JP2008202542A - 燃焼器及びロケットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室壁面との熱伝達性能を向上させることができる燃焼器及びロケットエンジンを提供する。
【解決手段】内部で酸化剤と燃料とが混合して燃焼可能であると共に壁面３２に設けられた冷却通路を通過する燃焼前の燃料により冷却可能である燃焼室３と、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段５とを備えることを特徴とするので、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる燃焼器及びロケットエンジンを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器及びロケットエンジンに関し、特に、酸化剤と燃料とを混合し燃焼させることによって推力を得るロケットに適用されて好適な燃焼器及びロケットエンジンに関するものである。

従来のロケットエンジンに搭載されるロケット用燃焼器は、多数の噴射器（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ） 、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔ ｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）、ノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）等から構成され、推進剤である燃料の化学反応によるエネルギーを排気運動に変換することで推力を得るものである。すなわち、噴射器から燃料（例えば水素ガス：ＧＨ₂）と酸化剤（例えば液体酸素：ＬＯｘ） が燃焼室に噴射注入され、着火された後、燃焼室内部で発生した燃焼ガスがノズルにより絞られ、燃焼ガス排出方向 へ排出され推力を生じる。

このような燃焼器では、酸化剤と燃料とが燃焼する燃焼室において多大な熱負荷が発生することから、燃焼室の壁面が溶融、損傷することを防止するため、この壁面を効率的に冷却する必要がある。このため、従来の燃焼器では、例えば、特許文献１に記載されたロケットエンジンのように、燃焼室にて燃焼される前の低温の燃料を冷却材として用い、この燃料が該壁面内の冷却通路を通過することで、燃料により壁面を冷却するものがある。

特表２００４−５１８０６１号公報

ところで、このような燃焼器を備えるロケットエンジンとして、例えば、燃焼室壁面を冷却することでエネルギーを得た燃料を、酸化剤及び燃料を加圧、圧送する各ターボポンプの駆動媒体としても用いる、いわゆるエキスパンダーブリードサイクル方式のロケットエンジンがある。このエキスパンダーブリードサイクル方式のロケットエンジンでは、燃焼室壁面を冷却して温度が上昇し気化した燃料は、各ターボポンプのタービンに導入され、各ターボポンプのコンプレッサの駆動媒体として用いられ、その後、その一部がノズル内に廃棄される一方、残りの燃料は燃焼室に戻って燃焼される。

このようなエキスパンダーブリードサイクル方式のロケットエンジンでは、壁面冷却後の燃料により各タービンを効率よく駆動させるには、燃料が所定温度以上に温度上昇する必要がある。特に、エンジンの推力をより向上させる場合、燃料の供給量を増加させる必要があり、よって、燃料を加圧、圧送するターボポンプのコンプレッサの駆動をより速くする必要がある。このため、この燃料は、燃焼室壁面を冷却する際に、エンジンの推力に応じた所定以上の熱量吸収が必要である。そして、従来のロケットエンジンの燃焼器では、燃料が燃焼室壁面を冷却する際の吸収熱量の増加を図るため、例えば、燃焼室壁面の軸方向に対する長さを長くすることで、壁面と燃料との伝熱面積を増加させているものがある。

しかしながら、この燃焼室壁面を形成する材料、例えば、耐熱銅合金（ＯＭＣ）は、大型化には限度があることから、所定の長さ以上の燃焼室壁面を製造することができなかった。また、仮に耐熱銅合金などにより大型の壁面を製造できたとしても、結果的に、燃焼器の大型化をまねき燃焼器の自重の増加となり、ロケットエンジンの高効率化要求に反した要因となるおそれがあった。また、特許文献１に記載のロケットエンジンでは、燃焼室の長手方向軸に対して延在し冷却剤としての燃料が通過可能な複数の冷却チャネル内に、前記軸に対して所定の角度で延在する突出リブを設けることで伝熱面積を増加させると共に燃料の流れに乱れを形成して燃料による熱吸収性能の向上を図っている。しかしこの場合、突出リブを設けることで製造効率が低下し、また、燃料として用いられる水素はもともと熱伝達率が高いので、燃焼室壁面と水素との熱伝達性をいくら向上しても、燃焼室内の流体と燃焼室壁面との熱伝達性が向上されない限り意味がなかった。

そこで本発明は、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室壁面との熱伝達性能を向上させることができる燃焼器及びロケットエンジンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の燃焼器は、内部で酸化剤と燃料とが混合して燃焼可能であると共に壁面に設けられた冷却通路を通過する燃焼前の前記燃料により冷却可能である燃焼室と、前記燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段とを備えることを特徴とする。

請求項２の発明の燃焼器では、前記所定の周波数は、前記壁面の共振周波数とは異なる周波数に設定されることを特徴とする。

請求項３の発明の燃焼器では、前記所定の周波数は、１０ｋＨｚ以上に設定されることを特徴とする。

請求項４の発明の燃焼器では、前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面と、円筒状に形成され前記噴射面に立設される噴射部壁面とを有する噴射部を備え、前記振動発生手段は、前記噴射部壁面に該噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティを有することを特徴とする。

請求項５の発明の燃焼器では、前記キャビティは、前記酸化剤及び前記燃料の噴射方向に対して前記噴射面から１５ｍｍ以内の領域に設けられることを特徴とする。

請求項６の発明の燃焼器では、前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面を有する噴射部を備え、前記振動発生手段は、前記噴射面に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射される前記酸化剤と前記燃料との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口を有し、複数の前記低混合比噴出口と前記高混合比噴出口とは、前記各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられることを特徴とする。

請求項７の発明の燃焼器では、前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面と、円筒状に形成され前記噴射面に立設される噴射部壁面とを有する噴射部を備え、前記振動発生手段は、前記噴射部壁面に該噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティと、前記噴射面に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射される前記酸化剤と前記燃料との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口を有し、複数の前記低混合比噴出口と前記高混合比噴出口とは、前記各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられると共に前記低混合比噴出口が設けられる領域と前記高混合比噴出口が設けられる領域との境界が前記キャビティの周方向の端部と、該周方向に対して一致していることを特徴とする。

請求項８の発明の燃焼器では、前記低混合比噴出口及び前記高混合比噴出口は、前記複数の円環のうち外側の２つの円環に設けられることを特徴とする。

請求項９の発明の燃焼器では、筒状に形成され内部に設けられた酸化剤流路から前記燃焼室に向けて前記酸化剤を噴射可能である内筒と、前記内筒の外周を覆って筒状に形成され前記内筒との間の燃料流路から前記燃焼室に向けて前記燃料を噴射可能な外筒とを有すると共にそれぞれ前記低混合比噴出口又は前記高混合比噴出口に接続される複数の噴射器を備え、前記内筒は、前記酸化剤流路面積を絞る絞り部を有し、前記絞り部は、前記低混合比噴出口に接続される前記噴射器と、前記高混合比噴出口に接続される前記噴射器とで異なる絞り量に設定されることを特徴とする。

上記の目的を達成するための請求項１０の発明のロケットエンジンは、内部で酸化剤と燃料とが混合して燃焼し燃焼ガスを発生可能であると共に壁面に設けられた冷却通路を通過する燃焼前の前記燃料により冷却可能である燃焼室と、前記冷却通路を通過した後の前記燃料により回転駆動されるタービンを有し、前記酸化剤と前記燃料とを各々前記燃焼室に供給可能な複数のターボポンプと、前記燃焼室に接続され、該燃焼室から噴射される前記燃焼ガスの出口を絞り込むことで推力を上げるノズルと、前記燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段とを備えることを特徴とする。

請求項１の発明の燃焼器によれば、燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段を設けたことで、振動発生手段により燃焼室内の流体のみを燃焼振動させることによって、この流体の振動により燃焼室内の流体から壁面、冷却通路内の燃料への熱伝達を促進することができるので、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室の壁面との熱伝達性能を向上させることができる。

