(57)【要約】  ケース（５１０）とケース（５１０）に結合されているノズル（５４０）とを含む固体燃料ロケットモータ（５００）が開示されている。複数の燃料ペレット（５２５）がケース（５１０）内に配置されている。燃料ペレット（５２５）の少なくとも一部に点火するために、点火器（５５０）が配置されている。ケース（５１０）内に複数の推進剤ペレット（５２５）を保持するために、ケース（５１０）内にペレット保持器（５３５）が位置付けられている。排気ガスが、点火された燃料ペレットからノズル（５４０）に流れることを可能にする一方で、未燃焼の燃料ペレットがノズル（５４０）を通って噴出されないように、ペレット保持器（５３５）がせん孔されている。【選択図】    図３
2011515614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体燃料ロケットモータ（３００）において、
ケースと、
前記ケース内に配置されている推進薬（３２０）と、
前記ケース内に配置されている複数の推進剤ペレット（３２５）と、
前記推進薬と前記複数の推進剤ペレットとに点火するために配置されている点火器（３５０）と、
前記ケースに結合されているノズル（３４０）とを具備し、
前記推進薬からの燃焼ガスと前記推進剤ペレットからの燃焼ガスとが、前記ノズルを通して流れ、推力を生成させる固体燃料ロケットモータ（３００）。
【請求項２】
燃料ペレットが、前記ケースの一部内にランダムに配置されている請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項３】
前記ケース内に未燃焼の推進剤ペレットを保持するためのペレット保持器（３３５）をさらに具備する請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項４】
排気ガスが、前記点火された燃料ペレットから前記ノズルに流れることが可能になるように、前記ペレット保持器がせん孔されている請求項３記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項５】
燃焼が、前記燃料ペレットのサイズを減少させて、予め定められたサイズを下回るまで、前記燃焼ペレットが前記ペレット保持器を通過するのを防ぐように、せん孔が適合されている請求項４記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項６】
前記ペレット保持器を通過した後、前記ノズルを通過するよりも前に、前記燃料ペレットのうちの少なくともいくつかが燃焼を完了することが可能になる十分な長さだけ、前記ペレット保持器が、前記ノズルから離れている請求項５記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項７】
前記ペレット保持器におけるせん孔の総面積が、前記ノズル内のスロートの断面積より大きい請求項４記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項８】
前記推進薬が漸増型燃焼を有し、
前記推進剤ペレットが、前記推進薬の前記漸増型燃焼を少なくとも部分的に補償するように適合されている請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項９】
前記推進薬が、円筒形中央せん孔と、テーパー付円筒形中央せん孔とのうちの１つを有する請求項８記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１０】
前記推進薬と前記複数の推進剤ペレットとの双方が燃焼しているときに、前記ロケットモータが、より高い推力の初期期間を提供し、前記推進剤ペレットが使い果たされた後に、より低い推力の期間が続く請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１１】
前記推進薬は、前記推進剤ペレットが使い果たされた後の、少なくとも予め定められた期間の間、中立型燃焼を提供するように適合されている請求項１０記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１２】
前記推進薬は、星形状の中央空洞またはフィノシル（ｆｉｎｏｃｙｌ）の中央空洞のうちの１つを有する請求項１１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１３】
前記燃料ペレットが１８００℃を下回る燃焼温度を有する請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１４】
前記燃料ペレットの質量の少なくとも６０％は、硝酸グアニジンと塩基性硝酸銅である請求項１３記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１５】
