JP2013133711A - ロケット噴射器及びロケット燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射面に想定どおりの冷却効果を持たせることができるロケット噴射器及びロケット燃焼器の提供。
【解決手段】推進剤を噴射する噴射エレメント３が設けられた噴射面２を冷却する冷却装置２０を備えるロケット噴射器１であって、冷却装置２０は、一方の面２１ａが噴射面２の少なくとも一部を形成すると共に、他方の面２１ｂに冷媒が供給され、該冷媒を他方の面２１ｂから一方の面２１ａに滲み出させる発汗多孔板２１と、他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量を調整する流量調整板２２と、を有するという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロケット噴射器及びロケット燃焼器に関するものである。

下記特許文献１には、推進剤（酸化剤／燃料）を噴射するノズルが設けられた噴射面を備えるロケット噴射器が開示されている。ノズルは、二重管構造となっており、中心から酸化剤を噴射し、その周りから燃料を噴射する。ノズルから噴射された酸化剤及び燃料は混合され、燃焼室内での点火によって燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、極めて高温であるため、燃焼室を構成する壁面の熱対策が必要となる。

下記特許文献２には、燃焼ガスに曝される燃焼器ライナーを冷却する冷却装置を備えるロケット燃焼器が開示されている。冷却装置は、透過性材料から冷媒を滲み出させて燃焼室の壁面を冷却する滲み出し冷却方式を採用している。具体的には、透過性材料として多孔性金属材料を採用し、これに燃焼に供する前の燃料を冷媒として滲み出させることで、燃焼室の壁面を冷却する構成となっている。

特開平１−９２５６０号公報 特開２００８−１０１５３４号公報

ところで、燃焼室の壁面は、ライナー壁面だけでなく、噴射面によっても構成される。このため、噴射面についても熱対策が必要となる。ここで、噴射面の冷却装置に、上記滲み出し冷却方式を適用する場合、以下の問題が生じる。

噴射面には、推進剤を噴射する複数のノズルが設けられており、噴射面から滲み出る冷媒の量が多すぎると、推進剤の消費量の増大と共に推進剤の混合比の変化などを招く虞がある。一方で、滲み出る冷媒の量が少なすぎると、熱対策にならない。このため、噴射面を多孔性金属材料などによって構成する場合には、所定の流量特性が求められる。
しかしながら、多孔性金属材料などは、その製造上、製品単位や部位によって、流量特性の誤差が含まれている。このため、流量特性の誤差が、そのまま噴射面の冷却特性を決めてしまい、想定どおりの冷却効果を得るのが困難である、という問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、噴射面に想定どおりの冷却効果を持たせることができるロケット噴射器及びロケット燃焼器の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、推進剤を噴射するノズルが設けられた噴射面を冷却する冷却装置を備えるロケット噴射器であって、上記冷却装置は、一方の面が上記噴射面の少なくとも一部を形成すると共に、他方の面に冷媒が供給され、該冷媒を上記他方の面から上記一方の面に滲み出させる多孔板と、上記他方の面に供給される上記冷媒の流量を調整する流量調整板と、を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、多孔板の他方の面に供給された冷媒が、多孔板の一方の面に滲み出て、噴射面を冷却する。流量調整板は、多孔板の他方の面に供給される冷媒の流量を調整する。このため、多孔板の流量特性に誤差があっても、流量調整板によって流量特性の微調整が可能となることから、噴射面に想定どおりの冷却効果を持たせることができる。

また、本発明においては、上記流量調整板は、上記他方の面における上記冷媒の流量配分を調整する複数の孔部を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、流量調整板に複数の孔部を設け、流量調整だけでなく、冷媒の流量配分の調整も可能とすることで、ロケットそのものの性能の向上を図ることができる。

また、本発明においては、上記流量調整板は、上記他方の面に接触する接触面を有しており、上記複数の孔部は、上記接触面に開口して設けられているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、複数の孔部によって配分された冷媒が、多孔板の他方の面に直接供給される。これにより、冷媒が孔部を中心として多孔板の内部で滲み広がるため、多孔板に冷媒の流量分布を持たせることができる。

また、本発明においては、上記複数の孔部は、上記多孔板の滲み出し特性に応じた配置及び大きさで設けられているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、複数の孔部の配置及び大きさによって多孔板の滲み出し特性を調整することができる。

また、本発明においては、上記複数の孔部は、第１の径を有する第１の孔部と、上記第１の径と異なる第２の径を有する第２の孔部と、を含むという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、複数の孔部が互いに大きさの異なる第１の孔部及び第２の孔部を含むことで、配置を変更することなく流量配分の調整が可能となる。

