(57)【要約】【課題】ジェット干渉効果を積極的に活用することにより、機体の姿勢制御用のジェット気流噴射の依存度を低下させて推進剤の搭載量を少なくし、機体ペイロードの増大、あるいは機体の小型化を図る。【解決手段】ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂは、ジェット干渉効果を利用して大気圏再突入機の姿勢を制御するようにしたものであり、大気圏再突入機の機体２の、超音速気流がぶつかる受圧面３から起立する壁体６と、この壁体６の少なくとも片面の、壁体６の頂部（底面６ｂ）から所定の距離Ｌを置いた位置に形成されて、壁体６の側面６ａの面方向に直交する方向にジェット気流Ｊを噴射するジェット噴射孔７と、を備えてなることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジェット干渉効果を利用して大気圏再突入機の姿勢を制御するようにしたジェット干渉アクチュエータであって、
前記大気圏再突入機の機体の、超音速気流がぶつかる受圧面から起立する壁体と、
前記壁体の少なくとも片面の、壁体頂部から所定の距離を置いた位置に形成されて、該壁体の面方向に直交する方向にジェット気流を噴射するジェット噴射孔と、
を備えてなることを特徴とするジェット干渉アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のジェット干渉アクチュエータを備えたことを特徴とする大気圏再突入機。
【請求項３】
前記機体の平面視で、前記機体は曲線または直線で形成された対称形状であり、前記機体の略中心部および重心位置を通る水平基準線の片端付近または両端付近にそれぞれ前記ジェット干渉アクチュエータが設けられ、これら各ジェット干渉アクチュエータにおける前記壁体の面方向が前記水平基準線に沿っていることを特徴とする請求項１または２に記載の大気圏再突入機。
【請求項４】
前記機体の平面視で、前記重心位置が、前記水平基準線の中間点からいずれかの前記ジェット干渉アクチュエータの側に偏倚していることを特徴とする請求項３に記載の大気圏再突入機。
【請求項５】
大気圏中に再突入して降下している時に、前記機体の側面視で、前記超音速気流による風圧中心点と前記機体の重心位置とを通る直線と、前記重心位置と前記ジェット干渉アクチュエータの設置位置とを結ぶ直線とが、略直角となるような位置に、少なくとも１つの前記ジェット干渉アクチュエータが設置されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の大気圏再突入機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェット干渉効果を利用したジェット干渉アクチュエータおよびこれを用いた大気圏再突入機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大気圏に再突入する宇宙機（大気圏再突入機）の姿勢制御方法には、舵面操舵による空力トルクを利用する方法と、ジェット気流の噴射（スラスター）による推力を利用する方法とがあり、地球周回軌道から帰還するカプセル型の宇宙機では後者が一般的である。
【０００３】
しかし、カプセル内の容積は限られており、ジェット気流噴射用の推進剤（圧縮ガスや燃料等）を充分に搭載するためには、例えば機体のペイロード（輸送能力）を減少させて搭載容積を確保する必要が生じる場合もある。このため、推進剤の消費量を必要最小限とするべく努力が払われてきた。
【０００４】
一方、宇宙機の大気圏突入時にはマッハ１以上の超音速域に達するため、非特許文献１，２に示されているように、噴射したジェット気流と外部の超音速気流との間に発生する空力干渉により、ジェット気流の噴出孔の周辺に複数の衝撃波と離渦とを含む複雑な流れ場が形成される。この空力干渉により、機体表面圧力が変化し、結果として、機体はジェット気流の反力以外に、空力干渉による力の影響を受ける。この現象は一般にジェット干渉効果（Jet  Interaction）と呼ばれており、特にマッハ５以上の極超音速域で影響が大きい。
【０００５】
このため、特許文献１に記載されているように、ジェット気流噴射による機体の姿勢制御が困難になり、所定の運動性が得られないという課題があった。また、そうなると、ジェット気流を噴射する度合（噴射時間、噴射回数等）が大きくなるため、想定した以上の推進剤が消費されてしまうという問題もあった。
【０００６】
これまで、このジェット干渉効果には、上記のように機体の姿勢制御を困難にする問題点であるという認識しかなく、ジェット干渉効果を積極的に活用した技術はなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ADVISORY  GROUP  FOR  AEROSPACE  RESEARCH  &  DEVELOPMENT  AGARD−AG−173，Page 4，1973．
【非特許文献２】栗田充、岡田拓己、中村佳朗、“極超音速鈍頭物体におけるサイドジェット空力干渉”日本航空宇宙学会論文集、Vol.50，No.585，Page394，2002.
