JP2014037838A

JP2014037838A - ロケット用噴射器、ロケット用燃焼器及び液体燃料ロケット

Info

Publication number: JP2014037838A
Application number: JP2013220184A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Isono; 充典磯野; Akira Ogawara; 彰小河原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5787957B2

Abstract

【課題】燃焼振動による酸化剤の流量変動および圧力変動を低減させ、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を低減させることができるロケット用噴射器、ロケット用燃焼器及び液体燃料ロケットを提供すること。
【解決手段】燃料および酸化剤を混合して燃焼室内に噴射するロケット用噴射器２０であって、その中心部に、長手方向に沿って前記酸化剤を流す流路２７が穿設され、その一端部に、肉厚方向に貫通する多数の貫通孔２８と、その外周面から外側に向かって突出するとともに、前記流路２７および前記貫通孔２８の内部空間と連通する空間Ｓを形成するライナ２９とが設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料（例えば、水素ガス）および酸化剤（例えば、液体酸素）を混合して燃焼室内に噴射するロケット用噴射器、ロケット用燃焼器及び液体燃料ロケットに関するものである。

燃料および酸化剤を混合して燃焼室内に噴射するロケット用噴射器としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

特開昭６１−６６８５１号公報

また、燃焼室の内部では、圧力変動を伴う燃焼振動が発生するため、従来、その対策として、バッフル（Baffle）、レゾネータ（Resonator）、ライナ（Liner）等の減衰装置を燃焼室の内部に取り付け、燃焼室に減衰を付加していたが十分にその効果が認められない場合もあった。
また、燃焼振動による圧力変動が、ロケット用噴射器の中心部に長手方向に沿って穿設された流路を介して供給される酸化剤に伝播し、燃焼室内に噴射される酸化剤の流量および圧力が変動して、燃焼室内における燃焼振動がさらに助長されるといった問題点があった。
また、燃焼室内における燃焼振動が著しくなると、振動による亀裂等の損傷がロケット用燃焼器に発生してしまうといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、燃焼振動による酸化剤の流量変動および圧力変動を低減させ、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を低減させることができるロケット用噴射器、ロケット用燃焼器及び液体燃料ロケットを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るロケット用噴射器は、酸化剤マニホールドと燃料マニホールドとを区画する第１の隔壁に形成されて、当該第１の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に、絞り部を有する一端部が挿入され、前記燃料マニホールドと燃焼室とを区画する第２の隔壁に形成されて、当該第２の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に他端部が挿入されるとともに、燃料および酸化剤を混合して前記燃焼室内に噴射するロケット用噴射器であって、その中心部に、長手方向に沿って前記酸化剤を流す流路が穿設され、前記一端部が前記第１の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に一端部が挿入され、前記他端部が前記第２の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に挿入された際に、前記燃料マニホールド内で、かつ、前記絞り部の下流側に位置する第１の隔壁の近傍に、肉厚方向に貫通する多数本の貫通孔と、その外周面から外側に向かって突出するとともに、前記流路および前記貫通孔の内部空間と連通する空間を形成するライナとが設けられている。

本発明に係るロケット用噴射器によれば、燃焼室の内部に発生した燃焼振動が流路を通過する酸化剤に伝播しても、その燃焼振動に合わせて流路を通過する酸化剤の一部が流路から貫通孔の内部空間に流入したり、貫通孔の内部空間に流入した酸化剤が貫通孔の内部空間から流路内に流出したりする。その際、貫通孔内を行き来する（流動する）酸化剤と、貫通孔の内周面との間に生じる抵抗により、酸化剤の流量変動および圧力変動が低減することになる。
これにより、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を抑制することができる。

本発明に係るロケット用燃焼器は、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を抑制することができるロケット用噴射器を具備している。

本発明に係るロケット用燃焼器によれば、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動の発生が抑制されることになるので、燃焼室の内部に発生する燃焼振動を低減させることができ、振動による亀裂等の損傷を防止することができる。
さらに、本発明に係るロケット用燃焼器によれば、振動による亀裂等の損傷が防止されることになるので、ロケット用燃焼器の信頼性を向上させることができる。

本発明の参考例に係るロケット用燃焼器は、燃料および酸化剤を混合して燃焼室内に噴射するロケット用噴射器と、前記燃料が貯溜される燃料マニホールドと前記酸化剤が貯溜される酸化剤マニホールドとを区画するとともに、前記ロケット用噴射器の一端部が挿入される隔壁とを備えたロケット用燃焼器であって、前記ロケット用噴射器の中心部には、長手方向に沿って前記酸化剤を流す流路が穿設され、前記ロケット用噴射器の一端部には、肉厚方向に貫通する多数の貫通孔が設けられているとともに、前記隔壁には、前記ロケット用噴射器の一端部が挿入される貫通穴が設けられており、この貫通穴を形成する内周面には、前記流路および前記貫通孔の内部空間と連通する空間を形成する凹所が設けられている。

