JP3890195B2 - ロケットエンジンのための出口ノズルを製造するための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、前出の請求項１の前文に従って、ロケットモータのための出口ノズルを製造するための方法に関する。本発明は、液体燃料によって駆動されるロケットモータのための冷却された出口ノズルに関する使用に特に意図される。
【０００２】
（先行技術）
ロケットは、ロケットモータの形態で駆動源を備える飛行体に与えられる集合的名称である。ロケットは、現在、特に宇宙飛行、そしてこの場合、例えば研究および通信目的のために使用される。ロケットモータはまた、他の情況において、例えば、航空機の離陸を支援するためおよび緊急事態の際に航空機からパイロットを脱出するための装置に使用される。
【０００３】
ロケットモータにおいて、ロケットの推進のためのエネルギーは、例えば液体水素の形態にある燃料の燃焼を通して燃焼チャンバー内で発生される。この燃料は、燃焼チャンバへ弁によって酸化剤（例えば液体酸素の形態にある）と共に給送される。この燃料が燃焼すると燃焼ガスが燃焼チャンバ内に発生される。これらの燃焼ガスは燃焼チャンバから後方に出口ノズルを通って流出し、ここで反動力が発生され、その結果ロケットが前方に推進される。この出口ノズルは、燃焼ガスの膨張および高速度への加速が可能なように構成され、その結果必要な推力が達成される。ロケットモータが非常に大きな駆動力を発生し得、周囲の媒介物から独立してさらに作動し得るという事実は、宇宙飛行のための輸送手段としてロケットモータを特に適切にする。
【０００４】
ロケットモータが作動される間、出口ノズルは、例えば、その内側にて非常に高い温度（８００Ｋの大きさのオーダーである）およびその外側にて非常に低い温度（５０Ｋの大きさのオーダーである）の形態にあり、非常に高い応力に供される。この高い熱負荷の結果として、出口ノズルの材料、設計および製造の選択において厳しい要求がなされる。特に、出口ノズルの効果的な冷却の必要性がある。
【０００５】
最適な冷却を達成するために、先行技術に従う出口ノズルは、実際のノズル壁内に平行に配列され、出口ノズルの入口端と出口端との間を延びる多数の冷却ダクトと共に構成される。出口ノズル、すなわち必要な冷却ダクトが形成されるその壁の構成の製造は、多くの異なる方法を使用して実行され得る。
【０００６】
これに関連して、冷却媒体がまた燃料として使用される場合にロケット内に高効率が得られ得る場合もある。この理由のために、燃焼チャンバー内で燃焼するための全ての冷却媒体を再使用することがしばしば所望される。
【０００７】
冷却した出口ノズルを製造する以前に公知の方法は、例えばニッケルをベースとする鋼またはステンレス鋼から作製される多数の円形または楕円パイプからノズル壁を形成することにより、このパイプは、共に近接して配列され、後にそれらの側部に沿って一緒に実質的に接合される。この接合は、この場合ハンダ付け手段によって実現され得るが、これは比較的コストがかかる製造方法である。さらに、このハンダ付けは出口ノズルの重量の増加を生じる。このハンダ付けは、さらに複雑化され時間を消費する操作を表し、ここで完成した壁構造において必要な強度および信頼度を達成することは困難である。
【０００８】
ハンダ付けに基づく接合を伴う別の重大な欠点は、ハンダ接合を点検することが複雑化されそして高価であることである。例えば、ハンダ接合に沿って欠陥が生じる場合、この損傷は通常接近できないため、この接合部を修復することは非常に困難である。さらに、このハンダ付け構造は、接線方向において比較的弱く、特定の場合、この構造はジャケットの形態の強化構造のための必要性を生じ得る。これは、特にロケットモータ内の燃焼の間の火炎圧力が非常に高いかまたは高い側方力が存在する例の場合である。
【０００９】
ハンダ付けを使用する製造は、出口ノズルが使用され得る最大温度をさらに制限し得る。
【００１０】
