(57)【要約】【課題】  ラムロケットエンジンの正確な燃料流量の算出が可能であることにより、適切な燃料制御を行うことができる燃料流量制御装置を提供すること。【解決手段】  この制御装置における燃料流量制御演算部がラムロケットエンジンの一次燃焼室１４から二次燃焼室１２へ送られる燃料の流量ｍｆを算出するに際し、一次燃焼室１４において経時変化するガス発生量ｍｇから、経時変化する一次燃焼室１４内のガス質量Δｍｃ＝ΔＰＶ／ＲＴを減じた値を燃料流量ｍｆとし、一次燃焼室１４内のガス質量を算出するに際し、理想気体の状態方程式を用い、この式における温度Ｔとして一次燃焼室の経時変化する温度を代入し、上記ガス発生量ｍｇを算出するに際し、一次燃焼室１４内の固体ガス発生剤の燃焼速度ｒおよび密度ρと一次燃焼室の反応部面積Ａとからなる算式、ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρを用いている。【選択図】  図３
2006342770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次燃焼室と二次燃焼室と一次燃焼室から二次燃焼室へ燃料を送るノズルとを備えたラムロケットエンジンにおける、一次燃焼室から二次燃焼室へ送られる燃料の流量を制御する制御装置であって、
上記ノズルの開度指令を出力する燃料流量制御演算部と、該開度指令に基づいてノズルの開閉駆動指令を出力する開度制御演算部とを備えており、
上記燃料流量制御演算部が、一次燃焼室から二次燃焼室へ送られる燃料の流量を算出するに際し、一次燃焼室において経時変化するガス発生量ｍｇから、経時変化する一次燃焼室内のガス質量Δｍｃを減じた値を燃料流量ｍｆとし、上記一次燃焼室内のガス質量Δｍｃを算出するに際して理想気体の状態方程式
Δｍｃ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）
を用い、この式における温度Ｔとして一次燃焼室の経時変化する温度を代入して時系列に上記燃料流量を算出する、ラムロケットエンジンの燃料流量制御装置。
【請求項２】
上記燃料流量制御演算部が一次燃焼室において経時変化する上記ガス発生量ｍｇを算出するに際し、圧力Ｐの関数である一次燃焼室内の固体ガス発生剤の燃焼速度ｒと、該固体ガス発生剤の密度ρと、一次燃焼室の反応部面積Ａとからなる算式
ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ
を用いる請求項１記載のラムロケットエンジンの燃料流量制御装置。
【請求項３】
上記一次燃焼室内のガス質量を算出する理想気体の状態方程式における圧力Ｐとして、一次燃焼室の経時変化する圧力を代入して時系列に上記燃料流量を算出する請求項２記載のラムロケットエンジンの燃料流量制御装置。
【請求項４】
上記ガス発生量の算出式  ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ  と、
上記一次燃焼室内のガス質量の算出式  Δｍｃ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）  と、
求める燃料流量をｍｆとし、一次燃焼室からの排出係数をＣｄとし、一次燃焼室からの排出部通路面積をＡｂとしたときの下式
ｍｆ＝Ｃｄ・Ｐ・Ａｂ
との三式が同時に成立する時の圧力Ｐを算出して、上記理想気体の状態方程式に代入することによって上記燃料流量を算出する請求項３記載の燃料流量制御装置。
【請求項５】
一次燃焼室の経時変化する上記圧力として、上記ラムロケットエンジンにおける一次燃焼室に設置された圧力検出装置によって時系列に計測された圧力を直接用いる請求項３記載の燃料流量制御装置。
【請求項６】
一次燃焼室の経時変化する上記温度として、予め時系列に計測された一次燃焼室の温度データに基づいて導入した近似式を用いる請求項１記載の燃料流量制御装置。
【請求項７】
一次燃焼室の経時変化する上記温度として、上記ラムロケットエンジンにおける一次燃焼室に設置された温度検出装置によって時系列に計測された温度を直接用いる請求項１記載の燃料流量制御装置。
