JP3697222B2 - サイドスラスタバルブ及びサイドスラスタ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体推進薬を使用する飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブ、及び同サイドスラスタバルブを用いたサイドスラスタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブは、個々に独立したものを複数個配列したタイプのものと、２個のノズルを互いに背を向けて飛しょう体の軸線を中心として対称的に配置し、共通の弁体で開閉作動するものとの２様式に大別されるが、ここでは後者のものを例に従来のサイドスラスタバルブとして、その概要について図６に基づいて説明する。
【０００３】
図６は、従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【０００４】
０１ａ、０１ｂはノズルを示し、同ノズル０１ａ、０１ｂは、ハウジング０２に組み込まれたノズルスカート０３ａ、０３ｂ及び弁体０４ａ、０４ｂ等を含めて構成され、飛しょう体の軸線を対称軸として互いに背中を向け合って対称に構成されている。
【０００５】
このように背中合わせとなって対向するノズルスカート０３ａ、０３ｂそれぞれの内部には、弁体０４ａ、０４ｂが配置され、同弁体０４ａ、０４ｂは共通する１本のシャフト０６で連結されている。
【０００６】
前記シャフト０６は長手方向中央位置で一方のジョイント０１５を介してリンク０１８に連結している。
同リンク０１８は、前記ジョイント０１５と対称となるもう片方のジョイント０１４を介してスクリュー軸０１３と連結し、ピン０１７を支点として左右に回動（揺動）可能に構成されている。
【０００７】
スクリュー軸０１３は、ハウジング０９に固定されたナット０１２とかみ合っており、同ナット０１２は歯車０１１に接合され、かつ、歯車０１１は図示省略のサーボモータ等によって回転される。
【０００８】
なお、スクリュー軸０１３はポテンシォメータ０２１に結合されており、同ポテンシォメータ０２１によりスクリュー軸０１３の軸方向の移動、そしてその結果としてピン０１７を支点としたリンク０１８の回動角度が検出されるようになっている。
【０００９】
以上の構成によりここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、図示省略のサーボモータを回転させるとナット０１２のかみ合いによってスクリュー軸０１３が回転し、同スクリュー軸０１３は軸方向へ移動する。
【００１０】
このスクリュー軸０１３の軸方向への運動がリンク０１８を介してシャフト０６に伝達され、シャフト０６の両端に配置された弁体０４ａ、０４ｂがノズルスロート０５ａ、０５ｂの一方を解放し、他方を閉鎖させ、供給ポート０１９ａ、０１９ｂから供給される燃焼ガスの噴射を調整し、これにより推力を連続的または差動的に変化させるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、対向する弁体０４ａ、０４ｂを１本のシャフト０６で連結することによって、同弁体０４ａ、０４ｂに作用する流体力を打ち消しあい、サーボモータの駆動力を削減させている点でそれなりに評価出来るものである。
【００１２】
また、対向する２個のノズル０１ａ、０１ｂに対し、１個のサーボモータで推力の左右への切り替えを可能としているので、それぞれのノズル０１ａ、０１ｂを独立に開閉する場合に比較してサーボモータの設置を削減化できるメリットがある。
【００１３】
しかしながらノズル０１ａ、０１ｂの駆動力は、その全てをサーボモータを中心としてスクリュー軸０１３、リンク０１８等で構成されるアクチュエータに依存せざるを得ず、推力の切り替えに要する時間を短くし、高応答を実現しようとした場合、シャフト０６、弁体０４ａ、０４ｂ、リンク０１８等の慣性力が支配的になり、その結果必要なサーボモータトルクが大きくなり、装置が大型化するという問題がある。
【００１４】
また、対称配列のノズル０１ａ、０１ｂをリンク０１８等で対称的に開閉することになると、ノズルスロート０５ａ、０５ｂの面積を独立に可変できないため、固体推進薬を使用した場合、推力が不要な時に全てのノズルを全開にして固体推進薬の燃焼圧力を下げ、燃焼速度を減らして燃費を改善させる燃焼制御ができないという問題がある。
【００１５】
