JP6361404B2 - 推力偏向装置、および、推力偏向装置を備える飛しょう体 - Google Patents
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- F42B10/60—Steering arrangements
- F42B10/66—Steering by varying intensity or direction of thrust
- F42B10/665—Steering by varying intensity or direction of thrust characterised by using a nozzle provided with at least a deflector mounted within the nozzle
Description
本明細書において、図3〜4、6A、7〜9、11A、11B、12に示されるように、燃焼ガスが放出される側の方向を「後方(RWD)」、当該後方の反対側の方向を「前方(FWD)」と定義する。また、ノズルの長手方向中心軸をX軸とした時、X軸に沿って燃焼ガスが放出される方向を+X方向と定義し、+X方向と反対方向を−X方向と定義する。「後方」と「+X方向」とは一致し、「前方」と「−X方向」とは一致する。なお、ノズルの長さに関係なく、X軸に沿うノズルの中心軸がノズルの長手方向中心軸と定義される。
本明細書において、ノズルの長手方向中心軸は、ノズル内面の長手方向に垂直な断面形状が円である場合には、当該円の中心を通る線と定義される。ノズルの長手方向中心軸は、ノズル内面の長手方向に垂直な断面形状が非円形状である場合には、当該非円形状の面積中心を通る線と定義される。
図1を参照して、ジェットタブによる推力偏向の原理を説明する。図1は、ノズル1の概略側方断面図を示す。ノズル1の後方には、ノズル出口8に一部がオーバーラップするようにジェットタブ2(ジェットタブは、偏向体あるいはスポイラーと呼ばれることもある。)が配置されている。
図2Aは、推力偏向角の定義について説明するための図である。図2Aは、ロケットモータの側面図である。ロケットモータには、ノズル1の長手方向軸方向の推進力Fx、および、上述の偏向力DF、すなわち、偏向力Fyが作用する。この時、推力偏向角θは、Arctan(Fy/Fx)と定義される。図2Bは、ノズル出口の遮蔽面積比と推力偏向角θとの関係を表すグラフである。ノズル出口の面積(全開時面積)をA0と定義し、ジェットタブによるノズル出口の遮蔽面積をArと定義し、遮蔽面積Arと全開時面積A0との比を、遮蔽面積比(S=Ar/A0)と定義する。図2Bから把握されるように、推力偏向角θは、遮蔽面積比Sの単調増加関数となる。換言すれば、ジェットタブによる遮蔽面積Arが増加するにつれて、推力偏向角θが増加する。
図3〜5を参照して、発明者によって認識された課題について説明する。図3〜4は、推力偏向装置の側方断面図である。また、図4は、図3のAR1の領域を拡大した図である。図5は、図3のA−A矢視断面図である。
図6A〜図6Cを参照して、推力偏向装置200Aの概要について説明する。図6A〜図6Cには、推力偏向装置200Aの一部(下方部分)のみが記載されている。推力偏向装置200Aは、ノズル10、ジェットタブ20、回転シャフト30、駆動機構40、ガスシール部材50、および、突出部60を備える。
図6A〜図6Cを参照して、推力偏向装置200Aについて更に詳細に説明する。推力偏向装置200Aは、ノズル10、ジェットタブ20、回転シャフト30、駆動機構40、ガスシール部材50、および、突出部60を備える。
ノズル10は、ノズル壁部11を備える。また、ノズル壁部11は、ノズル本体部11A、および、フランジ部11Bを備える。ノズル本体部11Aとフランジ部11Bとは一体であってもよいし、別体であってもよい。フランジ部11Bは、小径部15と、小径部15の外面17よりも、径外方向に突出する大径部18とを備える。例えば、小径部15と、大径部18とは一体であり、大径部18は、小径部15の前方側に位置する。フランジ部11Bの大径部18には、回転シャフト30を挿通するための貫通孔11Cが設けられる。大径部18は、その貫通孔11Cに、回転シャフト30が挿通される部材であるので、回転シャフト受け部材ということもできる。ノズル壁部11の材質は、例えば、複合材料、耐熱合金、又は、複合材料と耐熱合金との組み合わせである。ノズル壁部11の材質の一例としては、析出硬化系ステンレスを挙げることができる。