【請求項８】
上記燃料流量制御演算部が時系列に算出した燃料流量に基づいて上記開度指令を出力するように構成されてなる請求項１記載のラムロケットエンジンの燃料流量制御装置。
【請求項９】
一次燃焼室と二次燃焼室とを有するラムロケットエンジンを搭載した飛しょう体であって、請求項１〜８のうちのいずれか一の項に記載の燃料流量制御装置とを備えてなる飛しょう体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はラムロケットエンジンの燃料流量制御装置およびラムロケットエンジンを搭載した飛しょう体に関する。さらに詳しくは、ラムロケットエンジンにおける一次燃焼室から二次燃焼室へ送られる燃料の流量を制御する制御装置、および、上記ラムロケットエンジンおよび制御装置を搭載した高速の飛しょう体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラムロケット（ダクテッドロケットともいう）は、そのエンジンの燃料発生器（一次燃焼室）内に装備した固体ガス発生剤の分解反応によって燃料ガスを発生し、この燃料ガスをラム燃焼室（二次燃焼室）に送るとともにエアインテークから取り入れた空気をラム燃焼室に送って燃料ガスと混合して燃焼させ、燃焼ガスを後方に噴射して推力を得るものである（たとえば、特許文献１および特許文献２）。上記一次燃焼室と二次燃焼室との間には、二次燃焼室へ送られる燃料ガスの流量を制御するための制御弁を内蔵したノズルが備えられている。
【０００３】
二次燃焼室へ送られる燃料ガスの流量を予め的確に予測することができれば適切な燃料制御が可能となり、その結果として二次燃焼室における着火性の向上等を実現することも可能となる。さらに、当該ロケットエンジンの性能を評価するうえで重要な項目となる燃焼効率を算出するためには、燃焼試験時に二次燃焼室に送り込まれた燃料ガス流量（以下、燃料流量という）の時系列的算出が必須であり、この燃焼効率の算出を正確に行うためには実際に二次燃焼室に送り込まれる時系列的な燃料流量を算出する必要がある。
【０００４】
しかし、従来ではこのように実際に二次燃焼室に送り込まれる時系列的な燃料流量を算出することができなかったため、燃料流量を的確に予測することはなされていない。さらに、上記のごとく時系列的な燃料流量を算出することができないため、燃焼試験後には一次燃焼室におけるガス発生量を燃料流量とみなして燃焼効率を算出している。一次燃焼室におけるガス発生量を算出することは容易であるからである。
【０００５】
図８には、このように燃料流量とみなされた一次燃焼室におけるガス発生量を時系列的に算出した結果を例示する。この算出法では後述する燃焼の初期段階（たとえば燃焼開始から４秒間）における急激な燃料流量の落ち込みが算出されていない。
【０００６】
また、図９には従来の実機における燃料流量の制御の概略が示されている。図中、実線の長方形で囲むものは演算により算出する項目であり、二重の実線の長方形で囲むものは計測装置によって計測する項目である。まず、一次燃焼室５１内の圧力Ｐを圧力検出装置５２によって連続して検出し、圧力指令値との偏差を埋めるべくノズルの燃料制御弁５３の開度指令を発信する。この指令に基づいて弁開度の制御演算を行い、その結果を燃料制御弁５３の駆動モータ５４の駆動指令として発信する。さらに、燃料制御弁５３に取り付けられているポテンショメータ５５から弁開度信号をフィードバックして制御している。符号５６は二次燃焼室である。このように、一次燃焼室５１の圧力を制御対象としており、二次燃焼室５６に直接的に影響を及ぼす燃料流量を制御することはできなかった。
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１４８０５２号公報
【０００８】
【特許文献２】特許第２８０３７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、燃料流量の適切な算出方法を用いることによってラムロケットエンジンの適切な燃料制御を行うことを可能にした燃料流量制御装置、この燃料流量制御装置を搭載した飛しょう体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】
