JP5809496B2 - 固体ロケットモータ - Google Patents

Description

本発明は、固体ロケットモータに関するものであり、詳しくは固体ロケットモータの推進薬点火構造に関する。

固体ロケットモータは、圧力容器、ノズル、推進薬、及び点火装置を主要な構成要素としている。推進薬に点火する点火装置は、一般的には、主装薬と当該主装薬に点火する点火器を備えた小型の固体モータ（点火モータ）をなしている。
さらに、固体ロケットモータとしては、単一の圧力容器内に２以上の推進薬が隔膜又は隔壁等により区画して設けられたパルスロケットモータが開発されている。これは、容易に燃焼を停止、再点火することが困難な固体ロケットモータにおいて、異なるタイミングでの燃焼を実現できるという利点がある。

具体的には、フィラメント・ワインディング法（Filament Winding）による炭素繊維・エポキシ樹脂組成物からなる圧力容器の尾部側にパルス１（以下、第１パルスという）の推進薬（以下、第１パルス推進薬という）が、頭部側にパルス２（以下、第２パルスという）の推進薬（以下、第２パルス推進薬という）が設けられ、これらの推進薬との間にバリヤ絶縁体（以下、隔膜という）が配置された構成の２パルスロケットモータが開発されている（特許文献１参照）。

当該特許文献１の２パルスロケットモータでは、第２パルス推進薬の頭部側の中央に、例えば発泡剤でできている爆薬粒支持体（以下、支持体という）が配置されている。また、第２パルスの点火装置は、第２パルス推進薬の頭部側にある円環状チャンバ内に発火装置爆薬粒（以下、主装薬という）が保持され、当該円環状チャンバから圧力容器内へ連通した複数のノズルポートが設けられて構成されている。

そして、第２パルス点火時には、爆管等（以下、点火器という）で主装薬に点火し、その高温ガスを円環状チャンバからノズルポートを通して支持体に衝突させ、支持体を溶融させる。この過程中で第２パルス推進薬が着火し、隔膜を破断して、第２パルスが開始されるものである。

特表平１１−５０３８０２号公報

ロケットモータの推進薬に点火するには、点火装置の主装薬に十分な燃焼面積が必要である。また、２パルスロケットモータにおいては、第２パルス推進薬へ点火する際に、第２パルス点火装置の主装薬の火炎が第２パルス推進薬と隔膜の間に容易に達することが必須であるため、第２パルス推進薬と隔膜の間に円環状の一定の空間を必要とするが、第１パルス燃焼時には燃焼圧力により当該空間を構造的に維持出来ないことから、従来は、当該空間に瞬間的に燃焼する材料で構成した支持体を設置している。上記特許文献１では、第２パルス推進薬を燃焼させるために、まず第２パルス用の点火装置の主装薬を燃焼させ、その燃焼ガスで支持体を瞬時に溶融させ、当該支持体の溶融後に生じる空間である第２パルス推進薬と隔膜の間の円環状の狭間に燃焼ガスを導き、燃焼ガスが接する隔膜を順次剥離させ、その過程で燃焼ガスに露出する第２パルス推進薬の表面積が順次拡大していくことで第２パルス推進薬に点火している。そして、第２パルスにおける十分な初期推力を得るには第２パルス推進薬の燃焼初期（点火完了後）に十分な燃焼面積を確保する必要がある。

しかし、上記特許文献１のように、支持体を設けると、その分部品点数が増加したり、重量増加を招いたり、コストの増加等を招き好ましくない。また、支持体を設ける分、第２パルス推進薬の量が減り推進薬マスレシオ（以下、マスレシオという）が悪化するという問題もある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、容易な構成で固体推進薬の点火を可能として部品点数の削減、軽量化、コスト低減を実現するとともに、十分な初期推力を得ることのできるパルスロケットモータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の固体ロケットモータでは、圧力容器と、前記圧力容器内に中空状をなして設けられ、外面から内孔面に向けて形成された点火通路を有する固体推進薬と、前記固体推進薬の少なくとも内孔面を覆う隔膜部材と、前記圧力容器頭部の隔壁に設けられた点火通路の頭部に位置する点火器と、前記隔壁内にて前記点火通路と連通する連通孔と、を備え、前記点火器の作動による点火薬の燃焼ガスが前記連通孔を通して前記点火通路の頭部側から尾部側へ順次伝達して前記固体推進薬の内孔面に点火することを特徴としている。

