、
ノズルから配置システムを放出するのに役立つ推力を加えるように適合したエジェクタと、を備え、
ノズルは、配置システムが、配置アクチュエータ、高ロック解除アクチュエータ、および低ロック解除アクチュエータ、ならびにエジェクタを駆動させるための気体圧供給システムを備え、前記供給システムが、順番に、
配置アクチュエータをその支持位置からその配置位置に移動し、
高ロック解除アクチュエータをその高ロック解除位置に移動するとともに、低ロック解除アクチュエータをその低ロック解除位置に移動し、
配置システムをノズルから放出するようにエジェクタを駆動させるような方式で構成されていることを特徴とする、ノズルを提供する。

通常は、配置アクチュエータと高ロック解除アクチュエータとは同軸上にある。

特定の実施形態において、供給システムが、圧力を配置アクチュエータの膨張チャンバに送り、配置アクチュエータの前記膨張チャンバが、高ロック解除アクチュエータの膨張チャンバに高ロック解除定格バルブを介して接続されて、
低ロック解除アクチュエータの膨張チャンバに低いロック解除定格バルブを介して接続されている。

エジェクタはこのため、通常は、高ロック解除アクチュエータの膨張チャンバに放出定格バルブを介して接続されている。

高ロック解除定格バルブと低ロック解除定格バルブとは、有利には、
配置アクチュエータの膨張チャンバ内の、結果として生じる圧力と、
定格スプリングおよび周囲の圧力によって加えられる、結果として生じる力との協同によって開かれるように構成されている。

供給システムは通常は、配置システムを駆動するために、制御されたバルブを有する気体圧アキュムレータを備えている。

本発明は、上に規定されたノズルを含む宇宙船エンジンをも提供する。

本発明は、推進段に積層された複数の積層段を備えた宇宙船であって、前記積層段の少なくとも１つが、上に提供されたノズルにフィットするエンジンを含んでいる、宇宙船をも提供する。

本発明の他の特性、目的、および利点は、純粋に例示的であり、非限定的であり、添付図面を参照して読まれるものとする、以下の説明から明らかになる。

ノズルの配置の際の一ステップにおける、本発明の一態様のノズルを示す図。 ノズルの配置の際の一ステップにおける、本発明の一態様のノズルを示す図。 ノズルの配置の際の一ステップにおける、本発明の一態様のノズルを示す図。 ノズルの配置の際の一ステップにおける、本発明の一態様のノズルを示す図。 配置システムの構造的例を示す図。 図５の定格バルブの例を示す図。

すべての図において、共通の要素は同じ参照番号によって識別される。

図１から図４は、ノズルの配置の際のいくつかのステップにおける、本発明の一態様のノズルを示す図である。

このため、これら図は、宇宙船エンジンＭのノズル１を示している。ノズル１は、長手軸Ｚ−Ｚに沿って延びる固定部分２および可動部分３を備えている。

固定部分は、自由端２２および固定端２１を提供し、それにより、固定部分がエンジンＭに対して固定されて取り付けられている。可動部分は、近位端３１および遠位端３２を提供している。

ノズル１は、可動部分３を配置するための配置システム４に結合されている。この配置システム４は、可動部分３を、図１に示す後退した構成から、図２から図４に示す配置された構成に移動するように適合されている。

後退した構成では、ノズル１の可動部分３は、ノズル１の固定部分２周りの少なくとも一部であるように配置されている。

このため、可動部分３の遠位端３２は、有利には固定部分２の自由端２２とほぼ同じ高さにあり、一方、可動部分３の近位端３１はこのため、固定部分２の固定端２１とほぼ同じ高さにある。

この構成では、長手方向のサイズが低減されており、それにより、宇宙船の下段におけるノズルを収容するのに必用な体積を最小にすることが可能になる。

配置された構成では、ノズル１の可動部分３は、固定部分２を延長するように位置決めされており、それにより、連続したノズル１を形成している。

例として、可動部分３の近位端３１は、このため、たとえばスナップ締結によって固定部分２の自由端２２と係合し得、それにより、ノズル１の結合を確実にするようになっている。

