JP4001667B2 - Rocket thrust direction control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はロケットの推力方向制御装置、特に二次流体噴射(Secondary Liquid Injection Thrust Vector Control,SITVCもしくはLITVCという)による推力方向制御装置に関し、さらに詳しくは、ノズルスロート部下流の側壁から流体を噴射させることにより主流に対して二次流体を干渉させて、結果的に噴射した壁方向の横力(横比推力)を発生させて推力方向を制御するようにした装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のSITVCもしくはLITVCとしては、二次噴射流体としてホットガスのほか、液体(N2O4、フレオン、過塩素酸ナトリウム水溶液)ならびに冷気体(N2、He)等を用いたものが広く知られている(例えば、「増補版 航空宇宙工学便覧」,昭59.10.10,丸善(株)発行,P652〜654、ならびに特開平1−277666号公報等参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の推力方向制御装置では、ロケットのピッチ,ヨーを制御するために、ノズルに設けられる二次噴射流体の噴射口は少なくとも四つ必要であるとともに、各噴射口ごとに独立した複数の噴射流体収容タンク、噴射弁駆動用の電気−油圧式のサーボ弁および油圧源等をノズルのまわりに設ける必要があるために大幅な重量増加を招くほか、配管系統の複雑化に伴ってその気密性確認作業に多大な工数を要することとなって好ましくない。
【0004】
特に、上記の油圧源として高圧窒素ガス等を併用するブローダウン方式のオイルタンクを用いた場合、ならびに使用する二次噴射流体によっては、射場設備として高圧ガスおよび二次噴射流体の充填装置が必要となるほか、発射直前のオペレーション作業も面倒になるという問題がある。
【0005】
本発明は以上のような課題に着目してなされたもので、ロケット推進機関のチャンバ内の燃焼ガスの一部を取り出してこれを二次噴射流体として用いることによって、設備の簡素化と重量軽減を図り、併せて気密性確認作業やオペレーションの工数の削減を図った推力方向制御装置を提供しようとするものである。
【0008】
請求項1に記載の発明は、固体ロケットモータのノズルのうちノズルスロート部よりも後方の壁面に開口形成された噴射口と、固体ロケットモータのチャンバ内の燃焼ガスをノズルを経由することなく取り出して上記噴射口に供給するガス通路と、前記ガス通路もしくは噴射口を開閉する噴射弁と、前記ガス通路のうち噴射口よりも上流側に設けられて、燃焼ガスに含まれる溶融固形物を捕集する捕集手段とを備えている。そして、前記噴射口はノズル円周方向の等分位置に複数設けられていて、いずれか一つの噴射口から選択的に燃焼ガスが噴射されるようになっているとともに、ノズルの外側にこれと同芯状に環状の捕集手段が設けられていて、この捕集手段を複数の噴射口が共有しているものであることを特徴としている。
【0012】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明における捕集手段の内部に複数の隔壁を設けて断面略迷路状の捕集通路を形成したことを特徴としている。
【0013】
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明における噴射弁がソレノイドによって開閉駆動されるものであることを特徴としている。
【0014】
したがって、請求項1に記載の発明では、固体ロケットモータの燃焼チャンバ内の燃焼ガスを、ノズルを経由することなく一旦取り出した上で、これを二次噴射流体としてノズルスロート部後方の噴射口からノズル内に噴射すると、従来と同様に、噴射した壁方向の横力が発生して、ロケット全体としての推力方向が制御される。特にノズル円周方向等分位置に設けた複数の噴射口のうちのいずれかから選択的に燃焼ガスを噴射することにより、ロケットのピッチおよびヨー方向の姿勢を制御することができる。
【0015】
これにより、チャンバ内の燃焼ガスを取り出して噴射口に導く通路と、噴射口を開閉する噴射弁とがあればよく、従来のような二次噴射流体を収容するためのタンク等が不要となる。
【0016】
ここで、固体ロケットモータでは、推進薬自体に添加剤としてアルミニウム等を用いることによって発熱量増加に伴う性能向上を図っているため、燃焼ガスにはそのアルミニウムが溶けたもの、すなわち酸化アルミニウム(アルミナ)が含まれていることになる。
