JP3100950B2 - ロケットエンジン用の３元推進剤の噴射装置 - Google Patents

ロケットエンジン用の３元推進剤の噴射装置

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JP3100950B2
JP3100950B2 JP10364270A JP36427098A JP3100950B2 JP 3100950 B2 JP3100950 B2 JP 3100950B2 JP 10364270 A JP10364270 A JP 10364270A JP 36427098 A JP36427098 A JP 36427098A JP 3100950 B2 JP3100950 B2 JP 3100950B2
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    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロケットエンジン
用の同軸型噴射装置、より具体的には、ロケットエンジ
ンの燃焼室内にて第三の推進剤と選択的に混合し得るよ
うにされた２種類の推進剤の間にて円滑に切り換えるこ
とを許容する３元推進剤（ｔｒｉｐｒｏｐｅｌｌａｎ
ｔ）の同軸型噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃焼反力を生じさせて推力を発生させ得
るようにロケットエンジン内の燃焼室内にて単一の酸化
剤推進剤と単一の燃料推進剤とを混合させる、２元推進
剤（又は２液推進剤）ロケットエンジンが公知である。
かかる２元推進剤ロケットエンジンの例は、本出願の譲
受人と同一人に譲渡された、米国特許第３，６９９，７
７２号、同第４，２０６，５９４号に開示されており、
その内容は参照として本明細書に含めてある。かかる２
元推進剤ロケットエンジンは、中空のピントルすなわち
軸と、同心状に取り付けられた環状の外側スリーブとを
有する、同軸型の噴射装置を備えている。該軸の一端
は、燃焼室内に配置されている。燃焼室内にて軸の端部
の中間には、環状の外側スリーブと軸の外面とによって
形成された燃料オリフィスがある。酸化剤のような第一
の推進剤が軸内に導入され、円錐形の形状の突起を介し
て及び軸の一端に交互に現れるように形成されたスロッ
トを介して略半径方向に偏向される。燃料は、環状の外
側スリーブ及び軸の外面により画成された環状のオリフ
ィスを通じて導入されて、燃料推進剤を燃焼室内に軸方
向に向けて導入することを可能にする。かかる形態は、
燃料推進剤及び酸化剤推進剤が燃焼室内にて混合するこ
とを可能にする。
【０００３】また、酸化剤を外方に流れる推進剤とし、
燃料を軸の内方に流れる推進剤として使用することが実
際的で且つ有利な場合があることも当該技術分野にて認
識され且つ理解されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】乗物のタンク容積及び
不活性重量（ｉｎｅｒｔ ｗｅｉｇｈｔ）を最小にする
ため、高密度の推進剤を使用することによりロケット打
ち上げ装置及び宇宙船の性能を向上させることも望まし
い。大気中をブースタ飛行する場合、容積が最小である
ことは、ロケットの抗力損失を最小にすることにもな
る。しかしながら、液体水素及び／又は液体酸素のよう
な低密度高性能の推進剤と比べて、高密度の推進剤は、
通常、燃焼温度が低く且つ分子量が大きい排気を発生す
るため、ロケットエンジンの推進剤の使用効率が低下す
ることになる。不都合なことに、当該分野にてかかる用
途で一般に使用されている最も高性能のロケットエンジ
ンは、２元推進剤型のものであり、このため、２種類の
推進剤しか使用しない。その結果、燃焼性能は、常に、
推進剤の密度との兼ね合いを考慮しなければならないか
ら、所定のロケットの乗物寸法及び任務に対して理論
上、最適な性能を実現することは相対的に不可能であ
る。３種類以上の推進剤にて作動可能な単一のロケット
エンジンであるならば、所定の乗物寸法及び任務のため
に平均的な性能と推進剤の平均密度とを最適に選択する
ことが可能となる。
【０００５】本発明の１つの目的は、従来技術における
色々な問題点を解決することである。
【０００６】本発明の更に別の目的は、２つの異なる種
類の推進剤を第三の推進剤と選択的に混合することを許
容し、これにより、所定のロケット及び任務に対するロ
ケットの性能を最適化することを可能にする３元推進剤
ロケットエンジンを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願の一つの発明は、ロ
ケットエンジン用の３元推進剤の噴射装置において、第
一の推進剤を受け入れる第一の推進剤供給マニホルド
と、中空のキャビティが形成された環状の軸であって、
