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

推力偏向装置、および、推力偏向装置を備える飛しょう体 Download PDF

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    • F42B10/665Steering by varying intensity or direction of thrust characterised by using a nozzle provided with at least a deflector mounted within the nozzle

Description

本発明は、推力偏向装置、および、推力偏向装置を備える飛しょう体に関する。
ジェットタブを用いる推力偏向装置が知られている。ジェットタブは、ノズル出口部に挿入されることで、ジェットタブ挿入部の上流の圧力を上昇させ、ミサイル等のピッチ制御、ヨー制御を可能にする。
上記に関連して、特許文献1(特表2004−524501号公報)には、ジェット制御システムにおいて、制御翼に隣接してブラスト遮蔽体を配置することが記載されている。
特表2004−524501号公報
本発明の目的は、ガスシール部材を保護することが可能な推力偏向装置、および、飛しょう体を提供することにある。
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。
本発明の1つの観点において、推力偏向装置は、燃焼ガスを後方に向けて放出するノズル出口(12)を有するノズル(10)と、前記ノズル(10)の後方側に配置されるジェットタブ(20)と、前記ジェットタブ(20)に連結され、回転軸(RA)まわりに回転可能な回転シャフト(30)と、前記回転シャフト(30)を前記回転軸(RA)まわりに回転させる駆動機構(40)と、前記回転シャフト(30)の外周面(32)に配置され、前記燃焼ガスが前記駆動機構(40)に向けて侵入するのを防止するガスシール部材(50)を備える。前記ジェットタブ(20)は、前記回転シャフト(30)を前記回転軸(RA)まわりに回転させることによって、前記ノズル(10)の長手方向中心軸(CL)と交差する面(PL)内で回転し、前記ノズル出口(12)と重ならない退避位置から前記ノズル出口(12)と重なる進出位置に向けて進出するように構成される。前記ジェットタブ(20)とノズル後方端面(14;14A、14B)との間には、第1隙間(70)が形成される。前記回転シャフト(30)は、前記ガスシール部材(50)の後方側において、突出部(60;60A;60D、60E)を備え、前記突出部(60)は、前記回転シャフト(30)の径外方向に突出しており、前記第1隙間(70)から流出する前記燃焼ガスが、前記ガスシール部材(50)に向かって流れるのを抑制する。
上記推力偏向装置において、前記突出部(60)は、環状突出部(60;60A;60D、60E)であってもよい。
上記推力偏向装置において、前記回転シャフト(30)が挿通される貫通孔(11C)を有する回転シャフト受け部材(18;11B’)を更に備えていてもよい。また、前記ガスシール部材(50)は、前記回転シャフト(30)の前記外周面(32)と前記貫通孔(11C)の内面との間に配置されていてもよい。さらに、前記環状突出部(60;60A;60D、60E)の外径(2×L2)は、前記貫通孔(11C)の内径(2×L1)よりも大きくてもよい。
上記推力偏向装置において、前記突出部(60;60A;60D、60E)の後方端面(62;62B、62C)は、前記ノズル後方端面(14;14A、14B)の外周縁(16)よりも、前方側に位置していてもよい。
上記推力偏向装置において、前記突出部(60A)は傾斜部(61B)を備えていてもよい。また、前記傾斜部(61B)の後方端面(62B)は、前記ノズル(10)の前記長手方向中心軸(CL)から径外方向に向かうにつれて、前方側に傾斜する第1傾斜面であってもよい。また、前記第1傾斜面は、前記第1隙間(70)から流出する前記燃焼ガスの一部を案内してもよい。
上記推力偏向装置において、前記突出部(60A)は、平坦部(61C)を備えていてもよい。また、前記ジェットタブ(20)が、前記進出位置にある時、前記平坦部(61C)は、前記傾斜部(61B)よりも前記径外方向に向かう方向に位置していてもよい。さらに、前記平坦部(60C)は、前記傾斜部(61B)の前記後方端面(62B)によって案内される前記燃焼ガスの一部を偏向させてもよい。
上記推力偏向装置において、前記ノズル後方端面(14)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傾斜面を備えてもよい。また、前記回転軸(RA)と垂直な第1面(PL1)と前記第1傾斜面とがなす角(θ)は、前記第1面と平行な第2面(PL2)が前記第2傾斜面となす角(θ)よりも大きくてもよい。
