JP2020084779A - Fluid type thrust direction control device - Google Patents
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Abstract
【課題】「推力が偏向すべきときに偏向する」という条件(第一条件)だけでなく、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という条件(第二条件)も満たすことができる、デュアルスロートノズルを用いた推力方向制御装置を提供する。【解決手段】第一絞り部12と、広がり部14と、第二絞り部15とを有するデュアルスロートノズル10を用いた推力方向制御装置において、第二絞り部15の下流側端部に形成される第二スロート16の断面積A2*を、第一絞り部12の下流側端部に形成される第一スロート13の断面積A1*よりも大きく設定することにより、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみを流入させる非偏向制御時に、広がり部14に超音速の流れが生じて、その流れがノズル内壁面から剥離しないようにすることで、意図しない推力偏向が起こらないようにした。【選択図】図6[Object] To satisfy not only the condition (first condition) that "thrust is deflected when it should be deflected" but also the condition (second condition) that "thrust is not deflected when it should not be deflected". A thrust vector control system using a dual throat nozzle is provided. A thrust direction control device using a dual throat nozzle (10) having a first throttle portion (12), a widening portion (14), and a second throttle portion (15). By setting the cross-sectional area A2* of the second throat 16 to be larger than the cross-sectional area A1* of the first throat 13 formed at the downstream end of the first throttle portion 12, the secondary jet flows into the nozzle 10. During non-deflection control in which only the main flow FIN1 is flowed without injecting FIN2, a supersonic flow is generated in the diverging portion 14, and by preventing the flow from separating from the inner wall surface of the nozzle, unintended thrust deflection is prevented. I tried not to [Selection drawing] Fig. 6
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。 The present invention relates to a fluid thrust direction control device for controlling a thrust direction of a rocket engine, a jet engine or the like.
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である場合、又は、地上から発射された直後の各種飛翔体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(空力操舵)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: Thrust Vector Control)が用いられる。推力方向制御とは、ロケットエンジン或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。 Most aircraft and various flying objects control their movements by aerodynamic steering, but aerodynamic steering may not work effectively under low dynamic pressure. For example, when the space around the airframe has a vacuum or low density, such as a space rocket operated in outer space or high altitude, or the speed of the airframe is very slow like various projectiles immediately after being launched from the ground. In this case, motion control using aerodynamic force (aerodynamic steering) becomes extremely difficult. Thrust direction control (TVC: Thrust Vector Control) is used to control the airframe under such conditions. Thrust direction control is a technique for controlling the direction of thrust by changing the direction of a jet flow discharged from a rocket engine or a jet engine by some method. As a result, even when the aerodynamic steering is not effective, it is possible to control the attitude and traveling direction of the airframe. In recent years, as a means for ensuring high maneuverability in an aircraft, there are cases where aerodynamic steering and TVC are used together.
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である。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、ノズル内を流れる流体自体の作用を用いることで、ノズル出口から噴出する噴流の向きを変化させるものである。流体式推力方向制御装置としては、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代表的である。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。 The thrust direction control device can be roughly classified into a mechanical type and a fluid type. The mechanical thrust force direction control device (mechanical thrust force direction control device) mechanically changes the shape of the flow path of the jet flow. Mechanical thrust direction control devices include those that provide an inclined plate in the engine nozzle, those that change the nozzle shape, and those that change the direction of the engine itself. On the other hand, the fluid type thrust direction control device (fluid type thrust direction control device) changes the direction of the jet flow ejected from the nozzle outlet by using the action of the fluid itself flowing in the nozzle. A typical fluid-type thrust direction control device is one that injects a secondary jet into a main stream flowing in a nozzle to cause a change in the flow of the main stream and deflect the direction of the jet as a whole. .. The hydraulic thrust direction control is superior to the mechanical thrust direction control in that it is easy to reduce the weight and the response performance is improved.
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「FIN1」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「FIN2」は二次噴流注入口から注入する二次噴流を、符号「FOUT」はノズル出口から噴出する噴流を、符号「Fa」、「Fb」、「Fc」及び「Fd」は代表的な流線を、符号「α1」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。 As a fluid thrust direction control device using a secondary jet, a device using a dual throat nozzle has been proposed (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). Here, the "dual throat nozzle" is a nozzle having a shape in which a second throat is provided by narrowing the outlet of a Laval nozzle normally used as a nozzle for rocket engines and the like. FIG. 1 shows a conceptual diagram of a conventionally proposed dual throat nozzle 10. In the figure, reference numeral "10" indicates a dual throat nozzle, reference numeral "10a" indicates the center line of the nozzle, reference numeral "11" indicates the nozzle inlet, reference numeral "12" indicates the first throttle portion, and reference numeral "13" indicates The first throat, reference numeral “14” indicates a widened portion, reference numeral “15” indicates a second throttle portion, reference numeral “16” indicates a second throat, reference numeral “18” indicates a nozzle outlet, and reference numeral “19” indicates two. The secondary jet injection port, reference numeral “F IN1 ”, is the main flow flowing from the engine combustion chamber to the nozzle inlet, reference numeral “F IN2 ”is the secondary jet flow injected from the secondary jet injection port, and the reference numeral “F OUT ” is the nozzle. The jets ejected from the outlet are represented by the reference numerals “F a ”, “F b ”, “F c ”, and “F d ”, which are typical streamlines, and the reference numeral “α 1 ”is the separation region (hatched in FIG. Area) is shown.
図1に示すように、第一スロート13の近辺の下側のノズル壁に設けた二次噴流注入口19から二次噴流FIN2を注入すると、主流FIN1の流れは、その流線Fa,Fb,Fc,Fd(特に下側の流線Fd)に示されるように、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α1が生じる。その結果、主流FIN1は、上側に大きく押し上げられるとともに、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FOUTは、ノズル中心線10aに平行で右向きの方向よりも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、ノズル中心線10aに平行で左向きの方向よりも左上を向くように偏向する。二次噴流を用いるデュアルスロートノズル10では、上記のメカニズム(以下、「流れの剥離メカニズム」と呼ぶことがある。)によって、推力方向の制御が行われる。 As shown in FIG. 1, when the secondary jet F IN2 is injected from the secondary jet injection port 19 provided in the lower nozzle wall near the first throat 13, the flow of the main flow F IN1 changes its streamline F a. , F b , F c , and F d (particularly, the lower streamline F d ), the dual throat nozzle 10 is separated from the inner wall surface on the lower side, and the secondary jet injection port 19 and the lower stream surface are separated. A separation area α 1 is formed between the inner wall surface and the second throat 16. As a result, the main flow F IN1 is largely pushed upward, and is pushed back in the opposite direction by the second throttle portion 15 immediately before the nozzle outlet 18. For this reason, the jet flow F OUT ejected from the nozzle outlet 18 is deflected so as to be parallel to the nozzle center line 10a and directed to the lower right than the direction to the right, and the thrust generated as a reaction thereof is parallel to the nozzle center line 10a and directed to the left. Bias so that it faces the upper left of the direction of. In the dual throat nozzle 10 using the secondary jet, the thrust direction is controlled by the above mechanism (hereinafter, also referred to as “flow separation mechanism”).
ところで、二次噴流を用いるデュアルスロートノズルを含め、推力方向制御装置の実用性を検討する際には、「推力が偏向すべきときに偏向する」という条件(以下、「第一条件」と呼ぶことがある。)と、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という条件(以下、「第二条件」と呼ぶことがある。)とを確認する必要がある。ところが、第一条件の成立は、非特許文献1及び非特許文献2において既に確認されているものの、第二条件の成立は、未だ確認されていなかった。このため、本発明者は、二次噴流を用いるデュアルスロートノズルが第二条件を満たすか否かを確認するため、シミュレーションを行った。具体的には、図1に示したデュアルスロートノズル10において、二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみを流入させた場合のデュアルスロートノズル10内の流れ場と推力偏向角度を数値シミュレーションにより算出した。 By the way, when considering the practicality of a thrust direction control device including a dual throat nozzle that uses a secondary jet, the condition that "the thrust is deflected when it should be deflected" (hereinafter referred to as "first condition"). And the condition that “the thrust is not deflected when it should not be deflected” (hereinafter, may be referred to as “second condition”). However, the establishment of the first condition has already been confirmed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, but the establishment of the second condition has not yet been confirmed. Therefore, the inventor performed a simulation to confirm whether the dual throat nozzle using the secondary jet satisfies the second condition. Specifically, in the dual throat nozzle 10 shown in FIG. 1, the flow field and the thrust deflection angle in the dual throat nozzle 10 when the secondary jet F IN2 is not injected and only the main flow F IN1 is flowed in are numerical values. Calculated by simulation.
シミュレーションの解析手法としては、モンテカルロ直接シミュレーション(DSMC: Direct Simulation Monte Carlo)法を用いた。分子モデルは剛体球とし、その剛体球がデュアルスロートノズル10の内周壁で鏡面反射するものとした。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18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。 As a simulation analysis method, a Monte Carlo direct simulation (DSMC: Direct Simulation Monte Carlo) method was used. The molecular model is a rigid sphere, and the rigid sphere is specularly reflected by the inner peripheral wall of the dual throat nozzle 10. The thrust (vector amount “f”) is calculated from the value of the total momentum (vector amount “Δp”) of the molecules ejected from the nozzle outlet 18 during a minute time (“Δt”). It was determined using the following formula 1. Further, the thrust deflection angle (referred to as “δ”) was obtained using the following equation 2.
また、このシミュレーションにおいて、デュアルスロートノズル10は、図2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。デュアルスロートノズル10の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の開口幅D1に対する各部の寸法)は、図3に示す値に設定した。以下においては、図3に示す寸法のデュアルスロートノズル10を「ノズルA」と呼ぶことがある。ノズルAにおける第二スロート16の幅(断面積)は、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推力方向制御装置(非特許文献1や非特許文献2のデュアルスロートノズルを用いた推力方向制御装置)と同様に、第一スロート13の幅(断面積)と同じ寸法に設定している。計算は、デュアルスロートノズル10内の全域が真空である初期状態からスタートさせ、少なくともデュアルスロートノズル10内の流れ場がほぼ定常状態となることが確認できるまで継続して行った。 Further, in this simulation, the dual throat nozzle 10 was defined as a two-dimensional nozzle in which the shape of an arbitrary cross section perpendicular to the y-axis direction was the same as that shown in FIG. The dimension of each part (dimension of each part with respect to the opening width D 1 of the nozzle inlet 11) in the cross section perpendicular to the y-axis direction of the dual throat nozzle 10 was set to the value shown in FIG. 3. Hereinafter, the dual throat nozzle 10 having the dimensions shown in FIG. 3 may be referred to as “nozzle A”. The width (cross-sectional area) of the second throat 16 in the nozzle A is a thrust direction control device using a conventionally proposed dual throat nozzle (thrust direction using the dual throat nozzle of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). Like the control device), the size is set to be the same as the width (cross-sectional area) of the first throat 13. The calculation was started from an initial state in which the entire area inside the dual throat nozzle 10 is a vacuum, and continued until at least the flow field inside the dual throat nozzle 10 was confirmed to be in a substantially steady state.
