JP2017025719A - ロケット用再生冷却ノズルの製造方法及びロケット用再生冷却ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】手間暇の軽減及び素材費用の低減を実現し、ロケットエンジンの低コスト化に寄与するロケット用再生冷却ノズルの製造方法を提供する。【解決手段】金属板Ｍに加工を施して外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３を成形する成形工程と、流路仕様設定工程で設定された冷却流体用の流路１４の形状プロファイルにより流路形成金棒２５を製作する流路形成部材製作工程と、流路形成金棒２５を外筒部１１の内周壁１１ａ上に配置して金棒２５同士の間隔を設定された間隔に保持する流路形成部材配置工程と、各筒部１１，１２，１３を順次嵌合する筒部嵌合工程と、超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る環境内でガス圧力Ｐを負荷して中筒部１２を外筒部１１に一体化させ、且つ、内筒部１３にガス圧力Ｐを負荷して内筒部１３を中筒部１２に一体化させる筒部一体化工程と、外筒部１１と中筒部１２との間から流路形成金棒２５を離型させる流路形成工程を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、ノズルのスカート部に互いに隣接して複数配置された流路に、例えば、燃焼室に噴射する前の燃料を冷却流体として流すことでノズルのスカート部を冷却するロケット用再生冷却ノズルの製造方法及びロケット用再生冷却ノズルに関するものである。

上記したロケット用再生冷却ノズルとしては、例えば、断面が円形状又は楕円形状を成すＮｉ基系超合金製の管を多数束ねて成るスカート部が知られており、このロケット用再生冷却ノズルであるスカート部において、冷却流体を流す流路としての多数の管は、並べた状態で互いにろう付けされてバンドで固定されている（例えば、非特許文献１参照。）。

第３版 航空宇宙工学便覧 社団法人 日本航空宇宙学会編 平成１８年５月２５日発行 第９１７頁〜第９１８頁

ところが、上記した多数の管を束ねて成るスカート部（ロケット用再生冷却ノズル）の場合、その製造過程において、多数の管を隙間なく接合するろう付けに多くの手間暇がかかるうえ、Ｎｉ基系超合金製の管を多数使用する分だけ素材費用が高くつくことから、ロケットエンジンの低コスト化の妨げになっているという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、製造作業の手間暇を軽減することができると共に、素材費用の低減をも実現することが可能であり、その結果、ロケットエンジンの低コスト化に寄与することができるロケット用再生冷却ノズルの製造方法及びロケット用再生冷却ノズルを提供することを目的としている。

本発明者らは、例えば、ロケットのノズルに用いられる超合金の超塑性成形温度と拡散接合温度とがほぼ同じであり、超塑性成形と拡散接合とを同時に行い得ることに着目した。そして、超塑性成形技術及び拡散接合技術の両技術を組み合わせることで、手間暇をかけずにロケット用再生冷却ノズルを製造し得ることを見出し、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の第１の態様は、冷却流体を流す互いに隣接する複数の流路を備えたロケット用再生冷却ノズルの製造方法であって、金属板に加工を施して互いに大中小の相似関係となるノズル形状を成す外筒部，中筒部及び内筒部を成形する成形工程と、前記流路の断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルを設定すると共に前記流路の本数及び隣接する該流路同士の間隔を設定する流路仕様設定工程と、前記流路仕様設定工程で設定された前記流路の断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルに基づいて流路形成部材を製作する流路形成部材製作工程と、前記流路形成部材製作工程で製作された長尺状を成す複数の前記流路形成部材を前記外筒部の内周壁上に周方向に並べて配置すると共に隣接する前記流路形成部材同士の間隔を前記流路仕様設定工程で設定された隣接する前記流路同士の間隔に保持する流路形成部材配置工程と、前記複数の流路形成部材を配置した前記外筒部に前記中筒部を嵌合すると共に該中筒部に前記内筒部を嵌合する筒部嵌合工程と、超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る温度環境において前記中筒部と前記内筒部との間にガス圧力を負荷して前記中筒部を前記外筒部に一体化させると共に前記内筒部に前記ガス圧力と同じ高さのガス圧力を負荷して該内筒部を前記中筒部に一体化させる筒部一体化工程と、前記外筒部と前記中筒部との間から前記流路形成部材を離型させて前記流路を形成する流路形成工程を含む構成としている。

本発明の第１の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法によれば、複数の流路を備えたロケット用再生冷却ノズルを製造するにあたって、内周壁上に流路形成部材を配置した外筒部に、中筒部及び内筒部を順次嵌合させたうえで、金属の超塑性特性を利用した超塑性成形と拡散接合とを同時に行って、外筒部，中筒部及び内筒部を互いに一体化させるようにしている。

