JP2013007327A - パルスロケットモータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、第１パルス時における第２推進薬への火炎の侵入を確実に防ぎ、確実に第２パルスを実行することができるパルスロケットモータを提供すること。
【解決手段】第２推進薬８を覆う隔膜部材１０を、第２推進薬８の内周面から後部端面に沿って延びる隔膜２４、及び当該隔膜２４の両端にて加硫接着により一体をなし、圧力容器に取り付けられる金属の隔膜保持具２６ａ、２６ｂにより構成し、前端側の隔膜保持具２６ａには隔膜２４との加硫接着部分が後方に向かい少なくとも推進薬支持体２２の範囲に亘って延びる断面凸状をなす凸部３０ａを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の固体燃料を備えたパルスロケットモータに関する。

パルスロケットモータは、単一の圧力容器内に２以上の推進薬が隔膜又は隔壁により区画して設けられて構成されている。これは、容易に燃焼を停止、再着火することができない固体燃料ロケットにおいて、異なるタイミングでの燃焼を実現できるという利点がある。
具体的には、フィラメント・ワインディング法（Filament Winding）による炭素繊維・エポキシ樹脂組成物からなる圧力容器の後部にパルス１（第１パルス）の推進薬（第１推進薬）が、前部にパルス２（第２パルス）の推進薬（第２推進薬）が設けられ、これらの推進薬との間にバリヤ絶縁体（隔膜）が配置された構成の２パルスロケットモータが開発されている（特許文献１参照）。

当該特許文献１の２パルスロケットモータでは、圧力容器とパルス２の推進薬との間には前方絶縁体が、圧力容器とパルス１（第１パルス）の推進薬との間には後方絶縁体が配置されており、前方絶縁体、後方絶縁体、及びバリヤ絶縁体は、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン・モノマー）からなる合成ゴムからなり、互いに一部重ね合わせ接着させて成形されている。

当該特許文献１の２パルスロケットモータの製造方法としては、前方から順に配設していくものであり、具体的には、まず前方絶縁体を圧力容器内面に配置してパルス２の推進薬を真空下で鋳造し、硬化させている。その後、当該パルス２の推進薬及び前方絶縁体にバリヤ絶縁体を取り付け、前方絶縁体を切り取っている。次に後部絶縁体をバリヤ絶縁体に取り付け、パルス１の推進薬（第１推進薬）を注入し、硬化させている。これら各絶縁体の内面には接着性ライナーが被覆されており、それぞれ対応する推進薬と接着されている。

特表平１１−５０３８０２号公報

しかしながら、上記特許文献１の圧力容器は、推進薬の周囲に直接、フィラメント・ワインディング法により炭素繊維・エポキシ樹脂組成物を成形しているが、このように樹脂からなる圧力容器は、金属からなる圧力容器に比べて剛性が低く、またこのように推進薬の周囲に直接圧力容器を成形する製造方法のため、前方絶縁体、後方絶縁体、及びバリヤ絶縁体はそれぞれ接着ライナーを被覆し、推進薬と接着させる工程が必要であり、製造工程が複雑化するという問題がある。

さらに、パルス１とパルス２の推進薬を区画するバリヤ絶縁体は、パルス１の推進薬燃焼時にはパルス２の推進薬への火炎の侵入を防ぐ必要があるが、バリヤ絶縁体と前方絶縁体との接着部分が経年劣化により剥がれるおそれがあり、確実に火炎の侵入を防げないおそれがある。
一方で、バリヤ絶縁体は、パルス２の推進薬燃焼時においては、脱落してノズルを詰まらせること等がないように、所定の位置で破断してかつ脱落しない必要がある。これに対して特許文献１では、前方絶縁体とバリア絶縁体との接着部分にて、破断することを想定しているが、接着による破断強度の設定は複雑であり適切なタイミングで破断させることは容易ではない。また、上述したように各絶縁体は推進薬に接着されていることからパルス２の推進薬点火時にバリヤ絶縁体が当該推進薬から剥がれるのを妨げる作用をし、確実な動作の観点から問題がある。

