JP5303360B2

JP5303360B2 - ボールジョイント装置

Info

Publication number: JP5303360B2
Application number: JP2009126833A
Authority: JP
Inventors: 純一増田; 豊佐藤; 一博矢木; 信之中野
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: JP2010275881A

Description

本発明は、ノズル取付部に可動ノズルを偏向可能に連結するボールジョイント装置に関する。

従来、ロケットモータ（特に固体ロケットモータ）や宇宙機のスラスタにおいて、噴流ガスの方向を変えて推力方向の制御をするため、可動ノズルが用いられる。かかる可動ノズルをモータ等に結合する構造としては、「フレキシブルジョイント」と「ジンバルジョイント」とがある。

下記特許文献１には、「フレキシブルジョイント」を採用した可動ノズルが開示されている。図１は、特許文献１において開示された可動ノズルの構成図である。図１において、固体ロケットモータ３０のモータケース３１の尾部３２の開口縁に、積層ゴムからなるフレキシブルジョイント３３を介してピッチ軸及びヨー軸回りに首振り可能に可動ノズル３４が取り付けられている。尾部３２と可動ノズル３４との間にはリニアアクチュエータ３５が配置されており、リニアアクチュエータ３５を伸縮動作させて可動ノズル３４に首振り動作をさせることによって、噴流ガスの方向制御を行うようになっている。

着火後のモータ内圧によりフレキシブルジョイント３３が変形し、可動ノズル３４の回転中心（ピボットポイント）がずれると、ノズル回転半径が変わってしまう。したがって、高い制御精度を必要とする可動ノズルの場合、ノズル偏向角の誤差を補正するために、図１に示す構成のように、尾部３２と可動ノズル３４との間にノズル偏向角検出用のリファレンスロッド３７が配置される。

また、モータ着火時のノズル機軸方向変位により、リニアアクチュエータ３５に大きな衝撃荷重が作用するため、可動ノズル３４とリニアアクチュエータ３５との間には、リニアアクチュエータ３５に対する可動ノズルからの負荷荷重が最大運用荷重を超えた場合に作動して負荷荷重を軽減する緩衝装置３６が配置されている。

一方、「ジンバルジョイント」は、モータと可動ノズルの間にスフェリカル摺動面を有するとともに、機軸回りの回転を拘束するためのジンバルやベローズを備えた構成の連結構造である。
なお、ジンバルジョイントについては、たとえば下記非特許文献１に開示されている。

特開平１１−１３５４２号公報

ＮＡＳＡ−ＳＰ−８１１４ＳＯＬＩＤＲＯＣＫＥＴＴＨＲＵＳＴＶＥＣＴＥＲＣＯＮＴＲＯＬ

上述した従来のフレキシブルジョイントには、以下のような問題がある。
（１）積層ゴム構造の回転に必要なトルクが比較的大きく、可動ノズル３４を駆動させるために大型・大出力のリニアアクチュエータ３５を必要とする。
（２）ノズル偏向角の誤差を補正するために、リファレンスロッド３７が必要になる。
（３）リニアアクチュエータ３５に作用する負荷荷重を軽減するために、緩衝装置３６を追加する必要がある。

上述した従来のジンバルジョイントには、以下のような問題がある。
（４）機軸回りの回転をジンバルで拘束した場合、可動ノズルの偏向が１軸回り（ピッチ軸又はヨー軸）に限定されてしまう。このため、２方向の推力制御を行うためには、最低２つの可動ノズルを取り付ける必要があり、可動ノズル、駆動装置、及びモータと可動ノズルの結合部の構成が複雑となる。
（５）スフェリカル摺動面で気密性を確保する場合、摺動性とシール性を両立させる必要があり、特に高温ガスの流出が発生する固体ロケットモータの場合には、信頼性を確保することが難しい。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、可動ノズルの駆動トルクを低減でき、リファレンスロッドや緩衝装置が不要であり、１つの可動ノズルで２方向の推力制御が可能であり、シール性の信頼性を向上できるボールジョイント装置を提供することを課題とする。