また、本発明においては、先に記載のロケット噴射器を備えるロケット燃焼器を採用する。

本発明によれば、噴射面に想定どおりの冷却効果を持たせることができるロケット噴射器及びロケット燃焼器が得られる。

本発明の実施形態におけるロケット噴射器を備えるロケット燃焼器の構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるロケット噴射器の噴射面を示す図である。 本発明の実施形態における流量調整板の孔部の配置及び構成を示す図である。 本発明の実施形態における発汗多孔板の流量特性の一例を示すグラフである。 本発明の別実施形態における流量調整板の孔部の配置及び構成を示す図である。

以下、本発明に係るロケット噴射器及びロケット燃焼器について図面を参照して説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺などを適宜変更している。

図１は、本発明の実施形態におけるロケット噴射器１を備えるロケット燃焼器１００の構成を示す図である。図２は、本発明の実施形態におけるロケット噴射器１の噴射面２を示す図である。
本実施形態のロケット燃焼器１００は、推進剤（酸化剤／燃料）を噴射する噴射面２を有するロケット噴射器１を備える。ロケット噴射器１は、燃焼室ライナー１０１と接続されている。

噴射面２には、推進剤を噴射する噴射エレメント（ノズル）３が複数設けられている。噴射エレメント３は、二重管構造となっており、中心に酸化剤噴射口４が設けられ、その周りに燃料噴射口５が設けられている。本実施形態の酸化剤噴射口４からは、液体酸素が噴射される。また、本実施形態の燃料噴射口５からは、メタンが噴射される。なお、燃料としては、液体水素、ケロシンなどを用いることができる。

噴射器本体６の内部には、酸化剤を供給する酸化剤供給部７が設けられている。酸化剤供給部７は、ドーム状の空間を有している。酸化剤は、酸化剤入口８を介して酸化剤供給部７に導入される。酸化剤供給部７は、各噴射エレメント３の酸化剤噴射口４と接続されている。酸化剤供給部７に導入した酸化剤は、各噴射エレメント３の酸化剤噴射口４を介して燃焼室１０２内に噴射される。

また、噴射器本体６の内部には、酸化剤供給部７と隔てられ、燃料を供給する燃料供給部９が設けられている。燃料供給部９は、ドーム状の空間を有している。燃料は、燃料入口１０を介して燃料供給部９に導入される。燃料供給部９は、各噴射エレメント３の燃料噴射口５と接続されている。燃料供給部９に導入した燃料は、各噴射エレメント３の燃料噴射口５を介して燃焼室１０２内に噴射される。

推進剤（酸化剤／燃料）は、各噴射エレメント３から燃焼室１０２内に噴射され、不図示の点火器によって燃焼し、燃焼ガスとなる。燃焼室１０２の壁面は、燃焼室ライナー１０１のライナー面１０３と、ロケット噴射器１の噴射面２とによって形成されている。
ロケット噴射器１は、燃焼ガスに曝される噴射面２を冷却する冷却装置２０を備えている。冷却装置２０は、冷媒を滲み出して噴射面２を冷却する滲み出し冷却方式を採用している。

冷却装置２０は、冷媒を滲み出すことが可能な発汗多孔板（多孔板）２１を有する。本実施形態の発汗多孔板２１は、耐熱性を有する金属材料を網状とし、それを複数積層し焼結して成るレジメッシュ（焼結金網）である。発汗多孔板２１の内部には、無数の微小空間が形成されており、冷媒は、それら微小空間を流通することで透過が可能となっている。本実施形態では、燃焼に供する前の燃料（メタン）を、冷媒として用いている。

発汗多孔板２１の一方の面２１ａは、噴射面２の少なくとも一部（本実施形態では噴射エレメント３及び不図示の点火器が設けられる部位を除く部分：図２参照）を形成している。発汗多孔板２１の他方の面２１ｂは、燃料供給部（冷媒供給部）９に面している。このため、発汗多孔板２１の他方の面２１ｂには、燃料供給部９に導入された燃料の一部が冷媒として供給される。他方の面２１ｂに供給された冷媒は、発汗多孔板２１の内部を透過し、半液体、半気体の状態で一方の面２１ａに滲み出て、燃焼ガスから噴射面２を保護する。

冷却装置２０は、図１に示すように、燃料供給部９から他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量を調整する流量調整板２２を有する。流量調整板２２は、燃料供給部９と発汗多孔板２１との間に設けられ、他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量を調整する構成となっている。流量調整板２２は、冷媒の流路面積を絞る孔部２３を有する。また、流量調整板２２は、他方の面２１ｂ上にセットされており、他方の面２１ｂに接触する接触面２２ａを有する。

