特許 7454050 スロートエリアと回転連結部に流量調整器を備えたスラスタノズルアセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-12

(45)【発行日】2024-03-21

(54)【発明の名称】スロートエリアと回転連結部に流量調整器を備えたスラスタノズルアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   F02K 9/84 20060101AFI20240313BHJP

   F02K 1/08 20060101ALI20240313BHJP

   F02K 9/97 20060101ALI20240313BHJP

【ＦＩ】

F02K9/84

F02K1/08

F02K9/97

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2022535052

(86)(22)【出願日】2019-12-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-15

(86)【国際出願番号】 US2019065369

(87)【国際公開番号】W WO2021118530

(87)【国際公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-11-15

(73)【特許権者】

【識別番号】594203852

【氏名又は名称】エアロジェット ロケットダイン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】ヌーナン，ケヴィン マーク

(72)【発明者】

【氏名】クーパー，ロバート

(72)【発明者】

【氏名】ウェスト，ラリー ケネス

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】韓国登録特許第１０－１９６０３９７（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０３７２７８４３（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０３２９３８５５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｋ １／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スロートセクションを含むノズルであって、ボールソケット連結部のボール部を含むノズルと、
前記ボールソケット連結部のソケット部を含む車両であって、前記ノズルが前記車両に取り付けられ、前記ボール部が少なくとも部分的に前記ソケット部に収容される、車両と、
前記スロートセクションに隣接して配置されるとともに、前記スロートセクションを通る流体の流れを調整するように構成された流量調整器であって、前記スロートセクションの上流で前記ノズルに取り付けられた流量調整器と、
前記ノズルに取り付けられたアクチュエータであって、前記車両の長手方向軸に垂直な第１の軸を中心として前記ボールソケット連結部を介して前記ノズルを選択的に回転させるように構成されたアクチュエータと、
を備え、
前記流量調整器が、前記スロートセクションを通る流体の流れを調整するように、シートに対して前記ノズルの長手方向軸に平行な方向に移動可能なピントルを含み、
前記ノズルおよび前記流量調整器は、前記ボールソケット連結部を介して前記車両に取り付けられており、前記ボールソケット連結部は、前記車両の前記長手方向軸に対して、前記ノズルおよび前記流量調整器を選択的に回転させるように構成された、ノズルアセンブリ。

【請求項2】

前記アクチュエータは、前記車両の長手方向軸および前記第１の軸に垂直な第２の軸を中心として前記ノズルを選択的に回転させるようにさらに構成されることを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項3】

複数のノズルおよび対応する複数の流量調整器をさらに備え、前記複数のノズルの各々が、前記ボールソケット連結部の前記ボール部と一体であることを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項4】

前記複数の流量調整器の各々は、互いに独立して、または互いに協調して動作するように構成されることを特徴とする請求項３に記載のノズルアセンブリ。

【請求項5】

前記ボール部が半球状のベアリングであり、前記ソケット部が前記ボール部の少なくとも一部を取り囲む半球状のソケットであることを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項6】

前記ピントルは、シャンク部と、前記シャンク部よりも大きな直径を有するヘッド部と、前記ヘッド部から延びるテーパ面と、を含み、
前記テーパ面は、前記シートに接触するように構成され、
前記シートに対する前記テーパ面の直線位置が、前記スロートセクションを通って流れる流体の流れ領域のサイズを変化させることを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項7】

前記テーパ面は、前記ヘッド部から前記ピントルの自由端まで直径が徐々に減少することを特徴とする請求項６に記載のノズルアセンブリ。

【請求項8】

前記ピントルは、前記スロートセクションに隣接して配置された複数のピントルのうちの１つであり、
前記複数のピントルの各々は、独立して可動であることを特徴とする請求項７に記載のノズルアセンブリ。

【請求項9】

前記複数のピントルが、前記ノズルの長手方向軸の周りで互いに離間した４つのピントルからなることを特徴とする請求項８に記載のノズルアセンブリ。

【請求項10】

前記複数のピントルの各々を選択的に移動させるようにそれぞれ構成された複数のリニアアクチュエータをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のノズルアセンブリ。

