(57)【要約】高エネルギ物質によるピストンアクチュエータシステムにおいて、システム効率および確実性を向上させるよう、ピストンに回転運動を付与する。ピストンのネック部周囲に取り付けられた可鍛性リングは、高エネルギ装薬の起爆時に密閉するよう作用する。アクチュエータのシリンダの内部表面に設けられた腔線は、そのリングを回転させ、ピストンに逆回転を生じさせる。回転するリングは、ガスのブローバイを防止する封止材として機能し、回転するピストンは、シリンダ内の動程にわたって動的により安定する。
2004536261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギ物質によるピストンアクチュエータであって、
円筒形の内部表面を有するシリンダと、
前記シリンダ内に設けられ、前記シリンダ内でスライド可能であり、前記シリンダの前記内部表面の内径より小さい外径を有するピストンと、
前記ピストンの周囲に設けられ、可鍛性材料から成るリングと、
前記シリンダの前記内部表面に設けられる腔線と、を有するアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンが前記シリンダ内に沿って直線方向に推進された時に、前記腔線が前記リングにかみ合い、その際に前記腔線は、前記リングの前記可鍛性材料を変形させ、前記リングに回転運動を生じさせると共に、それに対応する逆回転運動を前記ピストンに生じさせる、アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンは本体部とネック部とを含み、前記ピストン本体部は、前記シリンダの前記内部表面の前記内径より小さい外径を有し、前記リングが、前記ピストンネック部に取り付けられる、アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が、前記シリンダの前記内部表面に形成された谷部と山部とから成る、アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が等斉転度の腔線を含む、アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が漸増転度の腔線を含む、アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンは、前記シリンダ内部表面の前記内径より小さい外径を有する前方および後方ピストンヘッドを含む、アクチュエータ。
【請求項８】
請求項７に記載のアクチュエータにおいて、前記リングは、前記前方および後方ピストンヘッドの間の溝内に配置される、アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記リングは前記ピストンに対して回転可能である、アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記リングは前記ピストンに固定される、アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１に記載のアクチュエータにおいてさらに、爆轟された時に前記ピストンおよび前記リングを前記シリンダの長手方向に沿って推進させる高エネルギ物質を有する、アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のアクチュエータにおいて、前記高エネルギ物質がビス−ニトロ−コバルト−３−パークロレートから成る、アクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１１に記載のアクチュエータにおいて、前記高エネルギ物質が推進剤または火工剤から成る、アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンと前記シリンダとが、滑りばめの関係にある、アクチュエータ。
【請求項１５】
高エネルギ物質によるアクチュエータであって、
円筒形の内部表面に腔線を有するシリンダと、
前記シリンダ内に設けられ、前記シリンダに対して滑りばめされ、長手軸を有するピストンと、
前記ピストンの周囲に取り付けられ、前記ピストンの前記長手軸を軸にして回転可能であるリングと、を有し、
