JP3163334B2 - ハイブリッドロケット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体燃料と、固体酸化
剤を備え、この液体燃料と固体酸化剤との混合・燃焼に
より生じた高温・高圧ガスによって推進力を得るハイブ
リッドロケットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、上記したようなハイブリッドロケ
ットとしては、例えば図５に示すものがある。

【０００３】図示のハイブリッドロケット１００は、尾
部にノズル１０１を備えたケース１０２内に固体酸化剤
１０３が装填してある。ケース１０２の頭部には、発火
用バーナー１０４が設けてある。また、ケース１０２の
頭部側には燃料ポンプ１０５を備えており、さらにその
頭部側には液体燃料を充填した燃料タンク１０６を備え
ている。燃料ポンプ１０５には、バーナー用燃料タンク
１０７が設けてあると共に、固体酸化剤１０３の内孔１
０８の軸線上に挿設された噴射器１０９が接続してあ
る。

【０００４】上記のハイブリッドロケット１００は、バ
ーナー用燃料タンク１０７からの燃料により発火用バー
ナー１０４を点火すると共に、燃料ポンプ１０５を起動
して燃料タンク１０６内の液体燃料を噴射器１０９から
噴射し、この液体燃料と発火用バーナー１０４の火炎に
より固体酸化剤から気化した酸素とを混合燃焼させ、こ
れにより生じた高温・高圧ガスをノズル１０１から噴出
させて推進力を得る。このようなハイブリッドロケット
１００としては、例えば、特開平３−１８６５７号公報
に記載されているものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記したよ
うな従来のハイブリッドロケット１００にあっては、固
体酸化剤１０３と液体燃料との燃焼が固体酸化剤１０３
の内孔１０８における表面近傍の境界層で行われるた
め、液体燃料の流れの変化による分布状況の違いによっ
て燃焼状態を安定させることが難しく、燃焼効率が低い
ものとなって充分な性能を得がたいという問題点があ
り、このような問題点を解決することが課題であった。

【０００６】

【発明の目的】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、固体酸化剤と液体燃料を用いるハイ
ブリッドロケットにおいて、燃焼効率を向上させること
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるハイブリ
ッドロケットは、請求項１として、液体燃料を収容した
液体燃料収容室と、自己燃焼性を有する固体酸化剤を装
填した固体酸化剤燃焼室と、固体酸化剤の自己燃焼によ
り発生する酸素成分過剰ガスと液体燃料とを混合して燃
焼させる混合燃焼室と、固体酸化剤燃焼室内の圧力を動
力源とする液体燃料供給手段としてのターボポンプを備
え、固体酸化剤燃焼室と混合燃焼室の間に、液体燃料の
燃料噴射器と、ガス噴射器を備え、ターボポンプは、駆
動部の吸気側に、固体酸化剤燃焼室に連通する流通管を
接続し、液体燃料収容室に通じるポンプ側に、燃料噴射
器に連通する液体燃料送給管を接続し、駆動部の排気側
に、ガス噴射器に連通するガス送給管が接続してある構
成としており、上記の構成を課題を解決するための手段
としている。

【０００８】

【０００９】なお、固体酸化剤としては、例えば、フッ
素樹脂と硝酸アンモニウムのような酸化性物質を混合成
形したものが用いられる。

【００１０】

【発明の作用】本発明の請求項１に係わるハイブリッド
ロケットでは、固体燃料が拡散燃焼するのではなく自己
燃焼し、液体燃料の流れの変化による分布状況の違いに
よって固体酸化剤の燃焼速度が左右されることがなくな
るので、固体酸化剤の燃焼状態が安定して燃焼効率が向
上する。また、液体燃料供給手段としてのターボポンプ
は、流通管を介して酸素成分過剰ガスを駆動部の吸気側
に導入し、その圧力により駆動され、ポンプ側から液体
燃料送給管を介して液体燃料を燃料噴射器に供給する。
これにより、燃料噴射器から液体燃料を噴射し、混合燃
焼室において、液体燃料と固体酸化剤の燃焼で生じた酸
素成分過剰ガスとを混合燃焼させる。さらに、ターボポ
ンプは、駆動に用いた酸素成分過剰ガスを駆動部の排気
側からガス送給管を介してガス噴射器に供給する。これ
により、ターボポンプの駆動に用いた酸素成分過剰ガス
は、ガス噴射器から混合燃焼室に噴射され、固体酸化剤
の燃焼で生じた酸素成分過剰ガスと液体燃料との混合燃
焼に加えられる。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【実施例】図１は本発明に係わるハイブリッドロケット
の一実施例を説明する図である。