本発明は、このような従来のサイドスラスタバルブにおける不具合点を解消し、ノズルの開閉に要する装置、部位に必要な動力を低減させて装置の小型軽量化を図ったサイドスラスタバルブと、このような小型軽量化したサイドスラスタバルブを個々に独立させて設け、燃焼制御の幅を広げ、燃費の改善を図ったサイドスラスタ装置を提供することを課題とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされたもので、その第１の手段として、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体は前記燃焼ガスを一方側に受けてシリンダ内を摺動するピストンと同軸に構成され、同ピストンは、前記燃焼ガスを受ける一方側を他方側に形成されたシリンダ室とオリフィスを介して連通すると共に、前記一方側と他方側の受圧面積を等しく形成し、前記シリンダ室を大気に開放制御する装置と、前記ピストンと同軸上で前記弁体を閉鎖側に賦勢するばねを設けたサイドスラスタバルブを提供するものである。
【００１７】
すなわち、同第１の手段によれば、弁体と同軸に構成されたピストンの一方側に作用する燃焼ガスが、オリフィスを介して対向する他方側のシリンダ室に導入され、前記一方側と他方側の受圧面積は等しく形成されていることにより、前記一方側の燃焼ガス圧と前記シリンダ室に生じる背圧はバランスがとれ、これに弁体を閉鎖側に賦勢するばね力が前記ピストンと同軸上で加えられて弁体を閉鎖し、また、前記シリンダ室を大気に開放する制御装置を作動して前記燃焼ガス圧とシリンダ室の背圧のバランスをくずして弁体を開放側に移動するものである。
従って例えば小型で簡便なアクチュエータ等のような制御装置でシリンダ室の背圧制御を行うことにより、それが増幅されて弁体を開閉することができることとなり、装置の小型軽量化を容易に達成することができる。
【００１８】
また、本発明は第２の手段として、前記第１の手段におけるサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設したサイドスラスタ装置を提供するものである。
【００１９】
すなわち、同第２の手段によれば、前記第１の手段において小型軽量化されたサイドスラスタバルブは、独立のものとして飛しょう体の軸線を対称軸として対称位置に複数配置されているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本実施の形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図、図２は図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図、図３は図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図、図４は図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が推力が不要となった際の断面図、図５は弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【００２１】
本実施の形態において、１はノズルを示し、同ノズル１はシリンダ２、同シリンダ２の先端に形成されたノズルスカート３、及び弁体４等を主要部材として組み合わせて構成されている。
【００２２】
すなわち、ノズルスカート３の上流側に弁体４があり、ノズルスロート５の部分と弁体４との隙間を通して同弁体４の側方に開けられた供給ポート６から供給される燃焼ガスが流れ、これが同ノズル１から噴射されて推力が発生する。
【００２３】
弁体４の中央にはピストン１４が同軸に連結されており、同ピストン１４はその一方側の面に供給ポート６から供給される燃焼ガス（燃焼ガス供給圧力Ｐs ）を受けてシリンダ２内を弁軸方向に摺動可能になっており、この摺動でノズルスロート５の流路面積を連続的に可変とすることにより、連続的に推力の大きさを制御可能に構成されている。
【００２４】
同ピストン１４の一方側の面に対向する他方側の面には、シリンダ室１５が形成されており、後述するようにオリフィス（弁体内部オリフィス）１３等の機能によりこのシリンダ室１５内に生じる圧力を背圧Ｐv と呼ぶことにする。
【００２５】
なお、弁体４のノズル１と反対側は、シリンダ２を貫通してばね８に当接しており、かつ、同ばね８はシリンダ２と一体となったばね座７によって端部を抑えられ、ばね力Ｆs で弁体４を閉鎖方向に賦勢している。
【００２６】
ピストン１４の一部には、前記したようにピストン１４の一方側と他方側を連通した弁体内部オリフィス１３が設けられており、供給ポート６から導入された燃焼ガスがシリンダ室１５に流れ込めるようになっている。
【００２７】
同シリンダ室１５の一部にはパイロット流路１６が開けられており、下流末端に配置されて同パイロット流路１６よりもやや流路面積が小さく、かつ弁体４の内部オリフィス１３よりも流路面積の大きいパイロットオリフィス１１を経て、パイロット流れが外部へ排出されるようになっている。
【００２８】
なお、９はリニア型のアクチュエータで、サポート１０を介してシリンダ２に固定されており、同アクチュエータ９を駆動すると前記パイロット弁１２がパイロットオリフィス１１を開閉し、パイロット流量を制御し、これにより前記シリンダ室１５内の背圧Ｐv が制御される。
【００２９】