本発明の参考例に係るロケット用燃焼器によれば、燃焼室の内部に発生した燃焼振動が流路を通過する酸化剤に伝播しても、その燃焼振動に合わせて流路を通過する酸化剤の一部が流路から貫通孔の内部空間に流入したり、貫通孔の内部空間に流入した酸化剤が貫通孔の内部空間から流路内に流出したりする。その際、貫通孔内を行き来する（流動する）酸化剤と、貫通孔の内周面との間に生じる抵抗により、酸化剤の流量変動および圧力変動が低減することになる。
これにより、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動の発生を抑制することができ、燃焼室の内部に発生する燃焼振動を低減させることができて、振動による亀裂等の損傷を防止することができる。
また、振動による亀裂等の損傷が防止されることになるので、ロケット用燃焼器の信頼性を向上させることができる。

本発明に係る液体燃料ロケットは、燃焼室の内部に発生する燃焼振動を低減させることができ、振動による亀裂等の損傷を防止することができるロケット用燃焼器を具備している。

本発明に係る液体燃料ロケットによれば、燃焼室の内部に発生する燃焼振動が低減されることになるので、振動による亀裂等の損傷を防止することができる。
また、本発明に係る液体燃料ロケットによれば、振動による亀裂等の損傷が防止されることになるので、液体燃料ロケットの信頼性を向上させることができる。

本発明に係るロケット用噴射器によれば、燃焼振動による酸化剤の流量変動および圧力変動を低減させ、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を低減させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係るロケット用噴射器を具備したロケット用燃焼器の概略構成図である。本発明の第１実施形態に係るロケット用噴射器がロケット用燃焼室の噴射面規定位置に配置された概略構成図である。本発明の第１実施形態に係るロケット用噴射器の断面図である。本発明の第１参考例に係るロケット用噴射器の断面図である。

以下、本発明の第１実施形態に係るロケット用噴射器について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係るロケット用噴射器を具備したロケット用燃焼器の概略構成図、図２は本実施形態に係るロケット用噴射器がロケット用燃焼室の噴射面規定位置に配置された概略構成図、図３は本実施形態に係るロケット用噴射器の断面図である。

図１または図２に示すように、ロケット用燃焼器１０は、多数本のロケット用噴射器２０と、ロケット用噴射器２０の下流側に配置された燃焼室（Combustion Chamber）４０と、燃焼室４０の下流側に配置されたノズル５０とを備えている。

ロケット用噴射器２０は、燃料（例えば、水素ガス）および酸化剤（例えば、液体酸素）を混合して燃焼室４０内に噴射するものである。
図２および図３に示すように、ロケット用噴射器２０の一端部（図２および図３において上側に位置する端部）は、酸化剤マニホールド１１と燃料マニホールド１２とを区画する（仕切る）第１の隔壁１３に形成されて、第１の隔壁１３を板厚方向に貫通する貫通穴１３ａ内に挿入されている（取り付けられている）。一方、ロケット用噴射器２０の他端部（図２および図３において下側に位置する端部）は、燃料マニホールド１２と燃焼室４０とを区画する（仕切る）第２の隔壁１４に形成されて、第２の隔壁１４を板厚方向に貫通する貫通穴１４ａ内に挿入されている（取り付けられている）。

図３に示すように、ロケット用噴射器２０の他端部は、ロケット用噴射器２０の一端部から延びる内筒２１と、この内筒２１の外側（半径方向外側）を囲繞する（取り囲む）ように形成された外筒２２とを備えている。
外筒２２の長手方向における中央部には、周方向に沿って肉厚方向（径方向）に貫通する貫通穴２３が複数形成されており、燃料マニホールド１２内に供給された燃料は、これら貫通穴２３を介して内筒２１の外周面と外筒２２の内周面との間に形成された流路（隙間）２４内に導かれた後、燃料出口２５から燃焼室４０に向かって噴射される。

なお、貫通穴２３の平面視形状は、円形状、楕円形状、矩形状、長穴形状等、いかなる形状であっても良い。
また、外筒２２の一端面（図３において上側に位置する端面）２２ａは、ロケット用噴射器２０の長手方向における中央部において段部を形成する端面２６と密接しており、外筒２２の他端部外周面２２ｂは、貫通穴１４ａを形成する内周面と密接している。
さらに、貫通穴１４ａを形成する内周面には、段部が形成されており、外筒２２が単独で第２の隔壁１４に取り付けられた場合でも、外筒２２が燃料マニホールド１２内に抜け落ちないようになっている。

ロケット用噴射器２０の中心部には、酸化剤マニホールド１１内に供給された酸化剤を燃焼室４０に導く流路２７が、長手方向（図３において上下方向）に沿って形成されており、流路２７を通過した酸化剤は、噴射面６０と同一の平面上に形成された酸化剤出口２７ａから燃焼室４０に向かって噴射される。

