JP3697105B2

JP3697105B2 - ポペット式スラスタバルブ

Info

Publication number: JP3697105B2
Application number: JP10955999A
Authority: JP
Inventors: 輝久谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2019-04-16
Also published as: JP2000297701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体推薬を燃焼させて発生させた高温高圧の燃焼ガス等（以下高圧ガスという）を飛しょう体の側面から噴出させて、この噴流により、高速飛しょうしている飛しょう体の制御を行うために、所要の旋回加速度および姿勢制御モーメントを直接発生させる推力を得るための固体推薬スラスタのポペット方式スラスタバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛しょうしている飛しょう体に旋回加速度および姿勢制御モーメントを発生させる装置として、飛しょうにより発生している空気力を揚力面に作用させて操舵力を得るようにした操舵翼方式の操舵装置の外に、図４（ａ）に示す飛しょう体１３の重心位置より離隔した側面から噴流２０を噴出させるスラスタ１２を、図４（ｂ）に示すように周方向に等ピッチにして４個設け、これらのスラスタ１２のうちの１つから噴流２０の噴射をオン／オフにさせることにより、飛しょう体１３の旋回、姿勢制御等に必要な推力Ｆを発生させて、飛しょうを行うようにしたスラスタ方式の操舵装置がある。
【０００３】
このようなスラスタ方式の操舵装置で使用されるスラスタ１２のうち、噴流２０を固体推薬の燃焼ガスで発生させて推力Ｆを発生させるようにした、固体推薬サイドスラスタ等の高圧ガスを使用するようにスラスタ１２では、推力ＦのＯＮ／ＯＦＦ作動を高速で行い、頻度の高い旋回、姿勢制御を行うためのバルブとしてフローティングポペット方式のバルブ用いるようにしたポペット方式スラスタバルブがある。
【０００４】
このようなポペット方式スラスタバルブでは、ノズル内にポペットを前後動自在にして設け、ポペットの背面側に設けたコントロール室内の圧力を制御することによりポペットを前後に動かし、ポペットの作動により外部へ噴流２０を噴出させるノズル噴出口を開閉して、推力ＦのＯＮ／ＯＦＦを行うようにしている。
【０００５】
図５は、このようなフローティングポペット方式のバルブを使用するようにした、従来のポペット方式スラスタバルブの縦断面図である。
図に示すように、ポペット方式スラスタバルブを使用するようにしたスラスタ１２では、固体推薬を燃焼させ発生させた高温、高圧の燃焼ガス等からなる高圧ガスは、ガス源１からポペット室２に導かれ、ノズルスロート３を通り、ノズル４から噴出する噴流２０により推力Ｆを発生させる。
【０００６】
なお、ガス源１からポペット室２に導かれ推力を発生させる高圧ガスは、上述の燃焼ガスだけではなく、液体状態から気体状態に変化するときの容積変化が非常に大きくなる窒素ガス等を使用するようにしても良い。
【０００７】
一方、ポペット５の内部には流路６が設けられており、ポペット室２は、この流路６によりポペット５の背面５１後方に設けられたコントロール室７とつながっており、ガス源１からポペット室２に供給された高圧ガスは、ノズル４から噴出して推力を発生させるとともに、一部は流路６を通りコントロール室７に導入され、コントロール室７から途中に開閉機構１９を設けた排出流路８を通って、外部に放出されるようにしている。
なお、この開閉機構１９としては、電磁弁等の排出流路８を全開、全閉するものを使用するようにしている。
【０００８】