すなわち、前記アクチュエータ９を主要部材としてパイロット弁１２で開閉されるパイロットオリフィス１１等を含めて、前記シリンダ室１５を大気に開放制御する装置を構成している。
【００３０】
前記のように構成された本実施の形態において、弁体４のノズルスロート５側の面に作用する圧力（ノズルスロート圧力）をＰt 、周囲圧力をＰa 、燃焼ガス供給圧をＰs 、そしてシリンダ室１５の背圧をＰv として、図２のように弁体４をノズルスロート５から離していくと最終的にノズルスロート圧力Ｐt は周囲圧力Ｐs と同じになり、この位置が弁体４の全開位置となる。
【００３１】
他方、図３のように弁体４をノズルスロート５に近づけていくと、最終的には完全にノズルスロート５が封鎖された状態になってノズルスロート圧力Ｐt は周囲圧力Ｐa と同じになり、この位置が弁体４の全閉位置となる。
【００３２】
弁体４が全開から全閉に至るまでのノズルスロート圧力Ｐt は、図５に示すようにほぼ直線的に減少することが実験によって確認されている。
本実施の形態においてはこのノズルスロート圧力Ｐt の変化をキャンセルするようにばね８が機能する。
【００３３】
すなわち、パイロット弁１２を全開にすると、シリンダ室１５の背圧Ｐv は燃焼ガス供給圧Ｐs よりも下がり、同背圧Ｐv と燃焼ガス供給圧Ｐs の差圧によって弁体４はばね８の方向に押され、最終的にばね力Ｆs と釣り合う位置で弁体４が静定して全開となり、ノズル１から推力が発生する。
【００３４】
他方、パイロット弁１２を全閉にするとシリンダ室１５の背圧Ｐv は燃焼ガス供給圧Ｐs と等しくなり、ばね８の力によって弁体４はノズル１の方向に押され、ノズルスロート５と弁体４が接して全閉となって推力は発生しなくなる。
【００３５】
パイロット弁１２が中間の位置にある場合は、背圧Ｐv はパイロット弁１２の開度に応じた値となり、背圧Ｐv と燃焼ガス供給圧Ｐs の差圧による力とばね力Ｆs 、及び弁体４のノズルスロート部に作用する圧力（ノズルスロート圧力）Ｐt による力が釣り合った位置で保持される。
【００３６】
このようにして本実施の形態によれば、パイロット弁１２のわずかな動きに対してシリンダ室１５の背圧Ｐv が大きく変化し、また供給ガス圧力Ｐs も数ＭＰａの高圧であるので弁体４に作用する力が大きいので、小型軽量なアクチュエータ９のみで、弁体４を高応答かつ連続的に駆動させることが可能となる。
【００３７】
なお、前記実施の形態において、ばね８のばね定数の計算の一例と、これに基づく弁体４の位置等の関係について説明を補足すると以下の通りである。
【００３８】
周囲圧力Ｐa ＝０（真空）、スロート面積Ａt ＝ロッド面積Ａr 、パイロット弁開度は弁体内部オリフィス面積Ａf 〜２Ａf の間を可変、シリンダ圧Ｐv は燃焼ガス供給圧力Ｐs 〜Ｐs ／２を可変、弁体４の全開から全閉までのストロークをδとすると；
バネ定数ｋは弁体４が全開時の釣合いから、
となる（Ａp はシリンダ２の全面積）。
【００３９】
上記において、パイロット弁開度Ａv を、Ａf 、１．５Ａf 、２Ａf と変えた場合の「弁体の位置」「ばねの圧縮力Ｆs 」「ノズルスロート圧力Ｐt 」「供給ガス圧力Ｐs 」及び「シリンダ室圧力Ｐv 」のそれぞれは、以下に示すようになる。
パイロット弁開度Ａv ：Ａf １．５Ａf ２Ａf
弁体の位置 ：全閉 半開１／２ 全開
ばねの圧縮力Ｆs ：０（自然長） ３Ｐs Ａt ／４ ３Ｐs Ａt ／２
ノズルスロート圧力Ｐt ：０（真空） Ｐs ／２ Ｐs
供給ガス圧力Ｐs ：Ｐs Ｐs Ｐs
シリンダ室の背圧Ｐv ：Ｐs Ｐs ／１．５ Ｐs ／２
・すなわち、弁体４の開動作開始時点では、パイロット弁１２が弁体内部オリフィス面積Ａf よりやや大きい状態に開くと、シリンダ室圧Ｐv がやや下がり、力のバランスがくずれて弁体４が開く方向に動く。
・弁体４の開動作中は、ノズルスロート圧Ｐt が上がって更に弁体４を開く方向に力が働く。
・弁体４の全開直前では、ばね８による逆向きの力が大きくなって、弁体４の動きが減速する。
・弁体４の閉動作開始時は、パイロット弁１２の開度が２Ａf よりも小さくなって、シリンダ室圧力Ｐv が上がり、弁体４を閉じる方向に力が作用する。
【００４０】
なおまた、このサイドスラスタバルブは、図４として示すようにサイドスラスタ装置に組み入れることができる。
すなわち、２個のスラスタバルブを飛しょう体の軸線に対して対称位置となるように互いに背中を向け合って対面して配置し、１個のガスジェネレータのケース２０に結合させる。
【００４１】
前記ケース２０の内部にはインシュレータ２１があり、その内側に固体推進薬２２が充填されており、同固体推進薬２２は燃焼面２３から燃焼ガス圧力２４を発生する。
【００４２】
図４は推力が不要の場合の一例を示し、２個のスラスタバルブを中立位置にしているが、同２個のスラスタバルブをそれぞれ全開にし、発生推力をキャンセルさせると共に、ノズルスロートを定格燃焼時の２倍としてガスジェネレータの燃焼ガス圧力２４を低下させ、固体推進薬２２の燃焼速度２５を低下して燃費を改善させることが可能となる。