【請求項11】

前記ノズルが、前記スロートセクションから延びる発散セクションを含むことを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項12】

前記車両がロケットエンジンであることを特徴とする請求項１に記載のノズルアセンブリ。

【請求項13】

ロケットであって、
本体と、
前記本体内に貯蔵された推進薬と、
前記本体内に配置された燃焼室と、
前記本体に取り付けられるとともに、前記燃焼室の生成物を放出するように構成されたノズルアセンブリと、
を備え、前記ノズルアセンブリは、
スロートセクションを含むノズルと、
前記スロートセクションに隣接して配置されるとともに、前記スロートセクションを通る前記燃焼室の生成物の流れを調整するように構成された流量調整器と、
前記流量調整器および前記ノズルを前記本体の長手方向軸に対して選択的に回転させるように構成された回転ボール連結部と、
を含み、
前記流量調整器が、前記スロートセクションを通る流体の流れを調整するように、シートに対して直線的に移動可能なピントルを含んだ、ロケット。

【請求項14】

前記ピントルは、前記スロートセクションに隣接して配置された複数のピントルのうちの１つであり、
前記複数のピントルの各々は、それぞれのリニアアクチュエータによって独立して移動可能であることを特徴とする請求項１３に記載のロケット。

【請求項15】

前記複数のピントルが、前記ノズルの長手方向軸の周りで互いに離間した４つのピントルからなることを特徴とする請求項１４に記載のロケット。

【請求項16】

ノズルおよび流量調整器が回転連結部を介して取り付けられた、本体を備え、
前記本体に対する前記ノズルの位置を、前記回転連結部を介して調整し、前記ノズルのスロートセクションに隣接して配置された前記流量調整器の位置を調整することにより、前記本体を推力偏向することを備え、
前記流量調整器がピントルを含み、前記流量調整器の位置を調整することが、前記ピントルを、前記ノズルの長手方向軸に平行な方向に直線的に移動させることを備えた、方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

ロケットエンジン、その他の航空宇宙機、地上車両、船舶、またはその他のシステムなどのスラスタは、流体の高速推進ジェットを放出する収束発散ノズルを含むことが知られている。スラスタはまた、加圧流体を所望の圧力で噴射するための調整弁を含みうる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0002】

本開示の例示的な態様によるノズルアセンブリは、とりわけ、スロートセクションを含むノズルを含む。ノズルは、ボールソケット連結部（a ball and socket joint）のボール部をさらに含む。アセンブリはさらに、ボールソケット連結部のソケット部を含む車両を含む。ノズルは車両に取り付けられ、ボール部はソケット部に少なくとも部分的に収容される。流量調整器（flow regulator）は、スロートセクションに隣接して配置され、スロートセクションを通る流体の流れを調整するように構成される。流量調整器は、スロートセクションのノズル上流に取り付けられる。ノズルにはアクチュエータが取り付けられており、このアクチュエータは、車両の長手方向軸に垂直な第１の軸を中心にボールソケット連結部を介してノズルを選択的に回転させるように構成されている。

【0003】

前述のノズルアセンブリのさらなる非限定的な実施形態では、アクチュエータは、車両の長手方向軸および第１の軸に垂直な第２の軸を中心にノズルを選択的に回転させるようにさらに構成される。

【0004】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、アセンブリは、複数のノズルおよび対応する複数の流量調整器を含み、複数のノズルの各々は、ボールソケット連結部のボール部と一体である。

【0005】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、複数の流量調整器の各々は、互いに独立して、または互いに協調して動作するように構成される。

【0006】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、ボール部は半球ベアリングであり、ソケット部はボール部の少なくとも一部を取り囲む半球ソケットである。

【0007】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、流量調整器は、シートに対してノズルの長手方向軸に平行な方向に移動可能なピントルを含み、スロート領域を通る流体の流れを調整する。

【0008】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、ピントルは、シャンク部と、シャンク部よりも大きな直径を有するヘッド部と、ヘッド部から延びるテーパ面と、を含み、テーパ面は、シートに接触するように構成され、シートに対するテーパ面の直線位置は、流体がスロートセクションを通って流れる流れ領域のサイズを変化させる。

