JP2009150401A - ロケットエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】低コスト、軽量ロケットエンジンを提供する。
【解決手段】燃料、酸化剤を第1の燃焼室34へ噴射する第1のロータリー噴射装置76、第2の回転噴射装置を備え、第1の燃焼室からの流出流体(によりロータリー噴射装置76、142を回転させるタービン40が駆動される。第1の燃焼室34内の混合物は、可燃成分が多いことが好ましく、第2の燃焼室36において第3のロータリー噴射装置182により噴射される付加的な酸化剤と混合して、推進に適した高温度の流出流体を生成する。ロータリー噴射装置76、142、182は、関連する回転圧力トラップ86、146、174と適合して、燃焼室34、36における比較的大きい圧力から小さい圧力の推進剤の供給源を分離する。第1の燃焼室34からの可燃成分の多い流出流体の一部分が、燃焼室34、36を取り囲んでいる環状路198、204を通って、第2の燃焼室36の表面の流出流体の冷却を行う。
【選択図】図1
【解決手段】燃料、酸化剤を第1の燃焼室34へ噴射する第1のロータリー噴射装置76、第2の回転噴射装置を備え、第1の燃焼室からの流出流体(によりロータリー噴射装置76、142を回転させるタービン40が駆動される。第1の燃焼室34内の混合物は、可燃成分が多いことが好ましく、第2の燃焼室36において第3のロータリー噴射装置182により噴射される付加的な酸化剤と混合して、推進に適した高温度の流出流体を生成する。ロータリー噴射装置76、142、182は、関連する回転圧力トラップ86、146、174と適合して、燃焼室34、36における比較的大きい圧力から小さい圧力の推進剤の供給源を分離する。第1の燃焼室34からの可燃成分の多い流出流体の一部分が、燃焼室34、36を取り囲んでいる環状路198、204を通って、第2の燃焼室36の表面の流出流体の冷却を行う。
【選択図】図1
Description
本発明は概して液体推進ロケットエンジンに関し、より具体的には液体推進剤をポンピングするためのターボ機械とロケットの主燃焼室とを一体化した液体推進ロケットエンジンに関する。
例えば米国特許第4,879,874号、同第4,901,525号、および同第5,267,437号に教示されるような液体燃料ロケットエンジンは通常、主ロケットノズルとは別個の、液体推進剤を主ロケットノズルに噴射する前に加圧し、かつ/または気化するためのターボ機械を用いる。さらに、1つまたはそれ以上の推進剤成分が関連ポンプ回路を介して主ロケットノズルを冷却するようになっている場合もある。したがって、このようなシステムは概して高価で複雑であり、かつ付加された複雑さが信頼性を損なう傾向がある。
米国特許第3,541,793号および同第3,577,735号は液体推進剤が、液体燃料を加圧するポンプおよび液体酸化剤を加圧するポンプにより加圧されるターボロケットエンジンを教示する。推進剤成分の一つがまず冷却のために主燃焼室の壁を通して吐出され、次に予燃焼室に吐出される。別の推進剤成分の一部が予燃焼室に吐出され、残りの部分は主燃焼室に吐出される。予燃焼室からの流出流体(エフルエント;effluent)はタービンを駆動し、タービンは各ポンプを駆動する。次に流出流体は主燃焼室に吐出される。吐出ノズルは各燃焼室に対して固定されており、タービンに負担をかけるばかりか予燃焼室内の温度変化をもたらす可能性がある。さらに、主燃焼室の冷却のために液体推進剤を用いることはコスト、複雑さおよび重量を増す。
米国特許第4,769,996号および同第4,870,825号は回転圧力トラップが組み込まれた回転式液体燃料噴射装置を教示するが、これらの装置は気体の酸化剤を用いるタービンエンジンに組み込まれる。これらの特許はいずれも、燃料と酸化剤成分の両方をロータリー噴射するターボロケットエンジンの提供を教示しない。
米国特許第5,323,602号は冷却媒体として空気を用いる、ガスタービン用の噴散冷却系(effusion cooling system)を教示する。この特許はターボロケットエンジンを教示せず、また、予備燃焼室からの燃焼ガスの、主燃焼器冷却のための利用も教示しない。
本発明は、通常、ロケット推進主燃焼室に関連付けられる機能と、通常、液体ロケットエンジンに用いられるターボポンプに関連付けられるターボ機械とを一体化したターボロケットエンジンを提供し、これにより、通常、液体ロケットエンジンに関連付けられるポンプ冷却回路(pumping and cooling circuitry)の大部分を排除することで上記の問題を克服する。結果的に従来技術の液体ロケットエンジンよりもはるかに低コストで低重量の推進システムとなる。
液体燃料および液体酸化剤は比較的低圧力で、圧力タンクから、部分燃焼された流出流体の温度をタービンが許容し得るよう比較的高い燃料/酸化剤比で動作する予備燃焼器が生じる燃焼流出流体を動力源とする圧力比の比較的低いタービンにより駆動されるロータシステム内の別々の箇所へ供給される。液体燃料および液体酸化剤の流量は、別個のスロットルコントロールで比較的低い供給圧に制御されるが、この別個のスロットルコントロールにより低コストで信頼性の高い改善された制御ができる。ロータシステムに組み込まれた回転圧力トラップが各スロットルコントロールの圧力の比較的低い出口を予備燃焼器および主燃焼器の比較的高い圧力から分離する。
ロータシステムは遠心ポンプ手段により液体燃料および液体酸化剤に回転運動エネルギおよび遠心力を与える。遠心ポンプ手段は中空シャフト部の外壁の内側表面に1つまたはそれ以上の縦リブまたはベーンを含み、この中空シャフト部は隣接するリブまたはベーン間に設けられた1つまたはそれ以上の関連する溝と連通する1つまたはそれ以上の吐出オリフィスを有する。一般的に吐出オリフィスにおける圧力低下は比較的小さく、通常動作中、吐出オリフィスは必ずしも液体で満たされる必要はない。また、溝と吐出オリフィスとの間には一対一の関係が一般的であるが、機械バランスの制約によっては1つの溝に1つ以上の吐出オリフィスが連通する場合も、吐出オリフィスが1つも連通しない場合もある。さらに、吐出オリフィスは一般的にはサイズと向きが統一されているが、機械バランスの制約によっては吐出オリフィス間でサイズと向きが異なる場合がある。液体はリブまたはベーンにより回転され、かつ吐出オリフィスを通して遠心加速され、この吐出オリフィスは注入された液体に十分な半径方向速度および円周速度を与えるため、完全な混合および分布が可能となる。しかしながら、本発明の遠心ポンプ手段は、従来の多くの遠心ポンプに組み込まれているような、運動エネルギを圧力エネルギに再変換するディフューザを備えていない。液体燃料の全ておよび液体酸化剤の一部がロータリー噴射により予備燃焼器に注入され、次にこの予備燃焼器内で混合され、気化され、かつ部分的に燃焼される。予備燃焼器が生じる流出流体の温度は関連する燃料/酸化剤の混合比により制御される。このロータリー噴射方法は予備燃焼器内の関連する環状燃焼部内の温度分布をより均一にし、タービンが材料依存性のピーク動作温度により近い温度で動作することを可能にする。
液体燃料と液体酸化剤の両方が遠心ポンピングされる。したがって、ロータシステムは同心円状の穴部を備えており、液体酸化剤は中空メインシャフトの中心から供給かつポンピングされ、液体燃料はこの中空メインシャフトの中心と同心円状の環状室からポンピングされる。リブ/ベーンおよび吐出オリフィス等といった遠心ポンプの構成部は、機械バランスを壊さないような構成・サイズとする。しかしながら、リブ/ベーン、および/または吐出オリフィス間はこの制約に従い非均一に間隔を置かれる場合がある。
予備燃焼器からの流出流体の一部は予備燃焼器ライナを抜け、主燃焼器ライナの外側を通って、噴散冷却穴から流出流体主燃焼器へ送り込まれ、噴散冷却により主燃焼器を冷却する。液体または気体である燃料の一部はまた、予備燃焼器ライナを通って予備燃焼器を冷却し、主燃焼器ライナの冷却に使用される流出流体流と合流してもよい。さらに、噴散冷却ガスの一部が主燃焼器内に排出されて収束/発散ノズルの境界層を冷却する。
予備燃焼器および主燃焼器に送達される液体酸化剤の相対量は主ロータシステム内の液体酸化剤分配系の設計により設定される。液体酸化剤のポンプからの流出液はポンプ出口において分流され、このうちの小さいほうの流れが、酸化剤を予備燃焼器へ送達するロータリー噴射装置に供給される。ロータリー噴射装置はまた回転圧力トラップを備えて予備燃焼器圧力を主燃焼器圧力から分離し、これにより二圧力間の予備燃焼器ガスがロータリー噴射装置を通って流れるのを防ぐ。液体燃料の一部も同一軸平面に近接した同様のロータリー噴射装置に供給され、二液がシャフト系から吐出される際に混合され霧化されることとなる。混合液の燃焼はこの混合および霧化と同時に行われる。混合を補助し、かつ混合比を制御してガスがタービンに達する際の温度を適温にするために、追加の液体燃料が予備燃焼器に注入される。したがって、燃料/酸化剤の混合比は予備燃焼器内の特定の部位で制御でき、燃焼特性を改善する。
高温トーチのような点火装置を用いて予備燃焼器内の燃焼を開始させ、この後、燃焼は自動継続する。予備燃焼器内の燃焼の熱が、予備燃焼器ライナおよび/または主燃焼器ライナの冷却に使用された液体燃料の全てを含む、注入された液体燃料とこの予備燃焼器に注入された液体酸化剤とを気化させる。
予備燃焼器からの流出流体の大部分はタービンを駆動したあと主燃焼器に直接流入する。予備燃焼器および/または主燃焼器の冷却に使用されたこの流出流体およびガスは混合されて、ポンプ構成部をタービンに接続する中空シャフトの中心から供給され、このシャフトから流出する際に遠心ポンプ装置を介してロータリー噴射により主燃焼器内へ直接注入される液体酸化剤の残りの部分とともに燃焼される。この高速回転噴射が素早く気化する液体酸化剤を霧化し、タービンを出て直接主燃焼器へ流れ込む、可燃成分の多い高温ガスの燃焼を完了させる。主燃焼器の高温の燃焼ガスにさらされる中空シャフトの先端は、それ自体から気体酸化剤を放出することにより自動的に冷却または換気するように構成される場合がある。この中空シャフトの先端はさらに、もしくは代替的に研磨あるいは被覆されて高温の燃焼ガスから断熱される場合がある。最終的もしくは全体的な燃料/酸化剤の混合比は、関連する推進タンクの相対的なサイズに対する制約によって決まる最大推力のような特定の目標関数に従って調節される。