また、特許文献１においては、前方絶縁体の中央喉部分の周りに推進薬支持体（発泡材料等）が設けられており、その周りを前方絶縁体が巻き込むように覆っているが、一般に当該推進薬支持体は推進薬に比べて剛性が低いため、前方絶縁体のうち当該推進薬支持体を覆っている部分は、パルス１の燃焼圧を受けて変形したり、応力が集中するという問題がある。このように推進薬支持体部分の絶縁体が変形等すると、パルス２の動作の信頼性が低下する等の問題が生じる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で、第１パルス時における第２推進薬への火炎の侵入を確実に防ぎ、確実に第２パルスを実行することのできるパルスロケットモータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のパルスロケットモータでは、圧力容器内の後段に設けられた中空筒形状の第１推進薬と、前記第１推進薬を点火する第１イグナイタと、前記圧力容器内の前段に設けられた中空筒形状の第２推進薬と、前記第２推進薬を点火する第２イグナイタと、前記第２イグナイタと前記第２推進薬との間であり、前記第２推進薬の前部且つ軸心側に設けられた推進薬支持体と、前記圧力容器内にて前記第２推進薬を覆う隔膜部材とを備え、前記隔膜部材は、前記第２推進薬の少なくとも内周面に沿って延びている隔膜、及び当該隔膜の両端にて加硫接着により一体をなしており、前記圧力容器に取り付けられる保持具を有していることを特徴としている。

請求項２のパルスロケットモータでは、請求項１において、前記保持具のうち前記隔膜前端側の保持具は、前記隔膜との加硫接着部分が後方に向かい少なくとも前記推進薬支持体の範囲に亘って延びた断面凸状をなしていることを特徴としている。
請求項３のパルスロケットモータでは、請求項１または２において、前記隔膜部材の前記隔膜は、一部に他の部分よりも脆弱な脆弱部が形成されていることを特徴としている。

請求項４のパルスロケットモータでは、請求項３において、前記隔膜は、前記第２推進薬の内周面から後部端面に沿って屈曲しており、当該屈曲部周辺に前記脆弱部が形成されていることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明によれば、パルスロケットモータにおいて、前記第１推進薬の燃焼時に前記第２推進薬へ火炎を進入させない目的で圧力容器内にて第２推進薬を覆っており、隔膜は第２推進薬の少なくとも内周面に沿って延びているとともに、当該隔膜部材は隔膜が保持具と加硫接着により化学結合で強固に接着されており、当該保持具から隔膜に亘って一体構成をなして第２推進薬を覆っていることから、経年劣化による接着の剥がれ等のリスクがなく、第１パルス時における第２推進薬への火炎の侵入を確実に防ぐことができる。

また、隔膜部材は隔膜と一体をなしている保持具により圧力容器に取り付けられることから、隔膜を推進薬と接着させたりする必要がなく製造が容易となる上、推進薬と隔膜が接着されていないことで第２推進薬点火時（第２パルス時）においては隔膜が第２推進薬から剥がれやすくなり、確実に第２パルスを作動させることができる。
さらに、隔膜前端側の保持具は、隔膜との加硫接着部分が後方に向かい少なくとも推進薬支持体の範囲に亘って延びていることで、第１パルス時（第１推進薬燃焼時）の燃焼圧は金属の保持部材で受け止められる。したがって、隔膜部材における推進薬支持体部分の強度を確保でき、当該部分の変形や破断を防ぐことができる。

以上のことから、簡易な構成で、第１パルス時における第２推進薬への火炎の侵入を確実に防ぎ、確実に第２パルスを作動させることができる。

本発明の一実施形態に係るパルスロケットモータの全体構成断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 隔膜部材の一部切り欠き斜視図である。 図２の前部拡大断面図である。 図２の後部拡大断面図である。 本発明に係るパルスロケットモータの動作図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１〜５を参照すると、図１には本発明の一実施形態に係るパルスロケットモータの全体構成断面図、図２には要部拡大断面図、図３には隔膜部材の一部切り欠き斜視図、図４には図２の前部拡大断面図、図５には図２の後部拡大断面図がそれぞれ示されている。
図１に示す２パルスロケットモータ１は、圧力容器２の後部にノズル４が設けられており、内部には、固体燃料である第１推進薬６が後部に、第２推進薬８が前部に設けられ、当該第２推進薬８は隔膜部材１０に覆われている。また、圧力容器２の前部には第１推進薬６を着火するための第１イグナイタ１２、及び第２推進薬８を着火するための第２イグナイタ１４がそれぞれ設けられている。

