JP2018178970A

JP2018178970A - 流体式推力方向制御装置

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Publication number: JP2018178970A
Application number: JP2017084312A
Authority: JP
Inventors: 祐一丸山; Yuichi Maruyama; 政士坂田; Masashi Sakata
Original assignee: Kake Educational Institution
Current assignee: Kake Educational Institution
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】
推力偏向性能と高推力とを両立させた流体式推力方向制御装置を提供する。
【解決手段】
流体式推力方向制御装置におけるノズル１０を、ノズル入口１１の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第一スロート１３とされた第一絞り部１２と、第一絞り部１２の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも広く形成された第一広がり部１４と、第一広がり部１４の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第二スロート１６とされた第二絞り部１５と、第二絞り部１５の下流側に設けられ、ノズル出口１８に向かって断面積が広がるように形成された第二広がり部１７とを有するものとした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロケットエンジンやジェットエンジン等の推力の方向を制御するための流体式推力方向制御装置に関する。

航空機や各種の飛翔体の多くは、空力操舵により運動の制御を行うが、動圧が低い状況下では、空力操舵が有効に働かない場合がある。例えば、宇宙空間や高高度において運用される宇宙ロケットのように、機体の周りが真空若しくは低密度の場合、又は、地上から発射された各種飛翔体の発射直後のように機体速度が非常に遅い場合に、空気力を用いた運動制御が著しく困難となる。このような条件下で機体を制御するために、推力方向制御（ＴＶＣ：ＴｈｒｕｓｔＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌ）が用いられる。推力方向制御とは、ロケットエンジンあるいはジェットエンジンから排出される噴流の向きを何らかの方法で変えることにより、推力の向きを制御する技術である。これにより、空力操舵が有効でない状況でも、機体の姿勢や進行方向の制御が可能となる。また、近年では、航空機における高機動性を確保するための手段として、空力操舵とＴＶＣとが併用されるケースもある。

推力方向制御装置の方式は、機械式と流体式の２つに大別できる。機械式の推力方向制御装置（機械式推力方向制御装置）は、噴流の流路の形状を機械的に変化させるものとなっており、機械式推力方向制御装置としては、エンジンノズル内に傾斜板を設けるものや、ノズル形状を変化させるものや、エンジン自体の向きを変えるもの等がある。一方、流体式の推力方向制御装置（流体式推力方向制御装置）は、流れ自体の作用を用いるものであり、その代表例として、ノズル内を流れる主流に対して二次噴流を注入することにより、主流の流れに変化を起こさせ、全体としての噴流の向きを偏向させるものが挙げられる。流体式推力方向制御は、軽量化を図りやすく、応答性能を高くしやすいという点等で、機械式推力方向制御よりも優れている。

二次噴流を用いる流体式推力方向制御装置としては、デュアルスロートノズルを用いたものが提案されている（例えば、非特許文献１及び２を参照。）。ここで、「デュアルスロートノズル」とは、ロケットエンジン等のノズルとして通常用いられるラバールノズルの出口を絞って、第二スロートを設けた形状のノズルである。図１に、従来から提案されているデュアルスロートノズル１０’’の概念図を示す。同図において、符号「１０’’」はデュアルスロートノズルを、符号「１０ａ」はノズルの中心線を、符号「１１」はノズル入口を、符号「１２」は第一絞り部を、符号「１３」は第一スロートを、符号「１４」は第一広がり部を、符号「１５」は第二絞り部を、符号「１６」は第二スロートを、符号「１８」はノズル出口を、符号「１９」は二次噴流注入口を、符号「Ｆ_ＩＮ１」はエンジン燃焼室からノズル入口に流入する主流を、符号「Ｆ_ＩＮ２」は二次噴流注入口から注入する二次噴流を、符号「Ｆ_ＯＵＴ」はノズル出口から噴出する噴流を、符号「Ｆ_ａ」、「Ｆ_ｂ」、「Ｆ_ｃ」及び「Ｆ_ｄ」は代表的な流線を、符号「α_１」は剥離領域（同図において網掛けハッチングで示した領域）をそれぞれ示している。