燃焼室内に部分的に配置され得るようになっておりかつ
該第一の供給マニホルドと連通していて前記第一の推進
剤を前記燃焼室内に出す第一のオリフィスを有する形態
とされ、前記燃焼室内に配置された第一の端部で閉鎖さ
れかつ前記第一の推進剤を前記燃焼室内に半径方向に向
けて出すことを可能にするオリフィスを有する軸と、第
二の推進剤を受け入れる第二の推進剤供給マニホルド
と、前記第二の推進剤を前記燃焼室内に出す第二のオリ
フィスであって、前記第二の推進剤供給マニホルドと連
通した第二のオリフィスを画成する、前記軸に対して同
心状に配置された第一の環状の調整スリーブと、第三の
推進剤を受け入れる第三の推進剤供給マニホルドと、前
記第三の供給マニホルドと連通した第三のオリフィスを
画成する、前記軸及び前記第一の調整スリーブに対して
同心状に配置された第二の環状の調整スリーブとを備え
て構成されている。
【０００８】本願の他の発明は、燃焼室を有するロケッ
トエンジン用のＮ元推進剤の噴射装置において、中空の
キャビティが形成されかつ１つ以上の推進剤を受け入れ
る１つ以上の供給通路を備える１つ以上の環状の軸であ
って、１つ以上の推進剤を前記燃焼室内に出す形態とさ
れ、前記１つ以上の推進剤を前記燃焼室内に半径方向に
向けて出す形態とされた、１つ以上の中空で環状の軸
と、１つ以上の推進剤を受け入れ且つ該１つ以上の推進
剤を前記燃焼室内に出すための、前記環状の軸に対して
同心状に配置された１つ以上の環状の調整スリーブとを
備えて構成されている。
【０００９】簡単に説明すれば、本発明は、ロケットエ
ンジンの燃焼室内にて第三の種類の燃焼剤と選択的に混
合させ得るようにした２種類の推進剤の間にて円滑に切
り換えることを可能にする、ロケットエンジン用の３元
推進剤の同軸型軸噴射装置に関するものである。該３元
推進剤の同軸型噴射装置は、第一の推進剤を燃焼室内に
略半径方向に向けて押し込む軸と、２種類以上の異なる
推進剤を燃焼室内に軸方向に押し込むオリフィスを画成
する２つ以上の同心状の調整スリーブとを備えている。
従って、かかる形態は、２種類の推進剤をロケットエン
ジンの燃焼室内で第三の推進剤と選択的に混合すること
を可能にするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の上記及びその他の目的
は、以下の説明及び添付図面を参照することにより容易
に理解される。
【００１１】以下に更に詳細に説明するように、本発明
による３液推進剤すなわち３元推進剤（ｔｒｉｐｒｏｐ
ｅｌｌａｎｔ）の同軸型噴射装置は、ロケットエンジン
の燃焼室内にて１つ以上の他の推進剤と二者択一的に混
合される複数の推進剤を使用することを可能にする。単
独の図面に図示するように、全体として、参照番号２０
で示した３元推進剤の同軸型噴射装置は、第二の環状の
推進剤供給マニホルド２２と、第三の環状の推進剤供給
マニホルド２４と、第一の環状の推進剤供給マニホルド
２６とを有する状態で示してある。該推進剤供給マニホ
ルド２２、２４は、燃料マニホルドとして識別される一
方、推進剤供給マニホルド２６は酸化剤マニホルドとし
て示してある。推進剤供給マニホルド２２、２４を酸化
剤マニホルドとして使用し、供給マニホルド２６を燃料
マニホルドとして使用することも可能であることは当業
者には明らかであろう。更に、３元推進剤の同軸型噴射
装置は、２つの燃料マニホルド２２、２４と、単一の酸
化剤マニホルド２６とを有する状態で示してあるが、本
発明の原理は、２つ以上の燃料マニホルドと、２つ以上
の酸化剤マニホルドとを有する多元推進剤の同軸型噴射
装置にも適用可能であることも明らかであろう。
【００１２】単独の図面を再度、参照すると、３元推進
剤の同軸型噴射装置は、中空キャビティ３０が形成され
た環状の軸２８を有している。供給マニホルド２６と中
空キャビティ３０との連通を許容し得るように、軸２８
の環状壁３６に１つ以上の入口半径方向通路３２、３４
を設けることができる。軸２８の端部４０を閉じるた
め、後端部キャップ４４を使用することができる。該端
部キャップ４４に隣接して円錐形の突起３８を設けるこ
とができる。この円錐形の突起３８は、矢印４２の方向
によって略示すように、キャビティ３０内に導入された
推進剤を通路３２、３４を介して略軸方向に向け得るよ
うにされている。円錐形の形状の突起３８は、端部キャ
ップ４４に堅固に固着された環状の側壁４６を有するこ
とができる一方、この端部キャップは、適当な機械的締
結具４８、５０によって軸２８に固着し得るようにされ
ている。環状の側壁４６の軸方向長さは、次のように選
択される、すなわち、環状の突起３８が通路３２、３４
と軸方向に整合され、推進剤マニホルド２６から入る推
進剤を矢印４２で示した方向に偏向させ得るような長さ
であるようにする。
【００１３】軸２８の他端４７は、前端部キャップ４９
