JP4305796B2 - 飛翔体のサイドスラスタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛翔体の進路変更や姿勢制御を行うサイドスラスタに係わり、とくに、固体ガス発生剤の燃焼により生じたガスを作動源とする飛翔体のサイドスラスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、上記したような飛翔体のサイドスラスタとしては、例えば、固体ガス発生剤を装填した燃焼室と、飛翔体の機軸と直交する方向に配置したノズルと、燃焼室内の固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスをノズルに流す管体と、管体の燃焼室とノズルとの間の部分に配置したガス流量制御機構を備えたものがあり、ガス流量制御機構には、管体内に固定したノズル部材と、このノズル部材のスロート部分に進退してガス流量を制御するピントルを具備したバルブ機構や、管体を直径方向に貫通する駆動軸と、この駆動軸により回動駆動されるロータリーバルブを備えたバルブ機構が用いられている。
【0003】
この種のサイドスラスタに関しては、例えば、平成4年9月30日に丸善が発行した『第2版・航空宇宙工学便覧』の第729頁〜第730頁に若干の記載がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来における飛翔体のサイドスラスタにおいて、ピントルやロータリーバルブに作用する管体を流れるガスの圧力が一方向に集中することから、すなわち、ピントルには軸方向への移動を妨げる負荷がかかり、ロータリーバルブには回動を妨げる負荷がかかることから、ピントルやロータリーバルブを駆動するのに大きなトルクを必要とし、その結果、駆動部が大型化してしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【0005】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、大トルクを必要とすることなくガス流量制御を行うことができる飛翔体のサイドスラスタを提供することを目的としている。
【0006】
請求項1に記載した発明は、飛翔体の機軸と直交する方向に配置したノズルと、燃焼によりガスを発生する固体ガス発生剤を装填した円筒形の燃焼室と、上記燃焼室の軸心に配置され、かつ、周壁にオリフィスを円周方向に沿って等角度間隔で複数設けた管体と、管体内部に設けられ、その管体の周壁に接する円筒形状をなしかつ管体のオリフィスと重なり合って当該オリフィスを開放するバルブ側オリフィスを具備するとともに、その管体の軸心回りに回動可能なバルブと、上記バルブを管体の軸心回りに回動させて、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを重なり合わせて当該オリフィスを開放することにより、燃焼室内の固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスを管体の軸心に向けて噴出させてノズルに流すようにしている。
【0007】
請求項2に記載した発明は、固体ガス発生剤と、飛翔体の機軸と直交する方向に配置したノズルと、固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスをノズルに流す管体を備え、管体の周囲に固体ガス発生剤を配置し、管体の周壁にオリフィスを円周方向に沿って複数設けて固体ガス発生剤の燃焼によるガスを管体の軸心に向けて噴出可能とするとともに、管体内部に設けたバルブを管体の軸心回りに回動させてオリフィスを開閉可能とした飛翔体のサイドスラスタであって、バルブは管体の周壁に接する円筒形状をなし、管体のオリフィスと重なり合って当該オリフィスを開放するバルブ側オリフィスを具備しているとともに、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを部分的に重なり合わせた状態で管体の軸心に向けて噴出するガスの流れをはく離させる切欠を管体のオリフィスに設けている。
【0008】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載した円筒形状をなすバルブの内周面をテーパ面としている。
【0009】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載したバルブが管体の複数のオリフィスを閉塞する突部を具備したものである。
【0010】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載したノズルとして、管体の一方の端部側に設けた複数の進路変更用のノズルと、管体の他方の端部側に設けた複数の姿勢制御用のノズルを備えている。
【0011】
本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタにおいて、管体およびバルブには、固体ガス発生剤の燃焼によって生じるガスをより一層高温にするうえで、C/C(炭素繊維強化炭素複合材料),C/SIC(炭素繊維強化炭化ケイ素複合材料),SIC/SIC(炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素複合材料),タングステン,モリブデンおよびジルコニアなどの材料を採用することが望ましく、また、C/C,C/SIC,SIC/SICのうちのいずれかを用いる場合には、単体で使用することができるほか、オリフィスや突部に部分的に耐熱合金を使用することが可能であり、いずれもエロージョンに耐え得るものとなる。
