JP2006046332A - 推進装置および推進力発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 推進力を発生させる改善された方法を提供する。
【解決手段】 推進力を発生させる推進装置（１０）は、燃焼室（１２）、燃焼室内の一対の電極（１８，２０）、燃焼室の起爆領域において高圧電界を形成するために各電極に接続された電源（１６）、および推進力を発生させるために好ましくは霧化した状態で推進剤を高圧電界に投入する噴射器（２６，３０）を有する。本発明の好適実施例では、推進剤は過酸化水素である。本発明の他の実施例では、推進力を増大させるために第２の推進剤が燃焼室に投入される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、乗物の推進力を発生させる推進装置に関し、特に、二次推進剤を利用しても利用しなくてもよい静電起爆または発熱分解による推進剤の爆轟を伴う推進装置に関する。

液体水素、液体酸素、および液体過酸化水素などの推進剤を使用するロケット推進剤は、何十年にもわたって使用されている。推進剤は、典型的には燃焼室内で混合され、点火されて推進力を発生する。自動点火性の装置では、燃焼室内で２つの推進剤を混合することで、電気的な点火を使用せずに推進力を発生させる。

このような装置があるにもかかわらず、より多くの推進力を発生する新しいロケット推進技術が求められている。

従って、本発明の目的は、推進力を発生させる改善された方法を提供することである。

本発明の他の目的は、乗物で使用される改善された推進装置を提供することである。

上述の目的は、本発明によって達成される。

本発明によると、推進力を発生する推進装置は、燃焼室と、この燃焼室の起爆領域において高圧電界を形成する手段と、推進力を発生させるために前記高圧電界に推進剤を投入する手段と、を含む。本発明の好適実施例では、推進剤は過酸化水素である。

さらに、本発明によると、推進力発生方法は、燃焼室を提供し、前記燃焼室の起爆領域内に高圧電界を形成し、この高圧電界内に推進剤を投入することで推進力を発生させることを含む。

本発明の効果的な爆轟推進の他の詳細およびこれに付随する他の目的や利点は、以下の実施形態および相当部には同一番号を付した添付図面に記載されている。

図１を参照すると、推進装置１０が示されている。推進装置１０は、燃焼室１２と燃焼室１２に連結されたノズル１４とを含む。燃焼室１２は、当該技術で周知の適切な燃焼室を含むことができる。同様に、ノズル１４は、当該技術で周知の適切なノズル構造を有しうる。例えば、図示のように、ノズル１４は末広のノズルとしてもよい。

推進装置１０は、さらに電源１６と一対の離間された電極１８，２０を含む。電源１６は、当該技術で周知の適切な電源を含むことができる。例えば、電源１６は、可変電位を発生させる可変電源であってもよい。電極１８，２０は、プレート電極またはグリッド電極とすることができ、当該技術で周知の導電性電極材料で形成可能である。所望であれば、各々の電極１８，２０は消耗する導電性材料から構成される消耗電極としてもよい。

さらに、推進装置１０は、第１の推進剤供給源２２と任意の第２の推進剤供給源２４とを含みうる。推進剤供給源２２は、液体過酸化水素などの好ましくは液体状の第１の推進剤を含みうる。推進剤供給源２２は、噴射器２６に投入される推進剤の霧化に使用されるとともに電極１８，２０の間の間隙に霧化された推進剤を拡散させる第１の噴射器２６に連結可能である。噴射器２６は、霧化された推進剤が推力の方向に対して平行に放出されるように燃焼室１２の中心軸２８に整列して設けられることが好ましい。噴射器２６は、推進剤を霧化する当該技術で周知の適切な噴射器を含みうる。推進剤の流れに圧力を加えるために、第１のタービン２７を設けることができる。第１のタービン２７は、当該技術で周知の適切なタービンとすることができ、当該技術で周知の適切な方法で供給源２２に接続可能である。

任意の第２の推進剤供給源２４は、第２の推進剤を霧化するとともに燃焼室１２に第２の推進剤を放出するために使用される任意の第２の噴射器に連結することができる。第２の噴射器３０は、中心軸２８に対して実質的に垂直な方向に霧化した推進剤を放出するように整列されている。上述のように、噴射器３０は、推進剤を霧化する当該技術で周知の適切な噴射器を含みうる。第２のタービン２７’を使用して、第２の推進剤の流れに圧力を加えることができる。タービン２７’も、当該技術で周知の適切なタービンを含むことができ、当該技術で周知の適切な方法で第２の推進剤供給源２４に接続可能である。

