(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットモーター（１００）であって、
内側が絶縁処理されている、ドーム状端部を有する円筒のケース（１０１）であって、前端部（１０２）及び後端部（１０３）において中央に配置される孔を有する前記ケースと、
前記ケース（１０１）内に充填される固体推進薬グレイン（１０４）と、
を含み、
前記固体推進薬グレイン（１０４）は、
該ロケットモーター（１００）の軸（１０１ａ）に沿って前端部（１０２）から後端部（１０３）まで延びる軸方向貫通孔（１０５）と、
前記軸方向貫通孔（１０５）の周りで円形パターンになっている複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）と、
を含み、
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）は、前傾した前縁部（１０７）及び後縁部（１１２）を伴って径方向外側に延びる、ロケットモーター。
【請求項２】
前記固体推進薬グレイン（１０４）は、前記ロケットモーター（１００）の前記後端部（１０３）において、カウンターボア（１０９）を更に含む、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項３】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）は、その前縁部（１０７ｅ）が、完全に（１０７ｅ、１０７ｉ）、部分的に（１０７ｆ、１０７ｇ）及び正接するように（１０７ｈ）のうちの少なくとも１つの形で前記前進する方向のモーター軸（１０１ａ）と鋭角をなして構成される、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項４】
前記軸方向貫通孔（１０５）の周りに配置される前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ、１０６ｉ）は、径方向深さ寸法が一様ではない、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項５】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）は、前記フィン（１０６ｅ）の先端部に外接する最大仮想円の直径が、ケース（１０１）の前記後端部側の孔（１０３）の直径よりも大きく、かつ前記ケース（１０１）の内径よりも小さいように、前記軸方向貫通孔（１０５）の周りに配置される、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項６】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）は、前記前縁部（１０７）が前進する方向のモーター軸（１０１ａ）となす鋭角の角度寸法（１０８ｂ）が、前記後縁部（１１２）が前記前進する方向のモーター軸（１０１ａ）となす角度寸法（１１５）よりも大きいように配置される、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項７】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）は、該縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）の先端弦（１１１）から根元にかけて厚さを増大させて構成される、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項８】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）の最大サイズは、前記フィン（１０６ｅ）の径方向側部に内接する最大円の直径が、前記ケース（１０１）のカウンターボア（１０９）及び前記後端部側の孔（１０３）の直径よりも小さいようになっている、請求項１に記載のロケットモーター。
【請求項９】
前記複数の縦方向フィン状キャビティ（１０６ｅ）の前記前傾した前縁部（１０７）は、前記前進する方向のモーター軸（１０１ａ）と１つ以上の鋭角の角度寸法をなすように構成される、請求項１に記載の推進薬グレイン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、主に、固体ロケットモーターに関し、より詳細には、固体ロケットモーターにおいて用いられる推進薬グレイン形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体ロケットモーターのますます厳しくなる性能要求に応えるために、新たな推進薬グレイン形状が考案されている。多くの要素が、高性能の固体ロケットモーターの構築に寄与する。