JP3842207B2 - 再使用型の宇宙輸送機システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再使用型の宇宙輸送機用の、１．５段式の共生ハイブリッド輸送機(symbiotic hybrid vehicle)のアーキテクチャ、および一体型の推進システムに関するものである。
【０００２】
軌道上および惑星間での作業のため宇宙空間の利用ないし活用を継続的に行い、拡張し、および最大限にするためには、定期的に宇宙へ行くための費用効果の高い手段を開発することが必要である。宇宙へ行くための費用効果の高い（コスト効率の良い）手法を実現するための最良の方法を求めて、さまざまな宇宙輸送機のアーキテクチャが評価されている。
【０００３】
【従来の技術】
宇宙へ行くための費用効果の高い手段として一般的に認められている前提は完全再使用型の宇宙輸送機つまり宇宙往還機を使用することであり、多くの飛行によってハードウエアの費用が償却できるからである。これに対して使い捨て式の宇宙輸送機は、個々の宇宙飛行ミッションの度に製造され、費用が掛かり、また使い捨てられるものである。宇宙輸送機が宇宙へ行くのためのコストに多大な影響を与える他の１つの要素は、宇宙輸送機に組込まれるステージの数つまり段数である。輸送機の開発および運用に係る費用は輸送機に組み込まれたステージ数に比例する。従って、宇宙へ行くための最良の手法は単段式の再使用型宇宙輸送機であり、これが完全ないし全体的に再使用型（再使用が可能）であると共に単一のステージだけを有しているからである。
【０００４】
しかしながら、ステージ数を増加させることは、輸送機の全体的な大きさを低減できると共にステージ数に反比例して推進技術の必要なレベルが低減できるという利点がある。多数のステージを有した宇宙輸送機は一般的に高水準の推進技術を要求しない。逆に推進ステージの数を減らすと、輸送機がより大きなものとなり、またより高度な推進技術レベルが必要となる。単段式の再使用型宇宙輸送機の開発経験があるＮＡＳＡの最近の実験によれば、この手法をサポートし実現可能にするために必要な技術がまだ利用可能でないことが実証された。
【０００５】
従って再使用型宇宙輸送機の技術的な可能性の実現に向けて、宇宙へ行くための費用効果の高い手段を実現するために、２段式再使用型宇宙輸送機の研究が集中して進められている。２段式宇宙輸送機の手法においてはロケットが完全に再使用可能であることが提案されている。しかしながら（１）経常外開発費用が相対的に高額となり、および（２）相対的に複雑な輸送機アーキテクチャが必要となる、ことが予測されている。２段式の再使用型宇宙輸送機の開発には、完全再使用型のフライバックブースタ（flyback booster）および再使用型のオービター用の開発プログラムが必要となることから、高額な経常外費用が掛かる。さらに、２段式の再使用宇宙輸送機の手法において固有の相対的な複雑さによって、再使用方式の費用面における利点が相殺されることから、経常費用が増加という結果を招く。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、宇宙へ行くための費用効果の高い、再使用型の宇宙輸送機システムを提供することにある。
本発明の別の目的は１．５段式の共生ハイブリッド輸送機のアーキテクチャおよび一体型の推進システムを有した、再使用型の宇宙輸送機システムを提供することにある。
上述の各目的は本発明による再使用型宇宙輸送機システムにより達成される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、再使用型の宇宙輸送機システムは、概略的には、再使用型の輸送機と、再使用型の輸送機に取付けられた少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置（boost propulsion device）つまりロケットブースターと、輸送機に搭載された酸化剤システムとを有して構成される。酸化剤システムは、少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置に、酸化剤を好ましくはガス状態で供給する。本発明の好適な実施形態では、少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置は、ハイブリッドロケット燃焼器（hybrid rocket combustor）から構成される。
【０００８】
本発明の再使用型の宇宙輸送機のその他の詳細、および付随するその他の目的や利点は、以下の詳細な説明および添付図面から明らかである。添付図面において、同様な参照符号は同様な要素を表している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、本発明による再使用型の宇宙輸送機システムは、単段式の再使用型の宇宙輸送機１０を含んでおり、この宇宙輸送機１０には、１またはそれより多く、つまり１つ以上の使い捨て式の打ち上げ推進装置１２が外部取付けられている。打ち上げ推進装置は、使い捨て式のハーフステージつまり半段を形成する。
【００１０】
図１から明らかなように、再使用型の宇宙輸送機１０は、液体酸素のような液体酸化剤を含んだ内部酸化剤タンク１４を有している。輸送機１０はまた、液体水素タンクのような内部燃料タンク１６を有している。さらに輸送機１０は、1またはそれより多くの主エンジン（メインエンジン）１８を含んでなり、この主エンジンには酸化剤タンク１４および燃料タンク１６がフィードライン（図示せず）および調整弁（図示せず）を介して接続されている。
【００１１】
宇宙輸送機１０は、ペイロード（図示せず）が接続ないし固定されるフェアリング（整形部）１９を有しており、また地球の大気圏内における飛行を可能にするための翼２０を有している。輸送機１０はまた、地球の大気圏内での飛行の際にピッチ、ロール、ヨーの制御を提供するための複数の操縦面（操縦舵面）２２、２４を有している。宇宙輸送機１０には乗務室（図示せず）を設けても、設けなくても良い。
【００１２】
上述の通り、本発明の宇宙輸送機システムは、輸送機１０の外表面に取付けられた1またはそれより多くの使い捨て式の打ち上げ推進装置１２を有している。好ましくは、２つの使い捨て式の打ち上げ推進装置１２が輸送機１０の各側に取付けられる。打ち上げ推進装置は、公知のいずれかの推進装置から構成される。本発明の好ましい実施形態において、使い捨て式の打ち上げ推進装置はそれぞれ、ハイブリッドロケット燃焼器より構成される。正しく作動ないし動作させるため、ハイブリッドロケット燃焼器のそれぞれは酸化剤タンク１４から、好ましくは信頼性ある動作を行い且つ安定性向上を図るためにガス状態で、酸化剤を受け取る必要がある。このため、図２に示した通り、輸送機１０には酸化剤フィードシステム（酸化剤供給システム）２８が設けられている。酸化剤フィードシステム２８は、酸化剤プレバーナ（酸化剤の予備燃焼器）３０およびターボポンブ３４を含んで構成されており、これらは酸化剤タンク１４、およびフィードシステム２８をハイブリッドロケット燃焼器１２に接続する複数のフィードライン３２と連絡している。フィードシステム２８およびフィードライン３２は、ロケット１０の内部に配置されており、これによりそれらの再使用が可能となる。
【００１３】
各ターボポンプ３４は、ハイブリッドロケット燃焼器１２のそれぞれに推進力変更機能および運転停止機能を提供する。各ターボポンプ３４は公知のいずれかの制御システムを用いて制御される。
【００１４】
操作ないし運転に際して、打ち上げ段階においては、主エンジン１８および使い捨て式打ち上げ推進装置１２によって推進力が提供される。使い捨て式の打ち上げ推進装置１２が燃料を消費した時には、タンク１４からの酸化剤の流れがターボポンプ３４を介して遮断される。次いで、例えば、各使い捨て式の打ち上げ推進装置１２を輸送機１０に据え付けている各ストラップ（図示せず）を解除するための爆発ボルトのような公知のいずれかの適切な手段を使用して、各使い捨て式打ち上げ推進装置が使い捨てされる。燃料のフィードライン３２、酸化剤プレバーナ３０およびターボポンプ３４の全ては、再使用されるロケット１０とともに残される。
【００１５】
本発明による宇宙輸送機システムの手法は軍事宇宙開発への用途のみならず、科学的且つ商用的な宇宙開発への用途にも使用される。本発明による宇宙輸送機システムは低価格の使い捨て式の打ち上げ推進装置を使用することから、低価格で費用効果の高いアーキテクチャを提供するものである。さらに、宇宙輸送機は安全であり、信頼できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による宇宙輸送機システムの図式的な説明図である。
【図２】 再使用型の宇宙輸送機システムにおいて使用される使い捨て式のハイブリッドロケット燃焼器にガス状態の酸化剤を供給するための、酸化剤フィードシステムの図式的な説明図である。
【符号の説明】
１０ 宇宙輸送機
１２ 打ち上げ推進装置
１４ 酸化剤タンク
１６ 燃料タンク
１８ 主エンジン
２８ フィードシステム
３２ フィードライン