なお、上記の「第二条件」の成立の有無を確認するこのシミュレーション(以下、「第二条件確認シミュレーション」と呼ぶことがある。)に先立ち、「背景技術」の欄で説明した「流れの剥離メカニズム」による推力方向の偏向が実際に行われるか否か(第一条件が成立するか否か)を確認するシミュレーション(以下、「第一条件確認シミュレーション」と呼ぶことがある。)も行った。具体的には、図3に示した寸法の二次元ノズル(ノズルA)において、図1に示すように、主流FIN1及び二次噴流FIN2を注入させた場合のデュアルスロートノズル10内の流れについてシミュレーションを行った。第一条件確認シミュレーションの解析手法は、既に述べた第二条件確認シミュレーションと同じとした。ただし、第一条件確認シミュレーションでは、図1に示されるように、二次噴流FIN2が注入される。この二次噴流FIN2の流量は、主流FIN1と二次噴流FIN2との流量の合計に対する5%に設定した。二次噴流FIN2の注入方向は、図1のノズル中心線10aに平行な右向きの方向(x軸方向正側)から同図の紙面に向かって反時計回りに150°回転した方向とした。この場合について計算を行うと、定常状態での推力偏向角度δが約−19°となることが確認できた。ここで、上記式2で算出される推力偏向角度δは、図3において反時計回りに偏向した場合に正の値となるので、図1に示したメカニズムにより左上方向に推力が偏向した結果、δの値は負となっている。 Prior to this simulation for confirming whether or not the above-mentioned "second condition" is satisfied (hereinafter, it may be referred to as "second condition confirmation simulation"), "Flow of Flow" explained in the section of "Background Technology" is explained. A simulation (hereinafter also referred to as “first condition confirmation simulation”) for confirming whether the thrust direction is actually deflected by the “separation mechanism” (whether or not the first condition is satisfied) is also performed. It was Specifically, in the two-dimensional nozzle (nozzle A) having the dimensions shown in FIG. 3, as shown in FIG. 1, the flow in the dual throat nozzle 10 when the main flow F IN1 and the secondary jet F IN2 are injected. The simulation was performed. The analysis method of the first condition confirmation simulation was the same as that of the second condition confirmation simulation described above. However, in the first condition confirmation simulation, as shown in FIG. 1, the secondary jet F IN2 is injected. The flow rate of the secondary jet F IN2 is set to 5% for the total flow rate of the mainstream F IN1 and secondary jets F IN2. The injection direction of the secondary jet F IN2 was set to a direction rotated counterclockwise by 150° from the rightward direction (the positive side in the x-axis direction) parallel to the nozzle center line 10a in FIG. 1 toward the paper surface in FIG. Calculations in this case have confirmed that the thrust deflection angle δ in the steady state is approximately −19°. Here, since the thrust deflection angle δ calculated by the above equation 2 becomes a positive value when it is deflected counterclockwise in FIG. 3, the thrust is deflected in the upper left direction by the mechanism shown in FIG. The value of δ is negative.
図4に、ノズルAについて行った第二条件確認シミュレーションの結果を示す。この図4は、推力偏向角度δの時間変化を表したグラフとなっている。同図では、シミュレーションに用いる乱数列の値を10通りに設定した上で、それぞれ計算を実行した結果を重ねて表示している。ただし、乱数列以外の条件は同一である。第二条件確認シミュレーションにおいて、一連の乱数は個々の流入分子の速度設定や、二体衝突する分子の選択、衝突後の散乱方向の決定に用いられる。また時間は、D1/(2RT1)1/2を基準値として無次元化した値を示している。ここで、D1はノズル入口11の開口幅、Rは計算に用いた模擬分子の気体定数に相当する物理量、T1はノズル入口11からの流入流における絶対温度である。図4から明らかなように,時刻t=13付近までは、いずれの乱数列でも、推力偏向角度δが略0°となるものの、t>13の範囲では、乱数列によって推力偏向角度δが正又は負の値を取る場合があり、その絶対値は最大で約4°に達している。ノズル形状、流入条件とも上下対称に設定しているにも拘らず、推力ベクトルの方向が対称軸から偏向しており、しかも乱数列という偶発的な要因により偏向の向きや大きさが様々に変化している。 FIG. 4 shows the result of the second condition confirmation simulation performed for the nozzle A. This FIG. 4 is a graph showing the change over time of the thrust deflection angle δ. In the figure, the values of the random number sequence used for the simulation are set to 10 and the results of the respective calculations are displayed in an overlapping manner. However, the conditions other than the random number sequence are the same. In the second condition confirmation simulation, a series of random numbers is used to set the velocity of each inflowing molecule, select molecules that collide with each other, and determine the scattering direction after collision. In addition, the time indicates a dimensionless value with D 1 /(2RT 1 ) 1/2 as a reference value. Here, D 1 is the opening width of the nozzle inlet 11, R is a physical quantity corresponding to the gas constant of the simulated molecule used in the calculation, and T 1 is the absolute temperature in the inflow from the nozzle inlet 11. As is apparent from FIG. 4, the thrust deflection angle δ is approximately 0° for any random number sequence until time t=13, but within the range of t>13, the thrust deflection angle δ is positive due to the random number sequence. Or, it may take a negative value, and its absolute value reaches a maximum of about 4°. Even though the nozzle shape and inflow conditions are set vertically symmetrical, the direction of the thrust vector is deflected from the axis of symmetry, and the direction and magnitude of deflection are variously changed due to the random factor of the random number sequence. is doing.
大きな偏向角の絶対値が得られた乱数列4及び乱数列10の場合について、時間が十分(じゅうぶん)経過した後のt=37.5におけるノズル内流線を図5(a),(b)にそれぞれ示す。図5(a),(b)を見ると、デュアルスロートノズル10内に上下非対称な剥離領域が発生していることが明確に読み取れる。また、乱数列4及び乱数列10のいずれの場合でも、デュアルスロートノズル10内の全領域で亜音速或いは遷音速となっている。 In the case of the random number sequence 4 and the random number sequence 10 in which the large absolute value of the deflection angle is obtained, the flow lines in the nozzle at t=37.5 after a sufficient time has passed are shown in FIGS. ) Respectively. From FIGS. 5A and 5B, it can be clearly seen that a vertically asymmetric peeling region is generated in the dual throat nozzle 10. In both cases of the random number sequence 4 and the random number sequence 10, the subsonic velocity or the transonic velocity is set in the entire area of the dual throat nozzle 10.
このように、シミュレーションの計算過程や計算結果には、統計的な揺らぎが反映される。この揺らぎは現実の流れ場にも存在するものである。ただし、シミュレーションにおける分子数は10の6乗個程度であり、現実のアボガドロ数よりもはるかに小さな値である。このため、シミュレーションの流れ場では、現実の流れ場よりも、統計的な揺らぎが拡大して反映される。その一方で、現実の流れ場には、シミュレーションでは考慮していない巨視的な乱れも存在する。この巨視的な乱れは、上記の揺らぎと同様の効果をもたらし得るため、上記の非対称性は、現実の流れにおいても生じる可能性がある。本ケースと形状は異なるが、流路の中心線に対して対称な二次元形状の管の急拡大部を通過する非圧縮流が非対称な剥離領域を生じる現象は実験的にも確認されている(非特許文献3及び非特許文献4を参照)。一般的に、広がり部では、流れの剥離が生じやすく、境界形状が流路の中心線に対して対称であったとしても、剥離領域も対称となる拘束条件が課せられている訳ではない。実際、レイノルズ数があまり小さくなければ、非対称な剥離領域を持つ解が存在することが数値解析により示されている(非特許文献3、非特許文献4及び非特許文献5を参照)。一般的に、解の数はレイノルズ数とともに増加する。個々の流れ場がどの解に向かうかは、流れ場に存在する微細な乱れや揺らぎ或いは壁面のわずかな凹凸により影響を受ける。 In this way, statistical fluctuations are reflected in the simulation calculation process and calculation results. This fluctuation also exists in the actual flow field. However, the number of molecules in the simulation is about 10 6 and is much smaller than the actual Avogadro's number. For this reason, statistical fluctuations are reflected in the simulated flow field in a larger scale than in the actual flow field. On the other hand, in the actual flow field, there are macroscopic disturbances that are not considered in the simulation. Since this macroscopic turbulence can bring about the same effect as the fluctuation, the above-mentioned asymmetry can occur in the actual flow. Although the shape is different from this case, it has been confirmed experimentally that the incompressible flow passing through the sudden expansion part of the two-dimensional tube symmetrical with respect to the center line of the flow channel creates an asymmetric separation region. (See Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4). Generally, in the widened portion, flow separation is likely to occur, and even if the boundary shape is symmetrical with respect to the center line of the flow path, the constraint condition that the separation region is also symmetrical is not imposed. In fact, if the Reynolds number is not too small, it is shown by numerical analysis that there is a solution having an asymmetric peeling region (see Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, and Non-Patent Document 5). In general, the number of solutions increases with Reynolds number. Which solution each individual flow field faces is affected by minute turbulence and fluctuations existing in the flow field or slight irregularities on the wall surface.
さらに、流体式推力方向制御装置における流れ場のように、圧縮性が無視できない高速流の場合、仮に広がり部で剥離しない流れが実現されていたとしても、流速が音速以下であれば、流路の広がり部で流れが減速して逆圧力勾配状態(下流に行くほど圧力が上昇する状態)が生じ、流体は下流への移動とともにその体積が縮小する。流路の広がりと流体体積の縮小とが同時に起こる状況下では、剥離しない流れの継続は難しく、何かのきっかけで剥離流に移行するのは自然の成り行きと言える。その際に、剥離領域が非対称な形状となる解が存在すれば、流れ場がそちらに移行することがあっても何ら不自然ではない。 Furthermore, in the case of a high-speed flow whose compressibility is not negligible, such as the flow field in a fluid thrust control device, even if a flow that does not separate at the widening part is realized, if the flow velocity is below the sonic velocity, The flow is decelerated at the spread portion of the fluid to cause a reverse pressure gradient state (a state in which the pressure increases as it goes downstream), and the volume of the fluid decreases as it moves downstream. In the situation where the expansion of the flow channel and the reduction of the fluid volume occur at the same time, it is difficult to continue the flow without separation, and it can be said that the transition to the separation flow is a natural consequence. At that time, if there exists a solution in which the separation region has an asymmetrical shape, it is not unnatural if the flow field may shift to that solution.
既に述べたように、流体式推力方向制御装置においては、「推力が偏向すべきときに偏向する」という第一条件に加えて、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件も成立することが重要である。この点、第二条件確認シミュレーション(図4)で現れた、推力が偏向すべきでないときの推力方向の揺らぎが、現実の流体式推力方向制御装置においても、「偶発的要因により生ずる二次噴流停止時の推力偏向」として現れる可能性がある。このことは、デュアルスロートノズルを用いた流体式推力方向制御装置が実用化されるか否かに関わる重大な問題となる可能性がある。したがって、この問題は、デュアルスロートノズルを用いた流体式推力方向制御装置の実用化に向けて予め解決しておくべきである。 As described above, in the hydraulic thrust direction control device, in addition to the first condition that "the thrust is deflected when it should be deflected", the second condition that "the thrust is not deflected when it should not be deflected" Is also important. In this respect, the fluctuation in the thrust direction that appears in the second condition confirmation simulation (FIG. 4) when the thrust should not be deflected is due to the "secondary jet generated due to an accidental factor" even in the actual fluid thrust direction control device. It may appear as "thrust thrust deflection". This may be a serious problem regarding whether or not the fluid thrust control device using the dual throat nozzle is put to practical use. Therefore, this problem should be solved in advance for practical use of the fluid thrust direction control device using the dual throat nozzle.
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、「推力が偏向すべきときに偏向する」という条件(第一条件)だけでなく、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という条件(第二条件)も満たすことができる、デュアルスロートノズルを用いた推力方向制御装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and not only the condition (first condition) that "thrust is deflected when it should be deflected" but also "thrust is deflected when it should not be deflected". A thrust direction control device using a dual throat nozzle that can also satisfy the condition "not" (second condition).
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、ノズル出口から噴出する噴流の向きを変化させる流体式推力方向制御装置であって、
ノズルが、
その上流側端部がノズル入口となり、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小さく形成され、その下流側端部が第一スロートとなる第一絞り部と、
第一絞り部の下流側に接続され、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大きく形成された広がり部と、
広がり部の下流側に接続され、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小さく形成され、その下流側端部が第二スロートとなる第二絞り部と
を有するデュアルスロートノズルとされるとともに、
第二スロートの断面積(「A2 *」とする。)が、第一スロートの断面積(「A1 *」とする。)よりも大きく設定されることにより、ノズル内に二次噴流を注入せずに主流のみを流入させる非偏向制御時に、広がり部に超音速の流れが生じて、その流れがノズル内壁面から剥離しないようにすることで、意図しない推力偏向が起こらないようにした
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。
The above problems are
By injecting the secondary jet from the secondary jet injection port provided in the middle of the nozzle to the main flow that flows in the nozzle from the nozzle inlet to the nozzle outlet, the flow of the main stream is changed, and from the nozzle outlet A fluid thrust direction control device for changing the direction of a jet flow,
The nozzle
The upstream end serves as a nozzle inlet, the cross-sectional area of the downstream end is formed to be smaller than the cross-sectional area of the upstream end, and the downstream end has a first throttle portion that is the first throat,
A widened portion which is connected to the downstream side of the first throttle portion and whose cross-sectional area of the downstream end portion is larger than that of the upstream end portion.
