JP6815203B2 - ボールジョイントノズル - Google Patents

Description

本発明は、噴流ガスの方向を偏向させるロケットモータのボールジョイントノズルに関する。

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、噴流ガスの方向を偏向させるため、可動ノズルが用いられる。また、可動ノズルをモータ等に結合する構造として、「フレキシブルジョイント」が知られている。

フレキシブルジョイントは、例えば積層ゴムからなり、可動ノズルが揺動中心（ピボットポイント）を中心に揺動する際に、ジョイントホルダとノズルを連結したまま、可動ノズルの動きに追従するようになっている。

フレキシブルジョイントは、推進薬の燃焼ガスに対するシール性に優れる一方、ミッションタイムが長いロケットに対しては、ゴムの熱分解温度に達しないよう周囲を厚い断熱材で覆う必要があるため、小型化には限界がある。
そこで、小型・軽量化という観点で優れる可動ノズルとして、ボールジョイントノズルが提案されている。

上述したロケットモータの可動ノズルは、例えば、特許文献１，２及び非特許文献１，２に開示されている。

特開２０１０−２７５８８１号公報 特開２０１３−１６４０４６号公報

ＮＡＳＡ−ＳＰ−８１１４、「ＳＯＬＩＤ ＲＯＣＫＥＴ ＴＨＲＵＳＴ ＶＥＣＴＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬ」 ＮＡＳＡ−ＳＰ−８１１５、「ＳＯＬＩＤ ＲＯＣＫＥＴ ＭＯＴＯＲ ＮＯＺＺＬＥＳ」

図１は、従来のボールジョイントノズル１の一例を示す図である。
この図において、従来のボールジョイントノズル１は、ノズル固定部４とノズル可動部５とを有する。
ノズル固定部４は、モータケース２に固定され、モータケース２を貫通する開口２ａの内側に球形の球面凹部４ａを有する。ノズル可動部５は、ノズル固定部４の球面凹部４ａの内側に嵌る球形の球面凸部６を有し、球面凹部４ａとの境界面（以下、「摺動面Ｒ」と呼ぶ）を介して揺動可能になっている。

ノズル可動部５は、その内側にモータケース２の内部で発生した燃焼ガスＧを外部に噴射するノズル７を有する。また、ノズル７は、ノズル軸７ａに対して軸対称のガス流路８を有する。

また、球面凸部６には、ノズル軸７ａを中心とする複数のＯリング溝６ａが設けられ、その内部に収容したＯリング９により、球面凹部４ａと球面凸部６との摺動面Ｒを気密にシールしている。

上述した構成により、従来のボールジョイントノズル１は、ノズル可動部５を摺動面Ｒの揺動中心Ｏを中心に揺動させることで、ノズル７から外部に噴射する燃焼ガスＧの方向を偏向できるようになっている。

この例において、摺動面Ｒの軸方向中心と揺動中心Ｏを結ぶ線と、機軸２ｂとのなす角（以下、「摺動面角θ」と呼ぶ）は、約７５°〜約１０５°（中心角度約９０°）である。

ノズル可動部５は、内部で発生した燃焼ガスＧの圧力で下流側に大きな力Ｆで押付けられる。
この力Ｆは、球面凸部６を下流側に押し付け、摺動面Ｒの下流側を介してノズル固定部４で支持される。
しかし、ノズル可動部５の球面凸部６と接触する球面凹部４ａは、機軸２ｂに対し平行に近い鋭角（約１５°以下）に位置するので、球面凹部４ａの摺動面Ｒの下流側端部のみに力Ｆが作用する。その結果、図にＡで示す摺動面Ｒの下流側端部、及びＯリング溝６ａの角部が接触する部分に局所的に面圧ピークが発生する。この面圧ピークにより、摺動面Ｒの作動不良（焼付けなど）やシール不良（燃焼ガスの漏れ）が発生する可能性があった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、燃焼ガスを外部に噴射するノズルを球形の摺動面を介して揺動可能であり、かつ摺動面の作動不良やシール不良を大幅に低減又は無くすことができるボールジョイントノズルを提供することにある。