圧力による推進力が前記ピストンに印加されると、前記ピストンは、前記ピストンの前記長手軸に沿った軸方向にて前記シリンダ内を移動するよう駆動され、前記ピストンの前記軸方向の移動によって前記リングは、前記腔線内で変形して前記腔線にかみ合い、前記ピストンが前記軸方向に移動するにつれて回転する、アクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンは本体部とネック部とを含み、前記ピストン本体部は、前記シリンダの前記内部表面の前記内径より小さい外径を有し、前記リングが、前記ピストンネック部に取り付けられる、アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１５に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が、前記シリンダの前記内部表面に形成された谷部と山部とから成る、アクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が等斉転度の腔線を含む、アクチュエータ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のアクチュエータにおいて、前記腔線が漸増転度の腔線を含む、アクチュエータ。
【請求項２０】
請求項１５に記載のアクチュエータにおいて、前記ピストンは、前記シリンダ内部表面の前記内径より小さい外径を有する前方および後方ピストンヘッドを含む、アクチュエータ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のアクチュエータにおいて、前記リングは、前記前方および後方ピストンヘッドの間の溝内に配置される、アクチュエータ。
【請求項２２】
請求項１５に記載のアクチュエータにおいてさらに、爆轟された時に前記ピストンおよび前記リングを前記シリンダの長手方向に沿って推進する高エネルギ物質を有する、アクチュエータ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のアクチュエータにおいて、前記高エネルギ物質がビス−ニトロ−コバルト−３−パークロレートから成る、アクチュエータ。
【請求項２４】
請求項２２に記載のアクチュエータにおいて、前記高エネルギ物質が推進剤または火工剤から成る、アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（背景技術）
機械的作業を正確なタイミングおよび高い確実性にて実施するために、ピストン式アクチュエータが用いられている。直線ピストンは、円筒形シリンダ内でスライド可能な状態で設置される。高エネルギ火工装薬または推進剤が、密閉チャンバ内で起爆されて圧力波を生成し、その圧力波がピストンに力を印加する。ピストンは、シリンダを通過するよう推進される。ピストンの運動エネルギを用いて、機械的仕事が実施される。
【０００２】
近年の設計ではピストンは、円筒形シリンダ内を直線運動で移動するよう構成される。シリンダは滑らかな内部壁を有し、その内部壁は、ピストン本体の直径より若干大きな直径を有する。ピストンの無抵抗状態での直線運動を実現するには、ピストンとシリンダとの間にそのような間隙が必要である。間隙の影響の一つは、当業界で「ブローバイ（ｂｌｏｗ−ｂｙ）」と呼ばれるものであって、爆轟された装薬ガスが、間隙領域を通じてピストンを通り過ぎて漏れることである。このことによって、系の効率が損なわれている。ブローバイガスは、シリンダの内部前壁ではね返って戻り前進中のピストンの前面に当たる場合が多く、このことは「ピストン押戻し」と呼ばれる。このことによって、系の効率がさらに損なわれうる。
【０００３】
「ブローバイ」現象の影響を緩和するために、Ｏリングが導入されており、それによって、ピストンの移動が可能な状態でピストンの密閉度を向上させている。しかしながらＯリングは、熱および圧力によって浸食されやすく、デトネーション（ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ）に続く爆発性推進力の高圧下では劣化する場合が多い。したがって、Ｏリングの破片がピストンの経路内にもたらされることがあり、ピストンの移動を妨げる可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、現在の実施形態の限界を克服した、高エネルギ物質による(ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ−ｂａｓｅｄ)ピストンアクチュエータシステムに関する。本発明は特に、システム効率および確実性を向上させるようピストンに回転運動を加える。
