(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
推進剤を収容する本体部分を備えており、本体部分はさらに少なくとも一つの取り外し式クロージュア部分を含み、クロージュア部分は本体部分と協働する寸法の保持リングによって前記本体部分に対して所定位置に保持されており、保持リングは、前記本体部分の内側表面上の係合手段で所定位置に保持されると共に、位置決め手段によって弾性付勢手段に抗して前記本体部分に対して半径方向に位置決めされており、前記位置決め手段は温度に反応して所定温度で融解することによって、前記弾性付勢保持リングを前記本体部分の半径方向内側へ移動させて、前記少なくとも一つのクロージュア部分をケーシングから放出させることができるようにした固体燃料推進モータケーシング。
【請求項２】
少なくとも一つのクロージュア部分は、ノズル部分である請求の範囲第１項に記載のケーシング。
【請求項３】
少なくとも一つのクロージュア部分は、ビークルの前部分である請求の範囲第１項に記載のケーシング。
【請求項４】
位置決め手段は、所定温度で融解する金属または合金製であり、その金属または合金は、スズ、鉛、ビスマス、アンチモン及びカドミウムのうちの少なくとも一つから選択される請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のケーシング。
【請求項５】
さらに、通常作動において燃焼中の推進剤のスラストに抗して前記クロージュア部分を軸方向に位置決めする追加の位置決め手段を備えている請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のケーシング。
【請求項６】
前記追加の位置決め手段は、前記保持リング上の協働フランジと、前記モータ本体の溝を含む請求の範囲第５項に記載のケーシング。
【請求項７】
前記本体部分の内側表面上の前記係合手段は、請求の範囲第６項の溝で構成されている請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載のケーシング。
【請求項８】
前記フランジ及び溝は、通常作動中は永久的係合状態にある請求の範囲第６項または第７項に記載のケーシング。
【請求項９】
リングは二つ以上のセグメントに分割されている請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載のケーシング。
【請求項１０】
位置決め手段は、ピン、ねじ、ウェッジ、リベットのうちの一つまたは複数を含む請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載のケーシング。
【請求項１１】
先行の請求の範囲第１項から第１０項までのいずれか一項に記載のケーシングを備えた固体推進剤推進ビークル。
【発明の詳細な説明】
本発明は、固体燃料推進モータ、特に低速外部加熱によってそのようなモータの望ましくない点火が発生する危険性を減少させる手段に関する。
本出願人の同時係属中の特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９６／００３２５号を参照する。これの内容は参照により本明細書に含まれる。特に、この参照文献は、いわゆる「低速自然発射（スロークックオフ）」状態での望ましくない外部加熱の影響を軽減する装置を記載している。
爆発材料は、爆轟を行うためのものと、非常に高速であるが点火または燃焼を行うためのものに大きく分けることができる。本発明は、主に後者の形式の材料に関するもので、その一例として、ロケットモータ等の用途に使用される推進材料がある。
推進材料は、例えばニトロセルロース（ＮＣ）またはニトロセルロースとニトログリセリン（ＮＧ）の混合物をベースにしており、比較的高速で外部加熱を受けると、材料が爆轟というよりも燃焼する点火事象を引き起こすことにより一般的に反応する。この点火事象が起こる温度は、材料の加熱速度によって決まる。成型ＮＣ／ＮＧマトリックスをベースにした推進剤の場合の一般的な点火温度範囲は、例えば５℃／分の加熱速度で約１６０ないし１８０℃である。推進モータの望ましくない点火は重大で危険な事象であるが、材料が極低速加熱を受けた場合、しかしながら、おそらくはもっと危険な爆轟事象が発生するであろう。例えば周囲温度から約０．０５℃／分の加熱速度で加熱されると、約１２０℃の温度で爆轟が発生するであろう。
爆轟事象中は、材料のほぼすべての分子がそれの化学エネルギーを同時に放出する。低速加熱は、モータマトリックス内の分子の大部分または全部を次の熱入力増分で材料が活動エネルギー「境界」を超えるエネルギーレベルにすることができるので、爆轟事象を生じる併発反応を促進する。
低速加熱状態では、より低いエネルギーレベルで点火を刺激して、爆轟が発生する前に材料を燃焼させることができるようにすることが望ましい。しかし、狭い環境内で固体燃料推進モータを燃焼させることでも非常に危険な事象である。固体燃料推進剤の燃焼速度は非常に高く、特にモータケーシング内のガスの圧力及び温度状態によって決まる。通常は、固体燃料モータは２〜３秒以内に完全に消費される。しかし、同じ燃料が通常の大気圧下で点火し、圧力が大きく上昇できないようにした場合、燃焼速度ははるかに低速になる結果、はるかに危険性が低い。
