JP2019190297A - 分割型モータケースとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定性及び信頼性の高い結合手段で円筒部とドーム部を結合することができ、軽量化、高性能化、及び低コスト化が可能である分割型モータケースとその製造方法を提供する。【解決手段】分割型モータケース１００は、中空円筒形の円筒部１０と、円筒部１０の端部に外縁が着脱可能に結合されその内側を塞ぐドーム部２０とを備える。ドーム部２０は、鏡板部２２と、鏡板部２２の半径方向外方端部に固定され軸線Ｚ−Ｚに沿って外方に延びる中空円筒形かつ金属製のスカート部２４とを有する。円筒部１０は、その端部にスカート部２４の外面に密着して嵌合する中空円筒形の嵌合内面１３を有する。分割型モータケース１００は、さらに、円筒部１０の端部とスカート部２４とを貫通して挟持する結合ファスナ３２と、スカート部２４の外面と嵌合内面１３の間を気密にシールするシール部材３４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、固体ロケットモータに係り、さらに詳しくは、固体ロケットモータ用の分割型モータケースとその製造方法に関する。

固体ロケットモータは、固体推進薬、点火装置、モータケース、排気ノズルなどで構成される。
このうちモータケースは、固体推進薬を内部に収容する圧力容器であり、中空円筒形の円筒部と、その前後に設けられたドーム部とを有する。モータケースの円筒部とドーム部は、通常一体的に製造される。

一方、円筒部とドーム部を別々に製造し、結合してモータケースを完成する場合がある。かかるモータケースを以下「分割型モータケース」と呼ぶ。
分割型モータケースは、例えば特許文献１，２に開示されている。

特許文献１は、モータケースの円筒部の後端内側にノズルの円筒形部分を挿入し、その抜け止めにキー部材を用いている。
特許文献２は、モータケースの円筒部の後端内側に機軸を中心とする雌ねじを設け、これとドーム部の外側に設けた雄ねじとを螺合して結合している。

米国特許第４，８６４，８１７号明細書 米国特許第４，９５６，９７１号明細書

上述したように、従来の分割型モータケースでは、円筒部とドーム部の結合手段として、キー部材、ねじ部材、又は接着材を用いていた。

固体推進薬の着火により、モータケースの内部は、高温かつ高圧となり、分割型モータケースの結合部分には、機軸方向に大荷重が作用する。また、高温と高圧により、円筒部とドーム部の結合部分が変形する。
そのため円筒部とドーム部の結合手段は、これらの過酷な環境に対応できる必要がある。

結合手段がキー部材の場合、ノズルの円筒形部分の変形を抑えるため、円筒形部分を厚くする必要がある。また、結合手段がねじ部材の場合、機軸を中心とする大径のねじを用いる必要がある。そのため、キー部材やねじ部材の場合、結合部分が大型化し、かつ重量が大きくなる。
また結合手段として接着材を用いる場合、その強度特性の安定性や信頼性が低く、かつ経年変化の影響も大きい。

また、従来の分割型モータケースは、所望の円筒部とドーム部にそれぞれ適した治具を準備し、それぞれ１つずつ別々に製造していた。そのため、製造コストが高かった。

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、安定性及び信頼性の高い結合手段で円筒部とドーム部を結合することができ、軽量化、高性能化、及び低コスト化が可能である分割型モータケースとその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、内部に固体推進薬を収納する分割型モータケースであって、
軸線を中心とする中空円筒形の円筒部と、
前記円筒部の端部に外縁が着脱可能に結合されその内側を塞ぐドーム部と、を備え、
前記ドーム部は、前記軸線の一方向に突出する鏡板部と、
前記鏡板部の半径方向外方端部に固定され前記軸線に沿って外方に延びる中空円筒形のスカート部と、を有し、
前記円筒部は、前記端部に前記スカート部の外面に密着して嵌合する中空円筒形の嵌合内面を有し、
さらに、前記円筒部の前記端部と前記スカート部とを貫通して挟持する結合ファスナと、
前記スカート部の前記外面と前記嵌合内面の間を気密にシールするシール部材とを備える、分割型モータケースが提供される。