【0017】
そこで、固体ロケットモータのチャンバ内の燃焼ガスを一旦取り出す一方で、噴射弁の前段側に捕集手段を設けているため、その燃焼ガスに含まれる上記アルミナ等の溶融固形物が捕集手段にて捕集されて除去される。このようにすることにより、噴射弁等へのアルミナの付着を防止することができる。
【0021】
請求項2に記載の発明では、上記の捕集手段の内部に複数の隔壁を設けて断面略迷路状の捕集通路を形成してあるため、燃焼ガスが上記の捕集通路を通過しつつ隔壁に衝突することにより、その隔壁にアルミナ等の溶融固形物が付着して捕集される。
【0022】
請求項3に記載の発明では、上記の噴射弁がソレノイドによって開閉駆動されることにより、従来のような電気−油圧式のサーボ弁や油圧源等が不要となる。
【0023】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、固体ロケットモータの燃焼チャンバ内の燃焼ガスの一部を一旦取り出し、これを二次噴射流体として用いてノズルスロート部後方の噴射口からノズル内部に噴射するようにしたため、ピッチおよびヨー方向の姿勢制御を容易に行えることはもちろんのこと、従来は必須とされた二次噴射流体収容タンクが不要となり、装置全体の簡素化と軽量化が図れるとともに、気密性確認作業に要する工数を削減でき、また、射場設備における流体充填装置も不要となるほか、その流体充填に要するオペレーション工数も削減できる効果がある。
【0024】
加えて、ノズルの外側に設けられた環状の単一の捕集手段を複数の噴射口が共有しているかたちとなっているため、噴射口一つあたりの捕集容積ひいては捕集能力をより大きく確保できるほか、燃焼ガスに含まれるアルミナ等の溶融固形物を捕集手段にて予め除去した上で、これを二次噴射流体として用いて噴射するようにしたため、上記のアルミナ等の溶融固形物が噴射弁に付着してシール性を阻害することがなくなり、信頼性が向上する。
【0029】
請求項2に記載の発明によれば、捕集手段の内部に複数の隔壁を設けて断面が略迷路状をなす捕集通路を形成したため、請求項1に記載の発明と同様の効果のほかに、捕集手段の捕集通路をより長く確保して捕集能力を一段と向上できる効果がある。
【0030】
請求項3に記載の発明によれば、上記の二次噴射流体である燃焼ガスを噴射するための噴射弁がソレノイドによって開閉駆動される方式であるため、従来のサーボ弁や油圧源が一切不要となり、請求項1または2に記載の発明と同様の効果のほかに、装置全体の一層の簡素化と軽量化を実現できる効果がある。
【0031】
図1〜3は本発明の前提となる基本技術を示す図で、ロケット推進機関として、固体ロケットモータに適用した場合の例を示している。
【0032】
図1において、2は固体ロケットモータ1のチャンバ、3はそのチャンバ2の後部に設けられたノズルであって、チャンバ2の内部にはインシュレータ4を介して推進薬5が装填されている。この推進薬5は、例えば過塩素酸アンモニウム等の固体酸化剤粉末を、未端水酸基ポリブタジエン(HTPB)等に代表される高分子燃料(合成ゴム)を粘結剤として混合,硬化させたコンポジット系の推進薬であって、さらに添加剤としてアルミニウムの粉末を配合して発熱量増加に伴う性能向上を図っている。
【0033】
前記ノズル3のうちノズルスロート部6よりも後方位置の外周にはノズル3と同芯状にリング状のホルダ7が装着されており、その円周方向の四等分位置には、図3に示すようにソレノイド9を駆動源とする電磁噴射弁8がそれぞれに設けられている。そして、各電磁噴射弁8のノズル噴射口10はホルダ7に形成されたポート11およびノズル3に形成された噴射口12を通してノズル3の内部に開口している。
【0034】
また、上記の各電磁噴射弁8とチャンバ2の後部との間にはガス通路となる導管13がそれぞれに設けられており、これによって各電磁噴射弁8の入口側とチャンバ2後部の内部空間とが連通されているとともに、各導管13の中間部には捕集手段としてのフィルタ14が各別に介装されている。
【0035】
上記の各電磁噴射弁8は、図3に示すように、ソレノイド9によりスプール15を往復移動させることによりピントル16を上下動させてそのノズル噴射口10を開閉するもので、同図に示す閉状態では、ノズルボデイ17の上部空間に連通するポート18がスプール15によって遮断されている一方、そのポート18に隣接するもう一方のポート19がバイパスポート20,21を介して入口ポート22に連通しており、これによって入口ポート22側に作用している燃焼ガス圧によりピントル16が押し下げられて、入口ポート22側からノズル噴射口10側への燃焼ガスの流通を遮断している。すなわち、ピントル16の大径部16a上面と大径部16a下面との受圧面積差のために、ピントル16はノズル噴射口10を閉止している。