ジェットタブ20は、ノズル10の後方に配置される。すなわち、ジェットタブ20は、ノズル10の長手方向中心軸CLに沿う方向において、ノズル出口12の後方側(+X方向側)に配置される。図6Aでは、1つのジェットタブ20のみが記載されているが、例えば、図5におけるジェットタブの記載と同様に、ノズルの長手方向中心軸CLまわりに複数個のジェットタブを配置してもよい。配置されるジェットタブの個数は、任意である。なお、ジェットタブ20は、長手方向中心軸CLまわりに、等間隔で配置されることが好ましい。ジェットタブ20は、ノズル出口12から放出される燃焼ガスが衝突する前方端面21を備える。前方端面21は、例えば、長手方向中心軸CLに垂直な平面である。前方端面21とノズルの後方端面14との間には、隙間70が形成される。当該隙間70は、ジェットタブ20が、退避位置と進出位置との間を移動する際のクリアランスとして機能する。ジェットタブ20の材質は、例えば、耐熱合金である。
ジェットタブ20を退避位置と進出位置との間で移動させるために、回転シャフト30、および、駆動機構40が用いられる。回転シャフト30の遠端部34(後方側の端部)は、ジェットタブ20に連結されている。回転シャフト30とジェットタブ20とは、一体の部品として連結されていてもよいし、別体の部品を固着することによって連結されていてもよい。回転シャフト30(例えば、図6Aでは、回転シャフト30の基端部36)は、駆動機構40と動力伝達可能に連結されている。駆動機構40の出力軸は、回転シャフト30に直接連結されてもよいし、減速機構等の動力伝達機構を介して回転シャフト30に連結されてもよい。駆動機構40は、例えば、モータである。駆動機構40の動力を回転シャフト30に伝達させることによって、回転シャフト30はジェットタブ20とともに回転駆動される。ジェットタブ20は、回転シャフト30の回転軸RAまわりの回転によって、退避位置から進出位置に移動する。或いは、ジェットタブ20は、回転シャフト30の回転軸RAまわりの回転によって、進出位置から退避位置に移動する。回転シャフト30の材質は、例えば、耐熱合金である。なお、回転シャフト30は、軸受部材(図示されず)によって、回転可能に支持されている。
回転シャフト30の外周面32にはガスシール部材50が配置される。ガスシール部材50は、回転シャフト30の外周面32と、ノズル壁部11との間の隙間をシールする部材である。ガスシール部材50は、回転シャフト30の外周面32と、ノズル壁部11に設けられる貫通孔11Cの内面との間に配置される(より詳細には、貫通孔11Cは、ノズル壁部11のフランジ部11Bに設けられている。更により詳細には、貫通孔11Cは、フランジ部11Bの大径部18に設けられている。必要であれば、図6Bを参照。なお、図6Bにおいて、小径部の外面を示す図番17は、仮想線である。)。ガスシール部材50は、ノズル出口12から放出される燃焼ガスが、駆動機構40に向かって流入することを防止し、駆動機構40等を保護する。ガスシール部材50は、例えば、Oリングである。Oリングの周方向に垂直な面におけるOリングの断面形状は、例えば、円形状である。ガスシール部材50の材質は、例えば、パーフルオロエラストマー(FFKM)等の耐熱ゴムである。
回転シャフト30は、ガスシール部材50の後方側において、前記回転シャフト30の径外方向に突出する突出部60を備える。図6Aの例では、突出部60は、回転シャフト30と一体に成型されている。代替的に、突出部60は、回転シャフト30とは別体に成型され、締結部材等を介して、回転シャフト30に固着されてもよい。突出部60は、例えば、環状の突出部である(必要であれば、図6Cを参照。なお、図6Cにおいて、回転シャフト30の外周面を示す図番32は、仮想線である。)。環状の突出部は、リング状の突出部ということもできる。突出部60は、隙間70から流出する燃焼ガスが、ガスシール部材50に向かって流れるのを抑制する(図6Aの矢印GA2を参照。)。突出部60の材質は、例えば、耐熱合金である。
図7を参照して、燃焼ガスの流れ、および、突出部の詳細構成について説明する。図7は、実施形態の推力偏向装置の概略側方断面図であり、図6AのAR2の領域を拡大した図である。
図9を参照して、変形例に関し、燃焼ガスの流れ、および、突出部の詳細構成について説明する。
2 :ジェットタブ
2A :ジェットタブ
2B :ジェットタブ
2C :ジェットタブ
2D :ジェットタブ
3 :ノズル外壁
4 :回転シャフト
5 :駆動機構
6 :ガスシール部材
7 :フランジ部
8 :ノズル出口
9A :隙間
9B :隙間
10 :ノズル
11 :ノズル壁部
11A :ノズル本体部
11B :フランジ部
11B’ :フランジ部(回転シャフト受け部材)
11B’’ :第2フランジ部
11C :貫通孔
12 :ノズル出口
14 :ノズルの後方端面
14A :ノズル本体部の後方端面
14B :フランジ部の後方端面
15 :小径部
16 :ノズル後方端面の外周縁
17 :小径部の外面
18 :大径部(回転シャフト受け部材)
18A :大径部の後方端面
20 :ジェットタブ
21 :ジェットタブの前方端面
30 :回転シャフト
32 :回転シャフトの外周面
34 :回転シャフトの遠端部
36 :回転シャフトの基端部
40 :駆動機構
50 :ガスシール部材
60 :突出部
60A :突出部
60D :突出部
60E :突出部
61B :傾斜部
61C :平坦部
62 :突出部の後方端面