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１４７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
比較的小型なカプセル状の宇宙機においては、前述のように内容積が限られているため、ジェット気流用の推進剤の搭載量を極力少なくし、ペイロードを大きく確保する、あるいは機体を小型化したいという要求がある。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ジェット干渉効果を積極的に活用することにより、機体の姿勢制御用のジェット気流噴射の依存度を低下させて推進剤の搭載量を少なくし、機体ペイロードの増大、あるいは機体の小型化を図ることのできるジェット干渉アクチュエータおよびこれを備えた大気圏再突入機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
即ち、本発明に係るジェット干渉アクチュエータは、ジェット干渉効果を利用して大気圏再突入機の姿勢を制御するようにしたジェット干渉アクチュエータであって、前記大気圏再突入機の機体の、超音速気流がぶつかる受圧面から起立する壁体と、前記壁体の少なくとも片面の、壁体頂部から所定の距離を置いた位置に形成されて、該壁体の面方向に直交する方向にジェット気流を噴射するジェット噴射孔と、を備えてなることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、大気圏再突入機が大気圏に再突入する時、つまり大気圏再突入機の受圧面に超音速気流がぶつかっている時には、機体の受圧面から起立する壁体の両側を超音速気流が流れており、この状態でジェット噴射孔からジェット気流を噴射させると、ジェット干渉効果によって、壁体の頂部とジェット噴射孔との間の領域における壁面圧力が上昇し、この圧力によって壁面が押圧される。
【００１３】
したがって、ジェット気流噴射の反力に加えて、ジェット干渉効果によっても壁面が押圧されるため、ジェット気流噴射の反力のみの場合よりも強い力で壁面を押圧することができ、大気圏再突入機の姿勢制御が容易になる。このため、ジェット気流噴射への依存率を低下させることができ、その分、ジェット気流噴射用の推進剤の搭載量を小さくし、大気圏再突入機のペイロード増大、もしくは機体の小型化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る大気圏再突入機は、上記のジェット干渉アクチュエータを備えたことを特徴とする。
【００１５】
この大気圏再突入機によれば、超音速ジェット干渉アクチュエータの壁体に設けられたジェット噴射孔から噴射されるジェット気流の反力と、上記ジェット気流に超音速気流が干渉することによって壁面が押圧されるジェット干渉効果との両方によって壁面が押圧されるため、ジェット気流噴射の反力のみの場合よりも強い力で壁面を押圧することができる。このため、ジェット気流噴射の依存度を低下させてジェット気流噴射用の推進剤搭載量を小さくし、大気圏再突入機のペイロード増大、もしくは機体の小型化を図ることができる。
【００１６】
また、本発明に係る大気圏再突入機は、上記構成において、前記機体の平面視で、前記機体は曲線又は直線で形成された対称形状であり、前記機体の略中心部および重心位置を通る水平基準線の片端付近または両端付近にそれぞれ前記ジェット干渉アクチュエータが設けられ、これら各ジェット干渉アクチュエータにおける前記壁体の面方向が前記水平基準線に沿っていることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、各ジェット干渉アクチュエータにおける壁体のジェット噴射孔から噴射されるジェット気流が、機体平面視で、機体の略中心部および重心位置を通る水平基準線の片端付近または両端付近から直角方向に噴射される。このため、ジェット気流噴射の反力および超音速ジェット干渉効果による押圧力が、機体の重心位置を中心に機体を回転させる力に最も効率良く変換される。したがって、ジェット干渉アクチュエータによる機体の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進剤の消費量を削減して推進剤の搭載量を小さくすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る大気圏再突入機は、上記構成において、機体平面視で、前記重心位置が、前記水平基準線の中間点からいずれかの前記ジェット干渉アクチュエータの側に偏倚していることを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、大気圏再突入機が大気圏中に斜めに再突入した時に、超音速気流の中で、気流による風圧中心点と機体の重心位置とがずれていると、両者が一致するように機体が回転し、機体の前後方向が決まる。機体の水平基準線はこの前後方向に沿い、この水平基準線の両端部にジェット干渉アクチュエータが設けられているため、ジェット干渉アクチュエータは常に機体の前端位置と後端位置にあり、これによって機体の姿勢制御が容易になる。したがって、ジェット干渉アクチュエータによる機体の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進剤の消費量を削減して推進剤の搭載量を小さくすることができる。
