JP2000179401A - 推進装置 - Google Patents
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- combustion chamber
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- heat insulating
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/007—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel constructed mainly of ceramic components
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/97—Rocket nozzles
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/97—Rocket nozzles
- F02K9/972—Fluid cooling arrangements for nozzles
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- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
- F02K9/97—Rocket nozzles
- F02K9/974—Nozzle- linings; Ablative coatings
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/20—Oxide or non-oxide ceramics
- F05D2300/22—Non-oxide ceramics
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F23M2900/00—Special features of, or arrangements for combustion chambers
- F23M2900/05004—Special materials for walls or lining
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推進装
置の耐熱性、耐圧性、及び耐摩耗性を改善する。 【解決手段】 推進装置は燃焼室１及びノズル３を備え
ており、それらは炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓｉ
Ｃ）材料を用いて構成され、金属製の支持構造体７に一
体化されている。Ｃ／ＳｉＣ材料製の燃焼室のライナ部
材や、Ｃ／ＳｉＣ材料製のノズルを形成するには、未焼
結状態のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施すことで単一部
材として形成してもよく、或いは、個別に製作した複数
個のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材を焼成結合によっ
て結合して、一体構造とするようにしてもよい。推進装
置の構成部材を冷却するための冷却通路を形成するなら
ば、Ｃ／ＳｉＣ材料を用いた構造体に形成してもよく、
断熱材に形成してもよい。断熱材としては、例えば、カ
ーボンファイバないしカーボンフェルト、またはＣ／Ｓ
ｉＣ材料、またはグラファイトフォイル、またはそれら
の組合せを用いる。
置の耐熱性、耐圧性、及び耐摩耗性を改善する。 【解決手段】 推進装置は燃焼室１及びノズル３を備え
ており、それらは炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓｉ
Ｃ）材料を用いて構成され、金属製の支持構造体７に一
体化されている。Ｃ／ＳｉＣ材料製の燃焼室のライナ部
材や、Ｃ／ＳｉＣ材料製のノズルを形成するには、未焼
結状態のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施すことで単一部
材として形成してもよく、或いは、個別に製作した複数
個のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材を焼成結合によっ
て結合して、一体構造とするようにしてもよい。推進装
置の構成部材を冷却するための冷却通路を形成するなら
ば、Ｃ／ＳｉＣ材料を用いた構造体に形成してもよく、
断熱材に形成してもよい。断熱材としては、例えば、カ
ーボンファイバないしカーボンフェルト、またはＣ／Ｓ
ｉＣ材料、またはグラファイトフォイル、またはそれら
の組合せを用いる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室、断熱部、
及びノズルを備えた推進装置に関する。
及びノズルを備えた推進装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の推進装置の公知の具体例とし
て、燃料噴射ヘッドとデフューザノズルとの間に燃焼室
及びノズルを配設した構造のものがある。例えば、USP
第5,363,645号に記載されたようなロケットエンジン等
に適用される推進装置を例示することができる。このよ
うな推進装置では、燃焼室及びノズルが、その推進装置
の各部分のうちで最も大きな熱力学的負荷が加わる部分
となる。燃料噴射ヘッドが燃料の噴射を実行すると（燃
料としては、例えば、水素と酸素の組合せや、ケロシン
と硝酸−ＭＭＨ（モノメチルヒドラジン(hydracine）)
及び酸化剤との組合せなどが用いられる）、燃焼室内の
ノズル断面積が最も小さい部分において、非常な高温及
び非常な高圧の下で燃料の燃焼が行われる。ある動作領
域では、爆発的燃焼の発生及び消滅が繰り返されて、大
きな圧力衝撃が発生するが、これはいうまでもなく、正
常な動作状態を越えて発生し得るものである。また、燃
焼室内のデフューザとして機能している部分では、燃焼
ガスの速度は非常に大きい。この高速の燃焼ガスが、デ
フューザノズル内で速度−圧力変換作用を受け、それに
よって推進装置の目標ノズル圧力が得られるようになっ
