(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータケースに連結され、気密性と可撓性を有するフレキシブルジョイントと、
前記フレキシブルジョイントに取り付けられた金属ホルダと、
前記金属ホルダの燃焼ガス側に取り付けられ、燃焼ガスからの伝熱を遮断する断熱材と、を備え、
前記金属ホルダは、その内部に設けられた断熱空間と、該断熱空間と前記モータケースの外側とを連通する連通口と、を有し、
前記断熱空間は、前記フレキシブルジョイントに対向する位置に設けられた外側断熱空間と、
前記燃焼ガスが流れるスロートと前記外側断熱空間との間に設けられた内側断熱空間と、を有する、ロケットモータの可動ノズル。
【請求項２】
モータケースに連結され、気密性と可撓性を有するフレキシブルジョイントと、
前記フレキシブルジョイントに取り付けられた金属ホルダと、
前記金属ホルダの燃焼ガス側に取り付けられ、燃焼ガスからの伝熱を遮断する断熱材と、を備え、
前記金属ホルダは、その内部に設けられた断熱空間と、該断熱空間と前記モータケースの外側とを連通する連通口と、を有し、
前記断熱空間は、前記金属ホルダの中心軸を中心とし、周方向に延び、隔壁で分割された複数の円弧状空間である、ロケットモータの可動ノズル。
【請求項３】
前記断熱空間は、その内部に補強用の支柱又は薄壁を有する、請求項１又は２に記載のロケットモータの可動ノズル。
【請求項４】
前記金属ホルダは、互いに溶着して結合された金属粉末からなる、請求項１又は２に記載のロケットモータの可動ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケットモータの可動ノズルとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロケットモータ（特に固体ロケットモータ）や宇宙機のスラスタにおいて、噴流ガスの方向を偏向させるため、可動ノズルが用いられる。また、可動ノズルをモータ等に結合する構造として、「フレキシブルジョイント」が知られている。
【０００３】
フレキシブルジョイントは、例えば積層ゴムからなり、可動ノズルが回転中心（ピボットポイント）を中心に揺動する際に、ジョイントホルダとノズルを連結したまま、可動ノズルの動きに追従するようになっている。
【０００４】
かかるロケットモータの可動ノズルは、例えば、特許文献１，２及び非特許文献１，２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７５８８１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６４０４６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＮＡＳＡ−ＳＰ−８１１４、「ＳＯＬＩＤ  ＲＯＣＫＥＴ  ＴＨＲＵＳＴ  ＶＥＣＴＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬ」
【非特許文献２】ＮＡＳＡ−ＳＰ−８１１５、「ＳＯＬＩＤ  ＲＯＣＫＥＴ  ＭＯＴＯＲ  ＮＯＺＺＬＥＳ」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フレキシブルジョイントは、例えば積層ゴムからなり、耐熱温度が低く（例えば１５０〜２００℃）、耐熱温度を超えると機能を失う可能性がある。
そのため従来の可動ノズルは、高温（例えば１０００〜３０００℃）の燃焼ガスからの伝熱を遮断してフレキシブルジョイントを保護するため、フレキシブルジョイントの内側（燃焼ガス側）に、断熱材を設けている。断熱材は、インシュレーション又はアブレータと呼ばれる。
【０００８】
しかし、ロケットモータ内の推進薬の着火、及び燃焼ガスの噴射を２回以上実施するマルチパルスモータの場合、先行する着火と噴射により断熱材は高温に加熱される。そのため、推進薬の燃焼を中止しても、断熱材に蓄熱された熱が、断熱材に接触している金属ホルダを介してフレキシブルジョイントに伝熱され、フレキシブルジョイントの温度が耐熱温度を超え機能を喪失するおそれがあった。
【０００９】
また、かかる問題を解決するために、断熱材を厚肉化すると、断熱材に蓄熱される熱量が増加するため、フレキシブルジョイントの機能喪失が助長されると共に、可動ノズルの小型化、軽量化の阻害要因となる。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、燃焼ガス又は高温に加熱された断熱材から、フレキシブルジョイントへの伝熱を遮断又は大幅に低減し、フレキシブルジョイントを長時間、低温に維持することができるロケットモータの可動ノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、モータケースに連結され、気密性と可撓性を有するフレキシブルジョイントと、
前記フレキシブルジョイントに取り付けられた金属ホルダと、
前記金属ホルダの燃焼ガス側に取り付けられ、燃焼ガスからの伝熱を遮断する断熱材と、を備え、
前記金属ホルダは、その内部に設けられた断熱空間と、該断熱空間と前記モータケースの外側とを連通する連通口と、を有し、
