JPH11182346A - ロケットの推力方向制御装置 - Google Patents

ロケットの推力方向制御装置

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JPH11182346A
JPH11182346A JP9354302A JP35430297A JPH11182346A JP H11182346 A JPH11182346 A JP H11182346A JP 9354302 A JP9354302 A JP 9354302A JP 35430297 A JP35430297 A JP 35430297A JP H11182346 A JPH11182346 A JP H11182346A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素でかつ軽量な装置で二次噴射流体による
推力方向制御を可能にする。 【解決手段】 固体ロケットモータ1のチャンバ2内と
ノズル3に形成された複数の噴射口12とを導管13で
接続し、その導管13の中間にはフィルタ14と電磁噴
射弁8とを介在させる。電磁噴射弁8を選択的に開動作
させ、燃焼ガスの一部を二次噴射ガスとしてノズル3内
に噴射することにより横力を発生させ、ロケットのピッ
チまたはヨーを制御する。フィルタ14は、燃焼ガスの
温度を降下させ、同時にガス中のアルミナ等の溶融固形
物を捕集する機能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はロケットの推力方向
制御装置、特に二次流体噴射(Secondary L
iquid Injection Thrust Ve
ctor Control,SITVCもしくはLIT
VCという)による推力方向制御装置に関し、さらに詳
しくは、ノズルスロート部下流の側壁から流体を噴射さ
せることにより主流に対して二次流体を干渉させて、結
果的に噴射した壁方向の横力(横比推力)を発生させて
推力方向を制御するようにした装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のSITVCもしくはLITVCと
しては、二次噴射流体としてホットガスのほか、液体
(N24、フレオン、過塩素酸ナトリウム水溶液)なら
びに冷気体(N2、He)等を用いたものが広く知られ
ている(例えば、「増補版 航空宇宙工学便覧」,昭5
9.10.10,丸善(株)発行,P652〜654、
ならびに特開平1−277666号公報等参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の推
力方向制御装置では、ロケットのピッチ,ヨーを制御す
るために、ノズルに設けられる二次噴射流体の噴射口は
少なくとも四つ必要であるとともに、各噴射口ごとに独
立した複数の噴射流体収容タンク、噴射弁駆動用の電気
−油圧式のサーボ弁および油圧源等をノズルのまわりに
設ける必要があるために大幅な重量増加を招くほか、配
管系統の複雑化に伴ってその気密性確認作業に多大な工
数を要することとなって好ましくない。
【0004】特に、上記の油圧源として高圧窒素ガス等
を併用するブローダウン方式のオイルタンクを用いた場
合、ならびに使用する二次噴射流体によっては、射場設
備として高圧ガスおよび二次噴射流体の充填装置が必要
となるほか、発射直前のオペレーション作業も面倒にな
るという問題がある。
【0005】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、ロケット推進機関のチャンバ内の燃焼ガス
の一部を取り出してこれを二次噴射流体として用いるこ
とによって、設備の簡素化と重量軽減を図り、併せて気
密性確認作業やオペレーションの工数の削減を図った推
力方向制御装置を提供しようとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、ロケット推進機関の燃焼チャンバ内の燃焼ガスをノ
ズルを経由することなく一旦取り出した上でノズルスロ
ート部後方に設けた噴射口からノズル内部に噴射させて
横力を発生させるようにしたことを特徴としている。
【0007】請求項2に記載の発明は、固体ロケットモ
ータのチャンバ内の燃焼ガスをノズルを経由することな
く一旦取り出すとともに、その燃焼ガスに含まれる溶融