前記ペレット保持器は、少なくとも部分的に、モリブデンとＴＺＭ合金とのうちの１つから製造されている請求項１３記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１６】
前記推進剤ペレットと前記推進薬が、予め定められた温度を下回る、結果として生じる混合された燃焼温度を維持するように適合されている請求項１記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１７】
前記ペレット保持器が、少なくとも部分的に、モリブデンとＴＺＭ合金とのうちの１つから製造されることが可能になるように、前記予め定められた温度が設定されている請求項１６記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１８】
前記予め定められた温度は２５００℃である請求項１６記載の固体燃料ロケットモータ。
【請求項１９】
固体燃料ロケットモータにおいて、
ケースと、
前記ケース内に配置されている推進薬と、
複数の推進剤ペレットと、
前記推進剤ペレットを前記ケース内に保持する手段と、
前記推進薬と前記推進剤ペレットとに点火する手段と、
前記点火された推進薬と推進剤ペレットとにより生成されるガスが、推力を生成させるように誘導する手段とを具備する固体燃料ロケットモータ。
【発明の詳細な説明】
【著作権およびトレードドレスの通知】
【０００１】
本特許文書の開示の一部は、著作権保護を受けているマテリアルを含んでいる。本特許文書は、所有者のトレードドレスである、または、所有者のトレードドレスになるかもしれない事項を示している、および／または、記述している。著作権とトレードドレスとの所有者は、米国特許商標庁の特許ファイルまたは特許記録にあるように、何者かにより本開示を複製することに異議はないが、そうでないならば、すべての著作権およびトレードドレスの権利を留保する。
【背景】
【０００２】
〔分野〕
本開示は、固体燃料ロケットモータに関し、姿勢制御スラスターとしての使用に適した高速応答のモータに関する。
【０００３】
〔関連技術の説明〕
一般的に、ロケットとミサイルを推進させるために、さまざまなコンフィギュレーションにおいて固体燃料ロケットモータを使用する。ミサイル、ロケット、または、他の発射体の姿勢と操縦とを制御するために、小型の固体燃料ロケットモータを使用することもある。姿勢を制御するために使用する小型の固体燃料ロケットモータは、一般的に、姿勢制御スラスター、または、軌道修正スラスターと呼ばれる。固体燃料ロケットモータは、垂直に発射されたミサイルまたはロケットをほぼ水平な飛行へと向きを変えるためにも使用する。このようなロケットモータは、一般的に、ピッチオーバースラスターと呼ばれる。
【０００４】
理想的に拡張したノズルに対して、ロケットモータにより生成される推力または力は次の方程式により与えられる。
【数１】
2011515614.tif 000003
【０００５】
ここで、ｍp＝推進剤の質量流量であり、
Ｕe＝ガスの速度である。
【０００６】
推進剤の質量流量ｍpは、次の方程式により与えられる。
【数２】
2011515614.tif 000004
【０００７】
ここで、Ａp＝推進剤の表面積であり、
Ｒb＝推進剤の燃焼レートであり、
Ｐp＝推進剤の密度である。
【０００８】
したがって、推進剤の表面積Ａpと、推進剤の燃料レートＲbと、推進剤の密度Ｐpは、固体燃料ロケットにより生成される推力を決定するために使用される重要なファクターである。
【０００９】
ロケットモータにより生成される力は、結果として、ロケットモータにより推進されるミサイルまたは他の物体の線加速度または角加速度になる。ミサイルまたは他の物体の線速度または角速度における正味の変化は、時間にわたって積分される、モータにより生成される力に比例している。ロケットモータにより生成される力の時間積分は、一般的に、モータの「力積」と呼ばれる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、従来の固体燃料ロケットモータの側面の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、点火時における、推進薬の末端の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、点火後の時間ｔにおける、推進薬の末端の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、点火時における、推進剤ペレットの末端の断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、点火後の時間ｔにおける、推進剤ペレットの末端の断面図である。
【図３】図３は、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータの側面の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータの推力を示す、シミュレーション結果のグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、推進剤ロケットモータに対する内圧と、ペレット推進剤ロケットモータに対する内圧と、ハイブリッド固体燃料ロケットモータに対する内圧とを比較する、シミュレーション結果のグラフである。
