JP3788973B2 - 推力制御バルブ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛翔体の軌道制御および姿勢制御を行うスラスタ（thruster）などの２次推進系エンジンの推力（推進力ともいう）および飛翔体の速度を制御するための推力制御バルブの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、大気圏内を高高度で飛翔する飛翔体は、操舵翼によって発生する操舵力だけでは充分な姿勢制御または軌道制御（ダイバート）を行うことができないため、推薬（推進薬ともいう）を収容したチャンバから導かれる高圧の推進用ガスを噴射して推力を発生するスラスタが搭載されている。このスラスタには、前記推進用ガスの噴射によって発生する推力を制御するために、推薬弁とも呼ばれる推力制御バルブが備えられている。
【０００３】
図６は、従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１を模式的に示す断面図であり、図６（１）は推力制御バルブ１が開放した状態を示し、図６（２）は推力制御バルブ１が閉鎖した状態を示す。このピントルバルブ方式の推力制御バルブ１は、推進用ガスが供給されるガス供給室２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室３と、ガス供給室２およびガス噴射室３を共通な軸線上で連通するガス通路４とが形成されるノズル５と、ノズル５の前記ガス供給室２、ガス通路４およびガス噴射室３にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス通路４の内周面６と、この内周面６に対向する円錐状の外周面７との間に流路８を形成するプラグ９とを含む。
【０００４】
前記プラグ９は、図示しないモータを備える駆動系によって前記軸線方向に変位駆動される、このプラグ９の変位によって、流路８の流路断面積を変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御する。ガス供給室２内の推進用ガスの圧力Ｐ１とプラグ９の外周面７における受圧面積Ａとの積が、プラグ９を軸線に沿って前記内周面６から離反する方向に作用する負荷力Ｆとなる。この負荷力Ｆは、要求される推力に応じて増大し、プラグ９を制御する前記モータを含む駆動系が長大なものとなる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、他の従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１を模式的に示す断面図である。この差動方式の推力制御バルブ１１は、推進用ガスが供給される一対のガス供給室１２ａ，１２ｂと、前記推進用ガスを噴出する一対のガス噴射室１３ａ，１３ｂと、ガス供給室１２ａ，１２ｂおよびガス噴射室１３ａ，１３ｂを共通な軸線上でそれぞれ連通する一対のガス通路１４ａ，１４ｂとが形成されるノズル１５と、ノズル１５の前記ガス供給室１２ａ，１２ｂ、ガス通路１４ａ，１４ｂおよびガス噴射室１３ａ，１３ｂにわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス供給室１２ａ，１２ｂに臨む内周面１６ａ，１６ｂと、これらの内周面１６ａ，１６ｂに対向する円錐状の外周面１７ａ，１７ｂとの間に流路１８ａ，１８ｂをそれぞれ形成し、相互に同軸に連なる一対のプラグ１９ａ，１９ｂとを含む。
【０００６】
このような差動方式の推力制御バルブ１１では、モータによって一対のプラグ１９ａ，１９ｂの位置を制御し、推力を線形に変化させることができる。また一対のプラグ１９ａ，１９ｂへの推進力が相殺される構成であるので、前記モータに要求されるトルクは、図６に示される前記従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１に比べて小さくなるが、推力を必要としない場合であっても、両側から同じ推力を発生して相殺させるため、必要な推進用ガスの流量が増加する（たとえば、特許文献２参照）。
【０００７】
図８は、さらに他の従来の技術のフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１を模式的に示す断面図であり、図８（１）は推力制御バルブ２１が開放した状態を示し、図８（２）は推力制御バルブ２１が閉鎖した状態を示す。このフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１は、推進用ガスが供給されるガス供給室２２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室２３と、ガス供給室２２およびガス噴射室２３を共通な軸線上で連通するガス通路２４とが形成されるノズル２５と、ノズル２５の前記ガス供給室２２、ガス通路２４およびガス噴射室２３にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス通路２４の開閉を行うプラグ２９と、プラグ２９が固定されるポペット３０と、ポペット３０に作用する背後側の空間３２の圧力を制御する電磁弁３１とを含む。
【０００８】
この推力制御バルブ２１では、ガス供給室２２と、ポペット３０によって仕切られる背後側の空間３２とは、ポペット３０に形成される透孔３３を介して連通し、背後側の空間３２の圧力を電磁弁３１の開度を調整することによって、プラグ２９に作用する負荷力を増減させてプラグ２９を変位させ、これによってガス通路２４の開閉を行い、推力を制御する。
【０００９】
このようなフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１では、発生推力を線形に制御することができないため、パルス幅変調（略称ＰＷＭ）駆動方式によって前記電磁弁３１の制御を行っている。このため、前記電磁弁３１への制御信号が飛翔体への誘導信号にノイズとして捕捉されてしまい、飛翔体の誘導精度を劣化させる可能性がある（たとえば、特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第４８９ ７１２号明細書
【特許文献２】
特開平１１−８３３９６号公報
【特許文献３】