ている。
て、燃料噴射ヘッドとデフューザノズルとの間に燃焼室
及びノズルを配設した構造のものがある。例えば、USP
第5,363,645号に記載されたようなロケットエンジン等
に適用される推進装置を例示することができる。このよ
うな推進装置では、燃焼室及びノズルが、その推進装置
の各部分のうちで最も大きな熱力学的負荷が加わる部分
となる。燃料噴射ヘッドが燃料の噴射を実行すると（燃
料としては、例えば、水素と酸素の組合せや、ケロシン
と硝酸−ＭＭＨ（モノメチルヒドラジン(hydracine）)
及び酸化剤との組合せなどが用いられる）、燃焼室内の
ノズル断面積が最も小さい部分において、非常な高温及
び非常な高圧の下で燃料の燃焼が行われる。ある動作領
域では、爆発的燃焼の発生及び消滅が繰り返されて、大
きな圧力衝撃が発生するが、これはいうまでもなく、正
常な動作状態を越えて発生し得るものである。また、燃
焼室内のデフューザとして機能している部分では、燃焼
ガスの速度は非常に大きい。この高速の燃焼ガスが、デ
フューザノズル内で速度−圧力変換作用を受け、それに
よって推進装置の目標ノズル圧力が得られるようになっ
ている。
【０００３】このように燃焼室には高温高圧が作用する
ため、従来の燃焼室の構造では、大きな機械的強度と高
度の耐熱性とを備えた耐熱鋼合金を使用する必要があっ
た。しかしながら、そのような耐熱鋼合金（例えば「イ
ンコネル」という名称の鋼合金材料等）にも、温度が約
８００℃以上に上昇すると強度低下が発生するという周
知の欠点が付随していたため、燃焼室には冷却機構を付
加して積極的な冷却を施す必要があった。この冷却は、
燃焼室の壁部に形成した複数本の冷却通路を介して行わ
れ、それら冷却通路を形成するには、先ず、燃焼室の壁
部に夫々の冷却通路に対応した溝を削設し、続いて、そ
れら溝の上面を化学的材料で閉塞するという方法が採ら
れていた。しかしながらこの方法では、製作が面倒であ
り、製作コストもかさんでいた。
ため、従来の燃焼室の構造では、大きな機械的強度と高
度の耐熱性とを備えた耐熱鋼合金を使用する必要があっ
た。しかしながら、そのような耐熱鋼合金（例えば「イ
ンコネル」という名称の鋼合金材料等）にも、温度が約
８００℃以上に上昇すると強度低下が発生するという周
知の欠点が付随していたため、燃焼室には冷却機構を付
加して積極的な冷却を施す必要があった。この冷却は、
燃焼室の壁部に形成した複数本の冷却通路を介して行わ
れ、それら冷却通路を形成するには、先ず、燃焼室の壁
部に夫々の冷却通路に対応した溝を削設し、続いて、そ
れら溝の上面を化学的材料で閉塞するという方法が採ら
れていた。しかしながらこの方法では、製作が面倒であ
り、製作コストもかさんでいた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、燃焼
室、断熱部、及びノズルを備えた推進装置において、そ
の構成材料として、密度が小さく、熱伝導率が大きく、
熱膨張率が小さく、寸法及び形状に殆ど何ら制約のない
材料を使用することにより、高度の耐熱性、高度の耐圧
性、及び高度の耐摩耗性を備えた推進装置を達成するこ
とにある。
室、断熱部、及びノズルを備えた推進装置において、そ
の構成材料として、密度が小さく、熱伝導率が大きく、
熱膨張率が小さく、寸法及び形状に殆ど何ら制約のない
材料を使用することにより、高度の耐熱性、高度の耐圧
性、及び高度の耐摩耗性を備えた推進装置を達成するこ
とにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を、本発明にお
いては、請求項の特徴部分に記載した特徴要件によって
達成している。また、従属請求項は、特に大きな利点を
もたらす実施の形態を記載したものである。
いては、請求項の特徴部分に記載した特徴要件によって
達成している。また、従属請求項は、特に大きな利点を
もたらす実施の形態を記載したものである。
【０００６】即ち、本発明においては、燃焼室、断熱
部、及びノズルを備えた推進装置において、燃料室、断
熱部及びノズルの少なくとも１つを、セラミック材料で
ある炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）材料を含み
構成したことを特徴とする。
部、及びノズルを備えた推進装置において、燃料室、断
熱部及びノズルの少なくとも１つを、セラミック材料で
ある炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）材料を含み
構成したことを特徴とする。
【０００７】または、燃焼室、断熱部、及び前記ノズル
の少なくとも２つを、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓ
ｉＣ）材料を含み構成され、且つ、それらをセラミック
焼成結合または機械的結合により互いに結合するように
したことを特徴とする。結合の具体的な一例は、セラミ
ック焼成結合によって、ケイ素の膜層を介してそれらを
結合するというものである。これは、換言するならば、
燃焼室、断熱部、及びノズルを、同一の材料を用いて構
成し、そして、それらを結合して一体構造を形成すると
いうことに他ならない。こうすることによって、推進装
置の耐熱性を高めることができると共に、燃焼室及びノ
ズルの軽量化も達成することができる。
の少なくとも２つを、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓ
ｉＣ）材料を含み構成され、且つ、それらをセラミック
焼成結合または機械的結合により互いに結合するように
したことを特徴とする。結合の具体的な一例は、セラミ
ック焼成結合によって、ケイ素の膜層を介してそれらを
結合するというものである。これは、換言するならば、
燃焼室、断熱部、及びノズルを、同一の材料を用いて構
成し、そして、それらを結合して一体構造を形成すると
いうことに他ならない。こうすることによって、推進装
置の耐熱性を高めることができると共に、燃焼室及びノ
ズルの軽量化も達成することができる。
【０００８】または、燃焼室またはノズルの内壁面を、
炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）材でライニング