【０００５】
本発明の一態様は、高エネルギ物質によるピストンアクチュエータである。該アクチュエータは、円筒形の内部表面を有するシリンダを含む。シリンダ内にはピストンが設けられ、そのピストンは、シリンダ内でスライド可能であり、シリンダの内部表面の内径より小さい外径を有する。ピストンの周囲には、可鍛性材料から成るリングが設けられる。シリンダの内部表面は、腔線（ｒｉｆｌｉｎｇ）を含む。
【０００６】
好適な実施形態では、ピストンがシリンダ内に沿って直線方向に推進された時に、腔線がリングにかみ合う。その際に腔線は、リングの可鍛性材料を変形させ、リングに回転運動を生じさせると共に、それに対応する逆回転運動をピストンに生じさせる。
【０００７】
ピストンは、好ましくは本体部とネック部を含む。ピストン本体部は、シリンダの内部表面の内径より小さい外径を有する。そしてリングが、ピストンのネック部に取り付けられる。
【０００８】
腔線は好ましくは、シリンダの内部表面に形成された谷部と山部とから成る。腔線の形態は、等斉転度の腔線（ｕｎｉｆｏｒｍ  ｔｗｉｓｔ  ｒｉｆｌｉｎｇ）であっても、漸増転度の腔線（ｇａｉｎ  ｒｉｆｌｉｎｇ）であってもよい。
【０００９】
ピストンは、シリンダの内部表面の内径より小さい外径を有する前方および後方ピストンヘッドを含むことが考えられる。この場合にリングは、前方および後方ピストンヘッドの間の溝内に配置される。
【００１０】
リングは、ピストンに対して回転可能な状態で取り付けられてもよいし、あるいはピストンに固定されてもよい。
【００１１】
たとえば推進剤または火工剤の形態である高エネルギ物質は、爆轟された時に、ピストンおよびリングを、シリンダの長手方向に沿って推進する。高エネルギ物質は、ビス−ニトロ−コバルト−３−パークロレート（Ｂｉｓ−Ｎｉｔｒｏ−Ｃｏｂａｌｔ−３−Ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ）から成ることが好ましい。
【００１２】
好適な実施形態では、ピストンとシリンダとは、滑りばめ（ｓｌｉｐ−ｆｉｔ）の関係にある。
【００１３】
本発明の他の態様は、高エネルギ物質によるアクチュエータである。該アクチュエータは、円筒形の内部表面に腔線を有するシリンダを含む。シリンダ内に設けられたピストンは、シリンダに対して滑りばめされ、さらに長手軸を有する。ピストンの周囲にリングが取り付けられ、そのリングは、ピストンの長手軸に対して回転可能である。それにより、圧力による推進力がピストンに印加されると、ピストンは、ピストンの長手軸に沿った軸方向にてシリンダ内を移動する。そのピストンの軸方向の移動によってリングは、腔線内で変形して腔線にかみ合い、ピストンが軸方向に移動するにつれて回転する。
【００１４】
このような構成により、回転するリングは、ガスのブローバイを防止する封止材として機能し、回転するピストンは、シリンダ内の動程にわたって動的により安定する。それにより、システム効率および精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記およびその他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に表す本発明の好適な実施形態に関するより詳細な説明から明らかになる。複数の図面において、同じ符号は、異なる図における同じ部分を示す。図面は、必ずしも一定の比例にて拡大または縮小して描かれたものではなく、本発明の原理を強調して図示する。
【００１６】
図１に、本発明に従って構成されたピストンアクチュエータ１８の実施形態を示す。ピストンアクチュエータ１８は、シリンダ２０を含む。シリンダ２０は、円筒形の内部表面１９と、シリンダ２０の一次軸に相当する長手方向にスライドするよう構成されるピストン２２とを有する。ピストン２２は、近端に位置する後方ピストンヘッド２４ａと、後方ピストンヘッド２４ａから間隔をあけて位置する前方ピストンヘッド２４ｂとを含む。それにより、両ピストンヘッド２４ａおよび２４ｂの間に、チャネルまたは溝２５が形成される。ピストン２２の遠端は、ピストンアクチュエータ１８で駆動すべき装置に機械的に係合するよう構成されるシャフト３８を含む。
