JP5113266B2 - ペレットが装填された姿勢制御ロケットモータ - Google Patents

Description

本発明は固体燃料ロケットモータに関し、姿勢制御スラスタとして使用するのに適した高速度応答モータに関する。

固体燃料ロケットモータは通常ロケット及びミサイルを推進するため種々の構造で使用されている。小さい固体燃料ロケットモータはまたミサイル、ロケット又は他の発射物の姿勢及び操縦を制御するために使用されることもできる。姿勢の制御に使用される小さい固体燃料ロケットモータは通常姿勢スラスタまたはダイバートスラスタと呼ばれている。固体燃料ロケットモータはさらに垂直に発射されたミサイル又はロケットをほぼ水平な飛行に回転するためにも使用されることができる。このようなロケットモータは通常ピッチオーバースラスタと呼ばれている。

ロケットモータにより発生される推力または力は理想的に膨張されたノズルについて次式により与えられる。
Ｆ＝ｍ_ｐ＊Ｕ_ｅ
ここでｍ_ｐ＝推進質量流量であり、
Ｕ_ｅ＝ノズルの出口平面におけるガス速度である。

推進質量流量ｍ_ｐは次式により与えられる。
ｍ_ｐ＝Ａ_ｐ＊Ｒ_ｂ＊Ｐ_ｐ
ここで、Ａ_ｐ＝推進表面面積であり、
Ｒ_ｂ＝推進バーンレートであり、
Ｐ_ｐ＝推進密度である。

したがって推進表面面積Ａ_ｐ、推進バーンレートＲ_ｂ、推進密度Ｐ_ｐは固体燃料ロケットにより発生される推力を決定するために使用されることができる重要な係数である。

ロケットモータにより発生された力はロケットモータにより推進されるミサイル又は他の本体の線形又は角加速を生じる。ミサイル又は他の本体の線形または角速度の実質的な変化は時間にわたって積分されるモータにより発生される力に比例する。ロケットモータにより発生される力の時間積分は通常モータの「インパルス」と呼ばれている。

固体燃料ロケットモータの断面図である。 ペレットを装填された固体燃料ロケットモータの断面図である。 燃料ペレットの概略図である。 ペレットを装填された固体燃料ロケットモータの断面図である。 ペレットを装填された固体燃料ロケットモータの断面図である。 例示的なコンフォーマルなペレットを装填された固体燃料ロケットモータの断面図である。 ペレットを装填された固体燃料ロケットモータを製造するためのプロセスのフローチャートである。

この明細書を通して、図面に現れる素子には３桁の参照符合が割当てられており、ここでは上位桁の数は図面の番号であり、２つの下位桁数字は素子に特有である。図面を伴って説明しない素子は同じ下位桁数字を有する参照符合の前述の素子と同じ特徴及び機能を有すると考えることができる。

［装置の説明］
図１の断面図を参照すると、固体燃料ロケットモータ100はケース110と、縦方向の開口130とノズル140と点火装置150を有する固体燃料推進装填120とを含むことができる。固体燃料推進装填120は通常「グレイン」と呼ばれ、この用語をこの明細書中で使用する。用語「グレイン」は全体として推進装填120を説明するために使用されるが、推進装填の重量、推進装填を構成する材料の粒子寸法、または推進装填の表面組織を表すものではないことに注意する。

推力を与えるため、固体推進グレイン120の表面面積はガスを発生するために燃焼しなければならない。燃焼可能な表面面積を増加するために縦方向の空洞130がグレイン120中で形成されることができる。縦方向の空洞130は通常ケース110の縦軸を中心としている。グレイン130が点火装置150により点火されると、燃焼域は縦方向の空洞130の表面全体、場合によってはノズル140に近いグレインの端部を含むように急速に拡大する可能性がある。開口130を有するグレイン120のような縦方向の空洞を有するグレインは「中心を穿孔されたグレイン」または「内部燃焼グレイン」と呼ばれることができる。

点火装置150は可燃性材料の小さいチャージであってもよく、燃焼されるとき、予め定められた量の熱い燃焼ガスを解放する。点火装置の燃焼は例えば燃焼可能な点火材料に近接し、又はそこに埋め込まれたヒーターワイヤを通して流れる電流によって点火されることができる。グレイン120を点火するため、点火装置150により発生されるガスの温度及び圧力は両者とも予め定められた値を超えなければならない。空洞130内で圧力が増加ししたがってグレイン120の点火を促進することを可能にするために、空洞130は環境シール145により密封されることができる。環境シール145はまた湿度および降雨のような環境的影響からグレインを保護する役目を行うことができる。