本発明は代替的に、予備燃焼器に先立ってシャフトの外側に戴置される、液体燃料をターボロケットエンジンにポンピングし噴射するためのラジアルポンプまたはアキシャルポンプのいずれかを備えてもよい。さらに液体酸化剤ポンプを、予備燃焼器と主燃焼器の間で液体酸化剤流が分流される箇所の下流に配置できる。
したがって、本発明の目的は低コストのターボロケットエンジンを提供することである。
本発明の別の目的は、信頼性の向上したターボロケットエンジンを提供することである。
上記の目的によると、本発明の特徴は燃料と酸化剤の両方が液体として各燃焼室に注入されることである。
本発明の別の特徴は、燃料と酸化剤の両方が低温液体として各燃焼室に注入されることである。
本発明のさらなる特徴は予備燃焼器と主燃焼器と、この両燃焼器間にタービンとを備えたことであり、タービンは液体燃料の全ておよび液体酸化剤の一部を予備燃焼器内にポンピングするポンプ装置を駆動し、燃料/酸化剤の混合比は予備燃焼器の流出流体温度をタービンが許容し得るように制御され、液体酸化剤の残りの部分は全体的な燃焼が最良となるよう予備燃焼器/タービンからの流出流体と混合される。
本発明のさらなる特徴は、液体燃料および液体酸化剤をそれぞれポンピングし噴射するための蒸気コア(vapor core)遠心ポンプを備えたことである。
本発明のさらなる特徴は、液体燃料と液体酸化剤が回転噴射により各燃焼室に注入されることである。
本発明のさらなる特徴は、液体推進剤を燃焼室の圧力から分離する回転圧力トラップを備えたことである。
本発明のさらなる特徴は、液体燃料と液体酸化剤を、関連する圧力タンク等からの関連する比較的低い供給圧力で制御することである。
本発明のさらなる特徴は、主燃焼器を予備燃焼器からの流出流体で噴散冷却することである。
本発明の上記の特徴は多数の関連する利点を提供する。従来技術に関する本発明の利点は、従来の液体推進剤ロケットエンジンに関連する配管および機械装置の相当数を排除することでコストを削減し、かつ信用性を高めることが可能であることである。
本発明の上記ならびにその他の目的、特徴、および利点は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を添付図面を参照して読み、かつ添付の特許請求の範囲に従って考慮すればより完全に理解されよう。本明細書は本発明の、液体水素および液体酸素を動力源とする液体推進剤ターボロケットとしての適用を例示するものであるが、本発明は液体燃料と液体酸化剤を含むあらゆる液体二推進剤(bi-propellant)装置にも適用可能であることが当業者には理解されよう。
図1、図2aおよび図2bを参照すると、第1の端12および第2の端14を備えるロケットエンジン10は、推力を第2の端14から軸16に沿って出力する。第1の推進剤成分18’(例えば液体酸素18)および第2の推進剤成分20’(例えば液体水素20)は、それぞれ供給源22’(例えば第1の圧力タンク22)および供給源24’(例えば第2の圧力タンク24)から、それぞれ第1の注入口26’(例えばスクロール26)および第2の注入口28’(例えばスクロール28)を介して、液体酸素18および液体水素20を第1の燃焼室34’(例えば予備燃焼器34)、および第2の燃焼室36’(例えば主燃焼器36)内へポンピングするためのポンプ手段32を含む1個のロータシステム30へと供給される。予備燃焼器34の出口39からの流出流体38の少なくとも一部は、ロータシステム30を回転させるタービン40を駆動する。水素の全てまたはほとんどが予備燃焼器34に供給されるが、この予備燃焼器34は、流出温度をタービン40が十分に許容できるレベルに上げるのに必要な量の酸素のみ受け取る。タービン40から排出される水素に富む流出流体38は、タービン40を迂回する(bypass)あらゆる水素とともに主燃焼器36に供給され、この主燃焼器36において酸素の残りが導入されて、その個々の燃料/酸化剤装置に適した主燃焼器36内の全体的な燃料/酸化剤の混合比を得る。これにより主燃焼器36内の燃焼によりロケットエンジンに通常関係付けられる非常に高い温度を得る。例えば、液体水素(LH2)/液体酸素(LO2)装置において、酸化剤/燃料の質量比は約5.5:1が好ましいが、燃焼を維持できる任意の既知の混合比もしくは混合比範囲であり得る。例えば、望ましくない程大きな液体水素貯蔵タンクが必要となるという不都合が伴うものの、LH2:LO2混合比2.8:1で最高の推進力が得られる。
図3を参照すると、ロータシステム30は、互いに隣接し結合され開放している第1の中空シャフト部46および第2の中空シャフト部48を有するシャフト44を具備している。第2の中空シャフト部48の少なくとも一部の内径は第1の中空シャフト部46の内径よりも大きい。液体酸素18は酸素タンク22から約30psigの圧力で、ロケットエンジン10の第1の端12にある酸素スクロール26へと供給され、複数の導流ベーン(flow directing vanes)49を通り、さらに第1の中空シャフト部46の第1の端52の内部を貫いて延在する固定管50へと供給される。ロケットエンジン10に供給される酸素の量は、固定管50からの酸素の流れを制限する制御された第1のスロットル制限部56を成す可動性の円錐形スロットル要素(conical throttle element)54によって調節される。この円錐形スロットル要素54は第1の制御器60によりロケットエンジン10の第1の端12から作動されるロッド58によって位置決めされる。
第1のスロットル制限部56を通過する液体酸素18は回転シャフト44の第2の中空シャフト部48の内部62に送られるが、この内部62は少なくとも1つのスクリュー状の羽根を具備する第1の誘導体(inducer)64を備える。この少なくとも1つのスクリュー状の羽根は、液体酸素18に軸方向および回転方向の加速度を組み合わせて与えることで、液体酸素18のシャフト44と一緒の回転を生じさせ、またこの回転の発生による機械的攪拌の結果として生じるジュール熱およびこれに伴う気化を最小限に抑える。シャフト44の回転は、液体酸素18がシャフト44の内側表面66に引き付けられる遠心力を生じ、これにより気化酸素68をシャフト44の中心70に追いやるが、この中心70は少なくとも1つの換気ダクトにより固定管50の外部に向けて換気している。第1の中空シャフト部46は第2の中空シャフト部48より内径が小さいため、液体酸素18と気化酸素68を遠心分離すると、回転する第1の中空シャフト部46には気化酸素68が満ち、この気化酸素68は固定された第1の環状換気室(vent chamber)72へ流出し、換気口73を通り、さらに固定された第2の環状換気室74へ流出する。気化酸素68はこの第2の環状換気室74よりロケットエンジン10の外へ排気される。
予備燃焼器34内の、シャフト44、特に第2の中空シャフト部48に結合された第1の回転噴射器76は、注入口80および予備燃焼器34と流通している少なくとも1つの第1のロータリーオリフィス78を具備する。注入口80は、第1の中空シャフト部46の内部82および第2の中空シャフト部48の内部62内の関連する流路(fluid path)を通して液体酸素18を供給する酸素スクロール26と流通する。第1のロータリーオリフィス78はシャフト44とともに、シャフト44の軸16を中心に回転する。第1の回転噴射器76は、注入口90および出口92を有する第1の流路88を含む少なくとも1つの第1の回転圧力トラップ86をさらに備え、かかる注入口90および出口92は第1の流路88にわたってその長さ方向に流通している。この第1の流路88は回転軸16を中心に回転されると、第1の流路88内のどの点における遠心加速度も、その注入口90または出口92の何れにおける遠心加速度を上回るよう構成される。
図1および図4を参照すると、第2の中空シャフト部48は、複数の縦リブ96および溝98を内部に有する第3の中空シャフト部94をさらに具備する。複数の縦溝98は、酸素スクロール26と第1の回転噴射器76の間の流路100の一部を成す。サイズの均一な縦溝98に関しては、それぞれの縦溝98は第1のインデューサ64から等しい流量の液体酸素18を受け取る。しかしながら、回転のバランスの制約の中で、これらの縦溝98のサイズは均一でない場合があり、これに付随して液体酸素の流量も各縦溝98間で非均一となる。少なくとも1つの第1の溝102は第1の回転噴射器76の注入口80と流通している。第2の中空シャフト部48は第4の中空シャフト部104をさらに具備し、この第4の中空シャフト部104内には少なくとも1つの第2の溝106が、第3の中空シャフト部94から第4の中空シャフト部104へと内部に沿って延在する。図5を参照すると、第4の中空シャフト部104まで延在していない第1の溝102は、第3の中空シャフト部94と第4の中空シャフト部104の間で関連する環状ダム部(annular dam segment)108によってふさがれている。
第1の溝102に沿って流れる液体酸素18は、各々の第1のロータリーオリフィス78を通って予備燃焼器34へと流出する。縦溝98、特に第2の溝106に沿って流れる液体酸素18の残りの部分は、各々の第3のロータリーオリフィス109を通って主燃焼器36へと流出するが、液体酸素18の予備燃焼器34および主燃焼器36への相対流量(relative flows)は、各燃焼器内の混合比を制御するよう、特に予備燃焼器34内の混合液が主燃焼器36の混合液よりも実質的により濃厚であり、かつ実質的により低い温度で燃焼するように調節される。この装置により予備燃焼器34への液体酸素流量を別にサーボ制御する必要がなくなる。好適には、第1のロータリーオリフィス78を通して予備燃焼器34へと排出する1個の縦溝98に対して、5個の割合の縦溝98が第3のロータリーオリフィス109を通して主燃焼器36へと排出する。液体酸素18を回転シャフト44から予備燃焼器34および主燃焼器36へと放射状噴射することにより、液体酸素18の両燃焼器内での均一な円周分布および霧化が得られる。