することを特徴とする。
炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）材でライニング
することを特徴とする。
【０００９】燃焼室、断熱部及びノズルの少なくとも１
つを、複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材で構成
し、それら部分構成部材をケイ素の膜層を介して互いに
結合することもできる。または、燃焼室、断熱部及びノ
ズルの少なくとも１つに、Ｃ／ＳｉＣ粗材に機械加工を
施して冷却通路を形成することもできる。そして、冷却
通路を、円形、矩形、または細長いスリット形状の断面
とすることができる。
つを、複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材で構成
し、それら部分構成部材をケイ素の膜層を介して互いに
結合することもできる。または、燃焼室、断熱部及びノ
ズルの少なくとも１つに、Ｃ／ＳｉＣ粗材に機械加工を
施して冷却通路を形成することもできる。そして、冷却
通路を、円形、矩形、または細長いスリット形状の断面
とすることができる。
【００１０】また、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓｉ
Ｃ）材料を含み構成されている前記燃焼室、前記断熱部
または前記ノズルを、金属製の支持構造体に一体に組付
けることができる。
Ｃ）材料を含み構成されている前記燃焼室、前記断熱部
または前記ノズルを、金属製の支持構造体に一体に組付
けることができる。
【００１１】また、前記断熱部は、Ｃ／ＳｉＣ材料と、
グラファイトフォイルと、カーボンファイバ−フェルト
ないしカーボンフリースとのうちの、２つ以上を組合せ
て用いて構成することもできる。前記燃焼室及び前記ノ
ズルを、Ｃ／ＳｉＣ材料を挿入することによってケイ素
の膜層を介して前記断熱部に相互に結合することができ
る。また、前記燃焼室と前記ノズルとを、夫々、複数個
のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材でライニングし、且
つ、ケイ素の膜層を介して互いに結合することもでき
る。また、前記燃焼室及び前記ノズルを、Ｃ／ＳｉＣ材
料に機械加工を施すことで単一部材として形成すること
もできる。
グラファイトフォイルと、カーボンファイバ−フェルト
ないしカーボンフリースとのうちの、２つ以上を組合せ
て用いて構成することもできる。前記燃焼室及び前記ノ
ズルを、Ｃ／ＳｉＣ材料を挿入することによってケイ素
の膜層を介して前記断熱部に相互に結合することができ
る。また、前記燃焼室と前記ノズルとを、夫々、複数個
のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材でライニングし、且
つ、ケイ素の膜層を介して互いに結合することもでき
る。また、前記燃焼室及び前記ノズルを、Ｃ／ＳｉＣ材
料に機械加工を施すことで単一部材として形成すること
もできる。
【００１２】Ｃ／ＳｉＣ材料は、かなりの高温に至るま
で優れた耐熱特性を示す材料であることがわかってお
り、そのため、非常に過酷な条件下でも使用が可能であ
る。また、密度が小さい上に耐摩耗性にも優れており、
耐酸化性も大きく、更に、耐熱性に優れていることに加
えて温度変化に対する耐性も高く、しかも完璧な気密性
及び液密性を備えている。
で優れた耐熱特性を示す材料であることがわかってお
り、そのため、非常に過酷な条件下でも使用が可能であ
る。また、密度が小さい上に耐摩耗性にも優れており、
耐酸化性も大きく、更に、耐熱性に優れていることに加
えて温度変化に対する耐性も高く、しかも完璧な気密性
及び液密性を備えている。
【００１３】また特に強調すべき点として、本発明に用
いる材料は、様々な寸法及び形状に対応することがで
き、優れた高温強度を示し、熱伝導率が大きい上にその
熱伝導率を適当な大きさに調節することができ、また、
熱伝導率が大きいために冷却機構の冷却能力も小さなも
のとすることができる。更には、高温強度が大きいこと
から、推進装置によっては、冷却機構を完全に省略する
ことも可能である。
いる材料は、様々な寸法及び形状に対応することがで
き、優れた高温強度を示し、熱伝導率が大きい上にその
熱伝導率を適当な大きさに調節することができ、また、
熱伝導率が大きいために冷却機構の冷却能力も小さなも
のとすることができる。更には、高温強度が大きいこと
から、推進装置によっては、冷却機構を完全に省略する
ことも可能である。
【００１４】連続繊維を用いた繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料
と、短繊維を用いた繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料とでは、異
なった材料特性を有する。前者の場合、連続繊維を層状
にすることもあれば、プレス処理またはロール処理する
ことができ、いずれにせよ連続繊維強化Ｃ／ＳｉＣは、
非常に強度が大きい一方で、極めて密度が小さいという
特徴を有する。また、連続繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料に関
しては、表面処理を施すことによって耐酸化性を高める
ということも行われている。一方、短繊維強化Ｃ／Ｓｉ
Ｃ材料には、そのような表面処理は不要であり、なぜな
らば、短繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料はもともと耐酸化性及
び耐蝕性に優れた材料だからである。更に、短繊維強化
Ｃ／ＳｉＣ材料は、極めて高い熱伝導能力を有すると共
に、熱衝撃に対する強度も極めて高いという特徴を有す
る。また、短繊維強化Ｃ／ＳｉＣは、とりわけ未焼結状
態における機械加工に適している。そのため、所望の形
状の燃焼室や所望の断面形状のノズルを単一部材として
製作する場合も、また、燃焼室及びノズルの表面に張り
つけるライナ部材を複数個の部分構成部材として製作す
る場合も、未焼結状態のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施
して製作することで、それら部材を容易に形成すること