【００１６】ハイブリッドロケット１は、尾部にノズル
２を備えたケース３内に、自己燃焼性を有する固体酸化
剤４が装填してある。この固体酸化剤４としては、例え
ば、フッ素樹脂と硝酸アンモニウム等の酸化性物質を混
合成形したものを用いる。また、固体酸化剤４は端面燃
焼型に成形してある。

【００１７】ケース３内において、固体酸化剤４とノズ
ル２の間には、固体酸化剤燃焼室５と混合燃焼室６が形
成してあり、これらの間には、環状の燃料噴射器７が設
けてある。燃料噴射器７は、円周方向にわたって中空で
あると共に、その内周面に一定の間隔で噴射孔７ａを有
しており、固体酸化剤燃焼室５側には固体酸化剤点火用
のイグナイタ８が設けてある。

【００１８】ケース３の頭部側には燃料ポンプ９を備え
ており、さらにその頭部側には液体燃料１０を充填した
液体燃料収容室１１を備えている。燃料ポンプ９は液体
燃料送給管１２を介して燃料噴射器７に接続してある。

【００１９】上記の構成を備えたハイブリッドロケット
１は、イグナイタ８で固体燃料４に点火すると、自己燃
焼性を有する固体酸化剤４は一定の速度で固体酸化剤燃
焼室５内において燃焼し、酸素成分過剰ガスを発生させ
る。その一方で、燃料ポンプ９を起動させ、液体燃料収
容室１１内の液体燃料１０を液体燃料送給管１２を介し
て燃料噴射器７に供給し、同液体燃料１０を燃料噴射器
７の噴射孔７ａから噴射させる。

【００２０】これにより、ハイブリッドロケット１は、
混合燃焼室６において酸素成分過剰ガスと液体燃料１０
とを混合燃焼させ、これにより生じた高温・高圧のガス
をノズル２から噴出させることによって推進力を得る。

【００２１】このように、ハイブリッドロケット１は、
従来のように液体燃料１０の流れの変化による分布状況
の違いによって固体酸化剤４の燃焼速度が左右されるこ
とがないので、混合燃焼室６内に供給するガスの量、す
なわち、固体酸化剤４の燃焼により生じる酸素成分過剰
ガスの量が一定に保たれることとなり、この酸素成分過
剰ガスと液体燃料１０との混合・燃焼が非常に安定して
充分な燃焼効率が得られることになる。

【００２２】図２は本発明に係わるハイブリッドロケッ
トの他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例
と同一の部位は同一符号を付して詳細な説明を省略す
る。

【００２３】ハイブリッドロケット２１は、機体２２の
中間部に、液体燃料１０を収容した液体燃料収容室１１
とその頭部側に隣接する加圧室２３とを形成するタンク
２４を備えると共に、タンク２４の下流側に設けた固体
酸化剤燃焼室５に、自己燃焼性を有する固体酸化剤４が
装填してあり、固体酸化剤燃焼室５と機体２２の尾部に
設けたノズル２との間に混合燃焼室６を備えている。固
体酸化剤４は端面燃焼型に成形してある。

【００２４】タンク２４内には、液体燃料収容室１１と
加圧室２３の容積を反比例的に変化させる可動隔離機構
としてのピストン２５が設けてある。この実施例では、
加圧室２３と可動隔離機構としてのピストン２５によ
り、固体酸化剤燃焼室５内の圧力を動力源とする液体燃
料供給手段を構成している。

