JPH0658090B2 - ロケットエンジン燃焼ガス流量の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ノズルをピントルに対して軸方向接近離反移
動させ、スロート面積を無段階的に変化させて燃焼ガス
の流量制御を行なうロケットエンジン燃焼ガス流量の制
御方法に関する。

（従来の技術） 固体推進薬を使用するロケットエンジンにあっては、固
体推進薬が一度点火すると、燃焼によるガス発生量を制
御できないので、ノズルスロート部を通過する燃焼ガス
流量を制御するたにめには、ノズルスロート部のスロー
ト面積を変化させることが必要である。

このスロート面積を変化させる方法としては従来、第７
図（ａ）に示すような方法があり、ロケットのモータチ
ャンバ後端に設けれる多孔ノズル５は、同心円周上に一
定間隔で、円上の噴射孔１を８個備えたノズルスロート
部の形状に対応する円板２を有しており、前記噴射孔１
の開閉個数を調整する調整窓３を備えた噴射孔開閉制御
板４が前記円板に対して円周方向に回転自在に重ね合わ
されている。この多孔ノズル５をノズルスロート部に設
け前記噴射孔開閉制御板４を回転させることによって多
孔ノズル５の噴射孔１の開状態の数を規制して、多孔ノ
ズル５を通過する燃焼ガス流量を制御するようにしたも
のである。具体的には第７図（ａ）の状態から、噴射孔
開閉制御板４を時計回りに１５度回転させると、同図
（ｂ）の状態になり噴射孔１はすべて開状態となる。こ
の時にはスロート面積は最大となるので多孔ノズル５を
通過する燃焼ガス流量は最大となる。また、同図（ａ）
の状態から、噴射孔開閉制御板４を反時計回りに１５度
回転させると同図（ｃ）の状態になり、８個の噴射孔１
のうち２個のみが開状態となる。この時にはスロート面
積は最小となるので多孔ノズル５を通過する燃焼ガス流
量は最小となる。

スロート面積を変化させる他の方法として、ピントル６
を軸方向移動可能に中央ハウジング７内に設け、ピント
ル６の前面に加圧される燃焼室内の圧力と、ノズルスロ
ート部２３を通過した燃焼ガスがピントルの背面後部を
加圧する圧力との圧力差によって、ピントルを軸方向に
移動するようにして、スロート面積を変化させようとし
たもの（米国特許第３，６０８，３１２号）がある。第
８図に本従来技術の要部の一部断面図を示す。

図示する従来技術のノズル部分には、円筒状でモータチ
ャンバ９の中央部に、燃焼器室８に対して凸部を備える
ほぼ円筒状の中央ハウジング７を支柱１０を介して設け
るとともに、前記中央ハウジング７内には、ノズル後方
に凸部を備える円筒状のピントル６が軸方向移動可能に
設けられている。ピントル６の前方部には、軸を中心と
する円筒状の凹部が形成されており、このピントル６の
前方外周部を支持するように、ピントル６の外側には円
筒状の第１スリーブ１１が、また、ピントル６の凹部側
には円筒状の第２スリーブ１２が設けられている。前記
中央ハウジング７にはその前端部から軸に沿う第１導通
路１３が設けられ、当該通路の他端は前記中央ハウジン
グ７中央部に第２スリーブ１２により仕切られる第１空
洞１４に達している。前記第１導通路１３が前記第１空
洞１４に達する軸上に開口部１５には、弾性部材１６を
備える逆止弁１７が設けられ、前記弾性部材１６の他端
部はピストン１８に固定されており、このピストン１８
には、ピストンロット１９がピントル中央部の軸上に設
けられている。前記第１スリーブ１１と前記第２スリー
ブ１２およびピントル６の前方外周部により第２空洞２
０が形成され、この第２空洞２０と前記第１空洞１４を
連通する第２導通路２１が前記第２スリーブ１２に設け
られている。前記第２導通路２１は、逆止弁１７が第１
導通路１３を閉の状態にしているときには、前記ピスト
ン１８により第１空洞１４側の開口部１５は完全に閉ざ
される位置に、かつ、ピストン１８が軸上後方に移動し
たときには、第１スリーブ１１と第２スリーブ１２とが
完全に連通状態となる位置に設けてある。また、前記モ
ータチャンバ９及び前記中央ハウジング７を支持する支
柱１０に固定するように、円筒状のノズルホルダ２２が
設けられ、この内側には、ピントル６の後方凸部とによ
りリング状のノズルスロート部２３を形成するように耐
熱性のあるノズルインサート２４が設けてある。