詳しくは、圧力容器２は、２分割方式の金属モータケースであり、同径の略筒形状をなした前部ケース２ａと後部ケース２ｂとが同軸上に前後連結されて構成されている。前部ケース２ａ及び後部ケース２ｂは、前部ケース２ａの後端開口縁と後部ケース２ｂの前端開口縁とが複数のボルトにより締結されている。当該圧力容器２の材料としてはチタン、マルエージング鋼、D6AC鋼、クロムモリブデン鋼等が用いられるのが好ましい。また、当該圧力容器２の外周は外部インシュレータ１６により覆われている。

第１推進薬６は、先に燃焼する第１パルス用の推進薬であり、前後方向に延びた中空円筒形状をなしている。当該第１推進薬６は後部ケース２ｂ内に後部断熱材１８を介して設けられている。当該第１推進薬６の前後方向中央部から前方は内孔断面が星形をなして燃焼面積が増大されており、当該内孔はノズル４内部を介して外に連通している。当該第１推進薬６は、コンポジット推進薬である。なお、第１推進薬の内孔は全域を断面円形としてもよいし、星形等の光芒断面を前後方向中央部から後方等、任意の位置に形成して構わない。

第２推進薬８は、後に燃焼する第２パルス用の推進薬であり、前後方向に延びた中空円筒形状をなしている。図２に詳しく示すように、当該第２推進薬８は前部ケース２ａ内に前部断熱材２０を介して設けられている。当該第２推進薬８の内孔断面は円形をなしており、第１推進薬６の内孔と隔膜部材１０を介して連通している。当該第２推進薬８はコンポジット推進薬である。

また、第２推進薬８の前部の軸心側部分は、後方に凸の円錐状に切り欠かれており、当該切り欠き部分を埋めるように推進薬支持体２２が設けられている。推進薬支持体２２は第２推進薬８よりも密度が低く、燃えやすい素材であり、例えば、発泡材料である。
隔膜部材１０は、断熱性を有するＥＰＤＭゴムからなる隔膜２４が、両端に設けられた隔膜保持金具２６ａ、２６ｂ（保持具）を介して圧力容器２に取り付けられている。

図２及び図３に示すように、隔膜２４は、第２推進薬８の内孔内周面に沿って前後方向に円筒状に延びた内面部２４ａと、内面部２４ａ後端から後方に傾斜しつつ径方向外側に拡がった端面部２４ｂとからなる略漏斗状をなしている。また、隔膜２４は、内面部２４ａから端面部２４ｂへの屈曲部分が他の部分よりも構造的に脆弱な脆弱部２４ｃとして形成されている。当該脆弱部２４ｃは所定値以上の燃焼圧を受けると破断するような強度に予め設定されている。

隔膜保持金具２６ａ、２６ｂはそれぞれ環状をなしており、前端側の隔膜保持金具２６ａには前面に、後端側の隔膜保持金具２６ｂにおいては外周面に、それぞれ周方向に沿って間隔をあけて複数のボルト穴２８ａ、２８ｂが形成されている。隔膜部材１０は、これらのボルト穴２８ａ、２８ｂに螺合するボルトで締結されることで圧力容器２に取り付けられている。なお、隔膜保持金具２６ａ、２６ｂは、気密性及び耐熱性の点で金属であることが好ましいが、同程度の気密性及び耐熱性を備えていればＦＲＰ等からなる保持具としても構わない。

ここで、隔膜２４と隔膜保持金具２６ａ、２６ｂの取り付け構造について、図４、５を参照し、さらに詳しく説明する。
図４に示すように、前端側の隔膜保持金具２６ａは、環状後面に、後方に向けて縮小した断面凸状の凸部３０ａが形成されている。そして、当該凸部３０ａが前後方向に延びる隔膜の内面部２４ａの前端部分に入り込んでおり、当該凸部３０ａと隔膜の内面部２４ａとが加硫接着により一体をなしている。また、当該前端側の隔膜保持金具２６ａは、凸部３０ａの先端が前後方向において推進薬支持体２２の後方端と一致しており、当該凸部３０ａは推進薬支持体２２の範囲に亘って延びている。

一方、図５に示すように、後端側の隔膜保持金具２６ｂは、環状内面に、内方に向けて縮小した断面凸状をなす凸部３０ｂが形成されている。そして、当該凸部３０ｂが、径方向に延びる隔膜の端面部２４ｂの後端部分に入り込んでおり、当該凸部３０ｂと隔膜の端面部２４ｂとが加硫接着により一体をなしている。そして、当該端面部２４ｂは、第１推進薬６と第２推進薬８と直接接触して、両者を区画している。

