JP5016052B2 - 外部動的シールを持つピントル制御推進システム - Google Patents

Description

本発明は、推力可変の推進システムの分野に関し、特に、ノズルのスロート面積を変化させるためにピントルを利用するノズルに関する。

ブースト段階での比較的高い推力と持続段階での低い推力とを持つロケットを提供するための推力変化のための機構が長年使用されてきた。初期には、この種のブースト段階と持続段階との間の遷移を達成するための努力は、燃焼の初期段階では高い燃焼表面積を提供し、燃焼が進むにつれて推進薬グレインの形状自体が燃焼表面積を低減させる固体推進薬グレインの構成に集中していた。しかし、こうした設計によって生じる可変性には制限があり、推進薬グレインの形状は、１つの段階、すなわち普通はブースト段階のためだけに最適化されることが多かった。その後、モータノズルのスロートに努力が集中し、有効スロート面積を変更するために様々なものが導入された。有効スロート面積が減少するとスロートの上流の圧力が上昇し、それによって推力が増大する。また圧力が上昇すると推進薬の燃焼率も増大し、さらに推力を高める。有効スロート面積を変化させるこの能力によって、ブースト段階と持続段階との間の遷移に加えて、飛行中の操舵及び方向の調整を含むように可変推力の使用を拡張することができた。

推進薬の燃焼段階に依存せずノズルの外部から制御可能な手段によってスロート面積を変化させる非常に多くのシステムが設計されてきた。こうしたシステムは、ブースト段階と持続段階との間の遷移と操舵及び方向付けとの両方にとって有用であり、単一スラスタ及び多数スラスタ両方のモータで使用することができる。ロケットノズルでのスロート面積を変化させるための、特に成功したことが実証されている機構は、ノズル内に延びノズル軸に沿って移動可能なピントルを使用するものである。ピントルは部分的にスロートを遮断する先細又はフレア形何れかの物体であり、燃焼ガスがピントルとスロート壁との間の環状空間を流れるように仕向けるものである。ピントルの外形のため、ピントルが小さな距離を移動するだけで、環状空間の断面積及びひいてはノズルの有効スロート面積及び、その結果としての推力の大きな変化が発生する。独立して移動可能なピントルを持つ多数のノズルが存在する場合、制御装置はピントルの位置を調整してノズル間で異なる推力レベルを発生し、操舵、姿勢制御及び方向作用一般を目的とする推力差を達成する。ピントルの移動は、油圧駆動装置及び歯車駆動装置を含む多様な機構の何れかを利用するアクチュエータによって達成される。

ピントル作動推力室を設計する際に直面する課題の１つは、アクチュエータが推力室の過酷な条件、特に推力室内の高い温度と圧力にさらされることによって発生するピントルアクチュエータの摩耗及び損傷の制御が必要なことである。こうした条件のためにアクチュエータの構成要素に生じる摩耗によってアクチュエータが劣化し、スラスタのデューティーサイクルが制限される。もっとも高い温度はスロートの付近で発生し、熱はスロートからピントル本体に沿ってアクチュエータに容易に伝わる。もう１つの課題は、圧力を保持すると共にピントルの移動に対応するピントルと推力室との間の動的シールが必要なことである。ピントルアクチュエータが推力室に組み込まれる設計では、動的シールも推力室内にあり、スロートの高熱からシールを保護する断熱材はほとんどないか又は全くない。また、こうした設計では、推力室はアクチュエータを取り囲む十分な大きさのものでなければならないので、推進システム内の貴重な空間を消費する。このことは、アクチュエータを推力室の外部に配置し、シールを推力室壁の中に設置することによって部分的に救済される。しかし、壁の中でも、シールはやはり推力室の高温にさらされており、それによる劣化はシールの耐用年数を制限する。