固形物を除去した上で、ノズルスロート部後方に設けた
噴射口からノズル内部に噴射させて横力を発生させるよ
うにしたことを特徴としている。
【0008】請求項3に記載の発明は、固体ロケットモ
ータのノズルのうちノズルスロート部よりも後方の壁面
に開口形成された噴射口と、固体ロケットモータのチャ
ンバ内の燃焼ガスをノズルを経由することなく取り出し
て上記噴射口に供給するガス通路と、前記ガス通路もし
くは噴射口を開閉する噴射弁と、前記ガス通路のうち噴
射口よりも上流側に設けられて、燃焼ガスに含まれる溶
融固形物を捕集する捕集手段とを備えたことを特徴とし
ている。
【0009】請求項4に記載の発明は、請求項3に記載
の発明における噴射口はノズル円周方向の等分位置に複
数設けられていて、いずれか一つの噴射口から選択的に
燃焼ガスが噴射されるものであることを特徴としてい
る。
【0010】請求項5に記載の発明は、請求項4におけ
るガス通路および捕集手段が各噴射口ごとに独立して設
けられていることを特徴としている。
【0011】請求項6に記載の発明は、請求項4に記載
の発明におけるノズルの外側にこれと同芯状に環状の捕
集手段が設けられていて、この捕集手段を複数の噴射口
が共有しているものであることを特徴としている。
【0012】請求項7に記載の発明は、請求項3〜6の
いずれかに記載の発明における捕集手段の内部に複数の
隔壁を設けて断面略迷路状の捕集通路を形成したことを
特徴としている。
【0013】請求項8に記載の発明は、請求項3〜7の
いずれかに記載の発明における噴射弁がソレノイドによ
って開閉駆動されるものであることを特徴としている。
【0014】したがって、請求項1に記載の発明では、
ロケット推進機関(固体燃料ロケット,液体燃料ロケッ
トのいずれでも可)の燃焼チャンバ内の燃焼ガスを、ノ
ズルを経由することなく一旦取り出した上で、これを二
次噴射流体としてノズルスロート部後方の噴射口からノ
ズル内に噴射すると、従来と同様に、噴射した壁方向の
横力が発生して、ロケット全体としての推力方向が制御
される。
【0015】これにより、チャンバ内の燃焼ガスを取り
出して噴射口に導く通路と、噴射口を開閉する噴射弁と
があればよく、従来のような二次噴射流体を収容するた
めのタンク等が不要となる。
【0016】ここで、ロケット推進機関が固体ロケット
モータである場合には、推進薬自体に添加剤としてアル
ミニウム等を用いることによって発熱量増加に伴う性能
向上を図っているため、燃焼ガスにはそのアルミニウム
が溶けたもの、すなわち酸化アルミニウム(アルミナ)
が含まれていることになる。
【0017】そこで請求項2に記載の発明では、固体ロ
ケットモータのチャンバ内の燃焼ガスを一旦取り出す一
方で、その燃焼ガスに含まれる上記アルミナ等の溶融固
形物を除去した上で、ノズルスロート部後方に設けた噴
射口から噴射するようにしている。このようにすること
により、噴射弁等へのアルミナの付着を防止することが
できる。
【0018】そして、請求項3に記載の発明では、噴射
弁の前段側に捕集手段を設けているため、この捕集手段
によって上記のアルミナ等の溶融固形物が捕集されて除
去される。
【0019】請求項4に記載の発明では、ノズル円周方
向等分位置に設けた複数の噴射口のうちのいずれかから
選択的に燃焼ガスを噴射することにより、ロケットのピ
ッチおよびヨー方向の姿勢を制御することができる。
【0020】そして、請求項5に記載の発明では、各噴
射口ごとに独立した捕集手段によって上記のアルミナ等
の溶融固形物が捕集,除去される一方、請求項6に記載
の発明では、複数の噴射口が単一の捕集手段を共有して
いるために、この共有する捕集手段によって全てのアル
ミナ等の溶融固形物が捕集,除去される。
【0021】請求項7に記載の発明では、上記の捕集手
段の内部に複数の隔壁を設けて断面略迷路状の捕集通路
を形成してあるため、燃焼ガスが上記の捕集通路を通過
しつつ隔壁に衝突することにより、その隔壁にアルミナ
等の溶融固形物が付着して捕集される。
【0022】請求項8に記載の発明では、上記の噴射弁
がソレノイドによって開閉駆動されることにより、従来
のような電気−油圧式のサーボ弁や油圧源等が不要とな
る。
【0023】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、ロケッ
