JPH0357868A - ラムロケット用ガスジェネレータの燃焼圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、可燃性ガスと、外部から導入した外気とを燃
焼室で混合して二次燃焼させるラムロケットにおいて、
可燃性ガスを発生させて燃焼室（二次燃焼室）に供給す
るいわゆる一次燃焼室として機能するガスジェネレータ
の燃焼圧力制御装置に関する。

従来の技術 ラム口ケノトは、その基本構造として頭部側から順にガ
スジェネレータおよび燃焼室を備えるとともに、側部に
は、頭部側に開口し且つ前記燃焼室に連通ずるディフュ
ーザを備えている。前記ガスジェネレータには、燃料過
剰の組成を有する固体のサステーナ推進薬が装填してあ
り、燃焼室には、固体のブースタ推進薬が装填してある
。そして、上記のラムロケッ１・は、ブースタ推進薬へ
の点火によって発進し、ブースト飛翔の終了とともに所
定の速度に達したところでサステーナ推進薬に点火し、
前記サステーナ推進薬の燃焼（一次燃焼）で生じた可燃
性ガスと、ディフューザから導入した外気とを混合して
燃焼室で連続的に二次燃焼させることによって飛翔し続
ける（例えば、日本航空宇宙学会編「航空宇宙工学便覧
　増補版」，（昭５９．１０．１０）．丸善，Ｐ６５５
〜６５６参照）。

ここで、上記のようなラムロケノトには、第４図に示す
ように、ガスジエネレータ１００の燃料噴射ノズルＬｏ
ｔに流ｆｉｆｆ整機構を設け、ビントル１０５によりノ
ズル開度（燃料噴射ノズルの有効開口面積）を変化させ
て可燃性ガスの流量を制御し、燃焼およびこれに伴う推
力の安定化を図るようにしたものがある。

前記ガスジェネレータ１００は、内部にサステーナ推進
薬１０２が装填してあって、前記ノズル１０１を介して
燃焼室１０３に連通している。前３己ノズノレ１０１は
、コンバージェントＫ　１　０　１　ａに連続したスロ
ート部１０ｌｂを有するものであって、前記コンバージ
ェント部１０１ａには、その直径方向に貫通する駆動軸
１０４と、ビントル１０５をノズル１０１の軸線方向へ
移動可能に保持するホルダ１０６とが設けてある。

前記駆動軸１０４は、一端部に、ノズル外部に設けたサ
ーボモータ１０７の減速機構１０８が連結してあるとと
もに、ノズル壁部との間にシール材１０９が介装してあ
る。前記ビントル１０５は、円錐状の先端部をスロート
部１０ｌｂに延出させるとともに、基部には、前記駆動
軸１０４に偏心位置を固着した球状カム１１０が係合し
ている。

上記の流量調整機構は、予め設定した指令信号を外部か
ら入力してサーボモータ１０７で駆動軸１０４をその軸
まわりに回動させ、球状カム１１０を介してビントル１
０５をノズル１０１の軸線方向へ移動させることにより
、スロート部１０１ｂの開口面積を変化させて可燃性ガ
スの流量を調整するものである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような流量調整機構を備えた従来
のラムロケット用ガスジェネレータにあっては、ノズル
開度を変化させるべく単にビントル１０５の位置を制御
しているだけで実際の燃焼圧力をフィードバックしてい
ないため、ノズル開度変化に対する燃焼圧力の応答性が
悪いばかりでなく制御誤差が大きく、圧力制御の精度の
向上に限界がある。

これは、ビントル１０５の位置指令信号を、サステーナ
ｔ［ｆｆｌＸ　１　０　２の燃焼面積とノズルスロート
面積との関係をもとに予め設定しておいたとしても、サ
ステーナ推進薬１０２の物性等の影響のために燃焼途中
で予想し得ない不安定な燃焼挙動をしていることが原因
と考えられる。

本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、ガスジェネレータの燃焼圧力
を直接フィードバックすることにより、応答性の向上と
圧力制御の精度の向上を図った圧力制御装置を提供する
ことにある。