特開２０００−２８３３０１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減させ、消費する推進用ガスの流量を低減し、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズの発生を抑制することができる推力制御バルブを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、推進用ガスが供給されるガス供給室と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室と、ガス供給室およびガス噴射室を共通な軸線上で連通するガス通路とが形成されるノズルと、
ノズルヘッドの前記ガス供給室、ガス通路およびガス噴射室にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス供給室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス供給室側流路、およびガス噴射室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス噴射室側流路の各流路断面積を同時に変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御するプラグとを含むことを特徴とする推力制御バルブである。
【００１３】
本発明に従えば、ノズル内に形成されるガス供給室、ガス噴射室およびガス通路には、プラグが軸線方向に移動自在に挿入され、ノズルの前記ガス供給室に臨む内周面と、この内周面に対向する前記プラグの外周面との間には、ガス供給室側流路が形成される。また、ノズルの前記ガス噴射室に臨む内周面と、この内周面に対向する前記プラグの外周面との間には、ガス噴射室側流路が形成される。前記プラグが軸線方向に移動することによって、前記ガス供給室側流路およびガス噴射室側流路の各流路断面積を変化させることができ、これによってガス供給室へ供給された推進用ガスは、ガス供給室側流路、ガス通路およびガス噴射室側流路をこの順序に通過し、各流路の流路断面積に応じて推進用ガスの流量を変化させ、推力を制御することができる。
【００１４】
前記プラグのガス供給室側流路を形成する部位には、ガス供給室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス噴射室からガス供給室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生し、前記プラグのガス噴射室側流路が形成される部位には、ガス噴射室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス供給室からガス噴射室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生する。したがって前記プラグには、各負荷力が互いに逆方向に作用することになり、これらの負荷力は相殺し、各負荷力の差に相当する力だけが、総合的な負荷力としてプラグに作用する。このように簡単な構成で、推力を必要としないときまでも推進用ガスを噴射することなく、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズを発生せずに、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減し、推力制御に対する応答性が向上された推力制御バルブが実現される。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、プラグにはガス噴射室側受圧部とガス供給室側受圧部とが設けられるので、各受圧部の受圧面の大きさおよび形状によってプラグの移動量および移動方向に対する負荷力の変化を調整することが可能となり、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易に最適化することができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられ、
前記ガス噴射室側受圧部の受圧面は、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面に近接する方向に傾斜する第１受圧面と、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面から離反する方向に傾斜する第２受圧面とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、前記プラグのガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグに作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグの負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易にかつ高精度で最適化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の推力制御バルブ４１を示す簡略化した断面図であり、図２は図１に示される推力制御バルブ４１の動作を示す簡略化した断面図であり、図２（１）は推力制御バルブ４１が開放した状態を示し、図２（２）は推力制御バルブ４１が閉鎖した状態を示す。飛翔体の軌道制御および姿勢制御を行うスラスタ（thruster）などの２次推進系エンジンの推力（推進力ともいう）を制御するため、および飛翔体の速度を制御するために搭載される推力制御バルブ４１は、推進用ガスが供給されるガス供給室４２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室４３と、ガス供給室４２およびガス噴射室４３を共通な軸線４４上で連通するガス通路４５とが形成されるノズル４６と、ノズル４６の前記ガス供給室４２、ガス通路４５およびガス噴射室４３にわたって前記軸線４４に沿う移動方向Ｃ１，Ｃ２に移動自在に挿入されるプラグ５３とを含む。
【００２０】
前記プラグ５３は、移動方向Ｃ１，Ｃ２方向の移動によって、ガス供給室４２に臨む内周面４７と、この内周面４７に対向する外周面４８との間に形成されるガス供給室側流路４９、およびガス噴射室４３に臨む内周面５０と、この内周面５０に対向する外周面５１との間に形成されるガス噴射室側流路５２の各流路断面積Ａ１，Ａ２を、同時に変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御する。
