(57)【要約】本発明により、コンバージェント・ダイバージェント・ノズルを有する推進システムに、該ノズルに対して外部にありかつ該ノズルを取り囲むロータを含むアクチュエータであって、ロータの回転運動をピントルまたはシェルのいずれかの直線運動に変換する連結装置によってピントルまたはノズルシェルのいずれかに連結されたアクチュエータによってノズルスロートに対する位置が制御されるピントルにより、可変推力が提供される。2010523866.tif 000003
2010523866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（a）スロートを含む推進ガス流路を形成するように成形されたシェルと;
（b）前記スロートを通して推進ガスを流すためにピントルの周囲に間隙を画定するように該スロートの内側に位置付けられたピントルと;
（c）前記ピントルまたは前記シェルを移動させることによって前記間隙の幅を変化させるように該ピントルまたは該シェルのいずれかに動作可能なように結合されており、該シェルを取り囲むロータおよび該ロータの回転運動を直線運動に変換するための連結装置を備える、該シェルに対して外部にあるアクチュエータと
を備え、
前記ピントルおよび前記シェルが、該ピントルおよび該シェルの互いに対する位置を変化させることによって前記間隙の幅を変化させるのを可能とする移動可能な取り付け部によって結合されている、ピントル制御推進ノズル。
【請求項２】
アクチュエータがピントルに動作可能なように結合されている、請求項1記載のピントル制御推進ノズル。
【請求項３】
アクチュエータがスロートの上流にある、請求項1記載のピントル制御推進ノズル。
【請求項４】
アクチュエータがスロートの下流にある、請求項1記載のピントル制御推進ノズル。
【請求項５】
シェルが長手方向軸を有する、該シェルと同軸である前記スロートへの入口をさらに備える請求項1記載のピントル制御推進ノズル。
【請求項６】
シェルが長手方向軸を有する、該シェルの側方にある前記スロートへの入口をさらに備える請求項1記載のピントル制御推進ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2007年3月30日に出願された米国特許仮出願第60/909,029号の恩典を主張し、その内容は、それらの全体において参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、推進システムの分野、特に、推進システムまたは環境のいずれかにおいて起こる変動に適応するように、使用中に操作または変形することが可能なノズルの設計の分野に属する。
【背景技術】
【０００３】
先行技術の説明
ロケットモータによって生み出される推力は、高度、環境条件、推進剤の質量流量、および推進剤の燃焼率の変動とともに変動する傾向があり、燃焼が進行するのに伴い変化し得る。これらの変動は、モータおよびモータによって駆動される乗り物の性能、ならびにその飛行を遂行する際の該乗り物の有効性に影響する。いくつかの場合において、推力の変動はロケット性能に害を及ぼす一方、別の場合において、推力の変動は、所望されるものの、必要とされる程度まで十分に迅速には実現されない、または該変動が必要とされる時点においては実現されない場合がある。例証すると、推進剤の供給が徐々に減るのに伴い、燃焼ガスが発生する割合は大抵は減少し、チャンバ圧力の降下を引き起こす。この降下がロケットのブースト段階中または長期にわたる高レベルの推力が必要とされる任意のときに起こる場合、ロケット性能の効率は悪化する。他方、推力の減少は、離陸時には、最初に乗り物に存在する大量の未燃焼の推進剤に起因して高い推力を必要とし、飛行中には、比較的低い推力を必要とするロケット推進式打ち上げ輸送船において有益である。これは、地表から打ち上げられるが大気が大抵は高真空である高い高度において主に飛行を遂行する乗り物について特に当てはまる。主な飛行は、高い面積比、すなわちスロートにおける面積に対するノズル出口における面積の高い比率によって最も容易に実現される高比推力（Isp）、すなわち単位時間に消費される推進剤の重量に対する推力の高い比率を大抵は必要とする。しかしながら、高い面積比を有するノズルは、壁圧が大気圧未満であるときに起こるノズル出口の近くの逆の圧力差のために、海水面において比較的低い推力を生み出す傾向がある。超音速ノズルにおいて、スロート全体の圧力の降下は、チャンバ圧力などの推力に寄与する要素と同様に、推力に直接影響することから、推力を制御および維持するのに最も重要な要素の一つは、ノズルスロートである。
【０００４】
飛行中に推力が変化可能であるロケット設計の歴史において、ノズルについて多数の構造が開発されている。例えば、ノズル出口の面積が打ち上げのために縮小され、その後上昇中に徐々に拡大されるノズルを設計することによって、逆の圧力差を補正する試みがなされている。このように、ノズルは、機械的に調整可能な外形、面積比、および長さを有して設計されている。他の方法は、飛翔の異なる段階において異なる推進剤を使用する組み合わせタイプのエンジンの使用を含んでいる。それゆえに、ケロシンを燃料とするエンジンは、スペースシャトルメインエンジン（SSME）に由来するエンジンまたはロシアのRD-701エンジンなどの水素を燃料とするエンジンと組み合わされている。組み合わせタイプのエンジンの他の例は、Beichel,R.の米国特許第4,220,001号（特許文献1）（1980年9月2日発行）の二重燃料・二重エキスパンダ式エンジン（the dual-fuel-dual-expander engine）、ならびにBornstein,L.の米国特許第4,137,286号(特許文献2)（1979年1月30日発行）および第4,223,606号(特許文献3)（1980年9月23日発行）の二重推力ロケットモータである。Beichelのエンジンは、二つの推力室を組み込んだ複雑なノズル設計を必要とし、一方、Bornsteinのモータは、薬粒そのものの中に挿入された点火装置および導火爆管とともに、燃焼室内の別個のサスティナー用推進剤薬粒およびブースター用推進剤薬粒を使用することによって二重推力を実現する。推力の変化はまた、Bulman,M.の米国特許第6,568,171号(特許文献4)（2003年5月27日発行）によって記載されているように、ノズルの末広がり部の壁の近くにおける二次燃焼ガスの導入によっても実現されている。