図１に示すように、二次噴流Ｆ_ＩＮ２により流線Ｆ_ｄの近傍の流れは、デュアルスロートノズル１０’’における下側の内壁面から剥離し、二次噴流注入口１９と当該下側の内壁面における第二スロート１６との間に剥離領域α_１を生じる。剥離領域α_１の広がりは、デュアルスロートノズル１０’’の下側の内壁面における第二絞り部１５の存在により、第二絞り部１５が存在しないラバールノズルの場合よりも広範囲にわたり、その結果、主流Ｆ_ＩＮ１は上側に大きく押しやられる。しかし、デュアルスロートノズル１０’’の上側の内壁面付近においては、ノズル出口１８の直前の第二絞り部１５で逆方向に押し戻される。このため、ノズル出口１８から噴出する噴流Ｆ_ＯＵＴは、二次噴流Ｆ_ＩＮ２がない場合における右向きから、右下を向くように偏向し、その反作用として生じる推力が、二次噴流Ｆ_ＩＮ２のない場合における左向きから、左上を向くように偏向する。このようなメカニズムにより、ラバールノズルを用いた場合よりも、大きな推力偏向角を得ることが可能となっている。

Ｆｌａｍｍ，Ｊ．Ｄ．，Ｄｅｅｒｅ,，Ｋ．Ａ．，Ｍａｓｏｎ，Ｍ．Ｌ．，Ｂｅｒｒｉｅｒ，Ｂ．Ｌ．，ａｎｄＪｏｈｎｓｏｎ，Ｓ．Ｋ．，"ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆａｎＡｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃＤｕａｌＴｈｒｏａｔＦｌｕｉｄｉｃＴｈｒｕｓｔＶｅｃｔｏｒｉｎｇＮｏｚｚｌｅｆｏｒＳｕｐｅｒｓｏｎｉｃＡｉｒｃｒａｆｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ"，ＡＩＡＡＰａｐｅｒ，２００７−５０８４，２００７．Ｓｈｉｎ，Ｃ．Ｓ．，Ｓｕｒｙａｎ，Ａ．，Ｋｉｍ，Ｈ．Ｄ．，ａｎｄＳｅｔｏｇｕｃｈｉ，Ｔ．，"ＡＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＳｕｐｅｒｓｏｎｉｃＦｌｏｗｉｎａＤｕａｌＴｈｒｏａｔＮｏｚｚｌｅ"，Ｐｒｏｃ．１３ｔｈＡｓｉａｎＣｏｎｇｒｅｓｓｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ｐｐ．３２９−３３３，２０１０．

上記のデュアルスロートノズルは、推力方向の偏向を効果的に行うよう工夫されたものであるが、その一方で、ノズル出口の断面積が絞られているため、推力自体は低下するという欠点を有している。というのも、超音速流においては、流体の圧縮性の影響により、断面積がより広い所で流速がより大きくなるため、ラバールノズルでは、この効果を利用してノズル出口から高速で流体を噴出させ高推力を得ているところ、デュアルスロートノズルの出口に設けた第二スロートが、この効果を一部打ち消してしまうからである。一方、ラバールノズルに二次噴流を注入した場合、推力偏向効果は、デュアルスロートノズルよりも著しく劣ることが判明している。したがって、これらのノズル形状を用いる限り、推力偏向性能と高推力とを両立させることはできず、一方を重視すれば他方の性能を犠牲にせざるを得なかった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、推力偏向性能と高推力とを両立させた流体式推力方向制御装置を提供するものである。

上記課題は、
ノズル内をノズル入口からノズル出口に向かって流れる主流に対し、ノズルの中途部分に設けた二次噴流注入口から二次噴流を注入することによって、主流の流れに変化を起こさせ、全体としての噴流の向きを変更させる流体式推力方向制御装置であって、
ノズルが、
前記ノズル入口の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第一スロートとされた第一絞り部と、
第一絞り部の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも広く形成された第一広がり部と、
第一広がり部の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第二スロートとされた第二絞り部と、
第二絞り部の下流側に設けられ、前記ノズル出口に向かって断面積が広がるように形成された第二広がり部と
を有することを特徴とする流体式推力方向制御装置
を提供することによって解決される。

このように、ノズル（デュアルスロートノズル）の出口直前に、第二広がり部を付加することにより、第二スロートで速度が低下した噴流を第二広がり部で再加速させることができる。このため、本発明の流体式推力方向制御装置は、第二広がり部を有さない従来から提案されているデュアルスロートノズルを用いた場合と比較して、推力を増加させることが可能なものとなっている。また、本発明の流体式推力方向制御装置におけるノズルには、従来から提案されているデュアルスロートノズルと同様、ノズル出口付近に第二スロートが存在している。このため、本発明の流体式推力方向制御装置は、第二スロートを有さない従来のラバールノズルを用いた場合と比較して、優れた推力偏向性能を得ることができるものとなっている。