【図５】図５は、推進剤固体燃料ロケットモータの末端の断面図である。
【図６】図６は、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータの推力を示す、シミュレーション結果のグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、星形状の中央せん孔を有する推進薬の末端の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、フィノシル（ｆｉｎｏｃｙｌ）の中央せん孔を有する推進薬の末端の断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータの側面の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータの側面の断面図である。    この説明全体を通して、図面に登場するエレメントには、３桁の参照番号が割り当てられている。ここで、最上位の桁は図面の番号であり、下位２つの桁はエレメントに特有のものである。図面に関連して記述していないエレメントは、同じ下位の桁を持つ参照番号を有する、以前に記述したエレメントと同じ特性と機能とを有すると仮定してもよい。
【詳細な説明】
【００１１】
〔装置の説明〕
ここで、図１の断面図を参照すると、従来の固体燃料ロケットモータ１００は、ケース１１０と、長手方向の開口１３０を有する推進薬１２０と、ノズル１４０と、点火器１５０とを含んでいる。一般的に、推進薬１２０は、「グレイン」と呼ばれることがある。用語「グレイン」は、推進薬１２０を全体として記述するために使用されるが、推進薬の重量、推進薬を構成するマテリアルの粒度、または、推進薬の表面の組織に言及するものではないことに留意されたい。推進薬１２０は、推進剤マテリアルの単一の連続した塊でなくてもよいことに留意されたい。製造を簡単にするために、例えば、ロケットモータ１００内で結合されるか、またはそうでないならば、ロケットモータ１００内で組み立てられる２つ以上の部品として、推進薬１２０を製造してもよい。
【００１２】
推進薬１２０は、少なくとも１つの燃料材料と少なくとも１つの酸化剤材料とを含む何らかのマテリアルであってもよい。推進薬は、ニトロセルロースのような、同じ材料が燃料成分と酸化剤成分との双方としての役割を果たす、いわゆる「シングルベース」マテリアルであってもよい。推進薬は、ニトロセルロースとニトログリセリンとの混合物のような、燃料成分と酸化剤成分との双方としての役割を果たす２つ以上の材料を有する、いわゆる「ダブルベース」マテリアルであってもよい。推進薬は、燃料材料と酸化剤材料とが、合成ゴムまたはプラスティック結合剤のマトリックス中に収容されている、微粒子の形態である、いわゆる「コンポジット」マテリアルであってもよい。コンポジット推進薬は、可塑剤のような他の材料を含んでいてもよい。結合剤と可塑剤は、ニトロセルロース、ニトログリセリン、または、他のエネルギーマテリアルのような、エネルギーマテリアルを含んでいてもよい。選択したマテリアルをケース１１０内で直接型どりすることにより、推進薬１２０を形成してもよい。ケースの外部で型どりまたは機械加工することにより推進薬を形成し、その後、結合し、またはそうでないならば、組み立てて、ケースに入れてもよい。さまざまな推進剤組成物が知られている。例示的な推進剤組成物は、Ｇｅｏｒｇｅ Ｓｕｔｔｏｎ氏およびＯｓｃａｒ Ｂｉｂｌａｒｚ氏による、Ｒｏｃｋｅｔ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｅｌｅｍｅｎｔｓの第１２章（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ, ２００１）に記述されている。
【００１３】
推力を提供するためには、推進薬１２０の表面積が燃焼して、ガスを発生させなければならない。燃焼可能な表面積を増加させるために、推進薬１２０中に長手方向の空洞１３０を形成してもよい。長手方向の空洞１３０は、一般的に、ケース１１０の長手軸上に中心付けられている。いったん推進薬１２０が点火器１５０により点火されると、長手方向の空洞１３０に面している推進薬１２０の全表面を含むように燃焼面積が急速に拡大し、いくつかのケースでは、ノズル１４０に最も近い推進薬１２０の末端を含むように燃焼面積が急速に拡大する。長手方向の空洞を持つ推進薬は、「中央せん孔グレイン」または「内面燃焼グレイン」と呼ばれることがある。
【００１４】