【００２１】
前記プラグ５３は、図示しないアクチュエータによって軸線４４方向に駆動され、線形制御による指令に応答して直線的に変位動作する。前記アクチュエータは、たとえばサーボモータおよびこのサーボモータの出力軸の回転を直線運動に変換して前記プラグに伝達する回転／直線運動変換機構などを含んで実現される。このようなアクチュエータは、プラグ５３の負荷力の低減によって、小形化および軽量化することができ、この推力制御バルブを用いたスラスタを飛翔体に搭載することによって、飛翔体全体の質量を軽減して、機動性の向上を支援することができる。
【００２２】
このようなプラグ５３は、タングステン、モリブデン、カーボン複合材料、カーボン・シリカ複合材料、およびグラファイト等の耐熱材料のうちの１種または複数種の組合せから成る耐熱性および耐摩耗性の高い材料によって形成される。
【００２３】
前記プラグ５３が軸線方向Ｃ１，Ｃ２に移動することによって、ガス供給室４２へ供給された推進用ガスは、ガス供給室側流路４９、ガス通路４５およびガス噴射室側流路５２をこの順序に通過し、各流路４９，５２の流路断面積Ａ１，Ａ２に応じて推進用ガスの流量を変化させ、推力を制御することができる。
【００２４】
前記プラグ５３には、ガス噴射室４３およびガス通路４５間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室４２からガス噴射室４３へ移動する方向Ｃ１に負荷力Ｆ０を発生する受圧面６１，６２が形成されるガス噴射室側受圧部６３と、ガス供給室４２およびガス通路４５間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室４３からガス供給室４２へ移動する方向Ｃ２に負荷力Ｆ１を発生する受圧面６４が形成されるガス供給室側受圧部６５とが設けられる。
【００２５】
前記ガス噴射室側受圧部６３の受圧面６１，６２は、ガス供給室側受圧部６５から軸線４４方向に離反するにつれてガス噴射室４３の内周面５０に近接する方向に傾斜する第１受圧面６１と、ガス供給室側受圧部６５から軸線４４方向に離反するにつれてガス噴射室４３の内周面５０から離反する方向に傾斜する第２受圧面６２とを有する。
【００２６】
各受圧面６１，６２の軸線４４を含む一平面で切断したときの断面形状は、直線、多段の段差状および滑らかな曲線形状のうちのいずれかを採用することができる。
【００２７】
図３は、推力制御バルブ４１のガス供給室側流路およびガス噴射室側の各位置における圧力とプラグ５３の総合負荷力との関係の一例を示す図である。前記プラグ５３のガス供給室側流路４９が形成される部位には、ガス供給室４２内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグ５３を軸線４４に沿って、ガス噴射室４３からガス供給室４２へ向かって移動させる方向に負荷力Ｆ１が発生し、前記プラグ５３のガス噴射室側流路５２が形成される部位には、ガス噴射室４３内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグ５３を軸線４４に沿って、ガス供給室４２からガス噴射室４３へ向かって移動させる方向に負荷力Ｆ０が発生する。
【００２８】
同図において、プラグ負荷力は、各位置における圧力と受圧面積との積を位置方向に積分したものである。すなわち、同図では、プラグ５３の右端位置におけるプラグ負荷力が、プラグ５３に印加される総合負荷力となる。
【００２９】
図４は、推力制御バルブ４１の推進用ガスの流量の抑制効果を説明するための図であり、図４（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図４（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの使用状態を示す。前述の図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１では、図４（１）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、相互に連結された左右一対のプラグによって負荷力を調整するので、ガスジェネレータの推進用ガス発生の能力を１００％としたとき、推力が不要な左右方向に２５％ずつ推進用ガスを発生させる必要があるので、推力が必要な上方へは５０％だけになってしまう。これに対して本実施の形態の推力制御バルブ４１では、図４（２）に示されるように、推力を得たい側に配置される単一の推力制御バルブ４１だけから推進用ガスを噴射させることができるので、推力を必要としないとき、推進用ガスを噴射することなく、不要時には完全に推力をゼロにして、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、推力を必要とする方向だけに推進用ガスを噴射して、同一の推力を発生させることができる。
【００３０】
図５は、推力制御バルブ４１の推進用ガスの最大流量を増加させることを説明するための図であり、図５（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図５（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示す。前述の図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブでは、図５（１）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、推力制御バルブ１つあたりの推進用ガスの最大流量は、ガスジェネレータの能力を１００％とすると、その５０％に制限される。これに対して本実施の形態の推力制御バルブ４１では、図５（２）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、推力制御バルブ１つあたりの推進用ガスの最大流量は、ガスジェネレータの能力を１００％とすると、１００％を出力することができ、従来の推力の最大２倍を推力を達成することができる。