JP2001513168A - 液体推進薬ロケットエンジン用の音響式点火装置及び点火方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体推進薬式ロケットエンジンの燃焼室内で推進薬混合物に点火するための音響式点火装置は、筒状壁（１１１）及び第１及び第２端部壁（１１２、１１３）を含む筒状予燃焼室（１０１）と、第１の端部壁（１１２）を貫通し最小直径ｄ_nのオリフィス（１３１）を介して予燃焼室（１０１）に開口している推進薬噴射ノズル（１０３）と、ノズル（１０３）の内部でノズルの軸線上に配置された可燃性推進薬噴射装置（１０４）と、筒状壁（１１１）に設けられた最小直径ｄ_fの少なくとも１つの出口オリフィス（１０２）と、ノズル（１０３）と対向しており且つ第２端部壁（１１３）を貫通し直径ｄ_rの開口部（１５１）を介して予燃焼室（１０１）に開口した空洞を形成する音響共振器（１０５）とを含んでなる。補助室（１６０）を音響共振器（１０５）の周囲に形成するハウジング（１０６）によって音響共振器（１０５）は周囲を取り囲まれており、同補助室は閉鎖されていてその内部が少なくとも１つの導管（１０７）を介して予燃焼室（１０１）だけと連通している。

Description

【発明の詳細な説明】 液体推進薬ロケットエンジン用の音響式点火装置及び点火方法 発明の分野 本発明の目的は、液体推進薬ロケットエンジンの燃焼室内の推進薬混合物の音 響式点火装置及び点火方法に関する。 背景技術 液体推進薬ロケットエンジンの燃焼室に供給される推進薬混合物の点火のため に航空宇宙分野で利用されている音響式点火装置としては、すでに様々なタイプ のものが公知となっている。 かくして、特許ＳＵ−Ａ−１２５５８１８号明細書はすでに、図２に示される ような音響式点火装置の一例を記載している。このような音響式点火装置におい ては、筒状予燃焼室１はその主要面の１つに噴射ノズル３を有しており、このノ ズルの内部には燃料供給のための噴射装置４が設置され、この噴射装置４は噴射 ノズル３の軸線上に設置されている。この噴射ノズル３と対向して、予燃焼室１ の第２主要面を横断して中空音響共振器５が設置されている。音響共振器５は入 口開口部から収束する切頭円錐形状の第１部分及び筒状の第２部分とを含み、こ の筒状部分は端部壁で終結する１つの空洞を形成している。予燃焼室１の出口オ リフィス２は、少なくとも１つの出口オリフィス２１によりロケットエンジンの 主燃焼室と連通する下流室１１に向かって、点火後の燃え上った混合物が通過す ることを可能にしている。 図２に示されるような音響式点火装置は、以下のように作動する。すなわち、 例えば酸化剤といったガス成分が噴射ノズル３に圧力 作用下で導入され、加速される。同時に、もう１つの成分すなわち燃料が噴射装 置４に導入される。かくして噴射ノズル３と噴射装置４は、一体となって、予燃 焼室１での推進薬混合物の形成を確実に行う。混合物の一部分は、音響共振器５ の空洞内に侵入し、そこにとどまる。作り出された衝撃波は、音響共振器５にあ る混合物の一部分の発熱を誘発する。混合物は、その点火温度に達した時点で着 火する。火炎は音響共振器の空洞から出て、予燃焼室１内の混合物全ての点火を 誘発し、その後、それ自体出口オリフィス２１を通してロケットエンジンの（図 示していない）主燃焼室と連通している下流室１１に向かって、出口オリフィス ２を通って排出される。 従来技術の音響式点火装置は、その作動面に関してもその幾何形状に関しても 最適化されていない。特に、図２に示されるような音響式点火装置においては、 音響共振器５の外壁と接触する低温ガスの流れが点火前にオリフィス２及び下流 室１１を通って循環している。これは、音響共振器５内部の熱の発生を低減させ る一因となり、点火に必要とされる時間を延長させる結果となる。燃焼の安定性 はさほど良くなく、ガス成分の初期温度が低いことを考慮すると、点火は望まし い程度の信頼性を呈していない。 さらに、特許ＳＵ−Ａ−１６５７８８３号明細書により、図３に示されるよう な音響式点火装置又はガス式動力学点火装置が公知となっており、この点火装置 では、燃料ガスと酸化剤は、予燃焼室１の反対側の壁に取り付けられた音響共振 器５と対向して配置された同心噴射ノズル３及び噴射装置４を通して、予燃焼室 １０に噴射され、ガス混合物は、ガス噴射組立体３、４及び音響共振器５に対し て側方に位置する少なくとも１つのオリフィス２０を通して、予燃焼室から排出 される。