ができる。
と、短繊維を用いた繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料とでは、異
なった材料特性を有する。前者の場合、連続繊維を層状
にすることもあれば、プレス処理またはロール処理する
ことができ、いずれにせよ連続繊維強化Ｃ／ＳｉＣは、
非常に強度が大きい一方で、極めて密度が小さいという
特徴を有する。また、連続繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料に関
しては、表面処理を施すことによって耐酸化性を高める
ということも行われている。一方、短繊維強化Ｃ／Ｓｉ
Ｃ材料には、そのような表面処理は不要であり、なぜな
らば、短繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料はもともと耐酸化性及
び耐蝕性に優れた材料だからである。更に、短繊維強化
Ｃ／ＳｉＣ材料は、極めて高い熱伝導能力を有すると共
に、熱衝撃に対する強度も極めて高いという特徴を有す
る。また、短繊維強化Ｃ／ＳｉＣは、とりわけ未焼結状
態における機械加工に適している。そのため、所望の形
状の燃焼室や所望の断面形状のノズルを単一部材として
製作する場合も、また、燃焼室及びノズルの表面に張り
つけるライナ部材を複数個の部分構成部材として製作す
る場合も、未焼結状態のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施
して製作することで、それら部材を容易に形成すること
ができる。
【００１５】燃焼室を複数個の部分構成部材で構成する
場合のそれら部分構成部材と、断熱部と、ノズルとを、
互いに結合して所望の一体構造とするためには、それら
を焼成結合（シリコナイジング）するようにすれば、即
ち、ケイ素の膜層を介してそれらを互いに結合するよう
にするのが有利な方法である。この組付方法は、特に、
短繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料に適したものであり、この組
付方法においては、燃焼室を構成する複数個の部分構成
部材を機械加工によって製作した後に、焼成結合による
シリコン拡散を利用してそれらを一体化する。こうして
構成した燃焼室には、更に、フランジを組付けることも
容易であり、その場合には、そのフランジも同様にＣ／
ＳｉＣ材料製としておくことが望ましい。更に加えて、
かかる構成の燃焼室及びノズルに冷却通路を設けるので
あれば、それら部材が未焼結状態にあるうちに機械加工
を施して冷却通路を形成するのがよく、この方法によっ
て形成する冷却通路の断面形状は、円形、矩形、それに
細長いスリット形状のいずれともすることができる。
場合のそれら部分構成部材と、断熱部と、ノズルとを、
互いに結合して所望の一体構造とするためには、それら
を焼成結合（シリコナイジング）するようにすれば、即
ち、ケイ素の膜層を介してそれらを互いに結合するよう
にするのが有利な方法である。この組付方法は、特に、
短繊維強化Ｃ／ＳｉＣ材料に適したものであり、この組
付方法においては、燃焼室を構成する複数個の部分構成
部材を機械加工によって製作した後に、焼成結合による
シリコン拡散を利用してそれらを一体化する。こうして
構成した燃焼室には、更に、フランジを組付けることも
容易であり、その場合には、そのフランジも同様にＣ／
ＳｉＣ材料製としておくことが望ましい。更に加えて、
かかる構成の燃焼室及びノズルに冷却通路を設けるので
あれば、それら部材が未焼結状態にあるうちに機械加工
を施して冷却通路を形成するのがよく、この方法によっ
て形成する冷却通路の断面形状は、円形、矩形、それに
細長いスリット形状のいずれともすることができる。
【００１６】本発明にかかるその他の特徴的な構成とし
ては、燃焼室の内壁面に、適当な方法を用いて複数個の
Ｃ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材を、ライナ部材として
張着することや、冷却通路を用いた冷却機構（冷却媒体
としては、例えば水素等の燃料を利用することができ
る）、及び／または、断熱材を設けることにより、金属
製の支持構造体に作用する熱負荷及び圧力負荷の低減を
図り、また、燃焼室やノズルを焼成結合によって一体化
し得るようにすることがある。断熱材として用いるのに
好適な材料には、Ｃ／ＳｉＣ材料、カーボンファイバな
いしカーボンフェルト、グラファイトフォイル（可撓性
黒鉛）、それに、それらを組合せた材料などがある。ま
た、その断熱材を、特にＣ／ＳｉＣ材料製のスペーサを
挿入することにより、Ｃ／ＳｉＣ材料製の燃焼室と同じ
くＣ／ＳｉＣ材料製のノズルとに、相互に結合する構成
とすることができ、それによって好適な一体構造を構成
することができる。
ては、燃焼室の内壁面に、適当な方法を用いて複数個の
Ｃ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材を、ライナ部材として
張着することや、冷却通路を用いた冷却機構（冷却媒体
としては、例えば水素等の燃料を利用することができ
る）、及び／または、断熱材を設けることにより、金属
製の支持構造体に作用する熱負荷及び圧力負荷の低減を
図り、また、燃焼室やノズルを焼成結合によって一体化
し得るようにすることがある。断熱材として用いるのに
好適な材料には、Ｃ／ＳｉＣ材料、カーボンファイバな
いしカーボンフェルト、グラファイトフォイル（可撓性
黒鉛）、それに、それらを組合せた材料などがある。ま
た、その断熱材を、特にＣ／ＳｉＣ材料製のスペーサを
挿入することにより、Ｃ／ＳｉＣ材料製の燃焼室と同じ
くＣ／ＳｉＣ材料製のノズルとに、相互に結合する構成
とすることができ、それによって好適な一体構造を構成
することができる。
【００１７】Ｃ／ＳｉＣ材料の密度及び気孔率は、焼結
(シリコナイジング)する際に、ケイ素または炭化ケイ素
の成分量を添加増減することで好適に調節し得るため、
例えば、高熱に曝されると共に機械的強度を要求される
構造部分や、ライナ部材を構成するために用いるＣ／Ｓ
ｉＣ材料は、密度が大きく気孔率の小さなものとし、一
方、断熱材として用いるＣ／ＳｉＣ材料は、密度が小さ
く気孔率の大きなものとすると有利である。
