JP5422574B2

JP5422574B2 - ２パルス飛翔体

Info

Publication number: JP5422574B2
Application number: JP2011002154A
Authority: JP
Inventors: 秀嗣近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: JP2012144999A

Description

本発明の実施形態は、固体推進薬の燃焼によって飛翔する２パルス飛翔体に関する。

一般的に、固体推進薬は、液体推進薬と比べて取扱いが容易、瞬時の運用が可能、経年による劣化が少ない等の利点があり、飛翔体に多く採用されている。しかしながら、固体推進薬は一度燃焼を開始すると、液体推進薬のように途中で燃焼を中断したり、再点火したりすることはできない。この問題は、推進薬量が少ない範囲においては特に影響はないが、推進薬量が多くなるに従い、速度が高くなる傾向にあり、空気抵抗による推進力のロス、空力加熱による機体損傷、ノーズの熱対策によるシーカの性能劣化等の影響が発生する。

このため、固体推進薬で推力を段階的に発生させることができれば、速度上昇を必要十分な範囲に抑制でき、飛翔体の射程延伸、空力加熱の緩和、シーカの性能向上等につなげることができる。

また、従来技術では、推力を段階的に発生させる方法として、燃焼による高圧、高温に耐える材料を隔壁として用いて燃焼室を区切り、燃焼が終了した後に隔壁を除去して、順次、次の燃焼を開始する方法がある。

特開２００８−２８０９６７号公報

しかしながら、上記の従来技術においては、推進薬を物理的に区分けする隔壁及び隔壁除去用の火薬が必要となることから、推進薬充填率向上に制約が発生し、特に小型の飛翔体においては性能劣化の要因となる。また、隔壁除去時に発生する飛散物によってノズルが損傷する場合や、残存した隔壁が次段燃焼へ悪影響を及ぼす場合等があり、正常燃焼の継続が技術的に難しいという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、推進薬を安定的に燃焼でき、かつ、推進薬の充填率を向上可能な２パルス飛翔体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る２パルス飛翔体は、燃焼室、第一の推進薬、第一の点火装置、隔壁用推進薬、第二の推進薬及び第二の点火装置を備えることを特徴とする。

燃焼室には、内部の推進薬の燃焼によって発生した圧力を解放する後方開口部が一端に設けられている。第一の推進薬は、燃焼室の長手方向の中心軸周りに第一のキャビティを形成しつつ、燃焼室の内部の後方開口部側に充填されている。隔壁用推進薬は、第一の推進薬の端面から燃焼室の他端側へ所定の厚みで充填されている。第二の推進薬は、燃焼室の長手方向の中心軸周りに隔壁用推進薬との境界面まで第二のキャビティを形成しつつ、境界面から燃焼室の前方まで充填されている。第一の点火装置は、第一のキャビティの内部に設けられ、第一の推進薬を点火して第一段燃焼を開始する。第二の点火装置は、第二のキャビティの内部に設けられ、第一段燃焼開始時からの経過時間に基づいて第二段燃焼開始時か否かを判定し、第二の推進薬を点火して第二段燃焼を開始する。

本発明の第一の実施形態に係る２パルス飛翔体の構成例を示す断面図。図１に示す２パルス飛翔体のＢ部及びＣ部における断面図。図１に示す２パルス飛翔体の第一段燃焼完了直前の状態を示す断面図。図１に示す２パルス飛翔体の第一段燃焼完了時及び第二段燃焼開始時の状態を示す断面図。図１に示す２パルス飛翔体の燃焼過程を説明する図。図１に示す２パルス飛翔体の製造工程の具体例を示す図。本発明の第二の実施形態に係る２パルス飛翔体の構成例を示す断面図。図７に示す２パルス飛翔体おける第一の推進薬の燃焼完了時の状態を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態に係る２パルス飛翔体1の構成例を示す断面図である。同図に示されるように、２パルス飛翔体１は、燃焼室１１、第一の推進薬１２、第一の点火装置１４、隔壁用推進薬１５、第二の推進薬１６及び第二の点火装置１８から構成されている。

燃焼室１１は、内部の推進薬の燃焼によって発生した圧力を解放する後方開口部が一端に設けられた圧力容器である。第一の推進薬１２は、燃焼室１１の長手方向の中心軸Ａ周りに第一のキャビティ（第一の内孔）１３を形成しつつ、燃焼室１１の内部の後方開口部側に充填された固体燃料である。

第一の点火装置１４は、第一のキャビティ１３の内部に設けられ、第一の推進薬１２を点火し、第一段燃焼を開始する装置である。図２は、図１に示す飛翔体のＢ部及びＣ部における断面図である。同図に示されるように、第一のキャビティ１３は、後方開口部側が光芒の形状（図２（ａ））、後述する隔壁用推進薬１５側が円筒状（図２（ｂ））で設けられている。第一のキャビティ１３をこのような形状とすることで、第一段燃焼の開始時においても充分な燃焼面積を確保できるため、第一段燃焼の開始時から終了時にわたって所望の推進力を安定的に得ることができる。尚、図２に示した推進薬の形状は一例であり、飛翔体の運用目的やサイズによって光芒数、円筒の径、円筒の長さ等は変化する。また、断面形状は、光芒と円筒の組み合わせの他に、星型、車輪型、樹枝型、ドッグボーン型、スロットチューブ型、多孔型及びこれらの組み合わせが考えられる。更に、多種推進薬型なども考えられる。