この音響式点火装置の作動は、燃料ガス噴射装置４が噴射ノズル３の出 口の上流でこのノズルの収束部分に開口 しており、かくしてより均一な混合物が得られ点火プロセスの安定性を増大させ ているという点で、改善されている。しかしながら、図３の音響式点火装置はそ れでも充分な信頼性を示さず、特に、点火に必要とされる時間の最大長さを減縮 することを可能にするものではない。 発明の目的及び簡単な説明 本発明は、上述の欠点を補正することを目的とし、詳細には、衝撃波に起因す るより大きな強度の振動、音響共振器レベルでのより小さな熱損失、及び全体と して、詳細には既存の装置よりも信頼性及び安定性が高くなるように最適化され た作動を示す音響式点火装置を実現し、かくして点火に必要とされる時間を減縮 させることを目的としている。 これらの目的は、液体推進薬式ロケットエンジンの燃焼室内で推進薬混合物に 点火するための音響式点火装置（図１）によって達成され、該音響式点火装置は 、筒状壁と第１及び第２端部壁とを有する筒状予燃焼室と、前記第１端部壁を貫 通し最小直径ｄ_nのオリフィスを介して前記予燃焼室に開口した推進薬噴射ノズ ルと、前記ノズルの内部で該ノズルの軸線上に配置された可燃性推進薬噴射装置 と、前記筒状壁を貫通して形成された最小直径ｄ_fの少なくとも１つの出口オリ フィスと、前記ノズルと対向しており且つ前記第２端部壁を貫通し直径ｄ_Rの開 口部を介して前記予燃焼室に開口した空洞を形成する音響共振器とを含んでなり 、補助室を前記音響共振器の周囲に形成するハウジングによって該音響共振器は 周囲を取り囲まれており、該補助室は閉鎖されていてその内部が少なくとも１つ の導管を介して前記予燃焼室だけと連通していることを特徴とする。 好ましい１つの特徴によれば、前記音響共振器は、その開口部から延び且つ前 記予燃焼室の前記第２端部壁に対し基本的に平行な端部壁によって閉鎖された内 径ｄ_Cの筒状部分によって延長された、基本的に切頭円錐形状の収束部分を有し ており、前記音響共振器の前記筒状部分の壁は、２５Ｗ／ｍ℃以下の低い熱伝導 率λを有する金属材料で作られ、該筒状部分の壁の厚さδは０．１ｄ_c以下であ る。 有利には、前記音響共振器の前記収束部分は１０°〜２４°の範囲に含まれる 収束角γを有しており、前記音響共振器の前記筒状部分は該音響共振器の前記開 口部の直径ｄ_rの０．１５倍〜０．３５倍の範囲に含まれる内径ｄ_C及び該開口部 の直径ｄ_Rの１倍〜３倍の範囲に含まれる長さＩ_Cを有する。 最適化された一実施形態によれば、前記予燃焼室は、２．２ｄ_n以上の直径ｄ_{c h} を有し、前記ノズルの前記オリフィスと前記音響共振器の前記開口部の間の距 離Δは１．５ｄ_n〜３．２ｄ_nの範囲に含まれ、前記音響共振器の前記開口部の直 径ｄ_Rは１．１ｄ_n〜１．６ｄ_nの範囲に含まれ、前記出口オリフィスの最小直径 ｄ_fは、前記出口オリフィスの数をｎ、前記ノズルの前記オリフィスの直径をｄ_n で表すと、２．０ｄ_n／√ｎ〜２．８ｄ_n／√ｎの範囲に含まれている。 好ましくは、前記可燃性推進薬噴射装置の下流端部は前記ノズルの前記収束部 分に位置している。 本発明は同様に、ノズルの出口で膨張した中性ガスジェットの少なくとも一部 分が開口を介して音響共振器の内部へ進入し、次の段階に際し導入される推進薬 混合物の点火に適した温度に到達するまで衝撃波に起因する振動によって加熱さ れるように、前記ノズルを介して中性ガスを圧力作用下で導入する第一段階と、 前記温度に達 した時点で、前記ノズルを通して酸化性推進薬を導入すると共に噴射装置を通し て可燃性推進薬を導入し、かくして前記中性ガスと共に推進薬混合物を形成させ 、該推進薬混合物が前記音響共振器の内部に進入して高温ガスと接触した時点で 着火し、その後予燃焼室全体の中で前記推進薬混合物の点火を確保する火炎を作 り出すようにする第二段階とを含んでなることを特徴とする、本発明による音響 式点火装置を用いた点火方法を提供することをも目的としている。 前記中性ガスは、窒素又は好ましくはヘリウムであってよい。 