(57)【要約】【課題】従来の飛翔体は、アクチュエータで翼を動かし舵をとって制御する方法など、アクチュエータの規模に大小の差はあっても、アクチュエータの使用は必須であり、飛翔体の小型軽量化、省エネ化の実現を困難にしている。【解決手段】本発明の噴流噴射ノズルは、パイプノズルと、スペーサと、拡大ノズルとが軸心を一致させて組み立てられる。このうち拡大ノズルのスペーサとの接合部近傍には、複数の吸引管が軸心を中心として放射状に配置される。本噴流噴射ノズルでは作動時、噴射される高圧ガスの高速流に起因して吸引管に負圧が誘起されるので、吸引管の端部に設置された外気電磁弁の開口操作より、吸引管内に外気を吸引することができる。これら複数の電磁弁の開口度を個別に制御しながら、吸引される外気の位置、強さを調整することで、飛翔体から噴射される噴流の噴出方向を制御し、飛翔体の推進方向の制御を行う。【選択図】図１
2020148197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体の推進方向を所定の向きに制御する噴流噴射ノズルであって、
パイプノズルと、スペーサと、拡大ノズルとが軸心を一致させて接合され、
前記拡大ノズルの前記スペーサとの接合部近傍に、複数の吸引管が前記軸心を中心として放射状に配置され、
前記複数の吸引管の前記軸心側の一端が、前記拡大ノズル内に開放され、
前記複数の吸引管の他端近傍に、前記複数の吸引管の各吸引口の開口度を自在に制御する電磁弁が前記吸引管毎に配置されて構成されることを特徴とする噴流噴射ノズル。
【請求項２】
前記電磁弁が外気を吸引する外気電磁弁又は、ボンベより気体（窒素、酸素、空気）を流入させるボンベ電磁弁の何れか一方、又は両方であることを特徴とする請求項１に記載の噴流噴射ノズル。
【請求項３】
パイプノズルと、スペーサと、拡大ノズルとが軸心を一致させて接合されて構成される請求項１に記載の前記噴流噴射ノズルであって、
前記パイプノズルの出口中心を原点とし、前記軸心をＸ軸、該Ｘ軸に垂直な方向の距離をｒ、該ｒの円周方向角をθとする座標系を用い、
前記飛翔体の噴流の複数の吸引管に配置された各電磁弁の開口度の組合せで調整できる前記飛翔体の噴流方向について、前記座標系を用いてベクトル制御することを特徴とする噴流噴射ノズルによる推力のベクトル制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェット機やロケットなど飛翔体の推進方向制御装置、及び推進方向の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェットエンジンやロケットエンジンなどを搭載して飛翔する飛翔体には、推進力として亜音速、超音速自由噴流などが用いられ、また、ジェットエンジンやロケットエンジンなどの飛翔体における進行方向の制御には、エレベータ、エルロン、フラップ、ラダーなどの小翼及び噴射ノズルなどの方向制御装置が用いられている。
特許文献１には飛翔体に対するガス噴射ノズル本体の角度を変更する第１アクチュエータと、当該第１アクチュエータによって角度変更されるガス噴射ノズルを飛翔体に対して回動させる第２のアクチュエータを備えた飛翔体の推進方向制御装置の発明が開示されている。即ち、特許文献１では、ガス噴射ノズル本体をアクチュエータで傾斜、回転させて飛翔体の推進方向制御を行っている。
【０００３】
特許文献２には、燃焼ガスをジェットノズルから噴射させて推力を得るラムジェットエンジンであって、燃焼室を形成する外筒の後部で且つ、ジェットノズルの入り口近傍に、機軸に対して軸対象に配置された複数の空気流入口を設け、各空気流入口を開閉する制御ドア、アクチュエータ、および駆動源を備えた方向制御可能はラムジェットエンジンの発明が開示されている。
【０００４】
