(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定したことを特徴とするサイドスラスタバルブ。
【請求項２】
前記請求項１に記載のサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設したことを特徴とするサイドスラスタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体推進薬を使用する飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブ、及び同サイドスラスタバルブを用いたサイドスラスタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブは、個々に独立したものを複数個配列したタイプのものと、２個のノズルを互いに背を向けて飛しょう体の軸線を中心として対称的に配置し、共通の弁体で開閉作動するものとの２様式に大別されるが、ここでは後者のものを例に従来のサイドスラスタバルブとして、その概要について図７に基づいて説明する。
【０００３】
図７は、従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【０００４】
０１ａ、０１ｂはノズルを示し、同ノズル０１ａ、０１ｂは、ハウジング０２に組み込まれたノズルスカート０３ａ、０３ｂ及び弁体０４ａ、０４ｂ等を含めて構成され、飛しょう体の軸線を対称軸として互いに背中を向け合って対称に構成されている。
【０００５】
このように背中合わせとなって対向するノズルスカート０３ａ、０３ｂそれぞれの内部には、弁体０４ａ、０４ｂが配置され、同弁体０４ａ、０４ｂは共通する１本のシャフト０６で連結されている。
【０００６】
前記シャフト０６は長手方向中央位置で一方のジョイント０１５を介してリンク０１８に連結している。
同リンク０１８は、前記ジョイント０１５と対称となるもう片方のジョイント０１４を介してスクリュー軸０１３と連結し、ピン０１７を支点として左右に回動（揺動）可能に構成されている。
【０００７】
スクリュー軸０１３は、ハウジング０９に固定されたナット０１２とかみ合っており、同ナット０１２は歯車０１１に接合され、かつ、歯車０１１は図示省略のサーボモータ等によって回転される。
【０００８】
なお、スクリュー軸０１３はポテンシォメータ０２１に結合されており、同ポテンシォメータ０２１によりスクリュー軸０１３の軸方向の移動、そしてその結果としてピン０１７を支点としたリンク０１８の回動角度が検出されるようになっている。
【０００９】
以上の構成によりここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、図示省略のサーボモータを回転させるとナット０１２のかみ合いによってスクリュー軸０１３が回転し、同スクリュー軸０１３は軸方向へ移動する。
【００１０】
このスクリュー軸０１３の軸方向への運動がリンク０１８を介してシャフト０６に伝達され、シャフト０６の両端に配置された弁体０４ａ、０４ｂがノズルスロート０５ａ、０５ｂの一方を解放し、他方を閉鎖させ、供給ポート０１９ａ、０１９ｂから供給される燃焼ガスの噴射を調整し、これにより推力を連続的または差動的に変化させるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにここに例示した従来のサイドスラスタバルブでは、対向する弁体０４ａ、０４ｂを１本のシャフト０６で連結することによって、同弁体０４ａ、０４ｂに作用する流体力を打ち消しあい、サーボモータの駆動力を削減させている点でそれなりに評価出来るものである。
【００１２】
また、対向する２個のノズル０１ａ、０１ｂに対し、１個のサーボモータで推力の左右への切り替えを可能としているので、それぞれのノズル０１ａ、０１ｂを独立に開閉する場合に比較してサーボモータの設置を削減化できるメリットがある。
【００１３】
しかしながらノズル０１ａ、０１ｂの駆動力は、その全てをサーボモータを中心としてスクリュー軸０１３、リンク０１８等で構成されるアクチュエータに依存せざるを得ず、所定の駆動力を確保するために必要なアクチュエータ自体の規模を大幅に縮小することはできないという問題がある。
【００１４】
また、対称配列のノズル０１ａ、０１ｂをリンク０１８等で対称的に開閉することになると、ノズルスロート０５ａ、０５ｂの面積を独立に可変できないため、固体推進薬を使用した場合、推力が不要な時に全てのノズルを全開にして固体推進薬の燃焼ガス圧力を下げ、燃焼速度を減らして燃費を改善させる燃焼制御ができないという問題がある。
【００１５】
本発明は、このような従来のサイドスラスタバルブにおける不具合点を解消し、ノズルの開閉に要するサーボモータの必要トルクを低減させて装置の小型軽量化を図ったサイドスラスタバルブと、このような小型軽量化したサイドスラスタバルブを個々に独立させて設け、燃焼制御の幅を広げ、燃費の改善を図ったサイドスラスタ装置を提供することを課題とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記した課題を解決すべくなされたもので、その第１の手段として、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定したサイドスラスタバルブを提供するものである。
【００１７】
すなわち、同第１の手段によれば、弁体を全開位置及び全閉位置に切換え移動するために、アクチュエータとばねとを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定され、かつ、弁体自体は上記中立位置で同弁体に作用する力がゼロになるようにシャフトの断面積を選定されているので、弁体は全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢され、弁体の開閉にばね力が大きく寄与してアクチュエータの作動を助け、アクチュエータを構成するサーボモータ等の必要トルクを低減させて装置の小型軽量化を図るようにしたものである。
