JP4070238B2 - 推進装置用伸展自在の拡大尾管 - Google Patents

Description

本発明はロケットの伸展自在の拡大部に関する。
ロケットの推力は、ガスの噴出量と噴出速度に依存する。速度因子を最適化するために、特に多段ロケットの第二あるいは第三段に対し大径の出口を有する拡大部を設ける必要がある。これにより拡大部が長くなり、有効スペースを両立させるのがしばしば困難となる。一つの解決策は拡大部を伸展自在に設計することであり、その初期形状は短く、拡大部の一つもしくはそれ以上のリングを所定位置に配置することにより長くすることができる。
伸展自在の拡大部はまた、地上に近い低高度から高高度に行くにしたがって減少する周囲圧力にロケットノズルの出口部を適合させるために使用され、高度が変化するにもかかわらず最適推力にできるだけ近い近似値が常に得られる。
このような場合はすべて、最少量のエネルギを消費して拡大部の伸展部を自動的に信頼性のある状態で伸展する必要がある。
伸展自在の拡大部に対応して種々の伸展機構、特にケーブルや、ローラ螺子や、ボール螺子や、伸展できるビームや、隔膜を利用した機構が提案されている。これらの機構は全体として比較的大きく、特に大径の拡大部にとって質量が非常に大きいという問題を惹起している。
このような問題のない伸展機構は本願出願人の米国特許第５２８２５７６号に既に提案されている。拡大部は、ロケットの端部壁に連結された上流端を有する第一部分と、拡大部の第一部分を囲繞する退避位置と第一部分を延長するようにその下流端に連結される伸展位置との間を移動自在のリング状第二部分とを備えている。伸展機構は、拡大部のリングに連結された一端を有するヒンジ付きアームと、拡大部のリングをその退避位置から伸展位置に移動させるアーム駆動手段を備えている。
拡大部のリングを伸展位置にロックして、それを通過するジェットからの推力の影響を受けて退避位置に戻るのを防止する必要がある。米国特許第５２８２５７６号では、このロックはアームの偏心あるいは「トグル」作用によって達成され、伸展後アクチュエータ手段が作動しつづけないようにしている。また、伸展機構の動作は逆転可能である。
本発明の目的は、米国特許第５２８２５７６号と同一タイプの伸展自在の拡大部を提供することにあるが、アームは特別な幾何形状を必要とすることなくリングは信頼性のある方法で伸展位置にロックされ、伸展機構は逆転自在に設計されてはいない。
この目的は以下の事実により達成される。
・第一部分の下流端周辺とリングの上流端周辺に離間して配置され、リングがその伸展位置にあるときにリングを第一部分の下流端にロックさせる手段が設けられている。
・伸展機構はリングと協働して超安定装置を形成する少なくとも四本のアームを備え、リングは大きく変形することなく所望位置まで移動可能で、伸展されると第一部分に自動的に、かつ、完全にロックされる。
したがって、本発明の伸展自在の拡大部は、その周囲に設けられたロック手段による拡大部のリングの第一部分への自動ロックと、自動ロックに必要な正しい伸展位置へ拡大部のリングを正確にガイドしうる移動装置の超安定性との組み合わせに特徴がある。
ロック手段は一つもしくはそれ以上の対応する凹部と協働する複数の可撓性舌片を備え、リングが伸展位置に到達すると舌片が凹部に嵌入する構成が好ましい。
さらに、リングを退避位置にロックする嵌脱自在のロック手段を設けるのが好ましい。
本発明は、別紙図面を参照して非限定的な以下の説明を読むことにより、より理解できる。
図１は、本発明の伸展自在の拡大部の第一実施形態を示す概略断面半図であり、拡大部のリングが退避位置にある場合を示している。
図２は図１と同様な断面半図であり、拡大部のリングが伸展位置にある場合を示している。
図３は図１及び２の伸展機構のアームの平面図である。
図４は拡大部のリングを第一部分にロックするために図１及び２の伸展自在の拡大部に設けられたロック手段の詳細図で、ロック直前のロック手段を示している。
図５は図４と同様な詳細図で、ロック後を示している。
図６は本発明の伸展自在の拡大部の第二実施形態を示す概略断面半図であり、拡大部のリングが退避位置にある場合を示している。
図７は図１と同様な断面半図であり、拡大部のリングが伸展位置にある場合を示している。
図１及び２において、図番１０はロケット本体、例えば固体推進剤ロケットを示しており、その燃焼室１２は、伸展自在の拡大部の第一部分２０により伸張されたノズル口１６を介してロケットの端部壁１４に開口している。
拡大部の部分２０の上流端（ガスの流れ方向における上流）及びノズル口１６は、ノズルが固定されている場合は円錐部材により、また、ノズルが図に示されるように関節状に連結されている場合は可撓性受け部１８によりロケットの端部壁１４に連結されている。例えば、受け部は球状でもよく、金属あるいは複合材層とこれに接合されたエラストマ層を交互に積層することにより従来の方法で構成してもよい。
ロケットの本体及び端部壁と、拡大部のノズル口及び部分２０は、通常断熱用の熱保護材で内面が被覆されている。
伸展自在の拡大部はまた、リング２２を備えており、このリングは、退避位置（図１）では部分２０を同心状に囲繞する一方、伸展位置（図２）では部分２０の下流端に連結されてこれを延長せしめ、出口径が増大した拡大部を形成する。