本発明によれば、モータケースの機軸を中心とする開口に固定されたノズル固定部と、
前記ノズル固定部に揺動可能に取り付けられたノズル可動部と、を備え、
前記ノズル固定部は、半径方向内方に斜めに延び機軸上の揺動中心を中心とする球面状の固定摺動面と、前記固定摺動面より外部に噴射する燃焼ガスの下流側に位置し前記揺動中心を中心とする球面状の固定シール面と、を有し、
前記ノズル可動部は、前記固定摺動面と摺動し前記揺動中心を中心とする球面状の可動摺動面と、前記固定シール面より前記燃焼ガスの下流側に位置し前記揺動中心を中心とする球面状の可動シール面と、を有し、
前記ノズル固定部は、外周部が前記モータケースに固定され、その内側に前記ノズル可動部を取り付けるチャンバアタッチメントを有し、
前記チャンバアタッチメントは、半径方向内方に斜めに延び厚さが一定の球面部分を有し、
前記固定摺動面と前記固定シール面は、前記球面部分の両面を構成する、ボールジョイントノズルが提供される。

上記本発明によれば、ノズル固定部が揺動中心を中心とする球面状の固定摺動面を有し、ノズル可動部が固定摺動面と摺動し揺動中心を中心とする球面状の可動摺動面を有する。
従って、可動摺動面が固定摺動面に沿って摺動することにより、ノズルを摺動面（可動摺動面と固定摺動面）を介して揺動させることができる。

また、固定摺動面が半径方向内方に斜めに延びるので、可動摺動面も半径方向内方に斜めに延び、固定摺動面の軸方向中心とその揺動中心とを結ぶ中心線と機軸とがなす角度が小さくなる（例えば、３０°以上、７０°以下）。従って、燃焼ガスの圧力でノズル可動部が下流側に押付けられても、その力を固定摺動面の広い範囲でほぼ均等に受けることができ摺動面の面圧を大幅に下げることができる。

また、この力でノズル固定部とノズル可動部が変形しても、それぞれの摺動面（可動摺動面と固定摺動面）が変形により互いになじむので、接触面積が増大して摺動面の面圧を更に下げることができる。

また、固定シール面と可動シール面が、同一の揺動中心を中心とするので、その間隔を一定に保持することができ、可動シール面（例えば、シール溝の角部）が固定シール面に接触するのを回避できる。

さらに、固定シール面は固定摺動面の下流側に位置するので、燃焼ガスの圧力は固定シール面に作用せず、固定シール面と可動シール面との間をシールするシール部材のシール性能を維持することができる。

従来のボールジョイントノズルの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態のボールジョイントノズルを備えたロケットモータの部分断面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態のボールジョイントノズルの部分拡大図である。

以下、本発明の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、本発明の第１実施形態のボールジョイントノズル１０を備えたロケットモータの部分断面図である。この図は、固体ロケットモータのノズル周辺を示している。
なお、ロケットモータは、固体ロケットモータに限定されず、その他のロケットモータ、又は宇宙機のスラスタであってもよい。

図３は、図２の部分拡大図である。
図２と図３において、ボールジョイントノズル１０は、ノズル固定部１２とノズル可動部２０を備える。

ノズル固定部１２は、モータケース２の機軸２ｂを中心とする開口２ａに固定されている。
また、ノズル可動部２０は、ノズル固定部１２に揺動可能に取り付けられている。

ノズル固定部１２は、球面状の固定摺動面Ｒ１と球面状の固定シール面Ｓ１を有する。
球面状の固定摺動面Ｒ１は、半径方向内方に斜めに延び、機軸上の揺動中心Ｏを中心とする球面形状に形成されている。
球面状の固定シール面Ｓ１は、固定摺動面Ｒ１の下流側に位置し揺動中心Ｏを中心とする球面形状に形成されている。
揺動中心Ｏは、この例において、モータケース２の機軸２ｂの下流側に位置する。