環境シール145は空洞130内の圧力が予め定められた圧力レベル、例えばロット平方インチ当り（ＰＳＩ）１００乃至２０００ポンドの範囲を超えた後にモータから離れるように破裂又は爆破するように設計されている。例えば環境シールは圧力が予め定められたレベルを超えたときに破砕するシアピンによってノズル中に保持されることができる。環境シールは圧力が予め定められたレベルを超えるときに制御された方法でバースト・ディスクが破裂することを可能にする制御された構造的脆さを有するバースト・ディスクであってもよい。

グレイン120の表面全体を点火するのに必要とされる時間を減少するため、空洞130は製造期間中に空気又は別のガスにより最初の圧力レベルへ加圧されることができる。例えば点火前の空洞中の初期圧力は５００乃至２０００ＰＳＩであってよい。この場合、環境シール145は無期限に初期圧力レベルを維持し、グレイン120が点火された後実質的に高い圧力レベルで破裂するように設計されている。

図１に示されているように、環境シール145は通常喉部142と呼ばれるより最小の断面積を有するノズル140の部分に又はその近くに配置されることができる。環境シール145はノズル140内の他の位置に配置されてもよい。

グレインの点火は点火装置に近接する端部で開始し、その後、縦方向の空洞の長さに沿って進行するので、縦方向の空洞は図１に示されているように比較的一定のコア速度を維持し腐食燃焼を最小にするために僅かに先細にされてもよい。

縦方向の空洞130はシリンダまたは先細りのシリンダとして成形されることができる。さらに増加された推力を与えるようにグレインの表面面積を増加するために、縦方向の空洞130の断面は多点の星のような非円形形状または放射状スロットを有する円であってもよい。円筒形ではない縦方向の開口を有するグレインは製造が困難であり、燃焼前又は燃焼期間中にグレインのひび割れその他の劣化につながる応力を招く可能性がある。

図２を参照すると、ペレットが装填された固体燃料ロケットモータ200はケース210と、縦方向の開口230とノズル240と点火装置250を有する固体燃料推進装填220とを含むことができる。固体燃料推進装填220は多数（数百又は数千）の固体燃料ペレット225からなることができる。固体燃料ペレット225は例えば自動車のエアバッグで使用するための大量に生産されるガス発生器ペレットであってもよい。

図３を参照すると、例示的な固体燃料ペレット325はアスピリンのような薬の錠剤の形状に類似する形状で成形されることができる。各固体燃料ペレット325は直径Ｄおよび厚さＴを有することができる。固体燃料ペレット325の各面は半径Ｒｓの凸面であってもよい。凸面は隣接する固体燃料ペレット間の接触面積を最小にでき、したがってペレットが積層または集塊することを防止する。凸面はしたがって固体燃料ペレット325のような複数のペレットが非常に大きい総可燃表面面積を有することを確実にする。各燃料ペレットは平坦なディスク、球形、細長いシリンダ、丸みを帯びた端部を有する細長いシリンダ、その他の形状を含む他の形状で成形されることができる。

各固体燃料ペレット325は少なくとも幾つかのエネルギ燃料および酸化材料からなることができる。各燃料ペレットは付加的なバインダおよび／または可塑材料を含むことができる。バインダ材料および可塑材料は反応し、燃料材料および／または酸化材料として機能する。ガス発生器の固体燃料ペレットの適切な組成はよく知られている。適切なガス発生器の組成は米国特許第5,608,183号明細書に記載されているように、例えば、主に硝酸グアニジン（またはグアニジニウム）と塩基性硝酸銅、硝酸コバルト、その組合せである組成を含んでいる。燃料ペレットの総質量の少なくとも６０％は硝酸グアニジンと塩基性硝酸銅からなる。固体燃料ペレットは比較的低い燃焼温度、例えば１５００℃乃至２０００℃の範囲を有することができ、それによって燃焼生成物に露出されるロケットモータの部品はモリブデナムまたはＴＺＭ（チタニウム−ジルコニウム−モリブデナム）合金から製造されることができる。

固体燃料ペレットは図２に示されているようにロケットモータにランダムに配置されることができる。代わりに、図４に示されているように、固体燃料ペレット425は順序付けされた方法で積層されることができる。図４に示されている積層順序は例示であり、多くの他の積層配置がロケットモータの寸法と固体燃料ペレットの寸法にしたがって可能である。順序付けされた方法で燃料ペレットを積層するのを容易にするために、ロケットモータは積層されたペレットを位置させ保持するためのロッド、ガイド、その他の構造（図４に示されていない）を含むことができる。