可動部分３は、気体圧式配置システム４によって移動される。

図示の配置システム４は、ノズル１の固定部分２に配置されている。

図示の配置システム４は、配置アクチュエータ５と高ロック解除アクチュエータ６との２つのアクチュエータと、低ロック解除アクチュエータ７とを備えている。

配置システム４は、配置システム４をノズル１の固定部分２に対して係合するか、配置システム４をノズル１の固定部分２に対して係合解除するか、選択的に作用するように適合している係合手段６３を有している。

有利には、配置システム４は、少なくとも１つのセンタリングディスク４３をも含んでいる。各センタリングディスクは、ノズル１の所与の断面の内径に対応する外径を提供しており、配置アクチュエータ５および高ロック解除アクチュエータ６を位置決めするための中心ハウジングを含んでいる。これらセンタリングディスク４３はこうして、ノズル１の配置システム４を中心に置いている。

図示の実施形態では、係合手段６３は、径方向に配置するか、高ロック解除アクチュエータ６の位置の関数として、ノズル１の長手軸Ｚ−Ｚ周りに折り曲げるか、選択的に作用するように適合された間接腕を備えている。

図示の実施形態では、高ロック解除アクチュエータ６は、係合手段が、ノズル１の固定部分２に配置システム４を保持するように配置されている高ロック位置から、係合手段が、ノズル１の配置システム４をノズル１の固定部分２に対して係合解除するように折り曲げられる高ロック解除位置へ移動するように構成されている。

間接腕が配置されると、これら間接腕は、ノズル１の固定部分２のスロート２３に対してスロート２３の一方側において当接し、スロート２３の他方側では、センタリングディスク４３は当接機能を実施する。こうして、ノズル１の長手軸Ｚ−Ｚ周りの回転移動を除く、ノズル１に対して移動する配置システム４のすべての自由度をブロックする。いずれにしろ、間接腕の当接力を測定し、それにより、結果として生じる摩擦が、ノズル１の長手軸Ｚ−Ｚ周りの配置システム４の回転移動に対して作用するようにすることで、ノズル１の長手軸Ｚ−Ｚ周りの任意のそのような回転移動が防止されるか、少なくとも大きく制限され得ることが観察されるものとする。

配置ディスクは、配置アクチュエータ５に結合され、ノズル１の可動部分３の遠位端３２の内径に対応するのが有利である外径を提供している。

低ロック解除アクチュエータ７は、低ロック位置で配置システム４をノズル１の可動部分３にロックするか、低ロック解除位置で配置システム４をノズル１の可動部分３から係合解除するか、選択的に作用するように構成されている。

こうして、低ロック解除アクチュエータ７は通常、低ロック解除アクチュエータが低ロック位置にある場合にノズル１の可動部分３と係合する低ロック要素７１に結合されている。

配置アクチュエータ５は、配置アクチュエータ５の最大の移動が、ノズル１の可動部分３の配置された構成に対応するように構成されている。ノズル１の可動部分３の配置された構成の位置では、可動部分３は、固定部分２と係合している。

配置システム４は、通常は、エジェクタ４１、たとえば、放出ノズルをも含んでいる。エジェクタ４１は、例として、センタリングディスク４３の１つ、または配置ディスク５３上に配置され得る。エジェクタ４１は、動作中、エジェクタ４１が、配置システム４をノズル１から外に移動するのに役立つ推力を加えるように配置されている。

以下に、図１から図４に示されるノズル１を配置する様々なステップを説明する。

上述のように、図１は、アセンブリの全体のサイズを低減するように、引き込まれた構成の可動部分３を示している。

次いで、高ロック解除アクチュエータ６は、配置システム４をノズル１内の定位置に保持し、配置アクチュエータ５は、その短位置にある。この短位置では、ノズル１の可動部分３は、ノズル１の固定部分２に対して引き込まれている。低ロック要素７１は、配置ディスク５３と係合した可動部分３を保持している。

図２は、配置された構成の可動部分３を示している。

高ロック解除アクチュエータ６は、配置システム４をノズル１内の定位置に保持し、一方、配置アクチュエータ５は、可動部分３の近位端３１が固定部分２の自由端２２に係合するまで延ばされる。この位置は、配置アクチュエータ５の配置位置に対応する。低ロック解除アクチュエータ７は、配置ディスク５３と係合した可動部分３を保持している。

図３は、ロック解除構成の配置システム４を示している。

高ロック解除アクチュエータ６は、係合手段６３をノズル１の軸Ｚ−Ｚ周りで折り曲げるように駆動され、低ロック解除アクチュエータ７は、可動部分３を配置ディスク５３から係合解除するように駆動される。