ノズル固定部１２は、この例において、外周部が支持部材１３を介してモータケース２に固定され、その内側にノズル可動部２０を取り付けるチャンバアタッチメント１４を有する。
チャンバアタッチメント１４は、その内側に半径方向内方に斜めに延び厚さが一定の球面部分１６を有する。
この例において、固定摺動面Ｒ１と固定シール面Ｓ１は、球面部分１６の両面を構成する。
チャンバアタッチメント１４は、チタン、スチールなどの金属材からなるのがよい。

また、チャンバアタッチメント１４の軸方向内側（図で左側）には、開口２ａの外側に断熱部材１５が固定され、燃焼ガスＧからチャンバアタッチメント１４の過熱を防止するようになっている。
断熱部材１５は、例えばシリカとフェノール樹脂の混合体である。

図２と図３において、ノズル可動部２０は、球面状の可動摺動面Ｒ２と球面状の可動シール面Ｓ２を有する。
球面状の可動摺動面Ｒ２は、固定摺動面Ｒ１と摺動し、揺動中心Ｏを中心とする球面形状に形成されている。
球面状の可動シール面Ｓ２は、固定シール面Ｓ１の下流側又は上流側に位置し、揺動中心Ｏを中心とする球面形状に形成されている。

以下、区別が必要な場合を除き、固定摺動面Ｒ１と可動摺動面Ｒ２の一方又は両方を単に、「摺動面Ｒ」と呼ぶ。摺動面Ｒ（固定摺動面Ｒ１と可動摺動面Ｒ２）の半径は実質的に同一であるのがよい。
また、区別が必要な場合を除き、固定シール面Ｓ１と可動シール面Ｓ２の一方又は両方を単に、「シール面Ｓ」と呼ぶ。固定シール面Ｓ１と可動シール面Ｓ２の半径はわずかに相違し、その間に一定の隙間を有するのがよい。

この例において、ノズル可動部２０は、互いに一体的に連結された、ノズル７、摺動金具２２及びシールホルダ２４を有する。

ノズル７は、ロケットモータで発生した燃焼ガスＧを外部に噴射する。

ノズル７は、ノズル軸７ａに対して軸対称のガス流路８を有する。この図に示すように、ノズル可動部２０の中立位置において、ノズル軸７ａは機軸２ｂと一致する。なお、ノズル７が中立位置から揺動すると、ノズル軸７ａと機軸２ｂは相違し、揺動中心Ｏで交差する２直線となる。

ガス流路８は、この例において、上流側（図で左側）のノズル部８ａと下流側（図で右側）のディフューザ部８ｂとの間にスロート部８ｃを有する。
またこの例において、ノズル７は、ノズル部８ａとスロート部８ｃを構成する前部７ｂと、ディフューザ部８ｂを構成する後部７ｃとからなる。
前部７ｂは、例えば、カーボン／カーボン、又はカーボンとフェノール樹脂の混合体であるのがよい。また、後部７ｃは、例えば、シリカとフェノール樹脂の混合体であるのがよい。

この例において、摺動金具２２及びシールホルダ２４は、ノズル７の外面に固定されている。
また可動摺動面Ｒ２は、摺動金具２２に設けられ、可動シール面Ｓ２は、シールホルダ２４に設けられている。
摺動金具２２とシールホルダ２４は、チタン、スチールなどの金属材からなるのがよい。

図３において、ボールジョイントノズル１０は、さらに、固定シール面Ｓ１と可動シール面Ｓ２との間をシールするシール部材２５を有する。
シール部材２５は、図３に破線の矢印で示すａ→ｂ→ｃの経路で燃焼ガスが流れてくるのを、シール面Ｓでシールする。
シール部材２５は例えばＯリングであり、この例ではシールホルダ２４に設けられたシール溝内に収容されている。なお、本発明はこの構成に限定されず、固定シール面Ｓ１にシール溝を設けて、シール部材２５を収容してもよい。