【０００５】
推力の変化を実現するさらなる手段は、スロートの実効面積を変化させるためのピントルの使用である。ピントルは、部分的にスロートを塞いでピントルとスロート壁との間の環状空間内を燃焼ガスが流れるように強制する、ノズルの内部に存在し且つノズル軸に沿って移動可能な先細りした物体または広がった物体のいずれかである。その先細りしたまたは広がった外形により、ピントルの短距離の移動は、環状空間の断面積における、したがってスロートの実効面積における有意な変動を引き起こす。固体推進剤システムにおいて、燃焼が進行し推進剤の供給割合が減少するのに伴い、より低い推力ではあるものの、燃焼室内の圧力を増加させることによって燃焼効率を維持するために、スロートの実効面積を縮小する方向にピントルが移動され得る。したがって、ピントルは、スロートの実効面積における幅広い変動を可能とすることによって、および自由自在に移動可能であることまたはロケット推進の任意の段階においていずれかの方向に移動するようにプログラム可能であることによって、ロケットモータに対して多用途性を提供する。ピントルの作動は、油圧式駆動、歯車駆動、または制御運動のための任意の公知の機構によって実現され得る。多くのロケット設計において、ピントル作動システムは、推進ガスが流れるロケットモータ部の内部に配置されており、そのため、作動システムは、さもなければガスの産生または推力の発生のために使用される体積を占める。内部ピントル作動システムの他の制限は、このようなシステムがモータ内部に存在する高温および他の厳しい条件に晒されており、したがって、故障しやすいということ、ならびに、メンテナンス、修理、または交換を必要とするときにそれらに接近するのが困難であるということである。厳しい条件はまた、作動システムの絶縁も必要とし、そのことにより、システムにさらなる重量が加わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第4,220,001号
【特許文献２】米国特許第4,137,286号
【特許文献３】米国特許第4,223,606号
【特許文献４】米国特許第6,568,171号
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、システムに対して外部にありかつガスが流れるガス部を取り囲むロータによって環状スロートが制御されるピントル制御推進システムに関する。環状スロートの面積の変動により、回転運動が、ピントルの、またはスロートにおいてノズルを包囲してピントルを取り囲むモータシェルのいずれかの直線運動に変換され、これにより、ノズルに対するピントルの位置を変動させて環状スロートの面積を変化させるように推進システムの部品と連結されたロータの回転によって実現される。したがって、ピントルの作動は、移動可能なピントルおよび固定されたモータシェル、または固定されたピントルおよび移動可能なモータシェルのいずれかに関連してもよい。
【０００８】
ロータは、例えば直接駆動トルクDCモータによるなど、従来の手段によって駆動され得る。そのようなモータは、当技術分野において周知であり、エレクトロニクス産業の供給業者から容易に入手可能である。ロータとロータが動く推進システムの部分との間の連結は、回転運動を直線運動に変換するための従来の連結装置によって実現される。ネジ連結、特にボールネジまたはアクメネジは、このような連結装置の例である。他の例は、ハウジングに取り付けられる歯車と噛合するように配置された歯付きリングである。
【０００９】
これらの設計の全てにおいて、推進システムを駆動させる燃焼ガスは、ロータの中央を通過し、かつロータは、好ましくは、ガスおよびシステムの高温の部品から絶縁される。本発明のこれらのおよび他の態様、局面、目的、および利点は、以下の説明からより容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の特徴を具体化したロケットモータの一つの例の断面図であり、互いに関連した一つの位置におけるモータおよびピントルを表す。
【図２】本発明の特徴を具体化したロケットモータの一つの実施例の断面図であり、他の位置における図1と同じモータおよびピントルを表す。
【図３】本発明の特徴を具体化したロケットモータの第2の実施例の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の詳細な説明および好ましい態様
本発明は、構造および動作モードの双方において異なる様々な形式で実施可能であるが、本発明の新規で独創性のある特徴を定義する、そのような実施の全てに共通している特徴の理解は、具体例の詳細な検討によって得ることができる。二つのそのような実施例が図面に示されている。
【００１２】