【００１０】
本発明にかかるラムロケットエンジンの燃料流量制御装置は、
一次燃焼室と二次燃焼室と一次燃焼室から二次燃焼室へ燃料を送るノズルとを備えたラムロケットエンジンにおける、一次燃焼室から二次燃焼室へ送られる燃料の流量を制御する制御装置であって、
上記ノズルの開度指令を出力する燃料流量制御演算部と、該開度指令に基づいてノズルの開閉駆動指令を出力する開度制御演算部とを備えており、
上記燃料流量制御演算部が、一次燃焼室から二次燃焼室へ送られる燃料の流量ｍｆを算出するに際し、一次燃焼室において経時変化するガス発生量ｍｇから、経時変化する一次燃焼室内のガス質量Δｍｃを減じた値を燃料流量ｍｆとし、上記一次燃焼室内のガス質量Δｍｃを算出するに際して理想気体の状態方程式
Δｍｃ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）
を用い、この式における温度Ｔとして一次燃焼室の経時変化する温度を代入して時系列に上記燃料流量を算出するものである。
【００１１】
上記燃料流量制御演算部が一次燃焼室において経時変化する上記ガス発生量ｍｇを算出するに際し、圧力Ｐの関数である一次燃焼室内の固体ガス発生剤の燃焼速度ｒと、該固体ガス発生剤の密度ρと、一次燃焼室の反応部面積Ａとからなる算式
ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ
を用いることができる。
【００１２】
上記一次燃焼室内のガス質量を算出する理想気体の状態方程式における圧力として、一次燃焼室の経時変化する圧力を代入して時系列に上記燃料流量を算出することができる。  
【００１３】
上記ガス発生量の算出式  ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ  と、
上記一次燃焼室内のガス質量の算出式  Δｍｃ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）  と、
求める燃料流量をｍｆとし、一次燃焼室からの排出係数をＣｄとし、一次燃焼室からの排出部通路面積をＡｂとしたときの下式
ｍｆ＝Ｃｄ・Ｐ・Ａｂ
との三式が同時に成立する時の圧力Ｐを算出して、上記理想気体の状態方程式に代入することによって上記燃料流量を算出することができる。
【００１４】
一次燃焼室の経時変化する上記圧力として、上記ラムロケットエンジンにおける一次燃焼室に設置された圧力検出装置によって時系列に計測された圧力を直接用いることができる。
【００１５】
一次燃焼室の経時変化する上記温度として、予め時系列に計測された一次燃焼室の温度データに基づいて導入した近似式を用いることができる。この温度データはたとえば地上における実験において計測して得られるようなものである。
【００１６】
一次燃焼室の経時変化する上記温度として、上記ラムロケットエンジンにおける一次燃焼室に設置された温度検出装置によって時系列に計測された温度を直接用いることができる。
【００１７】
上記燃料流量制御演算部が時系列に算出した燃料流量に基づいて上記開度指令を出力するように構成されている。
【００１８】
本発明にかかる飛しょう体は、
一次燃焼室と二次燃焼室とを有するラムロケットエンジンを搭載した飛しょう体であって、前述したうちのいずれか一の燃料流量制御装置とを備えている。
【発明の効果】
【００１９】