上記推力偏向装置において、前記回転シャフト(30)には、前記回転シャフト(30)の長手方向に沿って、複数の前記突出部(60D、60E)が配置されてもよい。
上記推力偏向装置において、前記突出部(60;60A;60D、60E)を迂回してガスシール(50)に向かう前記燃焼ガスの流れを減速させる屈曲流路(72A、72B、72C)を更に備えてもよい。
本発明の他の1つの観点において、飛しょう体は、推力偏向装置を備える。推力偏向装置は、上記段落に記載されているもののいずれかである。
本発明の更に他の1つの観点において、推力偏向装置は、燃焼ガスを後方に向けて放出するノズル出口(12)を有するノズル(10)と、前記ノズル(10)の後方側に配置されるジェットタブ(20)と、前記ジェットタブ(20)に連結され、回転軸(RA)まわりに回転可能な回転シャフト(30)と、回転シャフト(30)が挿通される貫通孔(11C)を有する回転シャフト受け部材(18;11B’)と、前記回転シャフト(30)を前記回転軸(RA)まわりに回転させる駆動機構(40)と、前記回転シャフト(30)の外周面(32)と前記貫通孔(11C)の内面との間に配置されるガスシール部材(50)とを備える。前記回転シャフト(30)は、前記ガスシール部材(50)と前記ジェットタブ(20)との間において、前記回転シャフト(30)の径外方向に突出する環状突出部(60;60A;60D、60E)を備える。前記環状突出部(60;60A;60D、60E)の外径(2×L2)は、前記貫通孔(11C)の内径(2×L1)よりも大きい。前記ジェットタブ(20)と前記ノズル(10)の後方端面(14;14A、14B)との間には、第1隙間(70)が形成される。前記ノズル(10)の後方端面(14;14A、14B)の外周縁(16)と前記ジェットタブ(20)との間の最短距離は、前記環状突出部(60;60A;60D、60E)の後方端面(62;62B、62C)と前記ジェットタブ(20)との間の最短距離よりも小さい。
本発明により、ガスシール部材を保護することが可能な推力偏向装置、および、飛しょう体を提供することができる。
図1は、ジェットタブによる推力偏向の原理を説明する図である。 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2Bは、ノズル出口の遮蔽面積比と推力偏向角との関係を表すグラフである。 図3は、推力偏向装置の側方断面図であり、発明者によって認識された課題を説明する図である。 図4は、推力偏向装置の側方断面図であり、発明者によって認識された課題を説明する図であり、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は、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。 図6Bは、図6AのB−B矢視断面図である。 図6Cは、図6AのC−C矢視断面図である。 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8は、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。 図9は、実施形態の推力偏向装置の概略側方断面図であり、図8のAR3の領域を拡大した図である。 図10Aは、突出部の概略斜視図である。 図10Bは、突出部の概略断面図である。 図11Aは、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。 図11Bは、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。 図12は、飛しょう体の概略側面図である。
以下、添付図面を参照して、実施形態の説明を行う。
(方向の定義)
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。
(用語の定義)
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。
(ジェットタブによる推力偏向の原理)
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。