図３は、本発明の実施形態における流量調整板２２の孔部２３の配置及び構成を示す図である。図３（ａ）は、接触面２２ａに開口して設けられた孔部２３の配置を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視Ａ−Ａ断面を示す図である。
図３（ｂ）の部分拡大図に示すように、孔部２３には、テーパーなどの面取りがなく、両面ともにシャープエッジ２４となっている。このため、孔部２３の径のみを冷媒の流量調整の要素とさせることができ、流量調整の精度を高めることができる。

図３（ａ）に示すように、流量調整板２２は、複数の孔部２３を有している。本実施形態の流量調整板２２は、孔部２３を複数有することによって、流量調整だけでなく、発汗多孔板２１の他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量配分の調整をも行う構成となっている。本実施形態の複数の孔部２３は、発汗多孔板２１の一方の面２１ａの全体から満遍なく冷媒を滲み出させることを目的とする配置となっている。

孔部２３の径によって、その一つの孔部２３がサポート（冷媒の滲み出し）できる面積が規定される。本実施形態のように各孔部２３の径が同一である場合は、発汗多孔板２１の一方の面２１ａの面積からサポート面積を割ることによって、最低限必要となる孔部２３の数が求められる。この求められた数の孔部２３を、噴射エレメント３が配置される位置などを避けつつ、略等間隔となるように配置していくことによって、複数の孔部２３の配置が決定される。

本実施形態では、図３（ａ）に示す３つの同心の円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を設定し、これらの円周上に孔部２３を略均等に配置している。円Ｃ１から円Ｃ２までの間の半径距離と、円Ｃ２から円Ｃ３までの間の半径距離は、等しく設定されている。具体的には、円Ｃ１の直径と等しく設定されている。したがって、円Ｃ２の直径は、円Ｃ１の直径よりもその２倍分大きく、円Ｃ３の直径は、さらに円Ｃ１の直径の２倍分大きい。

続いて、上記構成の冷却装置２０の作用について説明する。

冷却装置２０は、一方の面２１ａが噴射面２の少なくとも一部を形成すると共に、他方の面２１ｂに冷媒が供給され、該冷媒を他方の面２１ｂから一方の面２１ａに滲み出させる発汗多孔板２１を有する。冷媒が発汗多孔板２１を透過する流量は、発汗多孔板２１の機械的構造に起因する流量特性に左右される。発汗多孔板２１は、その製造上、製品単位（ロット）や部位により流量特性の誤差が含まれている。

図４は、本発明の実施形態における発汗多孔板２１の流量特性の一例を示すグラフである。なお、発汗多孔板２１の流量特性は、図４に示すように、単位面積あたりの冷媒の質量流量と、圧力損失関数とによって評価している。
図４において符号Ｌ１を付したラインは、「流量調整板なし」の発汗多孔板２１単品の流量特性を示す。図４において符号Ｌ２で示すラインが、設計どおりの流量特性である。このように、発汗多孔板２１単品では、流量特性の誤差が含まれている。

この発汗多孔板２１を単品で噴射面２に取り付けてしまうと、流量特性の誤差が、そのまま噴射面２の冷却特性を決めてしまい、想定どおりの冷却効果を得るのが困難となる。そこで、本実施形態の冷却装置２０は、流量調整板２２を備える。流量調整板２２は、発汗多孔板２１の他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量を調整する。このため、発汗多孔板２１の流量特性に誤差があっても、流量調整板２２によって流量特性の微調整が可能となる。

具体的には、図４に示すように、発汗多孔板２１に流量調整板２２をセット（「流量調整板あり」）することによって、流量特性をラインＬ２の延長線上に乗せることができる。すなわち、「流量調整板なし」では設計流量特性をはずしていたが、流量調整板２２を取り付けることで、「流量調整板あり」で示すように、設計した特性値とほぼ同等の流量特性を持つことができる。

このように本実施形態によれば、流量調整板２２を設けることによって、発汗多孔板２１の流量特性に誤差があっても、ロケット噴射器１の噴射面２に想定どおりの冷却効果を持たせることができる。また、本実施形態によれば、冷媒として用いられる燃料の消費を適正化でき、さらに、推進剤の混合比の変化などを招くことなく、燃焼の安定化に寄与できる。また、実機における応用として、流量特性が大きめの発汗多孔板２１を製造し、使用部分の流量特性にあわせて流量調整板２２を製造することで、設計どおりの流量特性を容易に達成することができる。