経時変化する一次燃焼室の温度データおよび圧力データを利用して燃料流量を算出することができるので、正確な燃料流量の計測が可能となり、その結果、ラムロケットエンジンの適切な燃料制御を行うことができる。また、これらの経時変化する一次燃焼室の温度データおよび圧力データは推定可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態であるラムロケットエンジンの燃料流量制御装置、および、ラムロケットエンジンを搭載した飛しょう体について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本願発明の一実施形態にかかる高速飛しょう体１０の構成を示す縦断面図である。図１に示すように、高速飛しょう体１０は、ラム燃焼器（二次燃焼室）１２と、この二次燃焼室１２内に設けられたインテグラルブースタ用推進薬１３と、ガス発生器（一次燃焼室）１４に設けられてインテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼に続いて着火され、燃料過多の可燃性ガスを発生するサステーナ用ガス発生剤１５と、前記可燃性ガスを二次燃焼室１２内に噴出させるガスノズル１６と、二次燃焼室１２に設けたエアポート１２ａ（図１においては左右２つ）に接続され、前記可燃性ガスを燃焼させるための空気を圧縮した状態で二次燃焼室１２内に取り入れる空気取入口１７と、インテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼時にエアポート１２ａを閉塞すると共にインテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼終了に合わせてエアポート１２ａを開口するポートカバー１８と、インテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼により生じた高温ガスを外部に噴射するブースタノズル１９と、前記圧縮された空気とサステーナ用ガス発生剤１５が着火して生じた可燃性ガスとの混合物（燃料ガス）が燃焼して発生した高温ガスを外部に噴射するラムノズル１１とを備えている。なお、ガスノズル１６には一般的な流量制御型のロータリ弁２０が備えられている。
【００２２】
また、二次燃焼室１２は、その内部にインテグラルブースタ用推進薬１３があるときには、インテグラルブースタとして利用され、インテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼が終了した際にはその内部空間を二次燃焼室として利用される構造となっている。
【００２３】
本実施形態にかかる高速飛しょう体１０は、まず、図２（ａ）に示すように、二次燃焼室１２内のインテグラルブースタ用推進薬１３に着火して、その燃焼により生じた高温ガスをブースタノズル１９を通じて外部に噴出することにより発射し、その後のラム圧による作動に必要な設定マッハ数に到達するまで加速する。
【００２４】
次いで、図２（ｂ）に示すように、設定マッハ数に近付いてインテグラルブースタ用推進薬１３の燃焼が終了すると、図２（ｃ）に示すように、ラムノズル１１の内側に取り付けられているブースタノズル１９を分離機構（図示せず）によって二次燃焼室１２から外部に排出すること等により、ラムノズル１１を露出させる。さらに、左右のポートカバー１８を開放してエアポート１２ａを開口させ、それぞれの空気取入口１７を通じて二次燃焼室１２内に圧縮空気を取り入れる。これに合わせて、一次燃焼室１４内のサステーナ用ガス発生剤１５に着火して、図２（ｄ）に示すように、これにより発生する可燃性ガスをガスノズル１６を通じて二次燃焼室１２内に燃料ガスとして噴射する。そして、この燃料ガスと取り入れた圧縮空気とを混合して二次燃焼室１２内で連続燃焼反応（ラム燃焼）を起こし、これによって生じる高温ガスを既に露出した状態となっているラムノズル１１を通じて外部に噴出することによりさらなる推力を得るようにしている。
【００２５】
このようなラムロケットエンジンの試験時の燃料流量制御、および、将来の実機における正確な燃料流量の制御に資するために、試験に先立って実際に一次燃焼室内で生じる事象をモデル化した燃料流量制御のシミュレーションを説明する。
【００２６】
図３に示すのは一次燃焼室内で生じる事象のモデル化を含んだラムロケットエンジンの燃料流量制御のシミュレーションである。二点鎖線で囲まれた範囲が一次燃焼室１４内で生じる事象をモデル化したものである。一次燃焼室１４内の事象をモデル化することによって一次燃焼室１４の内圧Ｐおよび燃料流量ｍｆを計算する。燃料流量ｍｆというのは前述のとおり一次燃焼室１４からガスノズル１６を通して二次燃焼室１２へ送られる燃料ガスの流量である。