ノズル1の長手方向中心軸CLに沿って後方に流れる燃焼ガス主流GF1は、ジェットタブ2の存在によって、当該ジェットタブ2の前方に高圧領域HPを生成する。高圧領域HPでは、燃焼ガス主流GF1の流入が抑制される。そして、高圧領域HPの前方部分を起点として、斜め衝撃波SWが生成される。燃焼ガス主流GF1は、斜め衝撃波SWによって、偏向されて、偏向流GF2となる。燃焼ガス主流GF1が偏向されることの反作用として、ノズル1には、偏向力DFが作用する。当該偏向力DFによって、ノズル1(或いは、ノズル1を備えた飛しょう体)を前方に推進させる推力は、偏向される。
(ノズル出口の遮蔽面積比と推力偏向角との関係)
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F、および、上述の偏向力DF、すなわち、偏向力Fが作用する。この時、推力偏向角θは、Arctan(F/F)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Aと定義し、ジェットタブによるノズル出口の遮蔽面積をAと定義し、遮蔽面積Aと全開時面積Aとの比を、遮蔽面積比(S=A/A)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Aが増加するにつれて、推力偏向角θが増加する。
(発明者によって認識された課題)
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。
まず、図3を参照して、推力偏向装置100の1例について説明する。推力偏向装置100は、ノズル1、ジェットタブ2A〜2D(なお、ジェットタブ2C、2Dは、図3では、図示されていない。)、ノズル外壁3、回転シャフト4、駆動機構5、ガスシール部材6、および、フランジ部7を備える。
ノズル1は、ノズルの長手方向中心軸CL、および、ノズル出口8を含む。ノズル1の内部において、燃焼ガス流が流れる。ノズル1の内部を流れる燃焼ガス主流GF1は、上述の原理によって、ジェットタブ2Aによって偏向され、偏向流GF2となる。燃焼ガスの大部分は、ノズル出口8から、後方に向かって放出される。なお、図3において、ジェットタブ2Aは、ノズル出口8とオーバーラップしているため(進出位置にあるため)、上述の偏向力を発生させるが、ジェットタブ2B〜2D(なお、ジェットタブ2C、2Dは、図3では、図示されていない。必要であれば、図5を参照。)は、ノズル出口8とオーバーラップしていないため(退避位置にあるため)、上述の偏向力を発生させない。
ジェットタブ2Aを退避位置から進出位置に移動させるため(或いは、進出位置から退避位置に移動させるため)、回転シャフト4、および、駆動機構5が用いられる。回転シャフト4は、ジェットタブ2Aに連結されている。また、駆動機構5は、回転シャフト4に動力を伝達する。駆動機構5の動力を回転シャフト4に伝達させることによって、回転シャフト4はジェットタブ2Aとともに回転駆動される。ジェットタブ2Aは、回転シャフト4の回転に伴い、退避位置から進出位置に移動する。或いは、ジェットタブ2Aは、回転シャフト4の回転に伴い、進出位置から退避位置に移動する。
回転シャフト4の外周面にはガスシール部材6が配置される。ガスシール部材6は、回転シャフト4の外周面と、ノズル1の壁部との間の隙間をシールする部材である。ガスシール部材6は、ノズル出口8から放出される燃焼ガスが、ノズル1の後方端面とジェットタブ2Aとの隙間を通って、駆動機構5に向かって流入することを防止し、駆動機構5等を保護する。
次に、図4を参照して、燃焼ガスの流れについて説明する。上述のとおり、燃焼ガスの大部分は、ノズル出口8から、後方に向かって放出される(図4において、偏向流GF2の矢印を参照)。また、矢印GA1で示されるように、燃焼ガスの一部分は、ノズル出口8から、ノズル1の後方端面とジェットタブ2Aの前方端面との間の隙間9Aに流入する。隙間9Aに流入した燃焼ガスの一部は、矢印GA2で示されるように、回転シャフト4を迂回して、ノズルの径外方向に放出される。また、隙間9Aに流入した燃焼ガスの一部は回転シャフト4に衝突し、矢印GA3で示されるように、回転シャフト4に沿って、ガスシール部材6に向かって流れる。隙間9Aを流れる燃焼ガスは、高速(例えば、隙間9Aがスロートとして機能する場合には、マッハ1)かつ高温であり、矢印GA3で示される燃焼ガスも高速(例えば、ノズル1の壁部と回転シャフト4の外周面との間の隙間9Bが、隙間9Aすなわちスロートの下流の膨張部として機能する場合には、マッハ1以上)かつ高温である。高速流体の熱伝達係数は高いため、矢印GA3で示される燃焼ガスからガスシール部材6に伝達される熱量は、非常に大きなものとなる。このため、ガスシール部材6に加わる熱的負荷が大きいとの問題が生じる。
なお、図3〜図5に記載された推力偏向装置は、発明者によって認識された課題を説明するために便宜的に記載された図である。よって、図3〜図5に記載された推力偏向装置は、本願出願前における公知技術を示すものではない。
