JP2002303208A - マルチグレイン二段燃焼型ハイブリッドロケット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のハイブリッドロケットは、燃焼効
率の向上と大型化および大推力化とを両立させることが
難しいという問題点があった。 【解決手段】 ロケットノズル３を備えた第２段燃焼器
２を後部に配した第１段燃焼器１中に、中立燃焼型に成
形した多数の固体燃料グレイン１０を非拘束状態で充填
すると共に、第１段燃焼器１の頭部に、酸化剤の噴射器
４を備えたマルチグレイン二段燃焼型ハイブリッドロケ
ットＲとし、燃焼効率を向上させたうえで、大型化およ
び大推力化を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体燃料と液体の
酸化剤を搭載し、固体燃料の分解ガスと酸化剤との混合
燃焼により生じた燃焼ガスによって推力を得るマルチグ
レイン二段燃焼型ハイブリッドロケットに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来において、上記したようなハイブリ
ッドロケットとしては、図４および図５に示すようなも
のがあった。図４に示すハイブリッドロケット１００
は、頭部側から、加圧用ガスを充填したガスタンク１０
１、液体の酸化剤１０２を充填した酸化剤タンク１０
３、固体燃料１０４を装填した燃焼器１０５、およびロ
ケットノズル１０６を備えている。ガスタンク１０１と
酸化剤タンク１０３との間には、加圧用ガスの流路を開
閉する制御弁１０７が設けてあり、酸化剤タンク１０３
と燃焼器１０５との間には、酸化剤１０２の流路を開閉
する制御弁１０８や酸化剤１０２の噴射器１０９が設け
てある。固体燃料１０４は、円筒形状を成す内面燃焼型
のグレインである。

【０００３】上記のハイブリッドロケット１００は、加
圧用ガスの圧力で酸化剤１０２を加圧して、酸化剤１０
２を燃焼器１０５内に噴射すると共に、図示しない着火
手段で着火を行うことにより、噴射した酸化剤１０２と
固体燃料１０４の表面で分解・蒸発した燃料成分とを混
合して燃焼させ、これにより生じた高温・高圧の燃焼ガ
スをロケットノズル１０６から噴出させて推力を得る。

【０００４】また、図５に示すハイブリッドロケット２
００は、衝突噴流型と呼ばれるものであって、尾部にロ
ケットノズル２０６を備えた燃焼器２０５に、３つに分
割した固体燃料２０４Ａ〜２０４Ｃを所定間隔で装填
し、この際、各個体燃料２０４Ａ〜２０４Ｃの機軸方向
に形成したポート２１０を互いにずらせた配置にしてお
り、さらに、燃焼器２０５の頭部に液体酸化剤の噴射器
２０９を備えた構成になっている。

【０００５】上記のハイブリッドロケット２００は、図
４に示すハイブリッドロケット１００と同様に、噴射し
た酸化剤と固体燃料２０４Ａ〜２０４Ｃの表面で分解・
蒸発した燃料成分とを混合して燃焼させ、これにより生
じた高温・高圧の燃焼ガスをロケットノズル２０６から
噴出させて推力を得るのであるが、この際、上段の固体
燃料２０４Ａ，２０４Ｂのポート２１０を通過した燃焼
ガスを下段の固体燃料２０４Ｂ，２０４Ｃの燃焼端面に
垂直に衝突させることにより、淀み点での高い混合燃焼
効率を実現したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記したよ
うな従来のハイブリッドロケット１００，２００にあっ
ては、図４に示すハイブリッドロケット１００の場合、
酸化剤１０２を固体燃料１０４の表面に沿って流し、機
軸方向に境界層を形成しつつ固体燃料１０４から分解・
蒸発した燃料成分を拡散燃焼させる境界層燃焼を行うこ
とから、燃料と酸化剤１０２の混合・燃焼率が低く、燃
焼効率が劣化し、また、大推力設計が難しいなどの不具
合があった。

【０００７】これに対して、図５に示す衝突噴流型のハ
イブリッドロケット２００の場合には、酸化剤利用効率
が向上するなどの利点がある。しかしながら、分割した
固体燃料２０４Ａ〜２０４Ｃを所定間隔で配置して燃焼
器２０５の内壁で固定支持するため、大型化を図った場
合に、燃焼末期まで大型の固体燃料２０４Ａ〜２０４Ｃ
の固定支持を保証する設計が困難であるという不具合が
あった。