これによって飛翔体の姿勢または軌道制御性能を向上することができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態の推力制御バルブ４１においては、前記プラグ５３のガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグ５３に作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグ５３の負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、要求される推力に応じて容易にかつ高精度で最適化することができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、前記プラグのガス供給室側流路を形成する部位には、ガス供給室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス噴射室からガス供給室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生し、前記プラグのガス噴射室側流路が形成される部位には、ガス噴射室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス供給室からガス噴射室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生する。したがって前記プラグには、各負荷力が互いに逆方向に作用することになり、これらの負荷力は相殺し、各負荷力の差に相当する力だけが、総合的な負荷力としてプラグに作用する。このように簡単な構成で、推力を必要としないときまでも推進用ガスを噴射することなく、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズを発生せずに、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減し、推力制御に対する応答性が向上された推力制御バルブが実現される。
【００３３】
請求項２記載の本発明によれば、プラグにはガス噴射室側受圧部とガス供給室側受圧部とが設けられるので、各受圧部の受圧面の大きさおよび形状によってプラグの移動量および移動方向に対する負荷力の変化を調整することが可能となり、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易に最適化することができる。
【００３４】
請求項３記載の本発明によれば、プラグのガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグに作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグの負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易にかつ高精度で最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の推力制御バルブ４１を示す簡略化した断面図である。
【図２】図１に示される推力制御バルブ４１の動作を示す簡略化した断面図であり、図２（１）は推力制御バルブ４１が開放した状態を示し、図２（２）は推力制御バルブ４１が閉鎖した状態を示す。
【図３】推力制御バルブ４１のガス供給室側およびガス噴射室側の各位置における圧力とプラグ５３の総合負荷力との関係の一例を示す図である。
【図４】推力制御バルブ４１の推進用ガスの流量の抑制効果を説明するための図であり、図４（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブが飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図４（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの使用状態を示す。
【図５】推力制御バルブ４１の推進用ガスの最大流量を増加させることを説明するための図であり、図５（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブが飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図５（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示す。
【図６】従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１を模式的に示す断面図であり、図６（１）は推力制御バルブ１が開放した状態を示し、図６（２）は推力制御バルブ１が閉鎖した状態を示す。
【図７】他の従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１を模式的に示す断面図である。
【図８】さらに他の従来の技術のフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１を模式的に示す断面図であり、図８（１）は推力制御バルブ２１が開放した状態を示し、図８（２）は推力制御バルブ２１が閉鎖した状態を示す。
【符号の説明】
４１ 推力制御バルブ
４２ ガス供給室
４３ ガス噴射室
４４ 軸線
４５ ガス通路
４６ ノズル
４７ ガス供給室４２に臨む内周面
４８ ガス供給室４２に臨む内周面４７に対向する外周面
４９ ガス供給室側流路
５０ ガス噴射室４３に臨む内周面
５１ ガス噴射室４３に臨む内周面５０に対向する外周面
５２ ガス噴射室側流路
５３ プラグ
Ａ１，Ａ２ 流路断面積
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛翔体の軌道制御および姿勢制御を行うスラスタ（thruster）などの２次推進系エンジンの推力（推進力ともいう）および飛翔体の速度を制御するための推力制御バルブの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、大気圏内を高高度で飛翔する飛翔体は、操舵翼によって発生する操舵力だけでは充分な姿勢制御または軌道制御（ダイバート）を行うことができないため、推薬（推進薬ともいう）を収容したチャンバから導かれる高圧の推進用ガスを噴射して推力を発生するスラスタが搭載されている。このスラスタには、前記推進用ガスの噴射によって発生する推力を制御するために、推薬弁とも呼ばれる推力制御バルブが備えられている。
