JP3702248B2 - 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
【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7に基づいて説明する。
【0003】
図7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、所定の駆動力を確保するために必要なアクチュエータ自体の規模を大幅に縮小することはできないという問題がある。
【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ガス圧力を下げ、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サーボモータの必要トルク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、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定し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、弁体を全開位置及び全閉位置に切換え移動するために、アクチュエータとばねとを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定され、かつ、弁体自体は上記中立位置で同弁体に作用する力がゼロになるようにシャフトの断面積を選定されているので、弁体は全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢され、弁体の開閉にばね力が大きく寄与してアクチュエータの作動を助け、アクチュエータを構成するサーボモータ等の必要トルクを低減させて装置の小型軽量化を図るようにしたものである。
【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6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一方の方向に全開で噴射した場合の断面図、図5は図4のサイドスラスタ装置において推力が不要となった際の断面図、図6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はハウジング2に組み込まれたノズルスカート3、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17から供給される燃焼ガスが流れ、同ノズル1から噴射されて推力が発生する。
【0023】
弁体4にはシャフト6が連結され、同シャフト6はハウジング2を貫通して 軸方向に摺動可能になっており、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としている。
【0024】
シャフト6の弁体4の連結端部側と異なるもう片方の端部にはばね座7が設置され、同ばね座7とハウジング2の間にばね8が挿入されている。
ここで同ばね8は、弁体4の中立位置(全開位置と全閉位置の中間位置)で自然長になるように設定され、これによりばね8は弁体4の全開方向と全閉方向の移動に対応して圧縮と引っ張りの両方向に対して変形可能となっている。
【0025】
ばね8の両端はハウジング2及びばね座7に結合され、ばね座7にはジョイント9が連結されている。
他方、ピン10を支点としてリンク12が回動(揺動)可能になっており、リンク12の一方の端はジョイント9に連結され、もう片方はボールナット13に取り付けられたジョイント11に連結されている。
【0026】
ボールナット13はサーボモータ15の回転軸と一体となったボールねじ14とかみ合っており、サーボモータ15はサポート16を介してハウジング2に固定されている。
【0027】
すなわち、サーボモータ15を回転させるとボールねじ14が回転し、それにかみ合っているボールナット13がボールねじ14の軸方向に移動し、ジョイント11を介してリンク12が回転し、ジョイント9がシャフト6の軸方向に移動し、弁体4がノズルスロート面積を変化させて推力を連続的に可変とさせる構造になっている。
【0028】
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 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 は燃焼ガス供給圧Ps と同じになり、この位置が弁体4の全開位置となる。
【0029】
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。
【0030】
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6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。
従って弁体4が全開と全閉のちょうど中間となる中立位置では、弁体4のノズルスロート圧力Pt は、Pt =(Ps +Pa )/2となる。
【0031】
この位置で弁体4に作用する力がゼロとなるようにシャフト6の面積Ar を選定すると、Ar =(1−Ps /Pa )×At /2となる。
【0032】
他方、ばね8は弁体4が中立位置の時に自然長となる様にセットされて圧縮と引っ張りが可能なコイルばねになっているので、弁体4が開閉する際のノズルスロート圧力Pt の変動による弁体4に作用する力をキャンセルするようにばね4の定数kを選定する場合、弁体4の全開から全閉までの全ストロークをδとすれば、k=(Pt −Pa )×At /δとなる。
【0033】
すなわち、本実施の形態によれば、前記のようにシャフト面積Ar 、ばね定数kを設定することによって、弁体4に作用する流体力を完全にキャンセルさせることができるようになる。
【0034】
これにより、弁体4を駆動させるためのサーボモータ15の必要トルクは、弁体4及びリンク12等の慣性及び摩擦力に打ち勝つだけの力だけでよく、小型軽量なサーボモータの採用で弁体4を駆動させることが可能となる。
【0035】
なお、このサイドスラスタバルブは、図4、図5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18、19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。
【0036】
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24を発生する。
【0037】
ここで一方のスラスタバルブ19に推力を必要とするときには、図4に示したように、同スラスタバルブ19のノズルスロート面積26を確保すると共に、スラスタバルブ18側のノズルスロート面積25を全閉とすることにより、固体推進薬22は比較的大きい或る燃焼速度27で端面燃焼し、ノズルスロート面積26から燃焼ガスが排出され推力を発生する。