所望であれば、供給源２２，２４と噴射器２６，３０の間の管路４０，４２にバルブ（図示省略）を組み込むことができる。これらのバルブは、供給源２２，２４から噴射器２６，３０への推進剤の流れを調節するために使用可能であり、このような調節にはパルシングも含まれる。

燃焼室１２内には誘電媒体が含まれる。この誘電媒体は、空気、真空、または他の適切な誘電媒体とすることができる。

動作時には、電源１６の起動によって、離間された荷電電極１８，２０の間で高圧電界、好ましくは２０〜５０ｋｖの電界が誘電媒体にわたって形成される。好ましくは、電圧レベルは、ほぼ７５ｋｖ／インチの電位が発生する程度である。荷電電界は、初めに分解電位限界の下に維持される。この状態が得られると、第１の供給源２２の推進剤などの異なる誘電性を有する他の媒体が電極１８，２０の間の間隙に投入されることで局部的な電界強度が増大して分解限界を超え、投入された媒体（推進剤）の周囲および電極１８，２０の面３４，３６においてエネルギ放出分布が生じる。

供給源２２からの推進剤は噴射器２６で霧化され、霧化された状態で間隙３２に投入される。推進剤の霧化は、高い表面積対体積比を生じさせる。霧化された推進剤の電界への投入は、ほぼ瞬間的にプラズマ放出を生じさせ、このプラズマ放出によって燃焼室１２を通って高速でかつ一部音速を超えて流れるとともに、プラズマ放出がノズル１４に向かって燃焼室１２を下方に移動するのに従って圧力を増大させる伝搬波が発生する。これらは全て推進力すなわち推力Ｔを生じさせる。

必要であれば、電源１６によって電極に加えられる電位は、要求されるエネルギ放出および電極１８，２０が消耗電極であればこれらとの相互作用を引き起こすように調節される。上述したように、電源１６は、電位が調節可能である可変電源とすることができる。第１の供給源２２からの推進剤の電圧印加は、推進剤の相変化および／または推進剤の爆轟／爆燃を生じさせる。消耗電極が使用される場合には、燃焼生成物または分解生成物と気化した電極成分との二次反応によって追加のエネルギ放出が生じる。

上述したように、起爆領域すなわち間隙３２の下流において、霧化された状態の第２の推進剤を燃焼室１２に投入することができる。第２の推進剤は、第１の推進剤と異なることが好ましい。例えば、第１の推進剤は液体過酸化水素とし、第２の推進剤は液体エタノールとしてもよい。第２の推進剤を使用するとともに噴射器３０を介して伝搬波の前方の放出通路内に第２の推進剤を噴射することにより、伝搬波が通過すると追加の燃焼が起こる。この追加の燃焼は、波面に続く高圧領域において生じる。これにより、燃焼室１２内の圧力がさらに高まって推力および効率が増大する。

推進剤の組合せによって、各々の組合せの特有の反応を最適化するために、推進剤を同時に、直接または起爆領域の電極に埋め込むか組み込むことができる。推進剤の反応速度は、排気速度および性能を決定する。液体過酸化水素の分解は、超音速の衝撃を発生させることができる点で有利である。

図示されていないが、燃焼室１２は、特有の効果を達成するように形状づけられた室とすることができる。また、出口ノズル１４は、所望であれば拡散排気部としてもよい。さらに、能力を最適化するために装置に反射衝撃通路を組み込むこともできる。

本発明の推進装置は、種々の乗物の推進に利用可能である。例えば、この推進装置は、宇宙船の軌道推進力を発生するために利用できる。また、火星などに行く乗物などの長距離宇宙船の推進力を発生するために利用できる。第１の推進剤が過酸化水素であり、第２の推進剤がエタノールであると説明したが、所望であれば他の推進剤の組合せを使用することもできる。また、所望であれば、第１および第２の推進剤は同じ推進剤であってもよい。これは、推進剤供給源２２，２４の一方をなくすことができる、すなわち軽量化の可能性という利点を有する。

所望であれば、図２に示すように、推進剤の流れに圧力を加えるために使用されるタービン２７によって発電機５０を駆動することで、推進装置に電磁装置を組み込むことができる。

本発明の推進装置は、複雑なターボ機械や補助装置の使用を必要としない点でさらに有利である。必要なのは、単純な独立した液体噴射器だけである。

本発明によって、上述の目的、手段、および利点を完全に満たす効果的な爆轟推進装置が提供されたことは明らかである。本発明を特定の実施例に関して説明したが、当業者には上述の説明から他の代替物、改良、および変更が明らかとなる。よって、本発明は、請求項の広い範囲に含まれるこれらの代替物、改良、および変更を含むものである。

