JP2006508296A - 燃焼室の後方端壁とロケットエンジンのノズルとの間の接続体 - Google Patents

Abstract

燃焼室の後方の端壁（１４）とロケットエンジンのノズル（２０）との間の接続体は、断熱層（４０）に加えて、少なくとも軸方向において前記ノズルを端壁に接続させる機械的な接続手段（５０）と、端壁とノズルとの隣接して互いに向き合う面によって形成されたインターフェース（３０）内に配置された少なくとも１つの密閉ガスケット（３２，３４）とを有している。断熱層（４０）は、インターフェース内で燃焼室の長軸（Ａ）の周りに巻かれたコード（４２；４２_１，４２_２）を形成している少なくとも１つの耐熱性の繊維織物を有し、コードは、断熱層（４０）の周方向の連続性を確実にするように形成されている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、一般的に個体推進剤ロケットエンジンに関し、更に詳細には燃焼室の後方端壁とノズルとの間の接続体の形成に関する。

このような接続体は、端壁とノズルとの間に、少なくとも軸方向における機械的なアセンブリを有している。この接続体は，端壁とノズルとの隣接して互いに面する面間に形成されたインターフェースまたは結合部に、燃焼ガスに抗する密閉部を与える。

機械的な接続体は、一般に、ねじによって果たされる。このタイプの接続体は、その価値が証明されているが、ねじを硬く締めるおよび止める間に従わなくてはならない長くて制限的な手続きを必要とする。また、ねじの数は、非常に多くなる可能性があり、例えば約１００本もの数になる。

密閉は、一般に、少なくとも１つ、一般的には２つのＯ−リングによって果たされる。第１のＯ−リングと第２のＯ−リングとは、インターフェース内に並んで配置される。

密閉ガスケットは、伝統的に、燃焼室内の燃焼ガスの温度に対して永続的に損傷なしでは耐え得ないエラストマー材料で形成されている。従って、断熱層がまた、第１のガスケットと接触する前に、インターフェース中に侵入しようとする燃焼ガスを冷却するために、燃焼室の内部に近いインターフェースの端部と保護されるガスケットとの間でインターフェース内に組み込まれている。

従来技術では、断熱層は、グリースの層によって一般に構成されている。しかしながら、所定の環境では、このグリースの層により、非常に高温であるときには十分な燃焼ガスが通され得て、第１のガスケットまで到達することが分かっている。

本発明の１つの目的は、より効果的な断熱層を提案することによってこの欠点を改善することである。

この目的は、断熱層に加えて、少なくとも軸方向においてノズルを端壁に接続させる機械的な接続手段と、端壁とノズルとの隣接する互いに面する面によって形成されたインターフェース内に配置された少なくとも１つの密閉ガスケットとを有するタイプの、燃焼室の後方端壁とロケットエンジンのノズルとの間の接続体によって果たされる。この接続体では、本発明に関われば、断熱層が、インターフェース内で燃焼室の長軸の周りに巻かれたコードを形成する少なくとも１つの耐熱性繊維布を有している。コードは、断熱層の周方向の連続性を確実にするように形成されている。

耐熱性繊維、例えば炭素繊維並びに／もしくはセラミックなどで形成されたこのコードの使用により、燃焼ガスの温度で断熱層によい能力を与える。

コードは、ひも、または、織られた布の層などの積層された２次元の繊維層の形状にされてもよい。繊維布（ひもまたは層）と、これがインターフェース内でどこまで圧縮されるかとが、断熱層のガスに対する浸透性を決定する。これは、繊維布がガスからの熱を奪って周りの壁に移すことによってガスが十分に冷却されるように、ガスが断熱層を通過するのに十分な時間がかかることを確実にする。

効果的には、断熱層の効果は、インターフェースに侵入しようとする燃焼ガスの通路にバッフルを形成するインターフェースの一部分にコードを配置させることによって補強される。このようなバッフルは、燃焼ガスが進む通路を長くし、断熱層が直接に燃焼室からの放射線に晒されるのを防ぐ。

断熱層の周方向の連続性は、様々の方法で確実にされ得る。かくして、特別な実施形態では、断熱層は、少なくとも２つの異なるコードを有し、これらのコードの一方の両端部は、燃焼室の軸の周りで角度付けされた位置をとり、この角度付けされた位置は、他方のコードの両端部によって取られる位置とは異なっている。更なる実施形態では、断熱層は、インターフェースの円周を超えてらせん状に巻かれた少なくとも１つのコードを有している。１つ以上の近付けられた連続的なコードがまた、考えられ得る。

