JP2004169702A - 多数のコンホーマルスロート支持体を有するロケットエンジン燃焼室 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、製造コストが低く、重量の軽減されたロケットエンジン燃焼室を製造する方法を提供することを目的としている。
【解決手段】冷却流体ライナー10を形成し、その外面に複数の冷却流体チヤンネル12を形成し、２以上の内側コンホーマルスロート支持セクション14, 16および２以上の外側コンホーマルスロート支持セクション20, 22を形成し、冷却流体ライナー10の外面を囲んで２以上の内側コンホーマルスロート支持セクション14, 16を組立てて閉じた内側コンホーマルスロートの外面を形成し、内側コンホーマルスロート支持セクション14, 16は内側スロートシームライン18で接合され、内側コンホーマルスロート外面を囲んで２以上の外側コンホーマルスロート支持セクション20, 22を組立てて内部スロートシームライン18を覆ってライナースロート支持構造を形成し、ライナースロート支持構造を囲んで入口マニホルド24および出口マニホルド24を組立ててＨＩＰ構造を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロケットエンジン燃焼室の製造に関し、特に、多数のコンホーマルスロート支持体を有するロケットエンジン燃焼室に関する。

ロケットエンジン燃焼室の機能は燃焼プロセス（典型的に５０００乃至６０００度Ｆの温度、平方インチ当たり１０００４０００ポンドの圧力において）を含み、燃焼生成物を高速度に加速してそれらを排出し、推力を生成する。典型的に燃焼プロセスは燃焼室において亜音速で行われる。亜音速燃焼ガスはその後、デラバル（ＤｅＬａｖａｌ）型のノズル／ベンチュリ管を通って超音速に加速される。

燃焼室は典型的に高温の燃焼ガスから圧力容器を保護するために燃焼圧力の、冷却されたライナーと、冷却流体を循環させるために必要なマニホルドを含む構造を備えている。その固有の砂時計形の形状のために、燃焼室は典型的に冷却流体ライナーからスタートして圧力容器ジャケットおよびその外部の砂時計形の形状の周囲のマニホルドを形成し、或いは圧力容器およびマニホルド構造からスタートしてその砂時計形状の内部に冷却流体ライナーを形成する。冷却流体ライナーに対する構成材料は熱伝導度が高いために銅ベースの合金から構成され、圧力容器ジャケットおよびマニホルドは強度が高い必要があるためにニッケルベースの合金から構成されている。

現在冷却流体チヤンネルを有する燃焼室を製作する幾つかの方法がある。現在使用されているそれらの方法は全て多くの製造工程を含んでおり、それらはそれぞれひびが入ったとき臨界的な検査が必要であり、再加工が必要な可能性がある。これらのプロセスは時間を要し、費用がかかる。

１つの方法では、冷却流体ライナーは内側および外側が砂時計形状を有する鋼鉄片から機械加工され、そのライナーの外側表面に冷却流体の通路のチヤンネルのスロットが機械加工される。冷却流体の通路チヤンネルはその後メッキ処理を使用して覆われて閉ざされて管状のチヤンネルとされる。メッキ処理は非常に労働集約的な作業であり、臨界的ないくつかの動作が必要であり、典型的な燃焼室ではかなりの量の再加工が必要になるという問題を生じる。

通路チヤンネルを閉じる処理中、ライナーのスロットはワックス材料で満たされる。外部に露出された表面はその後、銀の粉末で磨かれて導電性のメッキ可能な表面が形成される。その表面上に水素バリアが適切にメッキされてもよく、それに続いてニッケルメッキが形成されて冷却流体圧力に耐える閉じた構造が形成される。ニッケルによる閉鎖にはいくつかのメッキサイクルが必要であり、いくつかの中間的な機械加工工程が必要である。全てのメッキ動作は、メッキされた材料の結合力を低下させる汚染、メッキ化学液、およびその他の処理パラメータについての問題を有している。このプロセス中に異常が発生した場合には、ライナー上のメッキされた材料は機械加工により除去されて再度メッキ処理が繰り返されなければならない。この技術の使用はライナーを完成するために多くの時間と労力を必要とする。

メッキ動作に続いて、ワックス材料がライナーから除去されなければならない。ワックス材料が残留して存在すると次の動作における汚染の原因となるから、これは重要な処理である。