【００１７】
前方および後方ピストンヘッド２４ｂ，２４ａの外周断面は円形であり、その外径は、シリンダ２０の内部表面１９の内径より若干小さく、たとえば滑りばめ状態である。それによりピストン２２は、シリンダ２０の内部表面１９に実質的に摩擦性接触をすることなく、シリンダ２０およびピストン２２の同心長手軸２１に沿った長手方向に自由にスライドできる。可鍛性材料から成るリング状のバンド２６が、前方および後方ピストンヘッド２４ｂ，２４ａの間のチャネル２５にて、ピストン２２の周囲に取り付けられる。好適な実施形態ではバンド２６は、円形であって、軸２１においてピストン２２およびシリンダ２０と同心であり、チャネル２５内でピストン２２を軸にして回転自在である。バンド２６は、以下に説明するとおり、数々の機能を果たす。
【００１８】
シリンダ２０の内部表面１９は、たとえば腔線溝３６などで施条（ｒｉｆｌｅｄ）されている。火工装薬または推進剤２８の形態である高エネルギ物質（ここでは説明の目的において、高エネルギ物質の形態は推進剤であるとする）が、後方ピストンヘッド２４ａの外面に隣接して配置される。電橋３２が、推進剤２８と連通するよう設置され、リード線３０を通じて電気パルスによって通電されることで、推進剤２８が活性化される。ガラス−金属シール３４が、シリンダ２０内に推進剤２８を密封するよう機能する。シリンダの反対側の遠端では、防湿材４０が、非活性状態の間にピストンアクチュエータの反対側端部を封止することで、温度変動時または高湿度雰囲気において発生しうる水分と火工剤との相互作用を防止する。好適な防湿材は、パリレンである。ポリエチレンまたはポリアミドなどの他の防湿材も、同様に利用可能である。
【００１９】
電橋３２を通じて電荷によって推進剤２８が活性化されると、その結果として生じる爆風が、後方ピストンヘッド２４ａの外面に圧力を印加する。その圧力は、矢印４８ａおよび４８ｂで示すようにピストン２２を、外向き直線方向と角方向との複合方向に推進する。この初期の力は、バンド２６の可鍛性材料に莫大な圧力を印加する。それによりバンドは変形し、バンドの外周が、シリンダ２０の内部表面１９に形成された腔線３６にかみ合うようになる。それによってバンド２６は、ピストン２２の前進直線運動４８ａに抵抗しつつ回転するようになる。回転するバンド２６は、シリンダ２０の施条内部表面とリング２６の外周との間に以前に存在した間隙またはクリアランスを密閉することで、ピストン動程中にピストンの動的ガス封止材として機能して、ガスのブローバイ状態を緩和および／または排除する。回転するバンド２６はさらに、バンド２６の回転とは反対の回転方向への逆回転をピストン２２に生じさせる。そのような逆回転が発生する理由は、放出ガスのエネルギによって生じた圧力が渦状パターンになることによって、回転自在なピストン２２が回転運動を開始するためである。システムにおいて動的平衡が保たれなくてはならないため、ピストン２２は、バンド２６と反対の方向に回転する。
【００２０】
ピストン２２に誘導されたスピンは、ピストンの動程を安定化することに加え、ガスブローバイの影響を緩和する。ピストンが自由回転できることにより、ガスは、ピストン２２を軸方向と回転方向の両方に移動させることでエネルギを放散する。ピストンの回転は、ブローバイおよびハウジングの破裂を引き起こしかねないチャンバ内の過圧を防止する。したがって、ガスによって生成される力は、ピストンの回転によって生じる運動エネルギとして放散または変換される。
【００２１】
このように本発明は、性能均一性が向上され標準偏差が低減されたピストンアクチュエータを提供する。ガスブローバイの影響と共に、Ｏリングの腐食に起因するシステム故障が、軽減および／または排除される。性能基準は、施条のピッチによって制御される角速度によって決定される。そのことは、直線アクチュエータが力および変位パラメータに依存することとは対照的である。さらに、施条は成熟した明確な技術であって、予測可能かつ確実性の高い結果が得られる。
【００２２】
