JP2019507274A - 点火装置を有する噴射器要素 - Google Patents

Abstract

点火装置を有する噴射要素。少なくとも第１の推進剤（Ｅ１）と第２の推進剤（Ｅ２）との混合物を燃焼室内に噴射するための噴射器要素（２０１）。噴射器要素（２０１）は、第１の推進剤（Ｅ１）噴射するための第１のダクト（２０６）を画定する第１の管状壁（２０２）と、第１の壁（２０２）を取り囲んでいて且つ第１及び第２の壁の間において第２の推進剤（Ｅ２）を噴射するための第２のダクト（２０７）を画定する、第２の壁（２０４）と、を具備する。第１の壁（２０２）は、放電により混合物を点火するための第１の電極を具備する。【選択図】図３

Description

本開示は、２つの推進剤の混合物を燃焼室内に噴射するための噴射器要素に係わり、更により詳細には、その様な噴射器要素を具備する少なくとも１つの燃焼室を有する、ロケットエンジン用に設計された噴射器要素に関する。本開示は、より詳細には、推進剤の混合物の点火を容易にするために、その様な噴射器要素に実施された改良に関する。

ある特許文献には、少なくとも第１の推進剤と第２の推進剤との混合物を燃焼室内に噴射するための噴射器要素が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。噴射器要素は、第１の推進剤を噴射するための第１のダクトを画定する第１の管状壁と、第１の壁を取り囲む第２の壁であって、第１の壁と第２の壁との間において第２の推進剤を噴射するための第２のダクトを画定する第２の壁と、を具備する。

当該特許文献は、噴射器要素がまた中央本体を具備する、実施の形態を開示する。中央本体は、点火機能が噴射器要素に組み込まれるように、混合物を点火するための装置を具備する。それにもかかわらず、これらの例のいずれも、燃焼を開始するために推進剤の混合物の点火を最適化するという観点からは完全な満足を提供しない。

仏国特許出願公開第２９７４１５１号明細書

従って、本発明は、推進剤の混合物の点火が最適化された、噴射器要素を提案することを目的とする。

本発明の目的は、第１の壁が放電により混合物を点火するための第１の電極を具備するという事実により達成される。

第１の壁は、別の要素と組み合わせて第１の電極を具備してもよく、又は第１の壁は、全体として、第１の電極を形成してもよい。

この構成により、燃焼は、第１の電極の近傍、具体的には第１の壁の近傍において開始する。従って、生成された火炎は、第１の推進剤ダクトと第２の推進剤ダクトとの間の交点に位置する、第１の壁に直接付着することができる。推進剤が低速で移動している領域で燃焼が開始されるので、燃焼は、より迅速に安定化され、更に、点火のためのエネルギーが、推進剤が共に混合する、領域のすぐ上流において供給されるので、このことは、従って、第１の壁に迅速に付着する火炎にとってより有利である。

第１及び／又は第２の壁は、任意の形状の、特には円形又は多角形の形状の、基部上において円筒形であってもよいか、又は壁は、環状又は円錐台形であってもよい。

幾つかの実施の形態において、噴射器要素は、第１のダクト内に位置する中央本体を具備し、第１の壁は、中央本体を取り囲む。中央本体が存在することにより、噴射器要素をはるかにより容易に製造できる。

幾つかの実施の形態において、中央本体は、放電により混合物を点火するための第２の電極を有する。

これとは別に、幾つかの実施の形態において、第２の壁は、放電により混合物を点火するための第２の電極を具備する。これらの実施の形態において、噴射器要素における中央本体の存在は、選択可能である。

第１の電極と共に、第２の電極は、推進剤の混合物を点火するための絶縁破壊システム、即ちエネルギーを推進剤の混合物に直接供給することにより動作する点火装置、を形成する。

幾つかの実施の形態において、第２の電極の下流端部は、第１の電極の下流端部から推進剤噴射方向において下流に位置する。従って、破壊の位置は、より正確に制御される。更に、電極の相対位置は、２つの電極の対面する導電面の間の最短距離の直線部分に沿って破壊が生じる限り、必要に応じて、破壊の位置を、所望のように調整することを可能にする。

幾つかの実施の形態において、第１の電極は接地電極である。破壊火花の伝搬方向は、２つの電極の極性を選択することにより調整可能である。使用される材料に依存して、接地電極及び荷電電極の一方又はもう一方は、火炎の良好な付着にとってより有利であってもよい。

幾つかの実施の形態において、推進剤噴射方向において、下流にある第２の電極の端部は、噴射方向に対して横の平面にある。これにより、第２の電極の構造を簡単化する。これとは別に、下流端部は、第２の電極の下流端部での流体再循環を低減し、それによりその寿命を延ばすように構成された、任意の形状であってもよい。