【０００８】すなわち、従来にあっては、燃焼効率の向
上と大型化および大推力化とを両立させることが難しい
という問題点があり、このような問題点を解決すること
が課題であった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、上記従来の課題に着目して成
されたもので、燃焼効率を向上させることができるうえ
に、大型化および大推力化を実現することができるマル
チグレイン二段燃焼型ハイブリッドロケットを提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるマルチグ
レイン二段燃焼型ハイブリッドロケットは、ロケットノ
ズルを備えた第２段燃焼器を後部に配した第１段燃焼器
中に、中立燃焼型に成形した多数の固体燃料グレイン
（ブロック）を非拘束状態で充填すると共に、第１段燃
焼器の頭部に、酸化剤の噴射器を備えた構成としてお
り、上記した構成をもって従来の課題を解決するための
手段としている。

【００１１】なお、上記構成における中立燃焼型の固体
燃料グレインは、燃焼過程においてほぼ一定の燃焼面積
を維持するものである。この固体燃料グレインのより具
体的な構成としては、例えば、肉厚円筒状に成形した固
体燃料の両端面を燃焼抑制材料で被覆したもの、タブレ
ット状に成形した固体燃料の外周面を燃焼抑制材料で被
覆したものなどを採用することができる。そして、固体
燃料グレインは、個々の燃焼時間が当該マルチグレイン
二段燃焼型ハイブリッドロケットの燃焼時間（全作動時
間）にわたり所望のプロフィールとなるように、個々の
量や燃焼面積が設定され、且つ要求推力に応じて個々の
材料や総量が設定され、第１段燃焼器に規則的にあるい
は不規則的に非拘束状態で充填する。

【００１２】また、本発明に係わるマルチグレイン二段
燃焼型ハイブリッドロケットは、燃焼器の内壁に断熱材
を設けることができ、この際、断熱材としては、燃料を
兼用するものや燃焼により発生したガスによる冷却すな
わちアブレーション効果をもたらすものなどを用いるこ
とができる。さらに、燃焼ガスは第１段燃焼器の出口で
は燃料過剰の状態であり、燃焼ガスが極端な高温となら
ないため、この出口部分にメッシュやスリットで構成さ
れるフィルタを設け、燃焼末期の固体燃料グレインの吐
き出しを防止することができる。第２段燃焼器の頭部に
は酸化剤の噴射器を設け、第２段燃焼によって燃焼を完
結する。

【００１３】

【発明の作用】本発明に係わるマルチグレイン二段燃焼
型ハイブリッドロケットでは、第１段燃焼器に、中立燃
焼型に成形した多数の固体燃料グレインを非拘束状態で
充填している。つまり、第１段燃焼器の大きさに何ら左
右されることがなく、固体燃料を段１段燃焼器の内壁に
固定支持する手段が全く不要となり、予め中立燃焼型に
成形した多数の固体燃料グレインを単に充填すれば良い
ので、充填作業も容易である。

【００１４】このマルチグレイン二段燃焼型ハイブリッ
ドロケットは、第１段燃焼器の頭部に設けた噴射器から
液体の酸化剤を第１段燃焼器内に噴射すると共に、適宜
の着火手段で着火することにより、全固体燃料グレイン
を一斉に燃焼させる。より正確には、固体燃料グレイン
の表面で分解・蒸発した燃料成分と酸化剤を混合燃焼さ
せる。そして、第１段および第２段の燃焼を通じ、酸化
剤と燃料成分との混合燃焼により発生した高温・高圧の
燃焼ガスをロケットノズルから噴出させて推力を得る。
このとき、当該マルチグレイン二段燃焼型ハイブリッド
ロケットでは、第１段燃焼器において、多数の固体燃料
グレインが非拘束状態で充填してあるので、燃焼ガスが
固体燃料グレイン同士の複雑な隙間を経て流れることと
なり、これにより酸化剤と燃料成分との混合燃焼効率が
高められると共に、固体燃料グレインが中立燃焼型に成
形してあるので、燃焼過程においてほぼ一定の燃焼面積
が維持される。