上記の問題を解決するため、本発明は、ノズル取付部に可動ノズルを偏向可能に連結するボールジョイント装置であって、可動ノズルとノズル取付部の間に配置され、ピボットポイントを中心に前記可動ノズルを揺動自在に支持するスフェリカルベアリングと、可動ノズルとノズル取付部の間に配置され、可動ノズルとノズル取付部との間の気密性を確保するように周方向に延びる積層ゴムからなり、可動ノズルの機軸周りの回転を拘束するフレキシブルジョイントとを備える、ことを特徴とする。

また、上記のボールジョイント装置において、前記可動ノズルは固体ロケットモータの可動ノズルであり、前記フレキシブルジョイントは、固体ロケットモータ内で燃焼ガスが発生する領域と、前記スフェリカルベアリングの間の軸方向位置に配置されており、燃焼ガスがスフェリカルベアリング側に流れることを阻止することを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、スフェリカルベアリングが、モータ内圧による荷重を支持しつつ摺動性を確保する機能をもち、フレキシブルジョイトが、燃焼ガスからスフェリカルベアリングを保護するための断熱性・気密性をもつとともに機軸周りの可動ノズルの回転を拘束する。

したがって、本発明のボールジョイント装置によれば、以下の効果が得られる。
（１）スフェリカルベアリングにより、荷重が印加されている場合でも摺動性を確保できるので、従来のフレキシブルジョイントを使用した場合と比較し、その回転に必要なトルクが低減される。
（２）可動ノズルをスフェリカルベアリングで支持する構造であるため、可動ノズルの回転中心（ピボットポイント）がモータ内圧により変位することがほとんどない。このため、偏向角精度補償のためのリファレンスロッドや、負荷荷重軽減のための緩衝装置を不要にできる。
（３）機軸周りの可動ノズルの回転を拘束する機能は、フレキシブルジョイントが担うため、ジンバル等による回転の拘束が不要である。このため、１つの可動ノズルで２方向の推力制御が可能であるので、単孔ノズルに適用でき、ノズル部周辺の簡素化を図ることができる。
（４）本発明のボールジョイント装置ではスフェリカルベアリングを採用しているが、従来のジンバルジョイントと異なり、シール性についてはフレキシブルジョイントによって確保されるため、シール性の信頼性を向上できる。

特許文献１に開示された従来の可動ノズルの構成図である。本発明に係るボールジョイント装置の第１実施形態を示す構成図である。本発明に係るボールジョイント装置の第２実施形態を示す構成図である。本発明に係るボールジョイント装置の第３実施形態を示す構成図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明に係るボールジョイント装置１０の第１実施形態を示す構成図である。第１実施形態において、ボールジョイント装置１０は、固体ロケットモータ１の可動ノズル５の結合部に適用されるものである。図２において、符号ａは、固体ロケットモータ１の機軸である。図２では、機軸ａより軸対称半分のみを示している。

固体ロケットモータ１のモータケース２の尾部には、可動ノズル５を取り付けるためのノズル取付部４が設けられている。モータケース２内には固体推進剤が充填され、モータケース２内（符号３で示した領域）に高温の燃焼ガスが発生する。
可動ノズル５とノズル取付部４との間には、ボールジョイント装置１０が配置されている。ボールジョイント装置１０は、可動ノズル５を偏向（首振り）可能に支持するものである。

可動ノズル５とノズル取付部４との間には、伸縮駆動するアクチュエータ７が配置されている。このアクチュエータ７は、機軸ａ回りに９０度の間隔をおいた位置に２つ配置されている。２つのアクチュエータ７を伸縮動作させることで、可動ノズル５をピッチ軸回り及びヨー軸回りに首振り動作させることが可能であり、これにより、噴流ガスの方向制御を行うようになっている。