次に、このような従来技術のノズル部分の作動状態を説
明する。

ピントル６には、逆止弁１７の弾性部材１６の反発力よ
りも強い力で固定できるノッチなどの図示しない固定装
置が取り付けられているために、固体推進薬が着火する
前にはピントル６の位置は第８図で示す位置にある。固
体推進薬着火し、燃焼によるガス発生量が増加するにつ
れて、燃焼室８内の圧力も上昇する。燃焼室８内の圧力
がある圧力に達すると、その圧力は固定装置の支持力よ
りも大きくなるので逆止弁１７を軸上後方に押し開き、
燃焼室８内の燃焼ガスが第１導通路１４を通って第１空
洞１４に流入する。固体推進薬の燃焼が最大安定期に達
した時には、燃焼室８内及び第１空洞１４内の圧力が最
大圧力になる。さらに、リング状のノズルスロート部２
３を通過した燃焼ガスによりピントル６の背面後部に働
くピントル軸上前方向への力は第１空洞１４内の圧力を
上回る状態となる。その結果、ピントルは軸上前方向へ
移動し、逆止弁１７は第１導通路１３を閉鎖する第８図
の位置に戻ることになる。この時には、ノズルスロート
部２３のスロート面積は最大であり、ノズルスロート部
２３を通過する燃焼ガス流量も最大となる。

一方、固体推進薬の燃焼が燃焼終期に達した時には、燃
焼室８内の圧力は徐々に減少するとともに、リング状の
ノズルスロート部２３を通過した燃焼ガスによりピント
ル６の背面後部に働くピントル軸上前方向への力も減少
する。ピントル６の背面後部に働くこの力がある値にま
で減少すると、固体推進薬の燃焼が最大安定期の時に第
１空洞１４に閉じ込められた燃焼ガスの圧力の方が高い
状態となる。この結果、第９図に示すように、ピントル
は軸上後方向へ移動し、逆止弁１７は第１導通路１３を
開とする位置になり、さらに、ピストン１８が軸上後方
向へ移動し、第２導通路２１も開状態となる。この状態
では、燃焼ガスは、第１導通路１３及び第１空洞１４を
通り、さらに第２導通路２１を通って第２空洞２０に至
ることになり、ピントル６の前面に働くピントル軸上後
方向への力は、ピントル６の背面後部に働くピントル軸
上前方向への力をはるかに上回ることになる。そのた
め、ピントル６はもはや第８図に示す位置に戻ることな
く、燃焼終期においては第９図に示す位置に維持される
ことになる。この時には、ノズルスロート面積は最小で
あり、スロート通路２３を通過する燃焼ガス流量も最小
となる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の燃焼ガス流量の制御方
法にあっては、多孔ノズル５の噴射孔１の開状態の数を
規制してスロート面積を変化させ、これにより燃焼ガス
の流量制御をする場合、噴射孔１の開状態の数は限られ
るために、スロート面積は段階的にしか変化させること
ができない。このため、スロート面積を任意な大きさに
することができず、精密な燃焼ガス流量の調整を行なう
ことは非常に困難である。また、燃焼室内８の圧力と、
ノズルスロート部２３を通過した燃焼ガスがピントル６
の背面後部を加圧する圧力との圧力差によって、ピント
ル６を軸方向に移動してスロート面積を変化させ、これ
により燃焼ガスの流量制御をする場合、固体推進薬の燃
焼が最大安定期に達した時と燃焼終期に達した時とし
か、圧力差によりピントル６を移動させてスロート面積
を変化させることができない。したがって、スロート面
積を任意な大きさにすることができず、精密な燃焼ガス
流量の調整を行うことは不可能である。さらに、その説
明は複雑であり、かつ、可動部分が高温の燃焼ガス中に
さらされるために、耐熱的な面からも実用化が非常に困
難である。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので
あり、スロート面積を任意な大きさに変化させ、燃焼ガ
スの精密な流量調整を行なう制御方法を提案することを
目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明は、モータチャンバの
後端にピントルを固着する一方、ノズルスカート部を有
し前記ピントルとによりノズルスロート部を形成するノ
ズルホルダーを前記モータチャンバに軸方向移動可能に
装着し、前記ノズルホルダを軸方向に駆動する駆動手段
により前記ノズルスロート部のスロート面積を連続的に
変化させ、前記ノズルスロート部から噴出するガスの流
量を制御するようにしたことを特徴とするロケットエン
ジン燃焼ガス流量制御方法である。