リング２２は退避位置に保持されるとともに、拡大部の第一部分２０の周囲に等間隔に配置された四つのヒンジ付きアーム３０により伸展位置に向かってガイドされる。
各アーム（図１，２，３）は、第一端で拡大部の第一部分２０の外壁に固定された突起３６に（軸３３回りに）枢着された第一セグメント３２を有し、その第二端は第二セグメント３４の第一端に（軸３５回りに）枢着されている。セグメント３４は、その第二端でリングの外壁に固定された突起３８に（軸３７回りに）枢着されている。各アームセグメント３２，３４は、それぞれ３２ａ，３２ｂ及び３４ａ，３４ｂと図番が付された二つの平面側面により形成されている。各アームの対称面Ｐ（図３）は拡大部の軸Ａを含み、ヒンジ軸３３，３５，３７はセグメント３２，３４の端部で面Ｐと軸Ａに対し垂直になっている。図１に示されるように、アームを退避位置にロックする装置は、セグメント３２に固定されるとともに突起３８の凹部３９に嵌入するスタッド４２を有する受け部４０を備えている。スタッド４２は、空気圧手段例えばスタッドを空気圧アクチュエータのピストンに連結することにより、あるいは、火工手段により凹部３９より離脱しアーム３０を解放することができる。各アーム３０にロック装置を設ける必要はなく、一つのアームのみロックしても装置を退避位置に保持するに十分である。
アーム３０が解放されると、そのセグメント３２，３４が端部ヒンジ軸の回りに回転しながら伸展する。アームの伸展中、対称面Ｐの位置は変化しないまま維持される。
図１乃至３の例においては、アーム３０はヒンジ軸３３に取り付けられた捩りスプリング４４により伸展される。スプリング４４は、セグメント３２と嵌合し縦溝が形成された出力軸４５を駆動する。
拡大部のリング２２を伸展するために、四本のアーム３０はスタッド４２のロックを解除することによりすべて同時に解放される。このようにして解放されると、スプリング４４はアームセグメント３２を同時に揺動させ、アームを同時に伸展させる。
四本のアーム３０とリング２２により構成される装置は超安定で、これは、リング２２が変形することなく移動し、軸Ａ上にその中心が常にあることを意味する。したがって、装置の超安定性により、リング２２をその伸展位置に正確にガイドすることが可能となり、アームの非同期状態での移動が防止される。捩りスプリングをアームの幾つかにのみ取り付けても、あるいは、一つのアーームにのみ取り付けても、このような結果が得られることは理解できるところである。この場合、超安定性は、四本のアーム３０が設けられているという事実に起因する。アームの数は四本以上でもよいが、利点が実際に付加されないのに機構重量の増大を招いてしまう。
本発明の伸展自在の拡大部の特徴は、部分２０の下流端周辺とリング２２の上流端周辺に、リングがその伸展位置に達したとき互いにロックする手段を設けたことである。
図示した例（図１，２，４及び５）においては、このロック手段は、部分２０の下流端周辺の外面に固定された複数の可撓性舌片５０と、リング２２の上流端の内面に形成された環状壁段５２により構成されている。
リング２２が完全に伸展された位置に接近して来ると、リング２２の内壁２２aは舌片５０を押圧してそれらを拡大部の軸に向かって変形させる(図４）。この後、各舌片５０は、その自由端と部分２０の外壁との間の隙間を離脱する。
舌片５０の位置と壁段５２の位置は、リング２２が伸展位置に到達すると舌片が壁段５２に嵌入するように設定されている（図５）。これによりリング２２は部分２０にロックされる。この種の自動ロックは超安定装置の持つ精度により可能となることは理解できるところである。壁段５２は舌片に対応する複数の凹部と置換できることも理解できる。
図１乃至３の実施形態において、アームは一つもしくはそれ以上の捩りスプリングにより伸展される。この方法は、ロケットが点火される前に拡大部が伸展する場合に好ましいが、伸展が点火後に行われる場合にはスプリングにより発生した力は通常不十分でガスジェットの圧力に打ち勝つことができない。
ロケットが点火した後に行われる伸展に相応しい実施形態は図６及び７に図示されている。
この第二実施形態において、図１乃至５に示される実施形態の部分に対応する拡大部の部分には同一図番を付し、ここでは記載しない。
図６及び７に示されるように、アーム３０は退避状態に保持されており、少なくとも一つのアクチュエータ６０により伸展され、アクチュエータのシリンダ６２は部分２０の外壁に固定された突起６４に枢着されるとともに、そのロッド６６はその一端がアーム３０のセグメント３２に枢着されている。退避位置にあるアーム３０をロックする装置を設ける必要はない。
アクチュエータ６０は空気圧式でも油圧式でもよい。一つのアクチュエータを設け、他のアームを超安定装置により同時に移動させても良いが、複数のアームにアクチュエータをそれぞれ設けてもよい。リング２２は、図４及び５を参照して記載した方法と同様に部分２０にロックされる。
伸展が点火後行われる場合、伸展手段を駆動する他の手段を設けても良い。例えば、図１乃至３の実施形態の捩りスプリングを一つもしくはそれ以上のモータに置換することもできる。さらに、伸展が点火前に行われる場合でもアクチュエータあるいはモータ駆動装置を設けてもよいことは当然である。また、火工手段により伸展させるように計画することもできる。
最後に、図４及び５に示される舌片と壁段とによるロックを自動ロックあるいは嵌入固定を達成する他の公知の手段に容易に置換することもできる。