課題を解決するための手段 第１の発明は、ガスジェネレータの噴射ノズルから噴射
した可燃性ガスとディフューザから導入した外気とを燃
焼室で混合して燃焼させるとともに、噴射ノズルのガス
流量を調整してガスジェネレータの燃焼圧力を可変制御
するようにした装置において、予め設定された燃焼圧力
の目標値を出力するジェネレータ基本制御手段と、燃料
噴射ノズルのスロート面積を変化させてガス流量を調整
する流Ｎ調整手段と、ガスジェネレータの内圧を検出す
る圧力センサと、上記の目標値と圧力センサによって検
出された実圧力とを比較してその差に相当する信号を駆
動信号として前記流量調整手段に付与する比較制御手段
とを備えている。

また第２の発明は、ガスジェネレータの噴射ノズルから
噴射した可燃性ガスとディフューザから導入した外気と
を燃焼室で混合して燃焼させるとともに、噴射ノズルの
ガス流量を調整してガスジェネレータの燃焼圧力を可変
制御するようにした装置において、ガスジェネレータの
点火後ガスジェネレータの圧力が所定の値になるまでは
予め設定された燃焼圧力の目標値を流量調整手段に対し
出力するジェ不レーク基本制御手段と、噴射ノズルのス
ロート面積を変化させてガス流量を調整する流量調整手
段と、ガスジェネレータの内圧を検出する圧力センサと
、上記の目標値と圧力センサによって検出された実圧力
とを比較してその差に相当する信号を駆動信号として出
刀する比較制御手段と、ガスジェネレータの内圧が所定
の値になった時点で流量調整手段に入力される信号を目
標値から比較制御手段の出力に切り換えるモード切換手
段とを備えている。

作用 第１の発明によると、圧力センサをフィードバック要素
にもっことによってガスジェネレータの燃焼圧力がフィ
ードバック制御される。

また第２の発明によると、当初は従来と同様に流量調整
手段のビントルの位置が直接制御されるものの、燃焼圧
力が所定の圧力に達したのちは自動的に上記のフィード
バンク制御に切り換えられて燃焼圧力がフィードバック
制御されるようになる。

実施例 第１図および第２図はこの発明の一実施例を説明する図
であって、各図の左側が頭部側であり、右側が尾部側で
ある。

ラムロケットＲは、第２図に示すように、ガスジェネレ
ータ１の尾部に燃焼室４を備えるとともに、側部に、複
数のディフューザ１４を備えている。また、ガスジェネ
レータ１の頭部側には、後述するビントル１２の駆動手
段１７が搭載してあり、さらに前記駆動手段１７の頭部
側には、例えば飛翔に必要なベイロード等を搭載するた
めのノーズコーン（図示せず）を連結する。

前記燃焼室４には、固体のブースタ推進薬３０が装填し
てある。このため、燃焼室４の尾部に設けたラムジェッ
ト用ノズル３Ｉの内側には、クランプ３２を用いてロケ
ソト用ノズル３３がｌｉ可能に組み込んであり、さらに
ロケット用ノズル３３の内側には、ブースタ推進薬３０
に点火するためのイグナイタ３４が取り付けてある。

前記ディフューザ１４は、当該ラムロケットＲの頭部側
に開口するとともに、前記燃焼室４の頭部寄りに連通し
ており、燃焼室４内への開口部分がボート力バー３５で
閉塞してある。前記ボートカバー３５のディフューザｌ
４側の面には、火工品３５ａが取り付けてある。また、
前記ディフューザ１４の尾部側には、収納部３６が連設
してあって、この収納部３６内には、前記火工品３５ａ
を作動させるためのボートカバー解除装置３７が収納し
てある。

ガスジェネレータ１は、固体のサステーナ推進薬２を装
填したタンク３に、燃焼室４に連通ずる噴射ノズル５と
、当該タンク３の内部にて前記噴射ノズル５に向けて延
出するパイプ状のビントルケース６とを同軸線上に備え
ている。