固体燃料ペレット325は全て同一であってもよく、また２以上のペレットの組成又は寸法であってもよい。幾つか又は全ての固体燃料ペレットは燃料ペレットの燃焼特性を変化するための燃焼防止剤で被覆されることができる。燃焼防止剤は不燃またはゆっくりと燃焼する有機物、無機物または被覆されたペレットの点火を遅延ししたがってロケットモータの燃焼時間を延長する複合材料であってもよい。燃焼防止剤の被覆は塗装、吹付け、浸塗り、または結合により行われる。ロケットモータの推力対時間のプロフィールは多数の燃料ペレット寸法、組成および／または防止剤被覆を組み合わせることにより調整されることができる。

図５を参照すると、例示的なペレットを装填された固体燃料ロケットモータ500は第１及び第２のエンドキャップ512と514とを有するケース510を含むことができる。この例ではケース510は通常形状が円筒形である。ケース510は非円筒形であってもよく、ロケットモータ500により推進されるビークルの幾つかの部分に対してコンフォーマルであることができる。この例では、第１及び第２のエンドキャップ512/514はケース510に螺合されるか、ケース510へ溶接され、或いは幾つかの他の方法によりケース510へ接合されることができる。第１のエンドキャップ512は点火装置550を取付けるための設備を含むことができ、それによって点火装置550への電気接続552はロケットモータ500の外部からアクセス可能である。第２のエンドキャップはノズル540を組み込むことができる。

ロケットモータ500は可燃グレインを集合的に形成する多数（数百または数千）の燃料ペレット525を含むことができる。燃料ペレットは穿孔されたペレット保持装置535によりロケットモータ内に保持されることができる。用語「穿孔」はペレット保持装置の構造中の開口の任意のタイプ又は形状を含むことを意図し、開口を成形又は生成する任意の特定の方法を暗示するものではない。ペレット保持装置535は示されているようにこの例ではロケットモータ500の長さに沿って延在し、第１のエンドキャップ512と第２のエンドキャップ514により支持され、またはそれらに結合されることができる。ペレット保持装置535は燃料ペレットのデボイドであることができる空洞530を規定できる。空洞530は燃焼する燃料ペレットからノズル540までの熱い燃焼ガスの直接路を与えることができる。空洞530は少なくとも部分的に点火装置550を含むことができる。空洞530は点火装置550から燃料ペレット525までの熱い燃焼ガスの直接路を与えることができる。

例示的なロケットモータ500では、ペレット保持装置535はシリンダの直径が点火装置550に隣接する端部からノズル540に隣接する端部へ段階的に増加する段付きシリンダとして示されている。団付きシリンダの内部は空洞530を形成する。ペレット保持装置535は均一な直径のシリンダ、先細のシリンダまたは円錐形状、或いは幾つかのその他の形状であってもよい。ペレット保持装置は特にロケットモータのケース510が円筒形ではない状態では不規則な断面を有することができる。ペレット保持装置535は図５に示されているように、機械加工または化学的に成形された穿孔534を有する薄い金属材料から形成されることができる。ペレット保持装置535は織られた又はエッチングされたスクリーン又はメッシュから形成されることができる。ペレット保持装置535は単一の物理的素子として形成されることができ、または例えば複数の密集した金属ディスク、ワイヤ又はロッドのような複数の物理的部材を含むことができる。しかしながらペレット保持装置が形成され、穿孔534は示されているように円形であるか、または正方形、長方形または細長いスリット、或いは任意の他の形状であってもよい。

ペレット保持装置535中の穿孔または開口534の寸法は燃料ペレット525の少なくとも１つの寸法よりも非常に小さくすることができ、それによって燃料ペレットは燃焼がほぼ終了するまでペレット保持装置を通過できない。燃料ペレット525の燃焼がほぼ終了したとき、少なくとも幾つかの燃料ペレットは燃焼ガス流によりペレット保持装置535中の穿孔を通って空洞530中へ一掃されることができる。穿孔534の寸法はペレットの寸法に関して、燃料ペレットがノズル540の喉部542を通過する前にペレット保持装置を通過する燃料ペレットの少なくとも一部が完全に燃焼されるような寸法にされている。喉部542を通過する前に空洞530内で完全に燃焼される燃料ペレットはロケットモータの推力に十分に貢献できる。喉部542を通って噴出されるときに依然として燃焼している各燃料ペレットはロケットモータにより与えられる総推力における増分的減少を生じる。