なお、何れか一方のスラスタバルブに推力が必要な場合には、必要な方のスラスタバルブのノズルスロートを開き、他方のスラスタバルブを全閉とすることにより、固体推進薬２２は端面燃焼し、前記開とした一方のノズルスロートから燃焼ガスが排出され推力を発生する。
【００４３】
すなわち、軽量小型化して開閉操作の省エネ化をなしたスラスタバルブを個々に独立して設けているために、スラスタタバルブの開閉制御を多彩化でき、特に推力を不要とするときは各スラスタタバルブを全開制御して固体推進薬の燃焼速度２５を低下し、燃費を改善させることが可能となる。
【００４４】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００４５】
例えば前記シリンダ室１５を大気に開放制御する装置を構成する主要部材となるアクチュエータ９は、リニア型のアクチュエータとして示しているが、これはリニア型に限定されることなく、要するにパイロットオリフィス１１を開閉するものであれば如何様な形態のものであってもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、本出願の請求項１に記載の発明によれば、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体は前記燃焼ガスを一方側に受けてシリンダ内を摺動するピストンと同軸に構成され、同ピストンは、前記燃焼ガスを受ける一方側を他方側に形成されたシリンダ室とオリフィスを介して連通すると共に、前記一方側と他方側の受圧面積を等しく形成し、前記シリンダ室を大気に開放制御する装置と、前記ピストンと同軸上で前記弁体を閉鎖側に賦勢するばねを設けてサイドスラスタバルブを構成しているので、ピストンの一方側の圧力と、同一方側と受圧面積を等しく形成すると共に同一方側にオリフィスを介して連通する他方側のシリンダ室の圧力との圧力バランス、及び弁体を閉鎖側に賦勢するばね力との関連が、前記シリンダ室を大気に開放する制御装置でシリンダ室の圧力（背圧）を制御することにより調整されて弁体を開閉することになり、装置の小型軽量化を容易に達成した好適なサイドスラスタバルブを得ることが出来たものである。
【００４７】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１に記載のサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設してサイドスラスタ装置を構成しているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に独立して全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができ、好適なサイドスラスタ装置を得ることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図である。
【図２】図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図である。
【図３】図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図である。
【図４】図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が推力が不要となった際の断面図である。
【図５】弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【図６】従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
０１ａ、０１ｂ ノズル
０２ ハウジング
０３ａ、０３ｂ ノズルスカート
０４ａ、０４ｂ 弁体
０５ａ、０５ｂ ノズルスロート
０６ シャフト
０９ ハウジング
０１１ 歯車
０１２ ナット
０１３ スクリュー軸
０１４、０１５ ジョイント
０１７ ピン
０１８ リンク
０１９ａ、０１９ｂ 供給ポート
０２１ ポテンシォメータ
１ ノズル
２ シリンダ
３ ノズルスカート
４ 弁体
５ ノズルスロート
６ 供給ポート
７ ばね座
８ ばね
９ アクチュエータ
１０ サポート
１１ パイロットオリフィス
１２ パイロット弁
１３ 弁体内部オリフィス
１４ ピストン
１５ シリンダ室
１６ パイロット流路
２０ ケース
２１ インシュレータ
２２ 固体推進薬
２３ 燃焼面
２４ 燃焼ガス圧力
２５ 燃焼速度
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体推進薬を使用する飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブ、及び同サイドスラスタバルブを用いたサイドスラスタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブは、個々に独立したものを複数個配列したタイプのものと、２個のノズルを互いに背を向けて飛しょう体の軸線を中心として対称的に配置し、共通の弁体で開閉作動するものとの２様式に大別されるが、ここでは後者のものを例に従来のサイドスラスタバルブとして、その概要について図６に基づいて説明する。