本発明の流体式推力方向制御装置において、ノズルの中心線に対する第二広がり部の内壁の傾斜角度（図２における傾斜角度θ_１を参照。傾斜角度θ_１が場所によって異なる場合にはその平均値。）は、０°よりも大きく、９０°よりも小さければ、特に限定されない。しかし、この傾斜角度θ_１を小さくしすぎる（第二広がり部の広がりが弱い）と、推力偏向角度を大きくしにくくなる虞がある。このため、傾斜角度θ_１は、３０°以上とすると好ましい。後述するように、傾斜角度θ_１が３０°以上であれば、従来のラバールノズルよりも推力偏向角度を大きくできることが確認できている。一方、この傾斜角度θ_１を大きくしすぎると、推力を大きくしにくくなる虞がある。このため、傾斜角度θ_１は、７０°以下とすると好ましい。後述するように、傾斜角度θ_１が７０°以下であれば、従来から提案されているデュアルスロートノズルよりも推力を大きくできることが確認できている。

また、本発明の流体式推力方向制御装置において、ノズルの前記ノズル入口の開口径（図２における開口径Ｄ_１を参照。前記ノズル入口が非円形である場合には、等価円直径で定義する。）に対する、第二広がり部のノズルの中心線に沿った方向の長さ（図２における長さＬ_１を参照。）の比Ｌ_１／Ｄ_１は、特に限定されないが、比Ｌ_１／Ｄ_１を小さくしすぎると、第二広がり部による高推力化が限定的になる虞がある。このため、比Ｌ_１／Ｄ_１は、０．２以上とすると好ましく、０．３以上とするとより好ましく、０．４以上とするとさらに好ましい。一方、比Ｌ_１／Ｄ_１を大きくしすぎると、偏向性能が低下する虞がある。このため、比Ｌ_１／Ｄ_１は、２以下とすると好ましい。

さらに、本発明の流体式推力方向制御装置において、ノズルは、ノズル入口からノズル出口に向かって、第一絞り部、第一スロート、第一広がり部、第二絞り部、第二スロート、第二広がり部の順で各部が設けられたものであれば特に限定されない。ノズルとしては、その中心線を含む一の平面に平行な断面の形状が同一のもの（いわゆる二次元ノズル）や、その中心線を軸とした回転体形状を為すもの等が挙げられる。

以上のように、本発明によって、推力偏向性能と高推力とを両立させた流体式推力方向制御装置を提供することが可能になる。本発明の流体式推力方向制御装置を用いると、従来から提案されているデュアルスロートノズルを用いたエンジンよりも推進性能を高めるとともに、従来のラバールノズルを用いたエンジンよりも推力方向の制御性能を改善することも可能である。したがって、航空機や飛翔体の飛行性能や機動性を向上させることも可能となる。

従来から提案されているデュアルスロートノズルの概念図である。本発明の流体式推力方向制御装置で用いるノズルの概念図である。本発明の流体式推力方向制御装置で用いるノズルの形態例を示した斜視図である。本発明に係るノズルの計算モデルを示した図である。従来のラバールノズルの計算モデルを示した図である。従来から提案されているデュアルスロートノズルの計算モデルを示した図である。テストシミュレーションにより得られたラバールノズルの中心線上のマッハ数Ｍの分布を示したグラフである。テストシミュレーションにより得られたラバールノズルの中心線上の流体密度ρの分布を示したグラフである。テストシミュレーションにより得られたラバールノズルの中心線上の絶対温度Ｔの分布を示したグラフである。本シミュレーションにより得られた結果を示したグラフである。

１．本発明の流体式推力方向制御装置の概要
本発明の流体式推力方向制御装置の好適な実施態様について、図面を用いてより具体的に説明する。図２は、本発明の流体式推力方向制御装置で用いるノズル１０の概念図である。同図において、符号「１０」はノズルを、符号「１０ａ」はノズルの中心線を、符号「１１」はノズル入口を、符号「１２」は第一絞り部を、符号「１３」は第一スロートを、符号「１４」は第一広がり部を、符号「１５」は第二絞り部を、符号「１６」は第二スロートを、符号「１７」は第二広がり部を、符号「１８」はノズル出口を、符号「１９」は二次噴流注入口を、符号「Ｄ_１」はノズル入口の開口径を、符号「Ｌ_１」は第二広がり部のノズルの中心線に沿った方向の長さを、符号「θ_１」はノズルの中心線に対する第二広がり部の内壁の傾斜角度を、符号「Ｆ_ＩＮ１」はエンジン燃焼室からノズル入口に流入する主流を、符号「Ｆ_ＩＮ２」は二次噴流注入口から注入する二次噴流を、符号「Ｆ_ＯＵＴ」はノズル出口から噴出する噴流をそれぞれ示している。