前記断熱空間は、前記フレキシブルジョイントに対向する位置に設けられた外側断熱空間と、
前記燃焼ガスが流れるスロートと前記外側断熱空間との間に設けられた内側断熱空間と、を有する、ロケットモータの可動ノズルが提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、モータケースに連結され、気密性と可撓性を有するフレキシブルジョイントと、
前記フレキシブルジョイントに取り付けられた金属ホルダと、
前記金属ホルダの燃焼ガス側に取り付けられ、燃焼ガスからの伝熱を遮断する断熱材と、を備え、
前記金属ホルダは、その内部に設けられた断熱空間と、該断熱空間と前記モータケースの外側とを連通する連通口と、を有し、
前記断熱空間は、前記金属ホルダの中心軸を中心とし、周方向に延び、隔壁で分割された複数の円弧状空間である、ロケットモータの可動ノズルが提供される。
【００１４】
前記断熱空間は、その内部に補強用の支柱又は薄壁を有する。
【００１５】
前記金属ホルダは、互いに溶着して結合された金属粉末からなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の構成により、断熱空間の存在によりフレキシブルジョイントへの伝熱が遮断（低減）できる。
また、金属ホルダが断熱空間とモータケースの外側とを連通する連通口を有するので、高空において、断熱空間が実質的に真空となる。従って断熱空間が実質的に真空となり真空断熱が期待できる高空で使用する場合は、さらに高い断熱性能が得られる。
従って、本発明の構成により、燃焼ガス又は高温に加熱された断熱材からの伝熱を遮断又は大幅に低減し、フレキシブルジョイントを長時間、低温に維持することができる。
【００２０】
また、３次元プリンタを用いて、金属粉末から金属ホルダを製造することにより、熱の流れに応じて効果的に断熱空間を配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による可動ノズルを備えたロケットモータの部分断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図２のＡ−Ａ矢視図であり、金属ホルダのみを示している。
【図５】本発明による可動ノズルの製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明による可動ノズル１０を備えたロケットモータの部分断面図である。この図は、固体ロケットモータ１の可動ノズル周辺を示している。
なお、ロケットモータは、固体ロケットモータ１に限定されず、その他のロケットモータ、又は宇宙機のスラスタであってもよい。
【００２４】
図１において、２はピボットポイントである。モータケース３の尾部３ａと可動ノズル１０との間にはリニアアクチュエータ４が取り付けられている。この構成により、リニアアクチュエータ４を伸縮動作させて、ピボットポイント２を中心に可動ノズル１０を首振り動作させ、燃焼ガスＧの噴射方向を制御するようになっている。
また、尾部３ａと可動ノズル１０との間にノズル偏向角検出用のリファレンスロッド５が取り付けられている。
【００２５】
図２は、図１の部分拡大図である。
この図において、本発明の可動ノズル１０は、フレキシブルジョイント１２、金属ホルダ１４、及び断熱材１６を備える。
【００２６】
フレキシブルジョイント１２は、例えば金属や繊維強化複合材料（以下、ＦＲＰ）からなる硬質隔壁と、可撓性のあるゴム板との積層体であり、気密性と可撓性を有している。
フレキシブルジョイント１２は、モータケース３の尾部３ａ（図１参照）に連結部材１３を介して連結されている。
【００２７】
金属ホルダ１４は、フレキシブルジョイント１２の前面（この図で左方）に取り付けられている。金属ホルダ１４は、可動ノズル１０の軸線を中心とする筒型部材である。
金属ホルダ１４は、この例では複数の部材を互いに連結して構成されている。なお、本発明はこの構成に限定されず、金属ホルダ１４を一体に成形してもよい。
【００２８】
断熱材１６は、金属ホルダ１４の燃焼ガス側に取り付けられ、燃焼ガスＧからの伝熱を遮断する。燃焼ガス側とは、この例では、燃焼ガスＧが通るスロート側と、金属ホルダ１４の前面側（この図で左方）であり、金属ホルダ１４に燃焼ガスＧが直接接触しないように隙間なく取り付けられている。
断熱材１６は、例えばシリカとフェノール樹脂の混合体であり、断熱部材（インシュレーション）又は耐摩耗部材（アブレータ）として機能する。断熱材１６の厚さは、推進薬が燃焼する短時間（例えば１０秒間から２００秒間）の間に、フレキシブルジョイント１２が耐熱温度（例えば１５０℃）を超えないように設定されている。
【００２９】
図２において、１８は、例えばシリコンゴム又はＦＲＰからなる保護ブーツである。保護ブーツ１８は、可撓性を有し、可動ノズル１０の揺動に追従し、フレキシブルジョイント１２を燃焼ガスＧの熱から保護（熱保護）する機能を有する。
【００３０】
上述した可動ノズル１０の構成により、リニアアクチュエータ４の伸縮動作により、ピボットポイント２を中心に、可動ノズル１０を首振り動作させることができる。
【００３１】
図３は、図２の部分拡大図である。