【００１５】

【発明の効果】本発明に係わるマルチグレイン二段燃焼
型ハイブリッドロケットによれば、中立燃焼型に成形し
た多数の固体燃料グレインを非拘束状態で第１段燃焼器
に充填し、第１段燃焼器の頭部から酸化剤を噴射して酸
化剤と燃料成分とを混合燃焼させ、さらに第２段燃焼器
において第２段燃焼を行って燃焼を完結するものとした
から、きわめて高い混合燃焼効率を得ることができるう
えに、固体燃料グレインを支持固定する手段が不要とな
ってハイブリッドロケットを大型化するうえでの困難性
が解消され、大型化および大推力化を実現することがで
きる。また、予め中立燃焼型に成形した固体燃料グレイ
ンを用いるので、その充填作業をきわめて容易に行うこ
とができると共に、固体燃料グレインの充填量ならびに
形状や寸法の異なる固体燃料グレインを適宜組合わせる
ことによって推力の増減設定を簡単に行うことができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明に係わるマル
チグレイン二段燃焼型ハイブリッドロケットの一実施例
を説明する。

【００１７】図１（ａ）に示すマルチグレイン二段燃焼
型ハイブリッドロケット（以下、『ハイブリッドロケッ
ト』とする）Ｒは、概略円筒状の第１段燃焼器１の尾部
に第２段燃焼器２を備えると共に、第２段燃焼器２の尾
部にロケットノズル３を備えており、第１段燃焼器１の
頭部に液体酸化剤の一次噴射器４を備えている。また、
第１段燃焼器１の出口部分には、例えばメッシュで構成
されたフィルタ５が設けてあると共に、このフィルタ５
の下流側となる第２段燃焼器２の頭部に酸化剤の二次噴
射器６が設けてある。二次噴射器６は、図１（ｂ）にそ
の一部を示すように、第１段燃焼器１と第２段燃焼器２
を連通させる複数の流通路７と、この流通路７内に酸化
剤を噴射するための複数のオリフィス８を設けた構成に
なっている。

【００１８】なお、第１段燃焼器１の図示しない頭部側
には、酸化剤のタンク、酸化剤の加圧装置および酸化剤
の流量調整バルブなどを備えている。また、酸化剤のタ
ンクと二次噴射器６との間には、流量制御バルブ等を介
装した配管が設けられる。さらに、第１段燃焼器１に
は、図示しない着火手段が設けられる。

【００１９】第１段燃焼器１は、その内壁全面に断熱材
９が設けてある。この断熱材９は、燃料を兼用すると共
に、燃焼により発生したガスによる冷却すなわちアブレ
ーション効果をもたらすものであって、当該ハイブリッ
ドロケットＲの作動時間でほぼ焼尽し得る程度の厚さに
設定してある。そして、第１段燃焼器１には、その内部
に、中立燃焼型に成形した多数の固体燃料グレイン（ブ
ロック）１０が接着等の処理を施すことなく非拘束状態
で充填してある。

【００２０】固体燃料グレイン１０は、図２に示すよう
に、肉厚円筒状に成形した固体燃料１０Ａの両端面に、
内孔１０Ｃを開放した状態で燃焼抑制材料１０Ｂ，１０
Ｂを設けたものである。つまり、固体燃料グレイン１０
は、固体燃料１０Ａの外周面と内孔１０Ｃの内周面とが
同時に燃焼することにより、燃焼過程おいてほぼ一定の
燃焼面積を維持する中立燃焼型となっている。なお、燃
焼抑制材料１０Ｂは、最終的に焼尽するものであっても
良く、この場合、固体燃料１０Ａよりも燃焼速度が明ら
かに遅いものを採用すれば良い。

【００２１】また、固体燃料グレイン１０は、夫々の燃
焼時間が当該ハイブリッドロケットＲの作動時間にわた
り所望のプロフィールとなるように、個々の大きさや形
状が設定されると共に、要求推力に応じて総量が設定さ
れる。なお、図１には固体燃料グレイン１０を不規則に
充填した状態を示したが、これらを規則的に並べて充填
することも当然あり得る。

【００２２】上記のハイブリッドロケットＲは、固体燃
料グレイン１０を支持固定する手段が不要であることか
ら、ハイブリッドロケットを大型化するうえでの困難性
がなく、また、予め中立燃焼型に成形した多数の固体燃
料グレイン１０を単に充填すれば良いのでその充填作業
も非常に容易であり、固体燃料グレイン１０の充填量な
らびに形状や寸法の異なる固体燃料グレインを適宜組合
わせることによって推力の増減設定を簡単に行い得るも
のとなっている。