１実施形態では、断熱層が、燃焼室の内部側に位置するインターフェースの端部と１つ以上の密閉ガスケットとの間で端壁とノズルに挟まれる形で、インターフェース内に配置されている。

他の実施形態では、断熱層がインターフェース内、特にバッフルを形成するインターフェースの一部分内で圧縮された繊維布の形態である時には特に、断熱層がまた、密閉ガスケットを形成することができる。

本発明の更なる態様に関われば、機械的な接続手段は、端壁の外面の傍に形成された溝部内に部分的に受けられこの溝部内に保持された少なくとも１つの環状軸方向ロック部を有し、また、これを支持するノズルの端面を備えている。

このような機械的な接続手段は、従来技術のようなねじの使用と比べると、主要な単純化を果たしている。

１実施形態では、軸方向のロック部は、弾性的に変形されることによって取着もしくは取外しされ得るスリットが形成された環状部である。

本発明は、非制限的な表示を利用しかつ添付図面を参照してなされた以下の説明を読むと、よりよく理解されるだろう。

最初に、固体推進剤ロケットエンジンの後部の構成を示す略図である図１を参照する。

ロケットエンジンは、燃焼室１０を有し、この燃焼室は、燃焼室後方の後方端壁１４で終端するケース１２によって形成されている。

ノズル２０は、端壁１４に接続されている。示されている実施形態では、このノズルは、燃焼室の長軸Ａに対して枢動することによって操舵可能である。このために、集中部２０ａ、のど部２０ｂ、および分岐部２０ｃによって形成されたアセンブリが、球状のヒンジ当接部２４によって、環状支持部、即ち、スタブ２２に設けられている。例えば、当接部２４は、積層タイプであり、交互にされて互いに接着された剛性金属層とエラストマー層とによって構成された球状層の積層物を有している。当接部２４は、膜２６によって燃焼室の内部から隔離されている。作動手段、例えば作動シリンダ（図示されず）が、ケース１２に設けられ、分岐部の外側の活性化（actuation）リングに作用し、ノズルの軸とかくして燃焼ガスが排出される方向とが、軸Ａに対して所望の方向を与えられるようにする。

スタブ２２は、ケース１２に対して固定されており、後方端壁１４に接続されている。機械的な接続手段（図１には示されず）が、スタブ２２を端壁１４に軸方向で接続している。端壁１４とスタブ２２とは、スタブ２２と端壁１４との互いに面する面によって形成され燃焼室の内側と外側との間でほぼ軸方向に延びたインターフェース、即ち、結合体３０に沿って、共に組立てられている。インターフェース３０には、断熱層によって保護された密閉ガスケットが設けられている（図１には示されず）。

簡単に上述されたようなロケットエンジンの後方部の構成は、よく知られている。本発明の応用分野は、当然ながら、操舵可能なノズルを備えたロケットエンジンに制限されず、固定されたノズルを備えたロケットエンジンをも範囲に含む。

図１の実施形態によって示された種類のロケットエンジン内の後方端壁１４とノズルスタブ２２との間の本発明に係わる接続体の１実施形態が、図２に更に詳しく示されている。

この実施形態では、端壁１４は、例えば金属で形成された外壁１４ａを有し、この外壁の内部に、例えばエラストマーで形成されそれ自体が公知の断熱部１４ｂが設けられている。同様に、ノズルスタブ２２は、端壁の外壁１４ａに対応し、それを延長させるように例えば金属で形成された外壁２２ａと、例えばエラストマーで形成されて端壁の断熱部１４ｂを延長させる内部の断熱部２２ｂとを有している。

インターフェース３０は、軸方向（即ち子午線）の部分で直線的な外形を有しており、インターフェース３０に隣接するスタブ２２の表面は、燃焼室内部側に位置するインターフェースの端部からこのインターフェース３０に沿って減少しないように変化する直径を有している。

この実施形態では、１つの密閉ガスケット、または好ましくは、安全上の理由で第１のガスケット３２および第２のガスケット３４から夫々に構成される少なくとも２つの密閉ガスケットが、インターフェース内に並んで配置されている。各ガスケット３２、３４は、エラストマー材料のＯ-リングによって形成されている。各ガスケットは、端壁１４とスタブ２２との互いに面する面の一方および示されている実施形態ではスタブ２２内に形成されたそれぞれの環状溝部３６，３８内に収容されている。また、各ガスケットは、他方の表面に押圧されることによって圧迫されている。ガスケット３２，３４は、燃焼室内部側に位置するインターフェース３０の端部から離間されており、好ましくは、金属の壁１４ａおよび２２ａに隣接するインターフェース３０の一部分内に配置されている。