【００２７】
このシミュレーションでは、一次燃焼室１４への圧力指令値に対する算出された上記内圧Ｐの偏差を埋めるべく、燃料制御弁たる上記ロータリ弁２０の開度指令を発し、弁開度を制御するための演算の結果を弁駆動モータ２１に指令する。前述のとおり計算された燃料流量ｍｆは、モータ駆動指令によって決定される弁開度により変化するが、内圧Ｐによっても変化する。したがって、圧力変化に伴って変化する流量を繰り返し計算して求める。また、予め設定されているモータ駆動指令に対する弁の応答遅れを含めて、弁開度がポテンショメータ２２による計測結果として計算され、これがフィードバックデータとして弁開度演算に加味される。
【００２８】
以上が燃料流量制御のシミュレーションの概要である。重要なのはその中における二点鎖線で囲まれた範囲の燃料流量の計算方法である。すなわち、燃料流量の予測方法である。以下、説明する。
【００２９】
燃料流量（質量流量）ｍｆは、一次燃焼室１４内で単位時間当たりに発生した燃料ガス量（質量）ｍｇから、一次燃焼室１４内に残存する燃料ガス質量の変化率Δｍｃ（＝ｄｍｃ／ｄｔ）を減じたものであるので、下記（１）式によって算出される。
ｍｆ＝ｍｇ−Δｍｃ                                          （１）
【００３０】
ここで、（１）式中の単位時間当たりの燃料ガス発生量ｍｇは下記（２）式によって算出される。
ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ                                              （２）
【００３１】
ここで、ｒは一次燃焼室１４内におけるサステーナ用ガス発生剤１５の分解速度（燃焼速度）であって（５）式に示すように一次燃焼室１４の内圧Ｐの関数である。Ａは一次燃焼室１４内におけるサステーナ用ガス発生剤１５の燃焼面積（反応部面積）であり、幾何学的に算出することができる。ρはサステーナ用ガス発生剤１５の密度である。
上記（１）式中の燃料ガス質量ｍｃは、理想気体の状態方程式より、下記（３）式によって算出される。
ｍｃ＝（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）                                  （３）
【００３２】
ここで、Ｐは一次燃焼室１４内の圧力であり、Ｔは一次燃焼室１４内の温度であり、Ｒは燃料ガスのガス定数（理論値）であり、Ｖは一次燃焼室１４内のフリーボリューム（実空間容積）である。
上記（１）式に（３）式を代入することによって下記（４）式が得られる。
ｍｇ−ｍｆ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）                        （４）
上記（２）式中のサステーナ用ガス発生剤１５の分解速度ｒは下記（５）式によって求まる。
ｒ＝ａ・Ｐn                                                   （５）
【００３３】
ここで、ａおよびｎはサステーナ用ガス発生剤の固有の特性値であり、予め実験的に求めることができる。
上記（３）式中のフリーボリュームＶは下記（６）式によって求まる。
Ｖ＝∫（ｒ・Ａ）ｄｔ＋Ｖｏ                                  （６）
【００３４】
ここで、Ｖｏは一次燃焼室１４内の初期フリーボリューム、つまり、燃焼が開始される前の一次燃焼室１４内の初期フリーボリュームである。ｒは前述の（５）式から求まる分解速度であり、Ａは前述の一次燃焼室１４内におけるサステーナ用ガス発生剤１５の反応部面積である。そして、このフリーボリュームＶは（６）式と上記（２）式とを用いれば下記（７）式のようにも表すことができる。