点火器１５０は、予め定められた量の高温の燃焼ガスを燃焼時に放出する、可燃性マテリアルの小型装薬であってもよい。例えば、可燃性の点火マテリアルに隣接している、または、埋め込まれているヒーターワイヤを通って流れる電流により、点火器の燃焼を開始させてもよい。推進薬１２０に点火するためには、点火器１５０により生成されるガスの温度と圧力とが、予め定められた値を超える必要がある。空洞１３０内に圧力を作ることを可能にし、その結果推進薬１２０の点火を容易にするために、環境シール１４５により空洞１３０をシールしてもよい。環境シール１４５は、湿気や降水のような環境の影響からロケットモータ１００を保護する役割も果たす。
【００１５】
環境シール１４５は、空洞１３０内の圧力が予め定められた圧力レベルを超えた後で、破壊するか、または、モータから自由に吹き飛ぶように設計されていてもよい。予め定められた圧力レベルは、例えば、６８９４７６パスカルから３４４７３８０パスカル（１００から５００重量ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ））の間であってもよい。例えば、環境シールは、圧力が予め定められたレベルを超えたときに破断するシャーピンによって、ノズル中に保持されていてもよい。環境シールは、圧力が予め定められたレベルを超えたときに、制御された方法でバーストディスクを破壊させるという意図的な構造上の弱さを有する、バーストディスクであってもよい。
【００１６】
図１で示しているように、環境シール１４５は、一般的にスロート１４２と呼ばれる、最小の断面積を有するノズル１４０の一部に配置されるか、または、その近くに配置される。環境シール１４５は、ノズル１４０内の他の位置に配置されていてもよい。
【００１７】
推進薬１２０の点火は、点火器に最も近い末端において開始され、その後、長手方向の空洞の長さに沿って進行するので、比較的一定なコア速度を維持し、侵食燃焼を最小限にするために、長手方向の空洞は、図１で示しているように、わずかにテーパーが付けられていてもよい。
【００１８】
製造を簡単にするために、長手方向の空洞１３０は、円筒形またはわずかにテーパーが付けられている円筒形として成形されていてもよい。しかしながら、図２Ａと図２Ｂとで示しているように、円筒形の長手方向の空洞を有する固体燃料ロケットモータにより提供される推力は、グレインが燃焼するにつれて、連続的に増加する。図２Ａは、円筒形の長手方向の空洞を持つ推進薬２２０を含む、例示的な固体燃料ロケットモータの末端の断面図を示している。太線２２２Ａにより、点火直後の推進薬２２０の燃焼表面を示している。推進薬２２０の燃焼表面２２２Ａの面積は、π（Ｌc）（Ｄc0）により与えられる。ここで、Ｌcは、図２の平面に対して垂直な推進薬２２０の長さであり、Ｄc0は、長手方向の空洞の初期の直径である。
【００１９】
図２Ｂは、点火後の時間ｔにおける、図２Ａの例示的な固体燃料ロケットモータの末端の断面図を示している。太線２２２Ｂにより、推進薬２２０の燃焼表面を示している。燃焼表面２２２Ｂの直径は、Ｄc0＋２Ｒbcｔに等しい。ここで、Ｒbcは、推進薬の燃焼レートである。したがって、時間ｔにおける燃焼表面２２２の面積は、点火時における燃焼表面の面積と比較して増加している。時間ｔにおける固体燃料ロケットモータの推力は、燃焼している表面積の増加に比例して増加するだろう。図２Ａと図２Ｂの考察が示しているのは、円筒形の長手方向の空洞を持つ推進薬を有する固体燃料ロケットモータの推力は、推進薬が燃焼するにつれて、連続的に増加するだろうということである。燃焼の結果、燃焼している表面積が増加する推進剤構造は、「漸増型燃焼」を有すると言われる。
【００２０】
図２Ｃは、例示的な推進剤ペレット２２５の末端の断面図を示している。例示的な推進剤ペレット２２５は、例えば、初期の直径Ｄp0を有する円筒形のディスクとして成形されていてもよい。図２Ｃと図２Ｄは、図２Ａおよび図２Ｂと、同じスケールに描かれていないことに留意されたい。ペレット２２５のサイズは、推進薬２２０のサイズに対して誇張されている。太線２２２Ｃにより、点火直後の推進剤ペレットの円周の燃焼表面を示している。ペレット燃焼表面の総面積は、推進剤ペレット２２５の表面２２２Ｃと２つの円形面とから成る。ディスク状ペレットの総燃焼表面積は、π（Ｌp）（Ｄp0）＋０．５（π）（Ｄp0）2により与えられる。ここで、Ｌpは、図２の平面に対して垂直な推進剤ペレット２２５の長さである。
【００２１】
図２Ｄは、点火後の時間ｔにおける、例示的な推進剤ペレット２２５の断面図である。太線２２２Ｄにより、推進剤ペレット２２５の円周の燃焼表面を示している。燃焼しているディスクの直径は、Ｄp0−２Ｒbpｔに等しい。ここで、Ｒbpは、推進剤ペレットの燃焼レートである。したがって、時間ｔにおけるペレットの燃焼表面の面積は、点火時における燃焼表面の面積と比較して減少している。時間ｔにおいて推進剤ペレット２２５が固体燃料ロケットモータに寄与する推力は、燃焼表面積の減少に比例して減少するだろう。図２Ｃと図２Ｄの考察が示しているのは、推進剤ペレットのみを使用する固体燃料ロケットモータの推力は、初期の点火期間の後、推進剤ペレットが燃焼するにつれて、連続的に減少するだろうということである。燃焼の結果、燃焼表面積が減少する燃料構造は、「漸減型燃焼」を有すると言われる。