本発明に係る静電爆轟推進装置の説明図である。 図１の装置で使用されるタービンに連結された発電機の説明図である。

符号の説明

１０…推進装置
１２…燃焼室
１４…ノズル
１６…電源
１８，２０…電極
２２…第１の推進剤供給源
２４…第２の推進剤供給源
２６，３０…噴射器
２７…第１のタービン
２７’…第２のタービン
２８…中心軸
３２…間隙
３４，３６…電極の面
４０，４２…管路

Claims (22)

1. 乗物で使用される推進装置であって、
   燃焼室と、
   前記燃焼室内の起爆領域において高圧電界を形成する高圧電界形成手段と、
   推進力を発生させるために前記高圧電界に推進剤を投入する推進剤投入手段と、を有することを特徴とする推進装置。
2. 前記高圧電界形成手段は、一対の離間された電極と、これらの電極に電気的に接続された電源と、を含むことを特徴とする請求項１記載の推進装置。
3. 前記電極は、プレート電極を含むことを特徴とする請求項２記載の推進装置。
4. 前記電極は、グリッド電極を含むことを特徴とする請求項２記載の推進装置。
5. 前記電極は、推進力を高めるための消耗電極を含むことを特徴とする請求項２記載の推進装置。
6. 前記電源は、可変電源であることを特徴とする請求項２記載の推進装置。
7. 前記推進剤投入手段は、第１の推進剤供給源と、この第１の推進剤供給源と流体的に連通した第１の噴射器と、を含み、第１の噴射器は、第１の推進剤を霧化してこの霧化された第１の推進剤を前記起爆領域に放出することを特徴とする請求項１記載の推進装置。
8. 前記推進剤投入手段は、第２の推進剤供給源と、この第２の推進剤供給源と流体的に連通した第２の噴射器と、を含み、第２の噴射器は、第２の推進剤を霧化してこの霧化された第２の推進剤を前記燃焼室内に放出することを特徴とする請求項７記載の推進装置。
9. 第１の推進剤は第２の推進剤と異なることを特徴とする請求項８記載の推進装置。
10. 第１の推進剤は、過酸化水素推進剤であり、第２の推進剤は、エタノール推進剤であることを特徴とする請求項９記載の推進装置。
11. 第１の噴射器は、第１の軸に沿って方向づけられており、第２の噴射器は、第１の軸に垂直な第２の軸に沿って方向づけられていることを特徴とする請求項８記載の推進装置。
12. 第２の噴射器は、前記起爆領域の下流の位置において霧化された第２の推進剤を前記燃焼室内に放出することを特徴とする請求項８記載の推進装置。
13. 燃焼室を提供し、
    前記燃焼室の起爆領域内に高圧電界を形成し、
    前記起爆領域内に推進剤を投入して推進力を発生させることを含むことを特徴とする推進力発生方法。
14. 高圧電界の形成は、前記燃焼室内に一対の離間された電極を提供するとともに、これらの電極に電源を接続して該電源によって前記電極に電位を与えることを特徴とする請求項１３記載の推進力発生方法。
15. 電極の提供は、一対のプレート電極を提供することを含むことを特徴とする請求項１４記載の推進力発生方法。
16. 電極の提供は、一対のグリッド電極を提供することを含むことを特徴とする請求項１４記載の推進力発生方法。
17. 電極の提供は、発生する推進力を増大させるために一対の消耗電極を提供することを含むことを特徴とする請求項１４記載の推進力発生方法。
18. 推進剤の投入は、前記燃焼室内の圧力を増大させて推進力を発生させるために、第１の推進剤を含む第１の供給源と、第１の推進剤を霧化するとともに霧化された状態の第１の推進剤を前記起爆領域に投入してプラズマ放出を生じさせる第１の噴射器と、を提供することを含むことを特徴とする請求項１３記載の推進力発生方法。
19. 推進剤の投入は、第２の推進剤を含む第２の供給源と、第２の推進剤を霧化するとともに霧化された状態の第２の推進剤を前記燃焼室に投入する第２の噴射機と、を提供することを含むことを特徴とする請求項１８記載の推進力発生方法。
20. 第１の推進剤の投入は、前記起爆領域に過酸化水素を投入することを含み、第２の推進剤の投入は、前記燃焼室にエタノールを投入することを含むことを特徴とする請求項１９記載の推進力発生方法。
21. 第１の推進剤の投入は、第１の軸に沿って第１の推進剤を投入することを含み、第２の推進剤の投入は、第１の軸に垂直な第２の軸に沿って第２の推進剤を投入することを含むことを特徴とする請求項１９記載の推進力発生方法。
22. 第２の推進剤の投入は、前記起爆領域の下流で第２の推進剤を投入することを含むことを特徴とする請求項２２記載の推進力発生方法。

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