It has a second throttle portion which is connected to the downstream side of the widened portion and whose downstream end has a cross-sectional area smaller than that of its upstream end and whose downstream end serves as a second throat. With a dual throat nozzle,
By setting the cross-sectional area of the second throat (referred to as "A 2 * ") to be larger than the cross-sectional area of the first throat (referred to as "A 1 * "), the secondary jet flow is generated in the nozzle. During non-deflection control in which only the main flow is introduced without injecting, supersonic flow is generated in the expanded part and it is prevented from separating from the inner wall surface of the nozzle, so that unintentional thrust deflection does not occur. A solution is provided by providing a fluid thrust control apparatus.
これにより、デュアルスロートノズルを用いた推力方向制御装置を、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という条件(第二条件)も満たすものとすることができる。すなわち、上記の構成を採用することによって、ノズル内に二次噴流を注入せずに主流のみを流入させたとき(非偏向制御時)には、第一スロートの下流側に接続された広がり部における特定位置に衝撃波が定在するようになり、第一スロートが形成された箇所と衝撃波が定在する箇所との間の領域で流れが超音速となるようにすることができる。このため、ノズル内に二次噴流を注入していないときにおいては、ノズル内での剥離を抑制して、ノズル中心線に対して略対称な流れ場を実現し、推力方向の揺らぎを抑えること(推力偏向角度を略0°で略一定とすること)が可能になる。 Accordingly, the thrust direction control device using the dual throat nozzle can also satisfy the condition (second condition) of "not deflecting thrust when it should not be deflected". That is, by adopting the above configuration, when only the main flow is allowed to flow into the nozzle without injecting the secondary jet flow (during non-deflection control), the expansion part connected to the downstream side of the first throat The shock wave can be made to stand at a specific position in, and the flow can be made supersonic in the region between the place where the first throat is formed and the place where the shock wave is standing. For this reason, when the secondary jet is not injected into the nozzle, separation in the nozzle is suppressed, a flow field that is substantially symmetrical with respect to the nozzle center line is realized, and fluctuations in the thrust direction are suppressed. (The thrust deflection angle can be made substantially constant at 0°).
第二スロートの断面積A2 *を第一スロートの断面積A1 *よりも大きくすることによって、上記の広がり部に衝撃波が生じる理由は、一次元流近似による理論を用いて、以下のように説明できる。すなわち、デュアルスロートノズルの両スロート部(第一スロート及び第二スロート)では、圧縮性流体の性質により、マッハ数が1、即ち流速が音速に等しくなる。連続した流管(分岐や途中からの注入のない管)においては、流れが音速となる断面積は、それぞれの位置での総圧に反比例する。すなわち、両スロートでマッハ数が1となる場合、下記式3が成立する(非特許文献6を参照)。下記式3において、「p01」及び「p02」は、それぞれ第一スロート及び第二スロートでの総圧である。
また、上記式3の右辺の総圧比(総圧損失により1を上回る値となる)が1つの衝撃波により生じている場合には、Rankine−Hugoniotの関係式から、下記式4が導出される。下記式4において、「M1」は衝撃波上流マッハ数であり、「γ」は比熱比である。
両スロートの断面積の比A2 */A1 *を上記式3に代入して求められる総圧比p01/p02を上記式4の左辺に代入すると、衝撃波上流マッハ数M1を求めることができる。ノズル内における、衝撃波上流マッハ数M1となる箇所(当該箇所におけるノズルの断面積を「AS」とする。)に衝撃波が定在する。断面積ASの値は、第一スロートと衝撃波との間で等エントロピー流であるとの近似の下に、上記式4から求めた衝撃波上流マッハ数M1の値を下記式5に代入することにより算出することができる。断面積の比A2 */A1 *が1よりも大きい場合(第二スロートの断面積A2 *が第一スロートの断面積A1 *よりも大きい場合)には、下記式5における断面積の比AS/A1 *は、1よりも大きくなる。このことから、第二スロートの断面積A2 *を第一スロートの断面積A1 *よりも大きくすることによって、上記の広がり部に衝撃波が生じることが分かる。
また、第一スロートの形成位置と衝撃波の定在位置との間の領域で流れが超音速となることによってノズル内での剥離が抑制される理由は、以下のように説明することができる。つまり、超音速流では、広がり部で加速して順圧力勾配(下流に行くほど圧力が低下する現象)が生じ、流体は下流への移動とともに膨張する(以下においては、この膨張のメカニズムを「広がり部における超音速流の膨張メカニズム」と呼ぶことがある。)ため、流路の断面積が広がっても、流体が流路一杯に膨らむようになり、剥離のない流れが実現されやすくなる。すなわち、推力が偏向すべきでないとき(ノズル内に二次噴流を注入していないとき)に偏向しないという第二条件が満たされやすくなる。 The reason why the flow becomes supersonic in the region between the formation position of the first throat and the standing position of the shock wave to suppress separation in the nozzle can be explained as follows. That is, in the supersonic flow, a forward pressure gradient (a phenomenon in which the pressure decreases toward the downstream side) is generated by acceleration in the spread portion, and the fluid expands as it moves downstream (hereinafter, this expansion mechanism will be referred to as " It may be referred to as "expansion mechanism of supersonic flow in the widened portion".) Therefore, even if the cross-sectional area of the flow channel expands, the fluid expands to fill the flow channel, and a flow without separation is likely to be realized. That is, the second condition that the thrust is not deflected when it should not be deflected (when the secondary jet is not injected into the nozzle) is likely to be satisfied.
本発明の流体式推力方向制御装置において、第二スロートの断面積A2 *を、第一スロートの断面積A1 *よりもどの程度大きくするのかは、特に限定されない。しかし、第一スロートの断面積A1 *に対する第二スロートの断面積A2 *の比A2 */A1 *が小さすぎる(1に近すぎる)と、上記式3、上記式4及び上記式5により算出される断面積の比AS/A1 *の値が小さくなり(1に近づき)、衝撃波の定在位置が第一スロートの形成箇所に近づくため、第一スロートと衝撃波との間の超音速領域が狭くなって、上述した効果(ノズル内に二次噴流を注入していないときの推力方向の揺らぎを抑えるという効果)が奏されにくくなり、本発明の構成を採用する意義が低下する。このため、比A2 */A1 *は、1.2以上とすることが好ましい。一方、比A2 */A1 *を大きくしすぎると、後述するように、ノズル内に二次噴流を注入しているときの推力偏向角度δが小さくなり、「推力が偏向すべきときに偏向する」という条件(第一条件)が満たされにくくなる。このため、比A2 */A1 *は、1.8以下とすることが好ましい。 In the fluid thrust direction control device of the present invention, there is no particular limitation on how much the cross-sectional area A 2 * of the second throat is made larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat. However, if the ratio A 2 * /A 1 * of the cross-sectional area A 2 * of the second throat to the cross-sectional area A 1 * of the first throat is too small (too close to 1), the above formula 3, the above formula 4, and the above The value of the cross-sectional area ratio A S /A 1 * calculated by Equation 5 becomes small (approaching 1), and the standing position of the shock wave approaches the formation point of the first throat. Since the supersonic region between them becomes narrower, the above-mentioned effect (the effect of suppressing fluctuation in the thrust direction when the secondary jet is not injected into the nozzle) becomes difficult to be achieved, and the significance of adopting the configuration of the present invention Is reduced. Therefore, the ratio A 2 * /A 1 * is preferably 1.2 or more. On the other hand, if the ratio A 2 * /A 1 * is made too large, the thrust deflection angle δ when the secondary jet is being injected into the nozzle becomes small, as will be described later. It becomes difficult to satisfy the condition of "deflecting" (first condition). Therefore, the ratio A 2 * /A 1 * is preferably 1.8 or less.
ところで、上記のように、第二スロートの断面積A2 *を第一スロートの断面積A1 *よりも大きくし、二次噴流を注入していないときに、第一スロートが形成された箇所と衝撃波が定在する箇所との間の領域で流れが超音速となるようにすることで、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件が満たされるようにすると、推力を偏向するために、第一スロート付近のノズル壁に設けた二次噴流注入口から二次噴流を注入し、ノズル内で流れの剥離を生じさせたとしても、上述した広がり部における超音速流の膨張メカニズムによって、主流を形成する流体が膨張するため、その剥離がすぐに解消してしまう(剥離が生じた箇所から下流側の近い箇所で剥離が解消してしまう)虞がある。このため、「推力が偏向すべきときに偏向する」という第一条件が満たされにくくなる。したがって、本発明の流体式推力方向制御装置においては、従来から提案されているデュアルスロートノズル(第一スロート付近に二次噴流注入口が設けられたデュアルスロートノズル)を用いた推力方向制御装置とは異なり、二次噴流注入口を広がり部に設けることが好ましい。 By the way, as described above, the area where the first throat is formed when the cross-sectional area A 2 * of the second throat is made larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat and the secondary jet is not injected. If the second condition "not deflect when thrust should not be deflected" is satisfied by ensuring that the flow becomes supersonic in the region between and where the shock wave is stationary, In order to deflect, even if a secondary jet is injected from the secondary jet inlet provided in the nozzle wall near the first throat to cause flow separation in the nozzle, the supersonic flow of the above-mentioned widened portion Due to the expansion mechanism, the fluid forming the main stream expands, so that there is a risk that the separation will be eliminated immediately (the separation will be eliminated at a location near the downstream side from the location where the separation has occurred). Therefore, it becomes difficult to satisfy the first condition that "the thrust is deflected when it should be deflected". Therefore, in the fluid thrust direction control device of the present invention, a thrust direction control device using a conventionally proposed dual throat nozzle (dual throat nozzle in which a secondary jet injection port is provided near the first throat) is used. In contrast, it is preferable to provide the secondary jet injection port in the widened portion.
これにより、第二スロートの断面積A2 *を第一スロートの断面積A1 *よりも大きくして、二次噴流を注入していないときに、第一スロートが形成された箇所と衝撃波が定在する箇所との間の領域で流れが超音速となるようにしたとしても、ノズル内に二次噴流を注入しているときには、二次噴流注入口の近辺で流れが亜音速となるようにすることも可能になる。このため、ノズル内で剥離した主流(ノズル内で二次噴流注入口とは逆側に押しやられた主流)が第二絞り部に到達するまでは戻らない(剥離が解消されない)ようにすることが可能になる。したがって、「推力が偏向すべきときに偏向する」という第一条件が満たされやすくすることができる。 Thus, the cross-sectional area A 2 * of the second throat is made larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat, and when the secondary jet is not injected, the place where the first throat is formed and the shock wave are generated. Even if the flow is made supersonic in the area between the fixed location and the secondary jet is being injected into the nozzle, the flow will be subsonic near the secondary jet injection port. It is also possible to For this reason, the main flow separated in the nozzle (the main flow pushed in the nozzle to the side opposite to the secondary jet injection port) does not return until the second throttle portion is reached (separation is not eliminated). Will be possible. Therefore, the first condition that "the thrust is deflected when it should be deflected" can be easily satisfied.
ここで、本発明の流体式推力方向制御装置におけるデュアルスロートノズルのように、第二スロートの断面積A2 *が第一スロートの断面積A1 *よりも大きなデュアルスロートノズルにおいて、ノズル内に二次噴流を注入しているときに、二次噴流注入口の近辺で流れが亜音速となる二次噴流注入口の位置は、以下のように特定することができる。 Here, in the dual throat nozzle in which the cross-sectional area A 2 * of the second throat is larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat, as in the dual throat nozzle in the fluid thrust direction control device of the present invention, the dual throat nozzle is installed in the nozzle. The position of the secondary jet inlet where the flow becomes subsonic near the secondary jet inlet while the secondary jet is being injected can be specified as follows.