【0038】
他方、飛しょう体の方向を調整する必要がなく推力が不要の場合には、図5に示すように全てのノズルスロート面積25、26を全開にし、発生推力をキャンセルさせると共に、ノズルスロート面積25、26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、その結果固体推進薬22の燃焼速度29が低下して燃費を改善させることが可能となる。
【0039】
図4及び図5の例示ではスラスタバルブ18、19と2個の場合を示しているが、これは飛しょう体の軌道修正、姿勢制御の自由度に応じて3個以上に増やしても良く、その場合はさらに燃焼ガス圧が下がり燃費がより改善される。
なお、サイドスラスタ装置の作動する高度が一定ではなく周囲圧力Pa が変動する場合、及びガスジェネレータから供給される燃焼ガス供給圧力Ps が変動して一定でない場合には、弁体に作用する流体力を完全にキャンセルすることはできなくなるが、これら周囲圧力Pa 、燃焼ガス供給圧力Ps の取りうる範囲の平均値を上式に適用することにより、サーボモータ15の必要トルクを最小限にすることができる。
【0040】
なお、サイドスラスタ装置の作動する高度が一定ではなく周囲圧力Pa が変動する場合、及びガスジェネレータから供給される燃焼ガス供給圧力Ps が変動して一定でない場合には、弁体に作用する流体力を完全にキャンセルすることはできなくなるが、これら周囲圧力Pa 、燃焼ガス供給圧力Ps の取りうる範囲の平均値を上式に適用することにより、サーボモータ15の必要トルクを最小限にすることができる。
【0041】
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。
【0042】
【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、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定してサイドスラスタバルブを構成しているので、弁体の開閉にばね力が大きく寄与してアクチュエータの作動を助け、アクチュエータを構成するサーボモータ等の必要トルクを低減させて装置の小型軽量化を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。
【0043】
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一方の方向に全開で噴射した場合の断面図である。
【図5】図4のサイドスラスタ装置において推力が不要となった際の断面図である。
【図6】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7】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 ハウジング
3 ノズルスカート
4 弁体
5 ノズルスロート
6 シャフト
7 ばね座
8 ばね
9、11 ジョイント
10 ピン
12 リンク
13 ボールナット
14 ボールねじ
15 サーボモータ
16 サポート
17 供給ポート
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、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定し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。
Priority Applications (2)
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JP2002146101A JP3702248B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | サイドスラスタバルブ及びサイドスラスタ装置 |
US10/441,039 US6986246B2 (en) | 2002-05-21 | 2003-05-20 | Side thruster valve and side thruster device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002146101A JP3702248B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | サイドスラスタバルブ及びサイドスラスタ装置 |
Publications (2)
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JP2003336546A JP2003336546A (ja) | 2003-11-28 |
JP3702248B2 true JP3702248B2 (ja) | 2005-10-05 |
Family
ID=29705186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2002146101A Expired - Lifetime JP3702248B2 (ja) | 2002-05-21 | 2002-05-21 | サイドスラスタバルブ及びサイドスラスタ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3702248B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7509796B2 (en) * | 2006-09-13 | 2009-03-31 | Aerojet-General Corporation | Pintle-controlled propulsion system with external dynamic seal |
US8016211B2 (en) * | 2007-03-30 | 2011-09-13 | Aerojet-General Corporation | Pintle-controlled propulsion system with external ring actuator |
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2002
- 2002-05-21 JP JP2002146101A patent/JP3702248B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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