断熱層４０が、インターフェース３０内で、燃焼室の内部側に位置するその端部とガスケット３２，３４との間に配置されている。一例として、断熱層４０は、断熱部１４ｂおよび２２ｂの間に位置するインターフェース３０の一部分に位置されているが、この断熱層は、燃焼ガスによって断熱部１４ｂおよび２２ｂが侵食される間に早期に破壊されないために、インターフェースの内側端部から有益に離間され得る。かくして、断熱層は、金属壁１４ａ,２２ａの近くに位置している。この断熱層は、これらの金属壁１４ａと金属壁２２ａとの間に位置するインターフェース３０の一部分内に受けられてもよい。

示されている実施形態では、断熱層４０は、端壁１４およびスタブ２２の互いに面する面内に形成されたセットバック１４ｃとセットバック２２ｃとの間で巻かれた例えば炭素繊維などの耐熱性繊維のコード４２を有している。

コード４２は、軸方向における断熱層の連続性がコードの端部によって中断されないように確実にするために、軸Ａの周りに１周以上にわたって巻かれている。コード４２は、例えば図３に示されているように約２周にわたって巻かれている。この図では、連続的なコード４２が、２つの隣接する円形の巻回部を形成している。これら２つの巻回部を相互接続する部分４２ｃが、コードの端部４２ａと端部４２ｂとの間に渡っている。端部４２ａと端部４２ｂとは、部分４２ｃと前記端部との間に残る周方向の間隙を最小にするように成形されている。

一例をあげると、コード４２は、図４に示されているように編んだ炭素繊維によって構成されている。

セットバック１４ｃとセットバック２２ｃとは、コード４２を圧迫しながらコード４２用のハウジングを与えるように形成されており、かくして、そのガス浸透性を減じている。更に、セットバック１４ｃ，２２ｃは、断熱層が配置されるインターフェース３０の一部分にバッフル形状を与えている。コード４２の浸透性を制限することに関連したこのバッフル形状は、燃焼ガスが燃焼室から断熱層を通ってインターフェース３０中へ素早く浸透するのを防ぐ。断熱層をどうにか通過したガスは、第１のガスケット３２に到達する前に、端壁１４とスタブ２２との互いに面する面と接触することによって十分に冷却され得る。それでもなお、幾らかの燃焼ガスが断熱層を通過することが、第１のガスケットが圧力に晒されることを確実にし、かくして、このガスケットが有効であることを確実にする。

コード４２を囲むセットバック１４ｃ、２２ｃの壁部が放射状であることに注意すべきである。これらは、円錐状でもよい。

断熱層のコードを作るために、ひも以外の繊維構造体が使用されてもよい。

かくして、図５は、例えば炭素織物のストリップなどの２次元繊維布のストリップによってそれぞれ構成された積層の繊維層で形成されたコード４２’を示している。積層の層は、コードに対して縦方向に折り重ねられ、コードにＵ字形状を与えている。Ｕ字の開いた側が、燃焼室の内部側に位置するインターフェースの端部に面するように、インターフェース３０内に配置されている。従って、コード４２’と接触するようになった燃焼ガスは、コードの長手方向のエッジを、インターフェース３０を形成している互いに面する面に対して押圧する傾向がある。

コード４２を炭素繊維から形成することが予想されるが、例えばセラミック繊維などの他の耐熱性繊維もまた使用可能である。

コード４２が端壁１４またはスタブ２２に取着されるとき、並びに、これらの２つの部分の間で圧迫される前に、コードは、例えばグリースの層または接着剤の局所的な滴を介在させることによって所定位置に保持され得る。

端壁１４とノズルスタブ２２との間の機械的な接続は、従来の方法でねじを用いて果たされ得る。しかしながら、示されている実施形態では、この接続は、より単純にロック片５０を用いて果たされている（図２）。

ロック片５０は、Ｌ字形を有し、その一方の腕部５０ａが端壁の表面１４ｄに形成された溝部５２内に部分的に受けられてインターフェース３０を形成する外側エッジから延びている、スリットが形成された金属リングの形態である。

ノズルスタブ２２は、溝部５２から突出した腕部５０ａの一部分を押圧する放射状の端面２２ｄを有している。ロック片５０の他方の腕部５０ｂは、スタブ２２によって腕部５０ａにかけられた力を補正するように、表面１４ｄを押圧する。