【００２２】
ここで図３を参照すると、固体燃料ロケットモータ３００は、ケース３１０と、推進薬３２０と、複数の推進剤ペレット３２５と、ノズル３４０と、点火器３５０とを含んでいる。この説明の中で、塊状の推進薬と推進剤ペレットとの双方を有するロケットモータを「ハイブリッド固体燃料ロケットモータ」として呼ぶことがある。燃料材料または酸化剤材料のうちのいずれか１つが固体で、もう一方が液体であるロケットモータを記述するために一般的に使用される用語「ハイブリッドロケットモータ」と、この用語とを混同してはならない。この説明の中では、適切であれば、用語「塊状の」推進剤を用いて、推進薬３２０と推進剤ペレット３２５とを区別することがある。
【００２３】
ハイブリッド固体燃料ロケットモータ３００は、非常に多数（数百または数千）の推進剤ペレット３２５を含んでいてもよい。示しているように、推進剤ペレット３２５は、推進薬中の中央の空洞内に配置されていてもよいし、または、ケース３１０内の他の場所に配置されていてもよい。固体燃料ペレット３２５は、例えば、自動車のエアバッグで使用するために大量生産されているガス発生器ペレットであってもよい。
【００２４】
複数の推進剤ペレット３２５のそれぞれは、アスピリンのような薬の錠剤の形状に類似している形状で、形成されていてもよい。それぞれの推進剤ペレット３２５は、アスピリンの錠剤に類似している、凸状面を持ち、短く、一般に円筒形の形状で形成されていてもよい。凸状面は、隣接する推進剤ペレット間の接触面積を最小限にするので、推進剤ペレットが積み重なる、または、塊になるのを防ぐことができる。したがって、凸状面は、複数の推進剤ペレット３２５が非常に大きい総燃焼可能表面積を有することを保証する。それぞれの推進剤ペレットは、平面ディスクと、球体と、細長い円筒形と、球形の末端を持つ細長い円筒形と、他の形状とを含む、他の形状で形成されていてもよい。
【００２５】
それぞれの推進剤ペレット３２５は、エネルギー燃料マテリアルおよび酸化剤マテリアルの少なくともいくつかによって構成されていてもよい。それぞれの推進剤ペレットは、付加的な結合剤マテリアルおよび／または可塑剤マテリアルを含んでいてもよい。結合剤マテリアルと可塑剤マテリアルは反応性であってもよく、燃料マテリアルおよび／または酸化剤マテリアルとしての役割を果たしてもよい。推進剤ペレット用の適切な組成物はよく知られている。推進剤ペレットに使用される適切な組成物は、例えば、米国特許第５，６０８，１８３号に記述されているように、主には、硝酸グアニジン（または、グアニジウム）と、塩基性硝酸銅、硝酸コバルト、および、これらを組み合わせたものとの組成物を含んでいる。推進剤ペレット３２５の総質量の少なくとも６０％は、硝酸グアニジンと塩基性硝酸銅とによって構成されている。
【００２６】
推進剤ペレット３２５は、推進薬３２０の燃焼温度より低く、例えば、１５００℃と１８００℃との間の燃焼温度を有していてもよい。燃焼ガスの平均温度は、コンポジット推進剤の燃焼温度とペレット推進剤の燃焼温度との平均であってもよい。燃焼生成物にさらされるロケットモータのコンポーネントをモリブデンまたはＴＺＭ（チタンジルコニウムモリブデン）合金から製造することが可能になるほど、燃焼ガスの平均温度が十分に低く（およそ２５００℃より低く）なるように、推進薬の相対的なサイズと推進剤ペレットの量とが選択されてもよい。
【００２７】
図３で示しているように、推進剤ペレット３２５は、ロケットモータ内でランダムに配置してもよい。代替的に、推進剤ペレット３２５は、順序付けられた方法で積み重ねてもよい。ロケットモータのサイズと推進剤ペレットのサイズとに依存して、多くの積み重ねの配列がありえる。順序立った方法で推進剤ペレットを積み重ねるのを容易にするために、積み重ねられているペレットを位置付けて保持するための（図３で示していない）ロッド、ガイド、または、他の構造をロケットモータが含んでいてもよい。
【００２８】
せん孔されているペレット保持器３３５によって、ロケットモータ内に推進剤ペレット３２５を保持してもよい。用語「せん孔されている」は、ペレット保持器の構造中に何らかのタイプまたは形状の開口を含むことを意図し、開口を形成または作り出す何らかの特定の方法を意味していない。ペレット保持器は、未燃焼のペレットがノズル３４０を通して排出されるのを防ぐことができる一方で、推進剤ペレット３２５と推進薬３２０が点火されるときに生成される排気ガスの通過を可能にする。ペレット保持器３３５は、機械加工されたまたは化学的に形成されたせん孔を持つ、薄い金属マテリアルから形成されていてもよい。ペレット保持器３３５は、編まれたまたはエッチングされた、スクリーンまたは網から形成されていてもよい。ペレット保持器３３５は、単一の物理的なエレメントとして形成されていてもよいし、または、例えば、複数の密接した間隔の金属ディスク、ワイヤ、または、ロッドのような、複数の物理的な部品を含んでいてもよい。ペレット保持器がどのように形成されていても、ペレット保持器３３５は、排気ガスがノズル３４０に流れるためのせん孔または通路を提供するだろう。せん孔は、円形、正方形、長方形、または、細長いスリット、あるいは、燃料ペレットを保持しながら燃焼生成物の通過を可能にする他の何らかの形状であってもよい。