ライナーが完成したとき次のステップはライナー構造に入口および出口冷却流体マニホルドを溶接することである。溶接接合に適合した表面を形成するために、ライナーの局部的な区域にかなりの量のニッケルが電気メッキされ、機械加工される必要がある。その後、マニホルドが閉じられたライナー上に溶接される。その後、複数の部片で構成される構造ジャケットがライナーとマニホルド構造の外側を囲んで組立てられ、その位置で溶接される。全ての溶接接合部は重要であり、検査が必要である。発見されたひび割れは再加工しなければならない。典型的な燃焼室は１００ケ所程度の重要な溶接部が必要である。この処理は非常にコストがかかり、時間を浪費する。この処理を使用するとき、完成された主燃焼室は製造に３年を必要とする。

別の主要な燃焼室製造方法は“プレートレット”ライナーの概念を利用している。この方法では、ライナー自体は幾つかの非常に薄いプレートの積層体で形成され、それは冷却流体スロットを形成するためにフォトケミカルエッチングされる。個々のプレートは積層されて一体とされ、結合されて閉じた冷却流体通路を有するライナーのフラットパネルセクションを形成する。このフラットパネルはその後、砂時計形状のライナーに形成される。メッキプロセスまたは結合プロセスは形成プロセスにおける不良の結合部によって接合部の故障を生じる可能性があり、その部品をスクラップにする原因となる。典型的に７個異常の個々のパネルが砂時計形状のライナーを形成するために必要である。個々のパネルは構造ジャケットの内部に設置される。縦方向の接合部が隣接する各パネル間で必要であるから、燃焼室の全長に沿ってパネル間の潜在的な高温ガスの漏洩を生じる位置が数か所存在する。また、全てのパネルは設置されると外部構造ジャケットに結合されなければならない。パネルを外部構造ジャケットに結合するために、推力室の形状に整合するように圧力バッグが製造される。この圧力バッグはそれを支持するバックアップ工具と共に推力室ライナーの内部に設置される。推力室と工具はメッキ炉中に置かれて圧力バッグ中で圧力を維持されながら高温にされ、それによりライナーがジャケットに緊密に接触するように加圧して閉じたライナーと構造ジャケットとの間の結合部を生成する。圧力バッグは１００％信頼性があるものではない。その理由はそれらは破壊あるいは漏洩を生じる可能性があり、それらは製作および燃焼室ライナーの複雑な幾何学的な形状に整合する薄いコンホーマル圧力バッグの正確な幾何学的形状を維持することが非常に困難であり、結合温度で必要な高い圧力を維持しなければならないからである。

特許文献１には“スライドイン”ポートライナーを使用するロケットエンジン燃焼室の製造方法が開示されている。この特許文献１の発明は、高性能のロケットエンジンの燃焼室を形成するために３つの基本的な部品を使用している。すなわち、（１）構造ジャケット、（２）単一部材の冷却流体ライナー、（３）複数のスロート支持セクションである。燃焼室の製造について以下のステップで説明する。ライナーは機械加工されて外側表面に冷却流体チヤンネルが形成される。スロート支持セクションが製作されて燃焼室ライナーのベンチュリ管形状によって生成された窪みの周囲に組立てられる。スロート支持セクションおよびライナーはその後構造ジャケット中にスライドされる。ライナーと構造ジャケットとの間の溶接または鑞付シール接合部が燃焼室の前後両端部に形成される。冷却流体マニホルドシステムに対する任意のアクセスポートがＨＩＰ結合サイクルに対して閉じられる。したがって、冷却流体通路およびスロート支持セクションと構造ジャケットとの間の空隙は外部環境に対して密封される。それから全体の構造体は炉中に配置される。炉は加圧され、その後接合温度に加熱される。接合プロセスを助けるために、真空により冷却流体通路およびスロート支持セクションの空隙から排気されてもよい。高温で、ジャケットの全外面ならびにライナーの内面に圧力が供給されて、ライナーは構造ジャケットとスロート支持セクションの形状に一致するように力を加えられ、その結果、全鑞付境界面で緊密な接触が得られる。圧力と温度により４つの部材の間の緊密な接触によって、結合接合部がライナーと構造ジャケットとの間に形成される。結合接合部はまた、ライナーとスロート支持セクションとの間、スロート支持セクションのそれぞれの間、スロート支持セクションと構造ジャケットとの間にも形成される。全ての結合接合部は、部品が緊密な接触を行うように加圧するために特別の工具を使用することなく、加圧された炉中で１工程で行われる。この方法は、従来大きい問題を生じていた複雑なワックス充填を使用する必要がなく、銀による研磨や電気メッキおよび機械加工等の工程を必要とすることなく冷却流体ライナーのチヤンネルを閉じることを可能にする。結合が完了したとかき、燃焼室の前後両端部に形成された密封接合部はもはや必要はなく組立て工程から除去されることができる。この方法は仕上げられた部品から全ての溶接を除去することができる。
米国特許第５，７０１，６７０号明細書（Ｆｉｓｈｅｒ他）