図1、図2aおよび図2bを参照すると、液体水素20は関連する加圧された水素タンク24から、約15psigの圧力で水素スクロール28へと送達される。液体水素20は、水素スクロール28から、スロットルリング112によって制御される第2のスロットル制限部110を通って半径方向内側に流れる。このスロットルリング112は、ケース116を貫通しているとともに、第2の制御器118に連結されている少なくとも1つの制御棒114により位置決めされる。
第2のスロットル制限部110の下流では、液体水素20は、その流れの向きを半径方向内側から軸方向へと変える湾曲した環状フローダイバータ(変流部;diverter)120を通る。この環状フローダイバータ120は、ベーンを備えて流れに前旋回(pre-swirl)を付与する場合がある。液体水素20は湾曲した環状フローダイバータ120から、ロータシステム30内の環状ダクト124の内部122へと流出し、さらにこの内部122の中に設けられてこれとともに回転する第2のインデューサ126へと流出する。第2のインデューサ126は、少なくとも1つのスクリュー状のベーンを具備する。この少なくとも1つのスクリュー状のベーンは液体水素20に軸方向および回転方向の加速度を組み合わせて与えることで液体水素20のシャフト44と一緒の回転を生じさせ、またこの回転の発生による機械的攪拌の結果として生じるジュール熱およびこれに伴う気化を最小限に抑える。第2のインデューサ126の下流では環状ダクト124が径方向に伸延し、遠心力が環状ダクト124内の液体水素20をその最外部128へ引き付けられるようにし、それにより環状ダクト124内の気化水素130をその内部122へ追いやる。
第2の中空シャフト部48の外側と湾曲した環状フローダイバータ120構造との間に配置された第1のラビリンスシール134が、環状ダクト124から第1の換気ダクト136を通って第3の環状換気室138へ抜ける気化水素130の漏れを計量する。気化水素130はこの第3の環状換気室138よりロケットエンジン10の外へ排気される。ロータリー環状ダクト124の外側と、固定された第3の環状換気室138との間で動作する第1のシール(例えばカーボンシール)140が、固定された環状フローダイバータ120からの、ロータリー環状ダクト124の周りを巡り固定された第3の環状換気室138へと抜ける水素の漏れを閉じ込める。
液体水素の主要の流れは、回転環状ダクト124から、予燃焼器34内のシャフト44に、特に第2の中空シャフト部48に結合された第2のロータリー噴射装置142へ外向きに供給される。第2のロータリー噴射装置142は、環状ダクト124および予燃焼室34と流通している少なくとも1つの第2のロータリーオリフィス144を備える。第2のロータリーオリフィス144は、その回転軸16を中心にシャフト44とともに回転する。第2のロータリー噴射装置142はさらに、少なくとも1つの第2の回転圧力トラップ146を備えており、この第2の回転圧力トラップ146は、第2の流路の長さ方向に沿って第2の流路で流通している注入口150および排出口152を有する第2の流路148を備える。第2の流路148は、回転軸16を中心に回転した際に、第2の流路148内のどの地点における遠心加速度も、注入口150または排出口152の何れにおける遠心加速度よりも大きくなるように適合される。図2a、図3、および図6を参照すると、各第2の回転圧力トラップ146の各排出口152は、環状マニホルド154と流通しており、この環状マニホルド154は、複数の放射状ベーン158によって複数の放射状室160に分割された環状室156と流通しており、その放射状室160の少なくともいくつかは、それぞれ第2のロータリーオリフィス144へ解放される。
作動時に、放射状ベーン158は、環状室156内の液体水素20をそれとともに回転させ、その結果生じる遠心力により、回転している液体水素20中に大きな圧力勾配、および第2のロータリーオリフィス144において高い放圧がもたらされる。第2のロータリーオリフィス144は、軸方向に種々の位置に配置されて、予燃焼器34内に改善された混合および燃焼をもたらすことが好ましい。さらに、第2のロータリーオリフィス144の一部および全ては、半径方向に対して角度づけされていてもよい。関連した第2のロータリーオリフィス144の位置、向き、およびサイズは、回転装置30が機械的にバランスをとれるように適合されている。
通常の流速で、液体水素20は、環状ダクト124または環状室156のいずれかを完全に満たさず、環状ダクト124と環状室156が蒸気コアポンプ(vapor core pump)として集約的に作用する。第2の回転圧力トラップ146の第2の流路148は、液体水素20で充填されている状態のままであり、それによって、第2の回転圧力トラップ146の下流の領域から高圧の気化ガスが逆流するのを防止する。
第2の中空シャフト部48はさらに、それぞれ第2の中空シャフト部48の第1の端168および第2の端170に近接している閉端164および第2の端166を有するシャフト・ライナ162を備えており、シャフト・ライナ162の閉端164は、第3の回転圧力トラップ174の境界部172を形成するように成形されている。第3の回転圧力トラップ174は、第3の流路の長さ方向に沿って第3の流路で流通している注入口178および排出口180を有する第3の流路176を備える。第3の流路176は境界部172によって、回転軸16を中心に回転した際に、第3の流路176内のどの地点における遠心加速度も、注入口178または排出口180のいずれにおける遠心加速度よりも大きくなるように適合されている。
主燃焼器36内に配置された第3の回転噴射装置182は、少なくとも1つの第2の溝106および主燃焼器36と流通している第2の中空シャフト部48の第2の端170に、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィス109を備えており、少なくとも1つの第2の溝106は、酸素スクロール26からの流路において、第3の回転圧力トラップ174の排出口180と流通しており、酸素スクロール26は第3のロータリーオリフィス109に液体酸素18を供給する。第3のロータリーオリフィス176は、シャフト44に、特に、第4の中空シャフト部104に結合され、シャフト44とともにその回転軸16を中心に回転する。
作動した際に、圧力酸素タンク22からの液体酸素18が、第1の中空シャフト部46の内側の固定管50の内部を通って、第1のスロットル制御部56から第2の中空シャフト部48へ外向きに噴射され、第1のインデューサ64により回転的に加速され、液体酸素18をシャフト44とともに回転させる。その結果として生じる遠心力は、シャフト44の中心70からの半径の二乗に比例して液体酸素18を加圧し、それにより液体酸素18を第2の中空シャフト部48の内面に沿って流出させる。液体酸素18は第3の回転圧力トラップ174の第3の流路176を満たし、十分なシャフトの速度により、第3の流路176は、第3の回転圧力トラップ174の下流での主燃焼器36の高い圧力を、第3の回転圧力トラップ174の上流での液体酸素18の比較的低い圧力と分離するのに十分な量の液体酸素18を保っている。
本明細書に参照により援用される、米国特許第4,870,825号の技術によれば、回転圧力トラップは注入口および排出口を有する流路を備え、流路は、回転圧力トラップが回転した際に、流路内のどの点における遠心加速度も、注入口または排出口の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合されている。したがって、流路が、かかる液体のような比較的高い濃度の媒体で満たされる場合、注入口および排出口の放射レベルは、その間に圧力差がない場合と等しく、そうでない場合には、圧力差および回転速度の大きさに依存している量だけ等しくないであろう。したがって、排出口で比較的高い圧力領域に供給する回転圧力トラップの注入口へ比較的低い圧力の液体供給がある場合には、回転圧力トラップは、蒸気がそこを通って逆流することを防止することができる。
したがって、第1の回転圧力トラップ86は、主燃焼器36の圧力での第1のロータリー噴射装置76の注入口80における液体酸素18を、予燃焼器34の比較的圧力の高いガスと分離する。同様に、第2の回転圧力トラップは、供給圧力での環状ダクト124における液体水素20を、予燃焼器34の比較的高い圧力ガスと分離する。さらに、第3の回転圧力トラップ174は、供給圧力での第1のスロットル制御部56からの液体酸素18を、予燃焼器34の比較的高い圧力ガスと分離する。
好ましくは、第2のロータリーオリフィス144が予燃焼器34内に完全に噴射する。しかしながら、第2のロータリーオリフィス144のいくつかは、液体水素20のバイパス流185を、予燃焼器34および主燃焼器36の双方を冷却する目的で、予燃焼器ライナ188の外側に導く第1のポート186を通して噴射するように適合され得る。水素流の最大50%までが予燃焼器ライナ188の外側へ方向づけられ得る。残りの水素流は、液体酸素18を噴射した第2のロータリーオリフィス78に近接して予燃焼器34へ噴射される。高い角速度で回転する回転装置30は、そこから噴射される液体水素20および液体酸素18に実質的な接線速度を与え、その結果として、予燃焼室34内の環状領域190内に十分に混合された水素/酸素混合液が生じ、それによって、化学トーチまたは放電機(electrical spark)またはプラズマ装置などの点火装置192によって一度点火された燃焼室を維持する。
予燃焼器34からの流出流体38の第1の部分194は、予燃焼器ライナ188の少なくとも1つの第1のオリフィス196を介して、予燃焼器ライナ188を少なくとも部分的に取り囲んでいる第1の環状路198へ、燃焼器ライナ支持構造202の第2のポート200を介して、第2の環状路204へ、主燃焼器ライナ208の複数の流出流体冷却孔(effusion cooling hole)206を介して、流出する。