図6A〜図7を参照して、実施形態の推力偏向装置について説明する。図6Aは、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。図6Bは、図6AのB−B矢視断面図である。図6Cは、図6AのC−C矢視断面図である。図7は、実施形態の推力偏向装置の一部を示す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。
本実施形態の推力偏向装置は、特に、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突出部60(ガスシール保護部材)を備える点で、図3〜5に記載された推力偏向装置と異なる。
(推力偏向装置の構成概要)
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。
ノズル10は、燃焼ガスを後方(すなわち、+X方向側)に向けて放出するノズル出口12を有する。ノズル10の後方(すなわち、+X方向側)には、ジェットタブ20が配置される。ジェットタブ20は、回転軸RAまわりに回転可能な回転シャフト30に連結される。駆動機構40は、回転シャフト30を回転させることにより、ジェットタブ20を退避位置(ジェットタブ20がノズル出口12とオーバーラップしない位置)と進出位置(ジェットタブ20の一部分がノズル出口12とオーバーラップする位置)との間で回転駆動する。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、燃焼ガスが駆動機構40に向けて侵入するのを防止する。回転シャフト30は、ガスシール部材50の後方(すなわち、+X方向側)に、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。
ジェットタブ20は、進出位置にある時、ジェットタブ20の前方端面21の前方に高圧領域を生成する。当該高圧領域の存在によって、斜め衝撃波が生成され、当該斜め衝撃波を横切る燃焼ガス主流GF1は、偏向されて、偏向流GF2となる。当該偏向による反作用によって、ノズル10(或いは、ノズル10を備えた飛しょう体)を前方に推進させる推力が偏向される。ノズル出口12から排出される燃焼ガスの一部は、ノズル10の後方端面14とジェットタブ20の前方端面21との間の隙間70に流入する(図6Aの矢印GA1を参照。)。隙間70から流出する燃焼ガスは、突出部60によって案内されることで(図6Aの矢印GA2を参照。)、ガスシール部材50に向かって流れることが抑制される。すなわち、実施形態の推力偏向装置は、ガスシール部材50を保護することが可能な推力偏向装置である。
(推力偏向装置の詳細構成)
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)
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。
ノズル10は、ノズルの長手方向中心軸CL、および、ノズル出口12を含む。ノズル出口12は、燃焼ガスを放出する流出口であって、ノズル内部とノズル外部とを分ける境界面である。ノズル出口12は、例えば、ノズル10の最後端部を通り、長手方向中心軸CLに垂直な面であり、かつ、ノズル10の内周面よりも内側(長手方向中心軸CL側)の部分と定義されてもよい。
ある実施形態では、ノズルの長手方向中心軸CLに垂直な方向におけるノズル10の内周面の断面形状は、円形である。他の実施形態では、長手方向中心軸CLに垂直な方向におけるノズル10の内周面の断面形状は、円形以外の形状である。ある実施形態では、長手方向中心軸CLに垂直な方向におけるノズル10の外周面の断面形状は、円形である。他の実施形態では、長手方向中心軸CLに垂直な方向におけるノズル10の外周面の断面形状は、円形以外の形状である。
ノズル10は、その後端に後方端面14を備える。後方端面14は、ノズル本体部11Aの後方端面14Aと、フランジ部11Bの後方端面14Bとを含む。図6Aにおいては、後方端面14Aは、長手方向中心軸CLに垂直な平面であり、後方端面14Bは、後方に向かうにつれて長手方向中心軸CLに近づく傾斜面である。しかし、実施形態は、図6Aの例に限定されない。例えば、後方端面14Aと後方端面14Bの両者が、長手方向中心軸CLに垂直な平面であってもよいし、後方端面14Aと後方端面14Bの両者が、後方に向かうにつれて長手方向中心軸CLに近づく傾斜面であってもよい。
ノズル10の内部において、燃焼ガス流が流れる。ノズル10の内部を流れる燃焼ガス主流GF1は、上述の原理によって、ジェットタブ20によって偏向され、偏向流GF2となる。燃焼ガスの大部分は、ノズル出口12から、後方に向かって放出される。