この図において、金属ホルダ１４は、その内部に設けられた断熱空間２０と、断熱空間２０とモータケース３の外側（外気）とを連通する連通口２２とを有する。
【００３２】
この例において、断熱空間２０は、外側断熱空間２０ａと内側断熱空間２０ｂを有する。
外側断熱空間２０ａは、この例では中空の切頭円錐形であり、フレキシブルジョイント１２に対向する位置に設けられている。外側断熱空間２０ａは、フレキシブルジョイント１２の前方（図で左端）からの伝熱ａ（破線の矢印で示す）を遮断する機能を有する。
また、内側断熱空間２０ｂは、この例ではリング状であり、燃焼ガスＧが流れるスロート６と外側断熱空間２０ａとの間に設けられている。内側断熱空間２０ｂは、スロート６を流れる燃焼ガスＧからその外側のフレキシブルジョイント１２への伝熱ｂ（破線の矢印で示す）を遮断する機能を有する。
【００３３】
上述した断熱空間２０（外側断熱空間２０ａと内側断熱空間２０ｂ）の存在によりフレキシブルジョイント１２への伝熱が遮断（低減）できる。
また、連通口２２は、各断熱空間２０にそれぞれ設けられ、断熱空間２０とモータケース３の外側とを連通する。モータケース３の外側は、高空において、実質的に真空であり、断熱空間２０内の気体は連通口２２を通して排気ｃ（図３に破線の矢印で示す）される。従って断熱空間２０が実質的に真空となり真空断熱が期待できる高空で使用する場合は、さらに高い断熱性能が得られる。
【００３４】
図４は、図２のＡ−Ａ矢視図であり、金属ホルダ１４のみを示している。
この図に示すように、断熱空間２０（外側断熱空間２０ａと内側断熱空間２０ｂ）は、可動ノズル１０の中心軸を中心とし、周方向に延び、隔壁２１で分割された複数の円弧状空間２０ｃである。
また、断熱空間２０は、その内部に補強用の支柱２３ａ又は薄壁２３ｂを有することが好ましい。薄壁２３ｂは、例えばハニカム構造であるのがよい。
隔壁２１、支柱２３ａ又は薄壁２３ｂを設けることにより、金属ホルダ１４の強度を維持したまま、断熱空間２０により断熱性能を確保することができる。
【００３５】
図５は、本発明による可動ノズル１０の製造方法の説明図である。
本発明の可動ノズル１０の製造方法では、３次元プリンタを用いて、金属粉末２４から金属ホルダ１４を製造する。金属粉末２４は、例えばチタン系の金属粉末である。
上述した金属ホルダ１４は、互いに溶着して結合された金属粉末２４からなる。
【００３６】
図５に示すように、まず、金属ホルダ１４の中心軸を鉛直に設定して、３次元プリンタを用いて、例えばレーザ光２６により、金属粉末２４から断熱空間２０と連通口２２を有する成形体２５を製造する。
この際、断熱空間２０と連通口２２には、未反応の金属粉末２４が充填された状態となる。
【００３７】
断熱空間２０と連通口２２に充填された未反応の金属粉末２４は、成形体２５の製造後に、連通口２２を通して除去する。
【００３８】
次いで、成形体２５を炉内で熱処理して金属粉末間の隙間を無くして、金属ホルダ１４を製造する。
【００３９】
３次元プリンタで金属ホルダ１４を製造することで、熱の流れに応じて効果的に断熱空間２０を配置することができる。
また、金属ホルダ１４には燃焼ガスＧの圧力やリニアアクチュエータ４の荷重等に対する構造強度が要求されるが、必要に応じて隔壁２１、支柱２３ａ又は薄壁２３ｂを設けることにより、機械加工では困難な形状も実現できる。
【００４０】
上述した本発明の構成により、断熱空間２０（外側断熱空間２０ａと内側断熱空間２０ｂ）の存在によりフレキシブルジョイント１２への伝熱が遮断（低減）できる。
また、金属ホルダ１４が断熱空間２０とモータケース３の外側とを連通する連通口２２を有するので、高空において、断熱空間２０が実質的に真空となる。従って断熱空間２０が実質的に真空となり真空断熱が期待できる高空で使用する場合は、さらに高い断熱性能が得られる。
従って、本発明の構成により、燃焼ガスＧ又は高温に加熱された断熱材１６からの伝熱を遮断又は大幅に低減し、フレキシブルジョイント１２を長時間、低温に維持することができる。
【００４１】
すなわち、本発明の構成により、ノズルの小型化、軽量化や、マルチパルスモータのような長時間のミッションに対して対応可能となる。
【００４２】
なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
ａ  伝熱、ｂ  伝熱、ｃ  排気、Ｇ  燃焼ガス、
１  固体ロケットモータ、２  ピボットポイント、３  モータケース、
３ａ  尾部、４  リニアアクチュエータ、５  リファレンスロッド、
６  スロート、１０  可動ノズル、１２  フレキシブルジョイント、
１３  連結部材、１４  金属ホルダ、１６  断熱材、１８  保護ブーツ、
２０  断熱空間、２０ａ  外側断熱空間、２０ｂ  内側断熱空間、
２０ｃ  円弧状空間、２１  隔壁、２２  連通口、２３ａ  支柱、
２３ｂ  薄壁、２４  金属粉末、２５  成形体、２６  レーザ光
【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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