Claims (12)

1. 再使用型の輸送機と、
   前記再使用型の輸送機に取付けられた少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置と、
   前記輸送機に搭載された酸化剤システムとを有してなり、前記酸化剤システムが前記少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置に酸化剤を供給する、ことを特徴とする再使用型の宇宙輸送機システム。
2. 前記酸化剤システムが、前記少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置へ前記酸化剤をガスの状態で供給する手段を有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
3. 前記酸化剤を供給する手段が、酸化剤のプレバーナと、前記少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置へ前記ガス状態の酸化剤を供給するためのフィードラインとを有してなる、ことを特徴とする請求項２記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
4. 前記少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置がハイブリッドロケット燃焼器を有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
5. 前記再使用型の輸送機が少なくとも一つの主エンジンを有し、また前記酸化剤システムが前記少なくとも一つの主エンジンへ前記酸化剤を供給する、ことを特徴とする請求項１記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
6. 前記少なくとも一つの使い捨て式の打ち上げ推進装置が少なくとも一つのハイブリッドロケット燃焼器であり、および
   前記少なくとも一つのハイブリッドロケット燃焼器の推進力変更や運転停止のための手段をさらに有してなる、ことを特徴とした請求項１記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
7. 前記再使用型の宇宙輸送機に取付けられた複数のハイブリッドロケット燃焼器をさらに有してなる、ことを特徴とした請求項６記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
8. 打ち上げ段階の際に推進力を与えるため少なくとも一つのエンジンを有した再使用型宇宙輸送機と、
   前記再使用型の宇宙輸送機の両側に取付けられた２つのハイブリッドロケット燃焼器と、
   前記再使用型の宇宙輸送機の内部に配置された液体酸化剤タンクと、
   前記液体酸化剤タンクから前記ハイブリッドロケット燃焼器のそれぞれに液体酸化剤を供給するためのフィードシステムとを有してなる、再使用型の宇宙輸送機システム。
9. 前記フィードシステムが、各ハイブリッドロケット燃焼器用の酸化剤プレバーナと、前記各プレバーナと前記ハイブリッドロケット燃焼器の１つとの間に延在するフィードラインを有してなる、ことを特徴とする請求項８記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
10. 前記フィードラインのそれぞれが、独立した推進力変更や運転停止の機能を提供するためのポンプを含んでなる、ことを特徴とする請求項９記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
11. 前記再使用型の宇宙輸送機の内部に配置された液体燃料タンクをさらに有してなり、前記各エンジンは前記燃料タンクから燃料を、また前記酸化剤タンクより酸化剤を受け取る、ことを特徴とした請求項８記載の再使用型の宇宙輸送機システム。
12. 前記燃料タンクが液体水素を含んでおり、また前記酸化剤タンクが液体酸素を含んでいる、ことを特徴とする請求項１１記載の再使用型の宇宙輸送機システム。

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