したがって、Ｎｉ基系超合金製の管を多数束ねて互いにろう付けする従来の製造方法と比べて、接合作業の手間暇の軽減及び素材費用の低減が図られることとなる。

本発明の第２の態様において、前記成形工程の前記金属板に施す加工が超塑性成形である構成としている。

本発明の第２の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法によれば、超塑性成形及び拡散接合によって外筒部，中筒部及び内筒部を一体化させる際の炉を成形工程の超塑性成形の成形炉として用いることができるので、ロケット用再生冷却ノズルの製造に必要な設備が増えるのを抑え得ることとなる。

本発明の第３の態様は、超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る成形炉を用いて行う筒部一体化工程において、前記外筒部を前記成形工程としての超塑性成形で用いる外筒成形金型に嵌合した状態で前記成形炉の内部に入れる構成としている。

本発明の第３の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法によれば、中筒部と内筒部との間や、内筒部にガス圧力を負荷する際に、外筒部が拡径方向に変形することが阻止されることとなる。加えて、外筒部の変形を抑えるための変形抑止体を別途用意する必要がない分だけ、ロケット用再生冷却ノズルの製造に必要な部品が増えるのを抑え得ることとなる。

本発明の第４の態様は、ノズル形状を成す外筒部と、前記外筒部に嵌合される中筒部と、前記中筒部に嵌合される内筒部を備え、前記中筒部は、互いに嵌合させた前記外筒部，前記中筒部及び前記内筒部に対して同時に成された超塑性成形及び拡散接合により波板状に形成されて、前記外筒部及び前記内筒部の双方に接合され、波板状の前記中筒部と前記外筒部との間に形成される複数の孔、及び、波板状の前記中筒部と前記内筒部との間に形成される複数の孔が、冷却流体を流す互いに隣接する複数の流路として機能する構成としている。

本発明の第４の態様に係るロケット用再生冷却ノズルによれば、Ｎｉ基系超合金製の管を多数束ねて互いにろう付けする従来のロケット用再生冷却ノズルと比べて、同等の強度及び冷却性能が得られるのは言うまでもなく、低コスト化が図られることとなる。

本発明の第１の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法では、製造過程における接合作業の手間暇の軽減及び素材費用の低減を実現することができ、その結果、ロケットエンジンの低コスト化に寄与することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の第２の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法では、ロケット用再生冷却ノズルの製造に必要な設備や部品を少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の第３の態様に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法では、ロケット用再生冷却ノズルの製造に必要な設備や部品を少なく抑えたうえで、製造過程においてノズルを構成する部材が変形するのを回避することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の第４の態様に係るロケット用再生冷却ノズルでは、従来のロケット用再生冷却ノズルと同等の強度及び冷却性能を維持したうえで、低コスト化をも実現可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルである上部スカート部を有するノズルの側面説明図（ａ）及び部分断面説明図（ｂ）である。 本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルの製造方法の成形工程説明図である。 本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルの製造方法の流路形成部材配置工程説明図（ａ），この流路形成部材配置工程で用いる治具の斜視説明図（ｂ）及び治具の部分断面説明図（ｃ）である。 本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルの製造方法の筒部嵌合工程説明図（ａ）及び部分平面説明図（ｂ）である。 本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルの製造方法の筒部一体化工程説明図（ａ），部分平面説明図（ｂ），図５（ｂ）のＡ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｃ）及び図５（ｂ）のＢ−Ｂ線位置に基づく断面説明図（ｄ）である。 本発明の一実施例によるロケット用再生冷却ノズルの製造方法の流路形成工程説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例に係るロケット用再生冷却ノズルである上部スカート部を有するノズルを示し、図２〜図６は本発明の一実施例に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法の各工程を示している。

図１（ａ）に示すように、このノズル１は、燃焼室Ｃに続くスロート２と、このスロート２に続く膨張部３と、この膨張部３の裾３ａに取り付けられる上部スカート部（ロケット用再生冷却ノズル）１０を備えており、この実施例では、上部スカート部１０の裾１０ａに下部スカート部４が取り付けられている。

上部スカート部１０は、図１（ｂ）に部分的に示すように、大中小の相似関係を成して互いに嵌合する外筒部１１と、中筒部１２と、内筒部１３を具備している。

この場合、中筒部１２は断面が凹凸状を成す全体で波板状を成しており、この中筒部１２と外筒部１１との間には、燃焼室Ｃに噴射する前の燃料を冷却流体として流す互いに隣接する流路（孔）１４が複数形成されている。この実施例において、中筒部１２と内筒部１３との間にも、燃焼室Ｃに噴射する前の燃料を冷却流体として流す流路（孔）１５が複数形成されており、これらの内筒部１３側の流路１５は、外筒部１１側の互いに隣接する流路１４の間にそれぞれ配置されている。