【0036】
その一方、電磁噴射弁8の開動作時には、ソレノイド9によってスプール15を同図左方向に移動させると、ポート18が外部に開放されるとともに、もう一方のポート19が遮断され、ピントル16の上部空間には外部雰囲気の圧力が作用するようになる。これによって、ピントル16には入口ポート22側の燃焼ガス圧が上向きに作用し、ピントル16が上昇することによってノズル噴射口10が開くことになる。
【0037】
ここで、電磁噴射弁8のバルブケース23内のガス通路となる部分のうちスプール15やピントル16およびそれらとの摺動部分が例えばセラミックで形成されているのに対して、それ以外の部分はCFRP製のインシュレータ24で覆われて熱的保護が施されている。
【0038】
また、上記のフィルタ14は、図2に示すように、内周面がCFRP製のインシュレータ25で覆われたケース26内に同じくCFRPで形成された複数の隔壁(仕切板)27を並設するとともに、各隔壁27に千鳥状に連通孔28を形成したもので、これによってフィルタ14には断面が略迷路状をなす捕集通路29が形成されている。
【0039】
したがって、本技術によれば、チャンバ2内の推進薬5の燃焼に伴って高温,高圧のガスが生成され、この燃焼ガスがノズルスロート部6を通ってノズル3後方に噴出することによりロケットの飛翔に必要な推力を得る。この燃焼ガス温度は例えば3500゜Kにも達し、添加剤として配合したアルミニウムの粉末が溶けたもの、すなわち溶融固形物であるアルミナが含まれており、同時に上記の燃焼ガス圧は導管13とフィルタ14を通して電磁噴射弁8にも作用している。
【0040】
そして、必要なタイミングで上記の四つの電磁噴射弁8のうちのいずれか一つをON−OFF制御し、前述したようにスプール15を図3に実線で示す位置から同図左方向に前進させることにより、ピントル16が上動してノズル噴射口10が開くことになる。
【0041】
例えば図1に示す電磁噴射弁8Aを開動作させると、ノズル噴射口10からノズル3自体に形成された噴射口12を通してノズル内部3に燃焼ガスが二次噴射ガスとして噴射され、ノズルスロート部6を通過してきた主燃焼ガスと混合されてノズル3外部に噴出する。この時、噴射口12から噴射された二次噴射ガスと主燃焼ガスとの混合領域すなわち二次噴射ガスが噴射された噴射口12からノズル3の出口に向かう部分の圧力が他の部分よりも高くなるため、二次噴射ガスの噴射方向と逆向きの横力Fsが発生し、これによってロケットの機体のピッチもしくはヨー方向の姿勢が変化することになる。
【0042】
また、前述したように燃焼ガスにはアルミナが含まれているものの、各電磁噴射弁8の上流側に設置したフィルタ14を通すことにより、上記燃焼ガスに含まれるアルミナが捕集され、スプール15やピントル16等の可動部分へのアルミナ付着が防止できることになる。すなわち、高温,高圧の燃焼ガスが各電磁噴射弁8に入る前にフィルタ14内の比較的長い迷路状の捕集通路29を通過させることにより、その燃焼ガスの温度が徐々に降下して最終的には電磁噴射弁8を形成している各要素の耐熱温度以下となる一方、燃焼ガス自体の温度低下とそのガスと各隔壁27との衝突によって燃焼ガス中のアルミナ成分が各隔壁27に付着して除去される。
【0043】
このように、本技術によれば、チャンバ2内の燃焼ガスの一部を取り出して二次噴射ガスとして有効利用していることから、二次噴射ガスのためのタンク等が不要となることはもちろんのこと、燃焼ガス中に含まれる溶融固形物をフィルタ14で除去しつつ温度低下を促進させるようにしているために、上記の溶融固形物の付着による電磁噴射弁8のシール性不良を防止できるとともに、同じく電磁噴射弁8の耐熱耐久性も向上することになる。
【0044】
図4は上記基本技術を前提とした本発明の代表的な実施の形態を示す図で、先の基本技術では各電磁噴射弁8ごとにフィルタ14も独立しているのに対して、本実施の形態では複数の電磁噴射弁8が単一のフィルタ34を共有している点で異なっている。
【0045】
すなわち、ノズル3の外周にはそのノズル3と同芯状に環状のフィルタ34が配設されており、そのフィルタ34のケース30の内周面はCFRP製のインシュレータ31によって熱的保護が施されているとともに、その内部空間は穴あき円板状のCFRPからなる複数の隔壁32によって仕切られ、さらに各隔壁32には互いに最も遠くなるような位置関係のもとに連通孔33が形成されている。これによって、フィルタ34内には断面が略迷路状をなす捕集通路35が形成されている。