即ち、特許文献２では、飛翔体の推進方向の外側に開口させた制御ドアに当たって流入する空気をラムジットエンジン内に取り込み、この時、複数の制御ドアの開口度をそれぞれ個別に変化させて流入させる空気量を調整して飛翔体の推進方向の制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−４４６６７
【特許文献２】特開平５−１８７３１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の飛翔体の推進方向制御では、アクチュエータで翼を動かし舵をとって制御する方法、大掛かりなアクチュエータを用い噴射ノズル本体を飛翔体の中心軸に対して傾斜させ、傾斜させた状態のまま中心軸回りに噴射ノズル本体を回動させる方法、ラムジェットエンジンでは外付けの開閉扉をアクチュエータで開閉させ、外付けの開閉扉に当る外気をジェットノズルに取り込み噴射ガスの方向を変化させる方法など、様々な方法が採用されている。しかし、これら従来技術では何れも使用されるアクチュエータの規模に大小の差はあっても、アクチュエータの使用は必須であり、飛翔体の小型軽量化、省エネ化の実現を困難にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の噴流噴射ノズルの発明は、飛翔体の推進方向を所定の向きに制御できる噴流噴射ノズルである。本噴流噴射ノズルはパイプノズルと、スペーサと、拡大ノズルとが軸心を一致させて一体に組み立てられる。また、拡大ノズルがスペーサと接合される拡大ノズルの端面近傍には、吸引管を設置するため、複数の貫通穴が軸心を中心として放射状に形成され、この各貫通穴に吸引管が挿入される。
全ての吸引管の軸心側の端部は、拡大ノズル内に開放されている。また、全ての吸引管の他端近傍には電磁弁が取り付けられ、この電磁弁の開閉により吸引管の吸引口は開口度が自在に制御される。本噴流噴射ノズルは作動時、高圧ガスの高速流に起因して吸引管に負圧が発生する。この負圧の大きさは高圧ガスの流速に依存し、流速が大きい程負圧も大きくなる。
【０００８】
飛翔体が大気圏内にあるとき、吸引管の端部に設置された電磁弁（外気電磁弁）の開口部が外気に開口されると、吸引管内に発生する負圧に起因して外気が拡大ノズル内に吸引される。外気の吸引量は電磁弁の開口度の増加に伴って増加する。拡大ノズルには複数の吸引管が放射状に配置されているので、開閉される吸引管の位置と、吸引管に取り付けられた電磁弁の開口度を制御することで、拡大ノズル内に吸引される外気の位置と量を様々に変化させることができる。
【０００９】
一方、飛翔体が大気圏外にあるときは、吸引される外気は無い。この場合には、飛翔体自身に搭載された窒素、酸素、空気等の気体を電磁弁（ボンベ電磁弁）を開口させて拡大ノズル内に導入する。気体の導入位置と量は、電磁弁の位置と電磁弁の開口度の組合せで調整可能であり、これにより、拡大ノズルによる飛翔体の推進方向を自在に制御できる。
なお、ここで使用する「大気圏内」と「大気圏外」の文言は、飛翔体が飛翔する外気の気圧が、高圧ガスの高速流に起因して吸引管に生じる負圧より高い場合を「大気圏内」とし、低い場合を「大気圏外」と定義するものとする。
【００１０】
請求項２に記載の噴流噴射ノズルの発明では、飛翔体は、大気圏内を飛翔する場合に使用する外気吸引用の外気電磁弁、又は、大気圏外を飛翔する場合に使用するボンベより気体（窒素、酸素、空気）を流入させるボンベ電磁弁の何れか一方又は、両方を装備する。これにより、本発明の飛翔体は、大気圏内と大気圏外の何れの領域においても飛翔方向を制御することができる。なお、ボンベ電磁弁は大気圏外のみならず、必要に応じ大気圏内で使用することができる。
【００１１】