このために、開閉機構１９により排出流路８が開放されていると、コントロール室７は外部に通じることにより、流路６を介してコントロール室７内に高圧ガスが流入してもコントロール室７内の圧力は殆んど上昇することなく、ポペット室２に流入し、ポペット５の中間部に設けられたフランジ部５２に作用する圧力とポペット５の背面５１に作用する圧力との差圧により、ポペット５は図中下方の後方に動き、テーパ状に形成されたポペット５の先端面５３とノズルスロート３との間に開口が生じ、高圧ガスは外部へ噴出され推力を発生し続ける。
【０００９】
また、開閉機構１９により排出流路８が閉鎖されると、流路６を通じコントロール室７に流入する高圧ガスは、排出流路８を介しての外部への流出がなくなり、コントロール室７内の圧力が上昇し、ポペット５の先端部に作用する高圧ガスの圧力との差圧により、ポペット５が図中上方の前方に移動することとなり、ノズルスロート３と先端面５３との間に形成されていた開口が閉鎖され、高圧ガスのノズルスロート３からの噴出が停止し、推力の発生はなくなる。
【００１０】
すなわち、コントロール室７に対面するポペット５の背面５１側の高圧ガスの作用する面積は、ポペット５のノズルスロート３に対面する側のフランジ部５２を含むポペット５の先端部に作用する高圧ガスの受圧面積に比較して、ノズルスロート３から外部へ突出する先端面５３の面積分だけ小さく、コントロール室７およびポペット室２内の流入した高圧ガスの圧力が開閉機構１９の閉鎖により、均等になることにより、コントロール室７からポペット５背面に作用する力が大きくなり、ポペット５は前方へ移動させられ、ノズルスロート３にポペット５の先端面５３が嵌り込み、ノズルスロート３と先端面５３との間に形成される開口は閉鎖されることになり、推力の発生はなくなる。
【００１１】
この開閉機構１９の作動により、ノズルスロート３の開閉に使用される高圧ガスの流量は小さいので、小出力・小型の開閉機構１９であっても、高圧ガスのノズルスロート３からの噴出を高速に制御でき、推力を制御することができる。
【００１２】
しかし、図６において示すように、ポペット５の背面５に加わるポペット後方加圧力１４は、ポペット５が上方に移動してもコントロール室７からの出口面積が変わらず、ほぼ一定であるのに対して、ポペット５が上方に移動した場合、ポペット５の先端面５３に加わるポペット前方加圧力１５は、その先端面５３がノズルスロート３の外に出る量が大きくなるため、低い圧力にさらされる面積が増大するために小さくなる。
【００１３】
このように従来のポペット方式スラスタバルブでは、ポペット５全体に加わる力の総和であるポペット加圧力１６は、０になることはなく、また、ポペット５の変位に対して、変位を抑止する方向に働く力、いわゆる負の方向に力が働かず、図６に示すように、ポペット５の背面５１に作用するポペット後方加圧力１４は、ポペット５が上方に移動してポペット位置ｘの右側への移動が大きくなっても、コントロール室７からの出口面積が変らないため、略一定であるのに対して、ポペット５のフランジ部５１を含む先端部に作用するポペット前方加圧力１５は、ポペット位置ｘが大きくなるに伴い、先端面５３がノズルスロート３からポペット室２内の高圧ガスの作用しない外部へ突出するため、急激に減少することになる。
【００１４】
この結果、ポペット後方加圧力１４とポペット前方加圧力１５との差で生じるポペット加圧力１６は、ポペット前方加圧力１５と同様にポペット位置ｘの増大と伴に急激に減少し、ポペット５の前方への移動を抑止する負の方向の力は働かず、ポペット５を任意のポペット位置ｘに静止させることができない。
つまり、従来のポペット方式スラスタバルブにおいては、ポペット加圧力１６を最も小さくできる排出流路８を全開にした場合においても、ポペット加圧力１６を０にすることができず、ポペット５の位置について静的安定を得ることができず、噴流２０の制御はオン／オフでしか行えない。
【００１５】
そのため、飛しょう体１３の制御を行う上で、所要の旋回加速度及び姿勢制御モーメントを行うに必要な大きさの制御力を直接発生させることが出来ない。