【0046】
本実施の形態におけるフィルタ34の捕集原理は先の基本技術のものと同様であるが、基本技術のものと比べてその捕集通路35の全長をきわめて大きく確保できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の前提となる基本技術を示す図で、固体ロケットモータの要部断面説明図。
【図2】図1に示すフィルタの要部断面説明図。
【図3】図1に示す電磁噴射弁の断面説明図。
【図4】 本発明の代表的な実施の形態を示す要部断面説明図。
【符号の説明】
1…固体ロケットモータ
2…チャンバ
3…ノズル
5…推進薬
6…ノズルスロート部
8…電磁噴射弁
12…噴射口
13…導管(ガス通路)
14…フィルタ
27…隔壁
28…連通孔
29…捕集通路
32…隔壁
33…連通孔
34…フィルタ
35…捕集通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thrust direction control device for a rocket, and more particularly to a thrust direction control device by secondary fluid injection (referred to as Secondary Liquid Injection Thrust Vector Control, SITVC or LITVC), and more specifically, ejects fluid from a side wall downstream of a nozzle throat. Thus, the present invention relates to an apparatus for controlling a thrust direction by causing a secondary fluid to interfere with a main flow and generating a lateral force (aspect ratio thrust) in a wall direction as a result.
[0002]
[Prior art]
As conventional SITVC or LITVC, those using liquid (N 2 O 4 , freon, sodium perchlorate aqueous solution), cold gas (N 2 , He), etc. in addition to hot gas as secondary injection fluid are widely known. (See, for example, “Enhanced Aerospace Engineering Handbook”, Sho 59.10.10, published by Maruzen Co., Ltd., P652-654, and JP-A-1-277666, etc.).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional thrust direction control device as described above, in order to control the pitch and yaw of the rocket, at least four injection ports for the secondary injection fluid provided in the nozzle are necessary, and each injection port is independent. It is necessary to install multiple injection fluid storage tanks, electro-hydraulic servo valves for driving the injection valves, and a hydraulic power source around the nozzle. The airtightness confirmation work requires a great number of man-hours, which is not preferable.