一例を挙げると前記酸化性推進薬は酸素であってよく、前記可燃性推進薬は水 素であってよい。 １つの特定的な実施形態によれば、前記第２段階の際に、前記酸化性推進薬と 前記可燃性推進薬は、それぞれ前記ノズル及び前記噴射装置を通して同時に噴射 される。 他の特定的な実施形態によれば、前記第２段階の際に、前記酸化性推進薬と前 記可燃性推進薬はそれぞれ前記ノズル及び前記噴射装置を通して交互に噴射され る。 図面の簡単な説明 本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参考にして一例として示されて いる特定の実施形態についての以下の説明から明らかとなる。図面において、 図１は、本発明による音響式点火装置の軸線方向断面図であり、 図２は、先行技術の第１のタイプの点火装置の軸線方向断面図であり、 図３は、先行技術の第２のタイプの点火装置の軸線方向断面図である。 特定の実施形態の詳細な説明 本発明による音響式点火装置の一例が示されている図１を参照する。この音響 式点火装置は、筒状壁１１１及び基本的に平坦な端部壁１１２、１１３を有する 筒状予燃焼室１を含んでなる。各々最小直径ｄ_fを有する単数又は複数の出口オ リフィス１０２が筒状壁１１１を貫通して設けられている。推進薬噴射ノズル１ ０３は、端部壁１１２を貫通し最小直径ｄ_nのオリフィス１３１を介して予燃焼 室１０１へ開口している。噴射ノズル１０３の内部には、この噴射ノズル１０３ の軸線上に可燃性推進薬（燃料）噴射管１０４が配置され、これは噴射ノズル１ ０３の収束部分１３２に位置する下流端部１４１を有している。音響共振器１０ ５は壁１１３を貫通し直径ｄ_rの開口部１５１を介して予燃焼室１０１へ開口し ている空洞を形成している。 噴射装置を形成する噴射管１０４の端部が噴射ノズル１０３の内部の収束部分 １３２で終結してオリフィス１３１に対し引込んだ状態になっているという事実 により、点火に先だってより優れたガスの混合を行なうことが可能となり、噴射 ノズル１０３と音響共振器１０５の間で点火前に作り出される衝撃波の構造を擾 乱させることを回避させる。噴射装置１０４の下流端部が引込んだ位置にあるこ とにより、さらに、予燃焼室１０１内での非連続的な点火又は爆発の出現を回避 することもできる。 中空音響共振器１０５の内部で作り出された衝撃波は、この音響共振器が、そ の開口部から延び且つ予燃焼室１０１の端部壁１１２及び１１３に対し基本的に 平行な端部壁１５４によって閉鎖された内径ｄ_cの筒状部分１５３によって延長 された、基本的に切頭円錐形状の収束部分１５２を有するため、一層強いものと なる。 本発明によれば、閉鎖された補助室１６０を共振器１０５の周囲 に形成するハウジング１０６によって音響共振器１０５は周囲を取り囲まれてお り、補助室１６０の内部が小さな断面積の単数又は複数の導管１０７のみを介し て予燃焼室１０１だけと連通していることによって、音響共振器１０５の作動が 改善される。補助室１６０内には、この補助室の壁と音響共振器１０５の外壁と の間に空間が残されている。ハウジング１０６は音響共振器１０５の内部で作り 出された熱が外部環境に向かって放散されるのを防ぐ。導管１０７は、音響振動 がハウジング１０６の内部に侵入することを可能にし、かくしてハウジング１０ ６の壁と音響共振器１０５の壁との間の空間内に進入したガスを付加的に加熱す ることが可能となる。こうして、点火に必要な時間を減縮する一助となる。 音響共振器１０５の筒状部分１５３は、２５Ｗ／ｍ℃以下の熱伝導率λを有す る金属材料で作られる。この筒状部分１５３の壁の厚さは、好ましくは、筒状部 分１５３の内径をｄ_Cとして０．１ｄ_Cである。金属壁の利用は、衝撃波の反射能 力を高め、周期的に及ぼされる作用力に対する機械的強度を増大させる。低い熱 伝導率と共に小さな厚さを選択することによって、点火の瞬間に先だって壁を加 熱するために必要とされるエネルギを削減することが可能となり、このことがさ らに、音響共振器１０５の筒状部分１５３の高温の端部壁と音響共振器１０５の 収束部分１５２の低温の入口開口部との間で音響共振器に沿って多大な熱流束を 出現させることを妨げる。このことはさらに、点火に必要とされる時間の減縮に 寄与する。 点火に必要とされる時間は、音響共振器１０５の幾何特性が最適化されること でなお一層減縮される。