予燃焼室34からの流出流体38は、適度な温度、たとえば1.200゜Fで非常に可燃成分の多い(すなわち過剰水素)混合物である。流出流体38の第2の部分210は、負荷の軽い単一のステージ軸タービン(stage axial turbine)40により方向づけられ、このタービンは水素および酸素の流路に固有のポンプ手段32を駆動するのに略十分な力のみを生じ、ポンプ手段32は、液体酸素18および液体水素20に運動エネルギーを与える、種々のインデューサおよび回転装置30のリブ/ベーン付き部分を備える。
タービン40による圧力低下は、比較的高い圧力の予燃焼器34からの流出流体38の第1の部分194を、比較的低い圧力の主燃焼器36へ流出させるのに十分である。予燃焼器ライナ188の外側に方向づけられた液体水素20のバイパス流185は、予燃焼器ライナ188の熱から、および予燃焼器ライナ188へ流れ込む流出流体38の第1の部分194から液体水素20を気化させるのに十分な熱を吸収する。
タービン40から主燃焼器36へ噴射された流出流体38の比較的可燃成分の多い第2の部分210を、流出流体冷却孔206からの比較的可燃成分の多い流出流体冷却ガス212と、および少なくとも1つの第3のロータリーオリフィス109から回転的に噴射される液体酸素18と混合して、十分な推進効果を達成するのに必要な高温の流出流体214を生成する。高温度の流出流体214は、従来の方式の収束/発散ノズル216を介して拡散する。ノズル・スロート220と同じくらい下方の、収束/発散ノズル216の表面218は、主燃焼器ライナ208に沿って流れる流出流体冷却ガス212により冷却される。収束/発散ノズル216の発散部分222は、取り替え可能なアブレーティブ材料224と一線上にあることが好ましい。
環状室156からの冷たい気化水素226の少量部分は、少なくとも1つの第2のオリフィス228を介して第2の環状室230へ流出し、次に、タービン40を支持するスプラインブッシュ234の少なくとも1つの第3のオリフィス232を介して、ブッシュ234内の第3のオリフィス236を介して、ブッシュ234内の少なくとも1つの第4のオリフィス238を介して、タービン端部軸受け囲い(turbine end bearing enclosure)240へ流出して薄膜第1の軸受け(foil axial bearing)242を冷却し、複数の第2のラビリンスシール244を介して、主燃焼器36へ流出する。タービン端部軸受け囲い240はまた、第3のラビリンスシール246により予燃焼器34から密閉されている。
たとえばヘリウムなどの圧力不活性ガス248で満たされた少なくとも1つの環状緩衝室は、第1の推進剤成分18’と、第2の推進剤成分20’とを分離して、第1の燃焼室34’または第2の燃焼室36’内以外の位置で、その2つの間の可燃性混合物の生成を防止する。少なくとも1つの環状緩衝室の圧力不活性ガス248の圧力は、その環状緩衝室に隣接する室のいずれかの推進剤成分の圧力よりも大きい。図2aを参照すると、第1の環状緩衝室250は、圧力不活性ガス248の流れを収納するように適合されており、この圧力不活性ガス248の流れは、ロケットエンジン10の始動のために小型の衝動タービン252に向けられている。第2の環状緩衝室254の圧力不活性ガス248は、たとえばカーボンシールなどの第2のシール256によって、第1の環状換気室72と第2の環状緩衝室254との間での酸素の供給から密閉されている。第3の環状緩衝室258の圧力不活性ガス248は、たとえばカーボンシールなどの第3のシール260によって、第3の環状換気室138と第3の環状緩衝室258との間での水素の供給から密閉されている。少なくとも1つの第4の環状緩衝室262の圧力不活性ガス248は、薄膜の第2軸受け264、および推力反動回転子(thrust reaction rotor)270を支える薄膜の第1の推力軸受け266および第2の推力軸受け268を冷却する。
例示的な装置において、毎秒約9.3ポンドの流速で圧力タンクから予燃焼器へと流出する約40psigでの液体水素は、毎秒約9.3ポンドの流速で流出する約40psigで圧力タンクから予燃焼器へと供給される液体酸素と反応して、約220psigの圧力で約1300゜Fの温度の流出流体を生成する。予燃焼室からのこの流出流体は、液体推進剤成分に回転的な運動エネルギーを与えるタービンを駆動する。予燃焼器からのこの流出流体は次に、さらに、主燃焼器において毎秒41.8ポンドの付加的な酸素と反応して、約200psigの圧力で約5400゜Fの温度の流出流体を生成し、これによって、真空下で約25,000ポンドの推力がもたらされる。
当業者には、本発明は、液体水素以外の液体燃料、および液体酸素以外の液体酸化剤に容易に適用できることを理解されよう。したがって、液体水素が液体酸素に対するよりも、関連する液体酸化剤と比べて比較的可燃成分の多い液体燃料を用いて作動する場合、液体燃料のポンピングおよび供給システムに関連する環状室の直径は、液体酸化剤を運ぶ室/シャフトの直径に対して比較的小さいであろう。さらに、好ましい幾何学的構成は、作動時の圧力および温度での推進剤成分の作動速度および付随する特性のよって決まる。
特定の態様を、上記の詳細な説明において詳しく説明され、添付の図面において例示されてきたが、当業者には、本開示の全体の教示に鑑みて、その詳細について種々の変更および代替を行えることが理解されよう。したがって、開示された特定の構成は、一連の添付の請求の範囲およびそのいずれのすべての等価物により与えられる本発明の範囲に関して、例示のみを意図するものであって、限定するものではない。
Claims (117)
- ロケットエンジンであって、
a.第1の推進剤成分の供給源から第1の推進剤成分を収納するように適合されている第1の注入口と、
b.第2の推進剤成分の供給源から第2の推進剤成分を収納するよう適合されている第2の注入口と、
c.排出口を備える第1の燃焼室と、
d.第1の回転軸を有する少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスを備える第1の燃焼室内の第1のロータリー噴射装置であって、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスは、第1のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口、および第1の燃焼室と流通しており、第1のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口は、ロケットエンジンの第1の注入口と流通している、第1のロータリー噴射装置と、
e.第2の回転軸を有する少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスを備える第1の燃焼室内の第2のロータリー噴射装置であって、少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスは、第2のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口、および第1の燃焼室と流通しており、第2のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口は、ロケットエンジンの第2の注入口と流通している、第2のロータリー噴射装置と、
を備えるロケットエンジン。 - 第1の推進剤成分の供給源は第1の圧力タンクを備え、第2の推進剤成分の供給源は第2の圧力タンクを備える、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分は燃料を含み、第2の推進剤成分は酸化剤を含む、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第1および第2の推進剤成分はそれぞれ液体である、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第1および第2の推進剤成分はそれぞれ低温液体である、請求項4に記載のロケットエンジン。
- 第1および第2の推進剤成分は、不活性ガスを含有する少なくとも1つの室によって少なくとも1つの位置で互いに分離されている、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 不活性ガスの圧力は、第1の推進剤成分の圧力および第2の推進剤成分の圧力からなる群から選択される圧力の最大圧力よりも大きく、それにより、第1の推進剤成分および第2の推進剤成分からなる群から選択される推進剤成分が少なくとも1つの室へ流れ込むことを防止する、請求項6に記載のロケットエンジン。
- 第1のロータリー噴射装置は、第1の燃焼室の圧力を第1のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口における圧力と分離するように適合されている、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第2のロータリー噴射装置は、第1の燃焼室の圧力を第2のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口における圧力と分離するように適合されている、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第2のロータリー噴射装置は、第1の燃焼室の圧力を第2のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口における圧力と分離するように適合されている、請求項8に記載のロケットエンジン。