ペレット保持装置535の存在はある程度まで燃焼する燃料ペレット525からノズル540への燃焼ガスの流動を制限する。ロケットモータ内の圧力がノズル540内の喉部542の断面積により支配されることを確実にするために、ペレット保持装置535の穿孔534の総断面積は喉部542の断面積よりも大きくすることができる。

ケース510、エンドキャップ512/514、ペレット保持装置535はセラミック材料、モリブデナムまたはＴＺＭ合金のような金属材料、または燃料ペレットの燃焼温度に耐えることができるその他の材料から製造されることができる。ケース510、エンドキャップ512/514、ペレット保持装置535は適切な断熱層が与えられるならば燃料ペレットの燃焼温度に直接耐えることができない鋼鉄または強化複合材料のような材料から主として製造されることができる。ケース510、エンドキャップ512/514、ペレット保持装置535は、腐食または燃焼ガスの他の劣化効果にかかわらず種々の素子がロケットモータの燃焼期間中に物理的一体性を保持するのに十分な厚さであるならば、燃焼ペレットの燃焼温度に直接耐えることができない鋼鉄または強化複合材料のような材料から主として製造されることができる。

図６を参照すると、ペレットが装填されている固体燃料ロケットモータ600は円筒形でなくてもよい。図６のＢの端面図に示されているように、ロケットモータの断面611は例えばミサイル又はロケットのケース670の内部の湾曲に適合することを意図されている環状リングの楔形の部分である。例示的なペレットが装填されている固体燃料ロケットモータ600はケース610を含んでいる。ケースの一部は固体燃料ペレット625で充填されることができる。固体燃料ペレット625は示されているようにランダムに構成されるかまたは規則的な順序で梱包されることができる。この例では、ロケットモータ600は単に燃焼ガスが流れる開口である音速ノズル640を有することができる。スクリーンまたは穿孔されたプレートのようなペレット保持装置635はケース内に固体燃料ペレットを拘束し、ノズル640に結合される空洞630を限定する。空洞630はペレット保持装置を通過後であるがノズル640を出る前に少なくとも幾つかの固体燃料ペレットが燃焼を完了することを可能にするのに十分な排気流の方向に沿った長さを有することができる。

ペレットが装填されている固体燃料ロケットモータ600は固体燃料ロケットモータにより推進されるミサイル又は他のビークルの幾つかの他の部分に一致するようなコンフォーマルなケースを有するロケットモータの１例である。燃料ペレットは広範囲のケース形状中にランダムに梱包されるか規則的に装填されるので、ロケットモータは通常の固体グレインが製造が困難であるためまたは応力に関する信頼性の問題のために使用されることができないミサイルまたは航空機上の利用可能なスペースに適合するように設計されることができる。

［プロセスの説明］
図７を参照すると、ペレットが装填されている固体燃料ロケットモータを製造するプロセス700は760で開始し、768で終了する。762で燃料ペレットは大きなロットで製造されることができる。763で燃料ペレットの各バッチの性能はサンプルの検査により確認されることができ、ここではロット全体からランダムに選択されたサンプルが検査される。764でそのロットのサンプル検査からの検査データによって燃料ペレットのロットが良好であり仕様限度内であることが示されているか否かの決定が行われることができる。

765で燃料ペレットのロットが良好であることが決定されたと仮定すると、そのロットのサンプル検査からの検査データはロケットモータへ装填されるべき燃料ペレットの正確な量を決定するために解析されることができる。燃料ペレットの量は特定の数のペレットとして、またはロケットモータへ装填されるペレットの総重量又は質量のような幾つかの他の便宜的な計量として決定されることができる。例えばロケットモータに装填される燃料ペレットの数は、ロットのサンプルデータが特定の製造ロットで生産されたペレットが通常よりもエネルギを有することを示すならば、通常の６００個のペレット数から５９５個のペレットまで減少されることができる。ロケットモータに装填されるペレットの数又は重量を調節する能力はロケットモータにより発生されることができる総パルスの正確な制御を可能にする。

燃料ペレット以外のロケットモータコンポーネントは761で製造され、部分的に組み立てられる。燃料ペレットの適切な量が765で決定されたとき、766で部分的に組み立てられたロケットモータに付加されることができ、モータの組立ては767で終了される。

１例として図５のロケットモータ500を使用すると、ケース510と第２のエンドキャップ／ノズル514/540が最初に組み立てられる。次にペレット保持装置535がケース内に配置され第２のエンドキャップ514と接触することができる。ケース510、エンドキャップ514、ペレット保持装置535が761で部分的に組み立てられ、燃料ペレットは766で単にロケットモータ中へ注がれることができ、ペレットをペレット保持装置535のオープンエンドに注がないように注意する。767で、ロケットモータの組立ては第１のエンドキャップ512と点火装置550を組み立てることにより完了されることができる。