【0009】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、テーパ面は、ヘッド部からピントルの自由端まで直径が徐々に減少する。

【0010】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、ピントルはスロートセクションに隣接して配置された複数のピントルの１つであり、複数のピントルの各々は独立して可動である。

【0011】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、複数のピントルは、ノズルの長手方向軸の周りで互いに離間した４つのピントルからなる。

【0012】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、アセンブリは、複数のピントルのそれぞれを選択的に移動させるようにそれぞれ構成された複数のリニアアクチュエータを含む。

【0013】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、ノズルはスロートセクションから延在する発散セクションを含む。

【0014】

前述のノズルアセンブリのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、車両はロケットエンジンである。

【0015】

本開示の例示的な態様によるロケットは、とりわけ、本体と、本体内に格納された推進薬と、本体内に配置された燃焼室と、本体に取り付けられるとともに、燃焼室の生成物を放出するように構成されたノズルアセンブリと、を含む。ノズルアセンブリは、スロートセクションを含むノズルと、スロートセクションに隣接して配置されるとともに、スロートセクションを通る燃焼室の生成物の流れを調整するように構成された流量調整器と、流量調整器およびノズルを選択的に回転させるように構成された回転ボール連結部と、を含む。

【0016】

前述のロケットのさらなる非限定的な実施形態では、流量調整器は、シートに対して直線的に移動可能なピントルを含む。

【0017】

前述のロケットのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、ピントルは、スロートセクションに隣接して配置された複数のピントルのうちの１つであり、複数のピントルの各々は、それぞれのリニアアクチュエータによって独立して移動可能である。

【0018】

前述のロケットのいずれかのさらなる非限定的な実施形態では、複数のピントルは、ノズルの長手方向軸の周りで互いに離間した４つのピントルからなる。

【0019】

本開示の例示的な態様による方法は、とりわけ、回転連結部を介して本体に対するノズルの位置を調整し、ノズルのスロートセクションに隣接して配置された流量調整器の位置を調整することによって、本体の推力偏向を行うことを含む。

【0020】

前述の方法のさらなる非限定的な実施形態では、流量調整器はピントルを含み、流量調整器の位置を調整することは、ピントルをノズルの長手方向軸に平行な方向に直線的に移動させることを含む。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】例示的なノズルアセンブリを含む例示的なロケットを概略的に示す図である。

【図2】一例の流量調整器を示す図である。

【図3】一例の回転ボール連結部を示す図である。

【図4】第２の例のノズルアセンブリを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

図１は、ロケット、ミサイル、宇宙船、航空機、またはその他の車両であり得る、車両２０を概略的に示す。車両２０は、この例ではロケットエンジンであるスラスタ２２から推力を得る。車両およびロケットエンジンが図１に示され、本明細書で論じられるが、本開示は、ロケットまたはロケットエンジンに限定されず、宇宙、航空、陸上、および海洋車両を含むその他の車両用のノズルアセンブリに特に適用される。本開示は、反応制御システムにおけるスラスタ用のノズルアセンブリにも適用される。

【0023】

車両２０は、一般に、車両長手方向軸Ｒに沿って延在し、この例では、車両長手方向軸Ｒに沿って延在するケーシング２４を含む。ケーシング２４は、車両２０の外側本体である。ケーシング２４は、一体化構造またはマルチピース構造であってもよい。

【0024】

少なくとも１つの推進薬２６がケーシング２４内に貯蔵される。推進薬２６は、単一タンクに貯蔵される単元推進薬、または別個のタンクに貯蔵される２つの別個の推進薬、すなわち燃料および酸化剤であってもよい。推進薬２６は、ケーシング２４内に配置された燃焼室２８に流体的に連結される。燃焼室２８は、ノズルアセンブリ３０に流体的に連結される。推進薬および燃焼室が本明細書中で言及されるが、本開示は、燃焼室のないスラスタに及び、コールドガススラスタや核熱ロケットを含む。

【0025】

ノズルアセンブリ３０は、流体の高速推進ジェットを放出して車両２０に推力を提供するように構成される。具体的には、この例では、ノズルアセンブリ３０は、燃焼室２８の生成物を放出するように構成される。