(シリコナイジング)する際に、ケイ素または炭化ケイ素
の成分量を添加増減することで好適に調節し得るため、
例えば、高熱に曝されると共に機械的強度を要求される
構造部分や、ライナ部材を構成するために用いるＣ／Ｓ
ｉＣ材料は、密度が大きく気孔率の小さなものとし、一
方、断熱材として用いるＣ／ＳｉＣ材料は、密度が小さ
く気孔率の大きなものとすると有利である。
【００１８】以上に説明した構成の断熱部を装備した場
合には、燃焼室及びノズルを構成しているＣ／ＳｉＣ材
料製の構成部材からの熱が、冷却通路を用いた冷却機構
によっても、また、カーボンファイバないしカーボンフ
ェルト、またはグラファイトフォイル、またはそれらを
組合せて構成した断熱材によっても、しかるべき伝熱経
路へ導かれて除去されるため、そのような熱が金属製の
支持構成体から遮断される。従って、金属製の支持構造
体に作用する熱負荷及び圧力負荷を非常に小さく抑える
ことができると共に、燃焼室の構成材料に発生する変形
量も小さく抑えることができ、特に、燃焼室内のノズル
断面形状の変形量を小さく抑えることができるという利
点が得られる。このように、熱負荷及び圧力負荷を軽減
し得ることから、金属製の支持構造体の構造を大幅に簡
明化することができる。また、それによって製造工程を
大幅に簡単化することができ、なぜならば、従来は冷却
通路を製作するためには、削設した溝の上面を閉塞する
ために化学的材料を付着形成する必要があり、そのため
に製作コストもかさんでいたが、本発明ではそれが不要
となるからである。
合には、燃焼室及びノズルを構成しているＣ／ＳｉＣ材
料製の構成部材からの熱が、冷却通路を用いた冷却機構
によっても、また、カーボンファイバないしカーボンフ
ェルト、またはグラファイトフォイル、またはそれらを
組合せて構成した断熱材によっても、しかるべき伝熱経
路へ導かれて除去されるため、そのような熱が金属製の
支持構成体から遮断される。従って、金属製の支持構造
体に作用する熱負荷及び圧力負荷を非常に小さく抑える
ことができると共に、燃焼室の構成材料に発生する変形
量も小さく抑えることができ、特に、燃焼室内のノズル
断面形状の変形量を小さく抑えることができるという利
点が得られる。このように、熱負荷及び圧力負荷を軽減
し得ることから、金属製の支持構造体の構造を大幅に簡
明化することができる。また、それによって製造工程を
大幅に簡単化することができ、なぜならば、従来は冷却
通路を製作するためには、削設した溝の上面を閉塞する
ために化学的材料を付着形成する必要があり、そのため
に製作コストもかさんでいたが、本発明ではそれが不要
となるからである。
【００１９】Ｃ／ＳｉＣ材料を用いて構成した燃焼室
は、その外側に金属製の支持構造体を備えており、この
支持構造体は、飛行に伴う静的加重及び動的荷重を伝達
する機能を果たすと共に、燃料噴射ヘッドとデフューザ
ノズルとを機械的に連結する連結部材としての機能も果
たしている。更に、この支持構造体は、燃料噴射ヘッド
とデフューザノズルとの間で冷却系を接続する接続部材
としての機能も果たしている。
は、その外側に金属製の支持構造体を備えており、この
支持構造体は、飛行に伴う静的加重及び動的荷重を伝達
する機能を果たすと共に、燃料噴射ヘッドとデフューザ
ノズルとを機械的に連結する連結部材としての機能も果
たしている。更に、この支持構造体は、燃料噴射ヘッド
とデフューザノズルとの間で冷却系を接続する接続部材
としての機能も果たしている。
【００２０】Ｃ／ＳｉＣ材料は、気密性及び液密性を備
えているため、冷却通路を形成するためには、金属製の
支持構造体の表面に削設した溝の上面を、その支持構造
体に取付けるＣ／ＳｉＣ材料製の部材で閉塞するという
方法を採ることができる。採用する推進装置の形式によ
っては、その燃焼室の内面形状を、Ｃ／ＳｉＣ材料製の
複数個の部分構成部材で形成し、続いて、焼成結合によ
りそれら部分構成部材を結合して一体構造を形成するよ
うにしてもよい。一方、燃焼室を最初から単一部材とし
て形成することも可能であり、そのための好適な方法
は、未焼結状態のＣ／ＳｉＣ材料に対して機械加工を施
して燃焼室を製作するというものである。これらのＣ／
ＳｉＣ材料製の部材を製作する際に、その部材に冷却通
路を削設するようにしてもよく、Ｃ／ＳｉＣ材料製の部
材に冷却通路を設けることで、熱の除去を更に良好に行
えるようになる。また、この場合には、Ｃ／ＳｉＣ材料
製の部材と金属製の支持構造体とを結合する結合面に、
断熱材を介装するようにするのがよい。そして、Ｃ／Ｓ
ｉＣ材料製の部材と支持構造体とは、適当な結合部材で
結合するようにする。
えているため、冷却通路を形成するためには、金属製の
支持構造体の表面に削設した溝の上面を、その支持構造
体に取付けるＣ／ＳｉＣ材料製の部材で閉塞するという
方法を採ることができる。採用する推進装置の形式によ
っては、その燃焼室の内面形状を、Ｃ／ＳｉＣ材料製の
複数個の部分構成部材で形成し、続いて、焼成結合によ
りそれら部分構成部材を結合して一体構造を形成するよ
うにしてもよい。一方、燃焼室を最初から単一部材とし
て形成することも可能であり、そのための好適な方法
は、未焼結状態のＣ／ＳｉＣ材料に対して機械加工を施
して燃焼室を製作するというものである。これらのＣ／
ＳｉＣ材料製の部材を製作する際に、その部材に冷却通
路を削設するようにしてもよく、Ｃ／ＳｉＣ材料製の部
材に冷却通路を設けることで、熱の除去を更に良好に行
えるようになる。また、この場合には、Ｃ／ＳｉＣ材料
製の部材と金属製の支持構造体とを結合する結合面に、
断熱材を介装するようにするのがよい。そして、Ｃ／Ｓ
ｉＣ材料製の部材と支持構造体とは、適当な結合部材で
結合するようにする。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しつつ、本
発明を、その好適な実施の形態に即して更に説明して行
く。
発明を、その好適な実施の形態に即して更に説明して行
く。
【００２２】添付図面中、同一の部材ないし対応する部
材には、同一の参照番号を付してある。参照番号１は推
進装置の燃焼室であり、２は断熱部、３は燃焼室に連な
るノズル、４は螺合連結部、７は支持構造体であって付
加冷却構造の冷却通路８を備えており、９は燃料噴射ヘ