幾つかの実施の形態において、第１のダクト及び／又は第２のダクトは、噴射器要素から下流に向かって収斂する形状を有する。

本開示はまた、上述したような複数の噴射器要素を有する、噴射ヘッド又は噴射器を提供する。

本開示はまた、上述のような少なくとも１つの噴射器又は上述のような複数の噴射器要素を具備する、燃焼室を提供する。

本開示はまた、上記のような少なくとも1つの燃焼室を具備する、ロケットエンジンを提供する。

特定の実施の形態において、第１の推進剤は酸化剤である。従って、中央本体が第２の電極を形成する荷電電極を具備する場合に、この電極は、酸化流内にあり、更に燃焼から保護される。ロケットエンジン点火システムの寿命は、このように延長される。

本発明及びその利点は、非限定的な例として与えられる本発明の実施の形態の以下の詳細な説明を読むことにより、より良好に理解可能である。説明は、添付図面を参照する。

図１は、液体推進剤ロケットエンジンの図式図である。 図２は、第１の実施の形態における噴射器要素の縦断面図である。 図３は、第１の実施の形態における噴射器要素の部分縦断面図である。 図４は、第２の実施の形態における噴射器要素の部分縦断面図である。

図１は、液体推進剤、特には低温液体推進剤を有する、ロケットエンジン１を示す図である。ロケットエンジン１は、第１の推進剤用タンク２と、第２の推進剤用タンク３と、第１及び第２の推進剤が供給されるガス発生器４と、ガス発生器４から来る燃焼ガスにより駆動されるターボポンプ５と、ターボポンプ５により推進剤を供給される主燃焼室６と、主燃焼室６において発生した燃焼ガスを推進噴出するための収束発散ノズル７と、を有する。

ガス発生器４及び主燃焼室６の両方において効果的な燃焼を得るために、これらの構成要素は、推進剤を共に混合して均一に分配することを可能にするように推進剤を噴射するための噴射器部材を具備する。一般的には、噴射器部材は、噴射器の形態であり、各々は、軸対称構成において２つの推進剤を噴射するために、噴射器板に分配された複数の噴射器要素を有する噴射器板を具備する。

図２は、２つの推進剤Ｅ１及びＥ２を共に噴射し且つ混合するための同軸構造の噴射器要素の縦断面である。この実施の形態において、噴射器要素２０１は、複数の部品から構成されるので、噴射器要素２０１は、分解可能である。それにもかかわらず、噴射器要素２０１は、連続的である材料から単一の部品として同様に良好に製作可能である。例えば、噴射器要素２０１は、複雑な形状を作ることを可能にし更に連続的な材料及び最適化された寸法により製作された単一片部品を得ることを可能にする、付加的な製造により製造可能である。噴射器要素２０１は、噴射器が属する燃焼室の噴射器と連続する、材料により選択可能に製作されてもよい。本実施の形態のように、噴射器要素２０１は、少なくともその下流部分において、その軸線がまた推進剤Ｅ１及びＥ２の主流れの軸線でもある、対称軸線Ｘを有してもよい。

図３は、第１の実施の形態における噴射器要素の一端部の詳細図である。図示されるように、噴射器要素２０１は、第１のダクト２０６及び第２のダクト２０７を形成するように、中央本体２０３の周りに２つの同軸の壁２０２及び２０４を、その終端部分において具備する。

この実施の形態において、第１の壁２０２は円錐台形である。第２の壁２０４は、円錐台形である半径方向の内面と、円筒形である半径方向の外面とにより画定される。変形例において、第２の壁２０４は、２つの円錐台形の表面により画定可能である。第１のダクト２０６及び第２のダクト２０７は、噴射器要素２０１から下流に向かって収斂する、形状である。従って、噴射器要素２０１の構造は、絶縁破壊及び火花発生が生じる、その端部付近においてコンパクトに製作される。この様にして、噴射器要素は、複数の噴射器要素を有する噴射器ヘッドに、より容易に組み込むように製作される。

中央本体２０３は、絶縁シース（鞘体）２０９により囲まれた導電性芯部２０５を有する。芯部２０５の一端部２０５ａは、シース２０９の端部から突出する。端部２０５ａは、実質的に円錐形の末端部分を有する。従って、端部２０５ａは、電極の後流における任意の再循環を低減し、それによりその寿命を延長するように設計される。