【００１８】
また、本発明は第２の手段として、前記第１の手段におけるサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設したサイドスラスタ装置を提供するものである。
【００１９】
すなわち、同第２の手段によれば、前記第１の手段において小型軽量化されたサイドスラスタバルブは、独立のものとして飛しょう体の軸線を対称軸として対称位置に複数配置されているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１乃至図６に基づいて説明する。
図１は本実施の形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図、図２は図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図、図３は図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図、図４は図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が一方の方向に全開で噴射した場合の断面図、図５は図４のサイドスラスタ装置において推力が不要となった際の断面図、図６は弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【００２１】
本実施の形態において、１はノズルを示し、同ノズル１はハウジング２に組み込まれたノズルスカート３、弁体４等を主要部材として組み合わせて構成されている。
【００２２】
すなわち、ノズルスカート３の上流側に弁体４があり、ノズルスロート５の部分と弁体４との隙間を通して同弁体４の側方に開けられた供給ポート１７から供給される燃焼ガスが流れ、同ノズル１から噴射されて推力が発生する。
【００２３】
弁体４にはシャフト６が連結され、同シャフト６はハウジング２を貫通して  軸方向に摺動可能になっており、ノズルスロート５の流路面積を連続的に可変とすることにより、連続的に推力の大きさを制御可能としている。
【００２４】
シャフト６の弁体４の連結端部側と異なるもう片方の端部にはばね座７が設置され、同ばね座７とハウジング２の間にばね８が挿入されている。
ここで同ばね８は、弁体４の中立位置（全開位置と全閉位置の中間位置）で自然長になるように設定され、これによりばね８は弁体４の全開方向と全閉方向の移動に対応して圧縮と引っ張りの両方向に対して変形可能となっている。
【００２５】
ばね８の両端はハウジング２及びばね座７に結合され、ばね座７にはジョイント９が連結されている。
他方、ピン１０を支点としてリンク１２が回動（揺動）可能になっており、リンク１２の一方の端はジョイント９に連結され、もう片方はボールナット１３に取り付けられたジョイント１１に連結されている。
【００２６】
ボールナット１３はサーボモータ１５の回転軸と一体となったボールねじ１４とかみ合っており、サーボモータ１５はサポート１６を介してハウジング２に固定されている。
【００２７】
すなわち、サーボモータ１５を回転させるとボールねじ１４が回転し、それにかみ合っているボールナット１３がボールねじ１４の軸方向に移動し、ジョイント１１を介してリンク１２が回転し、ジョイント９がシャフト６の軸方向に移動し、弁体４がノズルスロート面積を変化させて推力を連続的に可変とさせる構造になっている。
【００２８】
前記のように構成された本実施の形態において、弁体４のノズルスロート５側の面に作用する圧力（ノズルスロート圧力）をＰt 、周囲圧力をＰa 、燃焼ガス供給圧をＰs として、図２のように弁体４をノズルスロート５から離していくと最終的にノズルスロート圧力Ｐt は燃焼ガス供給圧Ｐs と同じになり、この位置が弁体４の全開位置となる。
【００２９】
他方、図３のように弁体４をノズルスロート５に近づけていくと、最終的には完全にノズルスロート５が封鎖された状態になってノズルスロート圧力Ｐt は周囲圧力Ｐa と同じになり、この位置が弁体４の全閉位置となる。
【００３０】
弁体４が全開から全閉に至るまでのノズルスロート圧力Ｐt は、図６に示すようにほぼ直線的に減少することが実験によって確認されている。
従って弁体４が全開と全閉のちょうど中間となる中立位置では、弁体４のノズルスロート圧力Ｐt は、Ｐt ＝（Ｐs ＋Ｐa ）／２となる。
【００３１】
この位置で弁体４に作用する力がゼロとなるようにシャフト６の面積Ａr を選定すると、Ａr ＝（１−Ｐs ／Ｐa ）×Ａt ／２となる。
【００３２】
他方、ばね８は弁体４が中立位置の時に自然長となる様にセットされて圧縮と引っ張りが可能なコイルばねになっているので、弁体４が開閉する際のノズルスロート圧力Ｐt の変動による弁体４に作用する力をキャンセルするようにばね４の定数ｋを選定する場合、弁体４の全開から全閉までの全ストロークをδとすれば、ｋ＝（Ｐt −Ｐa ）×Ａt ／δとなる。
【００３３】
すなわち、本実施の形態によれば、前記のようにシャフト面積Ａr 、ばね定数ｋを設定することによって、弁体４に作用する流体力を完全にキャンセルさせることができるようになる。
【００３４】
これにより、弁体４を駆動させるためのサーボモータ１５の必要トルクは、弁体４及びリンク１２等の慣性及び摩擦力に打ち勝つだけの力だけでよく、小型軽量なサーボモータの採用で弁体４を駆動させることが可能となる。
【００３５】
なお、このサイドスラスタバルブは、図４、図５として示すようにサイドスラスタ装置に組み入れることができる。
すなわち、２個のスラスタバルブ１８、１９を飛しょう体の軸線に対して対称位置となるように互いに背中を向け合って対面して配置し、１個のガスジェネレータのケース２０に結合させる。
【００３６】
前記ケース２０の内部にはインシュレータ２１があり、その内側に固体推進薬２２が充填されており、同固体推進薬２２は燃焼面２３から燃焼ガス２４を発生する。
【００３７】