冷却した出口ノズルを製造する代替の方法は、平行に配置される円形または矩形のパイプの拡散溶接による。この方法がハンダ付け法に対して利点を有するが、なおも比較的高価である。
【００１１】
さらなる製造方法によれば、ニッケルをベースとする鋼またはステンレス鋼から作製される一定断面の矩形パイプが使用され、このパイプは互いに平行に配列され、一緒に溶接される。このパイプは、螺旋状に巻かれ、その結果それらはノズルの幾何学的軸と角度を形成され、この角度はノズルの入口端からその出口端へ徐々に増加し、ベル形状のノズル壁を形成する。この上記の接合法は、この方法による使用のために市販で入手可能のそれらのタイプの矩形パイプが通常一定の壁厚みで作製されるという欠点を有する。これは、２つの互いに隣接した冷却ダクト間の壁が不必要に厚いために、出口ノズルの壁構造が最適な冷却能力のために形成され得ないことを意味する。さらに、螺旋状の曲げは、冷却ダクトが長く、それ故に圧力低下の増加を生じ、このためにロケットモータの特定の作動状態が所望されないことを意味する。
【００１２】
ロケットモータのための燃焼チャンバを製造するためのさらなる方法は、米国特許第５２３３７５５号に記載される。この方法によれば、内壁を形成するために波形構造が使用され、これは、外壁と共に、例えば、ハンダ付け、拡散溶接またはレーザー溶接によって接合される。冷却ダクトがそれによって形成され、それを通して冷却媒体が伝達され得る。
【００１３】
米国特許第５２３３７５５号による方法の欠点は、波形の内壁の形状により、外壁に対して接触する点において「ポケット（ｐｏｃｋｅｔ）」が形成されることである。それ故に、これらの部分において、冷却媒体の制限された流れが得られ、壁構造の局所的に減少した冷却を生じる。次にこれは壁構造の過熱の危険性を生じる。さらに、例えばこれらのポケット内に蓄積する小粒子の形態の汚れの危険性がある。この汚れは続いて冷却ダクトから放出され得、このことは、冷却媒体がまたロケットモータの燃料として使用される場合、特に欠点である。
【００１４】
米国特許第５２３３７５５号に従う製造方法のさらなる欠点は、内壁の波形が、冷却媒体の制限された部分が内部の温かいノズル壁と接触させる可能にすることを導くことである。これは冷却に非常に悪影響をもたらす。さらに、波形構造は構造内の冷却媒体の圧力による曲げ力に供される。各溶接部における鋭いノッチと共に、これらの曲げ力は壁構造における非常に高い応力をもたらす。それ故に、このタイプの構造は、圧力容量および作動寿命の点で限界を有する。
【００１５】
隔たり材料の波形形状は、直線かつ半径方向付けられた隔たり要素と比較して、さらに増加した重量および増加した流れ抵抗を導く。
【００１６】
（発明の説明）
本発明の目的は、ロケットモータのための冷却した出口ノズルを製造するための改良した方法を有効にすることである。これは、前出の請求項１から誘導され得る方法および特徴によって達成される。
【００１７】
本発明は、ロケットモータの出口ノズルを製造するための方法により正確に関し、この出口ノズルは実質的に出口ノズルの入口端からその出口端まで延びている複数の互いに隣接した冷却ダクトを備える壁構造によって形成され、この方法は、内壁の周囲に外壁を配置する工程、外壁と内壁との間に複数の隔たり要素を形成し配置する工程、および内壁と外壁との間に隔たり要素を接合する工程であって、ここで冷却ダクトが形成される工程を包含する。本発明は、接合はレーザー溶接手段によって実現され、そして溶接部の形状のために設計され、溶接部は壁構造を通る断面において実質的にＴ形状にされ、冷却ダクトの内側に向かって丸み付けされるという点で特徴付けられる。
【００１８】
本発明の結果として、多数の利点が得られる。第１に、出口ノズルのための製造方法が提供され、これは低コストで実施され得る。さらに、溶接部内の特定の形状の結果として、優れたノズル冷却特性を有する壁構造が得られる。さらに、丸付けされた形状の溶接接合部は均一な流れを生成し、ここで粒子の蓄積の危険性はほとんどない。