幾何学的要素のうちの２つは、高い「推進薬の体積充填密度（ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ  ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｄｅｎｓｉｔｙ）」、及び異なるミッション特有の推力プロファイルをもたらすための「グレイン後退パターン（ｇｒａｉｎ  ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ  ｐａｔｔｅｒｎ）」を調整する柔軟性である。従来、グレインの設計者は、様々な要求に応じるために、程度の差はあれ相対的な利点を有する多様なグレイン形状、すなわち、例を少数挙げると、星型、フィノシル型（ｆｉｎｏｃｙｌ）及びコノシル型（ｃｏｎｏｃｙｌ）を用いてきた。それらの中でも、フィノシル型は、高い充填密度及び推力調整の柔軟性をもたらす汎用性の高いグレイン形状である。フィノシル型グレイン形状は、輪状に対称な縦方向フィン状キャビティによって囲まれる軸方向キャビティによって構成される。フィノシル型グレインは、フィンのサイズ、形状、位置及び数を変更することにより、多様な推力プロファイルを得るように構成することができる。
【０００３】
図１ａ及び図１ｂは、従来技術におけるような、従来の浅溝フィノシル型グレイン（ｓｈａｌｌｏｗ  ｆｉｎｏｃｙｌ  ｇｒａｉｎ）を備える一体型固体ロケットモーターの背面図及び縦断面図をそれぞれ示している。フィン先端部を取り囲む最大仮想円が、最大のロケットモーター孔よりも小さい場合、これは、浅溝フィノシル型グレインと呼ばれる。ロケットモーター１００は、前方端部（あるいは、前端部と呼ぶ）及び後方端部（あるいは、後端部と呼ぶ）のそれぞれにおいて孔１０２及び１０３を有する、内側が絶縁処理されているモーターケース１０１を備える。通常、前端部側の孔は、後端部側の孔よりも小さい。典型的なロケットモーターにおいて、点火器（図示せず）が前端部側の孔１０２を閉じ、ノズル（図示せず）が後端部側の孔１０３を閉じる。ロケットモーター１００は、軸方向キャビティ１０５と、後傾した（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｓｗｅｐｔ）前縁部１０７ａを含む複数の浅溝フィン１０６ａとを有する推進薬グレイン１０４を更に備える。前縁部１０７ａが、前進する方向のモーター軸（ｆｏｒｗａｒｄ  ｍｏｔｏｒ  ａｘｉｓ）１０１ａと鈍角（ｏｂｔｕｓｅ  ａｎｇｌｅ）１０８ａをなす場合、フィンは、後傾型と呼ばれる。推進薬グレイン１０４は、ロケットモーター１００の埋没ノズル（ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  ｎｏｚｚｌｅ）（図示せず）を受容するために、後端部においてカウンターボア（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｂｏｒｅ）１０９を更に有する。
【０００４】
図２は、従来技術におけるような、従来の深溝フィノシル型グレイン（ｄｅｅｐ  ｆｉｎｏｃｙｌ  ｇｒａｉｎ）を備えるロケットモーターの縦断面図を示している。フィン先端部に外接する最大仮想円が、最大のロケットモーター孔１０２よりも大きいので、これは、深溝フィノシル型グレインと呼ばれる。この深溝フィン１０６ｂは、ここでも同様に、後傾型である。
【０００５】
図３及び図４は、また別の従来の深溝フィノシル型グレインを備えるロケットモーターの縦断面図を示している。どちらの場合も、フィン１０６ｃ及び１０６ｄのそれぞれ前縁部１０７ｃ及び１０７ｄは、後傾しており、これは、従来のフィノシル型グレインの特徴である。
【０００６】
以下、従来のフィノシル型グレインに関する従来発明のうちの複数を示す。
【０００７】
特許文献１（Ａｎｄｒｅｗ）に開示されているフィノシル型グレインは、大型の一体型ブースターに用いられる形状を記載している。後端部に配置されるフィンは、一様ではない（ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ）が、その前縁部は、あらゆる従来のフィノシル型グレインと同様に後傾している。
【０００８】
特許文献２（Ａｎｄｒｅｗ）に開示されている別のフィノシル型グレインは、モーターの後端部において深溝フィン状キャビティを有する、小型の一体型グレイン形状を示している。ここでも、フィンの前縁部は、後傾している。
【０００９】
特許文献３（Ｙｏｕｎｋｉｎ）に開示されているまた別のフィノシル型グレインは、調節された推力プロファイルを得るための多ピースグレイン形状に関する。例示の図は、後傾したフィン前縁部を有する典型的なフィノシル型グレインを示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国防衛特許第０００００１０８２号
【特許文献２】米国特許第４，９３６，０９２号
【特許文献３】米国特許第４，１４８，１８７号
【発明の概要】
【００１１】
本開示は、固体ロケットモーターに関する。このロケットモーターは、内側が絶縁処理されている、ドーム状端部を有する円筒のケースであって、前端部及び後端部において中央に配置される孔を有する円筒のケースを備える。このロケットモーターは、ケース内に充填される固体推進薬グレインを更に備える。グレインは、ロケットモーターの軸に沿って前端部から後端部まで延びる軸方向貫通孔を有する。グレインは、ロケットモーターの後端部において、上記軸方向貫通孔の周りで円形アレイにして形成される複数の縦方向フィン状キャビティを更に有する。複数の縦方向中空フィン状キャビティのそれぞれは、前傾した前縁部及び後縁部を伴って径方向外側に延びる。