【０００３】
図６は、従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１を模式的に示す断面図であり、図６（１）は推力制御バルブ１が開放した状態を示し、図６（２）は推力制御バルブ１が閉鎖した状態を示す。このピントルバルブ方式の推力制御バルブ１は、推進用ガスが供給されるガス供給室２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室３と、ガス供給室２およびガス噴射室３を共通な軸線上で連通するガス通路４とが形成されるノズル５と、ノズル５の前記ガス供給室２、ガス通路４およびガス噴射室３にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス通路４の内周面６と、この内周面６に対向する円錐状の外周面７との間に流路８を形成するプラグ９とを含む。
【０００４】
前記プラグ９は、図示しないモータを備える駆動系によって前記軸線方向に変位駆動される、このプラグ９の変位によって、流路８の流路断面積を変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御する。ガス供給室２内の推進用ガスの圧力Ｐ１とプラグ９の外周面７における受圧面積Ａとの積が、プラグ９を軸線に沿って前記内周面６から離反する方向に作用する負荷力Ｆとなる。この負荷力Ｆは、要求される推力に応じて増大し、プラグ９を制御する前記モータを含む駆動系が長大なものとなる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
図７は、他の従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１を模式的に示す断面図である。この差動方式の推力制御バルブ１１は、推進用ガスが供給される一対のガス供給室１２ａ，１２ｂと、前記推進用ガスを噴出する一対のガス噴射室１３ａ，１３ｂと、ガス供給室１２ａ，１２ｂおよびガス噴射室１３ａ，１３ｂを共通な軸線上でそれぞれ連通する一対のガス通路１４ａ，１４ｂとが形成されるノズル１５と、ノズル１５の前記ガス供給室１２ａ，１２ｂ、ガス通路１４ａ，１４ｂおよびガス噴射室１３ａ，１３ｂにわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス供給室１２ａ，１２ｂに臨む内周面１６ａ，１６ｂと、これらの内周面１６ａ，１６ｂに対向する円錐状の外周面１７ａ，１７ｂとの間に流路１８ａ，１８ｂをそれぞれ形成し、相互に同軸に連なる一対のプラグ１９ａ，１９ｂとを含む。
【０００６】
このような差動方式の推力制御バルブ１１では、モータによって一対のプラグ１９ａ，１９ｂの位置を制御し、推力を線形に変化させることができる。また一対のプラグ１９ａ，１９ｂへの推進力が相殺される構成であるので、前記モータに要求されるトルクは、図６に示される前記従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１に比べて小さくなるが、推力を必要としない場合であっても、両側から同じ推力を発生して相殺させるため、必要な推進用ガスの流量が増加する（たとえば、特許文献２参照）。
【０００７】
図８は、さらに他の従来の技術のフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１を模式的に示す断面図であり、図８（１）は推力制御バルブ２１が開放した状態を示し、図８（２）は推力制御バルブ２１が閉鎖した状態を示す。このフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１は、推進用ガスが供給されるガス供給室２２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室２３と、ガス供給室２２およびガス噴射室２３を共通な軸線上で連通するガス通路２４とが形成されるノズル２５と、ノズル２５の前記ガス供給室２２、ガス通路２４およびガス噴射室２３にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス通路２４の開閉を行うプラグ２９と、プラグ２９が固定されるポペット３０と、ポペット３０に作用する背後側の空間３２の圧力を制御する電磁弁３１とを含む。
【０００８】
この推力制御バルブ２１では、ガス供給室２２と、ポペット３０によって仕切られる背後側の空間３２とは、ポペット３０に形成される透孔３３を介して連通し、背後側の空間３２の圧力を電磁弁３１の開度を調整することによって、プラグ２９に作用する負荷力を増減させてプラグ２９を変位させ、これによってガス通路２４の開閉を行い、推力を制御する。
【０００９】
このようなフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１では、発生推力を線形に制御することができないため、パルス幅変調（略称ＰＷＭ）駆動方式によって前記電磁弁３１の制御を行っている。このため、前記電磁弁３１への制御信号が飛翔体への誘導信号にノイズとして捕捉されてしまい、飛翔体の誘導精度を劣化させる可能性がある（たとえば、特許文献３参照）。
【００１０】
【特許文献１】
欧州特許出願公開第４８９ ７１２号明細書
【特許文献２】
特開平１１−８３３９６号公報
【特許文献３】
特開２０００−２８３３０１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減させ、消費する推進用ガスの流量を低減し、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズの発生を抑制することができる推力制御バルブを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、推進用ガスが供給されるガス供給室と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室と、ガス供給室およびガス噴射室を共通な軸線上で連通するガス通路とが形成されるノズルと、