【０００３】
図６は、従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【０００４】
０１ａ、０１ｂはノズルを示し、同ノズル０１ａ、０１ｂは、ハウジング０２に組み込まれたノズルスカート０３ａ、０３ｂ及び弁体０４ａ、０４ｂ等を含めて構成され、飛しょう体の軸線を対称軸として互いに背中を向け合って対称に構成されている。
【０００５】
このように背中合わせとなって対向するノズルスカート０３ａ、０３ｂそれぞれの内部には、弁体０４ａ、０４ｂが配置され、同弁体０４ａ、０４ｂは共通する１本のシャフト０６で連結されている。
【０００６】
前記シャフト０６は長手方向中央位置で一方のジョイント０１５を介してリンク０１８に連結している。
同リンク０１８は、前記ジョイント０１５と対称となるもう片方のジョイント０１４を介してスクリュー軸０１３と連結し、ピン０１７を支点として左右に回動（揺動）可能に構成されている。
【０００７】
スクリュー軸０１３は、ハウジング０９に固定されたナット０１２とかみ合っており、同ナット０１２は歯車０１１に接合され、かつ、歯車０１１は図示省略のサーボモータ等によって回転される。
【０００８】
なお、スクリュー軸０１３はポテンシォメータ０２１に結合されており、同ポテンシォメータ０２１によりスクリュー軸０１３の軸方向の移動、そしてその結果としてピン０１７を支点としたリンク０１８の回動角度が検出されるようになっている。
【０００９】
以上の構成によりここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、図示省略のサーボモータを回転させるとナット０１２のかみ合いによってスクリュー軸０１３が回転し、同スクリュー軸０１３は軸方向へ移動する。
【００１０】
このスクリュー軸０１３の軸方向への運動がリンク０１８を介してシャフト０６に伝達され、シャフト０６の両端に配置された弁体０４ａ、０４ｂがノズルスロート０５ａ、０５ｂの一方を解放し、他方を閉鎖させ、供給ポート０１９ａ、０１９ｂから供給される燃焼ガスの噴射を調整し、これにより推力を連続的または差動的に変化させるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、対向する弁体０４ａ、０４ｂを１本のシャフト０６で連結することによって、同弁体０４ａ、０４ｂに作用する流体力を打ち消しあい、サーボモータの駆動力を削減させている点でそれなりに評価出来るものである。
【００１２】
また、対向する２個のノズル０１ａ、０１ｂに対し、１個のサーボモータで推力の左右への切り替えを可能としているので、それぞれのノズル０１ａ、０１ｂを独立に開閉する場合に比較してサーボモータの設置を削減化できるメリットがある。
【００１３】
しかしながらノズル０１ａ、０１ｂの駆動力は、その全てをサーボモータを中心としてスクリュー軸０１３、リンク０１８等で構成されるアクチュエータに依存せざるを得ず、推力の切り替えに要する時間を短くし、高応答を実現しようとした場合、シャフト０６、弁体０４ａ、０４ｂ、リンク０１８等の慣性力が支配的になり、その結果必要なサーボモータトルクが大きくなり、装置が大型化するという問題がある。
【００１４】
また、対称配列のノズル０１ａ、０１ｂをリンク０１８等で対称的に開閉することになると、ノズルスロート０５ａ、０５ｂの面積を独立に可変できないため、固体推進薬を使用した場合、推力が不要な時に全てのノズルを全開にして固体推進薬の燃焼圧力を下げ、燃焼速度を減らして燃費を改善させる燃焼制御ができないという問題がある。
【００１５】
本発明は、このような従来のサイドスラスタバルブにおける不具合点を解消し、ノズルの開閉に要する装置、部位に必要な動力を低減させて装置の小型軽量化を図ったサイドスラスタバルブと、このような小型軽量化したサイドスラスタバルブを個々に独立させて設け、燃焼制御の幅を広げ、燃費の改善を図ったサイドスラスタ装置を提供することを課題とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされたもので、その第１の手段として、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体は前記燃焼ガスを一方側に受けてシリンダ内を摺動するピストンと同軸に構成され、同ピストンは、前記燃焼ガスを受ける一方側を他方側に形成されたシリンダ室とオリフィスを介して連通すると共に、前記一方側と他方側の受圧面積を等しく形成し、前記シリンダ室を大気に開放制御する装置と、前記ピストンと同軸上で前記弁体を閉鎖側に賦勢するばねを設けたサイドスラスタバルブを提供するものである。