請求項２の発明の燃焼器によれば、振動発生手段が発生させる振動の周波数が少なくとも壁面の共振周波数とは異なる周波数に設定されることで、この燃焼器の壁面が振動発生手段により発生される振動によって励振され共振することを防止することができるので、燃焼器が破損することを防止することができる。

請求項３の発明の燃焼器によれば、振動発生手段が発生させる振動の周波数が少なくとも１０ｋＨｚ以上の高周波数に設定されることで、燃焼室内の流体の振動数が多くなり、燃焼室内の壁面近傍での流体の移動がより促進されるので、燃焼室内の流体から壁面、冷却通路内の燃料への熱伝達をさらに促進することができる。

請求項４の発明の燃焼器によれば、振動発生手段が噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に複数のキャビティを有することから、この各キャビティ内の流体が一定の周波数で燃焼振動し、この複数のキャビティ内の燃焼ガスの振動により燃焼室の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を励振することができる。さらに、この複数のキャビティが噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな燃焼振動を発生させることができる。

請求項５の発明の燃焼器によれば、複数のキャビティを噴射面からの距離が１５ｍｍ以内の領域に設けることで、複数のキャビティにより燃焼振動を起こすことができると共に、この領域の流体温度は相対的に低温であることから、キャビティを設けることでこの領域を無冷却領域としても、壁面が焦げたり、溶融、損傷したりすることを防止することができる。

請求項６の発明の燃焼器によれば、振動発生手段が噴射面に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射面の周方向に対して対称な位置に複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口を有することから、周方向に沿って混合比が異なる領域が交互に分布し、流体の燃焼状態もこの領域に応じて周方向に沿って交互に異なるので、燃焼室の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を励振することができる。さらに、この複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口が噴射面の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな燃焼振動を発生させることができる。

請求項７の発明の燃焼器によれば、複数のキャビティによって励振される燃焼振動の位相と複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口によって励振される燃焼振動の位相とが一致するので、高次の周波数の圧力変動モードの振動をより確実に発生させることができると共に十分な強度の燃焼振動を発生させることができる。

請求項８の発明の燃焼器によれば、複数の低混合比噴出口と高混合比噴出口とが複数の噴出口が形成する複数列の同心円環のうちの外側の２つの円環に設けられることから、径方向の外側において混合比を異なるように設定することで、振動発生手段による十分な励振力を確保することができると共に十分な強度の燃焼振動を発生させることができる。

請求項９の発明の燃焼器によれば、酸化剤流路面積を絞る絞り部を異なる絞り量に設定することで、各噴射器にて酸化剤流路に取り込まれる酸化剤の流量を調節することができ、複数の低混合比噴出口と高混合比噴出口とで酸化剤の流量を予め調節することができ、よって、燃焼器全体での混合比を変えずに、低混合比噴出口と高混合比噴出口とで噴射される酸化剤と燃料との混合比を確実に異ならせることができる。

請求項１０の発明のロケットエンジンによれば、燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段を設けたことで、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室の壁面との熱伝達性能を向上させることができる。よって、壁面と燃料との伝熱面積を低減した上で、冷却通路を通過する燃料による熱量吸収の効率が向上し、効率的に温度を上昇させることができ、壁面冷却後の燃料により各タービンを効率よく駆動させることができる。さらに、燃焼器の大型化、ひいてはロケットエンジンの大型化も防止することができ、自重の増加を防止することができるので、ロケットエンジンの高効率化要求にも資することができる。

以下に、本発明に係る燃焼器及びロケットエンジンの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係る燃焼器の概略構成を示す模式的斜視図、図２は、本発明の実施例１に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的斜視図、図３は、本発明の実施例１に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的断面図、図４は、本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室壁面の径方向部分断面図、図５は、本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室壁面の軸方向部分断面図、図６は、本発明の実施例１に係る燃焼器の噴射部壁面の径方向断面図、図７は、本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室断面内での圧力変動モードの一例を示した図、図８は、本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室における噴射面からの距離と燃焼ガス温度との関係を示す線図、図９は、本発明の実施例１に係る燃焼器が適用されるロケットエンジンの概略配管系統図である。

本発明の実施例に係る燃焼器としてのロケット用燃焼器１（以下、単に「燃焼器１」と略記する。）は、図９に示すように、酸化剤と燃料とを混合し燃焼させることによって推力を得るロケットエンジン１００（以下、単に「エンジン１００」と略記する。）に適用した場合で説明する。このエンジン１００は、燃料の一部を燃焼器１の冷却材として用いると共に酸化剤及び燃料を加圧、圧送する各ターボポンプの駆動媒体としても用いる、いわゆるエキスパンダーブリードサイクル方式のロケットエンジンである。

エンジン１００は、酸化剤と燃料とを噴射可能な噴射部３１（図１参照）を有し、酸化剤と燃料とが燃焼可能な燃焼器１を備える。さらに、エンジン１００は、この酸化剤及び燃料を燃焼器１に供給すると共にエンジン１００の各部に循環させる配管系統として、燃料を燃焼器１に供給する燃料供給ライン９０と、酸化剤を燃焼器１に供給する酸化剤供給ライン９１と、燃焼器１を冷却する冷却媒体として燃料をエンジン１００の各部に循環させる冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２とを備える。

燃料供給ライン９０は、複数の配管により構成され、燃料としての液体水素（以下、「ＬＨ₂」と称する。）を貯留する燃料タンク（不図示）と燃焼器１の噴射部３１とを接続し、燃料供給系を構成する。同様に、酸化剤供給ライン９１は、複数の配管により構成され、酸化剤としての液体酸素（以下、「ＬＯｘ」と称する。）を貯留する酸化剤タンク（不図示）と燃焼器１の噴射部３１とを接続し、酸化剤供給系を構成する。冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、複数の配管により構成され、一端において燃料供給ライン９０から分岐すると共に後述する燃焼器１における燃焼室３の壁面３２（図１参照）内の冷却通路３３などを経由して他端が燃焼器１のノズル４内部に接続され、冷却媒体・駆動媒体供給系を構成する。

さらに、エンジン１００は、燃料供給ライン９０を介して燃料を燃焼器１に圧送可能な燃料用ターボポンプ５０及び酸化剤供給ライン９１を介して酸化剤を燃焼器１に圧送可能な酸化剤用ターボポンプ６０と、燃焼器１を冷却して気化した燃料と液体燃料とを混合するミキサ７０と、酸化剤と燃料との混合気に点火する点火器８０とを備える。

燃料用ターボポンプ５０は、コンプレッサ５１とタービン５２を備える。タービン５２は、冷却通路３３を通過し気化した燃料としての水素ガス（以下、「ＧＨ₂」と称する。）により回転駆動されることでコンプレッサ５１を駆動し、コンプレッサ５１は、燃料供給ライン９０のＬＨ₂を加圧して噴射部３１に圧送する。酸化剤用ターボポンプ６０は、コンプレッサ６１とタービン６２を備える。タービン６２は、冷却通路３３を通過し気化した燃料としてのＧＨ₂により回転駆動されることでコンプレッサ６１を駆動し、コンプレッサ６１は、酸化剤供給ライン９１のＬＯｘを加圧して噴射部３１に圧送する。

さらに具体的には、燃料供給ライン９０は、ＬＨ₂の流動方向に対して上流側から順に、燃料用ターボポンプ５０のコンプレッサ５１と、主燃料バルブ９３と、ミキサ７０とを備える。酸化剤供給ライン９１は、ＬＯｘの流動方向に対して上流側から順に、酸化剤用ターボポンプ６０のコンプレッサ６１と、主酸化剤バルブ９４とを備える。

冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料供給ライン９０のＬＨ₂の流動方向に対してコンプレッサ５１の下流側、主燃料バルブ９３の上流側で燃料供給ライン９０から分岐する。冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料供給ライン９０のＬＨ₂の流動方向に対して上流側から順に、燃焼室冷却バルブ９２ｃと、冷却通路３３と、推力制御バルブ９５と、燃料用ターボポンプ５０のタービン５２と、酸化剤用ターボポンプ６０のタービン６２を備える。すなわち、燃料用ターボポンプ５０のタービン５２と、酸化剤用ターボポンプ６０のタービン６２とは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２に直列的に配置される。また、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、他端においてノズル４内部に接続する部分の上流側にノズル４を冷却する冷却通路も備えている。なお、冷却通路３３と燃焼器１の具体的な構成は、後述の図１乃至図８で詳細に説明する。