セットバック（反り）が、外殻の端部、即ち第２の壁（外壁）２０４と第１の壁２０２（内壁）との間において画定されてもよい。第２の壁２０４は、噴射器板２１０自体の一部を形成してもよい（一部のみ図示）。

噴射器要素２０１は、その供給部が第１の空洞２１３と第２の空洞２１４内にそれぞれ開口する、第１の推進剤供給部２１１及び第２の推進剤供給部２１２を更に具備し、その空洞は、この例では環状であり、更に第１のダクト２０６と第２のダクト２０７それぞれに供給するのに適する。

第１のダクト２０６は、第１の推進剤Ｅ１を噴射するように構成される一方で、第１のダクト２０６の外側で半径方向に隣接する、第２のダクト２０７は、第２の推進剤Ｅ２を噴射するように構成される。第１の推進剤Ｅ１と第２の推進剤Ｅ２は、噴射器要素２０１の動作中に異なる速度で噴射されるので、セットバックにおける第２の推進剤Ｅ２の流れ内のせん断力が、推進剤Ｅ１及びＥ２の両方の流れにおける乱流を生じて、それにより２つの推進剤Ｅ１とＥ２が均一に共に混合されることを確保する。

噴射器要素２０１による点火は、噴射器要素２０１の点火領域を詳細に説明する、図３を参照して、詳細に以下で説明される。

上述したように、第１の壁２０２は、放電により混合物を点火するための第１の電極を有する。図３の実施の形態において、中央本体２０３は、放電により混合物を点火するための第２の電極を有する。第１及び第２の電極は、混合物を点火して放電を開始するためのエネルギーを直接的に供給するために、放電を発生させるように電源Ｂの対向する極に接続する。第１の壁２０２及び中央本体２０５の構成が与えられると、中央本体２０５、より特別にはその下流端部２０５ａと、第１の電極の下流端部、この例において第１の壁２０２の下流端部との間において放電が発生することが理解できる。従って、第１の電極、第２の電極及び電源Ｂは、エネルギー、具体的には火花の直接的な供給により推進剤の混合物を点火するための点火装置を形成する。第１の壁２０２は、電極、この例では接地電極を具備するので、火花のエネルギーは、第１の壁２０２の後流に位置する。より正確にそして上記説明のように、火花又は放電は、第１の推進剤と第２の推進剤との間の混合領域から直ぐ上流において、従って第１の推進剤において、発生させられ、そして火花により供給されるエネルギーは、図３から分かるように、第１の壁２０２の後流に位置する、該混合領域に直接的に堆積する。このエネルギーは、第１の壁２０２の材料の一部を昇華させて、推進剤混合領域において燃焼前駆体である、プラズマ及びラジカル（遊離基）を生成する。その結果、点火装置により放出されたエネルギーは、２つの推進剤Ｅ１とＥ２が共に混合される領域内に直接堆積され、その領域は、高度に乱流であり、方向Ｘにおいて比較的小さい全体的な速度を提示し、それにより混合物を点火するために火炎の安定性及び付着を大幅に改善する。換言すれば、図３から理解できるように、推進剤の混合物に点火することにより生じる火炎は、この実施の形態において第１の電極の下流端部に対応する、第１の壁２０２の下流端部に付着し、「リップ」とも呼ばれる。

従って、図２及び図３に示す種類の少なくとも１つの噴射器要素２０１を具備する、複数の噴射器要素を有する噴射器を有する燃焼室の動作を起動させるために、該第１の推進剤Ｅ１と第２の推進剤Ｅ２は、燃焼室内に当初噴射され、第１の推進剤Ｅ１は、第１のダクト２０６を介して噴射され、第２の推進剤Ｅ２は、第２のダクト２０７を介して噴射される。ダクト２０６及び２０７から下流において、該第１及び第２の推進剤は、２つの推進剤Ｅ１とＥ２との間における乱流の結果として共に混合する。その混合物を点火するために、電源Ｂが作動され、それにより、混合物にエネルギーを供給して、更に混合物を点火させる、火花を生成する。一旦推進剤の混合物が点火されると、第１の壁２０２の第１の電極と中央本体２０３の第２の電極との間の電圧がゼロまで低下してもよいので、噴射要素２０１はその後、噴射機能のみを実施する。その後、従来の点火器の場合と同様に、噴射器要素２０１からの火炎と別の噴射器との間の相互作用の結果として、室全体において点火が発生する。

第１の推進剤Ｅ１は、酸化剤であってもよく、それにより、一旦推進剤混合物が点火されてしまい且つ燃焼が開始されると、中央本体２０３に含まれる荷電電極を保護する。別の用途において、第１の推進剤Ｅ１は、還元性推進剤であってもよい。電極は、同様に保護されるであろう。第１の推進剤Ｅ１は、使用中の２つの推進剤の内のより高密度のものとして選択されてもよく、それにより、より安定した流れ及びより良好な混合が確保される。