配置システム４はこうして、ノズル１の長手軸Ｚ−Ｚに沿って、ノズル１を離れる方向に自在に平行移動することができる。

図４は、ノズル１から放出されている配置システム４を示している。

配置システム４はこうして、エンジンＭが作動中に、ノズル１を遮断することを避けるように、ノズル１から放出される。

この放出は、ノズル１から配置システム４を放出する役割を果たす推力を出すエジェクタ４１によって実施され得、それにより、配置システム４が、エンジンＭの点火の前に、有利にノズル１から放出される。

配置システム４は、気体圧エネルギ源によって駆動し、それにより、たとえば、制御されたバルブが設けられた、事前に充填されたアキュムレータを使用して、配置を迅速にすることができる。

多くのタイプのガスが、そのような気体圧源に適している。具体的には、ＧＮ２、ＧＨｅ、圧縮空気である。

図５は、配置システム４の例示的構造を示す概略断片図である。

図示の例では、配置アクチュエータ５と高ロック解除アクチュエータ６とは同軸上にあり、共通のケーシング５６内に配置されている。

ケーシング５６の内側には、配置アクチュエータ５のための膨張チャンバ５１が画定されている。この配置アクチュエータ５は、図示の例では伸縮式ロッド５２を有している。

高ロック解除アクチュエータは、膨張チャンバ６１、ロッド６２、および、膨張チャンバ６１内の圧力からの結果として生じる力に抗する復帰スプリング６３を備えている。

配置システム４は配置アクチュエータ５と高ロック解除アクチュエータ６との間に配置された供給システム８をも備えている。この供給システム８は、配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１に接続され、たとえば気体圧アキュムレータ、火工式圧力システム、または任意の他の適切な供給源から、配置システム４に供給する役割を果たす、供給オリフィス５４を備えている。

低ロック解除アクチュエータ７は、この例ではケーシング５６の外側に置かれて示されている膨張チャンバ７１を備えている。しかし、膨張チャンバ７１は、場合によっては、ロッド７２とともにケーシング５６内に組み込むことができる。

配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１は、高ロック解除アクチュエータ６の膨張チャンバ６１に高ロック解除定格バルブ８６を介して接続されるとともに、低ロック解除アクチュエータ７の膨張チャンバ７１に低ロック解除定格バルブ８７を介して接続されている。

高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７は、通常、高ロック解除定格バルブ８６と低ロック解除定格バルブ８７とが、場合によっては同一であるか異なっている、配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１内に確立される、高ロック解除圧力の閾値と低ロック解除圧力の閾値とのそれぞれによって開かれるように構成されている。

配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１は、放出定格バルブ８４を介してエジェクタ４１にも接続されている。放出定格バルブ８４は、配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１内に確立される放出圧力の閾値によって開かれるように構成されている。

放出圧力の閾値は、高ロック解除圧力の閾値および低ロック解除圧力の閾値よりも厳密に高く、それにより、放出定格バルブ８４は、高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７が開いた後まで開くことができないようになっている。

このため、作動中は、供給オリフィス５４への供給圧力により、配置アクチュエータ５を配置し、それにより、配置アクチュエータ５がその短位置から延長位置に移動するようになっている。それにより、可動部分３が固定部分２を延長するように、ノズル１の可動部分３を位置決めする。

配置アクチュエータ５が延長位置に置かれると、配置アクチュエータ５の配置チャンバ５１内の圧力が上昇する。

配置アクチュエータ５の配置チャンバ５１内の圧力が高ロック解除圧力の閾値および低ロック解除圧力の閾値に達すると、高ロック解除定格バルブ８６と低ロック解除定格バルブ８７とがそれぞれ開き、それにより、高ロック解除アクチュエータ６の膨張チャンバ６１内と、低ロック解除アクチュエータ７の膨張チャンバ７１内とにおいて圧力がそれぞれ上昇する。こうして、高ロック解除アクチュエータ６をその高ロック位置から高ロック解除位置に移動し、低ロック解除アクチュエータ７をその低ロック位置から低ロック解除位置に移動し、それにより、配置システム４をノズル１からロック解除する。