【００１２】
上述の概要は、単に例示であり、いかなる限定も意図していない。上述の例示的な態様、実施形態及び特徴に加えて、図面及び以下の詳細な説明を参照すれば、更なる態様、実施形態及び特徴が明らかとなるであろう。
【００１３】
本開示の特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明及び添付の特許請求の範囲からより完全に明らかとなるであろう。これらの図面は、本開示に係る複数の実施形態のみを示していることを理解することにより、これらの図面は、したがって、本開示の範囲を限定するものとみなされない。本開示は、添付の図面を用いて、更なる専門性及び詳細（ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ  ａｎｄ  ｄｅｔａｉｌ）が記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１ａ】従来技術に係る従来の浅溝フィノシル型グレインを備える従来の一体型ロケットモーターの背面図である。
【図１ｂ】従来技術に係る従来の浅溝フィノシル型グレインを備える従来の一体型ロケットモーターの縦断面図（Ａ−Ａ断面）である。
【図２】従来技術に係る従来の深溝フィノシル型グレイン形状を有するロケットモーターの縦断面図である。
【図３】従来技術に係る従来の深溝フィノシル型グレイン形状を有するロケットモーターの縦断面図である。
【図４】従来技術に係る従来の深溝フィノシル型グレイン形状を有するロケットモーターの縦断面図である。
【図５ａ】本開示の一実施形態に係る例示的な固体ロケットモーター推進薬グレイン形状の縦断面図である。
【図５ｂ】本開示の一実施形態に係る例示的な固体ロケットモーター推進薬グレイン形状の横断面図（Ｂ−Ｂ断面）である。
【図６】本開示の実施形態に係る幾何形状の前傾フィンを有する推進薬グレインの例示的な実施形態の縦断面図である。
【図７】本開示の実施形態に係る幾何形状の前傾フィンを有する推進薬グレインの例示的な実施形態の縦断面図である。
【図８】本開示の実施形態に係る幾何形状の前傾フィンを有する推進薬グレインの例示的な実施形態の縦断面図である。
【図９】本開示の一実施形態に係る一様でない前傾フィン状キャビティの縦断面図である。
【図１０】本開示の一実施形態に係る一様でない前傾フィン状キャビティの横断面図（Ｃ−Ｃ断面）である。
【図１１】本開示の実施形態に係るグレイン形状によって達成される、例示的なロケットモーターチャンバー圧力対時間のグラフ図である。
【図１２】本開示の実施形態に係るグレイン形状によって達成される、例示的なロケットモーターチャンバー圧力対時間のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図は、単に例示の目的で、本開示の実施形態を示すものである。当業者であれば、以下の説明から、本明細書に記載される本開示の原理から逸脱することなく、本明細書に示す構造及び方法の代替的な実施形態を用いることができることを容易に認識するであろう。
【００１６】
本発明は、様々な変更及び代替形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態を、例として図面に示し、以下で詳細に記載する。しかしながら、本発明を開示される特定の形態に限定することは意図しておらず、反対に、本発明は、本発明の範囲内にある全ての変更形態、均等物及び代替物を包含することが理解されるべきである。
【００１７】
「含む、有する、備える（“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”，  ”ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」という用語又はそのあらゆる他の変化形は、構成要素又はステップのリストを含む構成、装置又は方法が、これらの構成要素又はステップのみを含むのではなく、明確にリストされていない又はそのような構成若しくは装置若しくは方法に固有でない他の構成要素又はステップを含むことができるように、排他的でない包括を包含するように意図されている。換言すれば、「を含む、を有する、を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ．．．ａ）」に係るシステム又は装置の１つ以上の要素は、より多くの制限を受けることなく、システム又は装置における他の要素又は追加の要素の存在を排除しない。