さらに、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、合流管９６と、混合比制御管９７と、バイパス管９８を備える。合流管９６は、冷却通路３３の下流側、推力制御バルブ９５の上流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐してミキサ７０に接続する。混合比制御管９７は、酸化剤用ターボポンプ６０のタービン６２の上流側、燃料用ターボポンプ５０のタービン５２の下流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐してタービン６２の下流側に接続することで、タービン６２をバイパスする。この混合比制御管９７は、混合比制御バルブ９９を備える。バイパス管９８は、合流管９６の分岐部の下流側、推力制御バルブ９５の上流側で冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の主管から分岐して酸化剤用ターボポンプ６０のタービン６２の下流側に接続してタービン５２及びタービン６２をバイパスする。このバイパス管９８は、ウェストバルブ９８ａを備える。

主燃料バルブ９３は、燃料供給ライン９０を開閉することで噴射部３１へのＬＨ₂の供給を調節する。主酸化剤バルブ９４は、酸化剤供給ライン９１を開閉することで噴射部３１へのＬＯｘの供給を調節する。燃焼室冷却バルブ９２ｃは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２を開閉することで冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２におけるＬＨ₂、ＧＨ₂の循環を調節する。推力制御バルブ９５は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２を開閉することでタービン５２に導入される駆動媒体としてのＧＨ₂の導入量を制御してこのタービン５２の回転数を制御し、これにより、コンプレッサ５１によるＬＨ₂の加圧を制御することで、エンジン１００全体での推力を制御する。混合比制御バルブ９９は、混合比制御管９７を開閉することでタービン６２に導入される駆動媒体としてのＧＨ₂の導入量を制御してこのタービン６２の回転数を制御し、これにより、コンプレッサ６１によるＬＯｘの加圧を制御することで、燃焼器１全体での混合比（ＬＯｘ／ＧＨ₂）、すなわち、噴射部３１から噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との比率を制御する。ウェストバルブ９８ａは、冷却通路３３を通過することで気化したＧＨ₂がタービン５２、タービン６２をバイパスする際に当該バイパス量に応じて開閉される。

ミキサ７０は、主燃料バルブ９３を通過した極低温のＬＨ₂と、冷却通路３３を通過して気化した高温のＧＨ₂とを混合し、ＧＨ₂として燃焼器１に供給可能とする。なお、燃料としての水素は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２における冷却通路３３よりも下流側ではＧＨ₂及びＬＨ₂の気液二相が存在していることがある。

上記のように構成されるエンジン１００は、燃料供給ライン９０を介して供給されるＬＨ₂を燃料用ターボポンプ５０によって燃焼器１に圧送すると共に、酸化剤供給ライン９１を介して供給されるＬＯｘを酸化剤用ターボポンプ６０によって燃焼器１に圧送し、
このＬＯｘとＧＨ₂とを燃焼器１の燃焼室３内で混合し、この混合気に点火器８０により点火することで燃焼させて推力を得る。この間、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２は、燃料用ターボポンプ５０により圧送されるＬＨ₂の一部を燃焼器１における燃焼室３の壁面に設けられる冷却通路３３に導入し、この低温のＬＨ₂により燃焼室３を冷却する。このとき、燃焼室３を冷却することでエネルギーを得たＬＨ₂は、その温度が上昇しガス化してＧＨ₂となり、一部が合流管９６を介してミキサ７０に導入され、このミキサ７０でＬＨ₂と混合される。そして、残りのＧＨ₂が燃料用ターボポンプ５０のタービン５２、酸化剤用ターボポンプ６０のタービン６２に順に導入され、タービン５２、タービン６２の駆動媒体として作用し、その膨張エネルギーによりタービン５２、タービン６２を回転駆動することで、上述のように燃料用ターボポンプ５０、酸化剤用ターボポンプ６０によりＬＨ₂、ＬＯｘを圧送する。そして、タービン５２、タービン６２を回転駆動したＧＨ₂は、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２の他端からノズル４内に廃棄される。

なお、このエンジン１００では、密度が高く従って高出力が必要な燃料用ターボポンプ５０をＧＨ₂により先に駆動し、その後に酸化剤用ターボポンプ６０を駆動する。また、燃料用ターボポンプ５０、酸化剤用ターボポンプ６０を駆動した後のＧＨ₂の圧力は初めのタービン５２入口前の圧力に比較してかなり低下しており、タービン５２入口前の圧力と略等しい圧力の燃焼室３内には供給することはできないため、燃焼器１の低圧部位としてノズル４内部に排出している。

次に、図１乃至図８を参照して燃焼器１について詳細に説明する。この燃焼器１は、図１に示すように、多数の噴射器（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）２と、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ）３と、ノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４を含んで構成され、推進剤である燃料の化学反応によるエネルギーを排気運動に変換することで推力を得るものである。すなわち、噴射器２から燃焼室３に向けて噴射されるＬＯｘとＧＨ₂とが燃焼室３内で混合され燃焼し、これにより燃焼ガスを発生させ、さらに、ノズル４により燃焼室３から噴射される燃焼ガスの出口を絞り込むことで推力を上げて、推力を得ることができる。

具体的には、各噴射器２は、上述のように、ＬＯｘ及びＧＨ₂を燃焼室３内に噴射するためのものであり、図２、図３に示すように、内筒としてのＬＯｘポスト２１と外筒としてのスリーブ２２を備える。ＬＯｘポスト２１は、円筒状に形成され内部に酸化剤流路としてのＬＯｘ流路２３が形成される。ＬＯｘポスト２１は、酸化剤供給ライン９１を介して供給されるＬＯｘを一端側からＬＯｘ流路２３に取り込み、他端側から燃焼室３に向けてこの取り込んだＬＯｘを噴射可能である。

さらに、ＬＯｘポスト２１の外周面には、スリーブ取付部２５及び凹部２６が設けられている。スリーブ取付部２５は、ＬＯｘポスト２１の外方に突出した円盤形状に形成される。また、スリーブ取付部２５は、このＬＯｘポスト２１の軸線方向に対して垂直に形成される。凹部２６は、ＬＯｘ流路２３を流れるＬＯｘの流動方向に対してこのスリーブ取付部２５よりも下流側、すなわち、燃焼室３側に形成される。凹部２６は、ＬＯｘポスト２１の外径をスリーブ取付部２５の上流側の外径よりも小さく設定することで形成される円筒状の部分であり、燃焼室３側の端部まで延設されている。

スリーブ２２は、ＬＯｘポスト２１とほぼ同軸の円筒状に形成され、このＬＯｘポスト２１の外周を覆うように設けられる。具体的には、スリーブ２２は、一端部がスリーブ取付部２５に当接すると共に他端部が後述する燃焼室３の噴射面３４に接続される（図１も参照）。そして、スリーブ２２は、その内周面においてＬＯｘポスト２１の外周面に設けられた凹部２６を空隙を有して覆うことで、ＬＯｘポスト２１との間に燃料流路としてのＧＨ₂流路２７を形成する。このＧＨ₂流路２７は、円環状の流路断面をなす。また、スリーブ２２には、その外周面からＧＨ₂流路２７まで延設される複数の導入口２８が形成されており、このスリーブ２２は、燃料供給ライン９０を介して供給されるＧＨ₂を導入口２８を介してＧＨ₂流路２７に取り込み、ＬＯｘポスト２１との間のこのＧＨ₂流路２７から燃焼室３に向けてこの取り込んだＧＨ₂を噴射可能である。なお、ＬＯｘ流路２３から燃焼室３に噴射されるＬＯｘの流速は例えば１０〜２０ｍ／Ｓ程度であるのに対して、ＧＨ₂流路２７から燃焼室３に噴射されるＧＨ₂はＬＯｘの約１０倍の流速で噴射される。