また再び図２を参照すると、第１イグナイタ１２は、圧力容器２の前部を塞ぐ隔壁２ｃの軸心部分に取り付けられ、第２推進薬８の内孔内、即ち隔膜部材１０の内面部２４ａ内にて、後方に向けて突出している。隔壁２ｃには、推進薬支持体２２まで延びる点火孔３２が位相違いで複数穿設されており、当該複数の点火孔３２と連接して第２イグナイタ１４が設置されている。第２イグナイタ１４は、リング状の空洞を有し、当該空洞へ点火薬が装填されており、第２パルスの点火に際しては全ての点火孔３２へ点火薬の火炎を伝播させる機能を有するトロイダルイグナイタである。

以下このように構成された本発明に係るパルスロケットモータの作用について説明する。
図６には、本発明に係るパルスロケットモータの動作図（ａ）〜（ｄ）が示されており、以下同図に基づき説明する。なお、図６のパルスロケットモータは上記図１〜５のパルスロケットモータを簡略化して示している。
図６（ａ）は第１パルスの様子を示している。第１イグナイタ１２が点火されることで、第１推進薬６の燃焼が開始される。燃焼は第１推進薬６の内孔内周面から生じていき、燃焼ガスＦ１はノズル４を通って大気中に噴射される。これにより２パルスロケットモータ１は第１パルスによる推進力を得る。

このとき、第２推進薬８は、両端の隔膜保持金具２６ａ、２６ｂから隔膜２４に至って一体構成をなす隔膜部材１０により覆われていることで、第１イグナイタ１２の点火の火炎や第１推進薬６の燃焼ガスＦ１が侵入することはない。特に、第２推進薬８の前部軸心部分には、第２推進薬８より剛性が低い推進薬支持体２２が設けられているが、当該推進薬支持体２２より軸心側には隔膜部材１０の前端の隔膜保持金具２６ａの凸部３０ａが延びていることから、燃焼ガスＦ１から受ける圧力は十分な強度を備える金属の隔膜保持金具２６ａにより受け止められ、隔膜部材１０が変形することはない。

そして、図６（ｂ）に示すように、第１推進薬６の全てが燃焼し終えることで、第１パルスは終了する。
図６（ｃ）からは、第２パルスの様子を示している。任意のタイミングで第２イグナイタ１４が点火されると、点火孔３２を通って推進薬支持体２２に点火用の火が到達し、まず推進薬支持体２２が燃焼する。当該推進薬支持体２２の燃焼を受けて、第２推進薬８は内面から後部端面に向かって燃焼し、第２推進薬８の内面と隔壁部材１０との間に燃焼ガスＦ２が生じる。この燃焼圧を受けて隔膜２４が第２推進薬８に対して膨張し、圧力容器２の内方側に変形する。

図６（ｄ）に示すように、隔膜２４の変形が進むと、他の部分より脆弱な脆弱部２４ｃにて隔膜２４が破断する。当該破断後、燃焼ガスＦ２がノズル４を通って大気中に噴射されることから、当該燃焼ガスＦ２により隔膜２４の内面部２４ａは軸心側に座屈し、端面部２４ｂは後方側に湾曲する。隔膜２４の内面部２４ａ及び端面部２４ｂは燃焼ガスＦ２によりその表面を焼失するが、隔膜２４の有害な脱落を防止するのに必要な隔膜２４の強度が維持できるように燃焼しない層を一定量以上残すように隔膜２４の厚さが設計されているため、ノズル４を詰まらせる等の有害な脱落を生じること無く、第２推進薬８が全て燃焼することで、第２パルスは終了する。

以上のように、本実施形態における２パルスロケットモータ１において、隔膜部材１０は隔膜２４が隔膜保持具２６ａ、２６ｂと加硫接着により化学結合で強固に接着されており、当該隔膜保持具２６ａ、２６ｂから隔膜２４に亘って一体構成をなして第２推進薬８を覆っていることから、経年劣化による接着の剥がれ等のリスクがなく、第１パルス時における第２推進薬８への火炎の侵入を確実に防ぐことができる。

また、隔膜部材１０は隔膜２４と一体をなしている隔膜保持具２６ａ、２６ｂにより圧力容器２に取り付けられることから、隔膜２４を推進薬６、８と接着させたりする必要がなく製造が容易となる上、推進薬６、８と隔膜２４が接着されていないことで第２パルス時においては隔膜２４が第２推進薬８から剥がれやすくなり、確実に第２パルスを実行できる。