【００２５】ピストン２５は、タンク２４の内面との摺
接部分にＯリング２６を設けて、液体燃料収容室１１と
加圧室２３との間を充分に密封していると共に、タンク
２４の頭部鏡板２４ａを摺動自在に貫通するロッド２７
を備えている。また、頭部鏡板２４ａとロッド２７の間
にもＯリング２８が設けてある。

【００２６】加圧室２３は、機体２２の外部に添って設
けた流通管２９により、固体酸化剤燃焼室５と連通して
いる。また、加圧室２３の頭部側には当該加圧室２３側
と大気解放流路３０側への流量を変化させる調整弁３１
が設けてある。

【００２７】固体酸化剤燃焼室５と混合燃焼室６は隔壁
状の燃料噴射器３２を介して仕切ってある。この燃料噴
射器３２は、固体酸化剤燃焼室５側に固体酸化剤点火用
のイグナイタ８を備えると共に、固体酸化剤燃焼室５と
混合燃焼室６と連通させる複数のオリフィス３２ａを備
えており、固体酸化剤４の燃焼により生じる酸素成分過
剰ガスをこれらのオリフィス３２ａから混合燃焼室６に
噴出させるようにしてある。

【００２８】さらに、液体燃料収容室１１には、機体２
２の外側に添って設けた液体燃料送給管１２の頭部側の
端部が連結してある。この液体燃料送給管１２の尾部側
の端部は、燃料噴射器３２に設けた複数の噴射孔３２ｂ
を介して混合燃焼室６に連通している。したがって、液
体燃料収容室１１と燃料噴射器３２の噴射孔３２ｂと
は、液体燃料送給管１２によって直接的に連通してい
る。

【００２９】上記の構成を備えたハイブリッドロケット
２１では、まず、イグナイタ８で固体燃料４に点火する
と、自己燃焼性を有する固体酸化剤４は一定の速度で固
体酸化剤燃焼室５内において燃焼する。これにより発生
した酸素成分過剰ガスは、燃料噴射器３２のオリフィス
３２ａを通して混合燃焼室６に噴出する。

【００３０】また、固体酸化剤４の燃焼開始により固体
酸化剤燃焼室５内の圧力が上昇すると、これに伴ってガ
スの一部が流通管２９を経て加圧室２３に導入され、ピ
ストン２５を尾部方向に押圧する。これにより、液体燃
料収容室１１の容積減少とともに液体燃料１０が加圧さ
れ、液体燃料１０は液体燃料送給管１２を経て燃料噴射
器３２複数の噴射孔３２ｂに送られ、これらの噴射孔３
２ｂから混合燃焼室６内に噴射される。

【００３１】そして、ハイブリッドロケット２１は、混
合燃焼室６内で液体燃料１０と前記酸素成分過剰ガスと
が混合して燃焼することとなり、この混合・燃焼で生じ
た高温・高圧のガスをノズル２から噴出させることによ
って推進力を得る。

【００３２】このように、ハイブリッドロケット２１
は、液体燃料１０の流れの変化による分布状況の違いに
よって固体酸化剤４の燃焼速度が左右されることがない
ので、オリフィス３２ａを通して混合燃焼室６内に噴出
するガスの量、すなわち、固体酸化剤４の燃焼により生
じる酸素成分過剰ガスの量が一定に保たれることとな
り、この酸素成分過剰ガスと液体燃料１０との混合・燃
焼が非常に安定して充分な燃焼効率が得られることにな
る。

【００３３】また、ハイブリッドロケット２１は、固体
酸化剤燃焼室５に連通した加圧室２３と液体燃料収容室
５の容積を反比例的に変化させる可動隔離機構であるピ
ストン２５を採用したので、固体酸化剤燃焼室５内の圧
力を液体燃料１０の加圧源に利用して、簡単な構造で液
体燃料１０を圧送し得ることとなる。