燃焼室３は、噴射器２から噴射され、微粒化され混合されたＬＯｘとＧＨ₂とが内部で燃焼するものである。燃焼室３は、図１に示すように、噴射部３１と、壁面３２と、冷却通路３３（図９参照）とを有する。噴射部３１は、ＬＯｘとＧＨ₂とを噴射可能なものであり、具体的には、噴射面３４と噴射部壁面３５とを有する。噴射面３４は、ＬＯｘとＧＨ₂とを燃焼室３の内方に噴射する面であり、噴射部壁面３５は、円筒状に形成されこの噴射面３４に立設される。噴射面３４は、円形状に形成されその表面に複数の噴出口３６を有する。複数の噴出口３６は、噴射面３４に同心の複数の円環状に位置して設けられる。上述の複数の噴射器２は、この複数の噴出口３６の背面側（噴射方向上流側）にそれぞれ１つずつ設けられる。すなわち、各噴射器２のスリーブ２２は、この各噴出口３６に接続される。

この噴射部壁面３５は、壁面３２の一部をなす。言い換えれば、壁面３２と噴射部壁面３５は連続的に形成され、この壁面３２と噴射面３４とが交わる部分が噴射部壁面３５となる。燃焼室３は、噴射面３４と壁面３２（及び噴射部壁面３５）により画成される。燃焼室３の壁面３２は、円筒状に形成され一端に噴射面３４が設けられると共に他端にノズル４が設けられる。燃焼室３は、壁面３２の内径が噴射面３４側においてほぼ一定であると共にノズル４に向かって径方向断面積が小さくなるように形成される。燃焼室３の噴射面３４は、上述のようにその背面側に噴射器２のスリーブ２２が接続され、したがって、噴射器２から燃焼室３に向けたＬＯｘ及びＧＨ₂は、この噴射面３４から噴射される。噴射器２は、ロケットエンジンの推力にもよるが、通常数百本が燃焼室３の噴射面３４の背面側に、ロケット用燃焼器１の推力方向の中心軸に対して概ね円周方向に均一になるように配設される。ノズル４は、燃焼室３の壁面３２に連続して形成されると共に内部が燃焼室３と連通する。また、ノズル４は、燃焼室３側に向かって先細となる円錐状に形成され、これにより、燃焼室３で発生する燃焼ガスの出口断面を絞り込む。

壁面３２は、さらに具体的には、図４に示すように、径方向に対して燃焼室３内方から順に、壁面内筒３２ａと、中間層３２ｂと、壁面外筒３２ｃとにより３層構造で構成される。壁面内筒３２ａは、大きな熱負荷に対して熱応力を発生させないため、ここでは、温度分布熱伝導のよい特殊な耐熱銅合金（ＯＭＣ）により形成される。壁面内筒３２ａは、径方向外周面に燃焼室３の軸方向に沿った複数の溝が形成され、この溝が複数の冷却通路３３をなす。中間層３２ｂは、電鋳銅層として形成され、壁面内筒３２ａの径方向外周面に接して設けられ、冷却通路３３の蓋として機能する。壁面外筒３２ｃは、この中間層３２ｂの径方向外周面に接して設けられ、燃焼室３内の気圧に対する強度部材（構造部材）として機能し、ここではステンレス（ＳＵＳ）により形成される。燃焼室３内での燃焼時、燃焼室３圧力及び上記冷却通路３３ 内の圧力は、主としてこの壁面外筒３２ｃで保持される。

冷却通路３３は、図５に示すように、壁面内筒３２ａ（図４参照）の径方向外周面に燃焼室３の軸方向に沿って複数形成される。複数の冷却通路３３は、上述の冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２（図９参照）の一部をなす。さらに具体的には、冷却通路３３は、入口マニホールド３３ａを介して複数に分岐する一方、出口マニホールド３３ｂを介して１つに合流する。そして、入口マニホールド３３ａは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２をなす冷却通路導入管９２ａに接続される一方、出口マニホールド３３ｂは、冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン９２をなす冷却通路排出管９２ｂに接続される。また、この入口マニホールド３３ａは、噴射方向下流側（ノズル４側）に設けられる一方、出口マニホールド３３ｂは、噴射方向上流側（噴射部３１側）に設けられる。なお、上述の噴射部壁面３５は、壁面３２においてこの冷却通路３３が設けられていない部分であり、したがって、この噴射部壁面３５では、壁面内筒３２ａには冷却通路３３を構成する溝は形成されておらず、壁面内筒３２ａと壁面外筒３２ｃとによる２層構造となっている（図６参照）。

燃焼室３で発生する燃焼ガスは、燃焼室３内を軸方向に噴射部３１側からノズル４側へ軸方向に沿って流れる一方、ＬＨ₂は、入口マニホールド３３ａから複数の冷却通路３３に分岐して導入され、ノズル４側から噴射部３１側へ軸方向に沿って流れて出口マニホールド３３ｂで合流した後に流出する。この間、ＬＨ₂は、燃焼室３の壁面３２を冷却する。つまり、冷却通路３３は、壁面３２に設けられ少なくともＬＨ₂の一部が通過可能であり、この冷却通路３３を通過する燃焼前のＬＨ₂により燃焼室３を冷却可能である。そして、このとき、ＬＨ₂は、燃焼室３を冷却することで、温度上昇し高エネルギー状態となってガス化し、ＧＨ₂として出口マニホールド３３ｂで集められて冷却通路排出管９２ｂに流出する。

上記のように構成される燃焼器１は、噴射器２のＬＯｘ流路２３を介して燃焼室３にＬＯｘが噴射され、ＧＨ₂流路２７を介して燃焼室３にＧＨ₂が噴射される。燃焼室３に噴射されたＬＯｘとＧＨ₂とは、燃焼室３内で微粒化し混合する。そして、燃焼室３内で混合したＬＯｘとＧＨ₂は、点火器８０（図９参照）により着火された後、この燃焼室３内で燃焼され、その結果、燃焼ガスが発生する。そしてこの燃焼ガスがノズル４を介して燃焼室３から噴射され、このとき、このノズル４により燃焼ガスの出口断面が絞り込まれていることから、燃焼ガスの噴射による推力が向上し、推力を得ることができる。

そして、燃焼室３にて燃焼される前の低温のＬＨ₂が冷却材として作用し、すなわち、ＬＨ₂が壁面３２内の冷却通路３３を通過することで、このＬＨ₂により壁面３２を冷却する。これにより、ＬＯｘとＧＨ₂とが燃焼する燃焼室３において多大な熱負荷が発生しても、燃焼室３の壁面３２が十分に冷却されることから、この壁面３２が溶融、損傷することを防止することができる。

ところで、このようなエキスパンダーブリードサイクル方式のエンジン１００では、壁面３２冷却後のＧＨ₂により各タービン５２、６２を効率よく駆動させるには、ＧＨ₂が所定温度以上に温度上昇する必要がある。特に、エンジン１００の推力をより向上させる場合、燃焼器１へのＧＨ₂の供給量を増加させる必要があり、よって、ＧＨ₂を加圧、圧送する燃料用ターボポンプ５０のコンプレッサ５１の駆動をより速くする必要がある。このため、このＧＨ₂は、燃焼室３の壁面３２を冷却する際に、所望のエンジン１００の推力に応じた所定以上の熱量吸収が必要である。

一方で、従来のエンジンの燃焼器では、ＧＨ₂が燃焼室の壁面を冷却する際の吸収熱量の増加を図るため、例えば、壁面の軸方向に対する長さを長くすることで、壁面とＧＨ₂との伝熱面積を増加させているものがある。しかしながら、この燃焼室壁面を形成する材料、例えば、耐熱銅合金（ＯＭＣ）は、大型化には限度があることから、所定の長さ以上の燃焼室壁面を製造することができなかった。また、仮に耐熱銅合金などにより大型の壁面を製造できたとしても、結果的に、燃焼器の大型化をまねき燃焼器の自重の増加となり、ロケットエンジンの高効率化要求に反した要因となるおそれがあった。