前記タンク３は、本体部分を構成する円筒部材７の頭部
に、中央に前記ピントルケース６の基端を固定した前部
鏡板部材８をねじ結合するとともに、前部円筒部材７の
尾部に、中央に前記噴射／ズル５を形成した後部鏡板部
材９をねし結合した構成になっており、ビントルケース
６の先端が噴射ノズル５の近傍に達している。このタン
ク３内には、ピントルケース６の長さ分にわたって、レ
ストリクタ１ｏを介して前記サステーナ推進薬２が装填
してある。そして、ビントルケース６とレストリクタｌ
Ｏとの間に断熱材１１を介装することにより、前記ピン
トルケース６内に挿設したピントルｌ２に対する熱保護
性能を高めるようにしてある。

また、前記後部鏡板部材９には、サステーナ推進薬２の
点火器１３のほか、ガスジエネレータ】内の燃焼圧力を
検出するための圧力センサ４０が取り付けられている。

この圧力センサ４０の出力信号は増幅器４１を介して後
述する比較制御手段としてのループアンブ４３に入力さ
わるようになっており、圧力センサ４０は実質的にルー
プアンブ４３との間で圧力フィードバックルーブを形成
している。

ここで、圧力七ンサ４０としては、圧電変換素子への圧
力伝達媒体として耐熱性のあるシリコングリス等を用い
たものが使用される。

上記のタンク３は、燃焼室４の頭部に開口する連結部４
ａに、後部鏡板部材９の尾部をねじ結合している。なお
、前記連結部４ａの開口部には、離脱司能あるいは焼尽
性を有するカバーを設けることがある。

前記ビントル１２は、ピントルケース６に挿設した状態
において、円錐形の先端部がノズル５の開口部中央に延
出するとともに、おねじ部１２ａを形成した基端がタン
ク３の外側に突出し、基端部近傍には、ピントルケース
６め内面に摺接するシールリング１５が嵌着してある。

また、前記ピントルケース６の先端には、ガイドリング
１６が固定してあって、このガイドリング１６は、ビン
トルｌ２をその軸線が噴射ノズル５の軸線と一致する状
態に保ち、且つピントルケース６とビントル１２との間
に可燃性ガスが入り込むのを防止する。上記ビントルｌ
２の基端側には、当該ビントル１２を軸方向に往復動さ
せるための駆動手段１７が連結してある。

上記駆動手段１７は、ボールねじ１８およびサーボモー
タ１９をビントル１２の同軸線上に配設した構成を有す
るものであって、前部鏡板部材８に固定した第１ブラケ
ット２１に、軸受２０等を介して前記ボールねじ１８の
スクリューシャフト１８ａを取り付けるとともに、前記
第１ブラケット２０に固定した第２ブラケソト２２に、
前記サーボモータｌ９を固定し、スクリューシャフト１
８ａとサーボモータ１９の出力軸１９ａとを継手２３で
連結している。前記ボールねじ１８のナット部ｔａｂは
、ナットホルダ２４に取り付けてある。そして、前記ナ
ットホルダ２４に貫通させたピントル１２のおねじ部１
２ａにナット２５を螺着することにより、前Ｓ己ナット
ホノレダ２４とビントル１２とを連結する。これにより
、上記駆動手段１７は、ボールねじ１８を介して、サー
ボモータ１９の回転運動をナｙｈホルダ２４の直線運動
に変換し、ビントル１２を軸方向に往復動させる。

また、前記第ｌブラケット２ｌには、ピントル１２の変
位を検出するために、入力軸２６ａをナットホルダ２４
に固定したポテンショメータ２６が取り付けられており
、このポテンショメータ２６はサーボアンブ２７との間
でビントルｌ２の位置フィードバックルーブを形成して
いる。そして、ピントル１２と前述した駆動手段Ｉ７と
で、噴射ノズル５のスロート面積を変化させてガス流量
を調整する流量調整手段４２が構成されている。ここで
、駆動手段１７がタンク３よりも前方側にあるのは、ガ
スジェネレータ１の発生ガスによる熱影響を極力なくし
、その操作性能を維持させるためである。