ノズルヘッドの前記ガス供給室、ガス通路およびガス噴射室にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス供給室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス供給室側流路、およびガス噴射室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス噴射室側流路の各流路断面積を同時に変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御するプラグとを含むことを特徴とする推力制御バルブである。
【００１３】
本発明に従えば、ノズル内に形成されるガス供給室、ガス噴射室およびガス通路には、プラグが軸線方向に移動自在に挿入され、ノズルの前記ガス供給室に臨む内周面と、この内周面に対向する前記プラグの外周面との間には、ガス供給室側流路が形成される。また、ノズルの前記ガス噴射室に臨む内周面と、この内周面に対向する前記プラグの外周面との間には、ガス噴射室側流路が形成される。前記プラグが軸線方向に移動することによって、前記ガス供給室側流路およびガス噴射室側流路の各流路断面積を変化させることができ、これによってガス供給室へ供給された推進用ガスは、ガス供給室側流路、ガス通路およびガス噴射室側流路をこの順序に通過し、各流路の流路断面積に応じて推進用ガスの流量を変化させ、推力を制御することができる。
【００１４】
前記プラグのガス供給室側流路を形成する部位には、ガス供給室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス噴射室からガス供給室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生し、前記プラグのガス噴射室側流路が形成される部位には、ガス噴射室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス供給室からガス噴射室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生する。したがって前記プラグには、各負荷力が互いに逆方向に作用することになり、これらの負荷力は相殺し、各負荷力の差に相当する力だけが、総合的な負荷力としてプラグに作用する。このように簡単な構成で、推力を必要としないときまでも推進用ガスを噴射することなく、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズを発生せずに、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減し、推力制御に対する応答性が向上された推力制御バルブが実現される。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、プラグにはガス噴射室側受圧部とガス供給室側受圧部とが設けられるので、各受圧部の受圧面の大きさおよび形状によってプラグの移動量および移動方向に対する負荷力の変化を調整することが可能となり、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易に最適化することができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられ、
前記ガス噴射室側受圧部の受圧面は、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面に近接する方向に傾斜する第１受圧面と、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面から離反する方向に傾斜する第２受圧面とを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、前記プラグのガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグに作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグの負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易にかつ高精度で最適化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の推力制御バルブ４１を示す簡略化した断面図であり、図２は図１に示される推力制御バルブ４１の動作を示す簡略化した断面図であり、図２（１）は推力制御バルブ４１が開放した状態を示し、図２（２）は推力制御バルブ４１が閉鎖した状態を示す。飛翔体の軌道制御および姿勢制御を行うスラスタ（thruster）などの２次推進系エンジンの推力（推進力ともいう）を制御するため、および飛翔体の速度を制御するために搭載される推力制御バルブ４１は、推進用ガスが供給されるガス供給室４２と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室４３と、ガス供給室４２およびガス噴射室４３を共通な軸線４４上で連通するガス通路４５とが形成されるノズル４６と、ノズル４６の前記ガス供給室４２、ガス通路４５およびガス噴射室４３にわたって前記軸線４４に沿う移動方向Ｃ１，Ｃ２に移動自在に挿入されるプラグ５３とを含む。
【００２０】
前記プラグ５３は、移動方向Ｃ１，Ｃ２方向の移動によって、ガス供給室４２に臨む内周面４７と、この内周面４７に対向する外周面４８との間に形成されるガス供給室側流路４９、およびガス噴射室４３に臨む内周面５０と、この内周面５０に対向する外周面５１との間に形成されるガス噴射室側流路５２の各流路断面積Ａ１，Ａ２を、同時に変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御する。
【００２１】
前記プラグ５３は、図示しないアクチュエータによって軸線４４方向に駆動され、線形制御による指令に応答して直線的に変位動作する。前記アクチュエータは、たとえばサーボモータおよびこのサーボモータの出力軸の回転を直線運動に変換して前記プラグに伝達する回転／直線運動変換機構などを含んで実現される。このようなアクチュエータは、プラグ５３の負荷力の低減によって、小形化および軽量化することができ、この推力制御バルブを用いたスラスタを飛翔体に搭載することによって、飛翔体全体の質量を軽減して、機動性の向上を支援することができる。