ＥＰ−Ａ−０３３４７３１は、モータ本体上の表面とクロージュア上の表面の二つの同軸的な表面間の接着剤として低融点合金を効果的に使用する装置を記載している。加熱時に、低融点合金が融解して、軸方向に作用するばねによってクロージュアを放出させる。しかし、低融点合金では、モータの通常の点火中にクロージュアを保持できる十分な強度が得られない。従って、点火前に所定位置へ回転させなければならない追加の係止リングが必要になるため、不必要な費用、複雑さ、装置の潜在的な信頼性低下が追加される。さらに、低融点合金は現場で流し込み成型しなければならないため、さらにコスト及び製造の複雑さが増す。
米国特許第５３１１８２０号は、モータクロージュアをモータ本体内に保持できるようにした装置を記載している。この装置は、二部材からなる重畳管を用いて、内側管の外側と外側管の内側に対応の整合溝を設けて、二つの管部材を互いに係止するために内部ばねリテーナが設けられている。外側管の溝を十分に深くして、ばねリテーナを完全に収容することによって内側管の溝と係合しないようにすることができる。ばねリテーナを内側溝内へ押し進めるためにグラブねじを用いて、それによって二つの管を互いに係止している。グラブねじを一つずつ取り外し、空になった穴に溶した低融点合金を流し込んで固化させる。すべてのグラブねじを交換すると、キーは低融点合金だけによって係合位置に維持される。外部加熱を受けた時、低融点合金が溶けて、ばねリテーナが外側管の溝内へ完全に跳ね出し、これによってクロージュアが解放される。この装置には三つの大きな工学的問題点がある。第一として、ばねリテーナが一貫した信頼できる状態で外向きに移動して外側溝にはまるとは考えられないので、クロージュア部材のきれいな分離が得られるかは疑わしい。第二として、この装置はモータの必要外径を増加させるが、これは望ましくない。第三として、融解時に低融点合金が半径方向に放出されることは、モータを連続した外板またはエアーフレーム内に収容できないことを意味している。第四として、順次グラブねじを取り除いて穴に低融点合金を流し込まなければならないことで時間が掛かり、装置のコストを増加させる。
米国特許第５０３５１８１号は、特に爆弾及び砲弾のヒューズに使用される。上記装置は、衝撃波が音速より高速で伝播する場合だけに使用でき、従ってロケットモータ本体等の加圧容器には関連性がない。
本発明の目的は、固形燃料推進モータケーシング内においてそれの望まない点火の際の圧力上昇を防止する、従来の装置及び方法の問題点を伴わない手段を提供することである。
本発明の第一の態様によれば、推進剤を収容する本体部分を備えており、本体部分はさらに少なくとも一つの取り外し式クロージュア部分を含み、クロージュア部分は保持手段によって前記本体部分に対して所定位置に保持されており、保持手段は、前記本体部分の内側表面上の係合手段で所定位置に保持されると共に、位置決め手段によって弾性付勢手段に抗して前記本体部分に対して半径方向に位置決めされており、前記位置決め手段は温度に反応して所定温度で融解することによって、前記保持手段を前記本体部分の半径方向内側へ移動させて、前記少なくとも一つのクロージュア部分をケーシングから放出させることができるようにした固体燃料推進モータケーシングが提供されている。
その少なくとも一つのクロージュア部分は、例えば通常の使用状態で推進モータ流出物が通過するロケットノズル部分にすることができる。あるいは、その少なくとも一つのクロージュア部分は、例えば誘導電子機器及びペイロードの両方またはいずれか一方を含むミサイルビークルの前部分にすることができる。
本発明では、位置決め手段は、推進材料の爆轟温度より低い、また好ましくは本出願人の上記の同時係属中の特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９６／００３２５号に記載されているような自動点火開始装置を作動させる温度より低い所定温度で融解するようにしている。位置決め手段が融解すると、端部クロージュアを所定位置に保持している弾性付勢された保持手段が弾性付勢手段によって放出されるため、推進剤の望まない点火が発生した場合、燃焼中の推進剤による瞬間的な圧力上昇によって端部クロージュアが簡単に放出される。しかし、端部クロージュアが放出されると、ケーシング内の圧力が大幅に上昇できなくなるため、推進剤の燃焼速度が相当に低下し、危険性が非常に小さくなる。
好ましくは、保持手段にさらに追加の位置決め手段を設けて、モータの通常の点火状態において、燃焼中の推進剤が少なくとも一つの端部クロージュアに加える軸方向スラストが、保持手段をそれの予定位置に保持できるようにする。モータが予定通りに点火する通常の作動状態では、モータの燃焼時間が非常に短く、位置決め手段が融解する温度まで加熱されるには不十分である。しかし、融解が発生したとしても、端部クロージュアは追加の位置決め手段によって所定位置に保持されるであろう。
追加の位置決め手段は、例えば本体部分及び保持手段にそれぞれ設けられて協働する溝及びフランジを含むことができる。
保持手段は、本体部分と協働する寸法の、二つ以上のセグメントに分割されたリングを含むことができる。
本発明の重要な利点は、融解可能な材料から成る位置決め手段を含むすべての部品を組み付け前に事前加工することができ、構造が簡単で経済的になることである。
本発明のさらなる重要な利点は、通常の使用時には可動部品がまったく用いられず、作動の信頼性が確保されることである。