ト推進機関の燃焼チャンバ内の燃焼ガスの一部を一旦取
り出し、これを二次噴射流体として用いてノズルスロー
ト部後方の噴射口からノズル内部に噴射するようにした
ため、従来は必須とされた二次噴射流体収容タンクが不
要となり、装置全体の簡素化と軽量化が図れるととも
に、気密性確認作業に要する工数を削減でき、また、射
場設備における流体充填装置も不要となるほか、その流
体充填に要するオペレーション工数も削減できる効果が
ある。
【0024】特に請求項2に記載の発明によれば、ロケ
ット推進機関が固体ロケットモータである場合に、燃焼
ガスにアルミナ等の溶融固形物が含まれていることを考
慮して、その燃焼ガスに含まれる溶融固形物を予め除去
した上で、これを二次噴射流体として用いて噴射するよ
うにしたため、上記のアルミナ等の溶融固形物が噴射弁
に付着してシール性を阻害することがなくなり、信頼性
が向上する。
【0025】請求項3に記載の発明によれば、上記請求
項2に記載の発明をより具体化して、噴射弁の上流側に
捕集手段を配置したために、その請求項2に記載の発明
と同様の効果が得られる。
【0026】請求項4に記載の発明によれば、ノズル円
周方向の等分位置に設けた複数の噴射口のうちのいずれ
か一つから選択的に燃焼ガスを噴射するようにしたた
め、請求項3に記載の発明と同様の効果に加えて、ピッ
チおよびヨー方向の姿勢制御を容易に行える効果があ
る。
【0027】請求項5に記載の発明によれば、上記捕集
手段が各噴射口ごとに独立しているために、請求項4に
記載の発明と同様の効果のほかに、特定の一つの捕集手
段の捕集性能の低下が他の捕集手段の捕集性能に影響し
ないという効果がある。
【0028】請求項6に記載の発明によれば、ノズルの
外側に設けられた環状の単一の捕集手段を複数の噴射口
が共有しているかたちとなっているため、請求項4に記
載の発明と同様の効果のほか、噴射口一つあたりの捕集
容積ひいては捕集能力をより大きく確保できる効果があ
る。
【0029】請求項7に記載の発明によれば、捕集手段
の内部に複数の隔壁を設けて断面が略迷路状をなす捕集
通路を形成したため、請求項3〜6のいずれかに記載の
発明と同様の効果のほかに、捕集手段の捕集通路をより
長く確保して捕集能力を一段と向上できる効果がある。
【0030】請求項8に記載の発明によれば、上記の二
次噴射流体である燃焼ガスを噴射するための噴射弁がソ
レノイドによって開閉駆動される方式であるため、従来
のサーボ弁や油圧源が一切不要となり、請求項3〜7の
いずれかに記載の発明と同様の効果のほかに、装置全体
の一層の簡素化と軽量化を実現できる効果がある。
【0031】
【発明の実施の形態】図1〜3は本発明の代表的な実施
の形態を示す図で、ロケット推進機関として、固体ロケ
ットモータに適用した場合の例を示している。
【0032】図1において、2は固体ロケットモータ1
のチャンバ、3はそのチャンバ2の後部に設けられたノ
ズルであって、チャンバ2の内部にはインシュレータ4
を介して推進薬5が装填されている。この推進薬5は、
例えば過塩素酸アンモニウム等の固体酸化剤粉末を、未
端水酸基ポリブタジエン(HTPB)等に代表される高
分子燃料(合成ゴム)を粘結剤として混合,硬化させた
コンポジット系の推進薬であって、さらに添加剤として
アルミニウムの粉末を配合して発熱量増加に伴う性能向
上を図っている。
【0033】前記ノズル3のうちノズルスロート部6よ
りも後方位置の外周にはノズル3と同芯状にリング状の
ホルダ7が装着されており、その円周方向の四等分位置
には、図3に示すようにソレノイド9を駆動源とする電
磁噴射弁8がそれぞれに設けられている。そして、各電
磁噴射弁8のノズル噴射口10はホルダ7に形成された
ポート11およびノズル3に形成された噴射口12を通
してノズル3の内部に開口している。
【0034】また、上記の各電磁噴射弁8とチャンバ2
の後部との間にはガス通路となる導管13がそれぞれに
設けられており、これによって各電磁噴射弁8の入口側
とチャンバ2後部の内部空間とが連通されているととも
に、各導管13の中間部には捕集手段としてのフィルタ
14が各別に介装されている。
【0035】上記の各電磁噴射弁8は、図3に示すよう
に、ソレノイド9によりスプール15を往復移動させる
ことによりピントル16を上下動させてそのノズル噴射
口10を開閉するもので、同図に示す閉状態では、ノズ