また、噴流２０をパルス状に噴出させて推力を発生させ、パルス幅の制御によりトータルで所要の旋回加速度等にするなどの制御を行うことも考えられるが、パルス幅の制御には最小限界があるため、正確に所要の旋回加速度あるいは姿勢制御モーメントを発生させることができず、飛しょう体の制御特性は悪化するとともに、制御系に対して外乱となる不具合もある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来のポペット方式スラスタバルブの不具合を解消するため、コントロール室からの出口面積を可変にして、ポペットを前後方向の任意の位置に静止させることのできる静的安定のあるものにすることができ、正確に飛しょう体の制御に必要とする制御力を発生させることができ、飛しょう体を制御特性に秀れたものにできるとともに、制御系に対して外乱を生じることのないポペット方式スラスタバルブの提供を課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のポペット方式スラスタバルブは、次の手段とした。
【００１８】
（１）外部からポペット室内に導入され、ノズルスロートから外部に放出させて推力を発生させる高圧ガスの一部を、ポペット室内を前後動自在に設けられたポペット内に穿設された流路によりポペット室後方に設けられたコントロール室に導入し、この高圧ガスの圧力によりノズルスロート内を前進してノズルスロートを閉鎖状態にしているテーパ状のポペット先端面を、後退させてノズルスロートを開放状態にすべく、ノズルを構成するコントロール室の後方に設置された駆動機構により駆動され、コントロール室に導入した高圧ガスを外部に排出する排出流路の出口部を前後動して、外部に排出される高圧ガスの流量を調整してポペット先端面を後退させ、ノズルスロートを飛しょう体の制御に好適な調整された開度にするオリフィスを設けた。
【００１９】
（２）ポペットの背面からオリフィスの中心に向けて突出され、ポペットの前後動に追従して動き、オリフィスの中心を貫通するとき、オリフィスの横断面積を変え、コントロール室に導入された高圧ガスが排出流路から外部へ放出される流量をオリフィスとともに制御して、ノズルスロートを飛しょう体の制御に好適な調整された開度にするニードルを設けた。
【００２０】
これにより、閉鎖している先端面を後退させノズルスロートを開放するために、コントロール室に導入された高圧ガスを排出流路を介して外部に排出するためのコントロール室出口部の断面積が可変にされて任意に設定できるため、ポペットは前後方向の任意の位置に静止させることができ、ノズルスロートとポペット先端面との間に形成される開口を任意の大きさにして、飛しょう体の制御に必要とする制御力を発生させることができ、飛しょう体を制御特性に優れたものにすることができる。
また、従来のパルス制御において生じていた、制御系に対する外乱が生じることもなくなる。
【００２１】
また、本発明のポペット方式スラスタバルブは、次の手段とした。
【００２２】
（３）外部からポペット室内に導入され、ノズルスロートから外部に放出させて推力を発生させる高圧ガスの一部を、ポペット室内を前後動自在に設けられたポペット内に穿設された流路によりポペット室後方に設けられたコントロール室に導入し、この高圧ガスの圧力によりノズルスロート内を前進してノズルスロートを閉鎖状態にしているテーパ状のポペット先端面を後退させて、ノズルスロートを開放状態にすべく、ポペットの背面から突出して設けられ、コントロール室に導入した高圧ガスを外部に排出する排出流路出口部を、ポペットの前後動に追従して前後動し、外部に排出される高圧ガスの流量を調整してポペット先端面を後退させ、ノズルスロートの開口を飛しょう体の制御に好適な調整された開度にするオリフィスを設けた。
【００２３】
（４）コントロール室の後方に設置された駆動機構のロッド先端部から、オリフィスの中心に向けて突出され、駆動機構の駆動によりオリフィスの中心を貫通するとき、オリフィスの横断面積を変え、コントロール室に導入された高圧ガスが排出流路から外部へ放出される流量をオリフィスとともに制御して、ノズルスロートの開口を飛しょう体の制御に好適な調整された開度にするニードルを設けた。
【００２４】