【００２０】
また、本発明に係る大気圏再突入機は、上記構成において、大気圏中に再突入して降下している時に、前記機体の側面視で、前記超音速気流による風圧中心点と前記機体の重心位置とを通る直線と、前記重心位置と前記ジェット干渉アクチュエータの設置位置とを結ぶ直線とが、略直角となるような位置に、少なくとも１つの前記ジェット干渉アクチュエータが設置されていることを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、再突入時において、風圧中心点と機体の重心位置とが一致するように機体が傾いた姿勢において、重心位置から見て、風圧中心点と重心位置とを通る直軸に垂直な直線上にジェット干渉アクチュエータを配置することで、ジェット干渉アクチュエータからジェット気流を噴射させた時に発生する、機体をこの風圧中心点と重心位置Ｇを通る直軸以外の軸周りに回転させる力、例えば機体を左右に首振りさせるような力を無くすことができ、これによって機体の姿勢制御が容易になる。したがって、ジェット干渉アクチュエータによる機体の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進材の消費量を削減して推進材の搭載量を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係るジェット干渉アクチュエータおよびこれを備えた大気圏再突入機によれば、ジェット干渉効果を積極的に活用することにより、機体の姿勢制御用のジェット気流噴射の依存度を低下させて推進剤の搭載量を少なくし、機体ペイロードの増大、あるいは機体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る大気圏再突入機の斜視図である。
【図２】図１のII矢視による大気圏再突入機の側面図である。
【図３】図１のIII矢視による大気圏再突入機の底面図である。
【図４】図１のIV矢視により本発明の実施形態を示すジェット干渉アクチュエータの側面図である。
【図５】大気圏再突入時における機体の姿勢を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る大気圏再突入機の斜視図である。
図１〜図３に示すように、この大気圏再突入機１は、平面視（図３参照）で円形をなす略円錐台形の機体２を有し、その底面が、大気圏再突入時に超音速気流がぶつかる受圧面３となっている。大気圏再突入時には、受圧面３が略進行方向を向くように機体２の姿勢が制御される。この受圧面３は、機体２の外周輪郭線Ｏから緩やかに凸レンズ状に盛り上がっている。
【００２６】
大気圏再突入機１は、一対のジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂを備えている。機体２は、ジェット干渉アクチュエータ５Ａおよび５Ｂと機体中心軸線Ｃとを含む平面（図３中に示すＳ）に対し対称な形状となっている。これらのジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂは、後述するように、ジェット気流噴射とジェット干渉効果とを併用しながら、機体２の中心軸線Ｃを軸にして機体２を回転させたり、飛行中の機体２を水平方向に平行移動させたりして、機体２の姿勢を制御するものである。なお、これら２基のジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂのうちの一方のみを設けることとしてもよい。
【００２７】
ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂの設置位置は、機体２の平面視（図３参照）で、機体２の略中央部および重心位置Ｇを通る水平基準線Ｓの両端付近となっている。機体２の略中央部とは、本実施形態では機体２の中心軸線Ｃが通る付近である。また、水平基準線Ｓは機体２の対称面を平面視に投影したものに等しい。
【００２８】
機体２の重心位置Ｇは、水平基準線Ｓの中間点（中心軸線Ｃが直交する点）から、例えば一方のジェット干渉アクチュエータ５Ａの側に偏倚している。このため、機体２の平面視で、他方のジェット干渉アクチュエータ５Ｂが重心位置Ｇから最も遠い位置に設けられている。
【００２９】
ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂは、機体２の受圧面３から起立する壁体６を備えている。この壁体６は、超音速気流に対して十分な強度が得られ、且つ後述するスラスター（ジェット噴射装置）を内蔵できる必要最小限の厚みを持ち、その側面６ａの面方向が、機体２の平面視（図３参照）で、機体２の略中央部および重心位置Ｇを通る水平基準線Ｓに沿っている。また、機体２の側面視（図４参照）で、壁体６は機体２の外周輪郭線Ｏに対して略直角である。