【００１９】
本発明のさらなる利点は、出口ノズルを通る対称の仮想軸に対して半径方向のそれらの平坦な形状の結果として、隔たり要素が任意の曲げ力に供されないことである。さらに、溶接部の非常に低い応力の集中は、一体化した成分間の半径の配置によって得られる。本発明はさらに、完全な壁構造の低い材料消費、低い重量、低いコスト、高い信頼度および優れた熱冷却容量を提供する。さらに、この壁構造の形状は、特定の用途に関する冷却要件に容易に適応され得る。
【００２０】
本発明の有利な実施態様は、付随する特許請求の範囲の請求項から誘導され得る。
【００２１】
（好ましい実施態様）
図１は、本発明に従って製造される出口ノズル１の概略的かつ幾分簡略化した斜視図を示す。好ましい実施態様によれば、出口ノズル１は、ロケットモータに属する燃焼チャンバ（示していない）から燃焼ガスを導くためのロケットモータ内で使用されるタイプのものである。本発明は、好ましくは、液体燃料（例えば液体水素）によって駆動されるタイプのロケットモータ内での使用のために意図される。このようなロケットモータの動作はそれ自体以前に公知であり、従って本明細書において詳細に記載されない。
【００２２】
出口ノズル１は、冷却媒体の支援によって冷却されるタイプのものであり、この冷却媒体はまた、好ましくは特定のロケット内でモータ燃料として使用される。しかし、本発明は、このタイプの出口ノズルに限定されないが、冷却媒体が冷却のために使用された後に冷却媒体が廃棄される場合にも使用され得る。
【００２３】
出口ノズル１は、それ自体が先行技術と一致する外形、すなわちいわゆる実質的にベル形状で製造される。さらに、本発明に従う出口ノズル１は、２つの壁、より正確には内壁２および内壁２を囲む外壁３から構成される。内壁２および外壁３は特殊な隔たり要素４によって分離される。これらの隔たり要素４は、本発明の第１の実施態様に従って形成され、その結果、多数の長手軸方向の溝が、最初に、内壁２内に、好ましくは圧延によって形成される。それによって、隔たり要素４は、内壁２から外壁３まで実質的に直角に、すなわち、出口ノズル１を通る仮想の対称の軸に対して半径方向に延びる多数の突出要素４として形成される。
【００２４】
以下に記載されるように、本発明に従う方法は、レーザー溶接によって一緒に接合される隔たり要素４に基づく。第１の実施態様によれば、隔たり要素４は、外壁３に対して一緒に接合される。それによって出口ノズル１の入口端６からその出口端７までの出口ノズル１の長手軸方向に実質的に平行に延びている多数の冷却ダクト５が形成される。図１に、このような冷却ダクト５が破線によって示され、これは、側方方向に冷却炉５の境界を構成する隔たり要素を示す。
【００２５】
内壁２、外壁３および隔たり要素４のために使用される材料は、溶接可能な材料、好ましくはタイプ３４７またはＡ２８６のステンレス鋼によって構成される。あるいは、ニッケルをベースとする合金が使用され得る。このような材料の例は、ＩＮＣＯ６００、ＩＮＣＯ６２５およびＨａｓｔａｌｏｙｘである。さらなる変形によれば、タイプＨＡＹＮＥＳ１８８およびＨＡＹＮＥＳ２３０のコバルトをベースとする合金が本発明で使用される。
【００２６】
図２は、出口ノズル１の壁構造の一部の斜視図であり、従って、この壁構造は、実質的に内壁２、外壁３および多数の隔たり要素４によって構成され、これらの隔たり要素は、内壁２の圧延による突出要素として形成される。本発明によれば、この壁構造は外壁３に対する隔たり要素４のレーザー溶接手段によって一緒に接合され、ここで多数の実質的に平行かつ幾分凹んだ溝８が外壁３の外側に現れる。さらに、上記のように、この場合に実質的に平行な冷却ダクト５が形成され、特定のロケットモータの作動中に、これを通って、適切な冷却媒体が流れることが意図される。
【００２７】