図２Ａおよび図２Ｂは、ピストンシリンダ２０の破断側面図であって、それぞれ、等斉転度の腔線３６ａおよび漸増転度の腔線３６ｂを表す。図２Ａに示す等斉転度の腔線３６ａの場合には、ピストン動程にわたって、ピストンの角加速度は直線加速度に比例し、角加速度のピーク値は、ピーク圧力時に発生する。同様に、ピストンのスピンに起因する遠心加速度も、ピストン速度が最大の時に最大になる。図２Ｂに示す漸増転度の腔線は、ピストン動程中にピストンにおいて、一定の運動エネルギではなく、変動する運動エネルギを必要とする場合に有用である。漸増転度の腔線３６ｂは、シリンダ２０内の動程にわたってピストン２２の角加速度を制御することを可能にする。
【００２３】
図３は、腔線３６付きのピストンアクチュエータシリンダを示す端面断面図である。腔線３６は、異なる同心直径を有する谷部４４と山部４２とで構成される。腔線の幅および深さの調整によって、様々なバンド材料において予測可能な作用を得ることができる。
【００２４】
図６に示すように圧力開始時に発生する圧縮接触応力（すなわちバンド圧）が回転バンドに印加されると、バンド表面が若干摩食される。それにより、圧縮接触またはバンド圧が低減される。ピストンシリンダの内部腔線によって、回転バンドは、シリンダ内移動中にスライド摩擦を生成する。バンド圧が高いほど、摩擦係数は大きくなる。プラスチック材料は、金属材料に比べて比較的小さい摩擦を生じさせる。プラスチック材料はまた、圧力下で比較的容易に変形するため、金属材料に比べて低いバンド圧を生成する。腔線の漸増転度またはねじれは、バンド圧を低くする（すなわちスライド摩擦を小さくする）よう作用するのに対し、等斉転度は、バンド圧を高くしてスライド摩擦を大きくするよう作用する。
【００２５】
施条ピストンアクチュエータシリンダでは、スピンするピストンに関連するその他の力も存在する。回転バンド（すなわち密閉バンド）は、施条ハウジングのねじれ溝に従って進み、ピストンにスピンをかける。腔線が等斉転度であると仮定すると、ピストンの角加速度は直線加速度に比例する。したがって、角加速度のピーク値は、スライド摩擦のピーク値と共に、ピーク圧時に生じる。ピストンのスピンに起因する遠心加速度（すなわち回転または角加速度）は、ピストン速度が最大の時（すなわちピストンが「ショット終了」（以下で説明する）で停止する際）に最大になる。
【００２６】
回転バンドはたとえば、プラスチック、テフロン、またはポリアミドなどの熱可塑性エラストマを基材とした材料で構成されてもよく、あるいは、スチール、黄銅、またはアルミニウムなどの金属材料で構成されてもよい。どちらの場合にもバンドは、ある程度の可鍛性を示すべきである。
【００２７】
図４Ａ〜図４Ｃは、ピストンアクチュエータの運転を示す側面断面図であって、シリンダ２０本体内を通過するピストン２２およびバンド２６の長手方向の移動を表す。図４では、推進剤２８が起爆され、後方ピストンヘッド２４ａの外面２５に推進力４６が印加される。その推進力がピストン２２に圧力を印加し始めてピストンが前進し始める時点を、ここでは「ショット開始」Ｓ開始時と呼ぶ。そして、ピストンが動程を完了した時点を、「ショット終了」Ｓ終了時と呼ぶ。
【００２８】
図６は、様々なパラメータの振幅を時間の関数として示すグラフである。ショット開始時Ｓ開始には、バンド圧は極大値であり、ピストンおよびバンドの長手方向および角加速度は極小値である。ショット開始時Ｓ開始に、密閉バンド２６は回転を開始し、圧縮接触応力が印加される。その応力は通常、プラスチックバンドを用いた場合はチャンバピーク圧の約半分の大きさであり、金属バンドを用いた場合はそれよりはるかに大きい。
【００２９】
図４Ｂに戻って説明すると、ピストンが速度を増大しながらシリンダ内を長手方向に前進するにつれて、回転バンド２６の外側部分が若干摩食されると共に、腔線３６にかみ合い始める。それにより、圧縮比が減少し、バンド圧が若干低減する（図６参照のこと）。バンド２６の摩滅と同時に、バンド２６とシリンダ２０の内部施条表面との間のスライド摩擦が発生する。そのスライド摩擦は、バンド圧と、適切なスライド摩擦係数と、バンド材料とに依存する。精選されたバンド材料を用いれば、この摩擦は他の力に比べて小さく、構造モデル作成時において通常無視できる。それにより、ピストン２２の加速度をわずかに増大できる。回転バンド２６は、施条シリンダ内の螺旋溝に従うことで、ピストン２２に逆の角方向へのスピンをかける。上述のとおり、システムの動的平衡を保つために、ピストンの回転運動はバンドの回転とは反対方向に生じる。図４Ｃにおいて、Ｓ終了時点にピストンが動程の終端に近づくと、ピストン速度および加速度は最大になる。