隔壁用推進薬１５は、第一の推進薬１２の端面から燃焼室１１の他端側へ所定の厚みで充填された固体燃料である。燃焼室１１の長手方向における隔壁用推進薬１５の厚みＤ１は、燃焼室１１の内壁面と第一のキャビティ１３との間に充填された第一の推進薬１２の厚みＤ２と概ね等しく設定されている。

第二の推進薬１６は、燃焼室１１の長手方向の中心軸Ａ周りに隔壁用推進薬１５との境界面まで第二のキャビティ（第二の内孔）１７を形成しつつ、境界面から燃焼室１１の前方まで充填された固体燃料である。また、第二の推進薬１６内の第二のキャビティ１７は、隔壁用推進薬１５との境界面側が円錐型で形成されている。尚、本実施形態においては、第一の推進薬１２、隔壁用推進薬１５及び第二の推進薬１６の成分は同じものとする。例えば、ＨＴＰＢ（末端水酸基ポリブタジエン）などが用いられる。図中における第一の推進薬１２、隔壁用推進薬１５及び第二の推進薬１６の区分けは同一成分の推進薬であっても燃焼室１１内における充填位置及び形状に応じて発揮する機能が異なることを示すものである。

第二の点火装置１８は、第二のキャビティ１７の内部に設けられ、第二の推進薬１６を点火して第二段燃焼を開始する装置である。また、第二の点火装置１８は、第一段燃焼開始時からの経過時間に基づいて第二段燃焼開始時か否かを判定し、第二の推進薬１６への点火を行う。例えば、第一の推進薬１２が燃え尽きるまでの時間は、薬剤の量や実験によって把握できるため、この時間に達したか否か基づいて第二の推進薬１６への点火を行うことで第一段燃焼から第二段燃焼へと円滑に遷移することができる。尚、第二の推進薬１６への点火のタイミングを任意に変更することで、２パルス飛翔体１の飛翔態様を変更可能である。

図３は、図１に示す２パルス飛翔体１の第一段燃焼完了直前の状態を示す断面図、図４は、図１に示す２パルス飛翔体１の第一段燃焼完了時及び第二段燃焼開始時の状態を示す断面図である。また、図５は、図１に示す２パルス飛翔体１の燃焼過程を説明する図である。

先ず、第一の点火装置１４が、第一の推進薬１２に点火すると第一段燃焼が開始する（図５（ａ）：Ｔ＝Ｔ０）。第一の推進薬１２がキャビティの内面から燃焼すると、隔壁用推進薬１５の厚みは第一の推進薬１２の厚みと概ね等しいことから、図３及び図４に示されるように隔壁用推進薬１５の中心軸Ａ周りは第一の推進薬１２の燃焼が完了した際に同時に焼失し、第二の推進薬１６の第二のキャビティ１７と空間が繋がる構造となっている。したがって、第一段燃焼で発生した内部空間が第二のキャビティ１７に繋がると、内部圧力が急激に低下するため、隔壁用推進薬１５の燃焼は停止する（図５（ａ）：Ｔ＝Ｔ１）。すなわち、第一段燃焼が完了する。尚、圧力低下によって第一段燃焼が止まらない推進薬を使用する場合には、第二のキャビティ１７内に消炎剤などを予め充填させて燃焼を止める構成としても良い。同様に、焼尽式レスリクタを設置しても良い。

そして、第二の点火装置１８が、所定時間経過後、第二の推進薬１６への点火を行うと、第二段燃焼が開始し（図５（ａ）：Ｔ＝Ｔ２）、第二の推進薬１６がキャビティの内面から焼失する（図５（ａ）：Ｔ＝Ｔ３）。このように、二段階で燃焼を行う構成のため、図５（ｂ）に示されるように、一段型で燃焼する飛翔体に比べて、燃焼初期の最大速度では劣るものの、推進薬の燃焼が完了した際（距離Ｘ＝Ｘ３）における最終的な速度を速くすることができる。

図６は、図１に示す２パルス飛翔体１の製造工程の具体例を示す図である。先ず、図６（ａ）に示す格納容器内に薬剤注入口（図示省略する）から推進薬を容器下部に設けられた中子（光芒の形状をした型）上端面まで第一の推進薬１２として充填する（図６（ｂ））。

次に、推進薬を容器上部に設けられた中子の円錐形状の先端まで隔壁用推進薬１５として充填する（図６（ｃ））。次に、格納容器の上端面まで中子周りに推進薬を第二の推進薬１６として充填する（図６（ｄ））。

次に、推進薬の形状が固定されると、格納容器の上下の中子を引き抜くことで、第一の推進薬１２の内部に第一のキャビティ１３、第二の推進薬１６の内部に第二のキャビティ１７をそれぞれ形成する（図６（ｅ））。