レーザー溶接の際に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーが好ましくは使用されるが、他のタイプの溶接装置（例えば、ＣＯ₂レーザー）がまた、本発明に従って使用され得る。
【００２８】
図２に見られ得るように、各隔たり要素４が外壁３と一緒に接合される各セクションに沿って溶接接合部９が形成される。壁構造を構成する構成要素の溶接方法および大きさの正確な組み合わせの結果として、実質的にＴ形状かつ緩やかな丸い形状が、各冷却ダクト５の内側の各溶接接合部９に得られ、次に完全な出口ノズルの多数の有利な特性（例えば、優れた冷却特性、高い強度および単純な製造）を生じる。
【００２９】
第１の実施態様によれば、出口ノズル１の壁を通る断面は図３に詳細に見られ得る。上記溶接接合部９の断面は図３に破線で示される。
【００３０】
本発明は、外壁３が各隔たり要素４と一緒に接合されるように実施されるレーザー溶接に基づく。隔たり要素４は所定の厚みｔ₁を有し、この実施態様によればこの厚みｔ₁は０．４〜１．５ｍｍの大きさのオーダーにあることが想定される。外壁３は、さらに所定の厚みｔ₂を有し、この厚みｔ₂はまた０．４〜１．５ｍｍの大きさのオーダーにある。特に２つの壁２，３および隔たり要素４の精密な組み合わせによって、本発明に従い、上記のＴ形状を有する溶接部９が得られ、ここで各冷却ダクト５内の内壁の緩やかな丸み１０が得られる。レーザー溶接によって、半径Ｒのこの丸みシーム（ｓｅａｍ）１０が、ｔ_1min＜Ｒ＜Ｔ_1maxの大きさのオーダーで得られ、ここで上記の寸法は、範囲０．４〜１．５ｍｍ内の半径Ｒに一致する。外壁３の頂面に間する接合部の深さｔ₃がさらに得られる。この深さｔ₃は、最大で０．３×ｔ₂の大きさのオーダーにあり、これは範囲０．１２〜０．４５ｍｍに一致する。
【００３１】
図４に、本発明の第２の実施態様の使用によって出口ノズルがいかにして製造され得るを示し、本発明の第２の実施態様に従って内壁２’および外壁３が使用される。外壁３は、上記の実施態様のものと同じタイプであるが、内壁２’は任意の圧延された路または等価物によっては形成されない。この第２の実施態様において、多数の分離した隔たり要素４’がその代わりに使用され、これは、レーザー溶接操作の実施の前に内壁２’に固定される。それによってこれらの隔たり要素４’は、多数の冷却ダクト５’を区画化するために使用され、それを通して特定の冷却媒体が流れ得る。
【００３２】
第２の実施態様によれば、レーザー溶接は、壁構造の外側および内側の両方において実施される。それによって、完全な壁構造の両面に延びる多数の溶接部９、９’が得られる。図３のように、これらの溶接部９、９’は、図４に破線によって示される。この溶接部９、９’は、上記の第１の実施態様と同じである実質的にＴ形状の断面を有する。
【００３３】
第２の実施態様の利点は、内壁２’に圧延が全く必要とされず、これによって時間および材料の節約を提供することである。この実施態様において、隔たり要素４’は、その代わりに内壁２’と外壁３との間に適切な様式で固定されなければならず、その後に壁構造の両面に溶接が実現される。
【００３４】
図５で、本発明に従う出口ノズル１の一部が、より正確には隔たり要素と結合した内壁２の一部が示される。上記の第１の実施態様に従ってこの構造が製造される場合、これらの隔たり要素は圧延によって形成される。図５に見られ得る実施態様に従って、隔たり要素は第１セットの隔たり要素４ａおよび第２セットの隔たり要素４ｂに分割され、ここで第２セットが配置され、出口ノズルの長手軸方向に幾分変位される。これは、第１の冷却ダクト５ａ内の冷却媒体流れの分配および制御を生成し、これは、第２の冷却ダクト５ｂおよび第３の冷却ダクト５ｃに分割される。
【００３５】
多くの利点が本発明によって提供される。特に、本発明に従う方法は、出口ノズルの構成において非常に優れた可撓性を許容することが述べられ得る。例えば、各冷却ダクト５の断面形状は、内壁２の上記の圧延の際に深さおよび幅のようなパラメータを変えることによって容易に変更され得る。これによって、出口ノズルは、出口ノズル上の熱負荷に従って調整される様式で容易に寸法決めされ得、この負荷は通常、出口ノズルの長手軸方向に沿って変化する。次に、これはこのような出口ノズルの増加した作動寿命を生じる。