上記の図２は、ノズル１０を、その中心線１０ａを含む平面（ｘｚ平面に平行な平面）で切断した断面図として描いている。ノズル１０の立体的形状としては、図３（ａ）に示すように、その中心線１０ａを含む一の平面（図中のｘｚ平面）に平行な断面の形状が同一のもの（いわゆる二次元ノズル）や、図３（ｂ）に示すように、その中心線１０ａを軸とした回転体形状を為すもの等が挙げられる。図３は、本発明の流体式推力方向制御装置で用いるノズル１０の形態例を示した斜視図である。

本発明の流体式推力方向制御装置は、図２に示すように、ノズル１０内をノズル入口１１からノズル出口１８に向かって流れる主流Ｆ_ＩＮ１に対し、ノズル１０の中途部分に設けた二次噴流注入口１９から二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入することによって、主流Ｆ_ＩＮ１の流れに変化を起こさせ、全体としての噴流Ｆ_ＯＵＴの向きを変更することが可能なものとなっている。

ノズル１０において、ノズル入口１１の下流側には、第一絞り部１２が形成されている。この第一絞り部１２は、上流側（ｘ軸方向負側）から下流側（ｘ軸方向正側）に向かって絞られて形成された部分となっており、第一絞り部１２の下流側端部の断面積（開口面積）は、第一絞り部１２の上流側端部の断面積（開口面積）よりも狭くなっている。第一絞り部１２の下流側端部は、第一スロート１３となっている。

また、ノズル１０における第一絞り部１２の下流側には、第一広がり部１４が形成されている。この第一広がり部１４は、上流側から下流側に向かって広げられて形成された部分となっており、第一広がり部１４の下流側端部の断面積（開口面積）は、第一広がり部１４の上流側端部の断面積（開口面積）よりも広くなっている。

さらに、ノズル１０における第一広がり部１４の下流側には、第二絞り部１５が形成されている。この第二絞り部１５は、上記の第一絞り部１２と同様、上流側から下流側に向かって絞られて形成された部分となっており、第二絞り部１５の下流側端部の断面積（開口面積）は、第二絞り部１５の上流側端部の断面積（開口面積）よりも狭くなっている。第二絞り部１５の下流側端部は、第二スロート１６となっている。

ここまでは、図１に示したデュアルスロートノズル１０’’と同様である。しかし、本発明の流体式推力方向制御装置に係るノズル１０では、図２に示すように、第二絞り部１５のさらに下流側に、第二広がり部１７が形成されている。この第二広がり部１７は、上流側から下流側のノズル出口１８に向かって広げられて形成された部分となっており、第二広がり部１７の下流側端部の断面積（開口面積）は、第二広がり部１７の上流側端部の断面積（開口面積）よりも広くなっている。

また、ノズル１０の周壁部には、ノズル１０内に二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入するための二次噴流注入口１９が設けられている。この二次噴流注入口１９は、通常、第二広がり部１７よりも上流側に設けられ、好ましくは、第二絞り部１５よりも上流側に設けられる。本実施態様のノズル１０において、二次噴流注入口１９は、第一スロート１３付近に設けている。

二次噴流注入口１９は、図示省略のガス移送手段に接続され、当該ガス移送手段と二次噴流注入口１９とを接続するガス移送路には、当該ガス移送路の開閉を行うための開閉弁が設けられる。二次噴流注入口１９に接続するガス移送手段は、主流Ｆ_ＩＮ１を供給するエンジン燃焼室として、このエンジン燃焼室からのガス移送路を、主流Ｆ_ＩＮ１を移送する主流移送用のものと、二次噴流Ｆ_ＩＮ２を移送する二次噴流移送用のものとに分岐させてもよい。

