JP2000504804A - ロケットエンジンノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、軸断面に曲面プロファイルを有するアウトレット部分を具えるロケットエンジンノズルに関するものである。前記ノズルアウトレット内で生じる境界層はがれの制御を可能にするため、本発明は、軸断面の前記アウトレット部分が半径を有し、この半径長さが、周囲方向に変化するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 ロケットエンジンノズル 本発明は、軸線断面に曲面プロファイルを有するスラストチャンバまたはアウ トレット部分を具えるロケットエンジンノズルに関するものである。 海面レベル(sea level)での過渡的な始動および停止中、ロケットエンジンに は、通常、激しい動荷重が生じる。こうした荷重は一般に、境界層はがれ中の流 れによる不規則な流れ特性に起因すると考えられる。 液体燃料ロケットエンジン用ノズルのアウトレット部分は、たいてい、無視で きない雰囲気圧内にメインジェットが排気を行う状態で作動する。こうしたロケ ットエンジンの具体例には、海面レベルで点火されるコアステージおよびブース ター用大型液体燃料海面レベルロケットエンジンと、ステージ切り離し中に点火 される上部ステージロケットエンジンとがある。 動荷重は、過渡的な始動および停止中ならびに、定常状態動作中における、ノ ズルでのはく離流に起因するスラストチャンバ流れの不定常特性によるものであ る。こうした境界層はがれの影響やそれに対する規定は研究発表されており、１ ９９４年６月にアメリカ合衆国のインディアナポリスで行われた第３０回「ＡＩ ＡＡ／ＡＳＭＥ／ＳＡＥ／ＡＳＥＥ 共同推進会議(Joint Propulsion Conferen ce)」では、ボルボエアロコーポレーション(Volvo Aero Corporation)による「 はく離流による超音速ノズルにおける横荷重の空力弾性学(Aero-elastic Analys is of Side Load in Supersonic Nozzles with Separated Flow)」で言及されて いる。動荷重の一般的な大きさは、例えば、スラストチャンバ構成要素を設計す るために動荷重に起因する限界寿命の条件である５０−１００（ｋＮ）程度の大 きさである。こうした条件は、結果としてスラストチャンバ構造要素に対して一 層高い荷重を生じさせる。さらに、ノズル拡張に用いることができる最大の面積 比は、定常状態動作中の付着した流れによる用件によって制限されている。 動荷重の最終結果は、スラストチャンバにおける重量に対する全体の性能比に 対する制約により定められると共に、ロケット発射台によって軌道に送り出すこ とができるペイロードの量に関するその後の制約により定められる。 従来ノズルにおける欠点を解消するため、非常に多くの技術が提案されている が、全て様々な観点から著しい欠点を有する。主要な難点は、機能、性能、冷却 および信頼性に関係する。 こうした従来のベル形ノズルでは、機能が制限され、過渡的な始動および停止 するときの大きな荷重が生じてしまう。２個のベル形ノズルはまた、激しい過渡 的な動荷重を受ける。外部拡張ノズルは、提案されているが、十分に試験されて いない。外し金リングを備えるベルノズルは動荷重を減少させるが、性能損失が 極めて大きくなりすぎてしまう。前記ノズルはまた、困難な冷却の問題にわずら わされる。最終的に、延長自在なノズルおよび換気ノズルが提案されているが、 その両方に対して、飛行に先立ち実証することができない機能を有するメカニズ ムを必要とする。 本発明の主目的は、ノズルの末広形状アウトレット部分内部において、有益な 流れ制御を行うことができ、ロケットエンジンノズルの重量を減少させることが できると共に、性能を増大させることができるロケットエンジンノズル構造を提 案することである。 本発明によれば、これは、実質的に、前記アウトレット部分が軸線断面に半径 を有し、この半径長さが周囲方向に変化することを特徴とするノズルによって達 成される。前記半径長さは、周期的に変化し、さらに好ましくはノズルにおける 多角形状を形成するように周期的に変化する。 本発明によれば、はく離流は、このノズル壁の輪郭を軸対称でないように改良 したことによって満足のいく制御が得られる。この改良は、ノズルアウトレット 部分の性能、信頼性、冷却および製造の局面において著しく悪い効果を発生する ことがない。 こうして本発明は、さらに大きなノズル面積比および重量軽減により、著しく 高い真空性能を有する海面レベルロケットエンジンノズルを設計することができ る。 さらに本発明を後述の図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明による ノズルの末広形状アウトレット部分を示した斜視図であり、図２は、同様のノズ ルを開放または分解した同様ノズルを示した斜視図であり、図３は、本発明によ るアウトレット部分を有するロケットエンジンの軸線断面図である。 図３を参照すると、本発明は、既知の海面レベルロケットエンジンに適用して 示したものである。排気ガスが音速となる最小ノズル領域Ａからみて、ノズルの アウトレット部分または末広部分は、インレットに対する５倍の面積比を有する Ｂの位置から拡大したと考えることができる。始動および停止の瞬間や、大気圧 中などの様々な状態のもと、流れは、前記ノズルにおける前記末広部分の内側壁 からはく離する。