そこで、本実施例のエンジン１００に適用される燃焼器１は、図１に示すように、振動発生手段としての振動発生部５を設けることで、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能の向上を図っている。

振動発生部５は、噴射部３１に設けられ所定の周波数の燃焼振動を発生させる。この振動発生部５は、燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モード（断面内振動モード）、いわゆる、高次の膜モードの燃焼振動を発生させる。さらに、振動発生部５は、所定の周波数の燃焼振動を発生させるための具体的な構成として、噴射部壁面３５に設けられる複数のキャビティ（音響キャビティ）６を有する。

複数のキャビティ６は、図６に示すように、噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に各々設けられる。すなわち、複数のキャビティ６は、噴射部壁面３５の軸線上の径方向中心に対して点対称な位置に設けられ、本実施例では、噴射部壁面３５においてキャビティ６とキャビティ６が設けられていない部分とは交互に均等な割付で設けられる。これにより、この各キャビティ６内の燃焼ガスは一定の周波数で燃焼振動し、さらに、このキャビティ６が噴射部壁面３５の軸線上の径方向中心に対して点対称な位置に複数設けられることから、この複数のキャビティ６内の燃焼ガスの振動により燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動が励振される。また、複数のキャビティ６が噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな圧力変動モードの振動を発生させることができる。そして、燃焼室３内の流体としての燃焼ガスのみを高次の圧力変動モードで積極的に燃焼振動させることによって、この燃焼ガスの振動により燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができる。したがって、燃焼室３の軸方向に対する長さを長くして伝熱面積を増やすことなく、よりコンパクトな構成でＬＨ₂と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。よって、壁面３２とＬＨ₂との伝熱面積を低減した上で、冷却通路３３を通過するＬＨ₂による熱量吸収の効率が向上し、効率的に温度を上昇させることができ、壁面３２冷却後のＧＨ₂により各タービン５２、６２を効率よく駆動させることができる。

また、例えば、冷却通路３３内にフィンやリブを設けることで壁面３２とＬＨ₂との伝熱面積を増加させる場合、突出リブを設けることで製造効率が低下し、また、燃料として用いられる水素はもともと熱伝達率が高いので、燃焼室３の壁面３２とＬＨ₂との熱伝達性が向上しても、燃焼室３内の燃焼ガスと壁面３２との熱伝達性が向上されない限り熱伝達の効率は向上しにくいが、本実施例の燃焼器１は、振動発生部５により燃焼室３内の燃焼ガスのみを積極的に燃焼振動させることによって、燃焼室３内の燃焼ガスと壁面３２との熱伝達性が向上されるので、より簡単な構成でＬＨ₂による熱量吸収の効率を向上させることができる。さらに、例えば、壁面内筒３２ａの燃焼室３側の面にフィンやリブを設けることで燃焼ガスと壁面３２との伝熱面積を増加させる場合、燃焼室３内の燃焼ガスと壁面３２との伝熱面積が増加し熱伝達性は向上するものの、このフィンやリブが高温の燃焼ガスにさらされることで溶融、損傷するおそれがある一方、本実施例の燃焼器１は、燃焼室３側にフィンやリブを設けることなく、燃焼室３内の燃焼ガスと壁面３２との熱伝達性を向上することができるので、より信頼性の高い燃焼器１とすることができる。

ここで、振動発生部５が発生させる振動の所定の周波数は、噴射器２、壁面３２、冷却通路導入管９２ａ、冷却通路排出管９２ｂなどの配管等の燃焼器１、エンジン１００の構成部材自体が応答しない周波数に設定される。本実施例では、所定の周波数は、燃焼器１、エンジン１００の構成部材の共振周波数よりも高い周波数である。すなわち、振動発生部５が発生させる振動の周波数は、燃焼器１、エンジン１００の構成部材の共振周波数よりも高い周波数に設定される。ここで共振周波数とは、物質が固有振動を生じる周波数（固有周波数）に相当し、その物体の形状や大きさ等に応じて決まる。したがって、振動発生部５が発生させる振動の周波数が燃焼器１、エンジン１００の構成部材の共振周波数よりも高い周波数に設定されることで、この燃焼器１、エンジン１００の構成部材が振動発生部５により発生される振動によって励振され共振することを防止することができるので、この構成部材が破損することを防止することができる。

さらに、本実施例では、この所定の周波数は、１０ｋＨｚ以上、好ましくは２０ｋ〜３０ｋＨｚ程度の高周波数に設定される。このように、振動発生部５が発生させる振動の周波数が高周波数に設定されることで、燃焼室３内の流体としての燃焼ガスの振動数が多くなり、燃焼室３内の壁面３２近傍での燃焼ガスの移動がより促進されるので伝熱性も向上することができ、燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができる。すなわち、振動発生部５が発生させる振動の周波数が高周波数であるほど、熱伝達をより促進することができる。

ここで、図７に本実施例の振動発生部５により発生される燃焼室３の断面内での圧力変動モードの一例を示す。本図中、外周が燃焼筒の壁面、直径線が節、「＋」、「−」のマークが位相関係を示す。振動発生部５を複数のキャビティ６により構成しＮ次の圧力変動モードを発生させる場合、噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に設けられるキャビティ６の数は、Ｎ×４個とすればよい。本図は４次の圧力変動モードを示しており、したがって、キャビティ６は、図６に示すように、合計１６個設けられている。振動発生部５が発生させる振動の周波数は、この圧力変動モードの次数Ｎが大きくなるほど高周波になる。すなわち、キャビティ６の数を多くするほど、高次の周波数の圧力変動モードの振動を発生させることができる。

また、この複数のキャビティ６は、噴射部壁面３５に設けられている。ここで、上述したように、噴射部壁面３５は、壁面３２において冷却通路３３が設けられていない部分であり、壁面内筒３２ａと壁面外筒３２ｃとによる２層構造となっている。つまり、このキャビティ６が設けられる噴射部壁面３５では、ＬＨ₂による冷却は行われていない。

ここで、図８は、燃焼室３内における噴射面３４からの距離と燃焼ガス温度との関係を表すグラフであり、横軸を噴射面３４からの距離（ｍｍ）、縦軸を燃焼ガス温度（Ｋ）としている。燃焼室３内の燃焼ガスの温度は、図８に示すように、噴射面３４からの距離に応じて変化し、噴射面３４から離れるほど高くなる。言い換えれば、噴射面３４に近い部分においては、未だ燃焼ガスの温度は高温に達しておらず、したがって、上記のように冷却通路３３を設けず無冷却領域Ｌとしても問題はない。この無冷却領域Ｌは、本実施例では燃焼ガス温度が１０００Ｋ以下の領域、噴射面３４からの距離が１５ｍｍ以内の領域に設定される。すなわち、噴射部壁面３５は、図１、図６に示すように、噴射面３４からの距離が１５ｍｍ以内の無冷却領域Ｌに設けられると共に複数のキャビティ６も、噴射面３４からの距離が１５ｍｍ以内の無冷却領域Ｌに設けられる。このように複数のキャビティ６を噴射面３４からの距離が１５ｍｍ以内の領域に設けこの領域を無冷却領域Ｌとしても、この部分の燃焼ガス温度は相対的に低温であることから、複数のキャビティ６により燃焼振動を起こすことができると共に壁面３２が焦げたり、溶融、損傷したりすることを防止することができる。

このように本実施例の燃焼器１にあっては、内部で酸化剤としてのＬＯｘと燃料としてＧＨ₂とが混合して燃焼可能であると共に壁面３２に設けられた冷却通路３３を通過する燃焼前のも燃料としてのＬＨ₂により冷却可能である燃焼室３と、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部５とを備える。