二次噴流注入口１９を設ける個数は、特に限定されないが、１つしか設けていないと、推力を同じ側にしか偏向させることができない。このため、二次噴流注入口１９を複数箇所に設け、それらのうちの一部の二次噴流注入口１９に接続されたガス移送路の開閉弁のみを開くことにより、目的とする方向に推力を偏向させることが可能となる。例えば、図３（ａ）に示した二次元ノズルの場合には、二次噴流注入口１９は図２における下側の二次噴流注入口１９ａと上側の二次噴流注入口１９ｂとの二つを設け、推力を偏向させようとする向きに応じて、いずれか一方のみの二次噴流注入口１９から二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入させる。これにより、推力の向きを図３（ａ）におけるｙ軸に垂直な面内で、左上または左下の方向に向けることが可能となる。推力を偏向させる角度の調節は、ガス移送路の開閉弁の開度を調節して二次噴流Ｆ_ＩＮ２の流量を調節することにより、行うことが可能である。一方、図３（ｂ）に示した回転体形状のノズルの場合は、二次噴流注入口１９を、ノズル１０の中心線１０ａ回りの１８０°を超える範囲に少なくとも３箇所に設け、そのうち一部の二次噴流注入口１９のみから二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入させ、それぞれの二次噴流注入口１９からの二次噴流Ｆ_ＩＮ２の流量を調節することにより、推力を、中心線１０ａ回りの３６０°の範囲のいずれの向きとすることも可能となる。

上記のノズル１０を備えた流体式推力方向制御装置による、推力の偏向原理は、以下の通りである。

図示省略のエンジン燃焼室（ロケットエンジンやジェットエンジン等の燃焼室）から送出された燃焼ガスが主流Ｆ_ＩＮ１として、ノズル入口１１からノズル１０内に流入し、噴流Ｆ_ＯＵＴとしてノズル出口１８から噴出するようになる。この噴流Ｆ_ＯＵＴの反作用によって、噴流Ｆ_ＯＵＴの持つ総運動量と逆向きの力をエンジンが受けるようになり、推力が発生する。

ノズル１０は、その内部に主流Ｆ_ＩＮ１のみが流入している場合（二次噴流Ｆ_ＩＮ２が注入されていない場合）において、噴流Ｆ_ＯＵＴ全体が持つ運動量がノズル１０の中心線１０ａに平行な方向の一側（ｘ軸方向正側）を向き、その他側（ｘ軸方向負側）を向く推力が生じるように設計されている。

ここで、例えば推力の向きを、ｚ軸方向正側に傾けたい場合（図２の紙面における左上方向に偏向させようとする場合）には、同図中の下側の二次噴流注入口１９ａから、ノズル１０内に二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入する。すると、主流Ｆ_ＩＮ１は、図１に示したデュアルスロートノズル１０’’の場合と同様に、ノズル１０内で上側（ｚ軸方向正側）に押しやられるが、第二絞り部１５によって右下方向を向くように下側（ｚ軸方向負側）に曲げられるので、第二スロート１６を通過する噴流全体の運動量は、下向きの成分を持つようになる。その結果、エンジンの推力は、図２の紙面における左上方向に偏向する。このとき、第二広がり部１７によって、ノズル出口１８の断面積（開口面積）は、第二スロート１６の断面積（開口面積）よりも広がるため、第二広がり部１７内を通過するガスが加速され、第二広がり部１７を設けていない場合よりも、噴流Ｆ_ＯＵＴの総運動量の絶対値が大きくなり、推力が増大する。

一方、推力の向きを、ｚ軸方向負側に傾けたい場合（図２における左下方向に偏向させようとする場合）には、図中の上側の二次噴流注入口１９ｂより、ノズル１０内に二次噴流Ｆ_ＩＮ２（図示省略）を注入する。これにより、下側の二次噴流注入口１９ａから二次噴流Ｆ_ＩＮ２を注入した場合と同様の原理によって、推力は、図２の紙面における左下方向に偏向する。

２．シミュレーション（本シミュレーション及びテストシミュレーション）
本発明の流体式推力方向制御装置に係るノズルが、推力偏向性能と高推力性とに関し、どの程度の効果を発揮できるものであるかを確認するため、ノズル内の流れのシミュレーションを行った。

２．１シミュレーション方法
２．１．１本シミュレーションの方法
このシミュレーションにおいて、本発明のノズル１０は、図３（ａ）に示したものと同様に、ｙ軸方向に垂直な任意断面の形状が同一となる二次元ノズルとして定義した。本発明のノズル１０の断面（ｙ軸方向に垂直な断面）における各部の寸法（ノズル入口１１の開口径Ｄ_１に対する各部の寸法）は、図４に示す値に設定した。図４は、本発明に係るノズル１０の計算モデルを示した図である。

