JPH079217B2 - 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

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 ラムロケットは、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するディフュ
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、上記のラムロケットは、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ットには、第４図に示す
ように、ガスジェネレータ100の燃料噴射ノズル101に流
量調整機構を設け、ピントル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1
02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。前記ノズル101は、コンバージェント
部101aに連続したスロート部101b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、ピントル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。前記ピ
ントル105は、円錐状の先端部をスロート部101b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を介してピントル105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101
b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ピントル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、ピントル105の位置指令信号を、サステーナ推
進薬102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10
2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。

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
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
にもつ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
手段のピ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
バッ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、後述するピントル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ペ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31の内側には、クランプ32を用いてロケット用
ノズル33が分離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内への開口部分がポートカバー35で閉塞
してある。前記ポートカバー35のディフューザ14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
ポ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に連通する噴射ノズル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ピントルケース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、中央に前記噴射ノズル５を形成した後部鏡板部
材９をねじ結合した構成になっており、ピントルケース
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10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、ピントルケース６とレストリクタ10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12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、ガスジェネレータ１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プ43に入力されるように
なっており、圧力センサ40は実質的にループアンプ43と
の間で圧力フィードバックループを形成している。

ここで、圧力センサ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4a
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、離脱可能あるいは焼尽性を
有するカバーを設けることがある。

前記ピントル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の
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、ピントル12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とピントル12との間に可燃性ガスが
入り込むのを防止する。上記ピントル12の基端側には、
当該ピントル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
をピントル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2
0に固定した第２ブラケット22に、前記サーボモータ19
を固定し、スクリューシャフト18a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1
8のナット部18b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12aにナット25を螺着することにより、前記ナ
ットホルダ24とピントル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の回転運動をナットホルダ24の直線運動に変換し、
ピントル12を軸方向に往復動させる。

また、前記第１ブラケット21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はサーボアンプ27との間でピントル12の
位置フィードバックループを形成している。そして、ピ
ントル12と前述した駆動手段17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。

サーボアンプ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、ジェネ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プ27またはループアンプ
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プ27およびループア
ンプ43のいずれかに選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の解除でロケット用ノズル33を離脱させるととも
に、ポートカバー解除装置37による火工品35a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13で
サステーナ推進薬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を経ることなくピントル12の位置指令として直接
サーボアンプ27に入力される。つまり、ガスジェネレー
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１の内圧がフィードバックされず、ピントル12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ピントル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１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プ27に入力
されていた関数発生器44の出力がループアンプ43に入力
される結果、それまでのピントル12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44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19を駆動し、ボールねじ18および
ナットホルダ24を介してピントル12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12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ック系のみでシステムを
構成した場合には、ガスジェネレータ１の内圧が所定の
圧力になるまではピントル12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13から
の発生圧力が加わってガスジェネレータ１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ピントル12の位置を直接制御し
て、ピントル12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、14…
…ディフューザ、17……駆動手段、18……ボールねじ、
19……サーボモータ、40……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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−161159（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。