- 第2の回転軸は第1の回転軸と一致している、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第1のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口は、第1の流路を通ってロケットエンジンの第1の注入口と流通しており、第2のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口は、第2の流路を通ってロケットエンジンの第2の注入口と流通しており、第1および第2の流路は互いに同心である、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第2の回転軸は第1の回転軸と一致しており、第1および第2の流路は第1および第2の回転軸と同心である、請求項12に記載のロケットエンジン。
- 第1の流路内に第1のインデューサをさらに具備し、第1のインデューサは第1の回転軸を中心に回転する、請求項13に記載のロケットエンジン。
- 第2の流路内に第2のインデューサをさらに備え、第2のインデューサは第2の回転軸を中心に回転する、請求項14に記載のロケットエンジン。
- 第1のスロットル制限部をさらに備え、第1のスロットル制限部は注入口および排出口を有し、第1のスロットル制限部の注入口はロケットエンジンの第1の注入口と流通しており、第1のスロットル制限部の排出口は第1のロータリー噴射装置の注入口と流通している、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 第1のスロットル制限部を制御する第1のコントローラをさらに備える、請求項16に記載のロケットエンジン。
- 第2のスロットル制限部をさらに備え、第2のスロットル制限部は注入口および排出口を有し、第2のスロットル制限部の注入口はロケットエンジンの第2の注入口と流通しており、第2のスロットル制限部の排出口は第2のロータリー噴射装置の注入口と流通している、請求項16に記載のロケットエンジン。
- 第1のスロットル制限部を制御する第1のコントローラ、および第2のスロットル制限部を制御する第2のコントローラをさらに備える、請求項18に記載のロケットエンジン。
- 第1の燃焼室に動作可能に接続される点火装置をさらに備える、請求項1に記載のロケットエンジン。
- タービンをさらに備え、タービンは注入口および排出口を有し、注入口は第1の燃焼室の排出口と流通しており、タービンは第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続され、それによって、ロケットエンジンが作動した際に第1および第2の推進剤成分が第1の燃焼室内で燃焼して流出流体を生成し、タービンは第1の燃焼室から少なくとも一部の流出流体によって駆動される、請求項1に記載のロケットエンジン。
- タービンをさらに備え、タービンは注入口および排出口を有し、注入口は第1の燃焼室の排出口と流通しており、タービンは第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続しており、第1のインデューサに動作可能に結合され、それによって、ロケットエンジンが作動した際に第1および第2の推進剤成分が第1の燃焼室内で燃焼して流出流体を生成し、タービンは第1の燃焼室からの少なくとも一部の流出流体によって駆動される、請求項14に記載のロケットエンジン。
- タービンをさらに備え、タービンは注入口および排出口を有し、注入口は第1の燃焼室の排出口と流通しており、タービンは第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続しており、第1および第2のインデューサに動作可能に結合され、それによって、ロケットエンジンが作動した際に第1および第2の推進剤成分が第1の燃焼室内で燃焼して流出流体を生成し、タービンは第1の燃焼室からの少なくとも一部の流出流体によって駆動される、請求項15に記載のロケットエンジン。
- 第1および第2の推進剤成分は第1の燃焼室内で部分的に燃焼して、タービンが許容できるレベルまで流出流体の温度を下げる、請求項21に記載のロケットエンジン。
- 第1の燃焼室は、化学量論比に比べて実質的に可燃成分の多い燃料/酸化剤比で動作する、請求項24に記載のロケットエンジン。
- 請求項21に記載のロケットエンジンであって、さらに
a.タービンの排出口と流通している第2の燃焼室と、
b.第3の回転軸を有する少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスを備える第2の燃焼室内の第3のロータリー噴射装置であって、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスは、第3のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口、および第2の燃焼室と流通しており、第3のロータリー噴射装置の少なくとも1つの注入口は、第2の流路を通ってロケットエンジンの第2の注入口に流通しており、それによって、作動した際に第2の燃焼室は流出流体および第2の推進剤成分を含む混合物を燃焼して、第2の流出流体を生成する、第3のロータリー噴射装置と、
を備えるロケットエンジン。 - 第3の回転軸は第1の回転軸と一致している、請求項26に記載のロケットエンジン。
- 第2のロータリー噴射装置は、第2の推進剤成分の第1の部分を第1の燃焼室へ噴射し、第3のロータリー噴射装置は、第2の推進剤成分の残りの部分を第2の燃焼室へ噴射する、請求項26に記載のロケットエンジン。
- 少なくとも1つの軸受けによって支えられているシャフト部をさらに備え、少なくとも1つのシャフト部は回転軸を有し、少なくとも1つのシャフト部は第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続され、少なくとも1つのシャフト部は中空シャフト部で構成され、そして、第1の流路は中空シャフト部で構成されている、請求項1に記載のロケットエンジン。
- 少なくとも1つのシャフト部は少なくとも1つの環状室を備え、第2の流路は少なくとも1つの環状室を具備する、請求項29に記載のロケットエンジン。
- 第1および第2のインデューサに動作可能に接続される少なくとも1つのシャフト部をさらに備え、少なくとも1つのシャフト部は回転軸を有し、少なくとも1つのシャフト部は第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続され、少なくとも1つのシャフト部は中空シャフト部で構成され、そして、第2の流路は中空シャフト部で構成されている、請求項15に記載のロケットエンジン。
- 少なくとも1つの軸受けは、第1および第2の推進剤成分のうちの1つの気化ガスによって冷却される、請求項29に記載のロケットエンジン。
- 第1のスロットル制御部をさらに備え、第1のスロットル制御部は注入口および排出口を有し、第1のスロットル制御部の注入口はロケットエンジンの第1の注入口と流通しており、第1のスロットル制御部の排出口は第1のロータリー噴射装置の注入口と流通しており、第2のスロットル制御部は中空シャフト部内に配置されている、請求項29に記載のロケットエンジン。
- 中空シャフト部内の第1のスロットル制御部の位置は、第1の回転噴射装置の注入口に近接している、請求項33に記載のロケットエンジン。
- 第2のスロットル制御部をさらに備え、第2のスロットル制御部は注入口および排出口を有し、第2のスロットル制御部の注入口はロケットエンジンの第2の注入口と流通しており、第2のスロットル制御部の排出口は、第2のロータリー噴射装置の注入口と流通しており、第1のスロットル制御部は少なくとも1つの環状室に動作可能に接続されている、請求項30に記載のロケットエンジン。
- 第2のスロットル制御部は、第2のロータリー噴射装置の注入口に近接した位置で少なくとも1つの環状室に動作可能に接続されている、請求項35に記載のロケットエンジン。
- 少なくとも1つの軸受けによって支えられる少なくとも1つのシャフト部をさらに含み、少なくとも1つのシャフト部は回転軸を有し、少なくとも1つのシャフト部は第1および第2のロータリー噴射装置に動作可能に接続され、少なくとも1つのシャフト部は中空シャフト部で構成され、第2の流路は中空シャフト部で構成され、少なくとも1つのシャフト部は、第1の燃焼室を通って第2の燃焼室へ延伸し、少なくとも1つのシャフト部はタービンおよび少なくとも1つの第3のロータリー噴射装置に動作可能に接続され、それによって、タービンは、第1の燃焼室からタービンを通って噴射される少なくとも一部の流出流体により回転シャフトを回転させる、請求項27に記載のロケットエンジン。
- 注入口および排出口を有する収束/発散ノズルをさらに備え、収束/発散ノズルの注入口は第2の燃焼室の排出口と流通している、請求項26に記載のロケットエンジン。
- 収束/発散ノズルの発散部分はアブレーティブライニングを具備している、請求項38に記載のロケットエンジン。
- 電気始動機、発電機、および同期発電機からなる群から選択される電気機械をさらに備え、電気機械は少なくとも1つのシャフト部に動作可能に接続される、請求項29に記載のロケットエンジン。
- 圧力不活性ガスの供給源に動作可能に結合されたタービンをさらに備え、タービンは少なくとも1つのシャフト部に動作可能に接続されており、それによって、動作した際に圧力不活性ガスの供給源からの不活性ガス流がタービンを作動させて、少なくとも1つのシャフト部を回転させてロケットエンジンを始動する、請求項29に記載のロケットエンジン。
- ロケットエンジン作動方法であって、
a. ロケットエンジンに第1および第2の推進剤成分を供給することと、
b. 第1の推進剤成分の少なくとも一部を、第1の燃焼室内の少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスを介して第1の燃焼室へ噴射することと、
c. 第2の推進剤成分の少なくとも一部を、第1の燃焼室内の少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスを介して第1の燃焼室へ噴射することと、
d. 流出流体を生成させるために、第1の燃焼室の第1および第2の推進剤成分を少なくとも部分的に燃焼することと、
e. 第1の燃焼室から流出流体を吐出することと、