ボールジョイント装置１０は、スフェリカルベアリング１２と、フレキシブルジョイント１４とを備える。

スフェリカルベアリング１２は、可動ノズル５とノズル取付部４の間に配置され、ピボットポイントｃを中心に可動ノズル５を揺動自在に支持する。
スフェリカルベアリング１２は、凹球面を有する外側部材１２ａと、外側部材１２ａの内側に配置され凸球面を有する内側部材１２ｂとを有し、外側部材１２ａの凹球面と内側部材１２ｂの凸球面とがスフェリカル摺動面となって、可動ノズル５を揺動自在に支持するように構成されている。

第１実施形態では、外側部材１２ａは可動ノズル５側に固定され、内側部材１２ｂはノズル取付部４側に固定されている。なお、スフェリカルベアリング１２は、周方向に複数に分割された構造であってもよい。

フレキシブルジョイント１４は、可動ノズル５とノズル取付部４の間に配置され、可動ノズル５とノズル取付部４との間の気密性を確保するように周方向に延びるリング状の積層ゴムからなり、可動ノズル５の機軸周りの回転を拘束する。積層ゴムは、板状ゴム１４ａと硬質隔壁１４ｂとを交互に多数積層してなり、積層方向には相対的に剛性が高いが、層に沿う方向には弾性を有しているためせん断変形する。このためフレキシブルジョイント１４は、ピボットポイントｃを中心とする回転方向にせん断変形するように、可動ノズル５とノズル取付部４との間に配置されている。

第１実施形態において、フレキシブルジョイント１４は、固体ロケットモータ１内で燃焼ガスが発生する領域３と、スフェリカルベアリング１２との間の軸方向位置に配置されており、燃焼ガスがスフェリカルベアリング１２側に流れることを阻止するようになっている。したがって、第１実施形態では、フレキシブルジョイント１４は、スフェリカルベアリング１２の後方に配置されている。

フレキシブルジョイント１４を構成する積層ゴムの硬質隔壁１４ｂは、金属板やＦＲＰなどで構成できるが、断熱性を高めるためにＦＲＰなどのプラスチック系材料であるのがよい。

また、図２の構成例では、外部からスフェリカルベアリング１２側にダストが侵入することを防止するために、可動ノズル５とノズル取付部４との間にリング状のダストシール１５が配置されている。ただし、このダストシール１５の配置は任意である。

また、図２の構成例では、フレキシブルジョイント１４の変形によって硬質隔壁１４ｂが周辺部材に直接接触することを防止するために、フレキシブルジョイント１４のスフェリカルベアリング１２側にリング状のバッファ１６が配置されている。ただし、このバッファ１６の配置は任意である。

上述した第１実施形態の構成によれば、スフェリカルベアリング１２が、モータ内圧による荷重を支持しつつ摺動性を確保する機能をもち、フレキシブルジョイント１４が、燃焼ガスからスフェリカルベアリング１２を保護するための断熱性・気密性をもつとともに機軸周りの可動ノズル５の回転を拘束する。

したがって、スフェリカルベアリング１２により、荷重が印加されている場合でも摺動性を確保できるので、従来のフレキシブルジョイント（図１の符号３３）を使用した場合と比較し、その回転に必要なトルクが低減される。このため、アクチュエータ７の小型化・低出力化を図ることが可能となる。

可動ノズル５をスフェリカルベアリング１２で支持する構造であるため、可動ノズル５の回転中心（ピボットポイントｃ）がモータ内圧により変位することがほとんどない。このため、偏向角精度補償のためのリファレンスロッド（図１の符号３７）や、負荷荷重軽減のための緩衝装置（図１の符号３６）を不要にできる。同様に、アクチュエータ７の耐荷重性を低減することができ、これを小型・軽量化することもできる。

機軸ａ周りの可動ノズル５の回転を拘束する機能は、フレキシブルジョイント１４が担うため、ジンバル等による回転の拘束が不要である。このため、１つの可動ノズル５で２方向の推力制御が可能であるので、単孔ノズルに適用でき、ノズル部周辺の簡素化を図ることができる。