【００３０】
物体の並進時に、その物体の後方で流体がある速度で移動すると、渦流が発生する。渦は要するに、流体力学的現象の結果である。渦の発生は、表面の形状に依存し、鋭い角部を排除することによって減少できる。多くの場合、鋭い角部および屈曲部は完全には排除されないが、物体を自由運動（特に角回転）できるよう設計する要求により、渦の発生は軽減または排除される。ピストンが最初は軸方向のみに移動すると仮定すると、高圧下での流体（すなわちガス）の高速運動によって、渦流が発生する。この渦の発生は、鋭い屈曲部が存在するとさらに顕著になる。ピストンを回転可能にすることにより、移動流体のエネルギは、ピストンを軸に沿って回転させ始めるにつれて、迅速に放散される。ピストンの回転が速いほど、渦の発生の可能性は低くなり、背圧およびブローバイ現象の発生の可能性も低くなる。
【００３１】
図５は、推進力４６が印加された状態で作動し、シリンダ内を矢印４８ａ，４８ｂで示す前進角方向に移動する、ピストン２２およびバンド２６を示す斜視図である。バンド２６は、第一の反時計回り方向５０に回転し、その回転によって、ピストン２２の逆回転が矢印５２で示す時計回り方向に生成される。
【００３２】
ピストンの角加速度は、上述のとおり、シリンダが等斉転度で施条されている場合には直線加速度に比例し、シリンダが漸増転度で施条されている場合には直線加速度に対して変動する。ピストンのスピンに起因する遠心加速度は、たとえばピストンが停止するショット終了Ｓ終了時（図６参照のこと）などのピストン速度が最大の時点で、最大である。
【００３３】
チャンバ内に他の負荷が、横断方向または非対称的に発生することがある。密閉バンド２６がピストンの重心より後方に位置する場合には、シリンダの中心軸からこの重心が若干横にずれた時に、そのずれを増大させるモーメントが生成されやすく、構成が動的に不安定になる。この負荷を最小限にするために、ピストン２２の重心を回転バンド２６の近傍に配置する。
【００３４】
ピストン２２は、たとえばタイプ１７−４ＰＨなどのスチール材料、あるいはタイプ３０３の合金スチールなどで形成されることが好ましい。リング２６は好ましくは、爆発性推進力によって印加される高圧下で密閉するよう作用する、たとえばプラスチックまたは銅などの可鍛性材料で形成される。
【００３５】
火工装薬２８は、爆轟へ移行する爆燃（ＤＤＴ）を経ることが可能な高エネルギ火工剤である、ビス−ニトロ−コバルト−３−パークロレート（ＢＮＣＰ）から成ることが好ましい。必要とされる火工装薬の重量は、火工エネルギの効率レベルが約９０％である（すなわち実現される機械的出力が９０％である）か、それ以上であると仮定することによって一次近似できる。
Ｅm＝０．９０ｆｔ−ｌｂ            （１）
ここで、Ｅmはｆｔ−ｌｂ単位の機械エネルギであり、Ｅpはｆｔ−ｌｂ単位の火工エネルギである。
【００３６】
火工剤のエネルギ含有量は、以下によって与えられる。
Ｅp＝ＦＣ／（ｇ−１）ｆｔ−ｌｂ    （２）
ここで、Ｃ＝ｌｂ単位の装薬重量であり、Ｆ＝ｆｔ−ｌｂ／ｌｂ単位の火工運動力であり、ｇ＝比熱比である。
【００３７】
等式（２）は、火工／推進剤ガスに関する状態方程式から導出することもできる。すなわち、
ＰＶ＝１２ＦＴＣ／Ｔ0，ＰＳＩ      （３）
ここで、Ｐ＝ｌｂ／ｉｎ2単位のガス圧であり、Ｔ＝°Ｒ単位のガス温度であり、Ｔ0＝°Ｒ単位の断熱定積火炎温度であり、Ｖ＝ｉｎ3単位のガス体積である。
【００３８】
断熱膨張が無限であると仮定し、初期ガス温度が断熱定積火炎温度に等しいと仮定すると、以下の式が得られる。
【数１】
2004536261.tif 000003
【００３９】
ｆ（ＢＮＣＰ）（ｆとは微粉であって、Ｃの粗製、すなわちボールミル加工やふるい処理されていない状態とは対照的である）に典型値を仮定すると、運動力Ｆ＝１．４２×１０5Ｆｔ−ｌｂ／ｌｂであり、比熱比γに関しては、ｇ＝１．２０１６である。これらの値を等式（１）および（２）に代入すると、装薬重量に関する等式が以下のように得られる。
Ｃ＝Ｅm（ｇ−１）／０．９Ｆ    （５ａ）
Ｃ＝１．５８×１０-6Ｅm，ｌｂ  （５ｂ）
したがって、推進剤で駆動される装置のための装薬重量は、
Ｃ＝６．４６×１０-3×（２５０／２．２）×（０．２７０／１２）＝４．０３ｍｇ