前述の特許文献１に記載された方法は過去のプロセスを改良する。その理由は、溶接部が存在せず、構造のメッキが存在せず、重要なライナーは冷却流体チヤンネルを形成するために必要な接合部なくす単一の部片から完全に製造されるからである。さらに、密封された縦方向、あるいはその他のどこにもライナー壁の高温ガス壁中に密封されるべき接合部が存在しない。この技術は単一部片から機械加工された一体のライナーを使用し、それは構造ジャケットから高温ガスを隔離し、冷却流体が高温ガス中に漏洩して構造ジャケットに対する冷却流体の不足を生じさせることを阻止するバリアを形成する。しかしながら、この方法は、結果的に得られる部品は関連する技術で前述した製造技術を使用するものよりも重くなる欠点を有している。工程の最後に重量を減少させる方法は存在しているけれども、そのような方法は全てリスクがあり、コストを増加させる。さらに、構造ジャケットはＨＩＰ鑞付プロセスに適合する必要があるために構造の効率が悪くなる可能性がある。最後に、このプロセスは構造ジャケットと緊密な接触するためにライナー中に高圧の冷却流体ガスを導入する必要がある。

本発明は、このような欠点のない低コストで重量の増加されないロケットエンジン燃焼室およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、多数の組立て工程を含むロケットエンジン燃焼室を製造する方法を含んでいる。その方法においては、まず、冷却流体ライナーが形成される。この冷却流体ライナーの外側表面上に複数の冷却流体の通路となるチヤンネルが形成される。２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションが形成される。冷却流体ライナーの外側表面を囲んで前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションが設置されて閉じた内側コンホーマルスロートの外側表面が形成される。内側コンホーマルスロート支持セクションは内側スロートシームラインにおいて接合される。閉じた内側コンホーマルスロート外側表面を囲んで２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションが組立てられて内部スロートシームラインを覆ってライナースロート支持構造が形成される。ライナースロート支持構造を囲んで入口マニホルドおよび出口マニホルドが組立てられてホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）構造が形成される。ＨＩＰ構造はホットアイソスタティックプレス処理によって形成される。ＨＩＰ処理中に構造ジャケットの必要をなくすことにより製造コストは最低にされる。内側および外側コンホーマルスロート支持体を使用する結果として重量が軽減される。

本発明のその他の目的、効果、および優れた特徴は、添付図面を参照にした以下の詳細な説明から明らかにされるであろう。
添付図面を参照にすると図１の（ａ）乃至（ｆ）は本願発明の好ましい組立て工程を示している。製造プロセスの第１の工程では、図１の（ａ）に示されているように、冷却流体ライナー10は機械加工されて冷却流体チヤンネル12がその外表面に形成される。冷却流体ライナー10は鋼鉄、銅、および、またはそれらの適当な合金で形成することができる。ＮＡＲｏｙ−Ｚ合金は現在本発明の出願人のボーイング社により、スペースシャトルおよびデルタIV燃焼室で使用されている。

この図で示されているように、２個の内側コンホーマルスロート支持セクション14，16が冷却流体ライナー10の外側表面の周囲に形成され組立てられている。内側コンホーマルスロート支持セクション14，16はドロップ鍛造および最終機械加工による等の低コストの製造プロセスによって形成されることが好ましい。

図１の（ｂ）を参照すると、内側コンホーマルスロート支持セクション14，16は内部スロートシームラインで接合され、この図１の（ｂ）ではその１つがシームライン18として示されている。スロート支持セクション14，16は、接合される表面に位置された鑞合金により鑞付動作中にシームラインで接合される。したがって結果的に得られる内側コンホーマルスロートの外側表面は閉じられる。