（作用） 上述のような本発明にあっては、ノズルホルダは、駆動
手段によりモータチャンバ及びノズルスカート部に対し
て軸方向移動し、ノズルスロート部の面積を段階的でな
く連続的に変化させることができる。このことにより、
ノズルスロート部から噴出するガスの流量を連続的に制
御することが可能となる。

（実施例） 以下、図示する本発明の一実施例に基づいて本発明を説
明する。

第１図は本発明の可動構成部を示す断面図である。尚、
図示する本発明の実施例において、前記従来技術と共通
する部位には同一の符号を付してある。

本発明の可動構成部４２は、ノズルホルダ２２と、これ
の前端部にフレキシブルジョイント２５を介在して取り
付けられたモータチャンバ９と、前記ノズルホルダ２２
の後端部に前記フレキシブルジョイント２５を介在して
取り付けられたノズルスカート２６と、前記ノズルホル
ダ２２を軸方向に移動させる駆動手段２７を有してい
る。ノズルホルダ２２はほぼ円筒状で、その内面には、
ノズルインサート２４がノズルホルダ２２の軸を中心と
する円筒状の開口部２８を形成するよう固着されてい
る。前記、フレキシブルジョイント２５は、第２図に示
すように耐熱ゴム２９と金属板３０とを多層に積層し、
前記、耐熱ゴム２９が軸方向弾性変形可能なように円筒
状に形成したものである。このフレキシブルジョイント
２５を介在して、飛翔体本体内に固定されて燃焼室８を
形成する円筒状のモータチャンバ９が前記ノズルホルダ
２２の前端部に接合している。さらに、飛翔体本体内に
固定されて燃焼ガスを後方に噴出する円筒状のノズルス
カート２６が前記フレキシブルジョイント２５を介在し
て前記ノズルホルダ２２の後端部に接合している。前記
モータチャンバー９内の軸上後端には、前記ノズルイン
サート２４との共働により、リング状に開口するノズル
スロート部２３を形成するほぼ円筒状で前方と後方に凸
部を備えるピントル６が支柱１０を介在して固定されて
いる。前記ノズルホルダ２２の外周部と一体となる支持
具３１と前記モータチャンバ９の外側との間に設けられ
た軸３２に、モータ等の駆動源により回転するウォーム
ギア３３を連結させ、前記ノズルホルダ２２がモータチ
ャンバ９及びノズルスカート２６に対して軸方向接近離
反移動可能に取り付けて駆動手段２７が形成されてい
る。

本発明の制御回路の一例を第４図に示す。第４図に示す
加速度検出手段３４は、飛翔体の加速度を検出するため
の手段であって、通常は慣性航法装置と称される装置に
組み込まれている。また速度変換手段３５は、飛翔体の
加速度を速度に変換するための手段であって、前記加速
度検出手段３４により検出した加速度が加わっている時
間を積算するタイマーが組み込まれている。この加速度
の大きさと積算時間とにより速度を算出するものであ
る。この速度変換手段３５からの信号は、速度演算手段
３６に送られる。この速度演算手段３６は飛翔体の必要
速度を演算するためのものであり、内蔵する固定記憶装
置に記憶された計画速度に基づいて設定速度を決めると
ともに、この設定速度と速度変換手段３５からの信号と
に基づいて補正を行い、飛翔体の必要速度を演算するも
のである。この速度演算手段３６からの信号は必要圧力
演算手段３７に送られる。この必要圧力演算手段３７
は、必要速度を達成するのに必要な燃焼室内の圧力を演
算するものである。この必要圧力演算手段３７には、燃
焼室内の圧力と飛翔体の速度との相関関係を表わすプロ
グラムが組み込まれており、このプログラムにより速度
演算手段３６からの必要速度の信号が変換されて燃焼室
内の必要圧力が演算されるものである。