この現象は、自然且つ無作為に生じ、不定常ガス荷重が横方向 に発生する。前記現象は、アウトレット部分の膨張比と、定常状態動作中に、付 着した流れの要件を満たすことができるアウトレット部分の長さについても制約 を受ける。本発明によれば、境界層はがれを高い信頼性を以って有効に制御する ことができ、この結果、膨張比を増大することができると共に、許容できない横 方向荷重を発生する境界層はがれ現象を生じることなくロケットエンジンパワー を増大することができる新規なノズル形状を提供する。 本発明は、従来のノズル壁の軸対称形状から脱却し、周囲方向に長さが変化す る半径を有し、好ましくは多角輪郭を形成することにより、境界層はがれ線の移 動による挙動を大幅に改良すると共に横荷重を減少させ、従って、膨張比を一層 大きくできる。 図１には、本発明によるノズルのアウトレット部分または末広部分のみを示す 。前記図面におけるノズル部分の軸対称輪郭は、例えば、実線Ｄで示した従来の 真円形状から、本発明に従って、この半径長さを周期的に、例えば、８個の面Ｓ １，Ｓ２・・・を有する多角形を形成するように変化させることによって改造さ れている。前記多角形が円周線Ｄを取り囲んだ場合、最大の面積増大（例えば、 ６％）を達成することができる。 好適な実施形態において、前記末広ノズル部分のインレットの輪郭、例えば、 図３に示した位置Ｂの輪郭は一定長さの半径を有する円形であって、この半径長 さは位置Ｂから軸方向に距離を増加させることで変化し始めると共に、末広ノズ ル部分の端部に接近するに従い最も大きく変化する。 図２におけるノズルの斜視図は、境界層はがれ線Ｆを示すための分解図である 。 前記図面から、境界層はがれ線が、多角輪郭の各コーナーから延在すると共に各 多角形側面の中心線周りに流れに沿って曲がる湾曲部分を形成することは明らか である。このことは、境界層はがれを効果的に制御することができると共に、有 害な横荷重をほとんど完全に排除することを意味する。こうして本発明による多 角輪郭は、従って、ノズルアウトレット部分の内部壁表面における非軸対称の圧 力分布が誘導される。図２に示した境界層はがれ線は、過渡的な始動中のチャン バ圧を設定するために示したものである。また図１に示した実施例のように、本 実施例の多角形状は、８個の側面を有すると共に、多角形で取り囲まれた円周領 域を６％以上に面積増大させる。 多角形における側面の個数は、５から１５まで変更させることができ、８、１ ０および１２について試験を行った。分析結果において、性能データに対して影 響がでないことが認められた。 実施例として、従来ノズルの具体例な寸法は、下記のように、 即ち、 長さ １．８ｍ インレット直径 ０．６ｍ アウトレット直径 １．８ｍ インレット面積比 ５ アウトレット面積比 ４５． である。 これに対して、本発明によるノズルの具体的な寸法は、下記のように、 即ち、 位置Ａからアウトレットまでの長さ ３．３ｍ インレット直径 ０．６ｍ アウトレット直径 ２．７ｍ インレット面積比 ５ アウトレット面積比 １００ である。 上記寸法例から明らかなように、境界層はがれ線は、図３に示すように位置Ｃ 周りにノズルのアウトレット部分を流れに沿って、効果的に制御することができ ると共に移動させることができるので、アウトレット面積比は、１００に増加さ せることができ、こうして一層高い膨張比を得られ、ノズルの性能を改善するこ とができる。またこれにより、ノズルアウトレット部分の長さを増加させること ができると共に、定常状態動作中の流れ状態を改良することができる。

【手続補正書】 【提出日】１９９８年８月１８日（１９９８．８．１８） 【補正内容】 請求の範囲 １．軸線断面に曲面プロファイルを有するアウトレット部分を具え、軸線断面の アウトレット部分は半径を有し、この半径長さが周囲方向に周期的に変化するロ ケットエンジンノズルにおいて、 前記半径長さは、多角形状が得られるように周期的に変化することを特徴とす るものである。 ２．前記多角形状を形成する側面は、５個から１５個までの間であることを特徴 とする請求項１に記載のロケットエンジンノズル。 ３．前記半径長さにおける周期的な変化は、ノズルの最小断面領域付近において は小さいか、ほとんど変化することなく、前記アウトレット部分の出口部に向け て所望の最終値まで順次、増加することを特徴とする請求項１に記載のロケット エンジンノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．軸線断面に曲面プロファイルを有するアウトレット部分を具えるロケットエ ンジンノズルにおいて、 軸線断面の前記アウトレット部分は半径を有し、この半径長さが周囲方向に 変化することを特徴とするものである。 ２．前記半径の長さが周期的に変化することを特徴とする請求項１に記載のロケ ットエンジンノズル。 ３．前記半径長さは、多角形状が得られるように周期的に変化することを特徴と する請求項２に記載のロケットエンジンノズル。 ４．前記多角形状を形成する側面は、５個から１５個までの間であることを特徴 とする請求項３に記載のロケットエンジンノズル。 ５．前記半径の長さにおける周期的な変化は、ノズルの最小断面領域付近におい ては小さいか、ほとんど変化することなく、前記アウトレット部分の出口部に向 けて所望の最終値まで順次、増加することを特徴とする請求項２に記載のロケッ トエンジンノズル。