JP2020079654A - ロケット - Google Patents

Abstract

【課題】推力方向制御装置を備えたロケットにおいて、推力方向制御の必要舵角の抑制と、空気抵抗による速度損失の低減とを両立させる。【解決手段】推力方向制御装置２と、機体側面に配置した圧力センサ３と、機体尾部に配置し且つ機体側面に沿う収納位置から機体外側の展開位置に至る間で動作する可動フレア４とを備え、圧力センサ３で検出した動圧の大きさに基づいて可動フレア４を駆動するロケットＲであって、推力方向制御の必要舵角の抑制と、空気抵抗による速度損失の低減との両立を実現した。【選択図】図１

Description

本発明は、推力方向制御装置を備えたロケットの改良に関するものである。

ロケットの推力方向制御装置は、非特許文献１に記載されているように、様々な方式があり、代表的には可動ノズルが挙げられる。この推力方向制御装置は、機体に対してノズルを揺動可能に設け、ノズルの向きを変えて推力方向を変更することで制御モーメントを得るものであり、飛翔中の機体に空力モーメントが生じた際に、この空力モーメントを打ち消すように推力方向（舵角）を変更して機体の安定化を図る。

「増補版 航空宇宙工学便覧」丸善、昭和４９年１２月２０日、ｐ．６５２

ところで、上記したような従来のロケットでは、最大動圧時のように空力モーメントが大きい場合、その空力モーメントを相殺するために推力方向制御の舵角が大きくなり、ロケットの仕様を逸脱する恐れがある。そこで、空力の緩和策として、機体尾部にフレアを配置することで空力中心を重心側に後退させ、これにより空力モーメントを下げることが考えられる。しかし、フレアを配置すると、空気抵抗が増して速度損失も増えるので、打ち上げ能力（搭載可能なペイロードの質量）が低下するという問題点があった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、推力方向制御の必要舵角の抑制と、空気抵抗による速度損失の低減とを両立させることができるロケットを提供することを目的としている。

本発明に係わるロケットは、推力方向制御装置と、機体側面に配置した圧力センサと、機体尾部に配置し且つ機体側面に沿う収納位置から機体外側の展開位置に至る間で動作する可動フレアとを備え、圧力センサで検出した動圧の大きさに基づいて可動フレアを駆動することを特徴としている。

本発明に係わるロケットは、可動フレアを収納位置にした状態で打ち上げられる。この際、ロケットは、可動フレアによる空気抵抗を無視できるので、速度損失を生じることなく打ち上げられる。その後、ロケットは、推力方向制御装置により飛翔中の姿勢制御を行うと共に、圧力センサにより動圧を検出する。そして、ロケットは、動圧が高くなったときに可動フレアを展開位置に駆動する。これにより、ロケットは、空力中心が重心寄りに後退して、空力モーメントが下がるので、その空力モーメントを相殺するための推力方向制御の必要舵角も抑制されることになる。また、ロケットは、動圧が低下した場合には、可動フレアを収納位置に戻し、空気抵抗による速度損失を最小限にする。

このようにして、上記のロケットは、推力方向制御の必要舵角の抑制と、空気抵抗による速度損失の低減とを両立させることができる

本発明に係わるロケットの一実施形態を説明する図であって、フレアを収納した状態を説明する斜視図（Ａ）及び制御系を示すブロック図（Ｂ）である。 図１に示すロケットのフレアを展開した状態を説明する斜視図である。

以下、図面に基づいて、本発明に係わるロケットの一実施形態を説明する。
図１（Ａ）に示すロケットＲは、推進機関部１Ａとその頭部側のペイロード搭載部１Ｂとで機体１を構成している。推進機関部１Ａは、固体又は液体のロケットである。ペイロード搭載部１Ｂは、分離可能なノーズフェアリングで覆われている。

また、ロケットＲは、推力方向制御装置２と、機体側面に配置した圧力センサ３と、機体尾部に配置し且つ機体側面に沿う収納位置から機体外側の展開位置に至る間で動作する可動フレア４とを備え、圧力センサ３で検出した動圧の大きさに基づいて可動フレア４を駆動する構造である。そこで、ロケットＲは、圧力センサ３で検出した動圧の大きさに基づいて可動フレア４を駆動制御するフレア制御装置５を備えている。