上述したように、チャンバアタッチメント１４は、その内側に厚さが一定の球面部分１６を有する。球面部分１６は、半径方向内方に斜めに延び、固定摺動面Ｒ１と固定シール面Ｓ１の両面を構成する。
またこの例で、固定摺動面Ｒ１の揺動中心Ｏは、固定摺動面Ｒ１から下流側（図で右側）に離れて位置する。また、固定摺動面Ｒ１の軸方向中心と揺動中心Ｏを結ぶ中心線（以下、揺動中心線Ｌ１）と、機軸２ｂとがなす角度θ（以下、摺動面角θ）が、３０°以上、７０°以下の鋭角に設定されている。
「固定摺動面Ｒ１の軸方向中心」とは、固定摺動面Ｒ１に沿って可動摺動面Ｒ２が摺動する範囲の軸方向の中点を意味する。また、摺動面角θは狭角である。

また、この例で、ノズル固定部１２の固定摺動面Ｒ１は凸球面であり、ノズル可動部２０の可動摺動面Ｒ２は凹球面である。さらに、この例で、ノズル固定部１２の固定シール面Ｓ１は凹球面であり、可動シール面Ｓ２は凸球面である。
ノズル固定部１２とノズル可動部２０の摺動面Ｒの半径は、実質的に同一であり、固定シール面Ｓ１の半径は、固定摺動面Ｒ１より小さく、可動シール面Ｓ２の半径は固定シール面Ｓ１の半径よりも小さく設定されている。

さらに図２において、ノズル固定部１２とノズル可動部２０との間にはリニアアクチュエータ３２が取り付けられている。この構成により、リニアアクチュエータ３２を伸縮動作させて、揺動中心Ｏを中心にノズル可動部２０を首振り動作させ、燃焼ガスＧの噴射方向を制御するようになっている。
また、ノズル固定部１２とノズル可動部２０との間にノズル偏向角検出用のリファレンスロッド３４が取り付けられている。

図４は、本発明の第２実施形態のボールジョイントノズル１０の部分拡大図である。
この図において、固定摺動面Ｒ１の揺動中心Ｏは、固定摺動面Ｒ１の上流側（図で左側）に離れて位置する。また固定摺動面Ｒ１の軸方向中心と揺動中心Ｏを結ぶ中心線（揺動中心線Ｌ２）と、開口２ａの機軸２ｂとがなす角度θ（摺動面角θ）は、３０°以上、７０°以下の鋭角に設定されている。

また、この例で、ノズル固定部１２の固定摺動面Ｒ１は凹球面であり、ノズル可動部２０の可動摺動面Ｒ２は凸球面である。さらに、この例で、ノズル固定部１２の固定シール面Ｓ１は凸球面であり、可動シール面Ｓ２は凹球面である。
ノズル固定部１２とノズル可動部２０の摺動面Ｒの半径は、実質的に同一であり、固定シール面Ｓ１の半径は、固定摺動面Ｒ１より大きく、可動シール面Ｓ２の半径は固定シール面Ｓ１の半径よりも大きく設定されている。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した本発明の実施形態によれば、ノズル固定部１２が揺動中心Ｏを中心とする球面状の固定摺動面Ｒ１を有し、ノズル可動部２０が固定摺動面Ｒ１と摺動し揺動中心Ｏを中心とする球面状の可動摺動面Ｒ２を有する。
従って、可動摺動面Ｒ２が固定摺動面Ｒ１に沿って摺動することにより、ノズル７を摺動面Ｒ（可動摺動面Ｒ２と固定摺動面Ｒ１）を介して揺動させることができる。

また、固定摺動面Ｒ１が半径方向内方に斜めに延びるので、可動摺動面Ｒ２も半径方向内方に斜めに延び、固定摺動面Ｒ１の軸方向中心と揺動中心Ｏとを結ぶ揺動中心線Ｌ１，Ｌ２と機軸２ｂとがなす摺動面角θが小さくなる（例えば、３０°以上、７０°以下）。従って、燃焼ガスＧの圧力でノズル可動部２０が下流側に押付けられても、その力Ｆを固定摺動面Ｒ１の広い範囲でほぼ均等に受けることができ、摺動面Ｒの面圧を大幅に下げることができる。