【0012】
【発明の作用】
請求項1に記載した発明では、燃焼室内に装填した固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスは、管体の周壁の複数のオリフィスを通して管体の軸心に向けて噴出するので、複数のオリフィスを通過するガスの圧力が互いに相殺されるうえ、オリフィスを開閉するバルブは管体の軸心回りに回動することから、バルブを駆動するのに必要なトルクが格段に少なくなり、駆動部、例えばモータの小型化が図られることとなる。
また、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを部分的に重ね合わせてガス流量制御を行う場合において、バルブにかかる負荷が少なくなる。
【0013】
請求項2に記載した発明では、バルブ側オリフィスを管体の軸心に向けて通過するガスの流れがはく離して、バルブ側オリフィスの内周面にかかる圧力がほぼ均一化し、その結果、バルブを駆動するのに必要なトルクがより一層少なくなる。
【0014】
請求項3に記載した発明では、バルブ側オリフィスを通過したガスが管体内を略螺旋状に流れることとなり、したがって、運動エネルギの損失が減って、混合損失の低減が図られる。
【0015】
請求項4に記載した発明では、請求項1〜3のいずれか1項に記載の飛翔体のサイドスラスタと同等の作用がもたらされるうえ、構造の簡略化が図られることとなる。
請求項5に記載した発明では、バルブを駆動することで流量が制御されたガスが両端のノズルにそれぞれ供給されることとなり、すなわち、一つのバルブだけでガス流量の制御がな
されることとなる。
従って、ガス流量制御の応答性が向上するのに伴って燃費が良くなり、加えて、ガス分岐管を用いることなく一つのバルブだけでガス流量の制御がなされるので、スペース効率が高く、設計の自由度が拡がることとなる。
【0016】
【発明の効果】
請求項1に記載した発明によれば、バルブを駆動するのに必要なトルクを大幅に小さくすることができ、駆動部、例えば駆動用電源やモータの小型化を実現することが可能であるという非常に優れた効果が得られる。
また、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを部分的に重ね合わせてガス流量制御を行う場合において、バルブにかかる負荷を少なくすることができる。
【0017】
請求項2に記載した発明によれば、バルブを駆動するのに必要なトルクをより一層少なくすることができる。
【0018】
請求項3に係わる飛翔体のサイドスラスタでは、上記した構成としたから、運動エネルギの損失を減らして、混合損失の低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果が得られる。
【0019】
請求項4に記載した発明によれば、請求項1〜3に記載したものと同等の効果が得られるうえ、構造の簡略化を実現することができるという非常に優れた効果が得られる。
請求項5に記載した発明によれば、ガス流量制御の応答性の向上及びこれに伴う燃費の向上を実現でき、さらに、スペース効率の上昇及び設計の自由度の拡大をも実現することができるという非常に優れた効果を得ることができる。
【0020】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0021】
図1ないし図3は本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタの一実施例を示している。
【0022】
図1および図2に示すように、この飛翔体Aのサイドスラスタ1は、燃焼によりガスを発生する固体ガス発生剤2を装填した燃焼室3と、飛翔体Aのヨー軸Y方向およびピッチ軸Z方向(機軸Xと直交する方向)に配置した進路変更用の4個のノズル4(図1ではヨー軸Y方向のノズル4のみ示す)と、燃焼室3内の固体ガス発生剤2の燃焼によって生じたガスをノズル4に流す管体5を備えており、固体ガス発生剤2には、例えば、ロケットモータの固体推進薬あるいはこれに類するものが用いられ、イグナイタ6により点火すると、ガスを発生させながら燃焼し続けるようになっている。
【0023】
燃焼室3は、円筒形をなす圧力容器であって、管体5は燃焼室3の軸心上に設けてあり、すなわち、管体5の周囲に固体ガス発生剤2を配置しており、管体5のマニホルド7を介して進路変更用のノズル4を取り付けた一方の端部とは反対側の他方の端部には、マニホルド8を介して姿勢変更用の6個のノズル9(図2にのみ示す)が取り付けてある。
【0024】
管体5の周壁5aには、固体ガス発生剤2の燃焼によるガスを管体5の軸心Lに向けて噴出させる4個のオリフィス5bが円周方向に90゜の間隔をおいて設けてあると共に、管体5の内部には、円筒形状をなして管体5の周壁5aに接するバルブ10が設けてあり、このバルブ10はその中心に具備したボス部10aを管体5の軸心L上に設けたモータ11の出力軸11aに固定することにより、モータ11の作動によって管体5の軸心L回りに回動するようになっている。
【0025】