【００１８】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明において、本明細書の一部をなす添付の図面が参照される。添付の図面には、本発明を実施することができる特定の実施形態が例示として示されている。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするよう十分詳細に記載されているが、他の実施形態を用いることができること、また、本発明の範囲から逸脱することなく改変を行うことができることが理解される。したがって、以下の説明は、限定としてみなされるべきではない。本明細書に包括的に記載されるとともに図面に示されている本開示の態様は、多種多様な異なる構成にして配置、置換、組合せ及び設計することができ、これらの全ては、明確に企図されており、本開示の一部をなすことが容易に理解される。
【００１９】
本開示は、ロケットモーターにおける推進薬グレイン形状に関する。１つの実施形態において、ケースボンディングされる（ｃａｓｅ−ｂｏｎｄｅｄ）同軸一体型の固体ロケット推進薬グレインは、軸方向の円錐キャビティ及び／又は円筒キャビティの周りで円形パターンになっている、複数の前傾した深溝の縦方向フィン状キャビティを有する。これにより、推進プロファイル調整のかなりの柔軟性及び高い体積充填密度がもたらされる。
【００２０】
図５ａ及び図５ｂは、本開示の１つの実施形態に係る推進薬グレイン形状で充填されている、例示的な固体推進薬ロケットモーターの縦断面図及び横断面図（Ｂ−Ｂ断面）を示している。
【００２１】
図５ａに示すように、固体推進薬ロケットモーター（以下、「ロケットモーター」）１００は、ロケットモーター１００のケース１０１にボンディングされているグレイン形状１０４を備える一体型ロケットモーターとすることができる。
【００２２】
１つの実施形態において、ロケットモーター１００は、前端部側の孔１０２及び後端部側の孔１０３を有する中空のケース１０１を備える。１つの例として、前端部側の孔１０２は、後端部側の孔１０３よりも小さいものとすることができる。ケース１０１は、凸形のドーム状端部を有し、好適な絶縁材料によって内側が絶縁処理されている円筒構造物とすることができる。推進薬グレイン１０４は、ケース１０１の内部に注入して、最終形状に硬化させるか又は最終形状に機械加工することができる。ロケットモーター１００は、前端部側の孔１０２における点火器（図示せず）と、後端部側の孔１０３におけるノズル（図示せず）とを更に備える。
【００２３】
１つの実施形態において、推進薬グレイン１０４は、ロケットモーター１００の前端部側の孔１０２から後端部側の孔１０３まで延びる、縦方向軸１０１ａに沿った円筒キャビティ、すなわち軸方向貫通孔１０５を有する。別の実施形態において、推進薬グレインは、後端部側の孔に向かって開口する、軸方向非貫通キャビティを有する。中央キャビティ、すなわち軸方向非貫通キャビティの形状は、円錐形状、円筒形状、又は円錐形状と円筒形状との組合せのうちの少なくとも１つとすることができる。推進薬グレイン１０４は、複数の縦方向中空フィン状キャビティ（以下、「フィン」）１０６ｅを更に有する。フィン１０６ｅは、縦方向軸１０１ａの周りで円形パターンになっており、後端部側の孔１０３の近くに配置される。推進薬グレイン１０４は、ロケットモーター１００の埋没ノズル（図示せず）を受容するために、後端部側の孔１０３の近くにカウンターボア１０９を更に有する。
【００２４】
図５ａに示すように、フィン１０６ｅは、前傾した前縁部１０７ｅと、面取り小径部１１０と、フィン先端弦（ｆｉｎ  ｔｉｐ−ｃｈｏｒｄ）１１１と、前傾した後縁部１１２と、面取り大径部１１３と、フィン根元弦（ｆｉｎ  ｒｏｏｔ−ｃｈｏｒｄ）１１４とによって形成される。
【００２５】
１つの実施形態において、フィン１０６は、その前縁部（１０７）が、完全に（１０７ｅ、１０７ｉ）、部分的に（１０７ｆ、１０７ｇ）及び正接するように（１０７ｈ）のうちの少なくとも１つの形で、前進する方向のモーター軸１０１ａと鋭角（ａｃｕｔｅ  ａｎｇｌｅ）をなして構成される。フィン１０６ｅは、前縁部１０７ｅが前進する方向のモーター軸１０１ａとなす鋭角の角度寸法１０８ｂが、後縁部１１２が前進する方向のモーター軸１０１ａとなす角度寸法１１５よりも大きいように構成される。前縁部１０７ｅ及び後縁部１１２がそれぞれ前進する方向のモーター軸１０１ａとなす角度寸法１０８ｂ、１１５は、鋭角であり（９０度よりも小さい）、したがって、フィンの前縁部及び後縁部は、前傾型と呼ばれる。
【００２６】
フィン１０６ｅは、先端から根元にかけて厚さを増大させて構成され、フィン１０６ｅの最大サイズは、カウンターボア１０９及び後端部側の孔１０３の直径に相関する。１つの実施形態において、フィン１０６ｅの最大サイズは、フィン１０６ｅの径方向側部に内接する最大円の直径が、モーターケース１０１のカウンターボア１０９及び後端部側の孔１０３の直径よりも小さいように決定される。他の実施形態において、複数のフィン１０６ｅの前傾した前縁部１０７ｅは、前進する方向のモーター軸１０１ａと１つ以上の鋭角の角度寸法をなすように構成される。先端弦１１１は、その近辺のケース絶縁体に平行に延びるように構成される。
【００２７】