Ｖ＝∫（ｍｇ／ρ）ｄｔ＋Ｖｏ                                （７）
さらに、前述した燃料流量ｍｆは下記（８）式によっても表すことができる。
ｍｆ＝Ｃｄ・Ｐ・Ａｂ                                          （８）
【００３５】
ここで、Ｃｄは排出係数であって前述した一次燃焼室１４の温度Ｔの関数である。Ａｂはガスノズル１６の燃料制御弁（ロータリ弁）２０の通路面積である。Ｐは前述した一次燃焼室１４内の圧力である。
【００３６】
再び図３を参照しつつ説明する。図中の二点鎖線で囲む一次燃焼室１４内の各状態量のうち、実線の長方形で囲むものは演算により算出する項目であり、破線の長方形で囲むものは事前にテーブルまたは算式を準備する項目である。燃料流量ｍｆの計算に必要な一次燃焼室１４内の上記分解速度ｒは上記（５）式によって求め、燃焼面積（反応部面積）Ａは、予め幾何学的に算出するとともに分解に伴って進行する距離について整理したテーブルから選択して上記各式に代入する。また、一次燃焼室１４内の温度Ｔとしては、予め燃焼試験時に一次燃焼室において時系列に計測された温度データに基づいて作成した時間の関数としての近似式を用いる。この温度データの一例を図４に示す。また、単位時間当たりの燃料ガス発生量ｍｇは、上記反応部面積Ａおよび分解速度ｒを上記（２）式に代入して算出する。一次燃焼室１４内のフリーボリュームＶは、燃料ガス発生量ｍｇを（７）式に代入して算出する。
そして、前述した三つの式（２）（４）（８）式に圧力値Ｐを繰り返し代入して計算し、これらの式（２）（４）（８）が同時に成立する圧力値Ｐを算出する。
ｍｇ＝ｒ・Ａ・ρ＝（ａ・Ｐn）・Ａ・ρ                      （２）
ｍｇ−ｍｆ＝Δ（Ｐ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）                        （４）
ｍｆ＝Ｃｄ・Ｐ・Ａｂ                                          （８）
【００３７】
そして、この圧力（一次燃焼室１４内の圧力）Ｐ、上記燃料ガス発生量ｍｇ、一次燃焼室１４内の温度Ｔを上記（４）式と（８）式のうちの温度の関数であるＣｄとに代入することによって燃料流量ｍｆを算出する。これが燃料流量の予測方法である。なお、燃料流量制御のシミュレーションにおいては、三つの式（２）（４）（８）が同時に成立する上記圧力値Ｐと、一次燃焼室１４への圧力指令値との偏差を埋めるべく、上記ロータリ弁２０の開度を制御する燃料制御弁開度指令を発し、弁開度の演算を行う。この点については既に述べた。
【００３８】
以上のごとく、燃料流量ｍｆの計算に必要な一次燃焼室１４内の温度Ｔとして、予め試験用の一次燃焼室または実機の一次燃焼室において時系列に計測された温度データに基づいて作成した近似式を用い、これを気体の状態方程式に代入することにより燃料流量ｍｆの計算を行うので、正確な燃料流量予測が可能となる。
図５には、かかる算出方法によって時系列的に算出された燃料流量がグラフとして示されている。この図５と前述した従来技術の計算方法による算出結果（図８）との比較から判るように、ガス発生量を燃料流量とみなしていた従来の計算方法では算出できなかった燃焼初期の急激な流量の落ち込み（図５中の０〜３秒間に示されている）が算出されている。図８中の０〜３秒間の流量変化と対比すれば明確である。このように、時系列的な燃料流量の正確な予測が可能となり、その結果、ラム着火のための適切な二次燃焼室の状態（たとえば空燃比）を得ることができる。
【００３９】
図６は、一次燃焼室１４および二次燃焼室１２を備えた燃焼試験装置（推進装置）２３によって燃焼試験を行った後、そのときの実測データに基づいて燃料流量の評価を行うルーティンを示している。この試験装置２３では当該エンジンの推力を計測することができる。図中の二点鎖線で囲む一次燃焼室１４内の各状態量のうち、実線の長方形で囲むものは演算により算出する項目であり、破線の長方形で囲むものは事前にテーブルを準備する項目であり、二重の実線の長方形で囲むものは計測装置によって燃焼試験装置２３から計測する項目である。