を含むロケットエンジン作動方法。 - 第1および第2の推進剤成分を供給する動作は同心の流路を介する、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 少なくとも1つのスロットル制御部により、第1および第2の推進剤成分のうち少なくとも1つをスロットル制御する動作をさらに備える、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 中空回転シャフトの内部領域内および環状路内からなる群から選択される少なくとも1つの位置に、少なくとも1つのスロットル制御部を配置することをさらに備え、少なくとも1つの位置は、第1および第2のロータリーオリフィスのうち少なくとも1つと流通している、請求項44に記載のロケットエンジン作動方法。
- 少なくとも1つのスロットル制御部を、第1および第2のロータリーオリフィスのうち少なくとも1つに近接して配置することをさらに備える、請求項45に記載のロケットエンジン作動方法。
- 少なくとも1つの同心の流路内の内部領域は、第1および第2の推進剤成分のうち少なくとも1つの気相を含む、請求項43に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第1および第2の推進剤成分のうち少なくとも1つを、第1および第2のロータリー噴射装置のうち少なくとも1つにより回転させるように誘発することをさらに含み、誘発する動作は少なくとも1つの同心の流路の内側の少なくとも1つのインデューサを用いる、請求項43に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第1の推進剤成分の圧力を第1の燃焼室の圧力と分離することをさらに備えた、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の推進剤成分の少なくとも一部分の圧力を第1の燃焼室の圧力と分離することをさらに備えた、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第1の推進剤成分は液体燃料で構成され、推進剤成分は液体酸化剤である、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 噴射された液体燃料と噴射された液体酸化剤との割合は、第1の燃焼室において可燃成分が多い、請求項51に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第1の燃焼室内において第1および第2の推進剤成分を部分的に燃焼することをさらに含む、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 流出流体の少なくとも一部を第1の燃焼室から第2の燃焼室へ吐出することをさらに含む、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第1の燃焼室からタービンを通して流出流体の少なくとも一部分を吐出することをさらに含む、請求項42に記載のロケットエンジン作動方法。
- タービンにより、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスおよび少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスを回転させることをさらに含む、請求項55に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の燃焼室内の少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスを介して第2の燃焼室へ第2の推進剤成分の残りの部分を注入(inject)することを含む、請求項54に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の燃焼室内の少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスを介して第2の燃焼室へ第2の推進剤成分の残りの部分を噴射する動作により、第1の燃焼室から第2の燃焼室への少なくとも一部の流出流体の少なくとも1つの特性を変えることをさらに含み、少なくとも1つの特性は、流量パターンおよび混合パターンからなる群から選択される、請求項54に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の推進剤成分の残りの部分の圧力を、第2の燃焼室の圧力と分離することをさらに含む、請求項57に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の燃焼室の壁に配置された少なくとも1つのオリフィスを介して、第1の燃焼室から第2の燃焼室へ流出流体の残りの部分を吐出することをさらに含む、請求項54に記載のロケットエンジン作動方法。
- 第2の燃焼室の壁に配置された少なくとも1つのオリフィスを介して、第1の燃焼室から第2の燃焼室へ流出流体の残りの部分を吐出する動作により、第1の燃焼室から第2の燃焼室への少なくとも一部の流出流体の少なくとも1つの特性を変えることをさらに含み、少なくとも1つの特性は、流量パターンおよび混合パターンからなる群から選択される、請求項60に記載のロケットエンジン作動方法。
- タービンを通して第1の燃焼室から少なくとも一部の流出流体を吐出することと、タービンにより、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィス、少なくとも1つの第2のロータリーオリフィス、および少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスを回転させることとをさらに含む、請求項57に記載のロケットエンジン作動方法。
- ロケットエンジン用回転装置であって、
a.回転軸を有する第1の中空シャフト部であって、第1の中空シャフト部の第1の端は第1の液体推進剤成分を収納するように適合されている、第1の中空シャフト部と、
b.第1の中空シャフト部の内部と流通している、第1の中空シャフト部に動作可能に結合された少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスと、
c.第1の中空シャフト部の少なくとも一部分を取り囲んでいる環状ダクトであって、環状ダクトの第1の端は第2の推進剤成分を収納するように適合されている、環状ダクトと、
d. 環状ダクトと流通している、第1の中空シャフト部に動作可能に結合された少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスと、
を備えるロケットエンジン用回転装置。 - 少なくとも1つの第1の回転圧力トラップをさらに備え、少なくとも1つの第1の回転圧力トラップは、第1の流路の長さ方向に沿って第1の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第1の流路を備え、第1の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第1の流路の注入口は第1の中空シャフト部の内部と流通しており、第1の流路の排出口は少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスと流通しており、第1の流路は、第1の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第1の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第2の回転圧力トラップをさらに備え、少なくとも1つの第2の回転圧力トラップは、第2の流路の長さ方向に沿って第2の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第2の流路を備え、第2の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第2の流路の注入口は環状ダクトと流通しており、第2の流路の排出口は少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスと流通しており、第2の流路は、第2の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第2の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第2の回転圧力トラップをさらに備え、少なくとも1つの第2の回転圧力トラップは、第2の流路の長さ方向に沿って第2の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第2の流路を備え、第2の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第2の流路の注入口は環状ダクトと流通しており、第2の流路の排出口は少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスと流通しており、第2の流路は、第2の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第2の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、請求項64に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 回転軸と同軸であるとともに、第1の中空シャフト部の内部と流通している第1のインデューサをさらに備える、請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 環状ダクトの少なくとも一部分内に回転軸と同軸の第2のインデューサをさらに備える、請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 環状ダクトの少なくとも一部分内に回転軸と同軸の第2のインデューサをさらに備える、請求項67に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第1の中空シャフト部に動作可能に結合された少なくとも1つのタービンブレードをさらに備える、請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置。