【００２３】ハイブリッドロケットＲは、第１段燃焼器
１の頭部に設けた一次噴射器４から液体の酸化剤を第１
段燃焼器１内に噴射すると共に、着火手段で着火するこ
とにより、全固体燃料グレイン１０を一斉に燃焼、すな
わち各固体燃料グレイン１０の表面で分解・蒸発した燃
料成分と酸化剤を混合燃焼させる。そして、混合燃焼に
より発生した高温・高圧の燃焼ガスをフィルタ５および
二次噴射器６の流通路７を通して第２段燃焼器２に流出
させる。このとき、燃焼ガスは、未燃の燃料成分が含ま
れていて燃料過剰の状態にある。そこで、二次噴射器６
のオリフィス８から酸化剤を噴射し、第２段燃焼器２に
おいて燃焼ガス中の燃料成分と酸化剤とを第２段燃焼さ
せて燃焼を完結させ、その燃焼ガスをロケットノズル３
から噴出させることで推力を得る。

【００２４】このとき、ハイブリッドロケットＲでは、
第１段燃焼器１において、多数の固体燃料グレイン１０
が非拘束状態で充填してあるので、燃焼ガスが固体燃料
グレイン１０同士の複雑な隙間を経て流れることとなっ
て、酸化剤と燃料成分との混合燃焼効率が高められると
共に、固体燃料グレイン１０が中立燃焼型に成形してあ
るので、燃焼過程においてほぼ一定の燃焼面積が維持さ
れる。

【００２５】また、第１段燃焼器１が高温に曝されるこ
ととなるが、燃料を兼用する断熱材９が燃焼することに
よるアブレーション効果によって耐熱性を確保してい
る。さらに、固体燃料グレイン１０が燃焼とともに小さ
くなるが、フィルタ５により、未燃分の吐き出しや未燃
分による流通路７の目詰まりを防止している。

【００２６】このように、上記のハイブリッドロケット
Ｒは、中立燃焼型に成形した多数の固体燃料グレイン１
０を非拘束状態で第１段燃焼器１に充填し、第１段燃焼
器１の頭部から酸化剤を噴射して酸化剤と燃料成分とを
混合燃焼させ、さらに第２段燃焼器２における第２段燃
焼を経て燃焼を完結させることからることから、きわめ
て高い混合燃焼効率を得ることができるうえに、固体燃
料グレイン１０を支持固定する手段が不要となって大型
化および大推力化を実現することができる。

【００２７】図２は中立燃焼型の固体燃料グレインの他
の実施例を示す図であって、図示の固体燃料グレイン２
０は、両端を球面としたタブレット状の固体燃料２０Ａ
の外周面に燃焼抑制材料２０Ｂを設けた構成になってい
る。このようにしても、燃焼過程においてほぼ一定の燃
焼面積を維持する中立燃焼型とすることができる。

【００２８】なお、中立燃焼型の固体燃料グレインは、
その形状が上記各実施例に限定されることは無く、例え
ば円柱状の固体燃料の外周面に燃焼抑制材料を施し、中
立燃焼面を有する内孔を設けても良く、また、１つの第
１段燃焼器１に対して、形状の異なる複数種の固体燃料
グレインを充填することも可能である。さらに、上記実
施例では第１段燃焼器１の内壁に断熱材９を設けた構成
を示したが、この断熱材９を第２段燃焼器２の内壁に設
けることも可能である。そしてさらに、当該ハイブリッ
ドロケットＲは再利用することが可能であり、再利用を
考慮した構成としては、断熱材の取付けや固体燃料グレ
インの充填等の作業に容易に対処し得るように、例えば
第１段燃焼器１と第２段燃焼器２とを適宜の連結手段に
より分離可能に連結しておくことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるマルチグレイン二段燃焼型ハイ
ブリッドロケットの一実施例を説明する断面図（ａ）お
よび二次噴射器の部分的な断面図（ｂ）である。

【図２】固体燃料グレインを説明する部分破断状態の平
面図（ａ）および側部断面図（ｂ）である。

【図３】固体燃料グレインの他の実施例を説明する平面
図（ａ）および側部断面図（ｂ）である。

【図４】従来のハイブリッドロケットの一例を示す断面
図である。

【図５】従来のハイブリッドロケットの他の例を示す断
面図である。

【符号の説明】

Ｒ マルチグレイン二段燃焼型ハイブリッドロケット １ 第１段燃焼器 ２ 第２段燃焼器 ３ ロケットノズル ４ 一次噴射器 ６ 二次噴射器 １０ 固体燃料グレイン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロケットノズルを備えた第２段燃焼器を
   後部に配した第１段燃焼器中に、中立燃焼型に成形した
   多数の固体燃料グレインを非拘束状態で充填すると共
   に、第１段燃焼器の頭部に、酸化剤の噴射器を備えたこ
   とを特徴とするマルチグレイン二段燃焼型ハイブリッド
   ロケット。