請求項２の固体ロケットモータでは、請求項１において、前記圧力容器内に中空状をなして設けられた第１パルス推進薬と、前記圧力容器の頭部中央に設けられ、前記第１パルス推進薬を点火する点火装置と、を備え、前記固体推進薬は、第２パルス推進薬として前記第１パルス推進薬より頭部側に設けられ、前記点火器は、前記圧力容器頭部の隔壁にて前記点火装置周囲に形成され前記連通孔を介して前記点火通路と連通する点火用燃焼室を有することを特徴としている。

請求項３の固体ロケットモータでは、請求項１または２において、前記点火通路は前記固体推進薬に穿設された円孔であることを特徴としている。
請求項４の固体ロケットモータでは、請求項１または２において、前記点火通路は、内孔が複数の光芒を有する星型に形成された前記固体推進薬の切欠部分であることを特徴としている。

請求項５の固体ロケットモータでは、請求項１から４のいずれかにおいて、前記隔膜部材は、前記固体推進薬の内孔面に沿って隔膜が延び、当該隔膜の少なくとも頭部側端部に加硫接着により一体をなした保持具を介して前記圧力容器に取り付けられており、前記保持具は、前記隔膜との加硫接着部分が後方に向かって延びた断面凸状をなしていることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明によれば、内孔面が隔膜部材で覆われた中空状の固体推進薬に、外面から内孔面に向けて点火通路を形成し、点火器は当該点火通路内に燃焼ガスを送ることで当該固体推進薬に点火する。
このように固体推進薬に点火通路を形成することで、点火時における燃焼面積を拡大することができる。また、当該点火通路は隔膜部材により内孔側が閉じられた空間であり、点火器から燃焼ガスを送り込むことで、点火通路内の圧力が上昇することから、点火モータ（点火装置の主装薬）を用いることなく、容易に固体推進薬に点火することができる。

したがって、従来のように支持体を設けたり、主装薬を備えた点火装置等を用いることなく、点火薬の燃焼ガスから直接的に第２パルス推進薬に点火することができ、支持体や点火装置の主装薬を設けない分、部品点数は減り、軽量化も図られ、コストも低減する。また、従来支持体を設けていた部分にも第２パルス推進薬を充填できることからマスレシオを向上させることもできる。

また、当該点火通路内で生じた燃焼ガスは隔膜部材を剥離させつつ固体推進薬の内孔面を燃焼させることとなり、燃焼初期に点火通路から固体推進薬の表面に亘って十分な燃焼面積を得ることができ、これにより十分な初期推力を得ることができる。つまり、点火通路の形状、数、長さ等を調整することで、必要な初期推力を容易に得ることができる。
以上のことから、容易な構成で固体推進薬への点火を可能として部品点数の削減、軽量化、コスト低減を実現するとともに、十分な初期推力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る固体ロケットモータの全体構成を示す縦断面図である。 図１の要部拡大縦断面図である。 隔膜部材の一部切欠斜視図である。 図２の頭部拡大縦断面図である。 点火通路の第１変形例を示す要部拡大縦断面図である。 点火通路の第２変形例を示す要部拡大横断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１〜４を参照すると、図１には本発明の一実施形態に係る固体ロケットモータの全体構成を示す縦断面図、図２には図１の要部拡大縦断面図、図３には隔膜部材の一部切欠斜視図、及び図４には図２の頭部拡大縦断面図がそれぞれ示されている。
図１に示す固体ロケットモータ１は、外殻をなす圧力容器２の尾部にノズル４が設けられている。当該固体ロケットモータ１は２パルスロケットモータであり、圧力容器２の内部には、中空状の固体燃料である第１パルス推進薬６が尾部側に、同じく中空状の固体燃料である第２パルス推進薬８が頭部側に設けられている。第２パルス推進薬８は、内孔面及び尾部端面が隔膜部材１０に覆われている。また、圧力容器２の頭部には第１パルス推進薬６に点火するための点火装置１２、及び第２パルス推進薬８に点火するための点火器１４がそれぞれ設けられている。