(ジェットタブ)
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。
(回転シャフトおよび駆動機構)
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の回転軸RAは、図6Aでは、ノズルの長手方向中心軸CLと平行である。そして、ジェットタブ20は、回転軸RAに垂直な面PL内で、回転軸RAまわりに回転可能である。この場合、ノズルの長手方向中心軸CLと面PLとは、垂直に交差する。しかし、回転軸RAの方向は、図6Aの例に限定されない。回転軸RAとノズルの長手方向中心軸CLとは、完全な平行でなくてもよい。この場合、ノズルの長手方向中心軸CLと面PLとは交差するものの、長手方向中心軸CLと面PLとは垂直とはならない。
(ガスシール部材)
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。
(突出部)
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。
(燃焼ガスの流れ、および、突出部の詳細構成)
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。
ノズル出口から、ノズルの後方端面(フランジ部11Bの後方端面14B)とジェットタブ20の前方端面21との間の隙間70に、燃焼ガスの一部が流入する。隙間70に流入した燃焼ガスの一部は、矢印GA2で示されるように、回転シャフト30を迂回して、ノズルの径外方向に放出される。矢印GA2で示される燃焼ガスの流れは、突出部60によって案内されて、より確実に、ノズルの径外方向に放出される。また、隙間70に流入した燃焼ガスの一部は回転シャフト30に衝突し、矢印GA3で示されるように、回転シャフト30に沿って流れる。回転シャフト30に沿った燃焼ガスの流れは、突出部60によって妨害されて、燃焼ガスの流れがガスシール部材50に向かうことが抑制される。
突出部60は、例えば、後方端面62と、外周面64と、前方端面66とを備える。後方端面62は、例えば、回転軸RAに垂直な平面である。代替的に、後方端面62は、回転軸RAに対して傾斜して配置される傾斜面であってもよいし、曲面であってもよい。外周面64は、例えば、円筒面である。代替的に、外周面64は、円錐面の一部であってもよい。前方端面66は、例えば、回転軸RAに垂直な平面である。
突出部60の後方端面62は、ノズル10の後方端面14(後方端面14B)の外周縁16よりも前方側に位置する。換言すれば、ノズル10の後方端面14の外周縁16とジェットタブ20の前方端面21との間の最短距離(回転軸RAに沿う距離)は、突出部60の後方端面62とジェットタブ20の前方端面21との間の最短距離(回転軸RAに沿う距離)よりも小さい。後方端面62をこのように配置することによって、隙間70から流出する燃焼ガスを円滑に矢印GA2の方向に導くことが可能となる。このため、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスの量が低減される。また、後方端面62を上記のように配置することによって(すなわち、後方端面62を外周縁16の前方側に配置することによって)、矢印GA3で示される燃焼ガスの流れを、より確実に後方端面62に衝突させて減速させることが可能となる。このため、隙間70から流出する一部の燃焼ガスが、ノズル10のフランジ部11Bと突出部60との間の隙間72A、72Bを通って、さらに、フランジ部11Bの貫通孔11Cの内面と回転シャフト30の外周面32との間の隙間72Cを通って、ガスシール部材50に向かう場合であっても、当該一部の燃焼ガスの流れは減速されているため、当該一部の燃焼ガスの熱伝達係数は低くなっている。その結果、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を小さくすることができる。
突出部60の外径(2×L2、換言すれば、回転軸RAと突出部60の外縁との間の距離の2倍)は、フランジ部11Bの貫通孔11Cの内径(2×L1、換言すれば、回転軸RAと貫通孔11Cの内面との間の距離の2倍)よりも大きい。突出部60の外径L2をこのように設定することにより、隙間72Aを通って流れる燃焼ガスを、より確実に、大径部18の後方端面18Aに衝突させて減速させることが可能となる。また、隙間72(隙間72A、隙間72B、および、隙間72C)によって構成される流路は、屈曲した屈曲流路(すなわち、ラビリンス流路)である。屈曲流路の長さは長いため、屈曲流路を流れる燃焼ガスは、流路表面との摩擦等により、より確実に減速される。このため、隙間70から流出する一部の燃焼ガスが、ノズル10のフランジ部11Bと突出部60との間の隙間72A、72Bを通って、さらに、フランジ部11Bの貫通孔11Cの内面と回転シャフト30の外周面32との間の隙間72Cを通って、ガスシール部材50に向かう場合であっても、当該一部の燃焼ガスの流れは減速されているため、当該一部の燃焼ガスの熱伝達係数は低くなっている。その結果、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を小さくすることができる。