まず、二次噴流の流量を小さくした極限について考える。この極限において、ノズル内の衝撃波の位置は、二次噴流を注入しない場合の衝撃波の位置に収束する。したがって、二次噴流を注入しない場合の衝撃波面が、二次噴流注入口を設けようとするノズル内壁面と交わる位置をP0とすると、二次噴流注入口をP0あるいはP0よりも下流側に設ければ、二次噴流の流量を小さくした極限において、二次噴流注入口の近辺で流れが亜音速となる。P0の位置は、二次噴流を注入しない場合の衝撃波面に含まれるので、近似的に上記式3、上記式4及び上記式5を連立して求められる断面積ASにノズル断面積が等しくなる位置に一致する。 First, consider the limit where the flow rate of the secondary jet is reduced. In this limit, the position of the shock wave in the nozzle converges on the position of the shock wave when the secondary jet is not injected. Therefore, assuming that the position where the shock wave front when the secondary jet is not injected intersects with the inner wall surface of the nozzle where the secondary jet injection port is to be provided is P 0 , the secondary jet injection port is P 0 or downstream of P 0. If it is provided on the side, the flow becomes subsonic near the inlet of the secondary jet in the limit where the flow rate of the secondary jet is small. Since the position of P 0 is included in the shock wave front when the secondary jet is not injected, the nozzle cross-sectional area is approximately equal to the cross-sectional area A S obtained by combining the above equations 3, 4, and 5. Matches at equal positions.
次に、推力を偏向させるために有限の流量の二次噴流を広がり部から注入した場合には、一般的に、ノズル内の衝撃波は、上で述べた場合(二次噴流の流量を小さくした極限の場合)よりも弱くなる。すなわち、衝撃波上流マッハ数M1がより小さくなり、衝撃波による総圧損失量がより少なくなる。あるいは、二次噴流の流量が十分多ければ、衝撃波は消失する。衝撃波が弱くなったり消失したりする理由は、広がり部に注入した二次噴流が、第一スロートは通過しないが、第二スロートを通過する流れには含まれるということによる。したがって、上記式3における断面積A1 *と断面積A2 *とを、それぞれ第一スロートと第二スロートにおいて主流が実質的に占有できる断面積に置き換えると、二次噴流の効果により比A2 */A1 *の値が縮小する。その結果、衝撃波により生ずる総圧損失が減少するか、あるいは衝撃波が不要となる。いずれの場合においても、二次噴流の流量を小さくした極限の場合よりも超音速領域が縮小するか、あるいは消失する。このため、二次噴流注入口を、上で述べた範囲内、すなわち、P0あるいはP0より下流側に設ければ、二次噴流の流量が有限である場合にも、二次噴流の流量を小さくした極限の場合と同様に、二次噴流注入口の近辺で流れが亜音速となる。 Next, when a secondary jet with a finite flow rate is injected from the diverging portion to deflect the thrust, the shock wave in the nozzle is generally the same as in the case described above (when the secondary jet flow rate is reduced. It becomes weaker than in the extreme case). That is, the shock wave upstream Mach number M 1 becomes smaller, and the total pressure loss amount due to the shock wave becomes smaller. Alternatively, if the flow rate of the secondary jet is large enough, the shock wave disappears. The reason why the shock wave weakens or disappears is that the secondary jet injected into the spread portion does not pass through the first throat but is included in the flow passing through the second throat. Therefore, if the cross-sectional area A 1 * and the cross-sectional area A 2 * in the above equation 3 are replaced with cross-sectional areas that can be substantially occupied by the main flow in the first throat and the second throat, respectively, the ratio A due to the effect of the secondary jet flows. The value of 2 * /A 1 * is reduced. As a result, the total pressure loss caused by the shock wave is reduced or the shock wave becomes unnecessary. In any case, the supersonic region is reduced or disappears as compared with the limit case where the flow rate of the secondary jet is reduced. Therefore, if the secondary jet injection port is provided within the range described above, that is, P 0 or on the downstream side of P 0 , even if the flow rate of the secondary jet is finite, the flow rate of the secondary jet The flow becomes subsonic in the vicinity of the secondary jet injection port, as in the limit case where
ただし、上記式3、上記式4及び上記式5は、一次元流や等エントロピー流等の近似の下に導出されたものであるために、実際のノズル内の流れと比較した場合、いくらかの誤差を含む可能性がある。したがって、二次噴流注入口の近辺で流れが亜音速となるための注入口設定位置の上流側限界は、上記の誤差の影響を考慮して、広がり部における、その断面積が上記式3、上記式4及び上記式5から求められる断面積ASの0.9倍となる箇所とすることが好ましい。一方、注入口設定位置の下流側限界については、注入口近辺で流れが亜音速となるための条件からは特に制約が生じないが、一般的な傾向として、二次噴流注入口の位置が下流に行くほど剥離領域が小さくなり、推力偏向効果が弱まるので、P0よりも下流方向に大きく離れすぎるのも好ましくない。したがって、二次噴流注入口の設定位置の下流側限界は、広がり部における、その断面積が上記式3、上記式4及び上記式5から求められる断面積ASの1.1倍となる箇所(広がり部の下流側端部の断面積が断面積ASの1.1倍を下回る場合は、広がり部の下流側端部)とすることが好ましい。 However, since the above Equations 3, 4, and 5 are derived under the approximation of a one-dimensional flow, an isentropic flow, etc., some of them are compared with the actual flow in the nozzle. It may include an error. Therefore, the upstream limit of the inlet setting position for the flow to be subsonic in the vicinity of the secondary jet inlet is such that the cross-sectional area in the expanded portion is expressed by the above formula 3 in consideration of the influence of the above error. It is preferable to set the area to be 0.9 times the cross-sectional area A S obtained from the above equations 4 and 5. On the other hand, regarding the downstream limit of the inlet setting position, there is no particular restriction due to the condition that the flow becomes subsonic near the inlet, but as a general tendency, the position of the secondary jet inlet is downstream. Since the peeling area becomes smaller as the distance goes to, and the thrust deflection effect becomes weaker, it is not preferable that the distance is too large in the downstream direction from P 0 . Therefore, the downstream side limit of the setting position of the secondary jet injection port is a place where the cross-sectional area in the expanded portion is 1.1 times the cross-sectional area A S obtained from the above Expression 3, Expression 4 and Expression 5. (cross-sectional area of the downstream end of the expansion portion if less than 1.1 times the cross-sectional area a S, the downstream end of the expanded portion) is preferably set to.
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、広がり部、第二絞り部、第二スロート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。 In the fluid thrust direction control device of the present invention, the nozzle is provided with each part in the order of the first throttle part, the first throat, the widening part, the second throttle part, and the second throat from the nozzle inlet to the nozzle outlet. The material is not particularly limited as long as it is a product. Examples of the nozzle include a nozzle having the same cross-sectional shape parallel to one plane including the center line (so-called two-dimensional nozzle), a nozzle having a shape of a rotating body having the center line as an axis, and the like.
以上のように、本発明によって、「推力が偏向すべきときに偏向する」という条件(第一条件)だけでなく、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という条件(第二条件)も満たすことができる、デュアルスロートノズルを用いた推力方向制御装置を提供することが可能になる。 As described above, according to the present invention, not only the condition that the thrust is deflected when it should be deflected (first condition) but also the condition that the thrust is not deflected when it should not be deflected (second condition) It is possible to provide a thrust direction control device using a dual throat nozzle that can also satisfy the above.
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6は、本発明の流体式推力方向制御装置で用いるデュアルスロートノズル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「D1」はノズル入口の開口幅を、符号「FIN1」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「FIN2」は二次噴流注入口から注入する二次噴流を、符号「FOUT」はノズル出口から噴出する噴流をそれぞれ示している。
1. Outline of Fluid Thrust Direction Control Device of the Present Invention A preferred embodiment of the fluid thrust direction control device of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 6 is a conceptual diagram of the dual throat nozzle 10 used in the fluid thrust direction control device of the present invention. In the figure, reference numeral "10" indicates a nozzle, reference numeral "10a" indicates a center line of the nozzle, reference numeral "11" indicates a nozzle inlet, reference numeral "12" indicates a first throttle portion, and reference numeral "13" indicates a first. The throat, reference numeral "14" indicates the widening portion, reference numeral "15" indicates the second throttle portion, reference numeral "16" indicates the second throat, reference numeral "18" indicates the nozzle outlet, reference numeral "19" indicates the secondary jet. The injection port, reference numeral "D 1 "indicates the opening width of the nozzle inlet, reference numeral "F IN1 "injects the main flow from the engine combustion chamber into the nozzle inlet, and reference numeral "F IN2 " injects it from the secondary jet injection port. The reference symbol “F OUT ”indicates the next jet flow, and the jet flow ejected from the nozzle outlet.
上記の図6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。図7は、本発明の流体式推力方向制御装置で用いるデュアルスロートノズル10の立体的形状の例を示した斜視図である。ノズル10の立体的形状としては、図7(a)に示すように、y軸方向に垂直な任意断面の形状が同一となるもの(いわゆる二次元ノズル)や、図7(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(いわゆる軸対称ノズル)等が挙げられる。この軸対称ノズルのように、y軸方向に垂直な任意断面の形状が同一とならないノズルは、上記の二次元ノズルと対比して「三次元ノズル」と呼ばれることもある。 The above-described FIG. 6 illustrates the nozzle 10 as a cross-sectional view taken along a plane including the center line 10a (a plane parallel to the xz plane). FIG. 7 is a perspective view showing an example of a three-dimensional shape of the dual throat nozzle 10 used in the fluid thrust direction control device of the present invention. As for the three-dimensional shape of the nozzle 10, as shown in FIG. 7(a), the shape of the arbitrary cross section perpendicular to the y-axis direction is the same (so-called two-dimensional nozzle), or as shown in FIG. 7(b). In addition, those having a shape of a rotating body with the center line 10a as an axis (so-called axisymmetric nozzle) and the like can be mentioned. A nozzle such as this axisymmetric nozzle in which the shapes of arbitrary cross sections perpendicular to the y-axis direction are not the same may be called a "three-dimensional nozzle" in contrast to the above-mentioned two-dimensional nozzle.
本発明の流体式推力方向制御装置は、図6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FIN1に対し、二次噴流注入口19から二次噴流FIN2を注入することによって、主流FIN1の流れに変化を起こさせ、全体としての噴流FOUTの向きを変化させることが可能なものとなっている。 As shown in FIG. 6, the fluid thrust direction control device of the present invention has a main jet F IN1 flowing from the nozzle inlet 11 to the nozzle outlet 18 in the nozzle 10 and a secondary jet F from the secondary jet inlet 19 to the main flow F IN1. By injecting IN2 , the flow of the main flow F IN1 can be changed, and the direction of the jet flow F OUT as a whole can be changed.
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。 In the nozzle 10, a first throttle portion 12 is formed on the downstream side of the nozzle inlet 11. The first throttle portion 12 is a portion formed by narrowing from the upstream side (x-axis direction negative side) toward the downstream side (x-axis direction positive side), and the downstream side of the first throttle portion 12 The cross-sectional area (opening area) of the end portion is smaller than the cross-sectional area (opening area) of the upstream end portion of the first throttle portion 12. The downstream end of the first throttle portion 12 is a first throat 13.
また、ノズル10における第一絞り部12の下流側には、広がり部14が形成されている。この広がり部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、広がり部14の下流側端部の断面積(開口面積)は、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。 A widened portion 14 is formed on the downstream side of the first throttle portion 12 in the nozzle 10. The expanded portion 14 is a portion formed by expanding from the upstream side to the downstream side, and the cross-sectional area (opening area) of the downstream end of the expanded portion 14 is the upstream end of the expanded portion 14. It is wider than the cross-sectional area (opening area) of the part.
さらに、ノズル10における広がり部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。ノズル10は、この第二スロート16の部分がノズル出口18となるようになっている。 Further, a second throttle portion 15 is formed on the downstream side of the expanded portion 14 in the nozzle 10. Like the first throttle portion 12, the second throttle portion 15 is a portion formed by narrowing from the upstream side to the downstream side, and the downstream end portion of the second throttle portion 15 is cut off. The area (opening area) is smaller than the cross-sectional area (opening area) of the upstream end of the second throttle portion 15. The downstream end of the second throttle portion 15 is the second throat 16. In the nozzle 10, the portion of the second throat 16 serves as the nozzle outlet 18.