本発明は、シールを推力室から距離を置いて設置するピントル、ピントルアクチュエータ及び動的シールの新しい配置に関する。これは、推力室のサイズをより小さくし熱隔離をより大きくすることを含む利点を提供するが、これは、ピントルの長さに沿った熱放散又はシールと推力室内の高温の部位との間の十分な距離の何れかによって、シールを推力室より低い温度に維持する能力である。また、この配置はデューティーサイクルをより長くしたスラスタを提供する。これらの利点は、推力室壁を通じて延びているシャフトを持つピントルと、推力室壁の外面上のボスを持つ推力室とを、ボスの内部にあってピントルシャフトと係合するように配置された動的シールと共に構成することによって達成される。ピントルの作動はピントルシャフトに固定されたラックとラックに係合する歯車とによって達成され、ラックと歯車との両方はやはり推力室の外部にある。本設計の好適実施形態では、ラックと歯車との両方はボスの外部にあるがそれにごく近接している。

動的シールとアクチュエータとの両方が推力室の外部にあることによって、本発明は推力室を比較的小さなサイズにすることを可能にしている。このことは、熱隔離を縮小することなくより小型の外部エンベロープを持つ推力室を提供し、チャンバをより軽量で、ロケットモータ内の小さな容積だけを占めるものにする。また、本発明は、長さを増大することなく熱隔離を増大した推力室の構成を可能にする。熱隔離の増大によって、スラスタは高温の燃焼ガスへのより長時間の暴露に耐えるようになり、したがってデューティーサイクルがより長くなる。このためスラスタの性能が向上し、より多回数の任務運航でスラスタを使用できるようになる。

さらなる目的、特徴、及び利点は以下の説明から明らかになるだろう。

本発明のピントル制御推力室の一実施形態の断面図である。 図１と同じだが、ピントルが推力室内のノズルのスロートから後退した断面図である。 図１及び図２に示す種類の数個の推力室を組み込んだモータの断面図である。 図３のモータのための制御装置を持つ推進システムの図である。

本発明は、推進システムの設計及び構成に関していくつかの実現及び実施形態が可能であるが、本発明の全範囲の理解は単一の実施形態を詳細に検討することによって得られる。こうした一実施形態を添付の図面に図示し以下説明する。

図１及び図２に示すシステムは、推力室１１と、推力室の外壁の外面１３に設置されたシール及びアクチュエータ部１２とを含む。本実施形態の推力室は軸１４に沿った回転体である。燃焼ガスは側方入口１５、１６を通じて燃焼室１１に入るが、ガスは流入する際に完全に燃焼するか、又は部分的に燃焼して推力室キャビティ１７内で燃焼を完了するかの何れかである。２つのこうした入口１５、１６が図示されているものの、構成によっては１つの入口だけで十分なこともあるが、好適な構成は、推力室の周囲に対称的に分布した複数のこうした入口を含むものである。入口を通じて入ったガスはピントル１８の周囲及び、ピントルと推力室壁２０との間の環状空間１９を通じて流れ、出口平面２１を通じて出る。流れの方向は矢印２２、２３、２４、２５、２６、２７によって示され、ノズルの後部の方向は図１及び図２に示す図面では右方向であり矢印３１によって示し、一方前部の方向は左方向であり矢印３２によって示す。推力室壁は、収束部３３、スロート３４、発散部３５として形成され、これらは集合的に推進システムの排気ノズルを画定し、ピントルの先細後部端３６は排気ノズル内に延びている。図１では、ピントルの後部端はスロート３４内に延びている。

シール及びアクチュエータ部１２は、推力室の外面１３から突出して推力室壁のオリフィス４２を取り囲むボス４１を含む。ピントル１８は、その前部端でオリフィス４２及びボス４１を通過するシャフト４３を含む。寸法は本発明の新規性又は有用性にとって重要ではないが、ボス４１は、本発明の好適実施形態では、シャフト４３の直径の２倍以上の高さを有する。Ｏリング４４はボスの内面に沿った溝の中にあり、Ｏリングはボスとピントルシャフトとの間の動的シールを形成する。この動的シールは推力室キャビティ１７内の圧力をシールする一方で、ピントルシャフト４３が軸１４に沿ってボス４１内で前後に移動するのを可能にし、ひいてはこの移動によってピントルの後部端３６がノズルのスロート３４に出入りするようになる。