によって閉じられている。第二の円錐形の突起５２が前
端部キャップ４９に隣接して配置されている。キャビテ
ィ３０内に形成された環状の肩部５８、及び円錐形の突
起５２によって、環状通路５４が前端部４７に隣接して
軸２８に形成されている。半径方向通路５４は、中空キ
ャビティ３０内の推進剤を矢印６０で示した略半径方向
に押し出し得るようにされた環状オリフィス８６を画成
する。環状オリフィス８６は、外周の周りに１つの連続
的な開口部から成るようにし、又は選択的に、流動する
推進剤を最も望ましい仕方で調整するため配分された多
数の別個の開口部から成るようにしてもよい。
【００１４】本発明の１つの重要な形態は、同軸型噴射
装置２０が３元類以上の推進剤を使用することを可能に
することに関する。特に、１対の環状の調整スリーブ６
２、６４が軸２８と同心状に形成されている。環状の調
整スリーブ６２、６４は、望ましい流れの均一さが得ら
れるようにし、Ｕ字形のスロット６６、６８をそれぞれ
画成する。Ｕ字形スロット６６、６８は、１つ以上の半
径方向通路７０、７２を介して推進剤供給マニホルド２
２、２４と連通している。環状スロット６６、６８、及
びオリフィス８２、８４は、マニホルド２２、２４から
の推進剤を矢印７４、７６で示した略軸方向に向けてオ
リフィス８２、８４から押し出すことができるような形
態とされている。従って、供給マニホルド２２、２４か
ら軸方向に押し出された推進剤は、半径方向に押し出さ
れるマニホルド２６からの推進剤とロケットの燃焼室内
にて混合する。
【００１５】３元推進剤の同軸型噴射装置２０には、燃
焼室の壁８０に固着し得るようにされた環状フランジ７
８を設けることができる。この環状フランジ７８は、全
体として、参照番号８８で示した燃焼室内にオリフィス
８２、８４、８６が配置されるように、軸方向に配置さ
れている。
【００１６】Ｎ元推進剤（Ｎは自然数を表す）の同軸型
噴射装置には、環状の同心型軸、又は半径方向に区画化
した環状の軸を形成することができ、後者の軸は、２種
類以上の推進剤を燃料（室内に半径方向に導入すること
を可能にする。更に、環状の軸に対して同心状に配置さ
れた３つ以上の環状の調整スリーブを使用して、３種類
以上の推進剤を燃焼室内まで軸方向に導入することがで
きる。
【００１７】勿論、上記の教示に鑑みて、本発明の多数
の改変例及び変形例が可能である。このため、特許請求
の範囲内において、本発明は、具体的に上述した以外の
形態にて具体化することもできることを理解すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるロケットエンジン用の３元推進剤
の同軸型噴射装置の断面図である。
【符号の説明】
２０ ３元推進剤の同軸型噴射装置 ２２ 第一の環状の推進剤供給マニホルド ２４ 第二の環状の推進剤供給マニホルド ２６ 第三の環状の推進剤供給マニホルド ２８ 環状の軸 ３０ 中空キャビテ
ィ ３２、３４ 半径方向入口通路 ３６ 軸の環状壁 ３８ 円錐形の環状突起 ４０ 軸の端部 ４４ 後端部キャップ ４６ 突起の環状側
壁 ４７ 軸の他端 ４８、５０ 機械的
締結具 ４９ 前端部キャップ ５２ 第二の突起 ５４ 環状通路 ５８ 環状肩部 ６２、６４ 環状の調整スリーブ ６６、６８ Ｕ字形スロット ７０、７２ 半径方
向通路 ７８ 環状フランジ ８２、８４ オリフ
ィス ８６ 環状オリフィス ８８ 燃焼室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴードン・エイ・ドレスラー アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ，ヴィレッジ・サ ークル 91 (56)参考文献 特開 平６−281115（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−49060（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−92560（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−61149（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−509041（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02K 9/52 F02K 9/44

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロケットエンジン用の３元推進剤の噴射
    装置において、 第一の推進剤を受け入れる第一の推進剤供給マニホルド
    と、 中空のキャビティが形成された環状の軸であって、燃焼
    室内に部分的に配置され得るようになっておりかつ該第