請求項３に記載の飛翔体の推進方向ベクトル制御方法の発明は、パイプノズルと、スペーサと、拡大ノズルとが軸心を一致させて接合されて構成される請求項１に記載の噴流噴射ノズルの制御方法の発明である。また、本発明のベクトル制御方法では、パイプノズルの出口中心を原点とし、軸心をＸ軸、Ｘ軸に垂直な方向の距離をｒ、ｒの円周方向角をθとする座標系を用いる。また、噴流の中心軸に対する傾きを偏向角βとすると、偏向角βと円周方向角θは複数の吸引管に配置された各電磁弁の開口度の組合せで変化させることができるので、噴流の偏向角β及び円周方向θについて当該座標系を用いてベクトル制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明の吸引管は、拡大ノズル内部に誘起される負圧を利用し、吸引管を開口することで外気を導入する。このとき、外気を導入しない箇所での高圧ガス噴流と拡大ノズル内壁面間の圧力が小さいため、結果的に外気を導入しない拡大ノズル内部壁面側に噴流を偏向させることができる。また、この噴流の偏向により飛翔体の飛翔方向を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】噴流噴射ノズル断面図
【図２】噴流噴射ノズル側面図
【図３】方向制御装置
【図４】電磁弁の開口度と噴流の偏向角度の関係
【図５】噴流の偏向状況可視化測定例
【図６】軸心上の噴流の圧力分布
【図７】軸心との垂直断面における噴流の圧力分布
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１、２に本発明の噴流噴射ノズル１０の断面図と側面図を示す。本発明の噴流噴射ノズル１０はパイプノズル１１と、拡大ノズル１４がスペーサ１２を挟み、軸心を一致させて組み立てられる。高圧ガス１８は、矢示するようにパイプノズル１１の左方上流側より右方下流側に誘導される。パイプノズル１１の高圧ガス流路１７の内径は、高圧ガス流路１７の入り口付近から、下流に向かいテーパー状に絞られる。逆に、パイプノズル１１の下流側に位置するスペーサ１２と、拡大ノズル１４の内径は左方入口側から、右方出口側に向かいテーパー状に拡張される。また、スペーサ１２によりパイプノズル１１と拡大ノズル１４との接続部内径に段差のない一様なテーパー構造が形成され、更に、高圧ガス流路１７を形成するパイプノズル１１と、スペーサ１２と、拡大ノズル１４の内径表面は段差や、突起のない平滑な表面に仕上げられる。これにより、高圧ガス１８が高圧ガス流路１７を矢視方向にスムースに噴射される。
【００１５】
拡大ノズル１４のスペーサ１２側の端部には、複数の吸引管１３が放射状に設置される。具体的には、拡大ノズル１４の外表面から、軸心に向かい放射状に複数の穴を形成し、各穴の内部に吸引管１３を挿入するなどの方法で製作される。設置される吸引管１３の個数に特に制限はないが、通常は偶数個が周方向に等間隔に配置される。各吸引管１３の軸心１６側の端面は、高圧ガス流路１７に解放されている。また、各吸引管１３の軸心１６との反対側には外気電磁弁２２とボンベ電磁弁２３の何れか一方、あるいは両方が取付けられ、これら外気電磁弁２２やボンベ電磁弁２３は方向制御装置２０（図３参照）により開口度０％〜１００％の範囲の任意の開口度に自在に開口される。外気電磁弁２２の場合、先端部は開口部１５として、大気に開口されている。
【００１６】
図３は方向制御装置であり、ブロックダイヤグラムで表されている。方向制御装置２０は、飛翔体の推進方向の制御を外気電磁弁２２a〜２２h又は、ボンベ電磁弁２３a〜２３hの開口度を制御して行う。外気圧センサ２４は飛翔体が飛翔する外気圧をセンシングする。外気圧センサ２４によりセンシングされる外気圧により、演算部２７が外気電磁弁２２とボンベ電磁弁２３の何れを使用するかを決定する。姿勢センサ２５は飛翔体の推進方向をセンシングするセンサで、典型的にはジャイロが用いられる。姿勢センサ２５によりセンシングされる飛翔方向に対し、飛翔体の飛翔方向を変更させる場合、現在の飛翔方向と目標とする飛翔方向との差異である偏向角を演算部２７で求め、この偏向角度を実現するために必要とされる各電磁弁の制御量を演算部２７で計算する。各電磁弁の制御量となる開口度は０〜１００％の範囲に設定される。