図５ｂは、中央キャビティ１０５の周りでの推進薬グレイン１０４のフィン１０６ｅの分布を示している。フィン１０６ｅの径方向深さの範囲が、図５ｂに示されている。フィン１０６ｅは、円形先端部を有して構成されている。さらに、フィン１０６ｅは、フィン１０６ｅの先端部に外接する最大仮想円の直径が、モーターケース１０１の後端部側の孔１０３の直径よりも大きく、かつモーターケース１０１の内径よりも小さいように、軸方向貫通孔１０５の周りに配置される。
【００２８】
図６は、フィン１０６ｆの前傾した前縁部１０７ｆが、モーター軸１０１ａに少なくとも部分的に垂直である、フィンの幾何形状の例示的な実施形態を示している。
【００２９】
図７に示すように、別の実施形態において、前傾した前縁部１０７ｇの内方部分は、後傾している。
【００３０】
また、図８に示すように、また別の実施形態において、前縁部１０７ｈは、前進する方向のモーター軸と鋭角１０８ｂをなしてフィン１０６ｈの始点において正接する円弧の一部である。
【００３１】
１つの実施形態において、前傾した前縁部１０７ｅは、モーター軸１０１ａと１つ以上の角度寸法をなすように構成され、シングルデルタフィン、ダブルデルタフィン又はトリプルデルタフィンを含む。
【００３２】
図９及び図１０は、円形パターンになっているフィンの寸法が一様ではない、また別の実施形態の縦断面図及び横断面図を示している。１つ置きの前傾フィンは、一様である。フィン１０６ｅ及び１０６ｉは、他の寸法の中でも、その径方向深さが異なる。
【００３３】
図１１及び図１２は、本発明の異なる実施形態で生じ得る、多くのロケットモーターチャンバー圧力プロファイルのうちの２つを示している。図１１は、「漸増（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ）−ニュートラル」型の「チャンバー圧力対時間」のプロットを示している。ここでは、初期のより低い圧力が、厚い推進薬グレインへのより小さい負荷を確実にする。図１２には、「Ｍ字型」のチャンバー圧力対時間のプロットが示されている。圧力レベルの一時的な低下（ｄｉｐ）は、打上げ機の場合、通常、大気によって生じる最大負荷と同時に生じるものである。
【００３４】
本発明の利点
１つの実施形態において、本開示は、軸方向キャビティの周りで円形パターンになっている、前傾した前縁部を含む複数の深溝の縦方向フィン状キャビティを有する推進薬グレイン形状に関する。このグレイン形状は、異なる性能要求に応えるための、燃焼表面積後退プロファイルの調整の柔軟性をもたらす。
【００３５】
さらに、フィノシル型グレイン形状であることにより、小型ロケットモーターを実施可能にするような高い推進薬の体積充填密度が可能になる。
【００３６】
上述の詳細な説明は、本発明の多数の可能な実施態様のうちの少数のみを記載している。本明細書において、本発明の特定の特徴にかなりの重点を置いているが、様々な変更を行うことができること、また、本発明の原理から逸脱することなく、上記の好ましい実施形態に多くの改変を行うことができることが理解される。本発明又は上記の好ましい実施形態の性質のこれらの変更又は他の変更は、本明細書における開示から当業者には明らかであろう。したがって、上述の説明事項は、限定ではなく、単に本発明の例示として解釈されることが明確に理解される。
【符号の説明】
【００３７】
１００  ロケットモーター、
１０１  モーターケース、
１０１ａ  モーター軸、
１０２  前端部側の孔、
１０３  後端部側の孔、
１０４  固体推進薬グレイン、
１０５  軸方向貫通孔、
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、１０６ｆ、１０６ｇ、１０６ｈ、１０６ｉ  フィン、
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅ、１０７ｆ、１０７ｇ、１０７ｈ、１０７ｉ  前縁部、
１０８ａ  前縁部と前進する方向のモーター軸との間の角度寸法、
１０９  推進薬グレインのカウンターボア、
１１０  フィンの面取り小径部、
１１１  フィンの先端弦、
１１２  フィンの後縁部、
１１３  フィンの面取り大径部、
１１４  フィンの根元弦、
１０８ｂ  フィン前縁部と前進する方向のモーター軸との間の角度寸法、
１１５  フィン後縁部と前進する方向のモーター軸との間の角度寸法
【図１ａ】
0006513227.tif 000002
【図１ｂ】
0006513227.tif 000003
【図２】
0006513227.tif 000004
【図３】
0006513227.tif 000005
【図４】
0006513227.tif 000006
【図５ａ】
0006513227.tif 000007
【図５ｂ】
0006513227.tif 000008
【図６】
0006513227.tif 000009
【図７】
0006513227.tif 000010
【図８】
0006513227.tif 000011
【図９】
0006513227.tif 000012
【図１０】
0006513227.tif 000013
【図１１】
0006513227.tif 000014
【図１２】
0006513227.tif 000015