詳しくは、圧力容器２は、２分割方式の金属モータケースであり、同径の略筒形状をなした頭部側ケース２ａと尾部側ケース２ｂとが同軸上に連結されて構成されている。頭部側ケース２ａ及び尾部側ケース２ｂは、頭部側ケース２ａの尾部側開口縁と尾部側ケース２ｂの頭部側開口縁とが複数のボルトにより締結されている。当該圧力容器２の材料としてはチタン、マルエージング鋼、D6AC鋼、クロムモリブデン鋼等が用いられるのが好ましい。また、当該圧力容器２の外周は外部インシュレータ１６により覆われている。

第１パルス推進薬６は、先に燃焼する第１パルス用の固体推進薬であり、圧力容器２の軸方向（以下、単に軸方向という）に延びた中空円筒形状をなしている。当該第１パルス推進薬６は尾部側ケース２ｂ内に尾部側断熱材１８（図２）を介して設けられている。当該第１パルス推進薬６の内孔は、軸方向中央部から頭部側にかけて断面が複数の光芒を有する星型をなして燃焼面積を増大させている。また、当該第１パルス推進薬６は、コンポジット推進薬である。なお、第１パルス推進薬の内孔は全域を断面円形としてもよいし、星型等の光芒断面を軸方向中央部から後方等、任意の位置に形成して構わない。

第２パルス推進薬８は、後に燃焼する第２パルス用の固体推進薬であり、軸方向に延びた中空円筒形状をなしている。図２に詳しく示すように、当該第２パルス推進薬８は頭部側ケース２ａ内に頭部側断熱材２０を介して設けられている。当該第２パルス推進薬８の内孔断面は円形をなしている。当該第２パルス推進薬８はコンポジット推進薬である。
また、第２パルス推進薬８には、頭部側の外面、即ち圧力容器頭部の隔壁２ｃ部分に対応する部分、から内孔面に向かって斜めに点火孔（点火通路）２２が穿設されている。当該点火孔２２は円孔であり、周方向に４〜１６個程度形成されている。

隔膜部材１０は、断熱性を有するＥＰＤＭゴムからなる隔膜２４が、両端に設けられた隔膜保持金具２６ａ、２６ｂ（保持具）を介して圧力容器２に取り付けられている。
図２、３に詳しく示すように、隔膜２４は、第２パルス推進薬８の内孔面に沿って軸方向に円筒状に延びた内面部２４ａと、内面部２４ａの尾部側端部から尾部側に傾斜しつつ径方向外側に拡がった端面部２４ｂとからなる略漏斗状をなしている。また、隔膜２４は、内面部２４ａから端面部２４ｂへの屈曲部分が他の部分よりも構造的に脆弱な脆弱部２４ｃとして形成されている。当該脆弱部２４ｃは所定値以上の燃焼圧を受けると破断するような強度に予め設定されている。なお、脆弱部２４ｃの位置はこれに限られるものではない。

隔膜保持金具２６ａ、２６ｂはそれぞれ環状をなしており、頭部側の隔膜保持金具２６ａには頭部側の面に、尾部側の隔膜保持金具２６ｂにおいては外周面に、それぞれ周方向に沿って間隔をあけて複数のボルト穴２８ａ、２８ｂが形成されている。隔膜部材１０は、これらのボルト穴２８ａ、２８ｂをボルトで締結することで圧力容器２に取り付けられている。なお、隔膜保持金具２６ａ、２６ｂは、気密性及び耐熱性の点で金属であることが好ましいが、同程度の気密性及び耐熱性を備えていればＦＲＰ等からなる保持具としても構わない。