酸化剤出口２７ａから燃焼室４０に向かって噴射された酸化剤と、燃料出口２５から燃焼室４０に向かって噴射された燃料とは、酸化剤出口２７ａおよび燃料出口２５の下流で混合され、酸化剤と燃料との混合物が、燃焼室４０内に噴出される。燃焼室４０内に注入された酸化剤と燃料との混合物との混合物は、点火器ポート１５に取り付けられた点火器（図示せず）により着火された後、燃焼室４０の内部で燃焼される。燃焼室４０の内部における燃焼で発生した燃焼ガスは、ノズル５０により絞られて燃焼ガス排出方向へ排出されて推力が生じる。
なお、ロケット用噴射器２０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４０の噴射面６０の背面側（図２において上側）に、ロケット用燃焼器１０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ている。

図３に示すように、ロケット用噴射器２０の一端部には、肉厚方向（径方向）に貫通する多数の貫通孔（振動減衰孔）２８と、外周面から外側（半径方向外側）に向かって突出するとともに、これら貫通孔２８の内部空間と連通する（共鳴）空間Ｓを形成（囲繞）するライナ（張出部）２９とが設けられている。貫通孔２８の内部空間およびライナ２９の内部（すなわち、空間Ｓ）は酸化剤で満たされており、燃焼室４０の内部で圧力変動を伴う燃焼振動が発生すると、その燃焼振動に合わせて流路２７を通過する酸化剤の一部が流路２７から貫通孔２８の内部空間に流入したり、貫通孔２８の内部空間に流入した酸化剤が貫通孔２８の内部空間から流路２７内に流出したりする。

本実施形態に係るロケット用噴射器２０によれば、燃焼室４０の内部に発生した燃焼振動が流路２７を通過する酸化剤に伝播しても、その燃焼振動に合わせて流路２７を通過する酸化剤の一部が流路２７から貫通孔２８の内部空間に流入したり、貫通孔２８の内部空間に流入した酸化剤が貫通孔２８の内部空間から流路２７内に流出したりする。その際、貫通孔２８内を行き来する（流動する）酸化剤と、貫通孔２８の内周面との間に生じる抵抗により、酸化剤の流量変動および圧力変動が低減することになる。
これにより、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動を抑制することができる。

また、本実施形態に係るロケット用燃焼器１０によれば、酸化剤の流量変動および圧力変動による燃焼振動の発生が抑制されることになるので、燃焼室４０の内部に発生する燃焼振動を低減させることができ、振動による亀裂等の損傷を防止することができる。
さらに、本実施形態に係るロケット用燃焼器１０によれば、振動による亀裂等の損傷が防止されることになるので、ロケット用燃焼器１０の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態に係るロケット用燃焼器１０を具備した液体燃料ロケットによれば、燃焼室４０の内部に発生する燃焼振動が低減されることになるので、振動による亀裂等の損傷を防止することができる。
さらに、本実施形態に係るロケット用燃焼器１０を具備した液体燃料ロケットによれば、振動による亀裂等の損傷が防止されることになるので、液体燃料ロケットの信頼性を向上させることができる。

本発明の第１参考例に係るロケット用噴射器について、図４を参照しながら説明する。図４は本参考例に係るロケット用噴射器の断面図である。
図４に示すように、本参考例に係るロケット用噴射器３５は、貫通穴１３ａを形成する内周面に、空間Ｓを形成する凹所３６を周方向に沿って設け、ライナ２９を取り除いてなくした（省略した）という点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。

本参考例に係るロケット用噴射器３５によれば、ライナ２９を省略して、部品点数を減少させることができるので、製造コストを低減させることができる。
その他の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１０ロケット用燃焼器
１１酸化剤マニホールド
１２燃料マニホールド
１３第１の隔壁
１３ａ貫通穴
２０ロケット用噴射器
２７流路
２８貫通孔
２９ライナ
３５ロケット用噴射器
３６凹所
４０燃焼室
Ｓ空間

Claims

酸化剤マニホールドと燃料マニホールドとを区画する第１の隔壁に形成されて、当該第１の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に、絞り部を有する一端部が挿入され、前記燃料マニホールドと燃焼室とを区画する第２の隔壁に形成されて、当該第２の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に他端部が挿入されるとともに、燃料および酸化剤を混合して前記燃焼室内に噴射するロケット用噴射器であって、
その中心部に、長手方向に沿って前記酸化剤を流す流路が穿設され、前記一端部が前記第１の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に一端部が挿入され、前記他端部が前記第２の隔壁を板厚方向に貫通する貫通穴内に挿入された際に、前記燃料マニホールド内で、かつ、前記絞り部の下流側に位置する第１の隔壁の近傍に、肉厚方向に貫通する多数本の貫通孔と、その外周面から外側に向かって突出するとともに、前記流路および前記貫通孔の内部空間と連通する空間を形成するライナとが設けられていることを特徴とするロケット用噴射器。
請求項１に記載のロケット用噴射器を具備していることを特徴とするロケット用燃焼器。
請求項２に記載のロケット用燃焼器を具備していることを特徴とする液体燃料ロケット。