また、本実施形態において、流量調整板２２は、他方の面２１ｂにおける冷媒の流量配分を調整する複数の孔部２３を有する。このため、流量調整だけでなく、冷媒の流量配分の調整も可能となる。複数の孔部２３は、接触面２２ａに開口して設けられている。複数の孔部２３によって配分された冷媒は、発汗多孔板２１の他方の面２１ｂに直接供給されるため、発汗多孔板２１に冷媒の流量分布を意図的に持たせることができる。本実施形態の冷媒は、各々の孔部２３から発汗多孔板２１内部に滲み広がり、発汗多孔板２１の一方の面２１ａの全体から満遍なく滲み出る。したがって、噴射面２に想定どおりの冷却効果を持たせることができ、且つ、全体の流量配分からもロケット燃焼器１００そのものの性能向上も図ることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、推進剤を噴射する噴射エレメント３が設けられた噴射面２を冷却する冷却装置２０を備えるロケット噴射器１であって、冷却装置２０は、一方の面２１ａが噴射面２の少なくとも一部を形成すると共に、他方の面２１ｂに冷媒が供給され、該冷媒を他方の面２１ｂから一方の面２１ａに滲み出させる発汗多孔板２１と、他方の面２１ｂに供給される冷媒の流量を調整する流量調整板２２と、を有するという構成を採用することによって、噴射面２に想定どおりの冷却効果を持たせることができるロケット噴射器１及びロケット燃焼器１００が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、発汗多孔板２１に部分的な流量特性の誤差があり、そのままでは、満遍なく冷媒が滲み出ない場合に、図５に示すように、その滲み出し特性に応じて、複数の孔部２３の配置及び大きさを変更することで対応することができる。

図５（ａ）に示す複数の孔部２３は、第１の径を有する第１の孔部２３Ａと、上記第１の径と異なる第２の径を有する第２の孔部２３Ｂと、を含んで構成されている。この構成によれば、孔部２３の配置を変更することなく流量配分の調整が可能となる。例えば、流量調整板２２の外縁におけるシール性の影響で、その外縁部における冷媒の滲み出し量が多くなる場合には、外縁部に配置された第２の孔部２３Ｂの径を相対的に小さくすることで対応できる。

図５（ｂ）に示す複数の孔部２３は、所定領域Ｘにおける孔部２３の間隔と、所定領域Ｘ以外の領域における孔部２３の間隔が異なって構成されている。例えば、所定領域Ｘにおける冷媒の滲み出し量が多くなっていることが確認された場合には、所定領域Ｘにおける孔部２３の数を減じて間隔をあけることで対応できる。

また、例えば、上記実施形態では、発汗多孔板２１の流量特性にあわせて流量調整板２２を製造すると説明したが、流量を任意に調整できる可変型の流量調整板を採用してもよい。可変型の流量調整板としては、例えば、孔部が形成された２枚重ねの板を相対移動させてずらし、その孔部の大きさを可変とする構造のものを採用することができる。

１…ロケット噴射器、２…噴射面、３…噴射エレメント（ノズル）、２０…冷却装置、２１…発汗多孔板、２１ａ…一方の面、２１ｂ…他方の面、２２…流量調整板、２２ａ…接触面、２３…孔部、２３Ａ…第１の孔部、２３Ｂ…第２の孔部、１００…ロケット燃焼室

Claims (6)

1. 推進剤を噴射するノズルが設けられた噴射面を冷却する冷却装置を備えるロケット噴射器であって、
   前記冷却装置は、
   一方の面が前記噴射面の少なくとも一部を形成すると共に、他方の面に冷媒が供給され、該冷媒を前記他方の面から前記一方の面に滲み出させる多孔板と、
   前記他方の面に供給される前記冷媒の流量を調整する流量調整板と、を有することを特徴とするロケット噴射器。
2. 前記流量調整板は、前記他方の面における前記冷媒の流量配分を調整する複数の孔部を有することを特徴とする請求項１に記載のロケット噴射器。
3. 前記流量調整板は、前記他方の面に接触する接触面を有しており、
   前記複数の孔部は、前記接触面に開口して設けられていることを特徴とする請求項２に記載のロケット噴射器。
4. 前記複数の孔部は、前記多孔板の滲み出し特性に応じた配置及び大きさで設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のロケット噴射器。
5. 前記複数の孔部は、第１の径を有する第１の孔部と、前記第１の径と異なる第２の径を有する第２の孔部と、を含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のロケット噴射器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のロケット噴射器を備えることを特徴とするロケット燃焼器。

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