以上のとおり、実施形態に係る推力偏向装置では、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスの量を低減し、かつ、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスを減速させることによって、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を低減し、ガスシール部材50を保護することが可能となる。
図8〜図9を参照して、実施形態の変形例について説明する。図8は、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。図9は、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図であり、図8のAR3の領域を拡大した図である。なお、図8〜図9に記載の実施形態(変形例)において、図6A〜図7に記載の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。
図8から把握されるように、変形例の推力偏向装置200Bの突出部60Aの形状は、図6A〜図7に記載の実施形態の推力偏向装置200Aの突出部60の形状と異なっている。そして、突出部60Aの後方端面によって案内される燃焼ガスの流れは、矢印GA4、および、矢印GA5によって示されている。
また、図8では、ノズル壁部11を構成するノズル本体部とフランジ部とが一体である例が記載されている。しかし、ノズル本体部とフランジ部とは別体であってもよい。なお、フランジ部の大径部18に設けられた貫通孔11Cには、回転シャフト30が挿通されるので、当該大径部18を回転シャフト受け部材ということもできる。さらに、図8では、回転シャフト30と突出部60Aとが別体である例が記載されている。しかし、回転シャフト30と突出部60Aとは一体であってもよい。
(燃焼ガスの流れ、および、突出部の詳細構成)
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。
ノズル出口から、ノズルの後方端面14とジェットタブ20の前方端面21との間の隙間70に、燃焼ガスの一部が流入する。隙間70に流入した燃焼ガスの一部は、矢印GA4および矢印GA5で示されるように、回転シャフト30を迂回して、ノズルの径外方向に放出される。矢印GA4および矢印GA5で示される燃焼ガスの流れは、突出部60Aによって案内されて、より確実に、ノズルの径外方向に放出される。また、隙間70に流入した燃焼ガスの一部は回転シャフト30に衝突し、矢印GA6で示されるように、回転シャフト30に沿って流れる。回転シャフト30に沿った燃焼ガスの流れは、突出部60Aによって妨害されて、燃焼ガスの流れがガスシール部材50に向かうことが抑制される。
突出部60Aは、傾斜部61Bと平坦部61Cとを備える。代替的に、突出部60Aは、全体が傾斜部61Bによって構成されてもよい。突出部60Aは、例えば、環状の突出部である。傾斜部61Bは、例えば、後方端面62Bと、外周面64Bと、前方端面66Bとを備える。後方端面62Bは、回転シャフト30の回転軸RAに垂直な平面PL1に対して傾斜する傾斜面である。傾斜面は、ジェットタブ20とノズル出口とのオーバーラップ面積が最大となるように回転シャフト30を回転軸RAまわりに回転させた状態において、ノズルの径外方向に向かうにつれて、前方側に傾斜する傾斜面である(換言すれば、後方に向かうにつれてノズルの長手方向中心軸CLに近づく傾斜面である。)。外周面64Bは、例えば、円筒面の一部である。代替的に、外周面64Bは、円錐面の一部であってもよい。前方端面66Bは、例えば、回転軸RAに垂直な平面である。平坦部61Cは、例えば、後方端面62Cと、外周面64Cと、前方端面66Cとを備える。後方端面62Cは、回転シャフト30の回転軸RAに垂直な平面である。外周面64Cは、例えば、円筒面の一部である。代替的に、外周面64Cは、円錐面の一部であってもよい。前方端面66Cは、例えば、回転軸RAに垂直な平面である。