圧力検出手段３８は、燃焼室内の圧力を検出するための
ものであり、モータチャンバ９の後方部に形成された貫
通穴３９に一端を連結した圧力センサーが熱の影響を受
けない位置に離して設けられている。この圧力検出手段
３８からフィードバックされた信号と、前記必要圧力演
算手段３７からの信号とを比較する比較手段４０が設け
られている。比較されたあとの信号は移動距離演算手段
４１に送られる。この移動距離演算手段４１は、必要と
する燃焼室８内の圧力に応じて可動構成部を軸方向へ移
動させる必要距離を演算するための手段であって、ここ
からの信号は、駆動手段２７に送られる。

次に、本発明の作用を第５図のフローチャートを参照し
つつ説明する。

モータチャンバ９内の図示しない固体推進薬に着火さ
れ、燃焼室８内の内圧がが上昇して推力が既定値に達す
れば飛翔体は飛翔を始める。飛翔中の飛翔体の加速度は
加速度検出手段３４により検出され、その信号は速度変
換手段３５に送られる。速度演算手段３６において、内
蔵された固定記憶装置に記憶された計画速度に基づいて
設定速度を決めるとともに、この設定速度と前記速度変
換手段３５から送られた信号とに基づいて補正を行い、
飛翔体の必要速度を演算する。速度演算手段３６からの
必要速度の信号は、必要圧力演算手段３７に送られる。
必要圧力演算手段３７において、前記プログラムにより
必要速度の信号が変換されて燃焼室内の必要圧力が演算
される。このようなして求められた必要圧力の信号と圧
力検出手段３８からフィードバックされた燃焼室内の圧
力信号とを比較する。この結果の信号に基づいて移動距
離演算手段４１において、可動構成部を軸方向へ移動さ
せる必要距離を求める。この軸方向移動必要距離の信号
に応じて、駆動手段２７に取り付けられたウォームギア
３３が駆動源により回転し、このウォームギア３３に連
結された軸３２を介してノズルホルダ２２はモータチャ
ンバ９及びノズルスカート２６に対して軸方向接近離反
移動可能となる。

次に、可動構成部４２の作動状態を説明する。例えば、
可動構成部４２をモータチャンバ９に対してもっとも接
近させ、ノズルスカート２６に対しては最も離反させる
位置に移動すべき状態にある場合には、可動構成部４２
は第３図（ａ）に示す状態にある。ウォームギア３３が
回転してノズルホルダ２２の支持具３１とモータチャン
バ９の外側本体とがもっとも接近する。ノズルホルダ２
２とモータチャンバ９との間に介在するフレキシブルジ
ョイント２５は、軸方向に弾性変形はしない。他方、ノ
ズルホルダ２２とノズルスカート２６との間に介在する
フレキシブルジョイント２５は図示するように軸方向後
方に弾性変形する。この場合、ノズルホルダ２２の内面
のノズルインサート２４の最小径部分とピントル６の後
方の凸部とは最も接近する。このため、ノズルインサー
ト２４とピントル６とにより形成されるリング状開口部
であるノズルロート部２３においては、スロート面積は
最小となる。したがって燃焼室８内の燃焼ガスがノズル
スロート部２３を通過して後方に噴出するガスの流量は
最小となる。また、推進力はスロート面積に比較するの
で、この場合における推進力も最小となる。

一方、可動構成部４２をノズルスカート２６に対しても
っとも接近させ、モータチャンバ９に対してはもっとも
離反させる位置に移動すべき状態にある場合には、可動
構成部４２は第３図（ｂ）に示す状態にある。

ノズルホルダ２２の支持具３１とモータチャンバ９の外
側本体とがもっとも離反する。ノズルホルダ２２とモー
タチャンバ９との間に介在するフレキシブルジョイント
２５は軸方向後方に弾性変形するが、ノズルスカート２
６側のフレキシブルジョイント２５は弾性変形しない。
この場合、ノズルホルダ２２の内面のノズルインサート
２４の最小径部分とピントル６の後方の凸部とはもっと
も離反する。このため、ノズルスロート部２３における
スロート面積は最大となり、燃焼室８内の燃焼ガスがノ
ズルスロート部２３を通過して後方に噴出するガスの流
量は最大となる。また、この場合における推進力も最大
となる。