【００１７】
すなわち、同第１の手段によれば、弁体と同軸に構成されたピストンの一方側に作用する燃焼ガスが、オリフィスを介して対向する他方側のシリンダ室に導入され、前記一方側と他方側の受圧面積は等しく形成されていることにより、前記一方側の燃焼ガス圧と前記シリンダ室に生じる背圧はバランスがとれ、これに弁体を閉鎖側に賦勢するばね力が前記ピストンと同軸上で加えられて弁体を閉鎖し、また、前記シリンダ室を大気に開放する制御装置を作動して前記燃焼ガス圧とシリンダ室の背圧のバランスをくずして弁体を開放側に移動するものである。
従って例えば小型で簡便なアクチュエータ等のような制御装置でシリンダ室の背圧制御を行うことにより、それが増幅されて弁体を開閉することができることとなり、装置の小型軽量化を容易に達成することができる。
【００１８】
また、本発明は第２の手段として、前記第１の手段におけるサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設したサイドスラスタ装置を提供するものである。
【００１９】
すなわち、同第２の手段によれば、前記第１の手段において小型軽量化されたサイドスラスタバルブは、独立のものとして飛しょう体の軸線を対称軸として対称位置に複数配置されているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本実施の形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図、図２は図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図、図３は図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図、図４は図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が推力が不要となった際の断面図、図５は弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【００２１】
本実施の形態において、１はノズルを示し、同ノズル１はシリンダ２、同シリンダ２の先端に形成されたノズルスカート３、及び弁体４等を主要部材として組み合わせて構成されている。
【００２２】
すなわち、ノズルスカート３の上流側に弁体４があり、ノズルスロート５の部分と弁体４との隙間を通して同弁体４の側方に開けられた供給ポート６から供給される燃焼ガスが流れ、これが同ノズル１から噴射されて推力が発生する。
【００２３】
弁体４の中央にはピストン１４が同軸に連結されており、同ピストン１４はその一方側の面に供給ポート６から供給される燃焼ガス（燃焼ガス供給圧力Ｐs ）を受けてシリンダ２内を弁軸方向に摺動可能になっており、この摺動でノズルスロート５の流路面積を連続的に可変とすることにより、連続的に推力の大きさを制御可能に構成されている。
【００２４】
同ピストン１４の一方側の面に対向する他方側の面には、シリンダ室１５が形成されており、後述するようにオリフィス（弁体内部オリフィス）１３等の機能によりこのシリンダ室１５内に生じる圧力を背圧Ｐv と呼ぶことにする。
【００２５】
なお、弁体４のノズル１と反対側は、シリンダ２を貫通してばね８に当接しており、かつ、同ばね８はシリンダ２と一体となったばね座７によって端部を抑えられ、ばね力Ｆs で弁体４を閉鎖方向に賦勢している。
【００２６】
ピストン１４の一部には、前記したようにピストン１４の一方側と他方側を連通した弁体内部オリフィス１３が設けられており、供給ポート６から導入された燃焼ガスがシリンダ室１５に流れ込めるようになっている。
【００２７】
同シリンダ室１５の一部にはパイロット流路１６が開けられており、下流末端に配置されて同パイロット流路１６よりもやや流路面積が小さく、かつ弁体４の内部オリフィス１３よりも流路面積の大きいパイロットオリフィス１１を経て、パイロット流れが外部へ排出されるようになっている。
【００２８】
なお、９はリニア型のアクチュエータで、サポート１０を介してシリンダ２に固定されており、同アクチュエータ９を駆動すると前記パイロット弁１２がパイロットオリフィス１１を開閉し、パイロット流量を制御し、これにより前記シリンダ室１５内の背圧Ｐv が制御される。
【００２９】
すなわち、前記アクチュエータ９を主要部材としてパイロット弁１２で開閉されるパイロットオリフィス１１等を含めて、前記シリンダ室１５を大気に開放制御する装置を構成している。
【００３０】
前記のように構成された本実施の形態において、弁体４のノズルスロート５側の面に作用する圧力（ノズルスロート圧力）をＰt 、周囲圧力をＰa 、燃焼ガス供給圧をＰs 、そしてシリンダ室１５の背圧をＰv として、図２のように弁体４をノズルスロート５から離していくと最終的にノズルスロート圧力Ｐt は周囲圧力Ｐs と同じになり、この位置が弁体４の全開位置となる。