ルボデイ17の上部空間に連通するポート18がスプー
ル15によって遮断されている一方、そのポート18に
隣接するもう一方のポート19がバイパスポート20,
21を介して入口ポート22に連通しており、これによ
って入口ポート22側に作用している燃焼ガス圧により
ピントル16が押し下げられて、入口ポート22側から
ノズル噴射口10側への燃焼ガスの流通を遮断してい
る。すなわち、ピントル16の大径部16a上面と大径
部16a下面との受圧面積差のために、ピントル16は
ノズル噴射口10を閉止している。
【0036】その一方、電磁噴射弁8の開動作時には、
ソレノイド9によってスプール15を同図左方向に移動
させると、ポート18が外部に開放されるとともに、も
う一方のポート19が遮断され、ピントル16の上部空
間には外部雰囲気の圧力が作用するようになる。これに
よって、ピントル16には入口ポート22側の燃焼ガス
圧が上向きに作用し、ピントル16が上昇することによ
ってノズル噴射口10が開くことになる。
【0037】ここで、電磁噴射弁8のバルブケース23
内のガス通路となる部分のうちスプール15やピントル
16およびそれらとの摺動部分が例えばセラミックで形
成されているのに対して、それ以外の部分はCFRP製
のインシュレータ24で覆われて熱的保護が施されてい
る。
【0038】また、上記のフィルタ14は、図2に示す
ように、内周面がCFRP製のインシュレータ25で覆
われたケース26内に同じくCFRPで形成された複数
の隔壁(仕切板)27を並設するとともに、各隔壁27
に千鳥状に連通孔28を形成したもので、これによって
フィルタ14には断面が略迷路状をなす捕集通路29が
形成されている。
【0039】したがって、本実施の形態によれば、チャ
ンバ2内の推進薬5の燃焼に伴って高温,高圧のガスが
生成され、この燃焼ガスがノズルスロート部6を通って
ノズル3後方に噴出することによりロケットの飛翔に必
要な推力を得る。この燃焼ガス温度は例えば3500゜
Kにも達し、添加剤として配合したアルミニウムの粉末
が溶けたもの、すなわち溶融固形物であるアルミナが含
まれており、同時に上記の燃焼ガス圧は導管13とフィ
ルタ14を通して電磁噴射弁8にも作用している。
【0040】そして、必要なタイミングで上記の四つの
電磁噴射弁8のうちのいずれか一つをON−OFF制御
し、前述したようにスプール15を図3に実線で示す位
置から同図左方向に前進させることにより、ピントル1
6が上動してノズル噴射口10が開くことになる。
【0041】例えば図1に示す電磁噴射弁8Aを開動作
させると、ノズル噴射口10からノズル3自体に形成さ
れた噴射口12を通してノズル内部3に燃焼ガスが二次
噴射ガスとして噴射され、ノズルスロート部6を通過し
てきた主燃焼ガスと混合されてノズル3外部に噴出す
る。この時、噴射口12から噴射された二次噴射ガスと
主燃焼ガスとの混合領域すなわち二次噴射ガスが噴射さ
れた噴射口12からノズル3の出口に向かう部分の圧力
が他の部分よりも高くなるため、二次噴射ガスの噴射方
向と逆向きの横力Fsが発生し、これによってロケット
の機体のピッチもしくはヨー方向の姿勢が変化すること
になる。
【0042】また、前述したように燃焼ガスにはアルミ
ナが含まれているものの、各電磁噴射弁8の上流側に設
置したフィルタ14を通すことにより、上記燃焼ガスに
含まれるアルミナが捕集され、スプール15やピントル
16等の可動部分へのアルミナ付着が防止できることに
なる。すなわち、高温,高圧の燃焼ガスが各電磁噴射弁
8に入る前にフィルタ14内の比較的長い迷路状の捕集
通路29を通過させることにより、その燃焼ガスの温度
が徐々に降下して最終的には電磁噴射弁8を形成してい
る各要素の耐熱温度以下となる一方、燃焼ガス自体の温
度低下とそのガスと各隔壁27との衝突によって燃焼ガ
ス中のアルミナ成分が各隔壁27に付着して除去され
る。
【0043】このように、本実施の形態によれば、チャ
ンバ2内の燃焼ガスの一部を取り出して二次噴射ガスと
して有効利用していることから、二次噴射ガスのための
タンク等が不要となることはもちろんのこと、燃焼ガス
中に含まれる溶融固形物をフィルタ14で除去しつつ温
度低下を促進させるようにしているために、上記の溶融
固形物の付着による電磁噴射弁8のシール性不良を防止
できるとともに、同じく電磁噴射弁8の耐熱耐久性も向