【００１７】
全ての外気電磁弁２２又は、全てのボンベ電磁弁２３の開口度が０％又は、１００％の場合、高圧ガス１８は噴射噴流１９ａとなって軸心１６と同一方向に噴出する。しかし、外気電磁弁２２又は、ボンベ電磁弁２３の一部が開口度０％又は、１００％以外に設定されると、設定された開口度に応じて、高圧ガス１８は噴射噴流１９ｂのように軸心１６に対して偏向されて噴出する。
【００１８】
図４は電磁弁の開口度と噴流の偏向角の関係であり飛翔体の偏向角度βを実現するための偏向角度βと電磁弁の関係の一例を示すものである。図４に示すデータは図１、２に該当する実験モデル作成し、大気圧中で実測したもので、パイプノズルの出口中心を原点とし、軸心をＸ軸、Ｘ軸に垂直な方向をｒ軸とした座標系を用いている。具体的には図１，２に示された形状の噴流噴射ノズル１０を作成し、図２に示す吸引管１３の開口部１５を手動弁で開閉させて実測したデータである。測定は、２個づつの電磁弁２２aと２２h、或いは２２bと２２ｇ、或いは２２cと２２f、或いは２２dと２２e、を各１対の電磁弁として、各対の電磁弁を逐次、積算的に閉口する方法で測定している。図中Ｐ0は図２に於ける４対の外気電磁弁２２a〜２２hを全て開口した場合の偏向角であり、Ｐ２は１対の外気電磁弁２２a、２２hをそれぞれ１００％閉口した時の偏向角である。Ｐ４は２対の外気電磁弁２２a、２２h、２２ｂ、２２ｇの電磁弁をそれぞれ１００％閉口した場合の偏向角である。
【００１９】
また、Ｐ６は３対の外気電磁弁２２a、２２h、２２b、２２g、２２ｃ、２２ｆの電磁弁をそれぞれ１００％閉口した場合の偏向角である。更に、Ｐ８は４対の外気電磁弁２２a、２２h、２２ｂ、２２ｇ、２２ｃ、２２ｆ、２２ｄ、２２ｅを全て１００％閉口した場合の偏向角である。回帰式３１は、Ｐ０、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６の４点について３次式で回帰して得られる回帰式であり、外気電磁弁２２の開口度を制御する制御式の１つとして使用されるものである。回帰式３２は、Ｐ６、Ｐ８を直線回帰して求めた回帰式である。
【００２０】
本回帰式３１を用いた偏向角の制御は図４を用いて、例えば次になる。
まず、偏向角度軸上の点βiに対応する回帰式上の点Ｐiを求め、次いで点Ｐiに対応する電磁弁開口度軸上の点Ｎiを求める。この場合、Ｎiの電磁弁の開閉は、１対の外気電磁弁２２a、２２hをそれぞれ１００％閉口し、更に１対の外気電磁弁２２b、２２gをそれぞれ５０％閉口する場合に相当する。
即ち、回帰式３１を用いる偏向角制御では、外気電磁弁２２の制御を偏向角度βiに対応する回帰式３１上の点Ｐiを求め、次いで回帰式上の点Ｐiに対応する電磁弁開口度軸上の点Ｎiの各電磁弁の条件を求めて、各電磁弁の開口度の制御を行う。
【００２１】
図５は、高圧ガス１８の圧力を０．３８０Ｍｐａに設定し、図４に示すＰ０，Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６，Ｐ８に対応する噴流の偏向角度を大気中で実測した時の噴流をシュリーレン光学系（カトウ光研、ＳＳ１５０型）で写真撮影したものである。噴流には膨張、圧縮に対応した衝撃波が観察され、８個の全ての電磁弁を開口又は閉口するＰ0又はＰ8では、噴流は直進するが、他のＰ2、Ｐ4、Ｐ6では開口の程度に応じて噴流の偏向角が変化している。この噴流の偏向は、吸引管から外気が流入する箇所では、高圧ガス１８と拡大ノズル１４との間に外気が流入することで、高圧ガスの流動抵抗が小さくなり、噴流は開口状態にある吸引管側の壁面から離れ易くなるが、吸引管が閉口状態にある箇所では、高圧ガスの流動抵抗がそのまま維持されるため、噴流が閉口状態にある吸引管側の壁面側に偏向するものである。