【００４０】
評価対象は燃料流量ｍｆであり、基本的には実測データを基に算出する。そして、この試験装置２３が発生した推力を、算出した燃料流量ｍｆで除することにより、燃料の単位質量当たりの発生推力を求めて効率を確認する。
【００４１】
この燃料流量ｍｆの計算に必要な一次燃焼室１４内の上記分解速度ｒおよび燃焼面積（反応部面積）Ａは、予め幾何学的に算出するとともに分解に伴って進行する距離について整理したテーブルから選択して上記各式に代入する。また、一次燃焼室１４内の温度Ｔおよび圧力Ｐは、試験装置２３の一次燃焼室に設置した温度センサ２５および圧力センサ２６による時系列の検出値を用いる。また、単位時間当たりの燃料ガス発生量ｍｇは、上記反応部面積Ａおよび分解速度ｒを上記（２）式に代入して算出する。一次燃焼室１４内のフリーボリュームＶは、燃料ガス発生量ｍｇを（７）式に代入して算出する。そして、計測された一次燃焼室１４内の温度Ｔおよび圧力Ｐを上記（３）式に代入して一次燃焼室１４内に残存する燃料ガス質量の変化率Δｍｃ（＝ΔＰＶ／ＲＴ）を算出する。そして、算出された上記燃料ガス発生量ｍｇから残存する燃料ガス質量の変化率Δｍｃを減ずることにより、燃料流量ｍｆが算出される。なお、分解速度ｒについては予め準備した算式と実績とが異なる場合があるため、必要に応じて補正する。
【００４２】
以上のごとく、時系列に実測された一次燃焼室１４内の温度Ｔおよび圧力Ｐを用い、これを気体の状態方程式に代入することにより燃料流量ｍｆの計算を行うので、正確な燃料流量の評価が可能となる。実際に、かかる手法で時系列に算出した単位時間当たりの燃料流量ｍｆを全試験期間を通じて積分した値が、実際に試験装置２３に搭載されたサステーナ用ガス発生剤（図１の符号１５）の質量とよく一致した。
【００４３】
もちろん、一次燃焼室１４内の温度Ｔおよび圧力Ｐとしては、前述の温度センサ２５および圧力センサ２６による時系列の検出値を用いることに限定されない。図３の二点鎖線枠の中に示したシミュレーションモデルを採用し、これらの算出圧力および算出温度を用いてもよい。この場合は上記両センサ２５、２６を削除することも可能となる。
【００４４】
図７には、前述した燃料流量の計算方法を適用して燃料流量を制御する、将来の実機用の制御装置の概要が示されている。すなわち、高速飛しょう体１０における一次燃焼室１４からガスノズル１６を通して二次燃焼室１２へ送られる燃料ガスの流量を制御する燃料流量制御系の構成が示されている。
【００４５】
この燃料流量制御は、一次燃焼室１４の時系列な実測温度および実測圧力を用いて演算された燃料流量と燃料流量指令とに基づいて流量制御演算部２４から弁開度制御演算部２７に対して弁開度指令が発信される。弁開度制御演算部２７からは、燃料が流れるガスノズル１６に対してその流路開度を調整する指令が発信される。弁開度制御演算部２７に対してはガスノズル１６の流路開度の実測値がフィードバックされる。
【００４６】
図７に示すように、本実施形態では、上記ガスノズル１６は一般的な流量制御型ロータリ弁２０を備えている。燃料流量の制御はこのロータリ弁２０の開度を調整して行うものである。ロータリ弁２０は弁駆動モータ２１の駆動によってその開度が変更されるように構成されており、ロータリ弁２０の開度はポテンショメータ２２によって検出され、前述のとおり弁開度制御演算部２７にフィードバックされる。
【００４７】
流量制御演算部２４は、一次燃焼室１４に設けられた温度センサ２５および圧力センサ２６に接続され、一次燃焼室１４内のサステーナ用ガス発生剤１５により発生される可燃性ガスの圧力（一次燃焼室圧力）Ｐと温度（一次燃焼室温度）Ｔとを連続して監視している。すなわち、一次燃焼室１４内の温度Ｔおよび圧力Ｐの経時変化を計測している。この時系列で計測した温度Ｔおよび圧力Ｐを用いて燃料流量ｍｆを時系列的に算出する。そして、この算出された燃料流量ｍｆと、図示しないメモリに記憶された燃料流量制御パターン（燃料流量指令）とに基づいて弁開度指令を出力する。すなわち、両者の偏差を埋めるような弁開度指令が出力される。