ロック片５０は、周方向に弾性的に変形されることによって、取着もしくは取外しされ得る。

ノズルスタブ２２は、インターフェース３０の片側のスタブ２２と端壁１４との表面間の局所的な非軸方向の軸受面と共同するロック片５０によって、端壁１４に対して軸方向に動くことを妨げられている。

図６は、図２の断熱層４０の異なる実施形態を示している。この変形例では、耐熱性の繊維コード４２が、端壁１４とスタブ２２との互いに面する面に形成された２つのらせん形セットバック１４ｅ、２２ｅ間にらせん状に巻かれている。コード４２は、軸方向における断熱層の連続性がコードの端部によって中断されないように確実にするために、１周以上にわたって軸Ａの周りに巻かれている。

図７は、図２の他の異なる実施形態の断熱層４０を示している。この変形例では、例えばＶ字の部分を有する螺旋形状の溝部２２ｆが、インターフェースに隣接するノズルスタブ２２の表面の、放射状のセットバック２２ｇ内に形成されている。

コード４２は、溝部２２ｆ内で軸Ａの周りに巻かれており、壁部と、セットバック２２ｇに対応しインターフェース３０に面する端壁１４の表面の放射状のセットバック１４ｇとの間にクランプされている。

セットバック１４ｇと２２ｇとは、断熱層が配置されているインターフェース３０にバッフル構成を与えている。

図８は、図２の断熱層４０の他の異なる実施形態を示している。例えばＶ字の部分を有するらせん形の溝部２２ｈは、インターフェース３０に隣接するノズルスタブ２２の軸方向の表面２２ｉの一部分に形成されている。コード４２は、溝部２２ｈ内で軸Ａの周りに巻かれ、その壁部と、インターフェース３０に隣接する端壁１４の表面の軸方向の壁部１４ｉとの間にクランプされている。図８は、断熱層を受けるためのインターフェース３０のためのバッフル構成を示していない。それにも関わらず、このようなバッフルは、コード４２の位置のすぐ近くに、端壁１４とスタブ２２との互いに面する面の壁部内にセットバックを形成することによって、作られ得る。

図９は、図２の断熱層４０の更なる他の実施形態を示している。

この変形例では、断熱層は、インターフェース３０内に並んで互いの近くに配置された２つの円形コード４２_１、４２_２を有している。

コード４２_１は、接続体内の、インターフェース３０に隣接するノズルスタブ２２の表面の軸方向の部分２２ｊと同じ表面の放射状セットバック２２ｋとの間に受けられている。このコードは、表面２２ｊと表面２２ｋとの間にクランプされており、端壁１４の表面の円錐状の壁部１４ｋは、インターフェース３０に隣接している。

コード４２_２は、インターフェース３０に隣接するノズルスタブ２２の表面の軸方向部分に形成され例えばＶ字の部分を有する溝部２２ｌ内で、巻かれている。このコードは、溝部２２の壁と、インターフェース３０に隣接する端壁１４の表面の軸方向の壁部１４ｌとの間に間にクランプされている。

コード４２_１とコード４２_２との各々は、軸Ｘの周りに完全な巻回部を形成している。コード４２_１の両端部は、軸方向における断熱層の連続性を保持するように、コード４２_２の両端部に対して角度を付けてオフセットされている。

当然ながら、１つ以上のコードが放射状、軸方向、または円錐状の壁部の間にクランプされるように配置することによって、上述された実施形態以外にも多くの変形例が考え出され得る。例えば、螺旋状のコードを１つ以上の円形のコードと結合させることも可能である。

更に、断熱層がまた密閉ガスケットとしても作用することができ、よって、第１の密閉ガスケット３２、または、密閉ガスケット３２，３４の両方さえもが、省略可能であることに気が付くべきである。これが特にあてはまるのは、断熱層が、１周以上にわたって巻かれインターフェース３０内に押圧された圧縮性の繊維布によって構成されたコードであり、また、このコードが、インターフェース３０のバッフル内に形成された１つ以上のハウジング内に配置されているときである。

図１０は、端壁１４とノズルスタブ２２との間の機械的な接続体の他の実施形態を示している。この実施形態と図２の実施形態との両方で共通の部材には、同じ参照符号が与えられている。

この変形例では、リングセクタの形態の複数のロック片が、使用されている。各片５０’は、図２の片５０と類似したＬ字形の外形を有しており、その一方の腕部５０’ａが、端壁１４の表面１４ｄに形成された溝部５２内に部分的に受けられ、他方の腕部５０’ｂが、その内側支持面によって表面１４ｄを支持している。