これにより、上述した発明と同様に、高圧ガスを排出流路を介して外部に排出するためのコントロール室出口部の断面積が、可変にされて任意に設定でき、ポペットは前後方向の任意の位置に静止させることができ、ノズルスロートとポペット先端面との間に形成される開口を任意の大きさにできて、飛しょう体の制御に好適な制御力を発生させることができ、飛しょう体を制御特性に優れたものにすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明のポペット式スラスタバルブの実施の一形態を、図面にもとづき説明する。
なお、従来の技術で説明した従来のポペット式スラスタバルブと同じ部材および類似の部材については、同一符号を付して説明は極力省略する。
図１は本発明のポペット方式スラスタバルブの実施の第１形態を示す縦断面図で、図１（ａ）は縦断面図，図１（ｂ）は図１（ａ）に示すポペットに働く力を示す図である。
【００２６】
図４に示すように、飛しょう体１３の周囲に取り付けられる、スラスタ１２に使用されるポペット方式スラスタバルブは、図１に示すようにポペット室２内を自在に前後動できるようにして、ポペット室２内に設けられたポペット５の背面５１から後方に向けニードル９を設けるとともに、ニードルの後端部に設けたテーパ部がポペット５の後方への移動により、その中心部分に出入り出来るようにしたオリフィス１０を設けるようにした。
【００２７】
また、このオリフィス１０は、排出流路８の入口側に設けられ、ポペット室２に後方に設置された駆動機構１１により前後方向に移動可能にされている。
なお、この駆動機構１１は、従来のポペット式スラスタバルブの排出流路の途中に設置される開閉機構１９が、ＯＮ−ＯＦＦの制御しかできないのに対して、ロッド、換言すればロッドの先端に固着されたオリフィス１０を前後方向の任意の位置に配置できるものにしている。
【００２８】
従って、本実施の形態のポペット方式スラスタバルブでは、ポペット５の前後動によるニードル９の前後動および駆動機構１１によるロッドの伸縮によるオリフィス１０の前後動により、コントロール室７から排出流路８への高圧ガスの流路面積を迅速に変化させるようにすることができる。
すなわち、排出流路８から外部へ排出される高圧ガスの流量を迅速に変化させることにより、高圧ガスのノズルスロート３からの噴出を高速で制御でき、推力の高速制御ができる特有の効果を有するポペット方式スラスタバルブとすることができる。
【００２９】
すなわち、図１において、ポペット５が図中下方に移動した場合、ニードル９のテーパ状にされた後端部がオリフィス１０の中心部に入り、コントロール室７からの出口面積が減少させる。
また、ポペット５が図中上方に移動した場合、ニードル９の後端部がオリフィス１０から中心部から出て、コントロール室７からの出口面積が増大する。
【００３０】
ここで、コントロール室７の圧力は、流路６から流入する高圧ガスの量と、オリフィス１０および流路８を通って流出する高圧ガスの量で決定されるので、ポペット５の位置が上方に移動すると、コントロール室７の圧力は急激に下がり、また、ポペット５の位置が下方に移動すると急激に上がることとなる。
このため、高圧ガスによってポペット５に加わる力を、ポペット５位置ｘを横軸にして表すと、図２に示すように、ポペット後方加圧力１４は、ポペット５が上方に移動してポペット位置が大きくなるほど、急激に小さくなる。
【００３１】
また、ポペット５の前方に加わるポペット前方加圧力１５も、従来のポペット方式スラスタバルブと同様ポペット５が上方に移動すると、その先端面５３がノズルスロート３の外に出るため、低い圧力にさらされる面積が増大し、小さくなる。
すなわち、ポペット３に加わる力の総和であるポペット加圧力１６は、ポペット位置ｘのある点で０になるとともに、０になるポペット位置ｘより後方にポペット５がある場合には、ポペット５の変位に対して変位を抑制する、いわゆる、負の方向に働くポペット加圧力１６を発生させることができるようになる。
これにより、ポペット５の位置に対し静的な安定を与えることが出来るようになる。
【００３２】