- ロケットエンジン用回転装置であって、
a.回転軸を有する第1の中空シャフト部であって、第1の中空シャフト部の第1の端は第1の液体推進剤成分を受け入れるように適合されている、第1の中空シャフト部と、
b.第1の中空シャフト部の内部と流通している、第1の中空シャフト部に動作可能に結合された少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスと、
c.第2の中空シャフト部であって、第2の中空シャフト部の第1の端は、第1の中空シャフト部の第2の端に動作可能に結合され、第2の中空シャフト部の内部は、第1の中空シャフト部の内部と流通している、第2の中空シャフト部と、
d.第2の中空シャフト部の内部と流通している少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスと、
を備えるロケットエンジン用回転装置。 - 第2の中空シャフト部の内部は少なくとも1つの第1の溝を備え、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスは少なくとも1つの第1の溝と流通している、請求項71に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスは、第2の中空シャフト部の第2の端に近接した少なくとも1つの第1の溝に動作可能に連結されている、請求項72に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部の内部は少なくとも1つの第2の溝を備え、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスは、第2の中空シャフト部の第2の端に近接した少なくとも1つの第2の溝と流通している、請求項72に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第1の溝および少なくとも1つの第2の溝は、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスと少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスとの間の第1の推進剤成分の流量を釣り合わせるように適合されている、請求項74に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つのタービンブレードをさらに備え、少なくとも1つのタービンブレードは、第1の中空シャフトおよび第2の中空シャフト部の双方に動作可能に結合されている、請求項71に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第1の中空シャフト部の内部と流通している回転軸と同軸の第1のインデューサをさらに備える、請求項71に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第1の回転圧力トラップをさらに備え、少なくとも1つの第1の回転圧力トラップは、第1の流路の長さ方向に沿って第1の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第1の流路を備え、第1の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第1の流路の注入口は第1の中空シャフト部の内部と流通しており、第1の流路の排出口は少なくとも1つの第1のロータリーオリフィス、第2の中空シャフト部の内部、および少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスからなる群から選択される要素と流通しており、第1の流路は、第1の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第1の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、請求項71に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部内にシャフト・ライナをさらに備え、シャフト・ライナは閉端および第2の端を有し、シャフト・ライナの第2の端は第2の中空シャフト部の第2の端に近接している、請求項71に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部内にシャフト・ライナをさらに備え、シャフト・ライナは閉端および第2の端を有し、シャフト・ライナの第2の端は第2の中空シャフト部の第2の端に近接しており、シャフト・ライナの閉端は少なくとも1つの第1の回転圧力トラップの境界を形成する、請求項78に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部の内部は少なくとも1つの第2の溝を備え、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスは、第2の中空シャフト部の第2の端に近接した少なくとも1つの第2の溝と流通している、請求項79に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部の内部はシャフト・ライナの外側に環状領域を含む、請求項79に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 第2の中空シャフト部の内部はシャフト・ライナの外側に環状領域を含む、請求項81に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 請求項63に記載のロケットエンジン用回転装置であって、さらに
a. 第2の中空シャフト部であって、第2の中空シャフト部の第1の端は第1の中空シャフト部の第2の端に動作可能に結合され、第2の中空シャフト部の内部は第1の中空シャフト部の内部と流通している、第2の中空シャフト部と、
b. 第2の中空シャフト部の内部と流通している、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスと、
c. 第1の中空シャフト部および第2の中空シャフト部の双方に動作可能に結合されている、少なくとも1つのタービンブレードと、
を備えるロケットエンジン用回転装置。 - 請求項84に記載のロケットエンジン用回転装置であって、さらに
a.少なくとも1つの第1の回転圧力トラップであって、少なくとも1つの第1の回転圧力トラップは、第1の流路の長さ方向に沿って第1の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第1の流路を備え、第1の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第1の流路の注入口は第1の中空シャフト部の内部と流通しており、第1の流路の排出口は少なくとも1つの第1のロータリーオリフィス、第2の中空シャフト部の内部、および少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスからなる群から選択される要素と流通しており、第1の流路は、第1の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第1の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、少なくとも1つの第1の回転圧力トラップと、
b.少なくとも1つの第2の回転圧力トラップであって、少なくとも1つの第2の回転圧力トラップは、第2の流路の長さ方向に沿って第2の流路を介して互いに流通している注入口および排出口を有する第2の流路を備え、第2の流路は回転軸を中心に回転するように適合され、第2の流路の注入口は環状ダクトと流通しており、第2の流路の排出口は少なくとも1つの第2のロータリーオリフィスと流通しており、第2の流路は、第2の回転圧力トラップが回転軸を中心に回転する際に、第2の流路内のどの地点における遠心加速度も、注入口および排出口からなる群から選択される位置の何れの地点における遠心加速度よりも大きくなるように適合される、少なくとも1つの第2の回転圧力トラップと、
を備えるロケットエンジン用回転装置。 - 第2の中空シャフト部の内部は少なくとも1つの第1の溝を備え、少なくとも1つの第2の溝を備え、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスは少なくとも1つの第1の溝と流通しており、少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスは、第2の中空シャフト部の第2の端に近接した少なくとも1つの第2の溝と流通している、請求項85に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 少なくとも1つの第1の溝および少なくとも1つの第2の溝は、少なくとも1つの第1のロータリーオリフィスと少なくとも1つの第3のロータリーオリフィスとの間の第1の推進剤成分の流量を釣り合わせるように適合される、請求項86に記載のロケットエンジン用回転装置。
- 請求項87に記載のロケットエンジン用回転装置であって、さらに
a. 回転軸と同軸であるとともに、第1の中空シャフト部の内部と流通している第1のインデューサと、
b. 回転軸と同軸であるとともに、環状ダクトの少なくとも一部分内にある第2のインデューサと、
を備えるロケットエンジン用回転装置。 - ロケットエンジンであって、
a. i. 排出口と、
ii. 少なくとも1つの第1のオリフィスを備える第1の燃焼室ライナと、
を備える第1の燃焼室と、
b. 第1の燃焼室ライナを少なくとも部分的に取り囲んでいる第1の環状路と、