また本発明によれば、上述した分割型モータケースの製造方法であって、
（Ａ）前記円筒部と、前記円筒部の前端部に外縁が固定されその内側を塞ぐ前方ドーム部とが一体に成型された１対の前側モータケースを、前記円筒部の後端部を連結した状態で一体に成型し、次いで、前記後端部で切断する第１ステップと、
（Ｂ）１対の前記鏡板部を、内部インシュレータの外縁を連結した状態で一体に成型し、次いで、前記外縁で切断する第２ステップと、
（Ｃ）前記前側モータケースの前記後端部に、前記ドーム部の前記外縁を結合する第３ステップと、を有する、分割型モータケースの製造方法が提供される

上記本発明によれば、結合ファスナ（例えば、ボルトとナット、リベット）が、スカート部と円筒部端部（外殻端部）とを貫通して挟持する。これにより、結合されたスカート部と円筒部端部により、スカート部の先端部に作用する機軸方向荷重（スラスト力）を円筒部にスムースに伝達することができる。

従って、内圧に起因する機軸方向荷重を伝達できる限りで、スカート部と円筒部端部を薄肉化できる。

また、スカート部は、中空円筒形なので、薄肉であっても機軸方向の大荷重を円筒部に伝達することができる。
さらに、スカート部の剛性が高いので、内圧に起因する変形を抑えることができ、シール部材によるスカート部と円筒部の間のシール性能を維持することができる。

従って、円筒部に、鏡板部の半径方向外方端部に固定されたスカート部を安定性及び信頼性の高い結合手段で結合することができ、軽量化及び高性能化が可能である。

また、本発明の方法によれば、１対の前側モータケースと１対のドーム部を、それぞれ一体に成型後に切断して製造するので、低コスト化が可能である。

本発明による分割型モータケースの実施形態図である。 図１のＡ部拡大図である。 図２の分解図である。 本発明による分割型モータケースの製造方法のフロー図である。 成形工程の説明図である。 結合工程の説明図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による分割型モータケース１００の実施形態図である。
この図において、分割型モータケース１００は、内部に固体推進薬１を収納するモータケースであり、円筒部１０、ドーム部２０、及びノズル部３０を有する。

円筒部１０は、分割型モータケース１００の軸線Ｚ−Ｚを中心とする中空円筒形である。

ドーム部２０は、円筒部１０の端部（この例では両端部）に外縁（図３のスカート部２４）が着脱可能に結合されその内側を塞ぐ。この例でドーム部２０は、円筒部１０の前端部に固定された前方ドーム部２０Ａと、円筒部１０の後端部に固定された後方ドーム部２０Ｂとからなる。
なお、前方ドーム部２０Ａと後方ドーム部２０Ｂは、いずれか一方のみでもよい。以下、区別が必要な場合を除き、両方を単に「ドーム部２０」と呼ぶ。

ノズル部３０は、この例では、後方ドーム部２０Ｂの中心部に固定されている。
なお、ノズル部３０の位置はこの位置に限定されず、その他でもよい。またノズル部３０は必須ではなくこれを省略してもよい。

図２は、図１のＡ部拡大図であり、図３は、図２の分解図である。
図２、図３において、ドーム部２０は、鏡板部２２とスカート部２４を有する。

鏡板部２２は、半球形状であり、軸線Ｚ−Ｚの一方向（外方、図で右方）に突出する。鏡板部２２は、一体に成型された鏡板２２ａと内部インシュレータ２３とからなる。
「一体に成型」とは、同時に一体成型することと、別々に成型したものを一体にすることの両方を意味する。

鏡板２２ａは、好ましくはフィラメントワインディングで製造されたＣＦＲＰ及びシート状のＣＦＲＰからなる。鏡板２２ａは、鏡板部２２に作用する内圧に耐える強度を有し、その力をスカート部２４に伝達する。

内部インシュレータ２３は、鏡板部２２の内面に一体に成型されている。内部インシュレータ２３は、内部で発生する高温を断熱して鏡板２２ａの過熱を防止する。
内部インシュレータ２３は、高温のガスと粒子に対して耐性の高いＥＰＤＭ等のゴム配合物に繊維（例えばアラミド繊維）が混ぜ込まれているのがよい。

スカート部２４は、軸線Ｚ−Ｚを中心とする中空円筒形であり、鏡板部２２の半径方向外方端部に固定され、軸線Ｚ−Ｚに沿って外方（図で右方）に延びる。スカート部２４は、引張強度の高い金属製（例えばチタン合金）であることが好ましい。
この例では、鏡板部２２の半径方向外方端部の外面とスカート部２４の内面との間に応力緩和ゴム２５が接着されている。