【００２２】
このようなプラグ５３は、タングステン、モリブデン、カーボン複合材料、カーボン・シリカ複合材料、およびグラファイト等の耐熱材料のうちの１種または複数種の組合せから成る耐熱性および耐摩耗性の高い材料によって形成される。
【００２３】
前記プラグ５３が軸線方向Ｃ１，Ｃ２に移動することによって、ガス供給室４２へ供給された推進用ガスは、ガス供給室側流路４９、ガス通路４５およびガス噴射室側流路５２をこの順序に通過し、各流路４９，５２の流路断面積Ａ１，Ａ２に応じて推進用ガスの流量を変化させ、推力を制御することができる。
【００２４】
前記プラグ５３には、ガス噴射室４３およびガス通路４５間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室４２からガス噴射室４３へ移動する方向Ｃ１に負荷力Ｆ０を発生する受圧面６１，６２が形成されるガス噴射室側受圧部６３と、ガス供給室４２およびガス通路４５間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室４３からガス供給室４２へ移動する方向Ｃ２に負荷力Ｆ１を発生する受圧面６４が形成されるガス供給室側受圧部６５とが設けられる。
【００２５】
前記ガス噴射室側受圧部６３の受圧面６１，６２は、ガス供給室側受圧部６５から軸線４４方向に離反するにつれてガス噴射室４３の内周面５０に近接する方向に傾斜する第１受圧面６１と、ガス供給室側受圧部６５から軸線４４方向に離反するにつれてガス噴射室４３の内周面５０から離反する方向に傾斜する第２受圧面６２とを有する。
【００２６】
各受圧面６１，６２の軸線４４を含む一平面で切断したときの断面形状は、直線、多段の段差状および滑らかな曲線形状のうちのいずれかを採用することができる。
【００２７】
図３は、推力制御バルブ４１のガス供給室側流路およびガス噴射室側の各位置における圧力とプラグ５３の総合負荷力との関係の一例を示す図である。前記プラグ５３のガス供給室側流路４９が形成される部位には、ガス供給室４２内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグ５３を軸線４４に沿って、ガス噴射室４３からガス供給室４２へ向かって移動させる方向に負荷力Ｆ１が発生し、前記プラグ５３のガス噴射室側流路５２が形成される部位には、ガス噴射室４３内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグ５３を軸線４４に沿って、ガス供給室４２からガス噴射室４３へ向かって移動させる方向に負荷力Ｆ０が発生する。
【００２８】
同図において、プラグ負荷力は、各位置における圧力と受圧面積との積を位置方向に積分したものである。すなわち、同図では、プラグ５３の右端位置におけるプラグ負荷力が、プラグ５３に印加される総合負荷力となる。
【００２９】
図４は、推力制御バルブ４１の推進用ガスの流量の抑制効果を説明するための図であり、図４（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図４（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの使用状態を示す。前述の図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１では、図４（１）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、相互に連結された左右一対のプラグによって負荷力を調整するので、ガスジェネレータの推進用ガス発生の能力を１００％としたとき、推力が不要な左右方向に２５％ずつ推進用ガスを発生させる必要があるので、推力が必要な上方へは５０％だけになってしまう。これに対して本実施の形態の推力制御バルブ４１では、図４（２）に示されるように、推力を得たい側に配置される単一の推力制御バルブ４１だけから推進用ガスを噴射させることができるので、推力を必要としないとき、推進用ガスを噴射することなく、不要時には完全に推力をゼロにして、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、推力を必要とする方向だけに推進用ガスを噴射して、同一の推力を発生させることができる。
【００３０】
図５は、推力制御バルブ４１の推進用ガスの最大流量を増加させることを説明するための図であり、図５（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図５（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示す。前述の図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブでは、図５（１）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、推力制御バルブ１つあたりの推進用ガスの最大流量は、ガスジェネレータの能力を１００％とすると、その５０％に制限される。これに対して本実施の形態の推力制御バルブ４１では、図５（２）に示されるように、飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたとき、推力制御バルブ１つあたりの推進用ガスの最大流量は、ガスジェネレータの能力を１００％とすると、１００％を出力することができ、従来の推力の最大２倍を推力を達成することができる。これによって飛翔体の姿勢または軌道制御性能を向上することができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態の推力制御バルブ４１においては、前記プラグ５３のガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグ５３に作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグ５３の負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、要求される推力に応じて容易にかつ高精度で最適化することができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、前記プラグのガス供給室側流路を形成する部位には、ガス供給室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス噴射室からガス供給室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生し、前記プラグのガス噴射室側流路が形成される部位には、ガス噴射室内の推進用ガスの圧力によって、前記プラグを軸線に沿って、ガス供給室からガス噴射室へ向かって移動させる方向に負荷力が発生する。