バルブ10は、管体5のオリフィス5bと重なり合って当該オリフィス5bを開放する4個のバルブ側オリフィス10bを具備しており、管体5のオリフィス5bに対する各バルブ側オリフィス10bの重なり具合を変更することにより、管体5に噴出するガスの流量を制御するようになっている。
【0026】
この場合、図3(a)に示すように、管体5のオリフィス5bには切欠5cがそれぞれ設けてあり、バルブ側オリフィス10bと部分的に重なり合わせた状態で管体5の軸心Lに向けて噴出するガスGを切欠5cとは逆側ではく離させるようにしている。つまり、ガスGを切欠5cに沿って流すことで、バルブ側オリフィス10bの壁面からはく離させ、このはく離部分でガス圧を上昇させてバルブ側オリフィス10bの壁面にかかる圧力をバランスさせることにより、バルブ10の駆動力を一層低減することができるようにしている。
【0027】
一方、図3(b)に示すように、円筒形状をなすバルブ10の内周面10cは、バルブ側オリフィス10bを通過したガスGを略螺旋状に流すために進路変更用のノズル4に向けて内径が漸次大きくなるテーパ面として形成してある。
【0028】
図2における符号12は進路変更用のノズル4の開閉バルブ、符号13は姿勢変更用のノズル9の開閉バルブ、符号15はガス流量制御用のバルブ10およびノズル4,9の各開閉バルブ12,13の開度を一括制御するコントローラである。
【0029】
この飛翔体Aのサイドスラスタ1において、イグナイタ6による点火により固体ガス発生剤2が燃焼を開始し、これにより生じたガスが管体5を介してノズル4,9に送給され、これらのノズル4,9から噴出する。
【0030】
このとき、バルブ10のバルブ側オリフィス10bを管体5のオリフィス5bに重なり合わせて当該オリフィス5bを全開としておけば、燃焼室3における固体ガス発生剤2の燃焼圧力が小さくなり、これに伴って固体ガス発生剤2の燃焼が抑制されてガス発生量が減少するので、ノズル4,9から噴出するガスの流量は少ないものとなってガス消費量の節約、すなわち、燃費の低減が図られることとなり、しかも、飛翔体Aの進路や姿勢に影響が及ぶことはない。
【0031】
次に、進路変更や姿勢変更を行う必要がある場合には、バルブ10を回動させて管体5のオリフィス5bに重ねた状態のバルブ側オリフィス10bをずらし、管体5のオリフィス5bを例えば全閉すると、図4のグラフに示すように、燃焼室3における固体ガス発生剤2の燃焼圧力が上昇してその燃焼が促進され、この状態で管体5のオリフィス5bにバルブ側オリフィス10bを再び部分的に重ね合わせると、図5のグラフに示すように、一旦減少していたガス発生量が一気に増加する。
【0032】
これにより、所定時間だけ燃焼圧力が高く維持されて、多量のガスが管体5の内部に噴出し続けるので、この間に、開閉バルブ12,13を動作させて適宜ノズル4,9からガスを噴射させると、飛翔体Aの進路変更あるいは姿勢変更が迅速に行われることとなる。
【0033】
ここで、図4および図5のグラフにおける破線部分は、管体の進路変更用のノズル側にピントルを具備したバルブ機構を配置すると共に管体の姿勢変更用のノズル側に固定オリフィスを配置したサイドスラスタの応答性を示しており、このサイドスラスタでは固定オリフィスを採用している都合上、燃焼室内の圧力が上記したサイドスラスタ1程度に高くなることがなく、これに伴って、ガス流量も上記したサイドスラスタ1程度には増えないことが判る。
【0034】
この飛翔体Aのサイドスラスタ1において、固体ガス発生剤2の燃焼によって生じたガスは、管体5の周壁5aに円周方向に90゜の間隔をおいて配置した複数のオリフィス5bを通して管体5の軸心Lに向けて噴出するので、複数のオリフィス5bを通過するガスの圧力が互いに打ち消し合ううえ、オリフィス5bを開閉するバルブ10は管体5の軸心L回りに回動することから、バルブ10を駆動するのに必要なトルクが格段に少なくなり、駆動用電源やモータ11の小型化が図られることとなる。
【0035】
また、上記サイドスラスタ1のように、管体5の一方の端部側だけでなく他方の端部側にもノズル4,9を配置したものとすると、バルブ10を駆動することでガスの流量が制御されたガスが両端部のノズル4,9にそれぞれ供給されることとなり、すなわち、一つのバルブ10だけでガス流量の制御がなされることとなり、したがって、上述したように、ガス流量制御の応答性が向上するのに伴って燃費が良くなり、加えて、一つのバルブ10だけでガス流量の制御がなされるので、スペース効率が高く、設計の自由度が拡がることとなる。
【0036】
さらに、上記サイドスラスタ1において、管体5のオリフィス5bに切欠5cを設けているので、管体5のオリフィス5bとバルブ側オリフィス10bとを部分的に重ね合わせてガス流量制御を行う場合には、バルブ側オリフィス10bを管体5の軸心Lに向けて通過するガスの切欠5cとは逆側の流れがはく離して、バルブ側オリフィス10bの内周面にかかる圧力がほぼ均一化し、その結果、バルブ10を駆動するのに必要なトルクがより一層少なくなり、さらにまた、上記サイドスラスタ1において、円筒形状をなすバルブ10の内周面10cを進路変更用のノズル4に向けて内径が漸次大きくなるテーパ面として形成しているので、バルブ側オリフィス10bを通過したガスが管体5内を略螺旋状に流れることとなり、したがって、運動エネルギの損失が減って、混合損失の低減が図られることとなる。
【0037】