【００２２】
図６は高圧ガス１８のガス圧（Ｐ0）が0.380ＭＰaの場合における、軸心上の空気速度分布の実測値である。縦軸は速度（ｕc）、横軸はパイプノズル１１の出口を原点とした下流側の距離（Ｘ）で、パイプノズル１１の出口の内径寸法（ｄ0）に対する相対値（Ｘ/ｄ0）で表している。軸心上の速度は噴流の膨張、圧縮によっておよそＸ/ｄ0＝１０まで増減を繰り返しながら流下する。しかし、噴流の膨張、圧縮のモードは開口する電磁弁の数に依存して大きく異なり、開口する電磁弁の数が多い程膨張、圧縮の回数は増え、電磁弁の全てを閉口したＰ８では、パイプノズル１１の出口端部から単調に減少する。なお、図中に示すPi-nozzleは、スペーサ１２と拡大ノズル１４を取り外し、パイプノズル１１だけで測定したものである。またFc-nozzleは拡大ノズル１４であり6-closed、8-closed、0-closedの３種類についての測定結果である。
【００２３】
図７は軸心との垂直断面における噴流の速度分布の実測値であり、パイプノズル１１の出口から下流側の３箇所での実測値について縦軸を共通にして、図示したものである。また、各図において、縦軸は軸心からの距離（ｒ）を噴流ノズル出口直径（ｄ0）に対する相対値（ｒ/ｄ0）で表したものである。横軸は速度（ｕ）である。
【００２４】
（ａ）は拡大ノズル１４の出口からの距離Ｘが、Ｘ/ｄ0＝4.2の場所、（ｂ）は拡大ノズル１４の出口から距離Ｘが、Ｘ/ｄ0＝5.4の場所、（ｃ）は拡大ノズル１４の出口からの距離Ｘが、Ｘ/ｄ0＝8.3の場所での実測値である。８個の外気電磁弁２２a〜２２hを全て開口するＰ0（0-closed）では、噴流幅が小さく、噴流の中心で速度に極小値をもつ分布を示すが、噴流が流下するに伴ってGoertler分布を示すようになる。なお、拡大ノズル１４の出口直後、例えばＸ/ｄ0＝4.2での速度分布から噴流による推力を近似的に計算することができる。
【００２５】
８個の外気電磁弁２２a〜２２hのうち６個を閉口するＰ6（6-closed）では、軸心との垂直断面方向の速度分布が非対称になるので図５に示めしたＡ−Ａ‘、Ｂ−Ｂ’の２方向について、6-closed(A-A’)と、6-closed(B-B’)としてそれぞれの速度分布を示した。下流の断面に於いてはGoertler分布を示し、噴流幅はＰ0とＰ8の中間になっている。８個の外気電磁弁２２a〜２２hを全て閉口するＰ8では、他のＰ0、Ｐ6に比べ速度は小さく、噴流幅が大きいなどの特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、典型的にはジェットエンジンやロケットエンジンなど、噴流噴射ノズルを用いた飛翔体に有効に活用できるが、これら以外であっても噴流噴射ノズルを用いたスプレーなどの噴射方向制御にも活用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１０    噴流噴射ノズル
１１    パイプノズル
１２    スペーサ
１３    吸引管
１４    拡大ノズル
１５    開口部
１６    軸心
１７    高圧ガス流路
１８    高圧ガス
１９ａ、１９ｂ  噴射噴流
２０    方向制御装置
２２a〜２２h  外気電磁弁
２３a〜２２h  ボンベ電磁弁
２４    外気圧センサ
２５    姿勢センサ
２６    姿勢制御部
２７    演算部
３１    回帰式
３２    回帰式  
【図１】
2020148197.tif 000003
【図２】
2020148197.tif 000004
【図３】
2020148197.tif 000005
【図４】
2020148197.tif 000006
【図５】
2020148197.tif 000007
【図６】
2020148197.tif 000008
【図７】
2020148197.tif 000009