【００３６】
さらに、各隔たり要素４、内壁２’および外壁３の間に形成される種々の溶接接合部に重量の増加は得られない。さらなる利点は、任意の不完全な溶接部を修復することが比較的単純であることである。さらに、冷却媒体の非常に好ましい流れ比（ｆｌｏｗ ｒａｔｉｏ）は、溶接部９、９’の丸みのある形状によって得られる。
【００３７】
本発明は、上に記載されそして図面に示されるの例示的な実施態様に限定されないが、前出の特許請求の範囲の範囲内で変更され得る。例えば、本発明は出口ノズルが円形形状であろうと多角形のような形状であろうとに関わらず、使用され得る。
【図面の簡単な説明】
本発明は、好ましい例示的な実施態様および添付の図面を参照して上でさらに詳細に説明される。
【図１】 図１は、本発明に従う出口ノズルを示す斜視図である。
【図２】 図２は、本発明の第１の実施態様に従って出口ノズルがいかにして製造され得るかを詳細に示す斜視図である。
【図３】 図３は、第１の実施態様に従って、一緒に接合された後の出口ノズルの壁構造を詳細に示す断面図である。
【図４】 図４は、本発明の第２の実施態様に従って、一緒に接合された後の出口ノズルの壁構造を詳細に示す断面図である。
【図５】 図５は、本発明に従って製造された出口ノズル内に多数の冷却ダクトがいかにして配置され得るかを示す。

Claims (7)

1. ロケットモータにおける使用のための出口ノズル（１）を製造するための方法であって、該出口ノズル（１）は壁構造によって形成され、該壁構造は、実質的に該出口ノズル（１）の入口端（６）から該出口ノズルの出口端（７）まで延びている複数の互いに隣接した冷却ダクト（５；５’）を備え、該方法は以下：
   内壁（２）の周囲に外壁（３）を配置する工程、
   該外壁（３）と該内壁（２）との間に複数の隔たり要素（４；４’）を形成し配置する工程、および
   該内壁（２）と該外壁（３）との間に該隔たり要素（４；４’）を接合する工程であって、ここで該冷却ダクト（５；５’）が形成される工程、
   を包含し、
   該接合はレーザー溶接手段によって実現され、そして溶接部（９；９’）の形状のために設計され、該溶接部は該壁構造を通る断面において実質的にＴ形状にされ、該冷却ダクト（５；５’）の内側に向かって丸み付けされる形状（１０）を有するという点で特徴付けられる、方法。
2. 前記内壁（２）が一体化された隔たり要素（４）によって形成されるという点で特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記隔たり要素（４）が圧延によって形成されるという点で特徴付けられる、請求項２に記載の方法。
4. 前記隔たり要素（４’）が、前記内壁（２’）と前記外壁（３）との間で固定される分離した構成要素によって構成され、その後前記壁構造の両面にレーザー溶接が実施される点で特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
5. 前記隔たり要素（４；４’）が前記内壁（２；２’）から前記外壁（３）まで実質的に直角に延びる延長部を有するという点で特徴付けられる、請求項４に記載の方法。
6. 前記外壁（３）および前記隔たり要素（４；４’）が０．４〜１．５ｍｍの大きさのオーダーの厚みを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記溶接接合部（９；９’）が半径（Ｒ）を有し、該半径が０．４〜１．５ｍｍの大きさのオーダーであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。

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