上述した鏡板部２２の構成により、鏡板部２２に作用する内圧を、鏡板部２２の半径方向外方端部から応力緩和ゴム２５を介して、スカート部２４の先端部２４ａに伝達することができる。
スカート部２４の先端部２４ａは、鏡板部２２から応力緩和ゴム２５を介してラジアル力ＦＲとスラスト力ＦＳを受ける。
スカート部２４は、このラジアル力ＦＲとスラスト力ＦＳによる変形と内部応力が許容範囲になるように設定されている。

図２、図３において、円筒部１０は、一体に成型された外殻１２、内部インシュレータ１４、及びシールリング１６を有する。

外殻１２は、好ましくはフィラメントワインディングで製造されたＣＦＲＰ及びシート状のＣＦＲＰからなる。外殻１２は、内部で発生する高圧及びスカート部２４から伝達されるスラスト力ＦＳに耐え、その変形と内部応力が許容範囲になるように設定されている。

内部インシュレータ１４は、外殻１２の内面に一体に成型されている。内部インシュレータ１４は、内部で発生する高温を断熱して外殻１２の過熱を防止する。
内部インシュレータ１４は、内部インシュレータ２３と同様に、高温のガスと粒子に対して耐性の高いＥＰＤＭ等のゴム配合物に繊維（例えばアラミド繊維）が混ぜ込まれているのがよい。

外殻１２は、その端部（以下、「外殻端部１２ａ」）に中空円筒形の嵌合内面１３を有する。嵌合内面１３は、スカート部２４の外面に密着して嵌合する。

シールリング１６は、嵌合内面１３の軸方向内端部に設けられている。シールリング１６は、内面が軸線Ｚ−Ｚに平行に形成され、円筒部１０に一体に成型されている。シールリング１６は、引張強度の高い金属製（例えばチタン合金）であることが好ましい。
シールリング１６は、シール部を構成する部品である。シールリング１６は、シール性を保持するために表面に凹凸のないフラット面を有する。また、シールリング１６は、質量、腐食などの特別な条件を満たす限りで金属材料が好ましい。

分割型モータケース１００は、さらに、結合ファスナ３２とシール部材３４を備える。

この例において、スカート部２４は、シールリング１６の内面と嵌合する先端部２４ａと、先端部２４ａにシール部材３４を収容するシール溝２４ｂと、を有する。

シール部材３４は、例えばＯリングであり、スカート部２４の外面と嵌合内面１３の間を気密にシールする。

結合ファスナ３２は、例えばボルトとナット又はリベットであり、円筒部１０の端部（外殻端部１２ａ）とスカート部２４とを半径方向に貫通して挟持する。結合ファスナ３２は、半径方向に貫通する貫通穴に対し隙間がほとんどなく設定されている。これにより、内圧に起因する機軸方向荷重（スラスト力ＦＳ）は、外殻端部１２ａとスカート部２４の間の摩擦力と結合ファスナ３２に作用するせん断力により円筒部１０に伝達される。

上述した分割型モータケース１００の構成により、結合ファスナ３２（例えば、ボルトとナット、リベット）が、スカート部２４と外殻端部１２ａとを貫通して挟持する。この構成により、結合されたスカート部２４と外殻端部１２ａにより、スカート部２４の先端部２４ａに作用する機軸方向荷重（スラスト力ＦＳ）を円筒部１０にスムースに伝達することができる。

従って、内圧に起因する機軸方向荷重を伝達できる限りで、スカート部２４と円筒部端部を薄肉化できる。

また、スカート部２４が金属製であり剛性が高いので、内圧に起因する変形を抑えることができ、シール部材３４によるスカート部２４と円筒部１０の間のシール性能を維持することができる。

従って、円筒部１０に、ドーム部２０の半径方向外方端部に固定されたスカート部２４を安定性及び信頼性の高い結合手段で結合することができ、軽量化及び高性能化が可能である。

図４は、本発明による分割型モータケース１００の製造方法のフロー図である。また、図５は、成形工程の説明図であり、図６は、結合工程の説明図である。

図４において、本発明の製造方法は、第１ステップＳ１、第２ステップＳ２、第３ステップＳ３からなる。

第１ステップＳ１は、Ｓ１１〜Ｓ１４の各ステップ（工程）からなる。
ステップＳ１１では、１対の前側モータケース４０に適合する第１マンドレル４２を準備する。
前側モータケース４０は、円筒部１０と、円筒部１０の前端部に外縁が固定されその内側を塞ぐ前方ドーム部２０Ａとが一体に成型されたモータケースの部分である。この場合、円筒部１０と前方ドーム部２０Ａは、一体であるのがよい。