（６）
【００４０】
スラスタ、ピストンアクチュエータ、およびエネルギを主に抵抗力の克服に消費する装置では、負荷に付与される運動エネルギは相対的に無意であるので、等式（６）は、
【数２】
2004536261.tif 000004
となる。ここで、Ｆr＝ｌｂ単位の抵抗力であり、Ｘ＝ｆｔ単位の変位である。またあるいは、
【数３】
2004536261.tif 000005
となる。
【００４１】
火工装薬の重量の計算値は、以下のように求められる。スラストに関する装薬重量は、上記等式（８）を用いて近似できる。要求される力がＦ＝２５０ｌｂｆであると仮定し、行程Ｓ＝０．２７０ｉｎであると仮定すると、
Ｃ＝６．４６×１０-3×２５０×（０．２７０／１２）＝０．０３６３グラム
となる。したがって、Ｃ（ＢＮＣＰ）＝０．０３６３グラムまたは３６．３ミリグラムである。
【００４２】
ピストンアクチュエータの閉鎖系における時間ｔでのエネルギバランスは、熱力学第一法則を用いて求められる。
初期のガスエネルギ＝内部のガスエネルギ＋損失  （９）
損失の項には、システムによって為された仕事と、システムから伝達された熱が含まれる。ここで、ガス燃焼の副産物は、いったん生成された後にさらなる反応を経ないと仮定する。したがって、ＢＮＣＰ反応の温度範囲にわたる比熱の平均値を用いて、等式（９）を以下のように表すことができる。
【数４】
2004536261.tif 000006
等式（１０）を解くと、平均温度の値が得られる。
【数５】
2004536261.tif 000007
なお、総和は、すべての装薬要素ｉの各表面ｊについて求められるうえ、ｔ＝０で燃え尽きると仮定される電橋要素ｓも加えられる。
γ≡Ｃp／Ｃv
Ｃp−Ｃv＝Ｒ            （１２）
Ｆ＝ＲＴf
であり、したがって、
Ｃv＝Ｆ／（γ−１）Ｔf    （１３）
である。等式（１０）に代入すると、
【数６】
2004536261.tif 000008
となり、極限においては、
【数７】
2004536261.tif 000009
である。消費火工剤の微分重量（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｗｅｉｇｈｔｓ）に関しては、以下のとおりである。
【数８】
2004536261.tif 000010
【００４３】
理想気体の法則に適用されるコボリウム補正を仮定すると、時間ｔにおけるガスおよび混合物（ノーベル−アーベル（Ｎｏｂｌｅ−Ａｂｅｌ）ガスおよび混合物であると仮定する）に関しては、以下のとおりである。
【数９】
2004536261.tif 000011
等式１２を用いると、
【数１０】
2004536261.tif 000012
であって、すなわち、
【数１１】
2004536261.tif 000013
である。
【００４４】
次に、ラグランジュ近似を用いて、ピストンアクチュエータシステム内の圧力勾配を算出する。ここで火工装薬は、完全に燃え尽きると仮定され、したがって、ピストンハウジング（ピストンチューブ）にわたって均一分布する気体であると見なされる。チューブに基づく基準値における導関数（ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｔｕｂｅ−ｂａｓｅｄ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は、以下のとおりである。
ｚp≡ｘp＋ｘr            （２０）
ここで、ｚpは抵抗圧力を表し、ｘpは初期位置から測定されるピストン移動量を表し、ｘrは初期位置から測定されるピストンシリンダ移動量を表す。したがって、運動量および連続の一次元非粘性方程式に関しては、以下のとおりである。
【数１２】
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均一性（すなわちδρ／δｚ＝０）を仮定すると、等式２１に基づき、
【数１３】
2004536261.tif 000015
であり、境界条件は、
ｖ（０，ｔ）＝０
ｖ（ｚp，ｔ）＝ｖp≡ｚp        （２４）
である。ここでｚpおよびｖpは、ピストンヘッド位置およびピストン速度を示す。ｚにおいて積分すると、ガス速度分布が得られる。すなわち、
【数１４】
2004536261.tif 000016
である。