このシミュレーションでは、ノズル入口１１からノズル１０内に主流Ｆ_ＩＮ１（図２を参照）を流入させるとともに、二次噴流注入口１９ａから二次噴流Ｆ_ＩＮ２（図２を参照）も注入した。二次噴流Ｆ_ＩＮ２の流量は、主流Ｆ_ＩＮ１の流量（「Ｑ_ＩＮ１」とする。）と二次噴流Ｆ_ＩＮ２の流量（「Ｑ_ＩＮ２」とする。）との比（Ｑ_ＩＮ１：Ｑ_ＩＮ２）が９５：５となるように設定した。また、ノズル１０の中心線１０ａに対する二次噴流Ｆ_ＩＮ２の注入角度は、３０°（デュアルスロートノズルでの予備計算において最大の推力偏向角度が得られた値）に設定した。

また、このシミュレーションにおいて、本発明に係るノズル１０は、第二広がり部１７の長さＬ_１及び傾斜角度θ_１の異なる計１４パターン（実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７）についてシミュレーションを行った。実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７における第二広がり部１７の長さＬ_１及び傾斜角度θ_１の値は、下記表１に示す通りである。

また、このシミュレーションでは、上記の本発明に係るノズルの範疇に属するもの（実施例１．１〜１．７及び２．１〜２．７）のほか、従来から提案されているラバールノズルに属するもの（比較例１）と、従来から提案されているデュアルスロートノズルに属するもの（比較例２）とについても行った。図５は、比較例１として採用した、従来のラバールノズル１０’’の計算モデルを示した図である。図６は、比較例２として採用した、従来から提案されているデュアルスロートノズル１０’の計算モデルを示した図である。

比較例１，２のノズル１０’，１０’’も、本発明のノズル１０と同様、ｙ軸方向に垂直な任意断面の形状が同一となる二次元ノズルとして定義した。比較例１，２のノズル１０’，１０’’の断面（ｙ軸方向に垂直な断面）における各部の寸法（ノズル入口１１の開口径Ｄ_１に対する各部の寸法）は、それぞれ図５，６に示す値に設定した。図６のデュアルスロートノズル１０’’は、図４の本発明に係るノズル１０から第二広がり部１７を取り除いたこと以外は、図４の本発明に係るノズル１０と同じ寸法形状を有している。また、図５のラバールノズル１０’は、図６のデュアルスロートノズル１０’’から第二絞り部１５を取り除いたこと以外は、図６のデュアルスロートノズル１０’’と同じ寸法形状を有している（図４の本発明に係るノズル１０から第二広がり部１７と第二絞り部１５を取り除いたこと以外は、図４の本発明に係るノズル１０と同じ寸法形状を有している）。

比較例１，２におけるシミュレーションでも、上記の実施例１．１〜１．７及び２．１〜２．７と同様、ノズル入口１１からノズル１０’，１０’’内に主流Ｆ_ＩＮ１（図２を参照）を流入させるとともに、二次噴流注入口１９ａから二次噴流Ｆ_ＩＮ２（図２を参照）も注入した。主流Ｆ_ＩＮ１の流量Ｑ_ＩＮ１と二次噴流Ｆ_ＩＮ２の流量Ｑ_ＩＮ２との比Ｑ_ＩＮ１：Ｑ_ＩＮ２や、ノズルの中心線に対する二次噴流Ｆ_ＩＮ２の注入角度も、上記の実施例１．１〜１．７及び２．１〜２．７と同一に設定した。

上記のシミュレーションにおける計算は、モンテカルロ直接シミュレーション（ＤＳＭＣ: ＤｉｒｅｃｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ）法において、分子モデルを剛体球とし、ノズルの内周壁での反射条件を鏡面反射として行った。推力（ベクトル量「ｆ」とする。）は、微小時間（「Δｔ」とする。）の間にノズル出口から噴出した分子の総運動量（ベクトル量「Δｐ」とする。）の値から、下記式１を用いて求めた。また、推力偏向角度（「δ」とする。）は、下記式２を用いて求めた。

２．１．２テストシミュレーションの方法
また、上記のシミュレーションで得られた結果の妥当性を確認するため、上記のシミュレーション（以下、「本シミュレーション」と呼ぶ。）に先立って、モンテカルロ直接シミュレーション（ＤＳＭＣ法）によるテストシミュレーションも行った。このテストシミュレーションでは、上記の比較例１のラバールノズル１０’（図５）において、二次噴流注入口１９から二次噴流を注入しない状態で、ノズル入口１１から主流のみを流入させて行った。このテストシミュレーションでは、ノズル１０’の中心線上におけるマッハ数Ｍ、流体密度ρ及び絶対温度Ｔの値の分布を算出し、これらの算出されたそれぞれの値を、ノズル入口１１、第一スロート１３及びノズル出口１８における、等エントロピー流理論による予測値と比較した。