【００３１】
他方、図３のように弁体４をノズルスロート５に近づけていくと、最終的には完全にノズルスロート５が封鎖された状態になってノズルスロート圧力Ｐt は周囲圧力Ｐa と同じになり、この位置が弁体４の全閉位置となる。
【００３２】
弁体４が全開から全閉に至るまでのノズルスロート圧力Ｐt は、図５に示すようにほぼ直線的に減少することが実験によって確認されている。
本実施の形態においてはこのノズルスロート圧力Ｐt の変化をキャンセルするようにばね８が機能する。
【００３３】
すなわち、パイロット弁１２を全開にすると、シリンダ室１５の背圧Ｐv は燃焼ガス供給圧Ｐs よりも下がり、同背圧Ｐv と燃焼ガス供給圧Ｐs の差圧によって弁体４はばね８の方向に押され、最終的にばね力Ｆs と釣り合う位置で弁体４が静定して全開となり、ノズル１から推力が発生する。
【００３４】
他方、パイロット弁１２を全閉にするとシリンダ室１５の背圧Ｐv は燃焼ガス供給圧Ｐs と等しくなり、ばね８の力によって弁体４はノズル１の方向に押され、ノズルスロート５と弁体４が接して全閉となって推力は発生しなくなる。
【００３５】
パイロット弁１２が中間の位置にある場合は、背圧Ｐv はパイロット弁１２の開度に応じた値となり、背圧Ｐv と燃焼ガス供給圧Ｐs の差圧による力とばね力Ｆs 、及び弁体４のノズルスロート部に作用する圧力（ノズルスロート圧力）Ｐt による力が釣り合った位置で保持される。
【００３６】
このようにして本実施の形態によれば、パイロット弁１２のわずかな動きに対してシリンダ室１５の背圧Ｐv が大きく変化し、また供給ガス圧力Ｐs も数ＭＰａの高圧であるので弁体４に作用する力が大きいので、小型軽量なアクチュエータ９のみで、弁体４を高応答かつ連続的に駆動させることが可能となる。
【００３７】
なお、前記実施の形態において、ばね８のばね定数の計算の一例と、これに基づく弁体４の位置等の関係について説明を補足すると以下の通りである。
【００３８】
周囲圧力Ｐa ＝０（真空）、スロート面積Ａt ＝ロッド面積Ａr 、パイロット弁開度は弁体内部オリフィス面積Ａf 〜２Ａf の間を可変、シリンダ圧Ｐv は燃焼ガス供給圧力Ｐs 〜Ｐs ／２を可変、弁体４の全開から全閉までのストロークをδとすると；
バネ定数ｋは弁体４が全開時の釣合いから、
【００３９】
上記において、パイロット弁開度Ａv を、Ａf 、１．５Ａf 、２Ａf と変えた場合の「弁体の位置」「ばねの圧縮力Ｆs 」「ノズルスロート圧力Ｐt 」「供給ガス圧力Ｐs 」及び「シリンダ室圧力Ｐv 」のそれぞれは、以下に示すようになる。
パイロット弁開度Ａv ：Ａf １．５Ａf ２Ａf
弁体の位置 ：全閉 半開１／２ 全開
ばねの圧縮力Ｆs ：０（自然長） ３Ｐs Ａt ／４ ３Ｐs Ａt ／２
ノズルスロート圧力Ｐt ：０（真空） Ｐs ／２ Ｐs
供給ガス圧力Ｐs ：Ｐs Ｐs Ｐs
シリンダ室の背圧Ｐv ：Ｐs Ｐs ／１．５ Ｐs ／２
・すなわち、弁体４の開動作開始時点では、パイロット弁１２が弁体内部オリフィス面積Ａf よりやや大きい状態に開くと、シリンダ室圧Ｐv がやや下がり、力のバランスがくずれて弁体４が開く方向に動く。
・弁体４の開動作中は、ノズルスロート圧Ｐt が上がって更に弁体４を開く方向に力が働く。
・弁体４の全開直前では、ばね８による逆向きの力が大きくなって、弁体４の動きが減速する。
・弁体４の閉動作開始時は、パイロット弁１２の開度が２Ａf よりも小さくなって、シリンダ室圧力Ｐv が上がり、弁体４を閉じる方向に力が作用する。
【００４０】
なおまた、このサイドスラスタバルブは、図４として示すようにサイドスラスタ装置に組み入れることができる。
すなわち、２個のスラスタバルブを飛しょう体の軸線に対して対称位置となるように互いに背中を向け合って対面して配置し、１個のガスジェネレータのケース２０に結合させる。
【００４１】
前記ケース２０の内部にはインシュレータ２１があり、その内側に固体推進薬２２が充填されており、同固体推進薬２２は燃焼面２３から燃焼ガス圧力２４を発生する。
【００４２】
図４は推力が不要の場合の一例を示し、２個のスラスタバルブを中立位置にしているが、同２個のスラスタバルブをそれぞれ全開にし、発生推力をキャンセルさせると共に、ノズルスロートを定格燃焼時の２倍としてガスジェネレータの燃焼ガス圧力２４を低下させ、固体推進薬２２の燃焼速度２５を低下して燃費を改善させることが可能となる。
なお、何れか一方のスラスタバルブに推力が必要な場合には、必要な方のスラスタバルブのノズルスロートを開き、他方のスラスタバルブを全閉とすることにより、固体推進薬２２は端面燃焼し、前記開とした一方のノズルスロートから燃焼ガスが排出され推力を発生する。
【００４３】