    一の供給マニホルドと連通していて前記第一の推進剤を
    前記燃焼室内に出す第一のオリフィスを有する形態とさ
    れ、前記燃焼室内に配置された第一の端部で閉鎖されか
    つ前記第一の推進剤を前記燃焼室内に半径方向に向けて
    出すことを可能にするオリフィスを有する軸と、 第二の推進剤を受け入れる第二の推進剤供給マニホルド
    と、 前記第二の推進剤を前記燃焼室内に出す第二のオリフィ
    スであって、前記第二の推進剤供給マニホルドと連通し
    た第二のオリフィスを画成する、前記軸に対して同心状
    に配置された第一の環状の調整スリーブと、 第三の推進剤を受け入れる第三の推進剤供給マニホルド
    と、 前記第三の供給マニホルドと連通した第三のオリフィス
    を画成する、前記軸及び前記第一の調整スリーブに対し
    て同心状に配置された第二の環状の調整スリーブとを備
    えた３元推進剤の噴射装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の３元推進剤の噴射装置
    において、前記第一及び第二の調整スリーブが、前記第
    二及び第三の推進剤を前記燃焼室内に軸方向に向けて出
    す形態とされた、３元推進剤の噴射装置。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の３元推進剤の噴
    射装置において、前記第一の端部に隣接して配置された
    第一の円錐形の突起を更に備え、前記軸には環状肩部が
    形成され、該環状肩部が、前記円錐形の形状の突起と共
    に前記第一のオリフィスを形成する、３元推進剤の噴射
    装置。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の３
    元推進剤の噴射装置において、前記中空で環状の軸が前
    記第一の端部と反対の第二の端部で閉じられておりかつ
    複数の半径方向の供給通路を有し、該半径方向の供給通
    路が第一の推進剤供給マニホルドと連通している、３元
    推進剤の噴射装置。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の３元推進剤の噴射装置
    において、前記第二の端部に隣接して配置された第二の
    円錐型の突起を更に備え、該円錐型の突起が、前記第一
    の推進剤を軸方向に向けて偏向させ得るように前記半径
    方向の供給通路と軸方向に整合されている、３元推進剤
    の噴射装置。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の３
    元推進剤の噴射装置において、前記第二の供給マニホル
    ドが環状であり、該第二の供給マニホルドが、前記第一
    の環状の調整スリーブによって形成された第一のスロッ
    トと連通する１つ以上の半径方向通路を備える、３元推
    進剤の噴射装置。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の３
    元推進剤の噴射装置において、前記第二の環状の調整ス
    リーブが前記第三の供給マニホルドと連通する第二のス
    ロットを形成する、３元推進剤の噴射装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の３元推進剤の噴射装置
    において、前記第三の推進剤供給マニホルドが環状であ
    り、かつ前記第二のスロットと連通する１つ以上の半径
    方向通路を備える、３元推進剤の噴射装置。
  9. 【請求項９】 燃焼室を有するロケットエンジン用のＮ
    元推進剤の噴射装置において、 中空のキャビティが形成されかつ１つ以上の推進剤を受
    け入れる１つ以上の供給通路を備える１つ以上の環状の
    軸であって、１つ以上の推進剤を前記燃焼室内に出す形
    態とされ、前記１つ以上の推進剤を前記燃焼室内に半径
    方向に向けて出す形態とされた、１つ以上の中空で環状
    の軸と、 １つ以上の推進剤を受け入れ且つ該１つ以上の推進剤を
    前記燃焼室内に出すための、前記環状の軸に対して同心
    状に配置された１つ以上の環状の調整スリーブとを備え
    る、Ｎ元推進剤の噴射装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のＮ元推進剤の噴射装
    置において、前記１つ以上の環状の調整スリーブが、前
    記１つ以上の推進剤を軸方向に出す形態とされた、Ｎ元
    推進剤の噴射装置。
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