ここで一方のスラスタバルブ１９に推力を必要とするときには、図４に示したように、同スラスタバルブ１９のノズルスロート面積２６を確保すると共に、スラスタバルブ１８側のノズルスロート面積２５を全閉とすることにより、固体推進薬２２は比較的大きい或る燃焼速度２７で端面燃焼し、ノズルスロート面積２６から燃焼ガスが排出され推力を発生する。
【００３８】
他方、飛しょう体の方向を調整する必要がなく推力が不要の場合には、図５に示すように全てのノズルスロート面積２５、２６を全開にし、発生推力をキャンセルさせると共に、ノズルスロート面積２５、２６を定格燃焼時の２倍としてガスジェネレータの燃焼ガス圧力２４を低下させ、その結果固体推進薬２２の燃焼速度２９が低下して燃費を改善させることが可能となる。
【００３９】
図４及び図５の例示ではスラスタバルブ１８、１９と２個の場合を示しているが、これは飛しょう体の軌道修正、姿勢制御の自由度に応じて３個以上に増やしても良く、その場合はさらに燃焼ガス圧が下がり燃費がより改善される。
なお、サイドスラスタ装置の作動する高度が一定ではなく周囲圧力Ｐa が変動する場合、及びガスジェネレータから供給される燃焼ガス供給圧力Ｐs が変動して一定でない場合には、弁体に作用する流体力を完全にキャンセルすることはできなくなるが、これら周囲圧力Ｐa 、燃焼ガス供給圧力Ｐs の取りうる範囲の平均値を上式に適用することにより、サーボモータ１５の必要トルクを最小限にすることができる。
【００４０】
なお、サイドスラスタ装置の作動する高度が一定ではなく周囲圧力Ｐa が変動する場合、及びガスジェネレータから供給される燃焼ガス供給圧力Ｐs が変動して一定でない場合には、弁体に作用する流体力を完全にキャンセルすることはできなくなるが、これら周囲圧力Ｐa 、燃焼ガス供給圧力Ｐs の取りうる範囲の平均値を上式に適用することにより、サーボモータ１５の必要トルクを最小限にすることができる。
【００４１】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上、本出願の請求項１に記載の発明によれば、弁体の開度変化により燃焼ガスの噴射を変化させ、推力を調整して飛しょう体の運動制御を行うサイドスラスタバルブにおいて、前記弁体を全開位置と全閉位置に移動するアクチュエータと、同弁体を全開位置又は全閉位置から中立方向に付勢するばねを設け、同ばねは弁体の中立位置で自然長に設定すると共に、同弁体は同中立位置で同弁体に作用する力がゼロとなるように同弁体のシャフト断面積を選定してサイドスラスタバルブを構成しているので、弁体の開閉にばね力が大きく寄与してアクチュエータの作動を助け、アクチュエータを構成するサーボモータ等の必要トルクを低減させて装置の小型軽量化を達成した好適なサイドスラスタバルブを得ることが出来たものである。
【００４３】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記請求項１に記載のサイドスラスタバルブを、飛しょう体の軸線に対して対称位置に個々に独立して複数配設してサイドスラスタ装置を構成しているので、複数のサイドスラスタバルブの全てが個々に独立して全開位置に制御可能となり、サイドスラスタバルブとしての推力不要のときには同複数のサイドスラスタバルブ全てを全開にすることにより、燃焼ガス圧力を下げ、固体推進薬の燃焼速度を下げて燃費を改善させることができ、好適なサイドスラスタ装置を得ることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るサイドスラスタバルブの全貌を概略的に示し、同スラスタバルブが、半開状態にあるときの断面図である。
【図２】図１のサイドスラスタバルブが全開状態の時の断面図である。
【図３】図１のサイドスラスタバルブが全閉状態の時の断面図である。
【図４】図１のサイドスラスタバルブをサイドスラスタ装置に組み入れ、同サイドスラスタ装置が一方の方向に全開で噴射した場合の断面図である。
【図５】図４のサイドスラスタ装置において推力が不要となった際の断面図である。
【図６】弁体開度とノズルスロート圧力の関係を示す説明図である。
【図７】従来のサイドスラスタ装置におけるサイドスラスタバルブの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
０１ａ、０１ｂ      ノズル
０２                ハウジング
０３ａ、０３ｂ      ノズルスカート
０４ａ、０４ｂ      弁体
０５ａ、０５ｂ      ノズルスロート
０６                シャフト
０９                ハウジング
０１１              歯車
０１２              ナット
０１３              スクリュー軸
０１４、０１５      ジョイント
０１７              ピン
０１８              リンク
０１９ａ、０１９ｂ  供給ポート
０２１              ポテンシォメータ
１              ノズル
２              ハウジング
３              ノズルスカート
４              弁体
５              ノズルスロート
６              シャフト
７              ばね座
８              ばね
９、１１        ジョイント
１０              ピン
１２              リンク
１３              ボールナット
１４              ボールねじ
１５              サーボモータ
１６              サポート
１７              供給ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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