［締めくくりのコメント］
この明細書の説明を通して、示されている実施形態及び例は請求されている装置及び手順の限定ではなく説明又は例示として考えられるべきである。ここで提示されている多くの例は方法行為又はシステムのエレメントの特別な組合せを含むが、これらの行為及びこれらのエレメントは同じ目的を達成するために他の方法で組み合わせられることができることが理解されなければならない。フローチャートに関して、付加的又はより少数のステップが取られることができ、示されているようにステップはここで説明された方法を実現刷るように組み合わせられるかさらに改良されることができる。１実施形態によって説明された動作、エレメント、特徴は他の実施形態で類似の役割から除外されることを意図していない。

請求項で述べられている手段と機能の限定については、手段は述べられている機能を実行するためのここで説明された手段に限定されることを意図しているのではなく、述べられている機能を実行するための現在知られているかまたは後に開発される任意の手段を技術的範囲内でカバーすることが意図されている。

ここで使用されている「複数」は２以上を意味する。

ここで使用されているアイテムの「セット」は１以上のこのようなアイテムを含むことができる。

ここで使用されているように、明細書の説明または請求項では、用語「具備している（comprising）」、「含んでいる（including）」、「搭載している（carrying）」、「有する（having）」、「含有している（containing）」、「含む（involving）」等はオープンエンド、即ちそれに限定されずに含んでいることを意味すると理解される。移行句「〜からなる（consisting of）」と「基本的に〜からなる（consisting essentially of）」はそれぞれ請求項に関してクローズされたまたは半分クローズされた移行句である。

請求項のエレメントを変更するために請求項中の「第１」、「第２」、「第３」等のような序数語を使用することは、別の請求項における１つの請求項のエレメントの優位性、先行または順序、或いは方法の行為が行われる時間的順序をそれ自体暗示するものではなく、ある名称を有する１つの請求項のエレメントを請求項のエレメントを弁別するために同じ名称（序数語の使用を除く）を有する別のエレメントから弁別するための単なるラベルとして使用される。

ここで使用されているように、「および／または」は列挙されたアイテムが代替であるが、その代替が列挙されたアイテムの任意の組み合わせも含んでいることを意味している。

Claims (10)

1. ケース（510）と、
   前記ケース内に配置された複数の燃料ペレット（525）を有する推進装置と、
   前記複数の燃料ペレットの少なくとも幾つかを点火するように配置された点火装置（550）と、
   前記ケースに結合されたノズル（540）と、
   前記ケース内に設置されたペレット保持装置（535）とを具備し、
   前記複数の燃料ペレットは前記ケースの一部内にランダムに配置されていて、
   前記ペレット保持装置は、燃焼されていない燃料ペレットが前記ノズルを通って排出されることを防止しながら、排気ガスが前記点火された燃料ペレットから前記ノズルへ流れることを可能にするために穿孔されており、
   前記ペレット保持装置中の総穿孔面積は前記ノズル内の喉部の断面積よりも大きい固体燃料ロケットモータ（500）。
2. 前記ペレット保持装置は、燃料ペレットの空洞（530）デボイドを規定し、前記空洞は前記複数の燃料ペレットから排気ガスを前記ノズルへ直接誘導するように構成されている請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
3. 前記空洞は、前記ペレット保持装置を通過後であるが前記ノズルを通過する前に少なくとも幾つかの前記燃料ペレットが燃焼を完了することを可能にするのに十分な長さを有している請求項２記載の固体燃料ロケットモータ。
4. 前記燃料ペレットは２０００℃よりも低い燃焼温度を有している請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
5. 前記ペレット保持装置はモリブデンとＴＺＭ合金の１つから少なくとも部分的に製造されている請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
6. 前記燃料ペレットの質量の少なくとも６０％は硝酸グアニジンと塩基性硝酸銅である請求項４記載の固体燃料ロケットモータ。
7. 前記複数のペレットは単一のロケットモータで必要とされる量よりも実質的に大きいロット寸法を有するロットで製造され、ロットをサンプリングすることにより検査される請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
8. 前記複数のペレットを有するペレットの量はロットサンプリングの結果から決定される請求項７記載の固体燃料ロケットモータ。
9. 前記ケースは円筒形ではない請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
10. 前記ケースは前記固体燃料ロケットモータにより推進されるビークルの一部に対して少なくとも部分的に一致するコンフォーマルな形状である外部表面を有する請求項９記載の固体燃料ロケットモータ。

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