高ロック解除圧力の閾値と低ロック解除圧力の閾値とは、高ロック解除アクチュエータ６と低ロック解除アクチュエータ７とが同時か、それ以外は別々に連続して移動するように、同一であるか、異なっている場合がある。

高ロック解除アクチュエータ６と低ロック解除アクチュエータ７とがそれらのそれぞれの高ロック解除位置と低ロック解除位置とにあると、配置アクチュエータ５の配置チャンバ５１、高ロック解除アクチュエータ６の配置チャンバ６１、および低ロック解除アクチュエータ７の配置チャンバ７１において圧力上昇が、その圧力が放出圧力の閾値に達するまで継続する。これにより、放出バルブ８４を開き、エジェクタ４１を動作させ、それにより、エジェクタ４１が配置システム４をノズル１から放出するようになっている。

したがって、配置システム４に連続して圧力を供給する単一の圧力供給源を使用することにより、供給システム８が、ノズル１を配置することと、配置システム４をノズル１に対してロック解除することと、配置システム４をノズル１から放出することと、の操作を連続して実施することを可能にする。

この方法で提案された配置システム４により、気体圧式アクチュエータを使用して、ノズル１が信頼性のある方式で配置されることが可能になる。

提案された配置システム４の構造は、ともにグループになったその構成要素をも有している。このため、配置システム４の様々な構成要素間の組立て操作を制限することにより、システム全体のサイズを制限することと、やはりその信頼性を向上させることとの両方を可能にする。

高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７は、通常、高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７が、
配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１内の結果として生じる圧力と、
定格スプリングおよび周囲の圧力によって加えられる、結果として生じる力との協同によって開かれるように構成されている。

この方法で、高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７は、配置アクチュエータ５の膨張チャンバ５１と、高ロック解除アクチュエータ６の膨張チャンバ６１および低ロック解除アクチュエータ７の膨張チャンバ７１との間で圧力のバランスが取られるようになった際に、開いたままになる。

このため、高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７は、通常、以下に説明するように、図６に示す構造を有している。

このため、図６は、ケーシング８０１と、第１のピストン８１１および第２のピストン８１２を有するロッド８１０とを備えている定格バルブの例を示している。これらピストンは、ロッド８１０上に連続して配置されている。

こうして、供給キャビティ８０１と外気接続キャビティ８０３との両方がケーシング８０１内に画定されている。これらキャビティは、第２のピストン８１２によって互いから隔離されている。

ケーシング８０１は、スラストスプリング８０７の動作下で第１のピストン８１１によって閉じられるように構成された供給オリフィス８０４を有している。供給オリフィス８０４は、第１のピストン８１１によって閉じられていない場合、供給キャビティ８０２内に繋がっている。

ケーシング８０１は、供給キャビティ８０２内に繋がる流出オリフィス８０５と、外気接続キャビティ８０３に繋がる外気接続オリフィス８０６をも有しており、それにより、外気接続キャビティ８０３が周囲の圧力になるようになっている。

第１のピストン８１１が供給オリフィス８０４を閉じると、供給オリフィス８０４を介して加えられる圧力により、スラストスプリング８０７によって加えられる圧力と、供給キャビティ８０２内に結果として生じる力との合計に対して、第１のピストン８１１に推力が加えられる。

供給オリフィス８０４を介して加えられる圧力が閾値を超えると、スラストスプリング８０７が圧縮され、それにより、ロッド８１０を移動し、こうして供給オリフィス８０４を流出オリフィス８０５に供給キャビティ８０２を介して接続する。

圧力はこうして、供給オリフィス８０４と、流出オリフィス８０５と、供給キャビティ８０２との間でバランスが取られるようになる。

しかし、第１のピストン８１１がもはや供給オリフィス８０４を閉じないようになるとすぐに、スラストスプリング８０７によって加えられる力のみが、外気接続キャビティ８０３が周囲の圧力となっている限りにおいて、第１のピストン８１１および第２のピストン８１２に加えられる供給キャビティ８０２内の結果として生じる圧力に抗する。

こうして、供給オリフィス８０４と、流出オリフィス８０５と、供給キャビティ８０２との間で圧力のバランスが取られている間は、第１のピストン８１１はもはや供給オリフィス８０４を閉じず、このため、流出オリフィス８０５に圧力が連続して供給される。

高ロック解除定格バルブ８６および低ロック解除定格バルブ８７のためにそのような定格バルブを使用することにより、高ロック解除アクチュエータ６および低ロック解除アクチュエータ７が連続かつ滑らかな方式で移動される。