上することになる。
【0044】図4は本発明の第2の実施の形態を示す図
で、第1の実施の形態では各電磁噴射弁8ごとにフィル
タ14も独立しているのに対して、本実施の形態では複
数の電磁噴射弁8が単一のフィルタ34を共有している
点で異なっている。
【0045】すなわち、ノズル3の外周にはそのノズル
3と同芯状に環状のフィルタ34が配設されており、そ
のフィルタ34のケース30の内周面はCFRP製のイ
ンシュレータ31によって熱的保護が施されているとと
もに、その内部空間は穴あき円板状のCFRPからなる
複数の隔壁32によって仕切られ、さらに各隔壁32に
は互いに最も遠くなるような位置関係のもとに連通孔3
3が形成されている。これによって、フィルタ34内に
は断面が略迷路状をなす捕集通路35が形成されてい
る。
【0046】本実施の形態におけるフィルタ34の捕集
原理は第1の実施の形態のものと同様であるが、第1の
実施の形態のものと比べてその捕集通路35の全長をき
わめて大きく確保できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す固体ロケット
モータの要部断面説明図。
【図2】図1に示すフィルタの要部断面説明図。
【図3】図1に示す電磁噴射弁の断面説明図。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す要部断面説明
図。
【符号の説明】
1…固体ロケットモータ 2…チャンバ 3…ノズル 5…推進薬 6…ノズルスロート部 8…電磁噴射弁 12…噴射口 13…導管(ガス通路) 14…フィルタ 27…隔壁 28…連通孔 29…捕集通路 32…隔壁 33…連通孔 34…フィルタ 35…捕集通路

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ロケット推進機関の燃焼チャンバ内の燃
    焼ガスをノズルを経由することなく一旦取り出した上で
    ノズルスロート部後方に設けた噴射口からノズル内部に
    噴射させて横力を発生させるようにしたことを特徴とす
    るロケットの推力方向制御装置。
  2. 【請求項2】 固体ロケットモータのチャンバ内の燃焼
    ガスをノズルを経由することなく一旦取り出すととも
    に、その燃焼ガスに含まれる溶融固形物を除去した上
    で、ノズルスロート部後方に設けた噴射口からノズル内
    部に噴射させて横力を発生させるようにしたことを特徴
    とするロケットの推力方向制御装置。
  3. 【請求項3】 固体ロケットモータのノズルのうちノズ
    ルスロート部よりも後方の壁面に開口形成された噴射口
    と、 固体ロケットモータのチャンバ内の燃焼ガスをノズルを
    経由することなく取り出して上記噴射口に供給するガス
    通路と、 前記ガス通路もしくは噴射口を開閉する噴射弁と、 前記ガス通路のうち噴射口よりも上流側に設けられて、
    燃焼ガスに含まれる溶融固形物を捕集する捕集手段と、 を備えたことを特徴とするロケットの推力方向制御装
    置。
  4. 【請求項4】 前記噴射口はノズル円周方向の等分位置
    に複数設けられていて、いずれか一つの噴射口から選択
    的に燃焼ガスが噴射されるものであることを特徴とする
    請求項3記載のロケットの推力方向制御装置。
  5. 【請求項5】 前記ガス通路および捕集手段が各噴射口
    ごとに独立して設けられていることを特徴とする請求項
    4記載のロケットの推力方向制御装置。
  6. 【請求項6】 ノズルの外側にこれと同芯状に環状の捕
    集手段が設けられていて、この捕集手段を複数の噴射口
    が共有しているものであることを特徴とする請求項4記
    載のロケットの推力方向制御装置。
  7. 【請求項7】 前記捕集手段の内部に複数の隔壁を設け
    て断面略迷路状の捕集通路を形成したことを特徴とする
    請求項3〜6のいずれかに記載のロケットの推力方向制
    御装置。
  8. 【請求項8】 前記噴射弁はソレノイドによって開閉駆
    動されるものであることを特徴とする請求項3〜7のい
    ずれかに記載のロケットの推力方向制御装置。
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