ウォームギア３３の回転を調整することにより、可動構
成部４２の位置は上述した場合のみならず、それらの位
置の中間位置にも、移動させることができる。したがっ
てノズルスロート部２３のスロート面積は、最小スロー
ト面積から最大スロート面積まで、階段的ではなく、連
続的に変化させることができる。

このようにして、スロート面積を変化させれば、飛翔体
の燃焼ガス流量は、第６図に示すように連続的な制御を
行うことが可能となる。例えば、固体推進薬がが着火後
Ｔ１秒後に燃焼ガス流量をＷ１に制御する場合を説明す
る。この時の飛翔体の必要速度Ｖ１は速度演算手段３６
により演算され、この必要速度Ｖ１は速度演算手段３６
により演算され、この必要速度Ｖ１の信号は必要圧力演
算手段に送られて、必要速度Ｖ１を達成するための燃焼
室内の必要圧力Ｐ１が演算される。この必要圧力₁と現
実の燃焼室内の圧力を比較した結果に応じて、可動構成
部の移動必要距離が求められる。この移動必要距離の信
号に応じて駆動手段２７のウォームギア３３が回転し、
このウォームギア３３に連結された軸３２を介してノズ
ルホルダ２２が軸方向に移動する。この位置でノズルイ
ンサート２４の位置が決まり、よってスロート面積が決
まることになる。したがって、この時のスロート面積に
応じてノズルスロート部を通過する燃焼ガス流量Ｗ１が
得られることになる。

また、Ｔ２秒後に燃焼ガス流量をＷ２に制御をする場合
も、上述したのと同様に行われて、所用流量が得られる
ことになる。このような制御を飛翔中に連続して行え
ば、階段的でなく連続的に燃焼ガスの流量変化をさせる
ことができることになる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、ノズルスロート部のス
ロート面積を変化させるのは、ノズルホルダの移動距離
を変えるだけでよいので、スロート面積は階段的ではな
く最小スロート面積から最大スロート面積まで連続的に
変化させることが可能である。したがってスロート面積
により決まる燃焼ガスの流量の制御を連続的に、しかも
精密に行うことが可能となる。また、駆動手段を高温の
燃焼ガスにさらされない場所に設置し、かつ輻射熱に対
する断熱手段を施すことがきるので長時間の作動に対し
て、耐熱時にもすぐれ安定的に作動させることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の可動構成部の断面図であり、第２図
は、フレキシブルジョイントの断面図であり、第３図
（ａ）、（ｂ）は、可動構成部の作動状態を説明する断
面図であり、第４図は、本発明の一実施例に係るロケッ
トエンジン燃焼ガス流量の制御方法の制御回路を示す概
略図であり、第５図は、本発明の制御方法を示すフロー
チャートであり、第６図は、本発明により燃焼ガス流量
を制御した場合を説明する図であり、第７図（ａ）〜
（ｃ）は、従来の多孔ノズルの平面図および作動状態図
であり、第８、９図は、燃焼ガスの流量制御を行う従来
技術の要部の一部断面図である。 ６……ピントル、９……モータチャンバ、１０……支
柱、２２……ノズルホルダ、２３……ノズルスロート
部、２４……ノズルインサート、 ２５……フレキシブルジョイント、 ２６……ノズルスカート、２７……駆動手段、 ４２……可動構成部。

フロントページの続き (72)発明者 清水 春雄 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 行木 徹 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータチャンバの後端にピントルを固着す
   る一方、ノズルスカート部を有し前記ピントルとにより
   ノズルスロート部を形成するノズルホルダーを前記モー
   タチャンバに軸方向移動可能に装着し、前記ノズルホル
   ダを軸方向に駆動する駆動手段により前記ノズルスロー
   ト部のスロート面積を連続的に変化させ、前記ノズルス
   ロート部から噴出するガスの流量を制御するようにした
   ことを特徴とするロケットエンジン燃焼ガス流量制御方
   法。