２．２シミュレーションの結果
２．２．１テストシミュレーションの結果
まず、テストシミュレーションの結果について説明する。

図７は、テストシミュレーションにより得られたラバールノズル１０’の中心線上のマッハ数Ｍの分布を示したグラフである。図７における「Ｍ_ａ」、「Ｍ_ｂ」及び「Ｍ_ｃ」は、それぞれ、ノズル入口１１、第一スロート１３及びノズル出口１８における、等エントロピー流理論によるマッハ数Ｍの予測値である。図８は、テストシミュレーションにより得られたラバールノズル１０’の中心線上の流体密度ρの分布を示したグラフである。図８における「ρ_ａ」、「ρ_ｂ」及び「ρ_ｃ」は、それぞれ、ノズル入口１１、第一スロート１３及びノズル出口１８における、等エントロピー流理論による流体密度ρの予測値である。図９は、テストシミュレーションにより得られたラバールノズル１０’の中心線上の絶対温度Ｔの分布を示したグラフである。図９における「Ｔ_ａ」、「Ｔ_ｂ」及び「Ｔ_ｃ」は、それぞれ、ノズル入口１１、第一スロート１３及びノズル出口１８における、等エントロピー流理論による絶対温度Ｔの予測値である。図７〜９において、横軸（ｘ軸）は、ノズル１０’の中心線に沿う座標である。図８における流体密度ρ及び図９における絶対温度Ｔは、それぞれ、ノズル入口１１の流体密度ρ及び絶対温度Ｔを「１」として規格化した値で示している。

図７〜９を見ると、テストシミュレーションによる結果（グラフ曲線）は、揺らぎ（上記のＤＳＭＣ法に伴って必然的に現れる揺らぎ）を含んでいるものの、マッハ数Ｍ、流体密度ρ及び絶対温度Ｔのいずれの物理量においても、理論値（等エントロピー流理論による予測値）とよく一致していることが分かる。このことから、モンテカルロ直接シミュレーション（ＤＳＭＣ法）は、本発明のノズル１０の有用性を検証するシミュレーション方法として、適切なものであることが確認された。

２．２．２本シミュレーションの結果
続いて、本シミュレーションの結果について説明する。

図１０は、本シミュレーションにより得られた結果を示したグラフである。図１０における、マーカー「Ｅ_１．１」、「Ｅ_１．２」、「Ｅ_１．３」、「Ｅ_１．４」、「Ｅ_１．５」、「Ｅ_１．６」及び「Ｅ_１．７」、並びに、「Ｅ_２．１」、「Ｅ_２．２」、「Ｅ_２．３」、「Ｅ_２．４」、「Ｅ_２．５」、「Ｅ_２．６」及び「Ｅ_２．７」は、それぞれ、本発明に係る、実施例１．１、実施例１．２、実施例１．３、実施例１．４、実施例１．５、実施例１．６及び実施例１．７、並びに、実施例２．１、実施例２．２、実施例２．３、実施例２．４、実施例２．５、実施例２．６及び実施例２．７の結果を示したものであり、マーカー「Ｃ_１」は、ラバールノズルに係る比較例１の結果を示したものであり、マーカー「Ｃ_２」は、デュアルスロートノズルに係る比較例２の結果を示したものである。

また、図１０における横軸は、実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７、並びに、比較例１及び比較例２のノズルにおける推力偏向角度δを、デュアルスロートノズルである比較例２（同図中の「Ｃ_２」）の値を「１」として規格化して示したものである。さらに、図１０における縦軸は、実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７、並びに、比較例１及び比較例２のノズルにおける推力の絶対値を、ラバールノズルである比較例１（同図中の「Ｃ_１」）の値を「１」として規格化して示したものである。

図１０を見ると、本発明に係る実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７の全てのノズルにおいて、推力ｆの絶対値は、１よりも大きくなっており、デュアルスロートノズルに係る比較例２（マーカーＣ_２）の推力ｆの絶対値を上回っている。このことから、本発明の流体式推力方向制御装置のノズルのように、第二広がり部１７を設けることによって、従来から提案されているデュアルスロートノズルよりも、推力ｆを増大させることが可能であることが確認できた。