ところで、従来から提案されているデュアルスロートノズルでは、第二スロート16の断面積は、第一スロート13の断面積に等しく設定されている。これに対し、本発明の流体式推力方向制御装置で用いるデュアルスロートノズル10では、図6に示すように、第二スロート16の断面積A2 *を、第一スロート13の断面積A1 *よりも大きく設定している。このため、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみを流入させる非偏向制御時においては、広がり部14に超音速の流れが生じて、上記の「広がり部14における超音速流の膨張メカニズム」によって、ノズル10の内壁面から流れが剥離しないようにすることが可能となっている。したがって、推力が偏向すべきでないとき(非偏向制御時)に偏向しないという第二条件が満たされるようになっている。断面積A1 *に対する断面積A2 *の比A2 */A1 *は、既に述べた理由により(「推力が偏向すべきときに偏向する」という第一条件と、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件との両方が好適に満たされるようにするために)、1.2〜1.8の範囲とすることが好ましい。 By the way, in the conventionally proposed dual throat nozzle, the cross-sectional area of the second throat 16 is set equal to the cross-sectional area of the first throat 13. On the other hand, in the dual throat nozzle 10 used in the fluid thrust direction control apparatus of the present invention, as shown in FIG. 6, the cross-sectional area A 2 * of the second throat 16 is changed to the cross-sectional area A 1 * of the first throat 13 . It is set larger than. Therefore, during non-deflection control in which only the main flow F IN1 is flown into the nozzle 10 without injecting the secondary jet F IN2 , a supersonic flow is generated in the widening part 14, and the above-mentioned “in the widening part 14 The expansion mechanism of the supersonic flow makes it possible to prevent the flow from separating from the inner wall surface of the nozzle 10. Therefore, the second condition that the thrust should not be deflected when it should not be deflected (during non-deflection control) is satisfied. Sectional area A 2 * ratio A 2 * / A 1 * is the relative cross-sectional area A 1 *, the first condition that the reasons already mentioned ( "thrust is deflected when it should deflection", "thrust to deflection In order to suitably satisfy both the second condition of "not deflecting when it should not be performed"), the range of 1.2 to 1.8 is preferable.
また、ノズル10の周壁部には、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入するための二次噴流注入口19が設けられている。図6に示した例では、二次噴流注入口19を第一スロート13の付近に設けているが、既に述べた理由により(「推力が偏向すべきときに偏向する」という第一条件が満たされやすくするために)、広がり部14の内壁面における、二次噴流FIN2を注入しない場合の衝撃波面が交わる位置の付近に設けることが好ましい。 Further, a secondary jet injection port 19 for injecting the secondary jet F IN2 into the nozzle 10 is provided on the peripheral wall portion of the nozzle 10. In the example shown in FIG. 6, the secondary jet injection port 19 is provided in the vicinity of the first throat 13, but for the reason already described (the first condition that "the thrust is deflected when it should be deflected" is satisfied). In order to make it easier), it is preferable to provide it on the inner wall surface of the widened portion 14 in the vicinity of the position where the shock wave fronts intersect when the secondary jet F IN2 is not injected.
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FIN1がエンジン燃焼室から供給されるとして、このエンジン燃焼室からのガス移送路を、主流FIN1を移送する主流移送用のものと、二次噴流FIN2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。 The secondary jet injection port 19 is connected to a gas transfer unit (not shown), and a gas transfer path connecting the gas transfer unit and the secondary jet injection port 19 is opened/closed to open/close the gas transfer path. A valve is provided. Assuming that the main flow F IN1 is supplied from the engine combustion chamber, the gas transfer means connected to the secondary jet injection port 19 is a gas transfer passage for transferring the main flow F IN1 from the engine combustion chamber. , The secondary jet flow F IN2 may be transferred to the secondary jet flow transfer one.
二次噴流注入口19を設ける個数は、特に限定されない。しかし、二次噴流注入口19を1箇所に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。これに対し、二次噴流注入口19を複数箇所に設けると、二次噴流FIN2を注入する二次噴流注入口19を切り替えることによって、推力を異なる側にも偏向させることが可能になる。例えば、図7(a)に示した二次元ノズルの場合には、図6に示すように、二次噴流注入口19として、下側の二次噴流注入口19aと上側の二次噴流注入口19bを設け、推力を偏向させようとする向きに応じて、いずれか一方の二次噴流注入口19から二次噴流FIN2を注入するようにするとよい。これにより、推力の向きを、z軸方向正側だけでなく、z軸方向負側にも変化させることが可能になる。推力を偏向させる角度は、ガス移送路の開閉弁の開度を調節して二次噴流FIN2の流量を調節することによって、調節することが可能である。 The number of secondary jet injection ports 19 provided is not particularly limited. However, if the secondary jet injection port 19 is provided only in one place, the thrust can be deflected only to the same side. On the other hand, if the secondary jet injection ports 19 are provided at a plurality of locations, the thrust can be deflected to different sides by switching the secondary jet injection ports 19 for injecting the secondary jet F IN2 . For example, in the case of the two-dimensional nozzle shown in FIG. 7A, as shown in FIG. 6, the secondary jet injection port 19 has a lower secondary jet injection port 19a and an upper secondary jet injection port 19a. 19 b may be provided, and the secondary jet F IN2 may be injected from one of the secondary jet injection ports 19 depending on the direction in which the thrust is to be deflected. This makes it possible to change the thrust direction not only on the positive side in the z-axis direction but also on the negative side in the z-axis direction. The angle by which the thrust is deflected can be adjusted by adjusting the opening degree of the on-off valve of the gas transfer passage to adjust the flow rate of the secondary jet F IN2 .
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。すなわち、本発明の流体式推力方向制御装置では、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FIN1としてノズル入口11からノズル10内に流入し、噴流FOUTとしてノズル出口18から噴出するようになっている。この噴流FOUTの反作用によって、噴流FOUTの持つ総運動量と逆向きの力をエンジンが受け、推力が発生する。 The principle of deflection of thrust by the fluid thrust control device including the nozzle 10 is as follows. That is, in the fluid thrust direction control device of the present invention, the combustion gas delivered from the engine combustion chamber (combustion chamber such as rocket engine or jet engine) (not shown) flows from the nozzle inlet 11 into the nozzle 10 as the main flow F IN1. It is designed to flow in and jet from the nozzle outlet 18 as a jet F OUT . By the reaction of the jets F OUT, the power of the total momentum and opposite with the jet flow F OUT engine receives a thrust is generated.
ここで、推力を偏向しない場合(非偏向制御時)には、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみが流入する状態とする。本発明の流体式推力方向制御装置で用いるノズル10は、非偏向制御時においては、図6において破線矢印で示した噴流FOUTのように、噴流FOUT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)を向くように設計されている。このため、エンジンには、その逆側(x軸方向負側)を向く推力が生じる。 Here, when the thrust is not deflected (during non-deflection control), the secondary jet F IN2 is not injected into the nozzle 10 and only the main flow F IN1 flows. In the non-deflection control, the nozzle 10 used in the fluid thrust direction control device of the present invention has a momentum that the entire jet flow F OUT has at the center of the nozzle 10 like the jet flow F OUT indicated by the broken line arrow in FIG. It is designed to face one side in the direction parallel to the line 10a (the positive side in the x-axis direction). Therefore, thrust is generated in the engine, which is directed to the opposite side (negative side in the x-axis direction).
これに対し、推力の向きをz軸方向正側に傾けたい場合(図6の紙面における左上方向に偏向しようとする場合)には、同図における下側の二次噴流注入口19aから、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入する。すると、主流FIN1は、図1に示した場合と同様に、ノズル10内で上側(z軸方向正側)に押しやられるものの、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。このため、ノズル出口18から噴出する噴流FOUT全体の運動量は、図6において黒塗り矢印で示した噴流FOUTのように、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6の紙面における左上方向に偏向する。 On the other hand, when it is desired to incline the thrust direction to the positive side in the z-axis direction (when trying to deflect to the upper left direction on the paper surface of FIG. 6 ), the nozzle is discharged from the secondary jet injection port 19 a on the lower side in FIG. A secondary jet F IN2 is injected into the inside 10. Then, as in the case shown in FIG. 1, the main flow F IN1 is pushed to the upper side (the positive side in the z-axis direction) in the nozzle 10, but the lower side (toward the lower right direction by the second throttle portion 15). It is bent to the z-axis direction negative side). Therefore, the momentum of the entire jet flow F OUT ejected from the nozzle outlet 18 has a downward component like the jet flow F OUT shown by the black arrow in FIG. As a result, the thrust of the engine is deflected in the upper left direction on the paper surface of FIG.
一方、推力の向きをz軸方向負側に傾けたい場合(図6の紙面における左下方向に偏向しようとする場合)には、同図における上側の二次噴流注入口19bから、ノズル10内に二次噴流FIN2(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FIN2を注入した場合と同様の原理によって、推力は、図6の紙面における左下方向に偏向する。 On the other hand, when it is desired to incline the thrust direction to the negative side in the z-axis direction (when attempting to deflect to the lower left direction on the paper surface of FIG. 6 ), the secondary jet injection port 19 b on the upper side in FIG. A secondary jet F IN2 (not shown) is injected. As a result, the thrust is deflected to the lower left direction on the paper surface of FIG. 6 according to the same principle as in the case where the secondary jet F IN2 is injected from the lower secondary jet injection port 19a.
以上では、ノズル10が図7(a)の二次元ノズルである場合について説明したが、ノズル10が図7(b)の軸対称ノズルである場合についても略同様である。ただし、ノズル10を軸対称ノズルとする場合には、ノズル10の中心線10a回りの180°を超える範囲の少なくとも3箇所に二次噴流注入口19を設けることが好ましい。これにより、それぞれの二次噴流注入口19から注入する二次噴流FIN2の流量を調節することによって、推力の向きを、y軸方向正側やy軸方向負側にも変化させることが可能になる。
Although the case where the nozzle 10 is the two-dimensional nozzle of FIG. 7A has been described above, the same is true when the nozzle 10 is the axisymmetric nozzle of FIG. 7B. However, when the nozzle 10 is an axisymmetric nozzle, it is preferable to provide the secondary jet injection ports 19 at at least three places in a range exceeding 180° around the center line 10a of the nozzle 10. Thus, by adjusting the flow rate of the secondary jet F IN2 injected from each secondary jet inlet 19, it is possible to change the thrust direction to the y-axis direction positive side or the y-axis direction negative side. become.
2.第二条件確認シミュレーション
本発明の流体式推力方向制御装置に係るデュアルスロートノズル10が、「偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件を満たすか否かを確認するために、シミュレーション(第二条件確認シミュレーション)を行った。具体的には、本発明の流体式推力方向制御装置に係るノズル10(図6)において、二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみを流入させた場合(非偏向制御時)のデュアルスロートノズル10内の流れ場と推力偏向角度を数値シミュレーションにより算出した。
2. Second condition confirmation simulation In order to confirm whether or not the dual throat nozzle 10 according to the fluid thrust direction control device of the present invention satisfies the second condition of "not deflecting when it should not deflect", a simulation (first Two-condition confirmation simulation) was performed. Specifically, in the nozzle 10 (FIG. 6) according to the fluid thrust direction control device of the present invention, when only the main flow F IN1 is flown in without injecting the secondary jet F IN2 (during non-deflection control) The flow field in the dual throat nozzle 10 and the thrust deflection angle were calculated by numerical simulation.