次に、このような燃料を冷却流体として流す複数の流路１４，１５を備えた上部スカート部（ロケット用再生冷却ノズル）１０の製造要領を説明する。

まず、図２の左側に示すように、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３の各素材であるＮｉ基系超合金やＴｉ基系超合金等の超合金の金属板Ｍを外筒成形金型２１，中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３にそれぞれ載せる。

次いで、図２の中央に示すように、金属板Ｍを載せた外筒成形金型２１，中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３を同時成形可能な成形炉（高温高圧炉）２４に入れて各金属板Ｍに超塑性成形を施す。具体的には、外筒成形金型２１，中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３の各下部に配置したポート２１ａ，２２ａ，２３ａからそれぞれ空気を抜きながら、高温に維持した成形炉２４内全体に高い圧力をかけて成形する。

この超塑性成形によって各金属板Ｍが外筒成形金型２１，中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３にそれぞれ馴染んだ時点で、図２の右側に示すように、中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３を成形炉２４から出して、中筒部１２及び内筒部１３を中筒成形金型２２及び内筒成形金型２３からそれぞれ離型させる（成形工程）。

この成形工程に先立って、流路仕様設定工程において流路１４，１５の各断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルを設定すると共に、流路１４，１５の各本数及び隣接する流路１４，１４（或いは流路１５，１５）同士の間隔を設定するのに続いて、この流路仕様設定工程で設定された流路１４，１５の断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルに基づいて流路形成部材としての流路形成金棒２５を製作する（流路形成部材製作工程）。

そして、図３（ａ）に示すように、流路形成部材製作工程で製作された長尺状を成す複数の流路形成金棒２５を外筒部１１の内周壁１１ａ上に周方向に並べて配置すると共に、隣接する流路形成金棒２５同士の間隔を流路仕様設定工程で設定された隣接する流路１４，１４（或いは流路１５，１５）同士の間隔に保持する（流路形成部材配置工程）。

この流路形成部材配置工程における複数の流路形成金棒２５の配置には、図３（ｂ），（ｃ）にも示すように、複数の棒支持孔２６ａを有する治具２６を使用することが望ましく、流路形成金棒２５には離型剤を塗布して配置することが望ましい。この治具２６では、流路形成部材製作工程で製作された複数の流路形成金棒２５を流路仕様設定工程で設定された間隔をおいて外筒部１１の内周壁１１ａ上に周方向に並べて配置することができる。

次に、図４（ａ）に示すように、外筒成形金型２１内の外筒部１１に中筒部１２を嵌合すると共に、この中筒部１２に内筒部１３を嵌合して、図４（ｂ）に示すように、設定された間隔をおいて配置された複数の流路形成金棒２５を外筒部１１及び中筒部１２間で保持する（筒部嵌合工程）。

次いで、図５（ａ）に示すように、内筒部１３及び中筒部１２が順次嵌合され、複数の流路形成金棒２５が設定された間隔で配置された外筒部１１を外筒成形金型２１とともに成形炉２４内に入れる。

これに続いて、成形炉２４内において、超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る温度に高めたうえで、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、中筒部１２と内筒部１３との間にポート２７を介してガス圧力Ｐを負荷して中筒部１２を外筒部１１に一体化させると共に、内筒部１３にガス圧力Ｐと同じ高さのガス圧力Ｐを負荷してこの内筒部１３を中筒部１２に一体化させる（筒部一体化工程）。
なお、中筒部１２と内筒部１３との間の流路１５は、図５（ｄ）に示すように、この筒部一体化工程において中筒部１２と内筒部１３との間にポート２７を介してガス圧力Ｐを負荷する時点で形成される。

この筒部一体化工程において外筒部１１に中筒部１２及び内筒部１３を一体化させた後、外筒部１１と中筒部１２との間から流路形成金棒２５を離型させて流路１４を形成する。そして、中筒部１２及び内筒部１３を一体化させて成る外筒部１１を外筒成形金型２１から離型させるのに続いて、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３の各底部を抜くことで、上部スカート部１０を得る（流路形成工程）。

上記したように、この実施態様に係る上部スカート部（ロケット用再生冷却ノズル）１０の製造方法によれば、複数の流路１４，１５を備えた上部スカート部１０を製造するにあたって、内周壁１１ａ上に流路形成金棒２５を配置した外筒部１１に、中筒部１２及び内筒部１３を順次嵌合させたうえで、金属の超塑性特性を利用した超塑性成形と拡散接合とを同時に行って、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３を互いに一体化させるようにしている。

したがって、Ｎｉ基系超合金製の管を多数束ねて互いにろう付けする従来の製造方法と比べて、接合作業の手間暇の軽減及び素材費用の低減が図られることとなる。

また、この実施態様において、流路形成部材配置工程における複数の流路形成金棒２５の配置に際して、治具２６を使用するようにしているので、複数の流路形成金棒２５を流路仕様設定工程で設定された間隔をおいて外筒部１１の内周壁１１ａ上に周方向に並べて配置することができ、流路１４，１５の配置をより緻密に行い得ることとなる。