【００３０】
これは図３に示す水平基準線Ｓを含む対称面に対して線対称な機体形状において、この対称面内に含まれる任意の回転軸に対して、壁体６の両面から対称に推力が発生するようにすることを意図して直角にしたものであるが、所望の推力方向に垂直になるように面方向を設定すればよく、必ずしも直角である必要はない。さらに、壁体６の下面６ｂは略平面状であるが、平面でなくてもよい。なお、図４に示すように、側面６ａと下面６ｂとが接する角部は、空力加熱を考慮して丸みを帯びている。
【００３１】
そして、これら一対の壁体６の、各々の両面に、合計４つのジェット噴射孔７（スラスター）が設けられている。これらのジェット噴射孔７は、図４に示すように、壁体６の側面６ａの面方向に直交する方向にジェット気流Ｊを噴射する。このジェット気流Ｊは、圧縮された窒素等の気体や、燃料を燃焼させたガスを噴射することによって生成される。
【００３２】
各ジェット噴射孔７は、図２に示すように、各壁体６において、機体２の直径方向の外周側の領域に設けるとともに、図４に示すように、各壁体６の頂部（下面６ｂ）から所定の距離Ｌを置いた位置に設けるのが好ましい。さらに、ジェット気流Ｊのプルーム（噴射気流）が機体２の受圧面３に干渉しないように、ジェット噴射孔７を受圧面３からある程度の間隔を空けて開設するのが好ましい。なお、本実施形態において、各ジェット噴射孔７は単一の小孔状に形成されているが、例えば水平方向に並ぶ複数の小孔としたり、あるいは水平方向に延びるスリット状としたり、その他の形状にすることも考えられる。
【００３３】
以上のように構成された大気圏再突入機１は、大気圏に再突入する時に、機体２の受圧面３にマッハ１以上の超音速気流を受けながら降下する。この状況下で機体２の姿勢を制御するために、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂのジェット噴射孔７からジェット気流Ｊが噴射される。例えば、一対の壁体６の同じ側のジェット噴射孔７からジェット気流Ｊを噴射すると、機体２を水平方向に平行移動させることができる。また、一対の壁体６の異なる側のジェット噴射孔７からジェット気流Ｊを噴射すると、中心軸線Ｃを軸にして機体２を回転させることができる。これらの動きを組み合わせることにより、大気圏再突入機１を所定の着陸地点に誘導することが可能となる。
【００３４】
ジェット噴射孔７からジェット気流Ｊが噴射される時には、このジェット気流噴射Ｊの反力Ｆ１（図４参照）に加えて、ジェット干渉効果によっても壁体６が押圧される。即ち、大気圏に再突入する時、つまり機体２の受圧面３に超音速気流がぶつかっている時には、図４に示すように、受圧面３から起立している壁体６の両側面６ａを超音速気流が流れ、この状態で一方のジェット噴射孔７からジェット気流Ｊを噴射させると、ジェット干渉効果によって、壁体６の頂部（下面６ｂ）とジェット噴射孔７との間の領域（図４中のハッチング部分）における壁面圧力が上昇し、この圧力によって壁体６の側面６ａが押圧力Ｆ２で押圧される。
【００３５】
このように、ジェット気流噴射Ｊによる反力Ｆ１に加えて、ジェット干渉効果による押圧力Ｆ２によっても壁体６の側面６ａが押圧されるため、これらの力Ｆ１，Ｆ２を併用することにより、ジェット気流噴射Ｊの反力Ｆ１のみの場合よりも強い力で側面６ａを押圧することができ、大気圏再突入機１の姿勢制御が容易になる。このため、ジェット気流噴射への依存率を低下させることができる。
【００３６】
例えば、ジェット気流噴射の噴射量を小さくしたり、噴射時間を短くしたりすることができ、その分、ジェット気流噴射用の推進剤の搭載量を小さくし、大気圏再突入機１のペイロード増大、もしくは機体２の小型化を図ることができる。発明者らの試算によれば、上記の構成を採用することにより、従来の構成に比べて、ジェット気流噴射用の推進剤の搭載量を約２０％削減することができる。
【００３７】
しかも、機体平面視で、少なくとも一方のジェット干渉アクチュエータ５Ａが、機体２の重心位置Ｇから最も遠い位置に設けられているため、ジェット干渉アクチュエータ５Ａにおけるジェット気流噴射Ｊの反力Ｆ１およびジェット干渉効果による押圧力Ｆ２を、機体２の姿勢を変化させる力のモーメントに最も有効に変換することができる。このため、ジェット気流噴射用の推進剤の搭載量を小さくし、ペイロードの増大、あるいは機体２の小型化により貢献することができる。
【００３８】
さらに、機体平面視で、円形の機体２の略中心部および重心位置Ｇを通る水平基準線Ｓの両端付近にそれぞれジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂが設けられ、これら各ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂにおける壁体６の面方向が水平基準線Ｓに沿っているため、各ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂにおける壁体６のジェット噴射孔７から噴射されるジェット気流Ｊが、機体平面視で、機体２の重心位置Ｇを通る水平基準線Ｓの両端付近から直角方向に噴射される。