さらに、前端側の隔膜保持具２６ａは、隔膜２４との加硫接着部分である凸部３０ａが後方に向かい少なくとも推進薬支持体２２の範囲に亘って延びていることで、第１パルス時の燃焼圧は金属の隔膜保持具２６ａで受け止められる。したがって、隔膜部材１０における推進薬支持体２２部分の強度を確保でき、当該部分の変形や破断を防ぐことができる。
また、隔膜２４において内面部２４ａから端面部２４ｂへの屈曲部に、他の部分よりも脆弱な脆弱部２４ｃが形成されていることで、第２パルス時に予め想定した所定値以上の燃焼圧を受けると当該脆弱部２４ｃで確実に破断することとなる。このように、第２推進薬８を覆っている部分の隔膜２４に設けた脆弱部２４ｃにおいて、隔膜２４が確実に分離することにより、隔膜２４が脱落してノズル４を詰まらせるようなこともなく、また分離後の隔膜２４は第２推進薬８からの燃焼ガスＦ２を遮ることもない。なお、隔膜２４の脆弱部２４ｃは、内面部２４ａから端面部２４ｂへの屈曲部に限らず、隔膜２４の任意の場所に設けることができる。

このようにして、本実施形態に係る２パルスロケットモータ１は、簡易な構成で、第１パルス時における第２推進薬８への火炎の侵入を確実に防ぎ、確実に第２パルスを実行することができる。
以上で本発明に係るパルスロケットモータの実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

第１推進薬６及び第２推進薬８の搭載量等は上記実施形態で示したものに限られるものではなく、用途に応じて適宜設定されるものである。例えば、第１推進薬は全域を中空円筒形状としてもよいし、光芒断面を含んだ筒形状であっても構わない。
また、上記実施形態の圧力容器２は２分割方式であったが、分割なく一体物の圧力容器に対しても本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、隔膜２４は第２推進薬８の内周部２４ａから端面部２４ｂに亘って延びているが、当該隔膜２４は少なくとも第２推進薬８の内周部２４ａに沿って延びて当該第２推進薬８を覆っていればよい。例えば圧力容器内に第１推進薬と第２推進薬とを区画する内壁が形成されている場合等は、第２推進薬の内周面に沿って延びる内面部のみの隔膜とする。そして、当該隔膜の両端に隔膜保持金具を設け、前端側の隔膜保持金具は圧力容器の前部の隔壁に、後端側の隔膜保持金具は第１推進薬及び第２推進薬を区画する内壁にそれぞれ取り付けるものとする。

１ ２パルスロケットモータ
２ 圧力容器
４ ノズル
６ 第１推進薬
８ 第２推進薬
１０ 隔膜部材
１２ 第１イグナイタ
１４ 第２イグナイタ
２２ 推進薬支持体
２４ 隔膜
２４ａ 内面部
２４ｂ 端面部
２４ｃ 脆弱部
２６ａ、２６ｂ 隔膜保持金具（保持具）
３０ａ、３０ｂ 凸部

Claims (4)

1. 圧力容器内の後段に設けられた中空筒形状の第１推進薬と、
   前記第１推進薬を点火する第１イグナイタと、
   前記圧力容器内の前段に設けられた中空筒形状の第２推進薬と、
   前記第２推進薬を点火する第２イグナイタと、
   前記第２イグナイタと前記第２推進薬との間であり、前記第２推進薬の前部且つ軸心側に設けられた推進薬支持体と、
   前記圧力容器内にて前記第２推進薬を覆う隔膜部材とを備え、
   前記隔膜部材は、前記第２推進薬の少なくとも内周面に沿って延びている隔膜、及び当該隔膜の両端にて加硫接着により一体をなしており、前記圧力容器に取り付けられる保持具を有していることを特徴とするパルスロケットモータ。
2. 前記保持具のうち前記隔膜前端側の保持具は、前記隔膜との加硫接着部分が後方に向かい少なくとも前記推進薬支持体の範囲に亘って延びた断面凸状をなしていることを特徴とする請求項１記載のパルスロケットモータ。
3. 前記隔膜部材の前記隔膜は、一部に他の部分よりも脆弱な脆弱部が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のパルスロケットモータ。
4. 前記隔膜は、前記第２推進薬の内周面から後部端面に沿って屈曲しており、当該屈曲部周辺に前記脆弱部が形成されていることを特徴とする請求項３記載のパルスロケットモータ。