したがって、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部５を設けたことで、振動発生部５により燃焼室３内の燃焼ガスのみを積極的に高次の圧力変動モードで燃焼振動させることにより、この燃焼ガスの振動により燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができるので、例えば、壁面３２の軸方向に対する長さを長くするなどして伝熱面積を増やすことなく、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器１にあっては、前記所定の周波数は、噴射器２、壁面３２、冷却通路導入管９２ａ、冷却通路排出管９２ｂなどの配管等の燃焼器１、エンジン１００の構成部材の共振周波数とは異なる周波数に設定される。したがって、振動発生部５が発生させる振動の周波数が燃焼器１、エンジン１００の構成部材の共振周波数とは異なる周波数に設定されることで、この燃焼器１、エンジン１００の構成部材が振動発生部５により発生される振動によって励振され共振することを防止することができるので、燃焼器１、エンジン１００の各部が破損することを防止することができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器１にあっては、前記所定の周波数は、１０ｋＨｚ以上、好ましくは２０ｋ〜３０ｋＨｚ程度の高周波数に設定される。したがって、振動発生部５が発生させる振動の周波数が高周波数に設定されることで、燃焼室３内の燃焼ガスの振動数が多くなり、燃焼室３内の壁面３２近傍での燃焼ガスの移動がより促進されるので、燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達をさらに促進することができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器１にあっては、ＬＯｘとＧＨ₂とを燃焼室３内方に向けて噴射可能な噴射面３４と、円筒状に形成され噴射面３４に立設される噴射部壁面３５とを有する噴射部３１を備え、振動発生部５は、噴射部壁面３５にこの噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティ６を有する。したがって、振動発生部５が噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に複数のキャビティ６を有することから、この各キャビティ６内の燃焼ガスは一定の周波数で燃焼振動し、この複数のキャビティ６内の燃焼ガスの振動により燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を励振することができる。さらに、この複数のキャビティ６が噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな圧力変動モードの振動を発生させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器１にあっては、キャビティ６は、ＬＯｘ及びＧＨ₂の噴射方向に対して噴射面３４から１５ｍｍ以内の領域に設けられる。したがって、複数のキャビティ６を噴射面３４からの距離が１５ｍｍ以内の領域に設けることで、複数のキャビティ６により燃焼振動を起こすことができると共に、この領域の燃焼ガス温度は相対的に低温であることから、キャビティ６を設けることでこの領域を無冷却領域Ｌとしても、壁面３２が焦げたり、溶融、損傷したりすることを防止することができる。

このように本実施例のロケットエンジン１００にあっては、内部でＬＯｘとＧＨ₂とが混合して燃焼し燃焼ガスを発生可能であると共に壁面３２に設けられた冷却通路３３を通過する燃焼前のＬＨ₂により冷却可能である燃焼室３と、冷却通路３３を通過した後のＧＨ₂により回転駆動されるタービン５２、６２を有し、ＬＯｘとＬＨ₂とを各々燃焼室３に供給可能な燃料用ターボポンプ５０及び酸化剤用ターボポンプ６０と、燃焼室３に接続され、この燃焼室３から噴射される燃焼ガスの出口を絞り込むことで推力を上げるノズル４と、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部５とを備える。

したがって、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部５を設けたことで、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。よって、壁面３２とＬＨ₂との伝熱面積を低減した上で、冷却通路３３を通過するＬＨ₂による熱量吸収の効率が向上し、効率的に温度を上昇させることができ、壁面３２冷却後のＧＨ₂により各タービン５２、６２を効率よく駆動させることができる。さらに、燃焼器１の大型化、ひいてはロケットエンジン１００の大型化も防止することができ、自重の増加を防止することができるので、ロケットエンジン１００の高効率化要求にも資することができる。

図１０は、本発明の実施例２に係る燃焼器の噴射面の正面図、図１１は、本発明の実施例２に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的斜視図、図１２は、本発明の実施例２に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的断面図、図１３は、本発明の実施例２に係る燃焼器における混合比のバラツキと熱負荷との関係を示す線図である。実施例２に係る燃焼器は、実施例１に係る燃焼器と略同様の構成であるが、振動発生手段の構成が実施例１の燃焼器とは異なる。その他、実施例１と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

本実施例の燃焼器２０１は、図１０に示すように、振動発生手段としての振動発生部２０５を備える。振動発生部２０５は、噴射部３１に設けられ、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる。この振動発生部２０５は、燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を発生させる。さらに、振動発生部２０５は、所定の周波数の燃焼振動を発生させるための具体的な構成として、図１０中に「◎」で示す複数の低混合比噴出口２０７及び「●」で示す高混合比噴出口２０８を有する。なお、振動発生部２０５が発生させる振動の周波数は、実施例１の振動発生部５が発生させる振動の周波数と同様である。

複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、共に上述した複数の噴出口３６をなす。言い換えると、複数の噴出口３６の一部は、低混合比噴出口２０７又は高混合比噴出口２０８として振動発生部２０５を構成する。複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比が互いに異なり、低混合比噴出口２０７の混合比の方が高混合比噴出口２０８の混合比より相対的に低く設定される。ここで、上述したように複数の噴出口３６は、噴射面３４に同心の複数の円環状、本実施例では１０列の同心円環状に位置して設けられている。この複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、複数の噴出口３６が形成する１０列の同心円環のうちの外側の２つの円環に設けられる。そして、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、この外側の２つの円環にて各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられる。すなわち、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、噴射面３４の径方向中心に対して点対称な位置に設けられ、本実施例では、噴射面３４にて、各円環につき４組の低混合比噴出口２０７群と高混合比噴出口２０８群とが交互に均等な割付で設けられる。ここで、振動発生部２０５は、各円環につき４組の低混合比噴出口２０７群と高混合比噴出口２０８群とを設けることで、図７で上述したような４次の圧力変動モードの振動を発生させることができる。なお、振動発生部２０５は、低混合比噴出口２０７群と高混合比噴出口２０８群とを設けることで、Ｎ次の圧力変動モードの振動を発生させる場合、各円環につきＮ組の低混合比噴出口２０７群及び高混合比噴出口２０８群を設ければよい。

そして、本実施例の燃焼器２０１は、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とで混合比を異ならせる構成として、図１１、図１２に示すように、噴射器２に絞り部としてのオリフィス２０９を備える。オリフィス２０９は、ＬＯｘポスト２１の内部、すなわち、ＬＯｘ流路２３の一端側に設けられている。このオリフィス２０９は、ＬＯｘ流路２３の流路面積を絞るものであり、これにより、ＬＯｘ流路２３に取り込まれるＬＯｘの流量を調節することができる。そして、このオリフィス２０９は、低混合比噴出口２０７に接続される噴射器２と、高混合比噴出口２０８に接続される噴射器２とで異なる絞り量に設定されることで、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とでＬＯｘの流量を予め調節することができ、低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とで噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比を互いに異ならせることができる。各オリフィス２０９は、低混合比噴出口２０７にて絞り量を多くし流路面積を小さくしてＬＯｘの流量を減らし、高混合比噴出口２０８にて絞り量を少なくし流路面積を大きくしてＬＯｘの流量を増やすことで、低混合比噴出口２０７における混合比を相対的に低くし、高混合比噴出口２０８における混合比を相対的に高くしている。

さらに、具体的には、燃焼器２０１では、複数の噴射器２全体から噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比が変わらないようにＬＯｘ流量を変える。上述したように、燃焼器１全体での混合比は、混合比制御バルブ９９（図９参照）により制御されている。一方、本実施例の各オリフィス２０９は、低混合比噴出口２０７に接続される噴射器２と、高混合比噴出口２０８に接続される噴射器２との相対的な関係において混合比を異ならせるものであり、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との平均の混合比は、混合比制御バルブ９９により制御される燃焼器１全体での混合比とほぼ一致するように設定されている。