突出部60Aの後方端面62(62B、62C)は、ノズル10の後方端面14の外周縁16よりも前方側に位置する。換言すれば、ノズル10の後方端面14の外周縁16とジェットタブ20の前方端面21との間の最短距離(回転軸RAに沿う距離)は、突出部60Aの後方端面62(62B、62C)と前記ジェットタブ20の前方端面21との間の最短距離(回転軸RAに沿う距離)よりも小さい。後方端面62(62B、62C)をこのように配置することによって、隙間70から流出する燃焼ガスを円滑に矢印GA4および矢印GA5の方向に導くことが可能となる。このため、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスの量が低減される。また、後方端面62(62B、62C)を上記のように配置することによって(すなわち、後方端面62を外周縁16の前方側に配置することによって)、矢印GA6で示される燃焼ガスの流れを、より確実に後方端面62Bに衝突させて減速させることが可能となる。このため、隙間70から流出する一部の燃焼ガスが、ノズル10のノズル壁部11と突出部60Aとの間の隙間72A、72Bを通って、さらに、ノズル壁部11の貫通孔11Cの内面と回転シャフト30の外周面32との間の隙間72Cを通って、ガスシール部材50に向かう場合であっても、当該一部の燃焼ガスの流れは減速されているため、当該一部の燃焼ガスの熱伝達係数は低くなっている。その結果、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を小さくすることができる。
ノズル10の後方端面14の外周縁16からノズルの径外方向に向かって流れる燃焼ガスの流れは、外周縁16を超えた位置から更に膨張される。このため、膨張された燃焼ガスの流れを、より円滑に案内するために、後方端面62Bの傾斜角度を大きくするとよい。すなわち、回転軸RAに垂直な平面PL1と傾斜部61Bの後方端面62B(傾斜面)とがなす角をθと定義し、回転軸RAに垂直な平面PL2とノズルの後方端面14の外縁部分とがなす角をθと定義すると、θは、θよりも大きくするとよい(θ>θ)。角度θと角度θとを、このように設定することで、ノズル10の後方端面14の外周縁16を超えて、径外方向に流出し、膨張する燃焼ガスの流れを、後方端面62Bに沿って、より円滑に案内することが可能となる(矢印GA4を参照)。
平坦部61Cの後方端面62Cは、矢印GA4で示される径外方向かつ前方に向かう燃焼ガスの流れを偏向する。そして、後方端面62Cは、燃焼ガスの流れを、より確実に、矢印GA5で示される径外方向に導く。
突出部60Aの外径(2×L2、換言すれば、回転軸RAと突出部60Aの外縁との間の距離の2倍)は、ノズル壁部11の貫通孔11Cの内径(2×L1、換言すれば、回転軸RAと貫通孔11Cの内面との間の距離の2倍)よりも大きい。突出部60Aの外径をこのように設定することにより、隙間72Aを通って流れる燃焼ガスを、より確実に、大径部18の後方端面18Aに衝突させて減速させることが可能となる。また、隙間72(隙間72A、隙間72B、および、隙間72C)によって構成される流路は、屈曲した屈曲流路(すなわち、ラビリンス流路)である。屈曲流路の長さは長いため、屈曲流路を流れる燃焼ガスは、流路表面との摩擦等により、より確実に減速される。このため、隙間70から流出する一部の燃焼ガスが、ノズル10のノズル壁部11と突出部60Aとの間の隙間72A、72Bを通って、さらに、ノズル壁部11の貫通孔11Cの内面と回転シャフト30の外周面32との間の隙間72Cを通って、ガスシール部材50に向かう場合であっても、当該一部の燃焼ガスの流れは減速されているため、当該一部の燃焼ガスの熱伝達係数は低くなっている。その結果、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を小さくすることができる。
図10Aは、突出部60Aの概略斜視図である。突出部60Aには、回転シャフト30が挿通される貫通孔65が設けられている。回転シャフト30と突出部60Aとは、任意の締結手段によって結合される。図10Aの例では、傾斜部61Bと平坦部61Cとの境界面67は、突出部60Aの中心軸RA’を通っている。すなわち、中心軸RA’(なお、中心軸RA’と、回転シャフト30の回転軸RAとは一致する。)を通る平面の一方側が後方端面62Bを備える傾斜部61Bであり、回転軸RAを通る平面の他方側が後方端面62Cを備える平坦部61Cである。しかし、傾斜部61Bと平坦部61Cとの境界面67の位置は、図10Aの例に限定されない。