ッドである。断熱部２は燃焼室１及びノズル３と支持構
造体７との間に位置付けられる。
材には、同一の参照番号を付してある。参照番号１は推
進装置の燃焼室であり、２は断熱部、３は燃焼室に連な
るノズル、４は螺合連結部、７は支持構造体であって付
加冷却構造の冷却通路８を備えており、９は燃料噴射ヘ
ッドである。断熱部２は燃焼室１及びノズル３と支持構
造体７との間に位置付けられる。
【００２３】図１に模式図で示したのは、従来の推進装
置であり、この推進装置では、大きな熱負荷及び圧力負
荷に耐え得る材料を使用する必要があり、例えば「イン
コネル」等の材料を使用するが、ただしその高温強度は
充分ではなく、冷却を施すことが絶対的に必要とされ
る。
置であり、この推進装置では、大きな熱負荷及び圧力負
荷に耐え得る材料を使用する必要があり、例えば「イン
コネル」等の材料を使用するが、ただしその高温強度は
充分ではなく、冷却を施すことが絶対的に必要とされ
る。
【００２４】図２に模式図で示した実施の形態では、燃
焼室１及びノズル３の表面に複数個のＣ／ＳｉＣ材料製
の部材６をライナ部材として張着してあり、即ち部材６
をライニングしてある。このように、燃焼室１及びノズ
ル３の内壁面を、個別に製作した複数個のＣ／ＳｉＣ材
料製の部材６を組合せて形成したため、外側の金属製の
支持構造体７を単一部材として形成可能となっている。
複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材６の形状は、高温高圧
のガスがそれら部材間の継ぎ目５を通って金属製の支持
構造体７へ到達することがないような形状にしてある。
また、複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材６の表面形状
は、燃焼室１及びノズル３の完成後の形状にしてあり、
その結果、支持構造体７の形状を単純な形状とし得るよ
うになっている。
焼室１及びノズル３の表面に複数個のＣ／ＳｉＣ材料製
の部材６をライナ部材として張着してあり、即ち部材６
をライニングしてある。このように、燃焼室１及びノズ
ル３の内壁面を、個別に製作した複数個のＣ／ＳｉＣ材
料製の部材６を組合せて形成したため、外側の金属製の
支持構造体７を単一部材として形成可能となっている。
複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材６の形状は、高温高圧
のガスがそれら部材間の継ぎ目５を通って金属製の支持
構造体７へ到達することがないような形状にしてある。
また、複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材６の表面形状
は、燃焼室１及びノズル３の完成後の形状にしてあり、
その結果、支持構造体７の形状を単純な形状とし得るよ
うになっている。
【００２５】図３に模式図で示した実施の形態は、外側
の金属製の支持構造体７の方を複数個の部材で構成する
ようにしたものであり、その結果、燃焼室１及びノズル
３の内壁面を形成するＣ／ＳｉＣ材料製の部材を単一部
材として形成し得るようになっている。更にこの実施の
形態では、単一部材として形成するＣ／ＳｉＣ材料製の
部材の内面形状を、燃焼室１及びノズル３の完成後の内
面形状にしてある。一方、外側の支持構造体７は、先
ず、２個またはそれ以上の個数の部分構成部材として製
作し、続いて、支持構造体７のそれら複数個の部分構成
部材と、単一部材として形成した内側部材であるＣ／Ｓ
ｉＣ材料製の部材とを組付けて、一体化するようにして
いる。このとき、外側の支持構造体７を構成する複数個
の部分構成部材を結合するには、例えば、図中に継ぎ目
１０で示したように、溶接によって結合するようにして
もよい。この実施の形態にかかる構造の利点は、支持構
成体７を単純な形状にし得ること、それに、Ｃ／ＳｉＣ
材料製の部材を全く継ぎ目の無いものにし得ることにあ
る。後者は特に、金属製の支持構造体７が高圧及び高温
に曝されるのを防止する上で非常に好ましい利点であ
る。
の金属製の支持構造体７の方を複数個の部材で構成する
ようにしたものであり、その結果、燃焼室１及びノズル
３の内壁面を形成するＣ／ＳｉＣ材料製の部材を単一部
材として形成し得るようになっている。更にこの実施の
形態では、単一部材として形成するＣ／ＳｉＣ材料製の
部材の内面形状を、燃焼室１及びノズル３の完成後の内
面形状にしてある。一方、外側の支持構造体７は、先
ず、２個またはそれ以上の個数の部分構成部材として製
作し、続いて、支持構造体７のそれら複数個の部分構成
部材と、単一部材として形成した内側部材であるＣ／Ｓ
ｉＣ材料製の部材とを組付けて、一体化するようにして
いる。このとき、外側の支持構造体７を構成する複数個
の部分構成部材を結合するには、例えば、図中に継ぎ目
１０で示したように、溶接によって結合するようにして
もよい。この実施の形態にかかる構造の利点は、支持構
成体７を単純な形状にし得ること、それに、Ｃ／ＳｉＣ
材料製の部材を全く継ぎ目の無いものにし得ることにあ
る。後者は特に、金属製の支持構造体７が高圧及び高温
に曝されるのを防止する上で非常に好ましい利点であ
る。
【００２６】この実施の形態にかかる構造の更なる利点
として、支持構造体７自体には、流体力学的に必要とさ
れる形状を付与する必要がないため、支持構造体７の加
工公差を非常に大きく設定できるということがある。こ
れによって、支持構造体７の材料として加工容易な材料
を選択することが可能となり、更にその結果として、何
よりも、格段の軽量化を達成することが可能となる。
として、支持構造体７自体には、流体力学的に必要とさ
れる形状を付与する必要がないため、支持構造体７の加
工公差を非常に大きく設定できるということがある。こ
れによって、支持構造体７の材料として加工容易な材料
を選択することが可能となり、更にその結果として、何
よりも、格段の軽量化を達成することが可能となる。
【００２７】また、先の実施の形態のように、個別に製
作した複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材を用いて燃焼室
１及びノズル３を構成する場合には、先ず、未焼結状態
のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施してそれら複数個の部