こうした移動は、シール及びアクチュエータ部１２のアクチュエータ構成要素によって駆動される。この構成要素は、ラック５１と、ラックに係合する歯車５２とを含む。歯車５２は、図示しないがステッピングモータ又は機械的駆動装置の当業者に周知の任意の種類の機械的駆動装置を含んでもよい従来のモータ構成要素によって駆動される。ラック５１はピントルシャフト４３の前部端に固定され、歯車５２は、任意の種類のブラケット又は、図示するように、動的シール４４が構成されるボス４３（すなわち、内側のボス）を取り囲む第２又は外側のボス５３でもよい支持構造に設置される。図示実施形態のラックは、ピントルシャフトの前部端に固定された円筒５４の外面に成形又は機械加工された歯の列である。円筒５４は、ピントルシャフトの一部の上に延び、内側のボス４３を取り囲む十分な広さのものである。歯車５２の回転は、円筒５４及びひいてはピントル１８の非回転軸方向移動に変換される。この移動は、図１ではスロート３４の中に延びて比較的高い推力を発生し、図２ではスロートから後退して低減された出力を発生する２つの位置にあるピントルを示す図１及び図２の比較によって例示されている。

図３は、方向転換（操舵）及び姿勢制御（方向）のために配置されたものを含むいくつかのスラスタを収容した推進モータ６１を示す。モータ６１は、固体推進薬グレイン６３、イグナイタ６４、モータの周囲に円周状に配置された一連の４つの方向転換スラスタ６５（そのうち２つだけが見える）、及びモータの前部ドーム６７内の一連の６つの姿勢制御スラスタ６６（そのうち２つだけが見える）を含むモータケース６２内に収容されている。１０個のスラスタは各々図１及び図２に示すようなピントルを収容する構造を有するが、その構造の構成要素は方向転換スラスタ６５でだけ図示されている。方向転換スラスタへの燃焼ガス流れの方向は矢印７１によって示されており、方向転換スラスタからの排気ガスの流れは矢印７２によって示されている。姿勢制御スラスタへの燃焼ガス流れは矢印７３によって示されている。

図４は、図３の推進モータのための制御回路の図である。分かりやすくするため、イグナイタ６４、４つの方向転換スラスタ６５，及び６つの姿勢制御スラスタ６６はモータ６１から分離して図示されている。方向転換及び姿勢制御のための命令を制御装置７５に送信するためにデスクトップコンピュータ７４が使用され、一方制御装置はこうした命令をイグナイタ、方向転換スラスタ、及び姿勢制御スラスタへの適当な信号に変換する。

上記は主として例示の目的で提示されている。本発明の新規性及び機能性の中心点を引き続き具現する変形、修正、及び置換は当業者に容易に明らかになるものであり、本発明の範囲に包含されるものである。例えば、動的シールとして使用されるＯリングはパッキング、ピストンカップ、シェブロンシール、圧力シール、及び一般に望ましい最大推力室圧力に耐えることのできる任意のシールでもよく、方向転換スラスタの数は１つ〜８つの範囲でよく、姿勢制御スラスタの数は４つ〜８つの範囲でよく、推力室は回転体でなく正方形又は矩形の断面のものでもよく、ラックは円筒上ではなく単一のレール又は２つ以上のレール上にあってもよく、かつ通常の技術設計の問題である他の変形も包含してよい。

要素の数が記載されない場合は、「１つ以上の」という意味が意図されている。ステップ又は要素を列挙する前に「備えている」という用語がある場合は、さらなるステップ又は要素の追加が任意でありかつ除外されないという意味が意図されている。

Claims (7)