【００４８】
流量制御演算部２４における燃料流量ｍｆの計算は前述した式（１）〜（７）を用いて行われる。この場合の一次燃焼室１４の温度Ｔおよび圧力Ｐは、実機の一次燃焼室１４に設置されたセンサ２５、２６によって連続的に計測される実測値が用いられることになる。その他は、前に説明した燃焼試験装置２３を用いた燃料流量計算と同じであるため、説明を省略する。
【００４９】
この時系列的に算出される燃料流量ｍｆと、燃料流量指令との偏差を埋める燃料制御弁開度指令が流量制御演算部２４から弁開度制御演算部２７に対して発信される。弁開度制御演算部２７はこの弁開度指令に基づいてロータリ弁２０を駆動するためのモータ駆動指令を出力する。一方、実際のロータリ弁２０の開度（弁開度信号）はポテンショメータ２２が検出してこの開度（弁開度信号）を弁開度制御演算部２７にフィードバックする。このようにしてロータリ弁２０の開度がフィードバック制御される。
【００５０】
以上説明した燃料流量の算出方法を、実機に搭載する演算装置によって実行することにより、燃料流量を直接に制御することが可能となる。高精度な制御を必要とする場合には、このように圧力および温度ともにセンサ２５、２６による実測値を用いるが、制御装置の実機への搭載性を重視する場合には、図３の二点鎖線枠の中に示したシミュレーションモデルを制御装置の内部に組み込むことにより、これらによる算出圧力および算出温度を用いてもよい。この場合は上記両センサ２５、２６を削除することも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本願発明は、ラムロケットエンジンにおける二次燃焼室へ送られる燃料流量の的確な予測に寄与する。それにより、ロケットエンジンの燃焼効率をより正確に算出することができ、当該ロケットエンジンの的確な性能評価に資することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本願発明の一実施形態にかかる飛しょう体の構成を示す縦断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示した飛しょう体のラム燃焼（二次燃焼）までの過程を示す縦断面図である。
【図３】ラムロケットエンジンの一次燃焼室内で生じる事象のモデル化を含んだ燃料流量制御のシミュレーションを示すブロック図である。
【図４】図３の制御シミュレーションにおける燃料流量計算に用いる一次燃焼室温度データの一例を示すグラフである。
【図５】図３の制御シミュレーションにおける燃料流量計算結果の一例を示すグラフであり、時間（横軸）についての燃料流量（縦軸）の変化を示している。
【図６】ラムロケットエンジンを模した燃焼試験装置における燃料流量の評価フローを示すブロック図である。
【図７】ラムロケットエンジンを搭載した飛しょう体の制御装置における、燃料流量制御フローの一例を示すブロック図である。
【図８】従来の手法による燃料流量計算結果の一例を示すグラフであり、時間（横軸）についての燃料流量（縦軸）の変化を示している。
【図９】ラムロケットエンジンを搭載した従来の飛しょう体の燃料流量制御フローの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  高速飛しょう体
１１  ラムノズル
１２  二次燃焼室
１２ａ  エアポート
１３  インテグラルブースタ用推進薬
１４  一次燃焼室
１５  サステーナ用ガス発生剤
１６  ガスノズル
１７  空気取入口
１８  ポートカバー
１９  ブースタノズル
２０  ロータリ弁
２１  弁駆動モータ
２２  ポテンショメータ
２３  燃焼試験装置
２４  流量制御演算部
２５  （一次燃焼室の）温度センサ
２６  （一次燃焼室の）圧力センサ
２７  弁開度制御演算部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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