次に、格納容器から推進薬を取り出し、外面にインシュレータ（断熱材）を貼り付ける。

そして、燃焼室１１内に推進薬を装填し、第一のキャビティ１３の内部に第一の点火装置１４、第二のキャビティ１７の内部に第二の点火装置１８をそれぞれ配置し、燃焼室１１の前方に鏡板、後方にノズルを構成することで２パルス飛翔体１の製造工程を完了する（図６（ｆ））。尚、内面にインシュレータを貼る等の断熱処理を施した燃焼室１１に直接推進薬を充填する製造方法もある。

このように、隔壁を推進薬で実現することにより、これまで必要であった隔壁や隔壁を除去するための火薬等が必要なくなり、推進薬の充填率が向上する。また、隔壁となる推進薬自体が焼尽する構造となり、隔壁除去時に発生する飛散物によって発生するノズルの損傷、残存した隔壁による次段燃焼への影響も排除できる。

更に、第二の推進薬１６の内部に第二のキャビティ１７を円錐型に形成することで、第二のキャビティ１７に内部空間が繋がった瞬間に第二の推進薬１６に対してかかる応力集中を極小化できるため、第二の推進薬１６が破損することを防止することもできる。

＜第二の実施形態＞
図７は、本発明の第二の実施形態に係る２パルス飛翔体１の構成例を示す断面図である。尚、図１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では異なる箇所について詳細に説明する。同図に示されるように、本実施形態に係る２パルス飛翔体１は、第一の実施形態に係る２パルス飛翔体１と比較して隔壁用推進薬１５の長手方向における厚みＤ１が第一のキャビティ１３の厚みＤ２よりも厚いものとする。更に、第二の推進薬１６の成分は、第一の推進薬１２とは異なるもとのする。ここでは、燃焼速度を高めるために例えば過塩素酸アンモニウムを微粒子化したものや燃焼触媒である酸化鉄を含むものとする。

図８は、図７に示す２パルス飛翔体１における第一の推進薬１２の燃焼完了時の状態を示す断面図である。同図に示されるように、本実施形態では第一の実施形態と異なり、第一の推進薬１２の燃焼完了時においても隔壁用推進薬１５が残存しているため、引き続き隔壁用推進薬１５の燃焼が続く構成である。したがって、第一の実施形態に比べて２パルス飛翔体１の速度変化を抑制できるという利点がある。また、第二の推進薬１６の成分に燃焼速度を高める成分を含むことで、第二段燃焼時に２パルス飛翔体１を更に加速させることが可能となる。逆に、第二の推進薬１６の成分に第一の推進薬１２よりも燃焼の遅い成分とすれば、第二段燃焼時に２パルス飛翔体１の速度を緩やかに上昇させることが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…飛翔体
１１…燃焼室
１２…第一の推進薬
１３…第一のキャビティ
１４…第一の点火装置
１５…隔壁用推進薬
１６…第二の推進薬
１７…第二のキャビティ
１８…第二の点火装置

Claims

内部の推進薬の燃焼によって発生した圧力を解放する後方開口部が一端に設けられた燃焼室と、
前記燃焼室の長手方向の中心軸周りに第一のキャビティを形成しつつ、前記燃焼室の前記後方開口部側に充填された第一の推進薬と、
この第一の推進薬の端面から前記燃焼室の他端側へ所定の厚みで充填された隔壁用推進薬と、
前記燃焼室の長手方向の中心軸周りに前記隔壁用推進薬との境界面まで第二のキャビティを形成しつつ、前記境界面から前記燃焼室の前方まで充填された第二の推進薬と、
前記第一のキャビティの内部に設けられ、前記第一の推進薬を点火して第一段燃焼を開始する第一の点火装置と、
前記第二のキャビティの内部に設けられ、前記第一段燃焼開始時からの経過時間に基づいて第二段燃焼開始時か否かを判定し、前記第二の推進薬を点火して第二段燃焼を開始する第二の点火装置と、
を備えることを特徴とする２パルス飛翔体。
前記隔壁用推進薬の長手方向の厚みは、前記燃焼室の内壁面と前記第一のキャビティとの間に充填された前記第一の推進薬の厚みと概ね等しく設定されることを特徴とする請求項１記載の２パルス飛翔体。
前記隔壁用推進薬の長手方向の厚みは、前記燃焼室の内壁面と前記第一のキャビティとの間に充填された前記第一の推進薬の厚みよりも厚く設定されていることを特徴とする請求項１記載の２パルス飛翔体。
前記第二の推進薬の前記第二のキャビティは、前記隔壁用推進薬との前記境界面側が円錐型に形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の２パルス飛翔体。
前記隔壁用推進薬の成分は、前記第一及び第二の推進薬の一方若しくは双方と同一の成分であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項記載の２パルス飛翔体。
前記隔壁用推進薬の成分は、前記第一及び第二の推進薬の成分とは異なることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項記載の２パルス飛翔体。