サーボアンブ２７の前段には比較制御手段としてのルー
プアンプ４３のほか、ジェ不レータ基本制御手段として
の関数発生器４４が設けられている。関数発生器４４に
はサステーナ推進薬２の燃焼面積と噴射ノズル５のスロ
ート面積との関係をもとに時間の経過に応じた燃焼圧力
の目標値が予め設定されており、関数発生器４４はこれ
をピントル１２の位置指令としてサーボアンブ２７また
はループアンブ４３に出力するもので、関数発生器４４
とループアンプ４３との間にはモード切換手段４５が設
けられる。このモード切換手段４５は圧力フィードバッ
ク信号ＰＣが所定の設定レベルを越えたときに切換作動
するリレースイッチ４６を中心として構成され、このモ
ード切換手段４５のはたらきにより関数発生器４４の出
力がサーボアンブ２７およびループアンブ４３のいずれ
かに遺択的に入力されるようになっている。

上記のガスジェネレータ１を備えたラムロケットＲは、
イグナイタ３４でブースタ推進薬３０に点火を行うと、
前記イグナイタ３４を吹き飛ばして発進・加速し、ブー
スト飛翔の終了とともに所定の速度に達したところで、
クランプ３２の解除でロケソト用ノズル３３を離脱させ
るとともに、ボートカバー解除装置３７による火工品３
５ａの作動でポートカバー３５を破砕して、ディフュー
ザ１４と燃焼室４とを連通状態（第１図の状態）にし、
さらに点火器ｌ３でザステーナ推進薬２に点火する。

この時、点火直前まではガスジェネレータ１内の圧力が
実質的に零であるために関数発生器４４の出力はループ
アンプ４３を経ることなくビントル１２の位置指令とし
て直接サーボアンブ２７に人力される。つまり、ガスジ
エネレータ１の内圧が所定の圧力に達するまではガスジ
ェネレータｉの内圧がフィードバックされず、ビントル
ｌ２は関数発生器４４からの指令位置、すなわちこの実
施例では噴射ノズル５の全閉位置のわずか手前にビント
ル１２が保持される。

上記のようにサステーナ推進薬２に点火されると、その
燃焼で生じた可燃性ガスがガスジェネレータ１内に充満
するとともに一部が噴射ノズル５から燃焼室４内に噴射
される。そして、燃焼室４内に噴射された可燃性ガスと
、ディフューザ１４から導入した外気とを混合して燃焼
室４で連続的に燃焼させることによって飛翔し続ける。

このような燃焼過程において、ガスジェネレータｌの内
圧が所定の圧力に達するとモード切換手段４５のリレー
スイッチ４６が切り換わり、それまでサーボアンブ２７
に人力されていた関数発生器４４の出力がループアンブ
４３に入力される結果、それまでのピントルｌ２の位置
制御から圧力フィードバック信号Ｐｃに基づいたフィー
ドバック制御に切り換えられる。つまり、関数発生器４
４の出力信号と圧力フィードバック信号Ｐｃとの差に相
当する信号を駆動信号としてサーボモータｌ９を駆動し
、ボールねヒｌ８およびナットホルダ２４を介してピン
トルｌ２を軸方向へ移動させることにより、噴射ノズル
５のスロート部の開口面積を変化させて可燃性ガスの流
量を調整する。

これにより、ラムロケットＲは上記ガスジェネレータ１
により燃焼室４における燃焼およびこれに伴う推力がコ
ントロールされながら飛翔し続ける。

ここで、ピントル１２の位置制御を基本とした従来方式
と、上記のピントル■２の位置制御と圧力フィードバッ
クとを併用した本発明方式とを比較した結果、第３図に
示すように本発明方式では圧力応答性および制御誤差と
もに大幅に改善されたことが判明した。