【００３４】さらに、ハイブリッドロケット２１は、固
体酸化剤燃焼室５と加圧室２３とを連通させる流通管２
９に設けた調整弁３１で加圧室５側と大気解放流路３０
側へのガスの流量を変化させ、推力の調整あるいは燃焼
状態のより一層の安定化などを図るために、液体燃料１
０に対する加圧力を変化させてその噴射量を調整するこ
とが可能である。

【００３５】図３は本発明に係わるハイブリッドロケッ
トのさらに他の実施例を説明する図である。なお、先の
実施例と同一の部位は同一符号を付して詳細な説明を省
略する。

【００３６】この実施例のハイブリッドロケット４１
は、タンク２４内に、液体燃料収容室１１と加圧室２３
の容積を反比例的に変化させる可動隔離機構としてのべ
ローズ４２が設けてある。このべローズ４２は、その端
部をタンク２４の尾部鏡板２４ｂに密封性をもたせて取
り付けてあって、液体燃料収容室１１と加圧室２３とを
完全に隔離している。この実施例では、加圧室２３およ
び可動隔離機構としてのべローズ４２により、固体酸化
剤燃焼室５内の圧力を動力源とする液体燃料供給手段を
構成している。

【００３７】そして、このハイブリッドロケット４１で
は、固体酸化剤４の燃焼開始に伴ってガスの一部を加圧
室２３に導入し、その圧力でべローズ４２を尾部方向に
押圧することにより、べローズ４２を圧縮させつつ液体
燃料１０を加圧し、液体燃料１０を燃料噴射器３２の噴
射孔３２ｂから混合燃焼室６内に噴射する。

【００３８】このように、上記のハイブリッドロケット
４１では、可動隔離機構であるべローズ４２を採用した
ので、液体燃料１０の加圧手段として構造がより一層簡
略化され、大幅に軽量化されることとなる。

【００３９】図４は、本発明に係わるハイブリッドロケ
ットのさらに他の実施例を説明する図である。なお、先
の実施例と同一の部位は同一符号を付して詳細な説明を
省略する。

【００４０】この実施例のハイブリッドロケット５１
は、液体燃料１０を装填した液体燃料収容室１１の尾部
側に、固体酸化剤燃焼室５内の圧力を動力源とする液体
燃料供給手段としてのターボポンプ５２を備えている。

【００４１】固体酸化剤燃焼室５と混合燃焼室６とを仕
切る燃料噴射器５３は、円周方向にわたって中空で環状
を成すと共に、その内周面に一定の間隔で噴射孔５３ａ
を有している。燃料噴射器５３の混合燃焼室６側には、
この燃料噴射器５３と同様に中空で環状を成し且つ噴射
孔５４ａを有するガス噴射器５４が設けてある。

【００４２】ターボポンプ５２は、駆動部の吸気側に、
固体酸化剤燃焼室５に連通する流通管２９が接続してあ
ると共に、液体燃料収容室１１に通じるポンプ部に、燃
料噴射器５３の中空部に連通する液体燃料送給管１２が
接続してあり、駆動部の排気側に、ガス噴射器５４の中
空部に連通するガス送給管５５が接続してある。

【００４３】ハイブリッドロケット５１は、固体酸化剤
４の燃焼開始に伴って、流通管２９を介してガスの一部
をターボポンプ５２に導入する。つまり、固体酸化剤４
の燃焼時における固体酸化剤燃焼室５内の圧力でターボ
ポンプ５２を駆動し、液体燃料送給管１２を介して液体
燃料１０を燃料噴射器５３に供給し、燃料噴射器５３の
噴射孔５３ａから混合燃焼室６内に液体燃料１０を噴射
する。

【００４４】また、ターボポンプ５２の駆動に用いたガ
ス（酸素成分過剰ガス）は、ガス送給管５５を介してガ
ス噴射器５４に送られ、ガス噴射器５４の噴射孔５４ａ
から混合燃焼室６内に噴射され、固体酸化剤４の燃焼で
生じた酸素成分過剰ガスと液体燃料１０との混合・燃焼
に加えられて無駄なく使用される。