本発明の流体式推力方向制御装置に係るデュアルスロートノズル10について行った第二条件確認シミュレーションの解析手法や条件等は、ノズル10の寸法を除き、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した、従来から提案されているデュアルスロートノズル(ノズルA)について行った第二条件確認シミュレーションと同じである。すなわち、従来から提案されているデュアルスロートノズル10については、ノズル10を図3に示す寸法に設定(第一スロート13の断面積と第二スロート16の断面積とを等しく設定)して第二条件確認シミュレーションを行った。これに対し、本発明の流体式推力方向制御装置に係るデュアルスロートノズル10については、ノズル10を図8及び図12に示す2通りの寸法に設定して第二条件確認シミュレーションを行った。以下においては、図8に示す寸法のデュアルスロートノズル10を「ノズルB」と呼び、図12に示す寸法のデュアルスロートノズル10を「ノズルC」と呼ぶことがある。本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」と「ノズルC」はいずれも、第一スロート13の断面積よりも第二スロート16の断面積が大きく設定されたものとなっている。ノズルBでは、第一スロート13の断面積A1 *に対する第二スロート16の断面積A2 *の比A2 */A1 *が約1.7となっており、ノズルCでは、その比A2 */A1 *が約1.3となっている。
Regarding the analysis method and conditions of the second condition confirmation simulation performed for the dual throat nozzle 10 relating to the fluid thrust direction control device of the present invention, except for the dimensions of the nozzle 10, in the "Problems to be solved by the invention" column. This is the same as the second condition confirmation simulation performed for the previously proposed dual throat nozzle (nozzle A) described above. That is, regarding the conventionally proposed dual throat nozzle 10, the nozzle 10 is set to the dimensions shown in FIG. 3 (the cross-sectional area of the first throat 13 and the cross-sectional area of the second throat 16 are set to be equal) A condition confirmation simulation was performed. On the other hand, for the dual throat nozzle 10 according to the fluid thrust direction control device of the present invention, the second condition confirmation simulation was performed by setting the nozzle 10 to two sizes shown in FIGS. 8 and 12. In the following, the dual throat nozzle 10 having the dimensions shown in FIG. 8 may be referred to as “nozzle B”, and the dual throat nozzle 10 having the dimensions shown in FIG. 12 may be referred to as “nozzle C”. In each of the "nozzle B" and the "nozzle C" according to the fluid thrust direction control device of the present invention, the cross-sectional area of the second throat 16 is set larger than the cross-sectional area of the first throat 13. .. In the nozzle B, the ratio A 2 * /A 1 * of the cross-sectional area A 2 * of the second throat 16 to the cross-sectional area A 1 * of the first throat 13 is about 1.7. A 2 * /A 1 * is about 1.3.
2.1 「ノズルB」の場合
図9、図10及び図11に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」(図8を参照)について行った第二条件確認シミュレーションの結果を示す。図9のグラフは、非偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図10は、非偏向制御時におけるノズル内の流線を図9の乱数列4の場合につき示したものである。図11は、非偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を図9の乱数列4の場合につき示したものである。
2.1 Case of "Nozzle B" FIGS. 9, 10 and 11 show the results of the second condition confirmation simulation performed for the "nozzle B" (see FIG. 8) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. Indicates. The graph of FIG. 9 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during non-deflection control for each random number sequence. FIG. 10 shows the streamlines in the nozzle during non-deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG. FIG. 11 shows the Mach number distribution in the nozzle during non-deflection control for the case of the random number sequence 4 of FIG.
従来から提案されているデュアルスロートノズルに係る「ノズルA」では、図4に示すように、乱数列によって推力偏向角度δが正側又は負側に大きくばらつき、その絶対値は最大で約4°にも達していた。これに対し、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」では、図9に示すように、推力偏向角度δに乱数列による大きなばらつきが見られず、推力偏向角度δは、全ての乱数列において0°に近い値で定常状態となる。 In the conventionally proposed “nozzle A” related to the dual throat nozzle, as shown in FIG. 4, the thrust deflection angle δ greatly varies depending on the random number sequence, and the absolute value thereof is about 4° at maximum. Had also reached. On the other hand, in the "nozzle B" according to the fluid thrust direction control device of the present invention, as shown in FIG. 9, there is no large variation in the thrust deflection angle δ due to the random number sequence, and the thrust deflection angle δ is all In the random number sequence of, the steady state is reached at a value close to 0°.
また、従来から提案されているデュアルスロートノズルに係る「ノズルA」では、図5に示すように、乱数列4及び乱数列10(図4で大きく偏向した乱数列)におけるノズル内流線(t=37.5でのノズル内流線)が上下非対称に形成され、二次噴流FIN2を注入していない非偏向制御時であるにもかかわらず剥離領域が大きく形成されていた。これに対し、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」では、図10に示すように、乱数列4におけるノズル内流線(t=37.5でのノズル内流線)が上下略対称に形成され、剥離領域の形成は見られない。 Further, in the conventionally proposed “nozzle A” related to the dual throat nozzle, as shown in FIG. 5, the nozzle inner streamline (t) in the random number sequence 4 and the random number sequence 10 (random number sequence largely deflected in FIG. 4) is shown. =37.5 in-nozzle) was formed asymmetrically in the vertical direction, and a large separation region was formed despite the non-deflection control in which the secondary jet F IN2 was not injected. On the other hand, in the “nozzle B” according to the fluid thrust direction control device of the present invention, as shown in FIG. 10, the nozzle inner stream line in the random number sequence 4 (the nozzle inner stream line at t=37.5) is The upper and lower sides are formed substantially symmetrically, and no peeling region is formed.
さらに、従来から提案されているデュアルスロートノズルに係る「ノズルA」では、乱数列4及び乱数列10のいずれの場合でも、デュアルスロートノズル10内の全領域で亜音速或いは遷音速となっていた。これに対し、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」では、図11に示すように、広がり部14の中央よりも下流側(広がり部14の下流側端部に近い箇所)に衝撃波が形成され、広がり部14における広い範囲(第一スロート13から衝撃波に至るまでの広い範囲)で超音速となっていた。 Furthermore, in the conventionally proposed “nozzle A” related to the dual throat nozzle, the subsonic velocity or the transonic velocity is present in the entire area of the dual throat nozzle 10 in any of the random number sequence 4 and the random number sequence 10. .. On the other hand, in the "nozzle B" according to the fluid thrust direction control device of the present invention, as shown in FIG. 11, the downstream side of the center of the widened portion 14 (a portion near the downstream end of the widened portion 14). A shock wave was formed on the surface, and the supersonic velocity was in a wide range in the widened portion 14 (a wide range from the first throat 13 to the shock wave).
以上の結果から、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」は、「偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件が満たされるものであることが分かった。
From the above results, it was found that the "nozzle B" according to the fluid thrust direction control device of the present invention satisfies the second condition of "not deflecting when not deflecting".
2.2 「ノズルC」の場合
図13、図14及び図15に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルC」(図12を参照)について行った第二条件確認シミュレーションの結果を示す。図13のグラフは、非偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図14は、非偏向制御時におけるノズル内の流線を図9の乱数列4の場合につき示したものである。図15は、非偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を図9の乱数列4の場合につき示したものである。
2.2 Case of "Nozzle C" FIGS. 13, 14 and 15 show the results of the second condition confirmation simulation performed for the "nozzle C" (see FIG. 12) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. Indicates. The graph of FIG. 13 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during non-deflection control for each random number sequence. FIG. 14 shows the streamlines in the nozzle during non-deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG. FIG. 15 shows the Mach number distribution in the nozzle during non-deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG.
既に述べたように、「ノズルC」では、第一スロート13の断面積A1 *に対する第二スロート16の断面積A2 *の比A2 */A1 *が約1.3となっており、比A2 */A1 *が約1.7である「ノズルB」よりは、比A2 */A1 *が小さくなっているものの、従来から提案されているデュアルスロートノズルに係る「ノズルA」(比A2 */A1 *が1)よりは大きくなっている。図13を見ると、この「ノズルC」においても、「ノズルB」と同様に、推力偏向角度δは、全ての乱数列で0°に近い値で定常状態となる。ただし、「ノズルC」では、「ノズルB」よりも、乱数列1〜10のばらつきの幅が若干大きくなっている。 As described above, in the “nozzle C”, the ratio A 2 * /A 1 * of the sectional area A 2 * of the second throat 16 to the sectional area A 1 * of the first throat 13 is about 1.3. Therefore, although the ratio A 2 * /A 1 * is smaller than that of the “nozzle B” having a ratio A 2 * /A 1 * of about 1.7, it is related to the conventionally proposed dual throat nozzle. It is larger than “nozzle A” (ratio A 2 * /A 1 * is 1). As shown in FIG. 13, also in the “nozzle C”, as in the case of the “nozzle B”, the thrust deflection angle δ is in a steady state with a value close to 0° in all the random number sequences. However, in the “nozzle C”, the variation width of the random number sequences 1 to 10 is slightly larger than that in the “nozzle B”.
また、図14を見ると、「ノズルC」においても、「ノズルB」と同様に、ノズル内流線(t=37.5でのノズル内流線)が上下略対称に形成され、剥離領域の形成が見られないことが分かる。さらに、図15を見ると、「ノズルC」においても、「ノズルB」と同様に、広がり部14に衝撃波が形成され、広がり部14に超音速となる領域が形成されている。ただし、「ノズルB」では、広がり部14の中央よりも下流側に衝撃波が形成されていたのに対し、「ノズルC」では、広がり部14の中央よりもやや上流側に衝撃波が形成されていた。 Further, as shown in FIG. 14, in the “nozzle C” as well, in the same manner as the “nozzle B”, the nozzle inner streamlines (nozzle inner streamlines at t=37.5) are formed substantially vertically, and the peeling region It can be seen that the formation of Further, as shown in FIG. 15, in the “nozzle C” as well, as in the case of the “nozzle B”, a shock wave is formed in the widened portion 14, and a region of supersonic velocity is formed in the widened portion 14. However, in the "nozzle B", the shock wave was formed in the downstream side of the center of the expanded portion 14, whereas in the "nozzle C", the shock wave was formed slightly upstream of the center of the expanded portion 14. It was
以上の結果から、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルC」も、「偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件が満たされるものであることが分かった。しかし、「ノズルC」では、推力偏向角度δのばらつきが「ノズルB」よりも若干大きくなる等、第二条件の成立においてやや不利となっている。このため、比A2 */A1 *を小さくしすぎる(1に近づけすぎる)と、第二条件が満たされにくくなることが予想される。このことから、比A2 */A1 *は1.2以上とすることが好ましいことが分かった。
From the above results, it was found that the "nozzle C" according to the fluid thrust direction control device of the present invention also satisfies the second condition of "not deflecting when it should not be deflected". However, the "nozzle C" is slightly disadvantageous in the satisfaction of the second condition, such as the variation in the thrust deflection angle δ is slightly larger than that of the "nozzle B". Therefore, if the ratio A 2 * /A 1 * is made too small (too close to 1), it is expected that the second condition will be difficult to be satisfied. From this, it was found that the ratio A 2 * /A 1 * is preferably 1.2 or more.
2.3 第二条件確認シミュレーションのまとめ
以上の第二条件確認シミュレーションによって、デュアルスロートノズルにおいて、「推力が偏向すべきでないときに偏向しない」という第二条件が満たされるようにするためには、第二スロート16の断面積A2 *を第一スロート13の断面積A1 *よりも大きくすることが有効であることが確認できた。また、断面積A1 *に対する断面積A2 *の比A2 */A1 *を約1.3と約1.7とした場合の双方で第二条件が満たされたことから、比A2 */A1 *が1.2〜1.8程度とすれば、第二条件が満たされる得ることも分かった。
2.3 Summary of Second Condition Confirmation Simulation In order for the dual throat nozzle to satisfy the second condition "not deflect when thrust should not be deflected" by the above second condition confirmation simulation, It was confirmed that it is effective to make the cross-sectional area A 2 * of the second throat 16 larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat 13. Further, since the second condition both in the case where the cross-sectional area A 1 * cross section for A 2 * of the ratio A 2 * / A 1 * to about 1.3 to about 1.7 is satisfied, the ratio A It was also found that the second condition can be satisfied if 2 * /A 1 * is set to about 1.2 to 1.8.
3.第一条件確認シミュレーション
続いて、本発明の流体式推力方向制御装置に係るデュアルスロートノズル10が、「偏向すべきときに偏向する」という第一条件を満たすか否かを確認するために、上記の「ノズルB」及び「ノズルC」についてシミュレーション(第一条件確認シミュレーション)を行った。具体的には、本発明の流体式推力方向制御装置に係るノズル10(図6)において、主流FIN1及び二次噴流FIN2を注入した場合(偏向制御時)のデュアルスロートノズル10内の流れ場と推力偏向角度を数値シミュレーションにより算出した。二次噴流FIN2の流量は、主流FIN1と二次噴流FIN2との流量の合計に対する5%に設定した。二次噴流FIN2の注入方向は、ノズル中心線10aに平行な右向きの方向(x軸方向正側)から反時計回りに150°回転した方向とした。
3. First Condition Confirmation Simulation Subsequently, in order to confirm whether or not the dual throat nozzle 10 according to the fluid thrust direction control device of the present invention satisfies the first condition of “deflect when it should be deflected”, A simulation (first condition confirmation simulation) was performed for the “nozzle B” and the “nozzle C”. Specifically, in the nozzle 10 (FIG. 6) according to the fluid thrust direction control device of the present invention, the flow in the dual throat nozzle 10 when the main flow F IN1 and the secondary jet F IN2 are injected (during deflection control). The field and thrust deflection angle were calculated by numerical simulation. Flow rate of the secondary jet F IN2 is set to 5% for the total flow rate of the mainstream F IN1 and secondary jets F IN2. The injection direction of the secondary jet F IN2 was set to a direction rotated counterclockwise by 150° from the rightward direction (the positive side in the x-axis direction) parallel to the nozzle center line 10a.