材を形成し、そして、形成したそれら部材を支持構造体
７に取付けた後に、焼成結合によってそれらを一体化す
るという方法を採ることができる。
作した複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部材を用いて燃焼室
１及びノズル３を構成する場合には、先ず、未焼結状態
のＣ／ＳｉＣ材料に機械加工を施してそれら複数個の部
材を形成し、そして、形成したそれら部材を支持構造体
７に取付けた後に、焼成結合によってそれらを一体化す
るという方法を採ることができる。
【００２８】以上の２つの実施の形態のいずれについて
も、もし必要であれば、Ｃ／ＳｉＣ材料製の部材と支持
構造体７とから成る構造に冷却通路１１を設けるか、或
いは、カーボンファイバ−フェルト、またはグラファイ
トフォイル、またはＣ／ＳｉＣ、またはそれら材料の組
合せから成る断熱構造に冷却通路１１を設けることによ
って、冷却機構を装備すればよい。また、その場合の冷
却機構の冷却通路は、それを装備する構造または要求に
応じて、金属製の支持構造体７とＣ／ＳｉＣ材料製の部
材との間に設けるようにしてもよく、或いは、Ｃ／Ｓｉ
Ｃ材料製の部材の内部に設けるようにしてもよい。更
に、それら両方を組合せてもよい。
も、もし必要であれば、Ｃ／ＳｉＣ材料製の部材と支持
構造体７とから成る構造に冷却通路１１を設けるか、或
いは、カーボンファイバ−フェルト、またはグラファイ
トフォイル、またはＣ／ＳｉＣ、またはそれら材料の組
合せから成る断熱構造に冷却通路１１を設けることによ
って、冷却機構を装備すればよい。また、その場合の冷
却機構の冷却通路は、それを装備する構造または要求に
応じて、金属製の支持構造体７とＣ／ＳｉＣ材料製の部
材との間に設けるようにしてもよく、或いは、Ｃ／Ｓｉ
Ｃ材料製の部材の内部に設けるようにしてもよい。更
に、それら両方を組合せてもよい。
【００２９】図２に参照番号２で示したような、断熱材
料を使用した断熱部に、冷却通路を組み込むことも可能
であり、そうすることによって、燃焼室の内壁面に不都
合な温度勾配が発生するのを防止できるという利点が得
られる。また、冷却機構による断熱効果と断熱部による
断熱効果とが組み合わさることによって、燃焼室の構造
中の熱移動の最適化が可能になる。
料を使用した断熱部に、冷却通路を組み込むことも可能
であり、そうすることによって、燃焼室の内壁面に不都
合な温度勾配が発生するのを防止できるという利点が得
られる。また、冷却機構による断熱効果と断熱部による
断熱効果とが組み合わさることによって、燃焼室の構造
中の熱移動の最適化が可能になる。
【図１】従来の推進装置の構造を示した模式図である。
【図２】本発明の第１の好適な実施の形態にかかる推進
装置の構造を示した模式図である。
装置の構造を示した模式図である。
【図３】本発明の第２の好適な実施の形態にかかる推進
装置の構造を示した模式図である。
装置の構造を示した模式図である。
１ 燃焼室 ２ 断熱部 ３ ノズル ４ 螺合連結部 ５ 継ぎ目 ６ Ｃ／ＳｉＣ材料製の部材 ７ 支持構造体 ８ 冷却通路 ９ 燃料噴射ヘッド １１ 冷却通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘニング・ヘルビッグ ドイツ連邦共和国 83607 ホルツキルヘ ン，リンデンストラッセ ８ (72)発明者 ギュンター・ランゲル ドイツ連邦共和国 81827 ミュンヘン, ニオベストラッセ 28
Claims (18)
- 【請求項１】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推
進装置において、 前記燃焼室（１）が、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓ
ｉＣ）材料を含み構成されていることを特徴とする推進
装置。 - 【請求項２】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推
進装置において、 前記ノズル（３）が、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓ
ｉＣ）材料を含み構成されていることを特徴とする推進
装置。 - 【請求項３】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推
進装置において、 前記断熱部（２）が、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓ
ｉＣ）材料を含み構成されていることを特徴とする推進
装置。 - 【請求項４】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推
進装置において、 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）、及び前記ノズル
（３）の少なくとも２つが、炭素繊維強化炭化ケイ素
（Ｃ／ＳｉＣ）材料を用いて構成されており、且つ、そ
れらがセラミック焼成結合または機械的結合により互い
に結合されていることを特徴とする推進装置。 - 【請求項５】 燃焼室、断熱部、及びノズルを備えた推
進装置において、 前記燃焼室（１）または前記ノズル（３）の内壁面が、
炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）材料（６）でラ
イニングされていることを特徴とする推進装置。 - 【請求項６】 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）及
び前記ノズル（３）の少なくとも１つが、複数個のＣ／
ＳｉＣ材料製の部分構成部材で構成されており、それら
部分構成部材がケイ素の膜層を介して互いに結合されて
いることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載
の推進装置。 - 【請求項７】 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）及
び前記ノズル（３）が、Ｃ／ＳｉＣ粗材に機械加工を施