放出バルブ８４も、図６に示すような定格バルブの構造を提供する場合がある。または、放出バルブ８４は、バルブの上流側と下流側との圧力差に応じて開く従来のバルブとすることができる。

Claims (8)

1. 宇宙船エンジン（Ｍ）用のノズル（１）であって、エンジン（Ｍ）に対して固定されている固定部分（２）と、前記固定部分（２）に対して可動である可動部分（３）とを備え、固定部分（２）が自由端（２２）を提供し、可動部分（３）が近位端（３１）および遠位端（３２）を提供し、固定部分（２）の自由端（２２）および可動部分（３）の近位端（３１）が、係合によってともにロックされるように適合されており、ノズル（１）が、可動部分（３）を配置するための、ノズル（１）の固定部分（２）内に配置された気体圧式配置システム（４）を有し、
   気体圧式配置システム（４）が、
   ノズル（１）の可動部分（３）がノズル（１）の固定部分（２）上に引き込まれている支持位置から、ノズル（１）の可動部分（３）の近位端（３１）がノズル（１）の固定部分（２）と係合している配置位置に移動するように適合された配置アクチュエータ（５）と、
   配置システム（４）をノズル（１）の固定部分（２）に保持する高ロック位置から、ノズル（１）の固定部分（２）からノズル（１）の配置システム（４）を係合解除する高ロック解除位置に移動するように適合した高ロック解除アクチュエータ（６）と、
   配置システム（４）を可動部分（３）にロックする低ロック位置から、ノズル（１）の配置システム（４）をノズル（１）の可動部分（３）から係合解除する低ロック解除位置に移動するように適合した低ロック解除アクチュエータ（７）と、
   ノズル（１）から配置システム（４）を放出するのに役立つ推力を加えるように適合したエジェクタ（４１）と、を備え、
   ノズル（１）は、配置システム（４）が、配置アクチュエータ（５）、高ロック解除アクチュエータ（６）、および低ロック解除アクチュエータ（７）、ならびにエジェクタ（４１）を駆動させるための気体圧供給システム（８）を備え、前記供給システム（８）が、順番に、
   配置アクチュエータ（５）をその支持位置からその配置位置に移動し、
   高ロック解除アクチュエータ（６）をその高ロック解除位置に移動するとともに、低ロック解除アクチュエータ（７）を低ロック解除位置に移動し、
   配置システム（４）をノズル（１）から出すようにエジェクタを駆動させるような方式で構成されていることを特徴とする、ノズル（１）。
2. 配置アクチュエータ（５）と高ロック解除アクチュエータ（６）とが同軸上にある、請求項１に記載のノズル（１）。
3. 供給システム（８）が、配置アクチュエータ（５）の膨張チャンバ（５１）へ圧力を供給し、配置アクチュエータ（５）の前記膨張チャンバ（５１）が、高ロック解除アクチュエータ（６）の膨張チャンバ（６１）に高ロック解除定格バルブ（８６）を介して接続されるとともに、低ロック解除アクチュエータ（７）の膨張チャンバ（７１）に低ロック解除定格バルブ（８７）を介して接続される、請求項１または請求項２に記載のノズル（１）。
4. エジェクタ（４１）が、高ロック解除アクチュエータ（６）の膨張チャンバに放出定格バルブ（８４）を介して接続されている、請求項３に記載のノズル（１）。
5. 高ロック解除定格バルブ（８６）と低ロック解除定格バルブ（８７）とが、
   配置アクチュエータ（５）の膨張チャンバ（５１）内の結果として生じる力と、
   定格スプリングおよび周囲の圧力によって加えられる、結果として生じる力との協同によって開かれるように構成されている、請求項３または４に記載のノズル（１）。
6. 供給システム（８）が、配置システム（４）を駆動するために、制御されたバルブを有する気体圧アキュムレータを備えている、請求項１から５のいずれか一項に記載のノズル（１）。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のノズル（１）を備えた宇宙船エンジン（Ｍ）。
8. 推進段に積層された複数の積層段を備えた宇宙船であって、前記積層段の少なくとも１つが、請求項１から６のいずれか一項に記載のノズル（１）が取り付けられたエンジン（Ｍ）を含んでいる、宇宙船。

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