第1の実施例が図1および2に示されている。この例における推進システム11は、固定されたピントル12および移動可能なモータハウジング13を有する。ハウジング13は、二つの図面においてその可動域の二つの端部に示されており、（これらの図面に示された図によれば）図1においては、開かれたスロート14を提供するようにピントル12に対して完全に上昇し、および図2においては、閉ざされたスロート14を提供するように完全に下降している。ハウジング13の可動部は、外側シェル15、スロート支持部16、およびスロートライナー17である。スロート14の下流において、外側シェル15には、絶縁層18が沿っている。固定されたピントル12は、流入路23を画定する絶縁材の中空ポスト22を介して圧力容器21に動かないよう固定されており、ピントルそのものの基部には、絶縁層24が沿っている。図1に示されるように、ハウジングが上昇するとき、圧力容器21からの加圧されたガスは、シェルと同軸である流入路23に流入して中空ポスト22における側面開口部25、26を通過し、その後、ピントル12の先細り端部27に通じる方向に進み、先細り端部に到達する前にスロート14を通過し、最後に排気としてモータから流出する。
【００１３】
ピントル12に対してハウジング13の可動部の位置を制御するアクチュエータ31は、ハウジングおよびガス発生器に対して外部にあり、かつスロートの上流位置においてハウジングの本体を取り囲んでいる。アクチュエータは、アクチュエータケース34に囲まれたステータ32およびロータ33を含む。ボールナット、アクメネジを含むリング、歯車、または直線運動機構の他の任意の同様の部品のいずれかであるリングアタッチメント35は、ロータ33の内面に固定されている。ボールネジ、アクメネジ、歯車の歯などのいずれかである相補的な変換部品39は、リングアタッチメント35と噛合するようにハウジングの外側シェル15の外部に固定されている。これにより、ロータ33の回転は、ピントル12は固定されたままとしながら、矢印37の方向にモータ軸36に沿って軸方向にハウジング13を移動させる。上述したように、ハウジング13は、図1において上昇位置にあり、図2において下降位置にある。図1および2を比較して、ハウジングが図1に示される位置に到達するように上方に移動する距離38は、ハウジングの可動部品の最も外側の部品を形成するシェル15の基部において見ることができる。
【００１４】
第2の例が図3に示されており、それもまた、固定されたピントル42および移動可能なライナー44を有するモータハウジング43を有する推進システム41を表す。ライナー44は、図1および2の実施例のシェル15に対応するものである。スロート45は、ピントル42とモータハウジングのライナー44との間の環状空間によって形成されており、ライナー44は、それをハウジングの固定された部品と区別するために斜線を施されている。この実施例におけるアクチュエータ46は、スロート45の上流よりもむしろ下流に配置されている。ピントル42に対するモータハウジングのライナー44の二つの位置は、それぞれ、実線および破線で示されており、破線位置は、実線位置よりも大きいスロート45の面積をもたらす。高温ガスは、ライナーの側方にある入口47を通ってノズルに流入し、絶縁層48を通り、ピントル42とモータハウジングのライナー44との間の環状空間49内へと流入する。その後、ガスは、スロート45を越えて進み、ライナー44によって形成されたモータの末広がり部51を通り、最終的に外に排気される。モータハウジングのライナー44の位置は、モータの末広がり部51を取り囲むアクチュエータ46によって制御される。図1および2のシステムの構造と同様の構造において、アクチュエータ46は、ボールネジ、アクメネジ、または歯車の歯などの直線運動機構の部品としての機能を果たすロータライナー54、モータハウジングのライナー44の対向する外面に配置されている相補的な部品55と共にステータ52およびロータ53を含む。したがって、ロータ53の回転は、ハウジングおよびピントルの共通軸56に沿ったモータハウジングのライナー44の軸方向運動に変換される。
【００１５】
本発明の作動システムは、これに限定されるわけではないが、戦術ロケット、推力可変DACS（throttleable DACS（軌道修正姿勢制御装置;divert attitude control systems））、大陸間弾道ミサイル（ICBM）、ならびにアトラス（Atlas）、タイタン（Titan）、およびデルタ（Delta）システムなどのブースターを含む、様々なロケットモータおよび推進システムに有効である。
【００１６】
本明細書に添付される特許請求の範囲において、用語「一つの（a）」または「一つの（an）」は、「一つのまたは複数の」を意味するように意図される。「備える（comprise）」という用語ならびにその変形「備える（comprises）」および「備えている（comprising）」などは、ある工程またはある要素の記述に伴う場合、さらなる工程または要素の追加が任意であって除外されないことを意味するように意図される。この明細書において引用された全ての特許、特許出願、および他の刊行参考資料は、それらの全体について参照により本明細書に組み入れられる。本明細書において引用された任意の参考資料と、この明細書の明白な教示との間のいかなる矛盾も、この明細書における教示を優先して解決されるように意図される。これは、単語または語句の技術分野において理解される定義と、この明細書において明白に規定される同じ単語または語句の定義との間のいかなる矛盾も含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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