また、この力Ｆでノズル固定部１２とノズル可動部２０が変形しても、それぞれの摺動面Ｒ（可動摺動面Ｒ２と固定摺動面Ｒ１）が変形により互いになじむので、接触面積が増大して摺動面Ｒの面圧を更に下げることができる。

また、固定シール面Ｓ１と可動シール面Ｓ２が、同一の揺動中心Ｏを中心とするので、その間隔を一定に保持することができ、可動シール面Ｓ２（例えば、シール溝の角部）が固定シール面Ｓ１に接触するのを回避できる。

さらに、固定シール面Ｓ１は固定摺動面Ｒ１の下流側に位置するので、燃焼ガスＧの圧力は固定シール面Ｓ１に作用せず、固定シール面Ｓ１と可動シール面Ｓ２との間をシールするシール部材２５のシール性能を維持することができる。

なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｆ 力、Ｌ１，Ｌ２ 中心線（揺動中心線）、Ｏ 揺動中心（ピボットポイント）、
Ｒ 摺動面、Ｒ１ 固定摺動面、Ｒ２ 可動摺動面、Ｓ シール面、
Ｓ１ 固定シール面、Ｓ２ 可動シール面、Ｇ 燃焼ガス、θ 摺動面角、
１ ボールジョイントノズル、２ モータケース、２ａ 開口、２ｂ 機軸、
４ ノズル固定部、４ａ 球面凹部、５ ノズル可動部、６ 球面凸部、
６ａ Ｏリング溝、７ ノズル、７ａ ノズル軸、７ｂ 前部、７ｃ 後部、
８ ガス流路、８ａ ノズル部、８ｂ ディフューザ部、８ｃ スロート部、
９ Ｏリング、１０ ボールジョイントノズル、１２ ノズル固定部、
１３ 支持部材、１４ チャンバアタッチメント、１５ 断熱部材、
２０ ノズル可動部、２２ 摺動金具、２４ シールホルダ、
２５ シール部材（Ｏリング）、３２ リニアアクチュエータ、
３４ リファレンスロッド

Claims (5)

1. モータケースの機軸を中心とする開口に固定されたノズル固定部と、
   前記ノズル固定部に揺動可能に取り付けられたノズル可動部と、を備え、
   前記ノズル固定部は、半径方向内方に斜めに延び機軸上の揺動中心を中心とする球面状の固定摺動面と、前記固定摺動面より外部に噴射する燃焼ガスの下流側に位置し前記揺動中心を中心とする球面状の固定シール面と、を有し、
   前記ノズル可動部は、前記固定摺動面と摺動し前記揺動中心を中心とする球面状の可動摺動面と、前記固定シール面より前記燃焼ガスの下流側に位置し前記揺動中心を中心とする球面状の可動シール面と、を有し、
   前記ノズル固定部は、外周部が前記モータケースに固定され、その内側に前記ノズル可動部を取り付けるチャンバアタッチメントを有し、
   前記チャンバアタッチメントは、半径方向内方に斜めに延び厚さが一定の球面部分を有し、
   前記固定摺動面と前記固定シール面は、前記球面部分の両面を構成する、ボールジョイントノズル。
2. 前記固定摺動面の軸方向中心と前記揺動中心とを結ぶ中心線と、前記機軸とがなす角度が、３０°以上、７０°以下である、請求項１に記載のボールジョイントノズル。
3. 前記固定シール面と前記可動シール面との間をシールするシール部材を有する、請求項１又は２に記載のボールジョイントノズル。
4. 前記揺動中心は、前記固定摺動面より前記燃焼ガスの下流側又は上流側に位置する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボールジョイントノズル。
5. 前記ノズル可動部は、前記燃焼ガスを外部に噴射するノズルと、前記ノズルの外面に固定された摺動金具及びシールホルダと、を有し、
   前記可動摺動面は前記摺動金具に設けられ、前記可動シール面は前記シールホルダに設けられている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のボールジョイントノズル。
   

Images