推力方向制御装置２は、機体１の尾部に対して揺動可能に設けた可動ノズルＮを備えており、図示を省略したが、可動ノズルＮを駆動するアクチュエータ類やその制御機器が含まれる。圧力センサ３は、ペイロード搭載部１Ｂの側面に配置してあり、大気圧を検出するものや、飛翔中に受ける空気圧を直接検出するもので良く、検出圧力値に基づいてロケットＲに作用する動圧を検出（算出）し得る。

可動フレア４は、機体１の機軸回りに分割した複数のフレア部材４Ａから成る筒状の構造である。各フレア部材４Ａは、いずれも同じ大きさの板状部材であり、夫々の機体頭部側の端部を中心にして機体１の内外方向に回動可能である。なお、各フレア部材４Ａは、その枚数がとくに限定されるものではなく、機軸回りの位置等に応じて寸法や形状の異なるものを配置しても良い。

この可動フレア４は、図１（Ｂ）に制御系を示すように、フレア制御装置５の指令信号が入力される駆動部６により、各フレア部材４Ａを一斉に作動させる。駆動部６は、例えば、アクチュエータ類や動力伝達機構等で構成してある。

フレア制御装置５は、圧力センサ３で検出した動圧が閾値以上である場合に可動フレア４を展開位置にすると共に、動圧が閾値未満である場合に可動フレア４を収納位置にする制御を行う。つまり、フレア制御装置５は、動圧の大きさに基づいて駆動部６に指令信号を出力することで、可動フレア４を駆動制御する。

上記のロケットＲは、重心Ｇに対して空力中心ＡＣが頭部側に位置しており、図１（Ａ）に示すように、可動フレア４を収納位置にした状態で打ち上げられる。この際、ロケットＲは、可動フレア４による空気抵抗を無視できるので、速度損失を生じることなく打ち上げられる。

その後、ロケットＲは、推力方向制御装置２により飛翔中の姿勢制御を行うと共に、圧力センサ３により動圧を検出する。そして、ロケットＲは、動圧が閾値以上になった場合に、図２に示すように、可動フレア４を展開位置に駆動する。すなわち、各フレア部材４Ａを機体１の外側へ一斉に回動させる。

これにより、ロケットＲは、図２中の矢印で示すように、空力中心ＡＣが重心寄りに後退して重心Ｇと空力中心ＡＣとの距離Ｌが小さくなり、空力モーメントが下がるので、その空力モーメントを相殺するための推力方向制御の必要舵角も抑制される。また、ロケットＲは、動圧が閾値未満に低下した場合には、可動フレア４を図１（Ａ）に示す収納位置に戻して空気抵抗を低減させる。つまり、ロケットＲは、大気圏内において、動圧が高くなったときのみに可動フレア４を展開して、空気抵抗による速度損失を最小限にする。

このようにして、上記のロケットＲは、推力方向制御の必要舵角の抑制と、空気抵抗による速度損失の低減とを両立させることができる。したがって、上記のロケットＲによれば、推力方向制御の必要舵角が仕様を逸脱するような恐れを回避することができ、良好な打ち上げ能力（搭載可能なペイロードの質量）を維持し得る。

また、上記のロケットＲは、複数のフレア部材４Ａから成る可動フレア４を採用することで、比較的簡単な構造で収納及び展開の各状態を得ることができる。さらに、ロケットＲは、上記の可動フレア４を採用した場合、各フレア部材４Ａ若しくは選択したフレア部材４Ａを個別に駆動する構成にしても良い。これにより、ロケットＲは、推力方向制御装置２の補助的な機能部として、フレア部材４Ａを動翼として用いることが可能である。

本発明に係わるロケットは、その構成が上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で具体的構造を適宜変更することが可能である。

Ｒ ロケット
１ 機体
２ 推力方向制御装置
３ 圧力センサ
４ 可動フレア
４Ａ フレア部材
５ フレア制御装置

Claims (3)

1. 推力方向制御装置と、機体側面に配置した圧力センサと、機体尾部に配置し且つ機体側面に沿う収納位置から機体外側の展開位置に至る間で動作する可動フレアとを備え、圧力センサで検出した動圧の大きさに基づいて可動フレアを駆動することを特徴とするロケット。
2. 前記圧力センサで検出した動圧の大きさに基づいて可動フレアを駆動制御するフレア制御装置を備え、
   前記フレア制御装置が、動圧が閾値以上である場合に可動フレアを展開位置にすると共に、動圧が閾値未満である場合に可動フレアを収納位置にする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のロケット。
3. 前記可動フレアが、機体の機軸回りに分割した複数のフレア部材から成り、
   各フレア部材が、夫々の機体頭部側の端部を中心にして回動可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のロケット。

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