図１３は、燃焼器２０１における混合比のバラツキと熱負荷との関係を表すグラフであり、横軸を低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との混合比のバラツキ、縦軸を熱負荷としている。本実施例の燃焼器２０１では、低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との混合比のバラツキは、±１％〜±１０％、好ましくは±３％〜±５％に設定される。例えば、低混合比噴出口２０７、高混合比噴出口２０８以外の通常の噴出口３６での混合比を１００％とすると、低混合比噴出口２０７での混合比は、９０％〜９９％、好ましくは、９５％〜９７％に設定され、高混合比噴出口２０８での混合比は、１０１％〜１１０％、好ましくは１０３％〜１０５％に設定される。低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との混合比のバラツキを±１％よりも小さくすると、通常の噴出口３６における混合比のバラツキと変わらないので、振動発生部２０５によって燃焼振動を積極的に発生させることができないおそれがある。また、低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との混合比のバラツキを±１０％よりも大きくすると、局所的に燃焼ガスの温度が上がって熱負荷が大きくなりすぎる領域が形成されるおそれがある。さらに、低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８との混合比のバラツキを±３％〜±５％に設定する場合、燃焼器１全体での燃焼状態に大きな影響を与えずに、振動発生部２０５により効果的に燃焼振動を発生させることができる。

上記のように構成される燃焼器２０１では、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とが各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、周方向に沿って混合比が異なる領域が交互に分布し、燃焼ガスの燃焼状態もこの領域に応じて周方向に沿って交互に異なるので、燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動が励振される。また、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とが各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな圧力変動モードの振動を発生させることができる。さらに、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とが複数の噴出口３６が形成する１０列の同心円環のうちの外側の２つの円環に設けられることから、径方向の外側において混合比を異なるように設定することで、振動発生部２０５による十分な励振力を確保することができ、高次の圧力変動モードを励起しやすくすることができると共に十分な強度の燃焼振動を発生させることができる。そして、燃焼室３内の流体としての燃焼ガスのみを高次の圧力変動モードで積極的に燃焼振動させることにより、この燃焼ガスの振動により燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができる。したがって、燃焼室３の軸方向に対する長さを長くして伝熱面積を増やすことなく、よりコンパクトな構成でＬＨ₂と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。よって、壁面３２とＬＨ₂との伝熱面積を低減した上で、冷却通路３３を通過するＬＨ₂による熱量吸収の効率が向上し、効率的に温度を上昇させることができ、壁面３２冷却後のＧＨ₂により各タービン５２、６２を効率よく駆動させることができる。

このように本実施例の燃焼器２０１にあっては、内部で酸化剤としてのＬＯｘと燃料としてＧＨ₂とが混合して燃焼可能であると共に壁面３２に設けられた冷却通路３３を通過する燃焼前のも燃料としてのＬＨ₂により冷却可能である燃焼室３と、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部２０５とを備える。したがって、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部２０５を設けたことで、振動発生部２０５により燃焼室３内の燃焼ガスのみを積極的に高次の圧力変動モードで燃焼振動させることにより、この燃焼ガスの振動により燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができるので、例えば、壁面３２の軸方向に対する長さを長くするなどして伝熱面積を増やすことなく、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器２０１にあっては、ＬＯｘとＧＨ₂とを燃焼室３内方に向けて噴射可能な噴射面３４を有する噴射部３１を備え、振動発生部２０５は、噴射面３４に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８を有し、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられる。したがって、振動発生部２０５が噴射面３４に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射面３４の周方向に対して対称な位置に複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８を有することから、周方向に沿って混合比が異なる領域が交互に分布し、燃焼ガスの燃焼状態もこの領域に応じて周方向に沿って交互に異なるので、燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を励振することができる。さらに、この複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８が噴射面３４の周方向に対して対称な位置に各々設けられることから、径方向に対して偏りのないきれいな圧力変動モードの振動を発生させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器２０１にあっては、低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８は、複数の円環のうち外側の２つの円環に設けられる。したがって、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とが複数の噴出口３６が形成する１０列の同心円環のうちの外側の２つの円環に設けられることから、径方向の外側において混合比を異なるように設定することで、振動発生部２０５による十分な励振力を確保することができると共に十分な強度の燃焼振動を発生させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器２０１にあっては、筒状に形成され内部に設けられたＬＯｘ流路２３から燃焼室３に向けてＬＯｘを噴射可能であるＬＯｘポスト２１と、ＬＯｘポスト２１の外周を覆って筒状に形成されＬＯｘポスト２１との間のＧＨ₂流路２７から燃焼室３に向けてＧＨ₂を噴射可能なスリーブ２２とを有すると共にそれぞれ低混合比噴出口２０７又は高混合比噴出口２０８に接続される複数の噴射器２を備え、ＬＯｘポスト２１は、ＬＯｘ流路２３面積を絞るオリフィス２０９を有し、オリフィス２０９は、低混合比噴出口２０７に接続される噴射器２と、高混合比噴出口２０８に接続される噴射器２とで異なる絞り量に設定される。したがって、ＬＯｘ流路２３面積を絞るオリフィス２０９を異なる絞り量に設定することで、各噴射器２にてＬＯｘ流路２３に取り込まれるＬＯｘの流量を調節することができ、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とでＬＯｘの流量を予め調節することができ、よって、燃焼器１全体での混合比を変えずに、低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とで噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比を確実に異ならせることができる。

図１４は、本発明の実施例３に係る燃焼器の噴射部壁面の径方向断面図である。実施例２に係る燃焼器は、実施例１、２に係る燃焼器と略同様の構成であるが、振動発生手段の構成が実施例１、２の燃焼器とは異なる。その他、実施例１、２と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

本実施例の燃焼器３０１は、図１４に示すように、振動発生手段としての振動発生部３０５を備える。振動発生部３０５は、噴射部３１に設けられ、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる。この振動発生部３０５は、燃焼室３の断面内での高次の圧力変動モードの燃焼振動を発生させる。さらに、振動発生部３０５は、所定の周波数の燃焼振動を発生させるための具体的な構成として、噴射部壁面３５に複数のキャビティ６を有し、噴射面３４に複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８を有する。振動発生部３０５が有する複数のキャビティ６は、実施例１の振動発生部５が有する複数のキャビティ６と同様の構成のものであり、振動発生部３０５が有する複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８は、実施例２の振動発生部２０５が有する複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８と同様の構成のものである。なお、振動発生部３０５が発生させる振動の周波数は、実施例１の振動発生部５が発生させる振動の周波数と同様である。

本実施例の燃焼器３０１のように振動発生部３０５が複数のキャビティ６と、複数の低混合比噴出口２０７、高混合比噴出口２０８との両方を有する場合、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、低混合比噴出口２０７群が設けられる領域Ｘと高混合比噴出口２０８群が設けられる領域Ｙとの境界Ｚがキャビティ６の周方向の端部と、この周方向に対して一致するように設ける。これにより、複数のキャビティ６によって励振される燃焼振動の位相と複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８によって励振される燃焼振動の位相とが一致する。つまり、図７で示した圧力変動モードの節に相当する直径線が一致することから、高次の周波数の圧力変動モードの振動をより確実に発生させることができる。なお、本実施例の燃焼器３０１では、キャビティ６を合計１６個設け、低混合比噴出口２０７群と高混合比噴出口２０８群とを各円環につき４組設けていることから、この振動発生部３０５は、４次の圧力変動モードの振動を発生させることができる。

このように本実施例の燃焼器３０１にあっては、内部で酸化剤としてのＬＯｘと燃料としてＧＨ₂とが混合して燃焼可能であると共に壁面３２に設けられた冷却通路３３を通過する燃焼前のも燃料としてのＬＨ₂により冷却可能である燃焼室３と、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部３０５とを備える。したがって、燃焼室３内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生部３０５を設けたことで、振動発生部３０５により燃焼室３内の燃焼ガスのみを積極的に高次の圧力変動モードで燃焼振動させることにより、この燃焼ガスの振動により燃焼室３内の燃焼ガスから壁面３２、冷却通路３３内のＬＨ₂への熱伝達を促進することができるので、例えば、壁面３２の軸方向に対する長さを長くするなどして伝熱面積を増やすことなく、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室３の壁面３２との熱伝達性能を向上させることができる。