図6は本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタの他の実施例を示している。
【0038】
図6に部分的に示すように、この飛翔体Aのサイドスラスタ21が先の実施例によるサイドスラスタ1と相違するところは、管体5の内部に設けたバルブ30が、管体5の複数のオリフィス5bを閉塞する突部30bを具備して、全体で十字形状をなしている点にあり、他の構成は先の実施例によるサイドスラスタ1と同じである。
【0039】
このサイドスラスタ21のバルブ30は、その中心に具備したボス部30aを管体5の軸心L上に設けた図外のモータの出力軸31aにピン32を介して固定することにより、モータの作動によって管体5の軸心L回りに回動するようになっており、仮想線で示すように、突部30bを管体5のオリフィス5bに合わせてその重なり具合を変更することにより、管体5に噴出するガスの流量を制御するようになっている。
【0040】
この飛翔体Aのサイドスラスタ21においても、固体ガス発生剤2の燃焼によって生じたガスは、管体5の複数のオリフィス5bを通して管体5の軸心Lに向けて噴出するので、ガスの圧力が互いに打ち消され、加えて、オリフィス5bを開閉するバルブ30は管体5の軸心L回りに回動するので、バルブ30を駆動するのに必要なトルクが大幅に少なくなる。
【0041】
また、上記サイドスラスタ21では、ガス流量制御の応答性が向上すると共に、燃費が良くなり、さらに、スペース効率が高く、設計の自由度が拡がることとなり、加えて、構造の簡略化が図られることとなる。
【0042】
本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタの詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタの一実施例を示す斜視断面説明図である。
【図2】図1における飛翔体のサイドスラスタのブロック説明図である。
【図3】図1に示した飛翔体のサイドスラスタのバルブ部分を径方向にカットした状態の断面説明図(a)およびバルブ部分を軸方向にカットした状態の断面説明図(b)である。
【図4】図1における飛翔体のサイドスラスタのバルブの応答性を示す燃焼室の圧力と時間との関係を表すグラフである。
【図5】図1における飛翔体のサイドスラスタのバルブの応答性を示すガス流量と時間との関係を表すグラフである。
【図6】本発明に係わる飛翔体のサイドスラスタの他の実施例を示す十字形状をなすバルブの正面説明図である。
【符号の説明】
1 サイドスラスタ
2 固体ガス発生剤
4 進路変更用のノズル
5 管体
5a 管体の周壁
5b オリフィス
5c 切欠
9 姿勢制御用のノズル
10,30 バルブ
10b バルブ側オリフィス
10c バルブの内周面
30c 突部
A 飛翔体
L 管体の軸心
X 機軸
Claims (5)
- 飛翔体の機軸と直交する方向に配置したノズルと、
燃焼によりガスを発生する固体ガス発生剤を装填した円筒形の燃焼室と、
上記燃焼室の軸心に配置され、かつ、周壁にオリフィスを円周方向に沿って等角度間隔で複数設けた管体と、
管体内部に設けられ、その管体の周壁に接する円筒形状をなしかつ管体のオリフィスと重なり合って当該オリフィスを開放するバルブ側オリフィスを具備するとともに、その管体の軸心回りに回動可能なバルブと、
上記バルブを管体の軸心回りに回動させて、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを重なり合わせて当該オリフィスを開放することにより、燃焼室内の固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスを管体の軸心に向けて噴出させてノズルに流すようにしたことを特徴とする飛翔体のサイドスラスタ。 - 固体ガス発生剤と、飛翔体の機軸と直交する方向に配置したノズルと、固体ガス発生剤の燃焼によって生じたガスをノズルに流す管体を備え、管体の周囲に固体ガス発生剤を配置し、管体の周壁にオリフィスを円周方向に沿って複数設けて固体ガス発生剤の燃焼によるガスを管体の軸心に向けて噴出可能とするとともに、管体内部に設けたバルブを管体の軸心回りに回動させてオリフィスを開閉可能とした飛翔体のサイドスラスタであって、
バルブは管体の周壁に接する円筒形状をなし、管体のオリフィスと重なり合って当該オリフィスを開放するバルブ側オリフィスを具備しているとともに、管体のオリフィスとバルブ側オリフィスとを部分的に重なり合わせた状態で管体の軸心に向けて噴出するガスの流れをはく離させる切欠を管体のオリフィスに設けていることを特徴とする飛翔体のサイドスラスタ。 - 円筒形状をなすバルブの内周面をテーパ面としたことを特徴とする請求項2に記載の飛翔体のサイドスラスタ。
- バルブは管体の複数のオリフィスを閉塞する突部を具備していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の飛翔体のサイドスラスタ。
- ノズルとして、管体の一方の端部側に設けた複数の進路変更用のノズルと、管体の他方の端部側に設けた複数の姿勢制御用のノズルを備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の飛翔体のサイドスラスタ。
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