ここで、隔膜２４と頭部側の隔膜保持金具２６ａの取り付け構造については図４に詳しく示されており、当該頭部側の隔膜保持金具２６ａには、尾部側に向けて縮小した断面凸状の凸部３０ａが形成されている。そして、当該凸部３０ａが軸方向に延びる隔膜の内面部２４ａの頭部側部分に入り込んでおり、当該凸部３０ａと隔膜の内面部２４ａとが加硫接着により一体をなしている。

尾部側の隔膜保持金具２６ｂについては、図２に示すように、内方に向けて縮小した断面凸状をなす凸部３０ｂが形成されている。そして、当該凸部３０ｂが、径方向に延びる隔膜の端面部２４ｂの尾部側部分に入り込んでおり、当該凸部３０ｂと隔膜の端面部２４ｂとが加硫接着により一体をなしている。そして、当該端面部２４ｂは、第１パルス推進薬６と第２パルス推進薬８と直接接触して、両者を区画している。

点火装置１２は、圧力容器２の頭部中央をなす隔壁２ｃの軸心部分に取り付けられ、第２パルス推進薬８の内孔内、即ち隔膜部材１０の内面部２４ａ内方にて、尾部側に向けて突出している。当該点火装置１２は、内部に図示しない点火薬、主装薬、及び安全装置が設けられた小型の固体モータをなしており、第１パルス開始時には安全装置を介して点火薬を燃焼させ、当該燃焼ガスにより主装薬の燃焼を生起させ、当該主装薬の燃焼ガスが点火装置１２の尾部先端部分から噴射されることで、第１パルス推進薬の点火を行うものである。なお、点火薬としては例えばボロン硝石、主装薬としては例えばHTPB推進薬を用いるのが好ましい。

一方、第２パルス推進薬８に点火するための点火器１４は、隔壁２ｃにて点火装置１２の周囲に環状に形成された点火用燃焼室３２内に設けられている。点火器１４は上記点火装置１２のような主装薬は備えておらず、点火薬及び安全装置から構成されている。点火用燃焼室３２には、隔壁２ｃを貫通し第２パルス推進薬８の点火孔２２と連通する連通孔３４が、当該点火孔２２と対応した数形成されている。当該点火器１４は、第２パルス開始時には、安全装置を介して点火薬を燃焼させ、燃焼ガスを点火用燃焼室３２から各連通孔３４を通して各点火孔２２内に送ることで、第２パルス推進薬８に点火するものである。なお、点火器１４の点火薬は上記点火装置１２の点火薬と同様にボロン硝石を用いるのが好ましい。

以下、このように構成された本発明に係る固体ロケットモータの作用について説明する。
第１パルスについては、上述したように点火装置１２内部の点火薬、主装薬が燃焼し、当該点火装置１２から噴射された燃焼ガスにより第１パルス推進薬６を点火する。第１パルス推進薬６は内孔面から燃焼していき、この燃焼ガスはノズル４を通って大気中に噴射される。これにより固体ロケットモータ１は第１パルスによる推進力を得る。

このとき、第２パルス推進薬８は、両端の隔膜保持金具２６ａ、２６ｂから隔膜２４に至って一体構成をなす隔膜部材１０により覆われていることで、点火装置１２からの燃焼ガスや第１パルス推進薬６の燃焼ガスが侵入することはない。特に、第２パルス推進薬８の頭部側には点火孔２２が形成されているが、当該点火孔２２より軸心側には隔膜部材１０頭部側の隔膜保持金具２６ａの凸部３０ａが延びていることから、燃焼ガスから受ける圧力は十分な強度を備える金属の隔膜保持金具２６ａにより受け止められ、隔膜部材１０や第２パルス推進薬８が変形することはない。そして、第１パルス推進薬６の全てが燃焼し終えることで、第１パルスは終了する。