【0026】

ノズルアセンブリ３０は、狭いスロートセクション３４と、スロートセクション３４からノズル長手方向軸Ｎに沿って延びる発散セクション３６と、を含むノズル３２を含む。発散セクション３６は、その発散セクション３６がノズル長手方向軸Ｎに沿ってスロートセクション３４から離れて延びるに従い、直径が徐々に増加する。

【0027】

ノズルアセンブリ３０は、図２に詳細に示される流量調整器３８を含む。流量調整器３８は、スロートセクション３４に隣接して配置され、スロートセクション３４を通る流体の流れ（すなわち、燃焼室２８の生成物）を調整するように構成される。この例では、流量調整器３８は、シャンク部４２を有するピントル４０と、その自由端に向かって直径が徐々に減少するテーパ面４６を提供するヘッド部４４と、を含む。テーパ面４６は、シート（seat）４８に面し、閉位置でシート４８に接触するように構成される。シート４８に対するテーパ面４６の相対的な間隔は、流体がスロートセクション３４を通って流れることができる流れ領域のサイズを設定する。テーパ面４６とシート４８との相対的な位置は、一例では無限に調整可能であってもよい。この意味で、流量調整器３８は、閉位置と複数の開位置との間で移動可能である。

【0028】

テーパ面４６は、リニアアクチュエータ５０により、ノズル長手方向軸Ｎに平行な方向にシート４８に対して選択的に移動可能である。この例では、テーパ面４６は、ノズル長手方向軸Ｎに沿って直線的に移動可能である。この例のリニアアクチュエータ５０はボールねじアクチュエータであるが、本開示はその他のタイプのアクチュエータにも及ぶ。リニアアクチュエータ５０は、シャンク部４２に機械的に接続され、シャンク部４２は、次いでヘッド部４４に機械的に接続される。

【0029】

リニアアクチュエータ５０は、この例では、コントローラ５２からのコマンドに応答する。コントローラ５２は、図１に概略的に示される。コントローラ５２は、本明細書に記載された機能を実行するために、電子機器、ソフトウェア、またはその両方を含む。単一のデバイスとして示されているが、コントローラ５２は、複数のハードウェアデバイスの形の複数のコントローラ、または１つまたは複数のハードウェアデバイス内に複数のソフトウェアコントローラを含むことができる。コントローラ５２は、１つまたは複数のセンサの出力に基づいて、車両２０に無線で送信された信号に基づいて、事前にプログラムされた飛行計画に基づいて、および／または他の入力に基づいて、車両２０の様々な構成要素にコマンドを発行することができる。

【0030】

本開示では、ノズル３２および流量調整器３８は、回転ボール連結部５４を介してケーシング２４に取り付けられており、これはおそらく図３に最もよく示されている。回転ボール連結部５４は、車両長手方向軸Ｒに対してノズル３２および流量調整器３８を選択的に回転させるように構成される。

【0031】

回転ボール連結部５４は、ベアリング５６の少なくとも一部を囲む半球ソケット（すなわち、ソケット）５８内に収容される半球ベアリング（すなわち、ボール）５６を含む。特定の例では、１つもしくは複数のアクチュエータ６０は、車両長手方向軸Ｒに対してベアリング５６を傾斜させ、車両長手方向軸Ｒを中心としてベアリング５６を回転させることによって、ベアリング５６を２つの平面内で移動させるように構成される。これに関して、アクチュエータ６０は、第１および第２の軸を中心にベアリング５６を移動させ、次にノズル３２を移動させるように構成され、それらの軸の各々は、長手方向軸Ｒに対して垂直であるとともに、互いに関して垂直である。一例では、第１の軸は、図１に対して実質的にページの内外に延在し、第２の軸は、図１に対して上下方向に延在する。ベアリング５６は、一例では、ソケット５８に対するそれらの２つの平面内で無限に調整可能である。ソケット５８は、車両の長手方向軸Ｒに沿った方向を含め、ソケット５８に対するベアリング５６のあらゆる方向への平行移動を防止するようなサイズおよび形状である。したがって、いくつかの例では、回転ボール連結部５４はトラップボール連結部と呼ばれる。