さらに、ポペット加圧力１６を０にできるポペット位置ｘ、いわゆる、安定位置は、オリフィス１０の位置を駆動機構１１で前後方向に移動させることにより、安定位置を変更して、ポペット５を任意のポペット位置ｘに停止させることができるようになる。
また、ノズル４から外部に噴射する高圧ガスの流量は、ノズルスロート３とポペット５の先端面５３との間に形成される開口面積によって決定されるので、ポペット位置ｘを連続的に変化させることで、高圧ガスのノズル４からの噴射流量、すなわち、飛しょう体１３の制御を行う推力の大きさを連続的に制御できるようになる。
【００３３】
また、駆動機構１１の作動により排出流路８から流出する高圧ガスの流量は小さいので、小出力・小型の駆動機構１１であっても高圧ガスの噴出変化を高速に制御できる。
従って、小出力・小型の駆動機構１１で旋回加速度および姿勢制御モーメント等の高速の制御が可能な特性を備えた上で、ノズル４からの噴射流量を連続的に制御することが可能であり、飛しょう体の制御において、必要とする所要の旋回加速度及び姿勢制御モーメント等を精度良く発生できるようになる。
【００３４】
次に、図３は本発明のポペット方式スラスタバルブの実施の第２形態を示す縦断面図である。
【００３５】
本実施の形態においては、ポペットの５背面５１にオリフィス１７を設け、オリフィス１７の中心部に対してニードル１８を出入りさせることができるようにした駆動機構１１をポペット室２の後方に設けるようにした。
すなわち、図において、ポペット５が図中下方の後方に移動した場合、ニードル１８の先端部がオリフィス１７の中心部に入り、コントロール室７からの出口面積が減少する。
【００３６】
また、図中上方の前方に移動した場合、ニードル１８の先端がオリフィス１７から出、コントロール室７からの出口面積が増大する。ここで、前述した実施の第１形態と同様にコントロール室７内の圧力は、流路６から流入する高圧ガスの量と、オリフィス１７および排出流路８を通って流出する高圧ガスの量で決定されるので、ポペット５の位置が前方に移動すると、コントロール室７の圧力は下がり、後方に移動すると上がることとなる。
【００３７】
本実施の形態においても、ポペット５に加わる、いわゆるポペット加圧力１６はポペット位置ｘとして表わすと、図３に示す実施の第１形態と同様に、ポペット５の後方に加わる力１４は、ポペット５が前方に移動するほど小さくなる。
また、ポペット５の前方に加わるポペット前方加圧力１５は、ポペット５が前方に移動すると、その先端がノズルスロート３の外に出るため、低い圧力にさらされる面積が増大し、急激に小さくなる。
【００３８】
すなわち、ポペット５に加わる力の総和であるポペット加圧力１６は、ある点で０になり、またポペット５の変位に対して負の方向に力が働く。
これにより、ポペット５の位置に対し静的な安定性を与えることが出来る。
また、ニードル１８の位置を駆動機構１１で前後方向に移動させることにより、安定位置を変更してポペット５を任意の位置に停止できる。
【００３９】
ノズル４からの高圧ガスの流量は、ノズルスロート３の面積によって決定されるので、ポペット５の位置を連続的に変化させることで、高圧ガスの流量を連続的に制御できる。
また駆動機構１１の扱う流量は小さいので、小出力・小型の駆動機構であっても高圧ガスの噴出を高速に制御できる。
従って、小出力・小型の駆動機構で高速な制御が可能な特性を備えた上で、流量を連続的に制御することが可能であり、飛しょう体１３の制御において、所要の旋回加速度及び姿勢制御モーメントを発生できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のポペット方式スラスタバルブは、コントロール室の後方に設置された駆動機構により駆動され、高圧ガスの排出流路への出口部を前後動するオリフィス、ポペットの背面からオリフィスの中心に向けて突出されたニードルを設けるものとした。
【００４１】
これにより、ポペットは前後方向の任意の位置に静止させることができ、ノズルスロートとポペット先端面との間に形成される開口を任意の大きさにして、飛しょう体の制御に必要とする制御力を発生させることができ、飛しょう体を制御特性に優れたものにすることができる。