c. 第1の燃焼室の排出口と流通している第2の燃焼室であって、少なくとも1つの第2のオリフィスを備える第2の燃焼室ライナを備える、第2の燃焼室と、
d. 第2の燃焼室ライナを少なくとも部分的に取り囲んでいる第2の環状路であって、第2の環状路は第1の環状路と流通しており、それによって、作動した際に第1の燃焼室は流出流体を生成し、流出流体の第1の部分は、少なくとも1つの第1のオリフィスを通り、第1および第2の環状路を通り、少なくとも1つの第2のオリフィスを通って第2の燃焼室へ噴射されて、第2の燃焼室ライナの流出流体の冷却を行う、第2の環状路と、
を備えるロケットエンジン。 - 第1および第2の燃焼室の間に流量制限部をさらに備え、それによって、作動した際に第1の燃焼室から流出流体の第2の部分が流量制御部を介して第2の燃焼室へ流れ込んで、第1の燃焼室の少なくとも1つの第1のオリフィスにおける圧力が、第2の燃焼室の少なくとも1つの第2のオリフィスにおける圧力よりも大きくなるようにする、請求項89に記載のロケットエンジン。
- 流量制限部は注入口および排出口を有するタービンを備え、注入口は第1の燃焼室の排出口と流通しており、第2の燃焼室はタービンの排出口と流通しており、それによって、タービンは第1の燃焼室からの流出流体の第2の部分の少なくとも一部分により駆動される、請求項90に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分の供給源をさらに備え、第1の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室および第1の環状路と流通しており、それによって、作動した際に第1の推進剤成分の一部分が第1の環状路へ、第2の環状路へ、少なくとも1つの第2のオリフィスを介して、第2の燃焼室へと流れ込んで、第2の燃焼室ライナの流出流体の冷却を行う、請求項89に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分の供給源をさらに備え、第1の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室および第1の環状路と流通しており、それによって、作動した際に第1の推進剤成分の一部分が第1の環状路へ、第2の環状路へ、少なくとも1つの第2のオリフィスを介して、第2の燃焼室へと流れ込んで、第2の燃焼室ライナの流出流体の冷却を行う、請求項90に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分の供給源をさらに備え、第1の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室および第1の環状路と流通しており、それによって、作動した際に第1の推進剤成分の一部分が第1の環状路へ、第2の環状路へ、少なくとも1つの第2のオリフィスを介して、第2の燃焼室へと流れ込んで、第2の燃焼室ライナの流出流体の冷却を行う、請求項91に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分は燃料を含む、請求項92に記載のロケットエンジン。
- 第2の推進剤成分の供給源をさらに備え、第2の推進剤成分の供給源は第1の燃焼室と流通しており、それによって、作動した際に第2の推進剤成分の第1の部分が第1の燃焼室へ流れ込み、第2の推進剤成分の残りの第2の部分が第2の燃焼室へ流れ込み、第1の燃焼室における燃焼温度は、第2の燃焼室における燃焼温度よりも低い、請求項89に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分は酸化剤を含む、請求項96に記載のロケットエンジン。
- 第1の燃焼室における第1の推進剤成分と第2の推進剤成分との比は、化学量論比に比べて実質的に可燃成分が多い、請求項96に記載のロケットエンジン。
- 第2の推進剤成分の第2の部分は、第2の燃焼室の中間部分で第2の燃焼室へ流れ込んで、第1の燃焼室からの前記第2の部分の流出流体の第1の部分の燃焼を、第1の燃焼室からの前記第2の部分の流出流体の第2の部分、および第1の燃焼室からの第1の部分の流出流体からなる群から選択される流出流体によって第2の燃焼室ライナから隔離する、請求項96に記載のロケットエンジン。
- 前記中間部分は第2の燃焼室を通る流れの中心軸に近接している、請求項99に記載のロケットエンジン。
- 第2の推進剤成分の供給源をさらに備え、第2の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室と流通しており、それによって、作動した際に第2の推進剤成分の第1の部分が第1の燃焼室に流れ込み、第2の推進剤成分の残りの第2の部分が第2の燃焼室に流れ込み、第1の燃焼室における燃焼温度は、第2の燃焼室における燃焼温度よりも低い、請求項92に記載のロケットエンジン。
- 第2の推進剤成分の供給源をさらに備え、第2の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室と流通しており、それによって、作動した際に第2の推進剤成分の第1の部分が第1の燃焼室に流れ込み、第2の推進剤成分の残りの第2の部分が第2の燃焼室に流れ込み、第1の燃焼室における燃焼温度は、第2の燃焼室における燃焼温度よりも低い、請求項93に記載のロケットエンジン。
- 第2の推進剤成分の供給源をさらに備え、第2の推進剤成分の供給源は、第1の燃焼室と流通しており、それによって、作動した際に第2の推進剤成分の第1の部分が第1の燃焼室に流れ込み、第2の推進剤成分の残りの第2の部分が第2の燃焼室に流れ込み、第1の燃焼室における燃焼温度は、第2の燃焼室における燃焼温度よりも低い、請求項94に記載のロケットエンジン。
- 第1の推進剤成分は燃料を含み、第2の推進剤成分は酸化剤を含む、請求項101に記載のロケットエンジン。
- ロケットエンジン冷却方法であって、
a. 複数の推進剤成分の部分的な燃焼により第1の燃焼室において流出流体を生成することであって、第1の燃焼室は、少なくとも1つの第1のオリフィスを備える第1の燃焼室ライナを有し、少なくとも1つの第1のオリフィスは、第1の燃焼室ライナの外側の第1の領域と流通していることと、
b. 流出流体の第1の部分を第1の燃焼室から第2の燃焼室へ吐出することであって、第2の燃焼室は第2の燃焼室ライナを有し、第1の燃焼室ライナの外側の第1の領域は、第2の燃焼室ライナの外側の第2の領域と流通しており、第2の燃焼室ライナは、第2の領域と第2の燃焼室との間に少なくとも1つの第2のオリフィスを備えていることと、
c. 流出流体の第2の部分を第1の燃焼室から、少なくとも1つの第1のオリフィスを介して、第1の領域を介して少なくとも一部分の第1の燃焼室ライナの外側を通り、第2の領域を介して少なくとも一部分の第2の燃焼室ライナの外側を通り、少なくとも1つの第2のオリフィスを介して、第2の燃焼室へ吐出して、第2の燃焼室ライナの流出流体の冷却を行うことと、
を含む方法。 - 複数の推進剤成分は集中的に第1の燃焼室へ吐出される、請求項105に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 流出流体の第1の部分は、第1の燃焼室から第2の燃焼室へ流量制御部を介して噴射され、それによって、第1の燃焼室の少なくとも1つのオリフィスにおける流出流体の圧力は、第2の燃焼室の第2のオリフィスにおける圧力よりも大きくなる、請求項105に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 流量制限部はタービンを備える、請求項107に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 第1の燃焼室の燃焼温度は第2の燃焼室の燃焼温度よりも実質的に低い、請求項105に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 複数の推進剤成分は燃料および酸化剤を含み、第1の燃焼室における燃料と酸化剤の比は、化学量論比に比べて実質的に可燃成分が多い、
請求項105に記載のロケットエンジン冷却方法。 - 燃料の第1の部分は第1の燃焼室へ吐出され、燃料の第2の部分は第1の燃焼室ライナの外側の第1の領域へ噴射される、請求項110に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 酸化剤の第1の部分は第1の燃焼室へ吐出され、酸化剤の第2の部分は第2の燃焼室へ噴射される、請求項110に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 酸化剤の第2の部分は集中的に第2の燃焼室へ吐出される、請求項112に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 酸化剤の第2部分は第2の燃焼室の中間部分で吐出される、請求項112に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 前記中間部分は第2の燃焼室を通る流れの中心軸に近接している、請求項114に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 酸化剤の第2の部分を第2の燃焼室へ吐出する動作によって、第1の燃焼室から第2の燃焼室への流出流体の第1の部分の少なくとも1つの特性を変えることをさらに含み、少なくとも1つの特性は流量パターンおよび混合パターンからなる群から選択される、請求項112に記載のロケットエンジン冷却方法。
- 流出流体の第2の部分を少なくとも1つの第2のオリフィスを介して第2の燃焼室へ吐出する動作によって、第1の燃焼室から第2の燃焼室への流出流体の第1の部分の少なくとも1つの特性を変えることをさらに含み、少なくとも1つの特性は流量パターンおよび混合パターンからなる群から選択される、請求項105に記載のロケットエンジン冷却方法。
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