[0004]
In particular, when a blow-down type oil tank that uses high-pressure nitrogen gas or the like is used as the hydraulic source, and depending on the secondary injection fluid used, a high-pressure gas and secondary injection fluid filling device is required as a launching facility. In addition, there is a problem that the operation work just before the launch becomes troublesome.
[0005]
The present invention has been made paying attention to the problems as described above. By taking out a part of the combustion gas in the chamber of the rocket propulsion engine and using it as a secondary injection fluid, the equipment is simplified and the weight is reduced. At the same time, the present invention intends to provide a thrust direction control device that reduces the number of man-hours for airtightness confirmation and operation.
[0008]
According to the first aspect of the present invention, the nozzle formed in the rear wall surface of the nozzle of the solid rocket motor and the combustion gas in the chamber of the solid rocket motor is taken out without passing through the nozzle. A gas passage for supplying to the injection port, an injection valve for opening / closing the gas passage or the injection port, and an upstream side of the injection port in the gas passage for capturing the molten solid contained in the combustion gas. And collecting means for collecting . A plurality of the injection ports are provided at equal positions in the circumferential direction of the nozzle, and combustion gas is selectively injected from any one of the injection ports. An annular collection means is provided concentrically, and the collection means is shared by a plurality of injection ports .
[0012]
The invention described in
[0013]
The invention described in
[0014]
Therefore, in the first aspect of the present invention, the combustion gas in the combustion chamber of the solid rocket motor is once taken out without going through the nozzle, and then used as a secondary injection fluid from the injection port behind the nozzle throat portion. When injected into the nozzle, a lateral force in the direction of the injected wall is generated as in the prior art, and the thrust direction of the entire rocket is controlled. In particular, by selectively injecting combustion gas from any of a plurality of injection ports provided at equal positions in the nozzle circumferential direction, the pitch of the rocket and the attitude in the yaw direction can be controlled.
[0015]
Accordingly, it is sufficient if there is a passage for taking out combustion gas in the chamber and leading it to the injection port, and an injection valve for opening and closing the injection port, and a conventional tank or the like for storing the secondary injection fluid becomes unnecessary. .
[0016]
Here, in the solid rocket motor, the performance of the calorific value is increased by using aluminum or the like as an additive in the propellant itself. Therefore, the combustion gas in which the aluminum is dissolved, that is, aluminum oxide (alumina ) Will be included.
[0017]
Therefore, while the combustion gas in the chamber of the solid rocket motor is once taken out , the collection means is provided on the upstream side of the injection valve, so the molten solid matter such as alumina contained in the combustion gas is collected in the collection means. Collected and removed. By doing in this way, adhesion of the alumina to an injection valve etc. can be prevented.
[0021]
In the second aspect of the present invention, a plurality of partition walls are provided inside the collecting means to form a collecting passage having a substantially labyrinthal cross section, so that combustion gas passes through the collecting passage. By colliding with the partition walls, molten solids such as alumina adhere to the partition walls and are collected.
[0022]
In the third aspect of the invention, the above-described injection valve is driven to open and close by a solenoid, thereby eliminating the need for a conventional electro-hydraulic servo valve, hydraulic source, and the like.
[0023]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, part of the combustion gas in the combustion chamber of the solid rocket motor is once taken out and used as a secondary injection fluid to be injected into the nozzle from the injection port behind the nozzle throat. As a result, not only can the posture control in the pitch and yaw directions be easily performed, but the secondary injection fluid storage tank, which has been required in the past, is no longer required. It is possible to reduce the man-hour required for the property confirmation work, eliminate the need for a fluid filling device in the launch facility, and reduce the operation man-hour required for the fluid filling.