位置決め手段は、ピン、ねじ、ウェッジ、リベットまたは他の適当な手段を含み、所望の所定温度で融解し始める材料で形成することができる。そのような材料は、例えばスズ、鉛、ビスマス、アンチモン及びカドミウムの一つまたは複数から成る金属または合金にすることができる。当該分野の専門家には理解されるように、特定の要件に従って他の金属も使用することができる。
本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様に従ったケーシングを備えたロケットまたはミサイル等のビークルが提供される。
本発明をさらに理解できるようにするため、次に添付の図面を参照しながら例示のためだけの例を説明する。
第１図は、本発明に従った変更実施例を示すモータケーシングを有するビークルの概略断面図であり、
第２図は、取り外し式ノズル部分を有するモータケーシングの一部分を示しており、
第３図は、第２図の「Ｃ」領域をさらに詳細に示しており、
第４図は、第３図に示されている保持手段の端面図であり、
第５図は、第４図の保持手段の側面図であり、
第６図は、第４図のＹ−Ｙに沿った断面図である。
次に図面を参照するが、同一機構には同一の参照番号が付けられている。
第１図は、固体推進モータ１２を備えたビークル１０の概略断面図である。ビークル１０は本体部分１４を備えており、その一端部にノズル１６を含むクロージュアが、他端部には、例えば誘導手段及びペイロード（図示せず）の両方またはいずれか一方を備えた部分１８を含むクロージュアが設けられている。クロージュア１６及び１８は、全体をそれぞれ第１図の「Ａ」及び「Ｂ」領域内に２０、２２で示した後述の手段で所定位置に固定されている。モータケーシングすなわち本体部分１４は、望ましくない外部低速加熱の場合にクロージュア１６及び１８のいずれか一方または両方を放出させる手段を用いることができる。さらに、ビークルは、本出願人の上記の同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ９６／００３２５号に記載されているような、爆轟前にモータ１２に点火する手段も設けることができる。しかし、そのような点火手段は、本発明に関して後述する温度と同程度か、さらに好ましくはそれより高い温度で作動することを理解されたい。
次に本発明に従った実施例を示す第２図ないし第６図を参照すると、ケーシング１４が、ノズル１６を含むクロージュアを備えている。通常の状態では、第２図に全体を２０で示されていると共に、第２図の「Ｃ」領域を示す第３図にさらに詳細に示されている保持手段によって、ノズル１６が所定位置に保持されている。ノズル１６は保持リング３０によって所定位置に保持されており、これは四つのセグメント３２に分割されて、その間にギャップ３４が設けられている。保持リングセグメント３２は、ノズル１６に形成された穴３８と整合した軸方向に向いた穴３６を備えている。所定温度で融解する低融解点の合金から成るピン４０を含む位置決め手段が穴３６、３８にはめ込まれて、保持リングセグメント３２とノズル１６を所定の半径方向関係に維持できるようにしている。保持リングセグメント３２にはさらに円周方向フランジ部分４２が設けられ、これが係合手段、この場合はケーシングすなわち本体部分１４の内側表面の対応の円周方向溝４４にはめ込まれてそれと協働することによって、ノズル１６が所定の軸方向位置に維持される。リングセグメント３２にはさらに、セグメント３２を位置決めピン４０に抗して半径方向内側へ付勢するばね５０等の弾性付勢手段を収容する半径方向の盲穴４８が設けられている。シール部材５２が、ケーシング１４とノズル１６の間に設けられている。
作用を説明すると、ビークル１０の通常の点火状態では、モータが予定通りに燃焼し、モータ１２の軸方向スラストを協働するフランジ４２及び溝４４が支承している。ピン４０が通常の作動状態で融解したとしても、フランジ４２及び溝４４に加わるモータの軸方向スラストが、フランジ及び溝を離脱させる方向に向けてばね５０が加える半径方向力よりはるかに大きい。しかし、モータの燃焼時間が短いため、ノズルの熱伝導性が低いことと時間が不十分であることから、ピンは融解しないであろう。
モータ１２が望ましくない低速外部加熱を受けた場合、ピン４０は９０℃等の所定の温度で融解し、このため拘束されなくなったばね５０がセグメント３２を半径方向内側へ押すことができるので、フランジ４２が溝４４から外れる。このため、ノズル１６はもはや軸方向に位置決めされなくなる。モータ１２の望ましくない点火によって、ノズルは瞬時にケーシングから放出されるため、圧力上昇が阻止され、モータ１２が低速度で燃焼する。
モータ１２には、本出願人の上記の同時係属中の特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ９６／００３２５号に記載されているような装置で点火することができる。そうである場合、そのような点火は、ピン４０が融解する温度と同程度か、さらに好ましくはそれより高い温度で行われるので、モータが燃焼し始めてフランジ４２と溝４４の間に高い軸方向力を発生する可能性がない。
ビークル１０の前方のクロージュア１８を、必要に応じてノズル１６と同様にして放出される構造にすることができることは、当該分野の専門家には明らかであろう。
あるいは、セグメント３２には、例えばコイルばね５０の代わりに一つまたは複数の円周方向に向いた板ばねを設けることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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