等式２５を等式２２に代入すると、
【数１５】
2004536261.tif 000017
が得られる。
【００４５】
燃え尽きるという仮定は、空間的均一密度を意味する。
【数１６】
2004536261.tif 000018
【００４６】
ニュートンの第二の法則に基づき、すべての時間ｔにおけるピストンの加速度は、以下のように表すことができる。
ピストン加速度＝ピストンにかかる正味力／ピストン質量  （２８ａ）
ここで、推進力は、ピストンヘッドに印加される火工剤／推進剤燃焼ガスの圧力によって供給される。さらに減速力が、回転バンド／リングに対するピストンシリンダ内部抵抗と、ピストンチューブ内をピストンが前進する間に空気が圧縮されるにつれてピストンヘッド前部にかかる空気抵抗とによって発生する。したがって、ピストン加速度は以下のように表すことができる。
【数１７】
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したがって、両等式（２７）および（２８ｂ）を等式（２６）に代入すると、
【数１８】
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であり、すなわち、
【数１９】
2004536261.tif 000021
である。条件Ｐ（０，ｔ）＝Ｐchamberは、
Ψ（ｔ）＝Ｐchamber      （３１）
を意味する。したがって、要求条件Ｐ（ｚp，ｔ）＝Ｐbaseにより、
【数２０】
2004536261.tif 000022
から、以下の定義、
【数２１】
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が得られる。
等式（３０）および（３１）を等式（３３）に代入して積分すると、以下が得られる。
【数２２】
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等式（３２）の値Ｐchamberを等式（３４）に代入して再配列すると、以下が得られる。
【数２３】
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【００４７】
したがって、ラグランジュモデルによると、推進剤／火工装薬−ピストン重量比と、平均圧と、抵抗圧とが判っていれば十分に、ピストンチューブ内でのピストン動程の間の圧力勾配全体（特に、要求されるベース圧力およびチャンバ圧力）を算出することができる。ここで、圧力勾配は、圧力の傾斜、すなわち圧力上昇レートとして規定される。
【００４８】
好適な実施形態を参照しながら本発明を具体的に図示および説明したが、添付の請求項で規定される本発明の精神および範囲から逸れることなく、本発明の形態および詳細に様々な変更を加えることができると、当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるピストンアクチュエータの構成を示す側面断面図である。
【図２Ａ】本発明によるピストンアクチュエータシリンダを示す破断側面図であって、等斉転度および漸増転度の腔線を表す。
【図２Ｂ】本発明によるピストンアクチュエータシリンダを示す破断側面図であって、等斉転度および漸増転度の腔線を表す。
【図３】本発明による、腔線付きのピストンアクチュエータシリンダを示す端面断面図である。
【図４Ａ】本発明によるピストンアクチュエータを示す側面断面図であって、シリンダ本体内を通過するピストンの移動を表す。
【図４Ｂ】本発明によるピストンアクチュエータを示す側面断面図であって、シリンダ本体内を通過するピストンの移動を表す。
【図４Ｃ】本発明によるピストンアクチュエータを示す側面断面図であって、シリンダ本体内を通過するピストンの移動を表す。
【図５】本発明によるピストンおよびバンドを示す斜視図であって、腔線によって誘導されるバンドの回転運動と、その結果として生じるピストンの逆回転とを表す。
【図６】本発明によるピストンアクチュエータにおけるパラメータ、すなわち長手方向および角加速度、長手方向および角速度、ならびにバンド圧の振幅を、時間の関数として示すグラフである。
【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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