かくして、実際には、音響共振器１０５を規定する異な るパラメータについて以下の値を採用した場合に、音響共振器１０５の内部での 衝撃波に起因する振動は強化されることが分かった。 − 収束部分１５２の収束角度γが１０〜２４°の範囲に含まれる。 − 筒状管状部分１５３の内径が０．１５ｄ_r〜０．３５ｄ_rの範囲に含まれる 。 − 筒状管状部分１５３の長さがｄ_r〜３ｄ_rの範囲に含まれる。ここでｄ_rは 、音響共振器１０５の入口開口部１５１の直径を表わす。 なお、音響共振器１０５内の衝撃波の振動は、点火装置の全体構造を規定する 様々なパラメータが以下のように決定される値を採用する場合に、強化される。 − 予燃焼室１０１の直径ｄ_chが２．２ｄ_n以上である。 − 音響共振器１０５の開口部１５１と噴射ノズル１０３のオリフィス１３１ の間の距離Δが１．５ｄ_n〜３．２ｄ_nの範囲に含まれる。 − 音響共振器１０５の開口部１５１の直径ｄ_rは１．１ｄ_n〜１．６ｄ_nの範 囲に含まれる。 − 出口オリフィス１０２の最小直径ｄ_fは２．０ｄ_n／√ｎ〜２．８ｄ_n／√ ｎの範囲に含まれる。ここで、ｎは出口オリフィス１０２の数を表わし、ｄ_nは ノズル１０３のオリフィス１３１の直径を表わす。 本発明はさらに、点火の発生前に必要とされる時間を減縮すると共に点火の瞬 間に生成される火炎を広がらせて安定化させるのに寄与する、上述のタイプの音 響式点火装置を用いた点火方法及び火炎の生成方法にも関する。 この方法によると、第１段階では、ノズル１０３からの出口で膨張した中性ガ スジェットの少なくとも一部分が開口部１５１を介して音響共振器１０５内に導 入されて衝撃波に起因する振動によって 非常に強く加熱されるように、中性ガスがノズル１０３を介して圧力作用下で導 入される。 第２段階においては、中性ガスに加えて、ノズル１０３を介して酸化性推進薬 （酸化剤）が噴射されると共に、噴射装置１０４を介して可燃性推進薬（燃料） が噴射される。このガス混合物は、共振器の高温の壁と加熱された中性ガスに接 触した時点で燃え上がり予燃焼室１０１内で広がる火炎を作り出して、単数又は 複数の出口オリフィス１０２を貫通して通過し、火炎のジェットは主燃焼室（図 示せず）に向かって導かれ、ロケットエンジンの主推進薬の点火を確実に行う。 中性ガスの利用により、燃焼温度は低減され、かくして噴射装置１０４の寿命 ならびに作り出される火炎の持続時間及び安定性を増大させることが可能となる 。 中性ガスは、例えば、窒素又は好ましくは点火までに必要とされる時間をさら に著しく減少させることのできるヘリウムによって構成され得る。 第１実施形態に従った方法を実施する第２段階に際して、酸素といった酸化性 推進薬及び水素といった可燃性推進薬は、ノズル１０３及び噴射装置１０２をそ れぞれ通して同時に噴射される。 他の実施形態によれば、この第２段階の際に、酸化性推進薬及び可燃性推進薬 は、ノズル１０３及び噴射装置１０２をそれぞれ通して交互に噴射される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジノビエフ，バシリ ロシア連邦，103055，モスコー ウリツァ ティチフィンスカヤ ７―１―35 (72)発明者 デムチェンコ，ウラジミール ロシア連邦，127474，モスコー ベスカド ニコフスキー ブルバル，６―３―７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体推進薬式ロケットエンジンの燃焼室内で推進薬混合物に点火するため の音響式点火装置であって、筒状壁（１１１）と第１及び第２端部壁（１１２、 １１３）とを有する筒状予燃焼室（１０１）と、前記第１端部壁（１１２）を貫 通し最小直径ｄ_rのオリフィス（１３１）を介して予燃焼室（１０１）に開口し た推進薬噴射ノズル（１０３）と、前記噴射ノズル（１０３）の内部で該噴射ノ ズルの軸線上に配置された可燃性推進薬噴射装置（１０４）と、前記筒状壁（１ １１）を貫通して形成された最小直径ｄ_fの少なくとも１つの出口オリフィス（ １０２）と、前記噴射ノズル（１０３）と対向しており且つ前記第２端部壁（１ １３）を貫通して直径ｄ_rの開口部（１５１）を介して前記予燃焼室（１０１） に開口した空洞を形成する音響共振器（１０５）とを含んでなり、 補助室（１６０）を前記音響共振器（１０５）の周囲に形成するハウジング（ １０６）によって該音響共振器（１０５）が周囲を取り囲まれており、該補助室 は閉鎖されていてその内部が少なくとも１つの導管（１０７）を介して前記予燃 焼室（１０１）だけと連通していることを特徴とする音響式点火装置。 ２．前記音響共振器（１０５）が、その開口部（１５１）から延び且つ前記予 燃焼室（１０１）の前記第２端部壁（１１３）に対し基本的に平行な端部壁（１ ５４）によって閉鎖された内径ｄ_Cの筒状部分（１５３）によって延長された、 基本的に切頭円錐形状の収束部分（１５２）を有していることと、前記音響共振 器（１０５）の前記筒状部分（１５３）の壁が２５Ｗ／ｍ℃以下の熱伝導率λを 有する金属材料で作られ、該筒状部分（１５３）の壁の厚さδが０．１ｄ_C以下 であることとを特徴とする請求項１に記載の音響式点 火装置。 ３．前記音響共振器（１０５）の前記収束部分（１５２）が１０°〜２４°の 範囲に含まれる収束角γを有することと、前記音響共振器（１０５）の前記筒状 部分（１５３）が該音響共振器（１０５）の前記開口部（１５１）の直径ｄ_rの ０．１５倍〜０．３５倍の範囲に含まれる内径ｄ_C及び該開口部（１５１）の直 径ｄ_rの１倍〜３倍の範囲に含まれる長さＩ_Cを有することとを特徴とする請求項 ２に記載の音響式点火装置。 ４．前記予燃焼室（１０１）が２．２ｄ_n以上の直径ｄ_chを有することと、前 記ノズル（１０３）の前記オリフィス（１３１）と前記音響共振器（１０５）の 前記開口部（１５１）の間の距離Δが１．５ｄ_n〜３．２ｄ_nの範囲に含まれてい ることと、前記音響共振器（１０５）の前記開口部（１５１）の直径ｄ_rが１． １ｄ_n〜１．６ｄ_nの範囲に含まれていることと、前記出口オリフィス（１０２） の最小直径ｄ_fが、前記出口オリフィス（１０２）の数をｎ、前記ノズル（１０ ３）の前記オリフィス（１３１）の直径をｄ。で表すと、２．０ｄ_n／√ｎ〜２ ．８ｄ_n／√ｎの範囲に含まれていることとを特徴とする請求項１から請求項３ までのいずれか１項に記載の音響式点火装置。 ５．前記可燃性推進薬噴射装置（１０４）の下流端部（１４１）が前記ノズル （１０３）の前記収束部分（１３２）に位置していることを特徴とする請求項１ から請求項４までのいずれか１項に記載の音響式点火装置。 ６．ノズル（１０３）の出口で膨張した中性ガスジェットの少なくとも一部分 が開口（１５１）を介して音響共振器（１０５）の内部へ進入し、次の段階に際 し導入される推進薬混合物の点火に適した温度に到達するまで衝撃波に起因する 振動によって加熱されるよ うに、前記ノズル（１０３）を介して中性ガスを圧力作用下で導入する第一段階 と、前記温度に達した時点で、前記ノズル（１０３）を通して酸化性推進薬を導 入すると共に噴射装置（１０４）を通して可燃性推進薬を導入し、かくして中性 ガスと共に推進薬混合物を形成させ、該推進薬混合物が前記音響共振器（１０５ ）の内部に進入して高温ガスと接触した時点で着火し、その後予燃焼室（１０１ ）全体の中で前記推進薬混合物の点火を確保する火炎を作り出すようにする第二 段階とを含んでなることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項 に記載の音響式点火装置を用いた点火方法。 ７．前記中性ガスがヘリウムであることを特徴とする請求項６に記載の方法。 ８．前記中性ガスが窒素であることを特徴とする請求項６に記載の方法。 ９．前記酸化性推進薬が酸素であり、前記可燃性推進薬が水素であることを特 徴とする請求項６から請求項８までのいずれか１項に記載の方法。 10．前記第２段階の際に、前記酸化性推進薬と前記可燃性推進薬がそれぞれ前 記ノズル（１０３）及び前記噴射装置（１０２）を通して同時に噴射されること を特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。 11．前記第２段階の際に、前記酸化性推進薬と前記可燃性推進薬がそれぞれ前 記ノズル（１０３）及び前記噴射装置（１０２）を通して交互に噴射されること を特徴とする請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の方法。