この第一条件確認シミュレーションにおいては、二次噴流FIN2を注入する位置(二次噴流注入口19の位置)は、「ノズルB」及び「ノズルC」のそれぞれについて3箇所ずつ試した。具体的には、ノズルBについては、二次噴流FIN2を注入する位置を、図16における位置P1と位置P2と位置P3との3箇所で変え、ノズルCについては、二次噴流FIN2を注入する位置を、図17における位置Q1と位置Q2と位置Q3との3箇所で変えた。図16及び図17では、それぞれ、ノズル内に二次噴流FIN2を注入せずに主流FIN1のみを流入させた場合のマッハ数分布を示している。「ノズルB」の位置P1と「ノズルC」の位置Q1はいずれも、第一スロート13の付近であり、「ノズルB」の位置P2と「ノズルC」の位置Q2はいずれも、広がり部14における、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入していないとき(非偏向制御時)に衝撃波が形成される場所のやや上流側であり、「ノズルB」の位置P3と「ノズルC」の位置Q3はいずれも、広がり部14における、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入していないとき(非偏向制御時)に衝撃波が形成される場所のやや下流側となっている。その他、シミュレーションの解析手法や条件等は、上記の第二条件確認シミュレーションと同じである。
In the simulation for confirming the first condition, the injection positions of the secondary jet F IN2 (positions of the secondary jet injection port 19) were tested at three positions for each of the “nozzle B” and the “nozzle C”. Specifically, for the nozzle B, the position at which the secondary jet F IN2 is injected is changed at three positions P 1 , P 2 and P 3 in FIG. 16, and for the nozzle C the secondary jet F 2 is injected. The position of injecting F IN2 was changed at three positions of position Q 1 , position Q 2 and position Q 3 in FIG. 16 and 17 respectively show the Mach number distributions when only the main flow F IN1 is flown into the nozzle without injecting the secondary jet F IN2 . The position P 1 of the “nozzle B” and the position Q 1 of the “nozzle C” are both near the first throat 13, and the position P 2 of the “nozzle B” and the position Q 2 of the “nozzle C” are both. In the widened portion 14, slightly upstream of the place where the shock wave is formed when the secondary jet F IN2 is not injected into the nozzle 10 (during non-deflection control), the position P 3 of the “nozzle B” is The position Q 3 of the “nozzle C” is located slightly downstream of the place where the shock wave is formed in the expanded portion 14 when the secondary jet F IN2 is not injected into the nozzle 10 (during non-deflection control). Is becoming In addition, the analysis method and conditions of the simulation are the same as those of the above second condition confirmation simulation.
3.1 「ノズルB」でP1から二次噴流FIN2を注入した場合
図18、図19及び図20に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」(図8を参照)において、図16におけるP1から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図18のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図19は、偏向制御時におけるノズル内の流線を図18の乱数列4の場合につき示したものである。図20は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を図18の乱数列4の場合につき示したものである。
3.1 Injecting Secondary Jet F IN2 from P 1 by “Nozzle B” FIGS. 18, 19 and 20 show “Nozzle B” (see FIG. 8) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. 16) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from P 1 in FIG. The graph of FIG. 18 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 19 shows the streamline in the nozzle during deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG. FIG. 20 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG.
図18を見ると、二次噴流FIN2を注入している偏向制御時であるにもかかわらず、推力偏向角度δは、全ての乱数列で推力偏向角度δが0°に近い値をとっており、推力方向が殆ど偏向していないことが分かる。このことから、「ノズルB」においては、第一スロート13の付近から二次噴流FIN2を注入する構成を採用すると、第一条件が満たされにくいことが分かった。 As shown in FIG. 18, the thrust deflection angle δ takes a value close to 0° in all the random number sequences, even during deflection control in which the secondary jet F IN2 is being injected. It can be seen that the thrust direction is hardly deflected. From this, it was found that the first condition is difficult to be satisfied in the "nozzle B" when the configuration in which the secondary jet F IN2 is injected from the vicinity of the first throat 13 is adopted.
その原因は、図19及び図20から理解できる。すなわち、図19を見ると、二次噴流FIN2の注入によって、ノズル内の流れはノズル内壁面から一旦剥離するものの、二次噴流FIN2の注入箇所に近い箇所でその剥離が解消してしまっている。「ノズルB」において二次噴流FIN2を注入しないときには、上記の図11に示すように、広がり部14における下流側端部に近い箇所に衝撃波が形成され、広がり部14における大部分が超音速領域となり、流れの剥離が解消しやすい環境にあるところ、この衝撃波の位置から上流側に遠く離れた箇所から二次噴流FIN2を注入したためと考えられる。実際、図20を見ると、二次噴流FIN2を注入しているにもかかわらず、広がり部14における大部分が超音速領域となっていることが分かる。
The cause can be understood from FIGS. 19 and 20. That is, when looking at FIG. 19, the injection of the secondary jet F IN2, the flow in the nozzle although once peeled from the nozzle inner wall surface, the peeling accidentally eliminated at a point close to the injection point of the secondary jet F IN2 ing. When the secondary jet F IN2 is not injected in the “nozzle B”, as shown in FIG. 11 above, a shock wave is formed near the downstream end of the widened portion 14, and most of the widened portion 14 is supersonic. It is considered that the secondary jet F IN2 was injected from a location far away from the position of this shock wave on the upstream side in the region where the separation of the flow is easy to be eliminated. In fact, looking at FIG. 20, it can be seen that, although the secondary jet F IN2 is injected, most of the widened portion 14 is in the supersonic region.
3.2 「ノズルC」でQ1から二次噴流FIN2を注入した場合
図21、図22及び図23に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルC」(図12を参照)において、図17におけるQ1から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図21のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図22は、偏向制御時におけるノズル内の流線を図21の乱数列4の場合につき示したものである。図23は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を図21の乱数列4の場合につき示したものである。
3.2 When the secondary jet F IN2 is injected from Q 1 by the “nozzle C” FIGS. 21, 22 and 23 show the “nozzle C” (see FIG. 12) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. 17) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from Q 1 in FIG. The graph of FIG. 21 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 22 shows the streamlines in the nozzle during deflection control for the case of the random number sequence 4 in FIG. FIG. 23 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control for the case of the random number sequence 4 of FIG.
図22を見ると、二次噴流FIN2の注入位置付近で生じた流れの剥離が、ノズル出口18まで維持されていることが分かる。さらに、図23を見ると、二次噴流FIN2の注入箇所付近で流れが亜音速になっていることも分かる。その結果、推力偏向角度δは、図21に示されるように、全ての乱数列でー12°に近い値で定常状態となっている。このことから、本発明の流体式推力方向制御装置に係るデュアルスロートノズルのように、第二スロート16の断面積A2 *を第一スロート13の断面積A1 *よりも大きくした場合(比A2 */A1 *を1よりも大きくした場合)であって、且つ、二次噴流FIN2を第一スロート13の付近から注入する場合であっても、比A2 */A1 *を「ノズルB」よりも小さく設定すれば、第一条件が満たされることが確認できた。
It can be seen from FIG. 22 that the separation of the flow generated near the injection position of the secondary jet F IN2 is maintained up to the nozzle outlet 18. Furthermore, it can be seen from FIG. 23 that the flow becomes subsonic near the injection point of the secondary jet F IN2 . As a result, the thrust deflection angle δ is in a steady state with a value close to −12° in all the random number sequences, as shown in FIG. From this, when the cross-sectional area A 2 * of the second throat 16 is made larger than the cross-sectional area A 1 * of the first throat 13 as in the dual throat nozzle according to the fluid thrust direction control device of the present invention (compared to Even when A 2 * /A 1 * is set to be larger than 1) and the secondary jet F IN2 is injected from the vicinity of the first throat 13, the ratio A 2 * /A 1 * is obtained. It was confirmed that the first condition was satisfied when the value was set to be smaller than "nozzle B".
3.3 「ノズルB」でP2から二次噴流FIN2を注入した場合
図24、図25及び図26に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」(図8を参照)において、図16におけるP2から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図24のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図25は、偏向制御時におけるノズル内の流線を示したものである。図26は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を示したものである。
3.3 When the secondary jet F IN2 is injected from P 2 by the “nozzle B” FIGS. 24, 25 and 26 show the “nozzle B” according to the fluid thrust direction control device of the present invention (see FIG. 8). 16) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from P 2 in FIG. The graph of FIG. 24 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 25 shows streamlines in the nozzle during deflection control. FIG. 26 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control.
図25を見ると、二次噴流FIN2の注入位置付近で生じた流れの剥離が、ノズル出口18まで維持されていることが分かる。さらに、図26を見ると、二次噴流FIN2の注入箇所付近で流れが亜音速になっていることも分かる。その結果、推力偏向角度δは、図24に示されるように、全ての乱数列でー12°に近い値(「ノズルC」でQ1から二次噴流FIN2を注入した場合と同等の値)で定常状態となっている。ただし、「ノズルC」でQ1から二次噴流FIN2を注入した場合には、推力偏向角度δが定常状態となる時間がt=25付近(図21を参照)であったのに対し、「ノズルB」でP2から二次噴流FIN2を注入した場合には、t<10で推力偏向角度δが定常状態となっている。このことから、「ノズルB」を用いる場合であっても、二次噴流FIN2を注入する位置を、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入していないとき(非偏向制御時)に衝撃波が形成される場所付近(その衝撃波よりもやや上流側)とすると、「ノズルC」でQ1から二次噴流FIN2を注入した場合よりも優れた応答性能で第一条件が満たされることが確認できた。
It can be seen from FIG. 25 that the separation of the flow generated near the injection position of the secondary jet F IN2 is maintained up to the nozzle outlet 18. Further, it can be seen from FIG. 26 that the flow is subsonic near the injection point of the secondary jet F IN2 . As a result, as shown in FIG. 24, the thrust deflection angle δ is a value close to −12° in all random number sequences (a value equivalent to the case where the secondary jet F IN2 is injected from Q 1 by the “nozzle C”). ) Indicates a steady state. However, when the secondary jet F IN2 was injected from Q 1 by the “nozzle C”, the time during which the thrust deflection angle δ was in the steady state was around t=25 (see FIG. 21). When the secondary jet F IN2 is injected from P 2 by the “nozzle B”, the thrust deflection angle δ is in a steady state at t<10. Shockwave Therefore, even in the case of using the "nozzle B", the position to inject secondary jet F IN2, when the nozzle 10 in the not injected secondary jet F IN2 (undeflected control) In the vicinity of the place where the turbulence is formed (slightly upstream of the shock wave), the first condition may be satisfied with better response performance than in the case where the secondary jet F IN2 is injected from Q 1 by the “nozzle C”. It could be confirmed.
3.4 「ノズルB」でP3から二次噴流FIN2を注入した場合
図27、図28及び図29に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルB」(図8を参照)において、図16におけるP3から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図27のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図28は、偏向制御時におけるノズル内の流線を示したものである。図26は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を示したものである。
3.4 When the secondary jet F IN2 is injected from P 3 by the “nozzle B” FIGS. 27, 28 and 29 show the “nozzle B” according to the fluid thrust direction control device of the present invention (see FIG. 8). 16) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from P 3 in FIG. The graph of FIG. 27 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 28 shows streamlines in the nozzle during deflection control. FIG. 26 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control.