【００２９】
燃焼によりペレットのサイズが減少し、予め定められたサイズより小さくなるまで、燃焼している燃料ペレットをロケットモータ内に保持するようにせん孔は適合されている。例えば、ペレット保持器３３５中のせん孔または開口のうちの少なくとも１つの寸法が、未燃焼の燃料ペレット３２５のいかなる寸法よりも著しく小さくてもよい。これにより、燃料ペレットの燃焼がほぼ完了するまで、燃料ペレットは、ペレット保持器を通過できない。燃料ペレット３２５の燃焼がほぼ完了したときに、燃焼ガスの流れによって、燃料ペレットのうちの少なくともいくつかが、ペレット保持器３３５中のせん孔を通って、ノズル３４０中に押し流されるかもしれない。ペレット保持器３３５は、ペレット保持器３３５とノズル３４０のスロート３４２との間に空洞３３２を形成するように位置付けられていてもよい。空洞３３２には、最初は推進剤ペレットがまったくない。燃料ペレットがスロート３４２を通過する前に、ペレット保持器を通過した、部分的に燃焼している燃料ペレットのうちの少なくとも一部が完全に燃焼するように、空洞３３２の長さがなっていてもよい。スロート３４２を通過する前に完全に燃焼した燃料ペレットは、ロケットモータの推力に十分に寄与することができる。スロート３４２を通って排出されるときにまだ燃焼しているそれぞれの燃料ペレットは、結果として、ロケットモータにより提供される総推力の減少を少しずつ増やすことになる。
【００３０】
ペレット保持器３３５の存在は、燃焼している燃料ペレット３２５からの燃焼ガスと推進薬３２０からの燃焼ガスのノズル３４０への流れを、ある程度制限することができる。スロート３４２の断面積によってロケットモータ内の圧力を確実に制御するために、ペレット保持器３３５中のせん孔の総断面積が、スロート３４２の断面積より大きくてもよい。
【００３１】
推進薬３２０と複数の推進剤ペレット３２５とに点火するために、ケース内に点火器３５０を配置してもよい。点火器は、推進薬３２０および／または複数の推進剤ペレット３２５の一部のみに、直接点火することに留意されたい。その後、点火された推進剤からの高温の燃焼ガスが、残りの推進剤を急速に点火する。
【００３２】
図４Ａは、異なる推進剤を使用する３つのロケットモータにより生成される推力を、時間の関数として示している。グラフ４００Ａは、３つの異なるロケットモータのシミュレーションからの結果をプロットしている。実線４７１は、円筒形の長手方向の空洞を有すると仮定されている推進薬により生成される推力のプロットである。推進薬の表面は、おおよそ０．００２秒において完全に点火される。推進薬により生成される推力は、燃焼可能な表面積の連続的な増加のために、０．００２秒から０．０１６秒までは直線的に増加する。円筒形の長手方向の空洞を持つ推進薬は、漸増型燃焼を表している。０．０１６秒において、推進剤が使い果たされると、推力は急速に減少する。実線４７１は、理想化された推進薬の燃焼のシミュレーション結果を表している。推進薬の燃焼レートにおける局所的な些細な変動と終端効果とにより、実際のロケットモータにより生成される推力を理想から外れさせることがある。
【００３３】
破線４７２は、複数の推進剤ペレットにより生成される推力のプロットである。推進剤ペレットの表面は、およそ０．００４秒において完全に点火される。その後、推進剤ペレットにより生成される推力は、燃焼可能な表面積の連続的な減少のために、０．００４秒からおよそ０．０１６秒までは、だいたい直線的に減少する。破線４７２は、推進剤ペレットが漸減型燃焼を提供することを示している。およそ０．０１６秒において、推進剤ペレットが使い果たされる。シミュレーションは、推進剤ペレットが短い円筒形の錠剤のように成形され、錠剤の厚さは円筒形の半径より小さいことを想定している。このケースでは、０．００４秒から０．０１６秒までの間の推力の減少は、ペレットが燃焼するにつれて、円筒形の直径と厚さとが減少したことによるものである。０．０１６秒における燃焼終了は、燃焼が、ペレットの厚さを貫通したときに生じる。他のタイプの推進剤ペレットにより生成される推力が減少するレートは、ペレットの形状により決定されるかもしれず、時間的に線形でないかもしれない。
【００３４】
一点鎖線４７３は、例示的なハイブリッド固体燃料ロケットモータにより生成される総推力のプロットである。ハイブリッド固体燃料ロケットモータの総推力は、およそ０．００６秒から０．０１６秒まで本質的に一定である。本質的に一定な総推力の間隔が生じるのは、この時間間隔の間に、ペレット推進剤の漸減型燃焼（時間にわたる推力の減少）が、推進薬の漸増型燃焼（時間にわたる推力の増加）を実質的に補償するためである。初期の点火期間後の時間に対して推力が本質的に一定であるロケットモータは、「中立型燃焼」を有するとして記述される。