第２パルスは、任意のタイミングで点火器１４の安全装置を介して点火薬を燃焼させ、その燃焼ガスを点火用燃焼室３２から各連通孔３４を通して、点火孔２２内に送る。点火孔２２は隔膜部材１０により内孔側が閉じられた空間であることから、燃焼ガスが送り込まれることで、点火孔２２内の体積が十分に小さいため、点火孔２２内の圧力が上昇し、点火モータを用いることなく、第２パルス推進薬８への点火がなされる。点火孔２２内で生じた燃焼ガスは隔膜部材１０を剥離させつつ、第２推進薬の内孔面から尾部端面に沿って燃焼が進行する。隔膜２４は、第２パルス推進薬８に対して膨張し圧力容器２の内方側に変形して、他の部分より脆弱な脆弱部２４ｃにて破断する。これにより、第２パルス推進薬８の燃焼ガスがノズル４を通って大気中に噴射されて、当該第２パルスが開始される。

このとき、第２パルスの初期推力は第２パルス推進薬の各点火孔２２、内孔面、及び尾部側端面の面積に応じたものとなる。そして、第２パルス推進薬８が全て燃焼することで、第２パルスは終了する。
以上のように、本実施形態における固体ロケットモータ１においては、第２パルス推進薬８に点火孔２２を形成したことで、当該点火孔２２の内周面積分、点火時における燃焼面積を拡大することができる。また、当該点火孔２２は隔膜部材１０により内孔側が閉じられた空間であり、点火器１４から燃焼ガスを送り込むことで、点火孔２２内の圧力が上昇することから、点火モータを用いることなく、容易に第２パルス推進薬８に点火することができる。

したがって、従来のように支持体を設けたり、点火装置１２が備えている主装薬を用いることなく、点火薬の燃焼ガスから直接的に第２パルス推進薬８に点火することができ、支持体や主装薬を設けない分、部品点数は減り、軽量化も図られ、コストも低減する。また従来支持体を設けていた部分にも第２パルス推進薬８を充填できることからマスレシオを向上させることもできる。

また、当該点火孔２２内で生じた燃焼ガスは隔膜部材１０を剥離させつつ第２パルス推進薬８の内孔面及び尾部側端面を燃焼させることとなり、第２パルス開始時に点火孔２２から第２パルス推進薬８の表面に亘って十分な燃焼面積を得ることができ、これにより十分な初期推力を得ることができる。また、本実施形態の点火孔２２は円孔であり、第２パルス推進薬８に容易に形成することができる。そして、点火孔２２の形状、数、長さ等を調整することで、必要な初期推力を容易に得ることができる。

さらに、点火孔２２を形成することで第２パルス推進薬８の頭部側範囲の剛性が低下したとしても、点火孔２２の軸心側に位置する隔膜部材１０の頭部側は金属の隔膜保持具２６ａによって圧力容器２に取り付けられていることから、第１パルス時の燃焼圧は金属の隔膜保持具２６ａで受け止められる。これにより、第２パルス推進薬８の頭部側範囲の強度を確保でき、当該部分の変形や破断を防ぐことができる。

以上で本発明に係る固体ロケットモータの実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態における点火孔２２のような点火通路の形状、数、長さ等はこれに限られるものではない。
ここで、図５には点火通路の第１変形例の要部縦断面図が、図６には点火通路の第２変形例の要部横断面図が、それぞれ示されている。なお、上記実施形態と同じ要素については同じ符号を付している。

第１変形例としては、図５のように、第２パルス推進薬８’に、点線で示した上記実施形態の点火孔２２よりも尾部側に長く延ばした点火孔２２’が穿設されている。なお、点火孔２２’を長く延ばしたことに伴い、当該点火孔２２’と連通するよう連通孔３４’の位置や形状も変化している。このように、点火孔２２’を長くすることで、点火時における燃焼面積が拡大することとなり、第２パルス推進薬８’に点火し易くなるとともに、初期推力を大きくすることができる。

第２変形例としては、図６のように、点線で示した上記実施形態の円孔の点火孔２２に代えて、第２パルス推進薬８”の内孔において周方向の複数箇所（図６では７箇所）を外面から内孔面に亘って矩形に切り欠いた複数の光芒を有する星型として、当該光芒の各切欠部４０を点火通路としている。このように、点火通路を光芒の切欠部４０とすることで、点火時における燃焼面積を円孔よりさらに拡大することができ、さらなる点火性の向上及び初期推力の向上を図ることができる。なお、当該断面形状、即ち切欠部の形状は矩形に限られるものではなく、例えば切欠部を三角形とした星型断面にしても構わない。