Claims (8)

1. ロケットの端部壁（１４）に連結された上流端を有する第一部分（２０）と、該第一部分（２０）を囲繞する退避位置と上記第一部分（２０）を延長するようにその下流端に連結される伸展位置との間を移動自在のリング状第二部分（２２）と、該第二部分（２２）を退避位置から伸展位置に移動させる伸展機構と、上記第一部分（２０）の下流端及び上記第二部分（２２）の上流端に設けられ、上記第二部分（２２）がその伸展位置にあるときに上記第二部分（２２）を上記第一部分（２０）の下流端にロックさせる第一ロック手段（５０，５２）とを備え、
   上記伸展機構は、第一セグメント（３２）と第二セグメント（３４）をそれぞれ有する少なくとも四本のヒンジ付きアーム（３０）を備え、上記第一セグメント（３２）は、上記第一部分（２０）の外壁に枢着された第一端と上記第二セグメント（３４）の第一端に枢着された第二端を有する一方、上記第二セグメント（３４）は、上記第二部分（２２）の外壁に枢着された第二端を有し、上記アーム（３０）の少なくとも一つは、各アーム（３０）の上記第二セグメント（３４）を上記第一セグメント（３２）に対して回転させて伸展させることにより上記第二部分（２２）を退避位置から伸展位置に移動させるアーム駆動手段（４４；６０）を有し、上記第二部分（２２）の伸展移動は上記アーム（３０）によってのみガイドされ、上記アーム（３０）は上記第二部分（２２）と協働して超安定装置を形成することで、上記アーム（３０）が同期して移動して上記第二部分（２２）が変形することなく軸方向に移動することを可能にし、上記第二部分（２２）が所望位置まで移動して伸展すると、上記第一部分（２０）に自動的にロックされることを特徴とする伸展可能なノズル拡大部。
2. 上記第一ロック手段（５０，５２）は一つもしくはそれ以上の対応する凹部（５２）と協働する複数の可撓性舌片（５０）を備え、上記第二部分（２２）が伸展位置に到達すると上記舌片（５０）は上記凹部（５２）に嵌入することを特徴とする請求項１に記載の拡大部。
3. 上記第二部分（２２）を退避位置にロックする嵌脱自在の第二ロック手段（４２，３９）を設けたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の拡大部。
4. 上記第二ロック手段（４２，３９）は、少なくとも一つのアーム（３０）の上記第一セグメント（３２）が上記第二セグメント（３４）に対する移動を防止するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の拡大部。
5. 上記アーム駆動手段（４４）は、上記アーム（３０）の少なくとも一つのヒンジに取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいづれか１項に記載の拡大部。
6. 上記アーム駆動手段（４４）が捩りスプリングにより構成されたことを特徴とする請求項５に記載の拡大部。
7. 上記アーム駆動手段（６０）が、上記アーム（３０）の少なくとも一つの上記第１セグメント（３２）に作用して上記アーム（３０）が伸展位置に移動せしめられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の拡大部。
8. 上記アーム駆動手段（６０）が、上記第一部分（２０）と上記アーム（３０）の少なくとも一つの上記第１セグメント（３２）との間に取り付けられた少なくとも一つのアクチュエータであることを特徴とする請求項７に記載の拡大部。

Images