さらに、このように本実施例の燃焼器３０１にあっては、ＬＯｘとＧＨ₂とを燃焼室３内方に向けて噴射可能な噴射面３４と、円筒状に形成され噴射面３４に立設される噴射部壁面３５とを有する噴射部３１を備え、振動発生部３０５は、噴射部壁面３５にこの噴射部壁面３５の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティ６と、噴射面３４に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射されるＬＯｘとＧＨ₂との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８を有し、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とは、各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられると共に低混合比噴出口２０７が設けられる領域Ｘと高混合比噴出口２０８が設けられる領域Ｙとの境界Ｚがキャビティ６の周方向の端部と、この周方向に対して一致している。したがって、複数のキャビティ６によって励振される燃焼振動の位相と複数の低混合比噴出口２０７及び高混合比噴出口２０８によって励振される燃焼振動の位相とが一致するので、高次の周波数の圧力変動モードの振動をより確実に発生させることができると共に十分な強度の燃焼振動を発生させることができる。

なお、上述した本発明の実施例に係る燃焼器及びロケットエンジンは、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、振動発生手段が発生させる振動の所定の周波数は、燃焼器、エンジンの構成部材の共振周波数（固有振動数）よりも高周波数に設定するものとして説明したが、可能であれば当該共振周波数よりも低周波数に設定してもよい。この場合でも構成部材の損傷を防止することができる。

また、以上の説明では、絞り部としてのオリフィス２０９をＬＯｘ流路２３に設けるものとして説明したが、ＧＨ₂流路２７にオリフィス２０９を設け、ＧＨ₂の流量を調節することで各混合比を設定してもよい。ただし、上述したようにＬＯｘの方がＧＨ₂より流速が遅いことからその流量を調節しやすく、各混合比の設定もＬＯｘの流量に基づいて行った方がより正確に設定することができる。さらに、以上の説明では、複数の低混合比噴出口２０７と高混合比噴出口２０８とで混合比を異ならせる構成として、絞り部としてのオリフィス２０９を用いるものとして説明したが、これに限らず、各混合比を異ならせるものであればなんでもよい。

本発明に係る燃焼器及びロケットエンジンは、コンパクトな構成で冷却燃料と燃焼室壁面との熱伝達性能を向上させるものであり、種々の燃焼器及びロケットエンジンに適用することができる。

本発明の実施例１に係る燃焼器の概略構成を示す模式的斜視図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的斜視図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的断面図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室壁面の径方向部分断面図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室壁面の軸方向部分断面図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器の噴射部壁面の径方向断面図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室断面内での圧力変動モードの一例を示した図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器の燃焼室における噴射面からの距離と燃焼ガス温度との関係を示す線図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器が適用されるロケットエンジンの概略配管系統図である。 本発明の実施例２に係る燃焼器の噴射面の正面図である。 本発明の実施例２に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的斜視図である。 本発明の実施例２に係る燃焼器に用いられる噴射器の概略構成を示す模式的断面図である。 本発明の実施例２に係る燃焼器における混合比のバラツキと熱負荷との関係を示す線図である。 本発明の実施例３に係る燃焼器の噴射部壁面の径方向断面図である。

符号の説明

１、２０１、３０１ 燃焼器
２ 噴射器
３ 燃焼室
４ ノズル
５、２０５、３０５ 振動発生部（振動発生手段）
６ キャビティ（振動発生手段）
２１ ＬＯｘポスト（内筒）
２２ スリーブ（外筒）
２３ ＬＯｘ流路（酸化剤流路）
２７ ＧＨ₂流路（燃料流路）
３１ 噴射部
３２ 壁面
３２ａ 壁面内筒
３２ｂ 中間層
３２ｃ 壁面外筒
３３ 冷却通路
３４ 噴射面（噴射部）
３５ 噴射部壁面（噴射部）
３６ 噴出口
５０ 燃料用ターボポンプ（ターボポンプ）
５１、６１ コンプレッサ
５２、６２ タービン
６０ 酸化剤用ターボポンプ（ターボポンプ）
７０ ミキサ
８０ 点火器
９０ 燃料供給ライン
９１ 酸化剤供給ライン
９２ 冷却媒体・ターボポンプ駆動媒体供給ライン
１００ エンジン（ロケットエンジン）
２０７ 低混合比噴出口（振動発生手段）
２０８ 高混合比噴出口（振動発生手段）
２０９ オリフィス（絞り部）

Claims (10)

1. 内部で酸化剤と燃料とが混合して燃焼可能であると共に壁面に設けられた冷却通路を通過する燃焼前の前記燃料により冷却可能である燃焼室と、
   前記燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段とを備えることを特徴とする、
   燃焼器。
2. 前記所定の周波数は、前記壁面の共振周波数とは異なる周波数に設定されることを特徴とする、
   請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記所定の周波数は、１０ｋＨｚ以上に設定されることを特徴とする、
   請求項１又は請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面と、円筒状に形成され前記噴射面に立設される噴射部壁面とを有する噴射部を備え、
   前記振動発生手段は、前記噴射部壁面に該噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティを有することを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器。
5. 前記キャビティは、前記酸化剤及び前記燃料の噴射方向に対して前記噴射面から１５ｍｍ以内の領域に設けられることを特徴とする、
   請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面を有する噴射部を備え、
   前記振動発生手段は、前記噴射面に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射される前記酸化剤と前記燃料との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口を有し、
   複数の前記低混合比噴出口と前記高混合比噴出口とは、前記各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器。
7. 前記酸化剤と前記燃料とを前記燃焼室内方に向けて噴射可能な噴射面と、円筒状に形成され前記噴射面に立設される噴射部壁面とを有する噴射部を備え、
   前記振動発生手段は、前記噴射部壁面に該噴射部壁面の周方向に対して対称な位置に各々設けられる複数のキャビティと、前記噴射面に同心の複数の円環状に位置して設けられると共に噴射される前記酸化剤と前記燃料との混合比が互いに異なる複数の低混合比噴出口及び高混合比噴出口を有し、
   複数の前記低混合比噴出口と前記高混合比噴出口とは、前記各円環の周方向に対して対称な位置に各々設けられると共に前記低混合比噴出口が設けられる領域と前記高混合比噴出口が設けられる領域との境界が前記キャビティの周方向の端部と、該周方向に対して一致していることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器。
8. 前記低混合比噴出口及び前記高混合比噴出口は、前記複数の円環のうち外側の２つの円環に設けられることを特徴とする、
   請求項６又は請求項７に記載の燃焼器。
9. 筒状に形成され内部に設けられた酸化剤流路から前記燃焼室に向けて前記酸化剤を噴射可能である内筒と、前記内筒の外周を覆って筒状に形成され前記内筒との間の燃料流路から前記燃焼室に向けて前記燃料を噴射可能な外筒とを有すると共にそれぞれ前記低混合比噴出口又は前記高混合比噴出口に接続される複数の噴射器を備え、
   前記内筒は、前記酸化剤流路面積を絞る絞り部を有し、
   前記絞り部は、前記低混合比噴出口に接続される前記噴射器と、前記高混合比噴出口に接続される前記噴射器とで異なる絞り量に設定されることを特徴とする、
   請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃焼器。
10. 内部で酸化剤と燃料とが混合して燃焼し燃焼ガスを発生可能であると共に壁面に設けられた冷却通路を通過する燃焼前の前記燃料により冷却可能である燃焼室と、
    前記冷却通路を通過した後の前記燃料により回転駆動されるタービンを有し、前記酸化剤と前記燃料とを各々前記燃焼室に供給可能な複数のターボポンプと、
    前記燃焼室に接続され、該燃焼室から噴射される前記燃焼ガスの出口を絞り込むことで推力を上げるノズルと、
    前記燃焼室内で所定の周波数の燃焼振動を発生させる振動発生手段とを備えることを特徴とする、
    ロケットエンジン。

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