1. ピントル制御可変推力推進システムにおいて、
   燃焼ガス入口と、排気ノズルと、外壁の外面上のボスに取り囲まれた開口を持つ前記外壁とを有する推力室と、
   前記ノズル内に延びている後部端と、前記ボスを通じて突出しかつ前部端を末端とするシャフトとを有し、前記ボス及び前記推力室内で移動可能であって前記ノズル内に可変面積のスロートを画定するピントルと、
   前記シャフトと前記ボスの内面との間に配置された動的シールと、
   前記ピントルの前部端に固定されかつ前記ボスの上を後部方向に延びているラック、及び前記ラックに係合する歯車であって、前記ラックと前記歯車の係合によって前記歯車の回転が前記ピントルの軸方向移動に変換される、ラック及び歯車とを備えている、ピントル制御可変推力推進システム。
2. ピントル制御可変推力推進システムにおいて、
   燃焼ガス入口と、排気ノズルと、外壁の外面上のボスに取り囲まれた開口を持つ前記外壁とを有する推力室と、
   前記ノズル内に延びている後部端と、前記ボスを通じて突出し前部端を末端とするシャフトとを有し、前記ボス及び前記推力室内で移動可能であって前記ノズル内に可変面積のスロートを画定するピントルと、
   前記シャフトと前記ボスの内面との間に配置された動的シールと、
   前記ピントルの前記前部端に固定された、前記ボスを取り囲む円筒であるラック、及び前記ラックに係合する歯車であって、前記ラックと前記歯車の係合によって前記歯車の回転が前記ピントルの軸方向移動に変換される、ラック及び歯車とを備えている、ピントル制御可変推力推進システム。
3. ピントル制御可変推力推進システムにおいて、
   燃焼ガス入口と、排気ノズルと、外壁の外面上のボスに取り囲まれた開口を持つ前記外壁とを有する推力室と、
   前記ノズル内に延びている後部端と、前記ボスを通じて突出し前部端を末端とするシャフトとを有し、前記ボス及び前記推力室内で移動可能であって前記ノズル内に可変面積のスロートを画定するピントルと、
   前記シャフトと前記ボスの内面との間に配置された動的シールと、
   前記ピントルの前記前部端に固定された、前記ボスを取り囲む円筒であり、前記円筒の外面に歯を持つラック、及び前記ラックに係合する歯車であって、前記ラックと前記歯車の係合によって前記歯車の回転が前記ピントルの軸方向移動に変換される、ラック及び歯車とを備えている、ピントル制御可変推力推進システム。
4. 前記歯車が歯付きの車輪であり、前記歯車の回転が前記ピントルの非回転かつ軸方向の移動に変換されるように前記シャフト、ラック、及び歯車が構成される、請求項１に記載のピントル制御可変推力推進システム。
5. ピントル制御可変推力推進システムにおいて、
   前記推進室の周囲に対称的に分布した複数の開口を備えている燃焼ガス入口と、排気ノズルと、外壁の外面上のボスに取り囲まれた開口を持つ前記外壁とを有する推力室と、
   前記ノズル内に延びている後部端と、前記ボスを通じて突出し前部端を末端とするシャフトとを有し、前記ボス及び前記推力室内で移動可能であって前記ノズル内に可変面積のスロートを画定するピントルと、
   前記シャフトと前記ボスの内面との間に配置された動的シールと、
   前記ピントルの前記前部端に固定されたラック、及び前記ラックに係合する歯車であって、前記ラックと前記歯車の係合によって前記歯車の回転が前記ピントルの軸方向移動に変換される、ラック及び歯車と、を備えているピントル制御可変推力推進システム。
6. 前記ボスが前記シャフトの直径の２倍以上の高さを有する、請求項１に記載のピントル制御可変推力推進システム。
7. 航空機のためのスロットル方向転換及び姿勢制御システムにおいて、前記システムが、
   燃焼室と、
   前記燃焼室から燃焼ガスを受け入れる、共通軸から外側に放射状に方向付けられたノズルを持つ複数の方向転換スラスタ、及び前記燃焼室から燃焼ガスを受け入れる、前記軸に対して鋭角に方向付けられたノズルを持つ複数の姿勢制御スラスタであって、各々、
   燃焼ガス入口と、排気ノズルと、外壁の外面上のボスに取り囲まれた開口を持つ前記外壁とを有する推力室と、
   前記ノズル内に延びている後部端と、前記ボスを通じて突出し前部端を末端とするシャフトとを有し、前記ボス及び前記推力室内で移動可能であって前記ノズル内に可変面積のスロートを画定するピントルと、
   前記シャフトと前記ボスの内面との間に配置された動的シールと、
   前記ピントルの前記前部端に固定されかつ前記ボスの上を後部方向に延びているラック、及び前記ラックに係合する歯車であって、前記ラックと前記歯車の係合によって前記歯車の回転が前記ピントルの軸方向移動に変換される、ラック及び歯車とを備えている、方向転換及び姿勢制御スラスタと、
   前記方向転換及び姿勢制御スラスタの各々に電子制御信号を供給して前記ピントルを別個に作動させ、それによって前記燃焼室を目標と位置合わせする制御装置とを備えているシステム。

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