【００３９】
このため、ジェット気流噴射Ｊの反力Ｆ１および超音速ジェット干渉効果による押圧力Ｆ２が、機体２の重心位置Ｇを中心に機体２を回転させる力に最も効率良く変換される。したがって、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂによる機体２の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進剤の消費量を削減して推進剤の搭載量を小さくすることができる。
【００４０】
また、機体平面視で、機体２の重心位置Ｇが、水平基準線Ｓの中間点（図３中のＣ点）から、例えば一方のジェット干渉アクチュエータ５Ａの側に偏倚しているため、下記の作用、効果が得られる。
【００４１】
即ち、図５に示すように、大気圏再突入機１が大気圏中に斜めに再突入した時に、側面視において、機体２の重心位置Ｇと、超音速気流による風圧中心点ＷＰとが、降下方向に沿う直線ＤＬと一致するように、重心位置Ｇと風圧中心点ＷＰとを通る面に直角もしくは略直角な直線ＰＬ回りに機体２が回転し、この姿勢で安定する。これにより、機体２の前後方向が決まる。
【００４２】
機体２の水平基準線Ｓはこの前後方向に沿い、この水平基準線Ｓの両端部にジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂが設けられているため、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂは常に機体２の前端位置と後端位置に位置付けられ、これによって機体２の姿勢制御が容易になる。
したがって、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂによる機体２の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進剤の消費量を削減して推進剤の搭載量を小さくすることができる。
【００４３】
また、機体２の重心位置Ｇと、超音速気流による風圧中心点ＷＰとが、降下方向に沿う直線（ＤＬ）に一致するように傾いて安定した姿勢において、重心位置Ｇから見て、重心位置Ｇと風圧中心点ＷＰを通る直線ＤＬに略直角な直線ＰＬ上にジェット干渉アクチュエータ５Ｂを配置することで、ジェット噴射孔７からジェット気流Ｊを噴射させた時に発生する、機体２を直線ＤＬ以外の軸周りに回転させる力、例えば機体２を左右に首振りさせるような力を無くすことができ、これによって機体２の姿勢制御が容易になる。したがって、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂによる機体２の姿勢制御を効率良く行い、ジェット気流噴射用の推進剤の消費量を削減して推進剤の搭載量を小さくすることができる。
【００４４】
以上説明したように、本発明に係るジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂおよびこれを備えた大気圏再突入機１によれば、ジェット干渉効果を積極的に活用することにより、機体２の姿勢を制御するジェット気流噴射の依存度を低下させて推進剤の搭載量を少なくし、機体２のペイロードの増大、あるいは機体２の小型化を図ることができる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
例えば、機体２の形状は必ずしも円錐台形状でなくてもよい。機体２の平面視形状も、図３に示した円形に限らず、水平基準線Ｓに対して略線対称な形状であれば良い。また、機体２の受圧面３の形状や、受圧面３に対するジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂの設置構造等は、他の構造であってもよい。
また、ジェット干渉アクチュエータ５Ａ，５Ｂの設置数も、前後２個所に限らず、前方のみ、後方のみとしてもよく、さらに、適宜通常のスラスターと組み合わせて適用してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  大気圏再突入機
２  機体
３  受圧面
５Ａ，５Ｂ  ジェット干渉アクチュエータ
６  壁体
６ａ  壁体の側面
６ｂ  壁体の底面（壁体頂部）
７  ジェット噴射孔
Ｃ  中心軸線
ＤＬ  風圧中心点と機体の重心位置とを通る直線
Ｆ１  ジェット気流噴射Ｊの反力
Ｆ２  ジェット干渉効果による押圧力
Ｇ  重心位置
Ｊ  ジェット気流
Ｌ  壁体の頂部からジェット噴射孔までの距離
ＰＬ  機体の重心位置とジェット干渉アクチュエータの設置位置とを結ぶ直線
Ｓ  水平基準線
ＷＰ  風圧中心点
【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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