また、図１０を見ると、本発明に係る実施例１．１〜１．７及び実施例２．１〜２．７の多くのノズルにおいて、推力偏向角度δは、１よりも大きくなっており、ラバールノズルに係る比較例１（マーカーＣ_１）の推力偏向角度δを上回っている。具体的には、第二広がり部１７の傾斜角度θ_１が３０°未満の実施例（実施例１．１、実施例１．２、実施例２．１及び実施例２．２）を除いた全ての実施例（傾斜角度θ_１が３０°以上の実施例１．３〜１．７及び実施例２．３〜２．７）において、推力偏向角度δが、比較例１（マーカーＣ_１）の推力偏向角度δを上回っている。このことから、本発明の流体式推力方向制御装置のノズルのように、第二広がり部１７を設け、その傾斜角度θ_１を適切な範囲（例えば、３０〜７０°の範囲）に設定することにより、従来のラバールノズルよりも、推力偏向角度δを増大させることが可能であることが確認できた。

ところで、図１０の結果からは、第二広がり部１７の長さＬ_１が０．５９×Ｄ_１と比較的短い実施例１．１〜１．７よりも、第二広がり部１７の長さＬ_１が１．１８×Ｄ_１と比較的長い実施例２．１〜２．７の方が、推力ｆの増大効果が高くなる傾向にあることも読み取れる。また、図１０の結果からは、第二広がり部１７の傾斜角度θ_１が２０°を超える場合には、第二広がり部１７の傾斜角度θ_１が小さいほど、推力ｆの増大効果が大きくなる傾向があることも読み取れる。さらに、図１０の結果からは、第二広がり部１７の傾斜角度θ_１が大きいほど、推力偏向角度δが大きくなり、殆どのケースでは、第二広がり部１７の長さＬ_１が短い場合に、推力偏向角度δがやや大きくなることも読み取れる。

１０ノズル
１０ａノズルの中心線
１０’ 従来から提案されているラバールノズル
１０’’ 従来から提案されているデュアルスロートノズル
１１ノズル入口
１２第一絞り部
１３第一スロート
１４第一広がり部
１５第二絞り部
１６第二スロート
１７第二広がり部
１８ノズル出口
１９二次噴流注入口
１９ａ下側の二次噴流注入口
１９ｂ上側の二次噴流注入口
Ｄ_１ノズル入口の開口径
Ｌ_１第二広がり部のノズルの中心線に沿った方向の長さ
Ｆ_ａ代表的な流線
Ｆ_ｂ代表的な流線
Ｆ_ｃ代表的な流線
Ｆ_ｄ代表的な流線
Ｆ_ＩＮ１エンジン燃焼室からノズル入口に流入する主流
Ｆ_ＩＮ２二次噴流
Ｆ_ＯＵＴノズル出口から噴出する噴流
α_１剥離領域
θ_１ノズルの中心線に対する第二広がり部の内壁の傾斜角度

Claims

ノズル内をノズル入口からノズル出口に向かって流れる主流に対し、ノズルの中途部分に設けた二次噴流注入口から二次噴流を注入することによって、主流の流れに変化を起こさせ、全体としての噴流の向きを変更させる流体式推力方向制御装置であって、
ノズルが、
前記ノズル入口の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第一スロートとされた第一絞り部と、
第一絞り部の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも広く形成された第一広がり部と、
第一広がり部の下流側に設けられ、その下流側端部の断面積がその上流側端部の断面積よりも狭く形成され、その下流側端部が第二スロートとされた第二絞り部と、
第二絞り部の下流側に設けられ、前記ノズル出口に向かって断面積が広がるように形成された第二広がり部と
を有することを特徴とする流体式推力方向制御装置。
ノズルの中心線に対する第二広がり部の内壁の傾斜角度が３０〜７０°とされた請求項１記載の流体式推力方向制御装置。
ノズルの前記ノズル入口の開口径（Ｄ_１とする。）に対する、第二広がり部のノズルの中心線に沿った方向の長さ（Ｌ_１とする。）の比Ｌ_１／Ｄ_１が、０．２〜２とされた請求項１又は２記載の流体式推力方向制御装置。
ノズルとして、その中心線を含む一の平面に平行な断面の形状が同一のものを用いた請求項１〜３いずれか記載の流体式推力方向制御装置。
ノズルとして、その中心線を軸とした回転体形状を為すものを用いた請求項１〜３いずれか記載の流体式推力方向制御装置。