すことで単一部材として形成されていることを特徴とす
る請求項１乃至５の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項８】 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）及
び前記ノズル（３）の少なくとも１つが、Ｃ／ＳｉＣ粗
材に機械加工を施して形成した冷却通路（１１）を備え
ていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記
載の推進装置。 - 【請求項９】 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）及
び前記ノズル（３）の少なくとも１つに形成した前記冷
却通路（１１）が、円形、矩形、または細長いスリット
形状の断面を有することを特徴とする請求項８記載の推
進装置。 - 【請求項１０】 炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓｉ
Ｃ）材料を含み構成されている前記燃焼室（１）、前記
断熱部（２）または前記ノズル（３）が、金属製の支持
構造体（７）に一体に組付けられていることを特徴とす
る請求項１乃至９の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１１】 前記燃焼室（１）、前記断熱部（２）
及び前記ノズル（３）が、夫々に密度及び気孔率の異な
るＣ／ＳｉＣ材料を用いて構成されていることを特徴と
する請求項１乃至１０の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１２】 前記断熱部（２）が気孔率の大きなＣ
／ＳｉＣ材料を用いて構成されていることを特徴とする
請求項１乃至１１の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１３】 前記断熱部（２）がグラファイトフォ
イルを用いて構成されていることを特徴とする請求項１
乃至１２の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１４】 前記断熱部（２）がカーボンファイバ
−フェルトまたはカーボンフリースを用いて構成されて
いることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項記
載の推進装置。 - 【請求項１５】 前記断熱部（２）が、Ｃ／ＳｉＣ材料
と、グラファイトフォイルと、カーボンファイバ−フェ
ルトないしカーボンフリースとのうちの、２つ以上を組
合せて用いて構成されていることを特徴とする請求項１
乃至１４の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１６】 前記燃焼室（１）及び前記ノズル
（３）が、Ｃ／ＳｉＣ材料を挿入することによってケイ
素の膜層を介して前記断熱部に相互に結合されているこ
とを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項記載の推
進装置。 - 【請求項１７】 前記燃焼室（１）と前記ノズル（３）
とが、夫々、複数個のＣ／ＳｉＣ材料製の部分構成部材
でライニングされており、且つ、ケイ素の膜層を介して
互いに結合されていることを特徴とする請求項１乃至１
６の何れか１項記載の推進装置。 - 【請求項１８】 前記燃焼室（１）及び前記ノズル
（３）が、Ｃ／ＳｉＣ材料に機械加工を施すことで単一
部材として形成されていることを特徴とする請求項１乃
至１７の何れか１項記載の推進装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19858197:1 | 1998-12-17 | ||
| DE19858197A DE19858197B4 (de) | 1998-12-17 | 1998-12-17 | Triebwerk |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000179401A true JP2000179401A (ja) | 2000-06-27 |
Family
ID=7891379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11355641A Ceased JP2000179401A (ja) | 1998-12-17 | 1999-12-15 | 推進装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6389801B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000179401A (ja) |
| DE (1) | DE19858197B4 (ja) |
| FR (1) | FR2787514B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005527737A (ja) * | 2002-05-28 | 2005-09-15 | ボルボ エアロ コーポレイション | 壁構造 |
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| DE10157752B4 (de) * | 2001-11-27 | 2006-04-06 | Eads Space Transportation Gmbh | Düsenverlängerung |
| DE10230231B4 (de) * | 2002-07-04 | 2007-07-05 | Sgl Carbon Ag | Mehrschichtiger Verbundwerkstoff |
| DE10245741B4 (de) * | 2002-10-01 | 2005-10-06 | Bayern-Chemie Gesellschaft Für Flugchemische Antriebe Mbh | Schubdüse für eine Feststoffrakete |
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