さらに、図示しないが、点火通路における他の変形例としては、点火通路の数を増やして燃焼面積を拡大してもよい。
また、第１パルス推進薬６及び第２パルス推進薬８の搭載量等は上記実施形態で示したものに限られるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。
また、上記実施形態では、固体ロケットモータ１は２パルスロケットモータであるが、これに限られるものではなく、１つの固体推進薬からなる固体ロケットモータや、３つ以上の固体推進薬を備えたマルチパルスロケットモータにも本発明を適用することは可能である。

また、上記実施形態では、点火器１４は環状の点火用燃焼室３２に臨んで設けられているが、点火器の構成はこれに限られるものではない。例えば上記実施形態と同様の点火用燃焼室内に、環状に亘って点火薬を配設させる構成としても構わない。
また、上記実施形態では、隔膜２４は第２パルス推進薬８に沿って内面部２４ａから端面部２４ｂに亘って延びているが、当該隔膜２４は少なくとも第２パルス推進薬８の内孔面に沿って延びて当該第２パルス推進薬８を覆っていればよい。例えば圧力容器内に第１パルス推進薬と第２パルス推進薬とを区画する内壁が形成されている場合等は、第２パルス推進薬の内周面に沿って延びる内面部のみの隔膜とする。そして、当該隔膜の両端に隔膜保持金具を設け、前端側の隔膜保持金具は圧力容器の頭部の隔壁に、後端側の隔膜保持金具は第１パルス推進薬及び第２パルス推進薬を区画する内壁にそれぞれ取り付けるものとする。

１ 固体ロケットモータ
２ 圧力容器
４ ノズル
６ 第１パルス推進薬
８、８’、８” 第２パルス推進薬
１０ 隔膜部材
１２ 点火装置
１４ 点火器
２２、２２’ 点火孔（点火通路）
２４ 隔膜
２４ａ 内面部
２４ｂ 端面部
２４ｃ 脆弱部
２６ａ、２６ｂ 隔膜保持金具（保持具）
３０ａ、３０ｂ 凸部
３２ 点火用燃焼室
３４ 連通孔
４０ 切欠部（点火通路）

Claims (5)

1. 圧力容器と、
   前記圧力容器内に中空状をなして設けられ、外面から内孔面に向けて形成された点火通路を有する固体推進薬と、
   前記固体推進薬の少なくとも内孔面を覆う隔膜部材と、
   前記圧力容器頭部の隔壁に設けられた点火器と、
   前記隔壁内にて前記点火通路と連通する連通孔と、を備え、
   前記点火器の作動による点火薬の燃焼ガスが前記連通孔を通して前記点火通路の頭部側から尾部側へ順次伝達して前記固体推進薬の内孔面に点火することを特徴とする固体ロケットモータ。
2. 前記圧力容器内に中空状をなして設けられた第１パルス推進薬と、
   前記圧力容器の頭部中央に設けられ、前記第１パルス推進薬を点火する点火装置と、を備え、
   前記固体推進薬は、第２パルス推進薬として前記第１パルス推進薬より頭部側に設けられ、
   前記点火器は、前記圧力容器頭部の隔壁にて前記点火装置周囲に形成され前記連通孔を介して前記点火通路と連通する点火用燃焼室を有することを特徴とする請求項１記載の固体ロケットモータ。
3. 前記点火通路は前記固体推進薬に穿設された円孔であることを特徴とする請求項１または２記載の固体ロケットモータ。
4. 前記点火通路は、内孔が複数の光芒を有する星型に形成された前記固体推進薬の切欠部分であることを特徴とする請求項１または２記載の固体ロケットモータ。
5. 前記隔膜部材は、前記固体推進薬の内孔面に沿って隔膜が延び、当該隔膜の少なくとも頭部側端部に加硫接着により一体をなした保持具を介して前記圧力容器に取り付けられており、
   前記保持具は、前記隔膜との加硫接着部分が後方に向かって延びた断面凸状をなしていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の固体ロケットモータ。

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