すなわち、軽量小型化して開閉操作の省エネ化をなしたスラスタバルブを個々に独立して設けているために、スラスタタバルブの開閉制御を多彩化でき、特に推力を不要とするときは各スラスタタバルブを全開制御して固体推進薬の燃焼速度２５を低下し、燃費を改善させることが可能となる。
【００４４】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００４５】
例えば前記シリンダ室１５を大気に開放制御する装置を構成する主要部材となるアクチュエータ９は、リニア型のアクチュエータとして示しているが、これはリニア型に限定されることなく、要するにパイロットオリフィス１１を開閉するものであれば如何様な形態のものであってもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、本出願の請求項１に記載の発明によれば、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体は前記燃焼ガスを一方側に受けてシリンダ内を摺動するピストンと同軸に構成され、同ピストンは、前記燃焼ガスを受ける一方側を他方側に形成されたシリンダ室とオリフィスを介して連通すると共に、前記一方側と他方側の受圧面積を等しく形成し、前記シリンダ室を大気に開放制御する装置と、前記ピストンと同軸上で前記弁体を閉鎖側に賦勢するばねを設けてサイドスラスタバルブを構成しているので、ピストンの一方側の圧力と、同一方側と受圧面積を等しく形成すると共に同一方側にオリフィスを介して連通する他方側のシリンダ室の圧力との圧力バランス、及び弁体を閉鎖側に賦勢するばね力との関連が、前記シリンダ室を大気に開放する制御装置でシリンダ室の圧力（背圧）を制御することにより調整されて弁体を開閉することになり、装置の小型軽量化を容易に達成した好適なサイドスラスタバルブを得ることが出来たものである。
【００４７】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１に記載のサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設してサイドスラスタ装置を構成しているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に独立して全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができ、好適なサイドスラスタ装置を得ることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図である。
【図２】図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図である。
【図３】図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図である。
【図４】図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が推力が不要となった際の断面図である。
【図５】弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【図６】従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
０１ａ、０１ｂ ノズル
０２ ハウジング
０３ａ、０３ｂ ノズルスカート
０４ａ、０４ｂ 弁体
０５ａ、０５ｂ ノズルスロート
０６ シャフト
０９ ハウジング
０１１ 歯車
０１２ ナット
０１３ スクリュー軸
０１４、０１５ ジョイント
０１７ ピン
０１８ リンク
０１９ａ、０１９ｂ 供給ポート
０２１ ポテンシォメータ
１ ノズル
２ シリンダ
３ ノズルスカート
４ 弁体
５ ノズルスロート
６ 供給ポート
７ ばね座
８ ばね
９ アクチュエータ
１０ サポート
１１ パイロットオリフィス
１２ パイロット弁
１３ 弁体内部オリフィス
１４ ピストン
１５ シリンダ室
１６ パイロット流路
２０ ケース
２１ インシュレータ
２２ 固体推進薬
２３ 燃焼面
２４ 燃焼ガス圧力
２５ 燃焼速度
Claims (2)
- 弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体は前記燃焼ガスを一方側に受けてシリンダ内を摺動するピストンと同軸に構成され、同ピストンは、前記燃焼ガスを受ける一方側を他方側に形成されたシリンダ室とオリフィスを介して連通すると共に、前記一方側と他方側の受圧面積を等しく形成し、前記シリンダ室を大気に開放制御する装置と、前記ピストンと同軸上で前記弁体を閉鎖側に賦勢するばねを設けたことを特徴とするサイドスラスタバルブ。
- 前記請求項１に記載のサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設したことを特徴とするサイドスラスタ装置。
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