[0024]
In addition, since a plurality of injection ports share a single annular collecting means provided outside the nozzle, the collection volume per injection port and thus the collection capacity can be increased. In addition to ensuring a large amount, the molten solid material such as alumina contained in the combustion gas is removed in advance by the collecting means , and then this is used as a secondary injection fluid to be injected. The object does not adhere to the injection valve and hinder the sealing performance, and the reliability is improved.
[0029]
According to the second aspect of the present invention, since a plurality of partition walls are provided inside the collecting means to form a collecting passage having a substantially labyrinthal cross section, the effect similar to that of the first aspect of the invention is provided. In addition, there is an effect that the collection path of the collection means can be secured longer and the collection ability can be further improved.
[0030]
According to the third aspect of the present invention, since the injection valve for injecting the combustion gas as the secondary injection fluid is driven by a solenoid, no conventional servo valve or hydraulic source is required. Thus, in addition to the same effect as that of the first or second aspect of the invention, there is an effect that further simplification and weight reduction of the entire apparatus can be realized.
[0031]
FIGS. 1 to 3 are diagrams showing a basic technology as a premise of the present invention, and show an example in which the present invention is applied to a solid rocket motor as a rocket propulsion engine.
[0032]
In FIG. 1, 2 is a chamber of the
[0033]
A ring-shaped
[0034]
In addition, a
[0035]
As shown in FIG. 3, each
[0036]
On the other hand, when the
[0037]
Here, the
[0038]
Further, as shown in FIG. 2, the
[0039]
Therefore, according to the present technology, a high-temperature and high-pressure gas is generated with combustion of the propellant 5 in the
[0040]
Then, any one of the above four
[0041]
For example, when the
[0042]
Although the combustion gas contains alumina as described above, the alumina contained in the combustion gas is collected by passing through the
[0043]
As described above, according to the present technology, since a part of the combustion gas in the
[0044]
Figure 4 is a graphical illustration of an exemplary embodiment of the present invention on the assumption the basic technique, whereas the
[0045]
That is, an
[0046]
The collection principle of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic technology as a premise of the present invention, and is a cross-sectional explanatory view of a main part of a solid rocket motor.
2 is an explanatory cross-sectional view of a main part of the filter shown in FIG.
3 is a cross-sectional explanatory view of the electromagnetic injection valve shown in FIG.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of a relevant part showing a typical embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
14 ...
Claims (3)
固体ロケットモータのチャンバ内の燃焼ガスをノズルを経由することなく取り出して上記噴射口に供給するガス通路と、
前記ガス通路もしくは噴射口を開閉する噴射弁と、
前記ガス通路のうち噴射口よりも上流側に設けられて、燃焼ガスに含まれる溶融固形物を捕集する捕集手段と、
を備えていて、
前記噴射口はノズル円周方向の等分位置に複数設けられていて、いずれか一つの噴射口から選択的に燃焼ガスが噴射されるようになっているとともに、
ノズルの外側にこれと同芯状に環状の捕集手段が設けられていて、この捕集手段を複数の噴射口が共有しているものであることを特徴とするロケットの推力方向制御装置。An injection port formed in the wall surface behind the nozzle throat portion among the nozzles of the solid rocket motor,
A gas passage for taking out the combustion gas in the chamber of the solid rocket motor without passing through the nozzle and supplying it to the injection port;
An injection valve for opening and closing the gas passage or the injection port;
A collecting means provided on the upstream side of the injection port in the gas passage, and collecting the molten solid contained in the combustion gas;
With
A plurality of the injection ports are provided at equal positions in the circumferential direction of the nozzle, and the combustion gas is selectively injected from any one of the injection ports,
An apparatus for controlling the thrust direction of a rocket, characterized in that an annular collecting means is provided concentrically on the outside of the nozzle, and the collecting means is shared by a plurality of injection ports .
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