図４は、別の実施の形態における噴射器要素２０１の下流部分を示す。この実施の形態において、噴射器要素は中央本体を有さない。それにもかかわらず、噴射器要素２０１の製造を容易にするために、噴射器要素２０１は、中央本体、場合によっては点火装置に対して電気的に不活性な本体、を有することができる。

第２の壁２０４は、放電により混合物に点火するための第２の電極、この例では荷電電極を有する。電源Ｂは、第１の壁２０２の第１の電極と第２の壁２０４の第２の電極の間において接続する。第１の壁２０２の第１の電極は、絶縁シース２０９により実質的にその全長に亘って保護される。第１の壁２０２の第１の電極の下流端部は、第２の壁２０４の第２の電極との絶縁破壊を可能にするために、シース２０９から突き出る。この実施の形態における噴射器要素の動作は、上述したものと同様である。

更に、第１のダクト２０６と第２のダクト２０７は、この例において共に環状であるので、噴射器要素２０１の寸法は、推進剤に必要な総流量に容易に適合させることができる。

上記の実施の形態は、同軸である噴射器要素に関連するが、同様の概念は、三連同軸噴射器要素にも同様に良好に適用可能である。従って、図示されない変形例において、噴射器要素２０１は、少なくともその終端部分において、３つの同軸ダクトを形成するように、中央本体２０３の周りに３つの同軸壁を選択可能に具備してもよい。１つの可能性において、同じ推進剤が、半径方向に最も内側のダクト内及び半径方向最も外側のダクト内を流れてもよい一方で、もう一方の推進剤は、中間ダクト内を流れる。

この変形形態において、第１の電極を有する第１の壁は、噴射器要素の軸線に最も近い２つの壁、即ち半径方向に最も内側の２つの壁、即ち２つのダクト間の境界にある、２つの壁、から選択されてもよい。

上述した実施の形態のいずれかの噴射器要素は、主燃焼室等の燃焼室、ガス発生器、又は予備室とも呼ばれる予備燃焼室において使用可能である。

本発明は、特定の実施の形態を参照して説明されるが、しかし変更が、特許請求の範囲により規定される本発明の一般的な範囲を逸脱することなく、それらの例に実施されてもよい。特に、示された及び／又は言及された様々な実施の形態の個々の特徴は、追加的な実施の形態において組み合わされてもよい。従って、説明及び図面は、限定的よりむしろ例示的な意味で考慮されるべきである。

Claims (8)

1. 少なくとも第１の推進剤（Ｅ１）と第２の推進剤（Ｅ２）との混合物を燃焼室（６）内に噴射するための噴射器要素（２０１）であって、
   前記噴射器要素（２０１）が、
   前記第１の推進剤（Ｅ１）を噴射するための第１のダクト（２０６）を画定する第１の管状壁（２０２）と、
   前記第１のダクト（２０６）内に位置する中央本体（２０３）であって、前記第１の管状壁（２０２）が前記中央本体（２０３）を取り囲む、中央本体（２０３）と、
   前記第１の壁（２０２）を取り囲んでいて且つ前記第１の管状壁（２０２）と第２の壁（２０４）の間において前記第２の推進剤（Ｅ２）を噴射するための第２のダクト（２０７）を画定する、第２の壁（２０４）と、を具備する噴射器要素において、
   前記第１の壁（２０２）は、第１の電極を具備し、
   前記中央本体（２０３）は、放電により混合物を点火するための第２の電極を具備し、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第１の推進剤と前記第２の推進剤とが共に混合する、領域の直ぐ上流において放電を発生させるように構成されている、ことを特徴とする噴射器要素。
2. 前記第２の電極の下流端部は、前記第１の電極の下流端部から前記推進剤の噴射方向における下流に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の噴射器要素。
3. 前記第１の電極は、接地電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の噴射器要素。
4. 前記推進剤の噴射方向において下流にある、前記第２の電極の端部は、前記噴射方向に対して横の平面にある、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の噴射器要素。
5. 前記第１のダクト（２０６）及び／又は前記第２のダクト（２０７）は、前記噴射器要素（２０１）から下流に向かって収斂する形状を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の噴射器要素。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の複数の噴射器要素を具備する噴射器。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の少なくとも１つの噴射器要素を具備する燃焼室（６）。
8. 請求項７に記載の少なくとも１つの燃焼室（６）を具備するロケットエンジン（１）。

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