図10Bは、突出部60Aの断面図であって、平坦部61C内の任意の1点を通り中心軸RA’に垂直な断面の断面図を示す。図10Bに示されるように、境界面67の位置が、中心軸RA’と重なるか、あるいは、中心軸RA’を超えて、平坦部61Cの側にある場合、(換言すれば、平坦部61C内の任意の1点を通り中心軸RA’に垂直な断面において、傾斜部61Bの断面積が、平坦部61Cの断面積以上である場合)、燃焼ガスの流れを、後方端面62Bに沿って、より確実に案内することが可能となる。その結果、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスの量を、より確実に、低減させることが可能となる。
以上のとおり、実施形態に係る推力偏向装置では、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスの量を低減し、かつ、ガスシール部材50に向かう燃焼ガスを減速させることによって、ガスシール部材50に加わる熱的負荷を低減し、ガスシール部材50を保護することが可能となる。
図11Aを参照して、実施形態の変形例について説明する。図11Aは、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。なお、図11Aに記載の実施形態(変形例)において、図6A〜図7に記載の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。
図11Aから把握されるように、変形例の推力偏向装置200Cでは、2つの突出部60D、60Eが設けられている。2つの突出部60D、60Eは、回転シャフト30の長手方向に沿って、互いに離間して設けられている。突出部を2つ設けることで、燃焼ガスの減速が、より確実となる。このため、実施形態(変形例)に係る推力偏向装置では、ガスシール部材に加わる熱的負荷を低減し、ガスシール部材を保護することが可能となる。なお、突出部の個数は、3つ以上であってもよい。
また、図11Aに示される変形例では、フランジ部11B’の形状が、図6A〜図7に記載の実施形態のフランジ部11Bの形状と異なる。フランジ部11B’は、概略円板形状あるいは概略リング形状である。フランジ部11B’には、回転シャフト30の位置に対応して、回転シャフト30を挿通するための貫通孔11Cが設けられている。フランジ部11B’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。
図11Bを参照して、実施形態の変形例について説明する。図11Bは、実施形態の推力偏向装置の一部を示す概略側方断面図である。なお、図11Bに記載の実施形態(変形例)において、図11Aに記載の実施形態と同じ構成要素については、同じ図番を用いている。
図11Bから把握されるように、変形例の推力偏向装置200Dでは、2つの突出部60D、60Eの間に第2フランジ部11B’’が設けられている。第2フランジ部11B’’を設けることにより、屈曲流路の長さが延長され、また、屈曲流路の屈曲回数が増加する。このため、燃焼ガスの減速が、より確実となる。このため、実施形態(変形例)に係る推力偏向装置では、ガスシール部材に加わる熱的負荷を低減し、ガスシール部材を保護することが可能となる。
図12は、飛しょう体の概略側面図である。飛しょう体1000は、推力偏向装置200および操舵翼300を備える。推力偏向装置200としては、上述の実施形態に係る推力偏向装置(例えば、推力偏向装置200A、200B、200C、200D)を採用することができる。実施形態に係る飛しょう体では、ガスシール部材に加わる熱的負荷を低減し、ガスシール部材を保護することが可能となる。このため、信頼性の高い飛しょう体を提供することが可能となる。なお、飛しょう体は、ミサイルであってもよいし、その他のものであってもよい。
本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施形態又は変形例で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施形態又は他の変形例にも適用可能である。
1 :ノズル
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
:全開時面積
: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
θ :角度
θ :角度

Claims (11)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  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、
    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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