62B :傾斜部の後方端面
62C :平坦部の後方端面
64 :突出部の外周面
64B :傾斜部の外周面
64C :平坦部の外周面
65 :貫通孔
66 :突出部の前方端面
66B :傾斜部の前方端面
66C :平坦部の前方端面
67 :境界面
70 :隙間
72 :隙間
72A :隙間
72B :隙間
72C :隙間
100 :推力偏向装置
200 :推力偏向装置
200A :推力偏向装置
200B :推力偏向装置
200C :推力偏向装置
200D :推力偏向装置
300 :操舵翼
1000 :飛しょう体
A0 :全開時面積
Ar :遮蔽面積
CL :中心軸
DF :偏向力
GF1 :燃焼ガス主流
GF2 :偏向流
HP :高圧領域
L1 :内径の半分
L2 :外径の半分
PL :面
PL1 :平面
PL2 :平面
RA :回転軸
RA’ :中心軸
S :遮蔽面積比
SW :衝撃波
θ1 :角度
θ2 :角度
Claims (11)
- 燃焼ガスを後方に向けて放出するノズル出口を有するノズルと、
前記ノズルの後方側に配置されるジェットタブと、
前記ジェットタブに連結され、回転軸まわりに回転可能な回転シャフトと、
前記回転シャフトを前記回転軸まわりに回転させる駆動機構と、
前記回転シャフトの外周面に配置され、前記燃焼ガスが前記駆動機構に向けて侵入するのを防止するガスシール部材と
を備え、
前記ジェットタブは、前記回転シャフトを前記回転軸まわりに回転させることによって、前記ノズルの長手方向中心軸と交差する面内で回転し、前記ノズル出口と重ならない退避位置から前記ノズル出口と重なる進出位置に向けて進出するように構成され、
前記ジェットタブとノズル後方端面との間には、第1隙間が形成され、
前記回転シャフトは、前記ガスシール部材の後方側において、突出部を備え、前記突出部は、前記回転シャフトの径外方向に突出している
推力偏向装置。 - 前記突出部は、環状突出部である
請求項1に記載の推力偏向装置。 - 前記回転シャフトが挿通される貫通孔を有する回転シャフト受け部材を更に備え、
前記ガスシール部材は、前記回転シャフトの前記外周面と前記貫通孔の内面との間に配置され、
前記環状突出部の外径は、前記貫通孔の内径よりも大きい
請求項2に記載の推力偏向装置。 - 前記突出部の後方端面は、前記ノズル後方端面の外周縁よりも、前方側に位置する
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の推力偏向装置。 - 前記突出部は傾斜部を備え、
前記傾斜部の後方端面は、前記ノズルの前記長手方向中心軸から径外方向に向かうにつれて、前方側に傾斜する第1傾斜面である
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の推力偏向装置。 - 前記突出部は、平坦部を備え、
前記ジェットタブが、前記進出位置にある時、前記平坦部は、前記傾斜部よりも前記径外方向に向かう方向に位置する
請求項5に記載の推力偏向装置。 - 前記ノズル後方端面は、前記径外方向に向かうにつれて、前方側に傾斜する第2傾斜面を備え、
前記回転軸と垂直な第1面と前記第1傾斜面とがなす角は、前記第1面と平行な第2面が前記第2傾斜面となす角よりも大きい
請求項5又は6に記載の推力偏向装置。 - 前記回転シャフトには、前記回転シャフトの長手方向に沿って、複数の前記突出部が互いに離間して配置される
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の推力偏向装置。 - 前記突出部を迂回してガスシールに向かう前記燃焼ガスの流れを減速させる屈曲流路を更に備える
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の推力偏向装置。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の推力偏向装置を備える飛しょう体。
- 燃焼ガスを後方に向けて放出するノズル出口を有するノズルと、
前記ノズルの後方側に配置されるジェットタブと、
前記ジェットタブに連結され、回転軸まわりに回転可能な回転シャフトと、
回転シャフトが挿通される貫通孔を有する回転シャフト受け部材と、
前記回転シャフトを前記回転軸まわりに回転させる駆動機構と、
前記回転シャフトの外周面と前記貫通孔の内面との間に配置されるガスシール部材と
を備え、
前記回転シャフトは、前記ガスシール部材と前記ジェットタブとの間において、前記回転シャフトの径外方向に突出する環状突出部を備え、
前記環状突出部の外径は、前記貫通孔の内径よりも大きく、
前記ジェットタブと前記ノズルの後方端面との間には、第1隙間が形成され、
前記ノズルの後方端面の外周縁と前記ジェットタブとの間の最短距離は、前記環状突出部の後方端面と前記ジェットタブとの間の最短距離よりも小さい
推力偏向装置。
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