【００３５】
図４Ｂは、３つのロケットモータの内圧を示している。グラフ４００Ｂは、図４Ａにおいて前に示したデータを生成させたシミュレーションからの、付加的な結果をプロットしている。実線４７４は、推進薬を使用するモータの内圧のプロットである。最大内圧は、漸増型燃焼の終わり近くで生じ、６８，９４７，５７３パスカル（１０，０００ＰＳＩＡ（絶対重量ポンド毎平方インチ））を上回る。
【００３６】
破線４７５は、複数の推進剤ペレットを使用するロケットモータの内圧のプロットである。最大内圧は、ペレットが完全に点火されたときに、燃焼の早期において生じ、７５，８４２，３３０パスカル（１１，０００ＰＳＩＡ）を上回る。
【００３７】
一点鎖線４７６は、例示的なハイブリッド固体燃焼ロケットモータの内圧のプロットである。最大内圧は、およそ５５，１５８，０５８パスカル（およそ８０００ＰＳＩＡ）である。
【００３８】
等しい総力積に対して、中立型の推進剤燃焼を持つロケットは、漸増型の推進剤燃焼または漸減型の推進剤燃焼のいずれかを有するロケットモータより低い最大内圧を有するという原理を、図４Ｂは示している。ロケットモータの外部ケースは、最大内圧を封じ込めることができなければならない。したがって、等しい総力積に対して、漸増型の燃焼または漸減型の燃焼のいずれかを有するロケットモータは、中立型の推進剤燃焼を有するロケットよりも、強くて、重さと費用とが潜在的に大きいケースを必要とする。
【００３９】
比較的中立型の燃焼を有するハイブリッド固体燃焼ロケットモータに対して、２つの条件が満たされなければならない。第１に、推進薬の燃焼時間とペレットの燃焼時間とが、おおよそ同じでなければならない。第２に、推進薬に対する推力の変化のレートとペレットに対する推力の変化のレートとが、おおよそ同じ大きさを有していなければならない。
【００４０】
例えば、ハイブリッド固体燃料ロケットモータは、円筒形中央空洞を持つ円筒形の推進薬と、ディスクとして成形されている複数のペレットとを含んでいてもよい。ここで、各ディスクの厚さは、実質的にディスクの直径より小さい。推進薬の表面に瞬時に点火されたと想定すると、推進薬の燃焼時間は、おおよそ（Ｄc,max−Ｄc0）／（２Ｒbc）である。ここで、Ｄc,maxは、推進薬の外径である。推進剤ペレットに瞬時に点火されたと想定すると、推進剤ペレットの燃焼時間は、おおよそｄp／２Ｒbpである。ここで、ｄpは、ディスク状の推進剤ペレットに対する厚さである。（点火する時間を無視しての）推進薬の燃焼時間と推進剤ペレットの燃焼時間は、以下の関係が満たされる場合に、おおよそ同じになるだろう。
【数３】
2011515614.tif 000005
【００４１】
方程式（１）と、方程式（２）と、図２Ｂとを組み合わせると、推進薬により生成される力は、次のように与えられる。
【数４】
2011515614.tif 000006
【００４２】
ここで、Fc＝推進薬により生成される力
Ｒbc＝推進剤の燃焼レート
Ｐpc＝推進剤の密度
Ａc（ｔ）＝時間関数としての推進剤の燃焼表面積である。
【００４３】
方程式（１）と、方程式（２）と、図２Ｄとを組み合わせると、推進剤ペレットにより生成される力は、次のように与えられる。
【数５】
2011515614.tif 000007
【００４４】
ここで、Fp＝推進薬により生成される力
Ｎ＝推進剤ペレットの数
Ｒbpc＝推進剤ペレットの燃焼レート
Ｐpp＝推進剤ペレットの密度
Ａp（ｔ）＝時間関数としての推進剤ペレットの燃焼表面積である。
【００４５】
（４）と（５）とを時間に関して微分すると、ハイブリッド固体燃焼ロケットモータは、以下の関係が満たされる場合に中立型の燃焼を有する。
【数６】
2011515614.tif 000008
【００４６】
図５は、推進薬５２０と複数の推進剤ペレット５２５とを組み合わせて、高い推力の初期期間を提供し、その後に持続的でより低い推力の期間が続く、例示的なロケットモータを示している。一般的に「デュアル燃焼」モータと呼ばれるこのタイプのロケットモータは、その後に持続する巡航スピードにまでミサイルを急加速させるのに有用である。図５では、推進剤ペレット５２５がより短い時間期間の間に燃焼することを意味するように、図３で示している推進剤ペレットより小さいものとして、推進剤ペレット５２５を示している。しかしながら、以前に述べたように、燃焼時間は、推進剤ペレット５２５の形状と燃焼レートとの双方により決定されるだろう。デュアル燃焼ハイブリッド固体燃料ロケットモータ中の推進剤ペレットは、中立型燃焼のハイブリッド固体燃料ロケットモータ中の推進剤ペレットより、小さくても、大きくても、または、同じサイズであってもよい。
【００４７】