また、制御系に対する外乱が生じることもなくなる。
【００４２】
また、本発明のポペット方式スラスタバルブは、ポペットの背面から高圧ガスの排出流路への出口部へ突出して設けたオリフィス、コントロール室の後方に設置された駆動機構により駆動され、オリフィスの中心に向けて前後動するニードルを設けるものとした。
【００４３】
これにより、上述した発明と同様に、コントロール室出口部の断面積が、可変にされて任意に設定でき、ポペットは前後方向の任意の位置に静止させ、ノズルスロートとポペット先端面との間に形成される開口を任意の大きさにできてコントロール室出口部から排出される高圧ガスの流量を任意に設定でき、飛しょう体の制御に好適な制御力を発生させることができる制御特性に優れたものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポペット方式スラスタバルブの実施の第１形態を示す縦断面図で、図１（ａ）は縦断面図，図１（ｂ）は図１（ａ）に示すポペットに働く力を示す模式図、
【図２】図１に示すポペット方式スラスタバルブの各ポペット位置においてポペットに作用する力を示す図、
【図３】本発明のポペット方式スラスタバルブの実施の第２形態を示す縦断面図、
【図４】サイドスラスタにより旋回加速度、姿勢制御モーメント等の制御力を発生させるようにした飛しょう体を示す図で、図４（ａ）は側面図，図４（ｂ）は図４（ａ）に示す矢視Ａ−Ａにおける横断面図、
【図５】従来のポペット方式スラスタバルブを示す図で、図５Ａは縦断面図，図５Ｂは図５（ｂ）に示すポペットに作用する力を示す模式図、
【図６】図５に示すポペット方式スラスタバルブの各ポペット位置におけるポペットに作用する力を示す図である。
【符号の説明】
１ガス源
２ポペット室
３ノズルスロート
４ノズル
５ポペット
５１背面
５２フランジ部
５３先端面
６流路
７コントロール室
８排出流路
９ニードル
１０オリフィス
１１駆動機構
１２スラスタ
１３飛しょう体
１４ポペット後方加圧力
１５ポペット前方加圧力
１６ポペット加圧力
１７オリフィス
１８ニードル
１９開閉機構
２０噴流
Ｆ推力
ｘポペット位置

Claims

ノズルスロート、前記ノズルスロートの後方に設けられたポペット室、および前記ポペット室の後方に設けられたコントロール室を有するノズル、前記ポペット室内に前後動自在に設けられ、外部から前記ポペット室内に導入された高圧ガスを背面後方に配置された前記コントロール室に導入する流路、および前記高圧ガスにより前記ノズルスロート内を前進し、前記ノズルスロートを閉鎖するテーパ状の先端面を有するポペット、前記高圧ガスを外部に放出し閉鎖している前記先端面を後退させ前記ノズルスロートを開放する排出流路からなるポペット方式スラスタバルブにおいて、前記コントロール室の後方に設置された駆動機構により駆動され、前記高圧ガスの前記排出流路への出口部を前後動するオリフィスと、前記ポペットの背面から前記オリフィスの中心に向けて突出されたニードルとを設けたことを特徴とするポペット方式スラスタバルブ。
ノズルスロート、前記ノズルスロートの後方に設けられたポペット室、および前記ポペット室の後方に設けられたコントロール室を有するノズル、前記ポペット室内に前後動自在に設けられ、外部から前記ポペット室内に導入された高圧ガスを背面後方に配置された前記コントロール室に導入する流路、および前記高圧ガスにより前記ノズルスロート内を前進し、前記ノズルスロートを閉鎖するテーパ状の先端面を有するポペット、前記高圧ガスを外部に放出し閉鎖している前記先端面を後退させ前記ノズルスロートを開放する排出流路からなるポペット方式スラスタバルブにおいて、前記ポペットの背面から前記高圧ガスの前記排出流路への出口部へ突出して設けられたオリフィスと、前記コントロール室の後方に設置された駆動機構により駆動され、前記オリフィスの中心に向けて前後動するニードルとを設けたことを特徴とするポペット方式スラスタバルブ。