さらに、この実施態様において、成形工程の金属板Ｍに施す加工に超塑性成形を採用しているので、超塑性成形及び拡散接合によって外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３を一体化させる筒部一体化工程の炉を成形工程の超塑性成形の成形炉２４としても用いることができ、その結果、上部スカート部１０の製造に必要な設備が増えるのを抑え得ることとなる。

さらにまた、この実施態様では、成形工程の超塑性成形において、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３を同時に成形可能な成形炉２４を使用するようにしているので、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３の各筒部個々に対応した成形炉を準備する必要がなくなり、その分だけ上部スカート部１０の製造に必要な設備が増えるのを抑え得ることとなる。

さらにまた、この実施態様では、筒部一体化工程において、外筒部１１を成形工程としての超塑性成形で用いる外筒成形金型２１に嵌合した状態で成形炉２４内に入れるようにしているので、中筒部１２と内筒部１３との間や、内筒部１３にガス圧力Ｐを負荷する際に、外筒部１１が拡径方向に変形することが阻止されることとなる。
この際、外筒部１１の変形を抑えるための変形抑止体を別途用意する必要がない分だけ、ロケット用再生冷却ノズルの製造に必要な部品が増えるのを抑え得ることとなる。

本発明に係るロケット用再生冷却ノズルの製造方法及びロケット用再生冷却ノズルの構成は、上記した実施例に限定されるものではなく、他の構成として、例えば、外筒部１１，中筒部１２及び内筒部１３を成形する成形工程において、超塑性成形以外の成形手段を用いてもよい。

１０ 上部スカート部（ロケット用再生冷却ノズル）
１１ 外筒部
１２ 中筒部
１３ 内筒部
１４，１５ 流路（孔）
２１ 外筒成形金型
２４ 成形炉
２５ 流路形成金棒（流路形成部材）
２６ 治具
Ｍ 金属板

Claims (4)

1. 冷却流体を流す互いに隣接する複数の流路を備えたロケット用再生冷却ノズルの製造方法であって、
   金属板に加工を施して互いに大中小の相似関係となるノズル形状を成す外筒部，中筒部及び内筒部を成形する成形工程と、
   前記流路の断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルを設定すると共に前記流路の本数及び隣接する該流路同士の間隔を設定する流路仕様設定工程と、
   前記流路仕様設定工程で設定された前記流路の断面形状，断面積及び長手方向の形状プロファイルに基づいて流路形成部材を製作する流路形成部材製作工程と、
   前記流路形成部材製作工程で製作された長尺状を成す複数の前記流路形成部材を前記外筒部の内周壁上に周方向に並べて配置すると共に隣接する前記流路形成部材同士の間隔を前記流路仕様設定工程で設定された隣接する前記流路同士の間隔に保持する流路形成部材配置工程と、
   前記複数の流路形成部材を配置した前記外筒部に前記中筒部を嵌合すると共に該中筒部に前記内筒部を嵌合する筒部嵌合工程と、
   超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る温度環境において前記中筒部と前記内筒部との間にガス圧力を負荷して前記中筒部を前記外筒部に一体化させると共に前記内筒部に前記ガス圧力と同じ高さのガス圧力を負荷して該内筒部を前記中筒部に一体化させる筒部一体化工程と、
   前記外筒部と前記中筒部との間から前記流路形成部材を離型させて前記流路を形成する流路形成工程を含むロケット用再生冷却ノズルの製造方法。
2. 前記成形工程の前記金属板に施す加工が超塑性成形である請求項１に記載のロケット用再生冷却ノズルの製造方法。
3. 超塑性成形及び拡散接合を同時に行い得る成形炉を用いて行う筒部一体化工程において、前記外筒部を前記成形工程としての超塑性成形で用いる外筒成形金型に嵌合した状態で前記成形炉の内部に入れる請求項２に記載のロケット用再生冷却ノズルの製造方法。
4. ノズル形状を成す外筒部と、
   前記外筒部に嵌合される中筒部と、
   前記中筒部に嵌合される内筒部を備え、
   前記中筒部は、互いに嵌合させた前記外筒部，前記中筒部及び前記内筒部に対して同時に成された超塑性成形及び拡散接合により波板状に形成されて、前記外筒部及び前記内筒部の双方に接合され、
   波板状の前記中筒部と前記外筒部との間に形成される複数の孔、及び、波板状の前記中筒部と前記内筒部との間に形成される複数の孔が、冷却流体を流す互いに隣接する複数の流路として機能するロケット用再生冷却ノズル。

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