図６は、仮定のデュアル燃焼ハイブリッド固体燃料ロケットモータにより生成される推力を時間の関数としてプロットするグラフ６００を示している。実線６７１は、中立型燃焼を提供するように適合されている、推進薬により生成される推力のプロットである。推進薬は、図７Ａで示しているように、星形状の中央せん孔を有していてもよく、または、図７Ｂで示しているように、フィノシル（ｆｉｎｏｃｙｌ）のせん孔を有していてもよい。
【００４８】
図６に戻ると、推進薬は、時間ｔ１により完全に点火され、さらに後の時間ｔ３まで一定の推力を提供するように想定されている。実線６７１は、理想化された推進薬に対する仮定の結果を表している。推進薬の燃焼レートにおける局所的な些細な変動と終端効果とにより、実際のロケットモータにより生成される推力を理想から外れさせるかもしれない。
【００４９】
破線６７２は、複数の推進剤ペレットにより生成される推力のプロットである。推進剤ペレットの表面は、時間ｔ１において完全に点火されると想定する。その後、時間ｔ２において推進剤ペレットが使い果たされるまで、推進剤ペレットは高い推力を提供する。時間ｔ１から時間ｔ２までの推進剤ペレットの燃焼時間は、実質的に、時間ｔ１から時間ｔ３までの推進薬の燃焼時間より短いかもしれない。
【００５０】
一点鎖線６７３は、仮定のハイブリッド固体燃焼ロケットモータにより生成される総推力のプロットである。仮定のハイブリッド固体燃焼ロケットモータは、ｔ１からｔ２までの初期期間からの高い推力を提供し、その後の時間ｔ２から時間ｔ３まで持続的でより低い推力が続く。
【００５１】
図８Ａと図８Ｂとは、２つの付加的な例示的ハイブリッド固体燃料ロケットモータを示している。それぞれのロケットモータ８００Ａ、Ｂは、推進薬８２０Ａ、Ｂと、複数の推進剤ペレット８２５Ａ、Ｂとを含んでいてもよい。適切に形成されているペレット保持器８３５Ａ、Ｂにより、それぞれの複数の推進剤ペレット８２５Ａ、Ｂをそれぞれのロケットモータ内に保持することができる。図３と、図５と、図８Ａと、図８Ｂとのロケットモータは例であり、他の多くのコンフィギュレーションでは、推進薬と推進剤ペレットは、ハイブリッド固体燃料ロケットモータ内で一体化されていてもよいことを理解すべきである。
【００５２】
〔おわりに〕
この説明全体を通して示した実施形態と例は、開示またはクレームされている装置と手順とにおける限定というよりむしろ、見本として考えられるべきである。ここで提示した例の多くは、方法動作またはシステムエレメントの特定の組み合わせを含んでいるが、これらの動作とこれらのエレメントとを他の方法で組み合わせて、同じ目的を達成することができることを理解すべきである。フローチャートに関して、ステップの追加や減少が行われてもよく、示したようなステップを組み合わせ、または、さらに改良して、ここで記述した方法を達成してもよい。１つの実施形態のみに関連して述べた、動作と、エレメントと、特徴は、他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図していない。
【００５３】
特許請求の範囲に列挙しているミーンズプラスファンクションの限定に対して、列挙している機能を実施するためにここで開示している手段に限定することを意図しておらず、列挙している機能を実施するために、現在知られている、または、後に開発される、いかなる手段も範囲に含めることを意図している。
【００５４】
ここで使用するような、「複数の」は、２つ以上を意味している。
【００５５】
ここで使用するような、１「組」のアイテムは、そのようなアイテムのうちの１つ以上を含んでいてもよい。
【００５６】
書面の説明または特許請求の範囲のいずれでも、ここで使用するような、用語「備える」、「含む」、「伝える」、「有する」、「包含する」、「含める」、および、これらに類するものはオープン型である、すなわち、含んでいるが限定されないことを意味していると理解すべきである。移行フレーズ「から成る」と「基本的に、から成る」だけが、それぞれ、特許請求の範囲に関してクローズド型またはセミクローズド型の移行フレーズである。
【００５７】
請求項のエレメントを修飾するために、特許請求の範囲において、例えば、「第１の」、「第２の」、「第３の」等の順序を示す用語を使用することは、別の請求項エレメントに対する１つの請求項エレメントの何らかの優先順位、先行、または、順序を、あるいは、方法の動作が実施される時間的な順序を、それらの用語自体により暗示しているものではなく、ある名前を有する１つの請求項エレメントを、（順序を示す用語の使用のためのものであるが）同じ名前を有する別のエレメントから識別することで、請求項エレメントを識別するためのラベルとして、それらの用語を単に使用しているものである。
【００５８】
ここで使用するような、「および／または」は、列挙したアイテムは代替的なものであるが、代替的なものも、列挙されたアイテムの任意の組み合わせを含むことを意味している。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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