図１の（ｂ）に示されるように。外側コンホーマルスロート支持セクション20，22は内側スロートシームライン18をカバーするように内側コンホーマルスロート支持セクションの外側表面の周囲に組立てられる。（外側コンホーマルスロート支持セクション20，22は内側コンホーマルスロート支持セクション14，16と同じ材料で形成されることができる。）結果的に得られた構造はライナースロート支持構造である。外側コンホーマルスロート支持セクション20，22は内側コンホーマルスロート支持セクション14，16に対して９０度の角度で配置されている。それらは９０度離れて設置される必要はないが、内部スロートシームライン18が全体がカバーされることが重要である。結果的に得られた構造は外部スロート支持接合ラインに沿ってシールされたガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）鑞付であり、密閉された構造を形成している。

図１の（ｃ）および（ｄ）を参照すると、入口（すなわち後部）マニホルド24と出口（すなわち前部）マニホルド26とがライナースロート支持構造の周囲に組立てられる。マニホルド24，26はＧＴＡＷ鑞付処理によってライナースロート支持構造の周囲に適合する僅かな収縮適合を生成するように構成されることが好ましい。鑞付合金はマニホルドが収縮適合されるスロート支持セクションの周囲に周方向に沿って配置される。ＧＴＡＷ鑞付シールがマニホルドとスロート支持セクションとの間の接合点において形成され、マニホルドをライナーにシールする。結果的に得られた構造は図１の（ｅ）に全体を28で示されるようなホットアイソスタティック（熱平衡）プレス（ＨＩＰ）構造である。

鑞付合金の使用について要約すると、この鑞付合金は冷却流体ライナー10と内側コンホーマルスロート支持セクション14，16との間および内側コンホーマルスロート支持セクション14，16と外側コンホーマルスロート支持セクション20，22との間、および外側コンホーマルスロート支持セクション20，22と入口および出口マニホルド24，28との間に挿入されている。

ＨＩＰ構造28はＨＩＰされてＨＩＰ構造を形成する。組立てに先立って、冷却流体ライナー、内側および外側コンホーマルスロート支持セクション、および入口および出口マニホルドは湿潤材料で被覆されることが好ましい。（冷却流体ライナー上の隆起部は湿潤された部分である。）湿潤材料は例えば、表面上に付着された金またはニッケルである。ＨＩＰされたＨＩＰ構造は冷却流体ライナー10と、内側および外側コンホーマルスロート支持セクションと、入口および出口マニホルドとの間の密封接合部の形成を含み、周囲圧力とは異なる圧力を有する密封された空洞を生成する。密封構造はＨＩＰガスに対して閉鎖され、ＨＩＰ炉に関して構造に対する圧力等化手段は設けられない。その代りにアクチブな真空が圧力を減少させるために使用されて組立て中に吸収された材料を除去してもよい。

最後に、図１のｆに示されているように、構造ジャケット30はＨＩＰされた構造28の周囲に組立てられる。構造ジャケット30は、ＨＩＰされた構造28の周囲に例えば電子ビーム溶接されてもよい。その理由は、この構造ジャケット30はＨＩＰ後に付加され、ＨＩＰ組立中にＨＩＰ構造と競合する要求を有していないからである。構造ジャケットはロケットエンジン負荷を処理するためにのみ必要であり、ＨＩＰ中に発生される圧力がないためにこれは実質上重量を節約する。

図２を参照すると、完成されたロケットエンジン燃焼室の断面が全体を32で示されている。この図は本発明の処理が従来の技術の燃焼室の状態に比較して完全な燃焼室を生成することを示している。

明らかに、本発明の多くの変形変更が上述した技術において可能である。例えば、湿潤材料の使用について説明したが、別の製造方法では、表面は清浄に保持され酸化物が存在せず、したがって表面は拡散結合されることができる。

それ故、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において特に記載した以外の構成が実施できることを理解すべきである。

組立て工程における燃焼室の斜視図。 完成された燃焼室の断面図。

Claims (18)