【００４５】上記ハイブリッドロケット５１のように、
固体酸化剤燃焼室５内の圧力を動力源とする液体燃料供
給手段としてターボポンプ５２を採用した場合でも、構
造が簡略化され且つ軽量化されることとなる。

【００４６】なお、上記各実施例のハイブリッドロケッ
ト１，２１，４１，５１では、いずれも固体酸化剤４を
端面燃焼型に形成したものとしたが、これに限定される
ものではなく、例えば、固体酸化剤４の中空部断面を星
形にして燃焼面積が一定になるように形成した内面燃焼
型としたり、内外面燃焼型としたりすることも可能であ
る。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の請求
項１および２に係わるハイブリッドロケットによれば、
液体燃料の流れの変化による分布状況の違いによって固
体酸化剤の燃焼速度が左右されるようなことがなくな
り、固体酸化剤を安定した速度で燃焼させることが可能
となり、この燃焼により生じた酸素成分過剰ガスと液体
燃料とを混合して安定燃焼させることができるので、燃
焼効率を大幅に向上させることができ、また、固体酸化
剤燃焼室内の圧力を動力源とする液体燃料供給手段とし
てのターボポンプを採用したことにより、固体酸化剤燃
焼室内の圧力を利用して簡単な構造で液体燃料を圧送し
得るので、システム重量を大幅に軽減することができ、
その軽量化に伴って推進性能を高めることができるうえ
に、ターボポンプの駆動に使用した酸素成分過剰ガスを
ガス噴射器から混合燃焼室に噴射するようにしたので、
酸素成分過剰ガスを無駄なく使用することができる。

【００４８】

【００４９】

【００５０】

【００５１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるハイブリッドロケットの一実施
例を説明する頭部側を省略した断面図である。

【図２】本発明に係わるハイブリッドロケットの他の実
施例を説明する頭部側を省略した断面図である。

【図３】本発明に係わるハイブリッドロケットのさらに
他の実施例を説明する頭部側を省略した断面説明図であ
る。

【図４】本発明に係わるハイブリッドロケットのさらに
他の実施例を説明する頭部側を省略した断面説明図であ
る。

【図５】従来におけるハイブリッドロケットを示す頭部
側を省略した断面図である。

【符号の説明】 １ ハイブリッドロケット ４ 固体酸化剤 ５ 固体酸化剤燃焼室 ６ 混合燃焼室 ７ 燃料噴射器 １０ 液体燃料 １１ 液体燃料収容室 １２ 液体燃料送給管 ２１ ハイブリッドロケット ２３ 加圧室（液体燃料供給手段） ２５ 可動隔離機構としてのピストン（液体燃料供給手
段） ２９ 流通管 ３１ 調整弁 ３２ 燃料噴射器 ４１ ハイブリッドロケット ４２ 可動隔離機構としてのべローズ（液体燃料供給手
段） ５１ ハイブリッドロケット ５２ ターボポンプ（液体燃料供給手段） ５３ 燃料噴射器 ５４ ガス噴射器 ５５ ガス送給管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田島 広 明 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 審査官 中野 宏和 (56)参考文献 特開 昭56−6027（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18657（ＪＰ，Ａ) 米国特許5010730（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02K 9/72

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体燃料を収容した液体燃料収容室と、
   自己燃焼性を有する固体酸化剤を装填した固体酸化剤燃
   焼室と、固体酸化剤の自己燃焼により発生する酸素成分
   過剰ガスと液体燃料とを混合して燃焼させる混合燃焼室
   と、固体酸化剤燃焼室内の圧力を動力源とする液体燃料
   供給手段としてのターボポンプを備え、固体酸化剤燃焼
   室と混合燃焼室の間に、液体燃料の燃料噴射器と、ガス
   噴射器を備え、ターボポンプは、駆動部の吸気側に、固
   体酸化剤燃焼室に連通する流通管を接続し、液体燃料収
   容室に通じるポンプ側に、燃料噴射器に連通する液体燃
   料送給管を接続し、駆動部の排気側に、ガス噴射器に連
   通するガス送給管が接続してあることを特徴とするハイ
   ブリッドロケット。