したがって前記プラグには、各負荷力が互いに逆方向に作用することになり、これらの負荷力は相殺し、各負荷力の差に相当する力だけが、総合的な負荷力としてプラグに作用する。このように簡単な構成で、推力を必要としないときまでも推進用ガスを噴射することなく、無駄な推進用ガスの使用を可及的に少なくし、飛翔体の誘導精度を劣化させるノイズを発生せずに、推進用ガスによるプラグへの負荷力を低減し、推力制御に対する応答性が向上された推力制御バルブが実現される。
【００３３】
請求項２記載の本発明によれば、プラグにはガス噴射室側受圧部とガス供給室側受圧部とが設けられるので、各受圧部の受圧面の大きさおよび形状によってプラグの移動量および移動方向に対する負荷力の変化を調整することが可能となり、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易に最適化することができる。
【００３４】
請求項３記載の本発明によれば、プラグのガス噴射室側受圧部には、第１受圧面と第２受圧面とが形成されるので、これらの第１および第２受圧面の軸線方向の長さ、半径方向の長さおよび形状などを個別に調整して、プラグに作用する負荷力を高精度で調整することが可能となる。このようにプラグの負荷力を高精度で調整することができることによって、推力制御の応答性を、連続作動噴射およびパルス作動噴射などの各種の噴射状態に対して要求される推力が得られるように、容易にかつ高精度で最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の推力制御バルブ４１を示す簡略化した断面図である。
【図２】図１に示される推力制御バルブ４１の動作を示す簡略化した断面図であり、図２（１）は推力制御バルブ４１が開放した状態を示し、図２（２）は推力制御バルブ４１が閉鎖した状態を示す。
【図３】推力制御バルブ４１のガス供給室側およびガス噴射室側の各位置における圧力とプラグ５３の総合負荷力との関係の一例を示す図である。
【図４】推力制御バルブ４１の推進用ガスの流量の抑制効果を説明するための図であり、図４（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブが飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図４（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの使用状態を示す。
【図５】推力制御バルブ４１の推進用ガスの最大流量を増加させることを説明するための図であり、図５（１）は図７に示される従来の技術の差動方式の推力制御バルブが飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示し、図５（２）は本実施の形態の推力制御バルブ４１が飛翔体６０の機軸６１に関して周方向に９０°毎に設けられたときの推進用ガスの噴射状態を示す。
【図６】従来の技術のピントルバルブ方式の推力制御バルブ１を模式的に示す断面図であり、図６（１）は推力制御バルブ１が開放した状態を示し、図６（２）は推力制御バルブ１が閉鎖した状態を示す。
【図７】他の従来の技術の差動方式の推力制御バルブ１１を模式的に示す断面図である。
【図８】さらに他の従来の技術のフローティングポペット方式の推力制御バルブ２１を模式的に示す断面図であり、図８（１）は推力制御バルブ２１が開放した状態を示し、図８（２）は推力制御バルブ２１が閉鎖した状態を示す。
【符号の説明】
４１ 推力制御バルブ
４２ ガス供給室
４３ ガス噴射室
４４ 軸線
４５ ガス通路
４６ ノズル
４７ ガス供給室４２に臨む内周面
４８ ガス供給室４２に臨む内周面４７に対向する外周面
４９ ガス供給室側流路
５０ ガス噴射室４３に臨む内周面
５１ ガス噴射室４３に臨む内周面５０に対向する外周面
５２ ガス噴射室側流路
５３ プラグ
Ａ１，Ａ２ 流路断面積
Claims (3)
- 推進用ガスが供給されるガス供給室と、前記推進用ガスを噴出するガス噴射室と、ガス供給室およびガス噴射室を共通な軸線上で連通するガス通路とが形成されるノズルと、
ノズルヘッドの前記ガス供給室、ガス通路およびガス噴射室にわたって前記軸線方向に移動自在に挿入され、この軸線方向の移動によって、ガス供給室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス供給室側流路、およびガス噴射室に臨む内周面と、この内周面に対向する外周面との間に形成されるガス噴射室側流路の各流路断面積を同時に変化させて、推進用ガスの噴射による推力を制御するプラグとを含むことを特徴とする推力制御バルブ。 - 前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられることを特徴とする請求項１記載の推力制御バルブ。
- 前記プラグには、ガス噴射室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス供給室からガス噴射室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス噴射室側受圧部と、ガス供給室およびガス通路間で移動自在に配置され、推進用ガスの圧力によってガス噴射室からガス供給室へ移動する方向に負荷力を発生する受圧面が形成されるガス供給室側受圧部とが設けられ、
前記ガス噴射室側受圧部の受圧面は、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面に近接する方向に傾斜する第１受圧面と、ガス供給室側受圧部から軸線方向に離反するにつれてガス噴射室の内周面から離反する方向に傾斜する第２受圧面とを有することを特徴とする請求項１記載の推力制御バルブ。
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