ノズルスタブ２２は、片５０’の腕部５０’ａを支持している。

各片５０’は、１８０°を超えない角度にわたって延び、それ自体はねじ５６によってノズルスタブ２２に固定され腕部５０’ｂの外面を支持するリングクランプ５４によって、所定の位置に保持されている。

ロケットエンジンの後部の非常に単純にされた軸方向の半断面を示す。 燃焼室の後方の端壁と例えば図１に示されたエンジンのようなロケットエンジンのノズルとの間の本発明に係わる第１の実施形態の接続体を示す拡大図である。 図２の接続体内の断熱層を形成するコードのねじれの１例を示す詳細図である。 図２の接続体内の断熱層を形成するコードの実施形態の詳細図を示す。 図２の接続体内の断熱層を形成するコードの実施形態の詳細図を示す。 断熱層の異なる実施形態を示している図２に類似した図である。 断熱層の異なる実施形態を示している図２に類似した図である。 断熱層の異なる実施形態を示している図２に類似した図である。 断熱層の異なる実施形態を示している図２に類似した図である。 端壁とノズルとの間の機械的な接続体の他の実施形態を示している図６に類似した図である。

Claims (17)

1. 燃焼室の後方の端壁（１４）とロケットエンジンのノズル（２０）との間の接続体であって、断熱層（４０）に加えて、少なくとも軸方向において前記ノズルを前記端壁に接続させる機械的な接続手段と、前記端壁とノズルとの隣接して互いに向き合う面によって形成されたインターフェース（３０）内に配置された少なくとも１つの密閉ガスケット（３２，３４）とを具備する接続体において、
   前記断熱層（４０）は、前記インターフェース内で燃焼室の長軸（Ａ）の周りに巻かれたコード（４２；４２_１，４２_２）を形成している少なくとも１つの耐熱性の繊維織物を有し、前記コードは、断熱層（４０）の周方向の連続性を確実にするように形成されていることを特徴とする接続体。
2. 前記コード（４２；４２_１，４２_２）は、インターフェース中に侵入する燃焼ガスの通路にバッフルを形成するように、インターフェース（３０）の一部分内に配置されていることを特徴とする請求項１の接続体。
3. 前記コード（４２；４２_１，４２_２）は、炭素繊維とセラミック繊維とから選択された繊維で形成されていることを特徴とする請求項１もしくは２の接続体。
4. 前記コード（４２；４２_１，４２_２）は、ひもによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の接続体。
5. 前記コード（４２’）は、重ねられた２次元の繊維の複数層によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１の接続体。
6. 前記重ねられた複数層は、この複数層にＵ字形状の外形を与えるように、コード（４２’）に対してその半分の長さにわたって折り重ねられており、Ｕ字形状の開いた側が、燃焼室の内部側に位置するインターフェース（３０）の端部に面していることを特徴とする請求項５の接続体。
7. 前記断熱層（４０）は、少なくとも２つの異なるコードを有し、これらコードの一方の両端部は、燃焼室の軸に対して角度付けされた位置を取っており、これら位置は、他方のコードの両端部が取る所定の位置とは異なっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１の接続体。
8. 前記断熱層（４０）は、螺旋状に巻かれてインターフェースの外周を超えて延びている少なくとも１つのコード（４２）を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１の接続体。
9. 前記コード（４２；４２_１，４２_２）は、前記インターフェースを形成する表面の互いに面する部分の間にクランプされていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１の接続体。
10. 前記コードを固定している面の部分は、放射状であることを特徴とする請求項９の接続体。
11. 前記コードを固定している面の部分は、軸方向に延びていることを特徴とする請求項９の接続体。
12. 前記コードを固定している面の部分は、円錐状であることを特徴とする請求項９の接続体。
13. 前記断熱層（４０）は、燃焼室の内部側に位置するインターフェースの端部と密閉ガスケットとの間で、インターフェース（３０）内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１の接続体。
14. 前記断熱層（４０）はまた、密閉ガスケットを構成していることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１の接続体。
15. 前記機械的な接続手段は、前記端壁の外面に形成された溝部（５２）内に部分的に受けられてこの溝部内に保持されている少なくとも１つの環状で軸方向のロック片（５０）と、端壁を支持するノズル（２０）の端面（２２ｄ）とを有していることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１の接続体。
16. 前記軸方向のロック片（５０）は、弾性変形によって取着および取外しされ得るスリットが形成された環状部であることを特徴とする請求項１５の接続体。
17. 前記機械的な接続手段は、リングクランプ（５４）によって所定位置に保持された複数のセクタ（５０’）から構成されたリングを有していることを特徴とする請求項１５の接続体。

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