図５（Ａ）において、第１マンドレル４２は、互いに連結された部分マンドレル４２ａ，４２ｂ，４２ｃからなる。

ステップＳ１２では、第１マンドレル４２の外周面に内部インシュレータ１４と１対のシールリング１６を成型する。この際、内部インシュレータ１４とシールリング１６は一体に成型する。

次いで、ステップＳ１３では、内部インシュレータ１４とシールリング１６の外周面にフィラメントワインディングにより製造されたＣＦＲＰ及びシート状のＣＦＲＰにより圧力容器と継手部を施工する。ここで、「施工する」とは、ＣＦＲＰ材（生材）を巻き付け、その後熱負荷等により硬化・成型させることを意味する。

次いで、ステップＳ１４では、図５（Ａ）の矢印で示す後端部で切断する。この後端部は、図３の外殻１２の右端面に相当する。

上述した第１ステップＳ１により、円筒部１０と、円筒部１０の前端部に外縁が固定されその内側を塞ぐ前方ドーム部２０Ａとが一体に成型された１対の前側モータケース４０を、円筒部１０の後端部を連結した状態で一体に成型し、次いで、後端部で切断する。なお切断部分は、図３に示すように成形する。
この第１ステップＳ１により、１対の前側モータケース４０を同時に製造することができる。

第２ステップＳ２は、Ｓ２１〜Ｓ２６の各ステップ（工程）からなる。
ステップＳ２１では、１対のドーム部２０に適合する第２マンドレル４４を準備する。図５（Ｂ）において、第２マンドレル４４は、単一のマンドレルであるが、単一でなくてもよい。

次いで、ステップＳ２２では、第２マンドレル４４の外周面に内部インシュレータ２３を一体に成型する。
次いで、ステップＳ２３では、内部インシュレータ２３の外周面にＣＦＲＰからなる鏡板２２ａを、フィラメントワインディング及び積層で一体に成型する。

次いで、ステップＳ２４では、鏡板２２ａの外周面に１対の応力緩和ゴム２５を一体に成型する。
次いで、ステップＳ２５では、応力緩和ゴム２５の外周面に１対のスカート部２４を接合する。
次いで、ステップＳ２６では、図５（Ｂ）の矢印で示す内部インシュレータ２３及び鏡板２２ａの外縁で切断する。この外縁は、図３の内部インシュレータ２３の左端面に相当する。

なお、第２ステップＳ２のステップＳ２４〜Ｓ２６の代わりに、ステップＳ２７，Ｓ２８であってもよい。
ステップＳ２７では、図５（Ｃ）の矢印で示す内部インシュレータ２３及び鏡板２２ａの外縁で切断する。この外縁は、図３の内部インシュレータ２３の左端面に相当する。
次いで、ステップＳ２８では、図５（Ｄ）のように、鏡板２２ａの外周面に１対の応力緩和ゴム２５と１対のスカート部２４を接着する。

上述した第２ステップＳ２により、１対のドーム部２０を、内部インシュレータ２３の外縁を連結した状態で一体に成型し、次いで、外縁の連結位置で切断する。なお切断部分は、図３に示すように成形する。
この第２ステップＳ２により、１対のドーム部２０を同時に製造することができる。

第３ステップＳ３では、前側モータケース４０の後端部に、ドーム部２０の外縁を結合する。
すなわち、図６（Ａ）に示すように、第１ステップＳ１で製造した前側モータケース４０と、第２ステップＳ２で製造したドーム部２０とを準備し、図６（Ｂ）に示すように連結し、図２に示すように結合ファスナ３２を用いて結合する。
上述した方法によれば、１対の前側モータケース４０と１対のドーム部２０を、それぞれ一体に成型後に切断して製造するので、円筒部とドーム部にそれぞれ適した治具を準備し、それぞれ１つずつ別々に製造する場合と比較して、低コスト化が可能となる。

なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｚ−Ｚ 軸線、１ 固体推進薬、１０ 円筒部、１２ 外殻、
１２ａ 外殻端部、１３ 嵌合内面、１４ 内部インシュレータ、
１６ シールリング、２０ ドーム部、２０Ａ 前方ドーム部、
２０Ｂ 後方ドーム部、２２ 鏡板部、２２ａ 鏡板、
２３ 内部インシュレータ、２４ スカート部、２４ａ 先端部、
２４ｂ シール溝、２５ 応力緩和ゴム、３０ ノズル部、
３２ 結合ファスナ、３４ シール部材、４０ 前側モータケース、
４２ 第１マンドレル４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 部分マンドレル、
４４ 第２マンドレル、１００ 分割型モータケース

Claims (9)

1. 内部に固体推進薬を収納する分割型モータケースであって、
   軸線を中心とする中空円筒形の円筒部と、
   前記円筒部の端部に外縁が着脱可能に結合されその内側を塞ぐドーム部と、を備え、
   前記ドーム部は、前記軸線の一方向に突出する鏡板部と、
   前記鏡板部の半径方向外方端部に固定され前記軸線に沿って外方に延びる中空円筒形のスカート部と、を有し、
   前記円筒部は、前記端部に前記スカート部の外面に密着して嵌合する中空円筒形の嵌合内面を有し、
   さらに、前記円筒部の前記端部と前記スカート部とを貫通して挟持する結合ファスナと、
   前記スカート部の前記外面と前記嵌合内面の間を気密にシールするシール部材とを備える、分割型モータケース。
2. 前記円筒部は、一体に成型された外殻と内部インシュレータを有し、
   前記外殻は、フィラメントワインディングで製造されたＣＦＲＰ及びシート状のＣＦＲＰからなる、請求項１に記載の分割型モータケース。
3. 前記鏡板部は、一体に成型された鏡板と内部インシュレータを有し、
   前記鏡板は、フィラメントワインディングで製造されたＣＦＲＰ及びシート状のＣＦＲＰからなる、請求項１に記載の分割型モータケース。
4. 前記円筒部は、前記嵌合内面の軸方向内端部に設けられ内面が前記軸線に平行なシールリングを有し、
   前記シールリングは、前記円筒部に一体に成型されており、
   前記スカート部は、前記シールリングの内面と嵌合する先端部と、該先端部に前記シール部材を収容するシール溝と、を有する、請求項１に記載の分割型モータケース。
5. 請求項１に記載の分割型モータケースの製造方法であって、
   （Ａ）前記円筒部と、前記円筒部の前端部に外縁が固定されその内側を塞ぐ前方ドーム部とが一体に成型された１対の前側モータケースを、前記円筒部の後端部を連結した状態で一体に成型し、次いで、前記後端部で切断する第１ステップと、
   （Ｂ）１対の前記鏡板部を、内部インシュレータの外縁を連結した状態で一体に成型し、次いで、前記外縁で切断する第２ステップと、
   （Ｃ）前記前側モータケースの前記後端部に、前記ドーム部の前記外縁を結合する第３ステップと、を有する、分割型モータケースの製造方法。
6. １対の前記前側モータケースに適合する第１マンドレルを準備し、
   前記第１マンドレルの外周面に内部インシュレータを一体に成型し、
   次いで、前記内部インシュレータの外周面に１対のシールリングを結合し、
   次いで、前記内部インシュレータと前記シールリングの外周面に圧力容器と継手部を施工する、請求項５に記載の分割型モータケースの製造方法。
7. １対の前記ドーム部に適合する第２マンドレルを準備し、
   前記第２マンドレルの外周面に内部インシュレータを一体に成型し、
   次いで、前記内部インシュレータの外周面にＣＦＲＰからなる鏡板を、フィラメントワインディング及び積層で一体に成型し、
   次いで、前記鏡板の外周面に１対の応力緩和ゴムを一体に成型し、
   次いで、前記応力緩和ゴムの外周面に１対の前記スカート部を接合する、請求項５に記載の分割型モータケースの製造方法。
8. 前記第２ステップにおいて、鏡板の外周面に１対の応力緩和ゴムを一体に成型し、次いで前記応力緩和ゴムの外周面に１対の前記スカート部を接合した後、前記内部インシュレータ及び前記鏡板の外縁で切断する、請求項５に記載の分割型モータケースの製造方法。
9. 前記第２ステップにおいて、前記内部インシュレータ及び前記鏡板の外縁で切断し、次いで、鏡板の外周面に１対の応力緩和ゴムと１対の前記スカート部を接着する、請求項５に記載の分割型モータケースの製造方法。
   
   

Images