1. ロケットエンジン燃焼室を製造する方法において、
   ａ）冷却流体ライナーを形成し、
   ｂ）冷却流体ライナーの外側表面上に複数の冷却流体のチヤンネルを形成し、
   ｃ）２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションを形成し、
   ｄ）前記冷却流体ライナーの外側表面を囲んで前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションを組立てて閉じた内側コンホーマルスロートを形成し、前記内側コンホーマルスロート支持セクションは内側スロートシームラインにおいて接合され、
   ｅ）前記閉じた内側コンホーマルスロートの外側表面を囲んで前記２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションを組立てて前記内部スロートシームラインを覆ってライナースロート支持構造を形成し、
   ｆ）前記ライナースロート支持構造を囲んで入口マニホルドおよび出口マニホルドを組立ててホットアイソスタティックプレス構造を形成し、
   ｇ）前記ホットアイソスタティックプレス構造をホットアイソスタティックプレス処理してホットアイソスタティックプレス処理された構造を形成するロケットエンジン燃焼室の製造方法。
2. 前記ホットアイソスタティックプレス構造をホットアイソスタティックプレス処理するステップは前記冷却流体ライナーと、前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションと、前記入口および出口マニホルド間のシール接合を形成して周囲圧力とは異なる圧力を有するシールされた空洞を生成する請求項１記載の方法。
3. 前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションを形成するステップにおいて、２個の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとを形成して組立てる請求項１記載の方法。
4. さらに、
   ａ）第１の湿潤材料により前記冷却流体ライナーを被覆し、
   ｂ）第２の湿潤材料により前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションを被覆し、
   ｃ）第３の湿潤材料により前記入口および出口マニホルドを被覆し、
   上記ステップａ，ｂ，ｃによって規定された前記被覆工程は前記ＨＩＰ構造をＨＩＰ処理する前に行われる請求項１記載の方法。
5. さらに、前記冷却流体ライナーと前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションとの間、および前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションの間、および前記外側コンホーマルスロート支持セクションと入口および出口マニホルドとの間、および前記冷却流体ライナーと入口および出口マニホルドとの間に鑞付合金を挿入するステップを有している請求項１記載の方法。
6. 前記冷却流体ライナーと前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションとの間に鑞付合金を挿入するステップをさらに有している請求項１記載の方法。
7. 前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションの間に鑞付合金を挿入するステップをさらに有している請求項１記載の方法。
8. 前記外部スロートセクションと入口および出口マニホルドとの間に鑞付合金を挿入するステップをさらに有している請求項１記載の方法。
9. 前記冷却流体ライナーと前記入口および出口マニホルドとの間に鑞付合金を挿入するステップをさらに有している請求項１記載の方法。
10. 前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションを形成するステップは、２個の内側コンホーマルスロート支持セクションと２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとを形成して組立てるステップを含み、それら２個の内側コンホーマルスロート支持セクションと２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとは互いに９０度の角度で組立てられる請求項１記載の方法。
11. 前記ホットアイソスタティックプレス構造をホットアイソスタティックプレス処理した後、前記ホットアイソスタティックプレス構造の周囲に構造ジャケットを組立てる工程をさらに含んでいる請求項１記載の方法。
12. 前記内側および外側コンホーマルスロート支持セクションはドロツプ鍛造によって形成される請求項１記載の方法。
13. ロケットエンジン燃焼室において、
    ａ）複数の冷却流体チヤンネルを形成された外側表面を有する冷却流体ライナーと、
    ｂ）前記冷却流体ライナーを囲んで組立てられ、内側スロートシームラインにおいて接合されて閉じた内側コンホーマルスロート外側表面を形成している２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションと、
    ｃ）前記内側スロートシームラインを覆うように前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションを囲んで組立てられている２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションと、
    ｄ）前記２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションを囲んで組立てられている入口マニホルドおよび出口マニホルドとを具備し、
    燃焼室はホットアイソスタティックプレスによって構成されているロケットエンジン燃焼室。
14. 前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションは、２個の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとから構成されている請求項１３記載のロケットエンジン燃焼室。
15. 前記２以上の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２以上の外側コンホーマルスロート支持セクションは、２個の内側コンホーマルスロート支持セクションおよび２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとから構成され、それら２個の内側コンホーマルスロート支持セクションと２個の外側コンホーマルスロート支持セクションとは互いに９０度の角度で配置されている請求項１３記載のロケットエンジン燃焼室。
16. 前記冷却流体ライナーはＮＡＲｌｏｙ合金で構成されている請求項１３記載のロケットエンジン燃焼室。
17. 前記冷却流体ライナーは銅ベースの合金で構成されている請求項１３記載のロケットエンジン燃焼室。
18. 前記冷却流体ライナーは鋼ベースの合金で構成されている請求項１３記載のロケットエンジン燃焼室。

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