また、第１図の圧力フィードバノク系のみでシステムを
構成した場合には、ガスジエネレータ１の内圧が所定の
圧力になるまではビントルｌ２は噴射ノズル５のスロー
ト部を全閉することになるので、点火直後に点火器ｌ３
からの発生圧力が加わってガスジェネレータｌの内圧が
異常に上昇するおそれがある（第３図における破線参照
）が、上記の実施例のようにガスジェネレータ１の内圧
が所定の圧力になるまではビントル１２の位置を直接制
御して、ビントルｌ２がノズルスロート部を全閉しない
ような制御を行うことにより異常な圧力上昇を回避でき
るようになる。

発明の効果 以上のように第１の発明によれば、ガスジェネレータの
内圧を検知してフィードバック制御するようにしたこと
により、従来と比べて燃焼圧力の応答性が向上するとと
もに、制御誤差が小さくなって燃焼圧力制御の精度が向
上する。

また第２の発明によれば、上記の作用効果に加えて、ガ
スジェネレータの点火時の圧力が異常に上昇してバース
トしてしまうのを未然に防止でき、言い換えれば点火器
からの発生圧力とサステーナ推進薬からの発生圧力とに
よる過大圧力を緩和できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図で第２図の要部拡大
説明図、第２図はラムロケットの全体の構成説明図、第
３図はガスジェネレータの燃焼圧力と時間との関係を示
す特性図、第４図は従来のガスジェネレータの要部の構
成説明図である。 １・・・ガスジェネレータ、２・・・サステーナ推進薬
、４・・・燃焼室、５・・・噴射ノズル、１２・・・ピ
ントル、工４・・・ディフューザ、ｌ７・・・駆動手段
、ｌ８・・・ボールねじ、１９・・・サーボモータ、４
０・・・圧力センサ、４２・・・流量調整手段、４３・
・・比較制御手段としてのループアンプ、４４・・・ジ
ェネレータ基本制御手段としての関数発生器、４５・・
・モード切換手段、Ｒ−・・ラムロケット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスジェネレータの噴射ノズルから噴射した可燃
   性ガスとディフューザから導入した外気とを燃焼室で混
   合して燃焼させるとともに、噴射ノズルのガス流量を調
   整してガスジェネレータの燃焼圧力を可変制御するよう
   にした装置において、予め設定された燃焼圧力の目標値
   を出力するジェネレータ基本制御手段と、 噴射ノズルのスロート面積を変化させてガス流量を調整
   する流量調整手段と、 ガスジェネレータの内圧を検出する圧力センサと、 上記の目標値と圧力センサによって検出された実圧力と
   を比較してその差に相当する信号を駆動信号として前記
   流量調整手段に付与する比較制御手段、 とを備えていることを特徴とするラムロケット用ガスジ
   ェネレータの燃焼圧力制御装置。
2. （２）ガスジェネレータの噴射ノズルから噴射した可燃
   性ガスとディフューザから導入した外気とを燃焼室で混
   合して燃焼させるとともに、噴射ノズルのガス流量を調
   整してガスジェネレータの燃焼圧力を可変制御するよう
   にした装置において、ガスジェネレータの点火後ガスジ
   ェネレータの内圧が所定の値になるまでは予め設定され
   た燃焼圧力の目標値を流量調整手段に対し出力するジェ
   ネレータ基本制御手段と、 噴射ノズルのスロート面積を変化させてガス流量を調整
   する流量調整手段と、 ガスジェネレータの内圧を検出する圧力センサと、 上記の目標値と圧力センサによって検出された実圧力と
   を比較してその差に相当する信号を駆動信号として出力
   する比較制御手段と、 ガスジェネレータの内圧が所定の値になった時点で流量
   調整手段に入力される信号を上記の目標値から比較制御
   手段の出力に切り換えるモード切換手段、 とを備えていることを特徴とするラムロケット用ガスジ
   ェネレータの燃焼圧力制御装置。