本発明のボールジョイント装置１０ではスフェリカルベアリング１２を採用しているが、従来のジンバルジョイントと異なり、シール性についてはフレキシブルジョイント１４によって確保されるため、シール性の信頼性を向上できる。

図３は、本発明に係るボールジョイント装置１０の第２実施形態を示す構成図である。上述した第１実施形態では、ボールジョイント装置１０は、外側において可動ノズル５に固定され、内側においてノズル取付部４に固定されているのに対し、第２実施形態では、ボールジョイント装置１０は、外側においてノズル取付部４に固定され、内側において可動ノズル５に固定されている。したがって、スフェリカルベアリング１２の外側部材１２ａはノズル取付部４に固定されており、内側部材１２ｂは可動ノズル５に固定されている。

第２実施形態においても、フレキシブルジョイント１４は、固体ロケットモータ１内で燃焼ガスが発生する領域３と、スフェリカルベアリング１２との間の軸方向位置に配置されており、燃焼ガスがスフェリカルベアリング１２側に流れることを阻止するようになっている。このため、第２実施形態では、フレキシブルジョイント１４はスフェリカルベアリング１２の前方に配置されている。

上述した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、スフェリカルベアリング１２が、モータ内圧による荷重を支持しつつ摺動性を確保する機能をもち、フレキシブルジョイントが、燃焼ガスからスフェリカルベアリング１２を保護するための断熱性・気密性をもつとともに機軸周りの可動ノズル５の回転を拘束する。
したがって、可動ノズル５の駆動トルクを低減でき、リファレンスロッドや緩衝装置が不要であり、１つの可動ノズル５で２方向の推力制御が可能であり、シール性の信頼性を向上できる。

図４は、本発明に係るボールジョイント装置の第３実施形態を示す構成図である。図４において、人工衛星等の宇宙機２０に設けられたノズル取付部２１に、可変スラスタとしての可動ノズル２２が揺動可能に取り付けられている。図４では表れていないが、ノズル取付部２１と可動ノズル２２との間には、上述した本発明のボールジョイント装置１０が配置されており、図示しないアクチュエータ７の作動により、可動ノズル５が首振り動作するように構成されている。

このように本発明のボールジョイント装置は、人工衛星等の宇宙機２０の姿勢制御用スラスタにも適用可能であり、従来の３軸毎のスラスタ配置を必要としないことから、スラスタ数の削減を図ることができる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１固体ロケットモータ
２モータケース
３ケース内部
４ノズル取付部
５可動ノズル
７アクチュエータ
１０ボールジョイント装置
１２スフェリカルベアリング
１２ａ外側部材
１２ｂ内側部材
１４フレキシブルジョイント
１４ａ板状ゴム
１４ｂ硬質隔壁
１５ダストシール
１６バッファ
２０宇宙機
２１ノズル取付部
２２可動ノズル（可変スラスタ）

Claims

ノズル取付部に可動ノズルを偏向可能に連結するボールジョイント装置であって、
可動ノズルとノズル取付部の間に配置され、ピボットポイントを中心に前記可動ノズルを揺動自在に支持するスフェリカルベアリングと、
可動ノズルとノズル取付部の間に配置され、可動ノズルとノズル取付部との間の気密性を確保するように周方向に延びる積層ゴムからなり、可動ノズルの機軸周りの回転を拘束するフレキシブルジョイントとを備える、ことを特徴とするボールジョイント装置。
前記可動ノズルは固体ロケットモータの可動ノズルであり、
前記フレキシブルジョイントは、固体ロケットモータ内で燃焼ガスが発生する領域と、前記スフェリカルベアリングの間の軸方向位置に配置されており、燃焼ガスがスフェリカルベアリング側に流れることを阻止する、請求項１記載のボールジョイント装置。