図28を見ると、二次噴流FIN2の注入位置付近で生じた流れの剥離が、ノズル出口18まで維持されていることが分かる。さらに、図29を見ると、二次噴流FIN2の注入箇所付近で流れが亜音速になっていることも分かる。その結果、推力偏向角度δは、図27に示されるように、全ての乱数列でー7°に近い値で定常状態となっている。また、推力偏向角度δが定常状態になるまでに要する時間もt<10と短い。このことから、「ノズルB」を用いる場合であっても、二次噴流FIN2を注入する位置を、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入していないとき(非偏向制御時)に衝撃波が形成される場所よりもやや下流側としても、第一条件が満たされることが確認できた。ただし、その推力偏向角度δは、「ノズルB」でP2から二次噴流FIN2を注入した場合よりも小さくなる。
28, it can be seen that the separation of the flow generated near the injection position of the secondary jet F IN2 is maintained up to the nozzle outlet 18. Further, referring to FIG. 29, it can be seen that the flow becomes subsonic near the injection point of the secondary jet F IN2 . As a result, the thrust deflection angle δ is in a steady state with a value close to −7° in all random number sequences, as shown in FIG. Further, the time required for the thrust deflection angle δ to reach a steady state is also short at t<10. Shockwave Therefore, even in the case of using the "nozzle B", the position to inject secondary jet F IN2, when the nozzle 10 in the not injected secondary jet F IN2 (undeflected control) It was confirmed that the first condition was satisfied even on the slightly downstream side of the place where the was formed. However, the thrust deflection angle δ becomes smaller than that when the secondary jet F IN2 is injected from P 2 by the “nozzle B”.
3.5 「ノズルC」でQ2から二次噴流FIN2を注入した場合
図30、図31及び図32に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルC」(図12を参照)において、図17におけるQ2から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図30のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図31は、偏向制御時におけるノズル内の流線を示したものである。図32は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を示したものである。
3.5 Injecting Secondary Jet F IN2 from Q 2 with “Nozzle C” FIGS. 30, 31 and 32 show “nozzle C” (see FIG. 12) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. 17) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from Q 2 in FIG. The graph of FIG. 30 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 31 shows streamlines in the nozzle during deflection control. FIG. 32 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control.
図31を見ると、二次噴流FIN2の注入位置付近で生じた流れの剥離が、ノズル出口18まで維持されていることが分かる。さらに、図32を見ると、二次噴流FIN2の注入箇所付近で流れが亜音速になっていることも分かる。その結果、推力偏向角度δは、図30に示されるように、全ての乱数列でー17°に近い値で定常状態となっている。この「−17°」という値は、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明した「ノズルA」の「−19°」という値に近い。このことから、「ノズルC」でQ2から二次噴流FIN2を注入する場合には、「ノズルA」と同等の偏向性能が得られる可能性があることが確認できた。また、同じ「ノズルC」でも、Q1から二次噴流FIN2を注入した場合には、推力偏向角度δが定常状態になるのがt=25付近であった(図21を参照)ところ、Q2から二次噴流FIN2を注入した場合には、t<10という短い時間で推力偏向角度δが定常状態となることも確認できた。
It can be seen from FIG. 31 that the separation of the flow generated near the injection position of the secondary jet F IN2 is maintained up to the nozzle outlet 18. Further, referring to FIG. 32, it can be seen that the flow becomes subsonic near the injection point of the secondary jet F IN2 . As a result, the thrust deflection angle δ is in a steady state with a value close to −17° in all random number sequences, as shown in FIG. The value "-17°" is close to the value "-19°" of the "nozzle A" described in the "Problems to be solved by the invention" section. From this, it was confirmed that when the secondary nozzle F IN2 is injected from Q 2 by the “nozzle C”, the deflection performance equivalent to that of the “nozzle A” may be obtained. Further, even with the same "nozzle C", when the secondary jet F IN2 was injected from Q 1 , the thrust deflection angle δ was in a steady state around t=25 (see FIG. 21). It was also confirmed that when the secondary jet F IN2 was injected from Q 2 , the thrust deflection angle δ was in a steady state in a short time of t<10.
3.6 「ノズルC」でQ3から二次噴流FIN2を注入した場合
図33、図34及び図35に、本発明の流体式推力方向制御装置に係る「ノズルC」(図12を参照)において、図17におけるQ3から二次噴流FIN2を注入した場合の第一条件確認シミュレーションの結果を示す。図33のグラフは、偏向制御時における推力偏向角度δの時間変化を乱数列ごとに示したものである。図34は、偏向制御時におけるノズル内の流線を示したものである。図35は、偏向制御時におけるノズル内のマッハ数分布を示したものである。
3.6 Injecting Secondary Jet F IN2 from Q 3 with “Nozzle C” FIGS. 33, 34 and 35 show the “nozzle C” (see FIG. 12) according to the fluid thrust direction control device of the present invention. 17) shows the result of the first condition confirmation simulation when the secondary jet F IN2 is injected from Q 3 in FIG. The graph of FIG. 33 shows the time variation of the thrust deflection angle δ during deflection control for each random number sequence. FIG. 34 shows streamlines in the nozzle during deflection control. FIG. 35 shows the Mach number distribution in the nozzle during deflection control.
図34を見ると、二次噴流FIN2の注入位置付近で生じた流れの剥離が、ノズル出口18まで維持されていることが分かる。さらに、図35を見ると、二次噴流FIN2の注入箇所付近で流れが亜音速になっていることも分かる。その結果、推力偏向角度δは、図33に示されるように、全ての乱数列でー17°に近い値で定常状態となっている。このことから、「ノズルC」でQ3から二次噴流FIN2を注入する場合でも、「ノズルA」と同等の偏向性能が得られる可能性があることが確認できた。ただし、「ノズルC」でQ2から二次噴流FIN2を注入した場合には、t<10で推力偏向角度δが定常状態となったのに対し、「ノズルC」でQ3から二次噴流FIN2を注入した場合には、推力偏向角度δが定常状態となるまでに要する時間がやや長くなることも確認できた。
It can be seen from FIG. 34 that the separation of the flow generated near the injection position of the secondary jet F IN2 is maintained up to the nozzle outlet 18. Furthermore, referring to FIG. 35, it can be seen that the flow becomes subsonic near the injection point of the secondary jet F IN2 . As a result, as shown in FIG. 33, the thrust deflection angle δ is in a steady state with a value close to −17° in all random number sequences. From this, it was confirmed that even when the secondary nozzle F IN2 is injected from Q 3 by the “nozzle C”, the deflection performance equivalent to that of the “nozzle A” may be obtained. However, when the secondary jet F IN2 was injected from Q 2 with the “nozzle C”, the thrust deflection angle δ was in a steady state at t<10, while the secondary jet flow FIN 2 from the Q 3 with the “nozzle C” was secondary. It was also confirmed that when the jet F IN2 was injected, the time required for the thrust deflection angle δ to reach a steady state was slightly longer.
3.7 第一条件確認シミュレーションのまとめ
以上の第一条件確認シミュレーションによって、デュアルスロートノズルにおいて、第二スロート16の断面積A2 *を第一スロート13の断面積A1 *よりも大きくし、第二条件が満たされるようにした場合であっても、第一条件が満たされ得ることが確認できた。特に、断面積A1 *に対する断面積A2 *の比A2 */A1 *を1.3前後(1.2〜1.4程度)とした場合や、ノズル10内に二次噴流FIN2を注入せず主流FIN1のみを流入させているときにノズル10内に形成される衝撃波の位置付近から二次噴流FIN2を注入すると、第一条件が満たされやすくなることも分かった。
3.7 Summary of First Condition Confirmation Simulation By the above first condition confirmation simulation, in the dual throat nozzle, the sectional area A 2 * of the second throat 16 is made larger than the sectional area A 1 * of the first throat 13, It was confirmed that the first condition can be satisfied even when the second condition is satisfied. In particular, and when the cross-sectional area to the cross-sectional area A 1 * A 2 * ratio A 2 * / A 1 * 1.3 before and after (about 1.2 to 1.4), the secondary jet F at the nozzle 10 in when injecting the secondary jet flow F IN2 from near the position of the shock wave formed in the nozzle 10 in the case that IN2 only mainstream F IN1 not injected is flowing, it has also been found that the first condition is easily met.
10 デュアルスロートノズル
10a ノズル中心線
11 ノズル入口
12 第一絞り部
13 第一スロート
14 広がり部
15 第二絞り部
16 第二スロート
18 ノズル出口
19 二次噴流注入口
A1 * 第一スロートの断面積
A2 * 第二スロートの断面積
D1 ノズル入口の開口幅
Fa 代表的な流線
Fb 代表的な流線
Fc 代表的な流線
Fd 代表的な流線
FIN1 エンジン燃焼室からノズル入口に流入する主流
FIN2 二次噴流
FOUT ノズル出口から噴出する噴流
α1 剥離領域
10 Dual Throat Nozzle 10a Nozzle Center Line 11 Nozzle Inlet 12 First Throttling Section 13 First Throat 14 Spreading Section 15 Second Throttling Section 16 Second Throat 18 Nozzle Outlet 19 Secondary Jet Injection Port A 1 * Cross-sectional Area of First Throat A 2 * Cross sectional area of second throat D 1 Nozzle inlet opening width F a Representative streamline F b Representative streamline F c Representative streamline F d Representative streamline F IN1 From engine combustion chamber Main stream flowing into nozzle inlet F IN2 Secondary jet stream F OUT Jet stream jetting from nozzle outlet α 1 Separation area
Claims (6)
ノズルが、
その上流側端部がノズル入口となり、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小さく形成され、その下流側端部が第一スロートとなる第一絞り部と、
第一絞り部の下流側に接続され、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大きく形成された広がり部と、
広がり部の下流側に接続され、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小さく形成され、その下流側端部が第二スロートとなる第二絞り部と
を有するデュアルスロートノズルとされるとともに、
第二スロートの断面積(「A2 *」とする。)が、第一スロートの断面積(「A1 *」とする。)よりも大きく設定されることにより、ノズル内に二次噴流を注入せずに主流のみを流入させる非偏向制御時に、広がり部に超音速の流れが生じて、その流れがノズル内壁面から剥離しないようにすることで、意図しない推力偏向が起こらないようにした
ことを特徴とする流体式推力方向制御装置。
By injecting the secondary jet from the secondary jet injection port provided in the middle of the nozzle to the main flow that flows in the nozzle from the nozzle inlet to the nozzle outlet, the flow of the main stream is changed, and from the nozzle outlet A fluid thrust direction control device for changing the direction of a jet flow,
The nozzle
The upstream end serves as a nozzle inlet, the cross-sectional area of the downstream end is formed to be smaller than the cross-sectional area of the upstream end, and the downstream end has a first throttle portion that is the first throat,
A widened portion which is connected to the downstream side of the first throttle portion and whose cross-sectional area of the downstream end portion is larger than that of the upstream end portion.
It has a second throttle portion which is connected to the downstream side of the widened portion and whose downstream end has a cross-sectional area smaller than that of its upstream end and whose downstream end serves as a second throat. With a dual throat nozzle,
By setting the cross-sectional area of the second throat (referred to as "A 2 * ") to be larger than the cross-sectional area of the first throat (referred to as "A 1 * "), the secondary jet flow is generated in the nozzle. During non-deflection control in which only the main flow is introduced without injecting, supersonic flow is generated in the expanded part and it is prevented from separating from the inner wall surface of the nozzle, so that unintentional thrust deflection does not occur. A hydraulic thrust direction control device characterized by the above.
The fluid thrust direction control according to claim 1, wherein the ratio A 2 * /A 1 * of the cross-sectional area A 2 * of the second throat to the cross-sectional area A 1 * of the first throat is set to 1.2 to 1.8. apparatus.
The fluid thrust direction control device according to claim 1, wherein the secondary jet injection port is provided in the widened portion.
比A2 */A1 *の値を下記式6の左辺に代入し、下記式6と下記式7とを連立して得られる断面積ASに対し、
二次噴流注入口が、広がり部における、断面積ASの0.9〜1.1倍の断面積となる箇所に設けられた請求項3記載の流体式推力方向制御装置。
Substituting the value of the ratio A 2 * /A 1 * into the left side of Equation 6 below, and the cross-sectional area A S obtained by simultaneous equations 6 and 7 below,
Secondary jet inlets, the expanded portion, the hydrodynamic thrust direction control device according to claim 3, wherein provided in the portion which becomes 0.9 to 1.1 times the cross-sectional area of the cross-sectional area A S.
The fluid thrust direction control device according to any one of claims 1 to 4, wherein the nozzle has the same cross-sectional shape parallel to one plane including the center line.
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