【0032】

この例では、ベアリング５６は中空であり、中央通路６２を含む。一例では、ノズル３２はベアリング５６と一体的に形成されてもよい。さらに、流量調整器３８は、この例では中央通路６２にしっかりと取り付けられている。したがって、ベアリング５６がソケット５８内で回転すると、ノズルの長手方向軸Ｎも機体の長手方向軸Ｒに対して回転し、特定の任務を通して必要に応じた推力偏向を提供する。ノズルアセンブリ３０、具体的には流量調整器３８およびボール連結部５４を制御して、ミッション中に車両２０のピッチおよびヨー制御を提供することができる。

【0033】

本開示は、大きなノズルを必要とせずに適切なピッチおよびヨー制御を提供する。具体的には、ノズル３２の長さは、既存のノズルに比べて大幅に短縮されている。特定の一例では、ノズル３２の長さは、車両２０の全長の１５～２０％以内である。さらなる例では、ノズル３２の長さは、車両２０の全長の１０％未満である。それにより、車両２０の重量が減少し、推進薬貯蔵タンクのサイズを大きくすることができる設計が可能になり、潜在的により長い任務が提供される。

【0034】

別の例のノズルアセンブリ１３０が図４に示される。他に記載または図示されていない限り、ノズルアセンブリ１３０は、図１～３の実施形態に対応し、以下に特に指定しない限り、同様の部品には「１」が前に付加された参照番号を有する。

【0035】

ノズルアセンブリ１３０は、それぞれのスロートセクション１３４Ａ～１３４Ｄに対して配置された複数の流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄを含む。燃焼室の生成物は、４つの等しい部分に分割することができ、各部分はそれぞれの流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄに流れる。ノズル１３２は、それぞれのスロートセクション１３４Ａ～１３４Ｄから離れて延びる直径が徐々に増加する４つの発散セクション１３６Ａ～１３６Ｄを含む。

【0036】

流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、それぞれ、流量調整器３８と実質的に同様に配置され、特に、閉位置と複数の開位置との間を移動するように構成される。流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、コントローラからのコマンドに応答して、リニアアクチュエータ５０と同様のそれぞれのリニアアクチュエータによって独立して移動可能である。あるいは、流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、それらの流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄが実質的に同時に実質的に同じ動きをするように、互いに協調して制御される。この目的のために、流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、共通のリニアアクチュエータによって移動可能であってもよい。流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、それぞれの軸に沿って配置され、それらの軸線はノズルの長手方向軸Ｎに平行であり、ノズルの長手方向軸Ｎの周りで互いに円周方向に離間している。流量調整器１３８Ａ～１３８Ｄは、飛行中のロケットのロールを制御するように制御され、それにより別個のロール制御システムが不要となる。したがって、ノズルアセンブリ１３０は、ピッチ、ヨー、およびロールを制御することができる。さらに、ノズル１３２を４つのセクションに分割することによって、ノズル１３２は、いくつかの例ではノズル３２よりもさらに短くすることができ、例えば、推進薬のための空間が増加する。

【0037】

特に明記しない限り、「軸方向」、「半径方向」、および「円周方向」などの用語は、上記のように車両２０の通常の動作姿勢に関して使用されていることを理解されたい。さらに、これらの用語は本明細書では説明を目的として使用されており、さもなければ限定するものであると見なされるべきではない。「一般的に」、「実質的に」、および「約」などの用語は、境界のない用語であることを意図しておらず、当業者がそれらの用語を解釈する方法と一致して解釈されるべきである。

【0038】

異なる例は、図に示される特定の構成要素を有するが、本開示の実施形態は、それらの特定の組み合わせに限定されない。ある例のコンポーネントまたは機能の一部を、別の例の機能またはコンポーネントと組み合わせて使用することが可能である。さらに、本開示に付随する様々な図は、必ずしも原寸通りではなく、特定の構成要素または配置の特定の詳細を示すために、いくつかの特徴が誇張または最小化されている場合がある。

【0039】

当業者は、上記の実施形態が例示的であり、限定的でないことを理解するであろう。すなわち、この開示の変更は、特許請求の範囲内にある。したがって、以下のクレームは、それらの真の範囲と内容を決定するために検討されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】