JP4000129B2 - ロケットエンジン燃焼室およびその形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロケットエンジンに関し、より詳細には、管状ロケットエンジン燃焼室に関する。

ロケットエンジン燃焼室は、推力を生成するように、加圧された燃料および酸化剤の燃焼と、燃焼生成物の円滑な加速とを含む。酸化剤および燃料は、加圧下に、室の先端に取り付けられた、図１に示されるものなどの噴射器１０を通して導入される。加圧下の燃焼生成物は、内部輪郭が喉部１４へと収束しているラバルノズル(de Laval nozzle)１２へと進む。ここで、燃焼生成物の膨張によって、音速が達成される。収束喉部セクションのすぐ後に発散セクション１６が続いている。次に、燃焼生成物は、発散セクションの輪郭、酸化剤および燃料の燃焼、燃焼生成物の圧力、および外部圧力に依存して音速の何倍もの速度にさらに加速される。気体の加速によって、ロケットエンジンのための推力が生成される。

再生冷却燃焼室は、極低温液体推進剤、通常は燃料、の流れの一部を取って、燃焼室の壁を冷却する。冷却剤は、室の外側に沿って通路または管を通って流れる。冷却剤は、廃熱を再循環させて、冷却剤のエネルギーを増加させる。冷却剤のエネルギーのこの増加によって、サイクルの効率が向上する。

ロケットエンジンのための再生冷却燃焼室は、一般に、３つの部類、すなわち、フライス削り流路、小板(platelet)、および管状構造体、に分けられる。

フライス削り流路構造体では、断面が変化する溝が、ラバルノズルの形状を呈するライナの外側に切削される。ジャケットが、開放流路の上に被せられるか、あるいは、円筒状部品が、ライナ上に差し込まれ、真空圧縮ろう付けされる。ジャケットは、冷却剤圧力に耐えるだけである。

小板構造体は、フライス削り流路に類似しているが、ライナの長さを多数のより小さなセクションに分割して、次に、一緒に結合される。組立式ジャケットは、次に、一緒にライナ上に溶接され、一緒に真空圧縮ろう付けされる。

管状燃焼室は、複数の形成された管をラバルノズルの形状に積み重ねる、すなわち整列させて組み立てる。これら複数の管は、室壁を冷却しかつサイクル内で使用するために廃熱を受け取る加圧推進剤を含む。仕上げされたジャケットアッセンブリは、燃焼生成物の圧力負荷に耐えるだけである。

管状構造体燃焼室は、その大きさに依存して２つの方法で製造され得る。室の直径が接近できるほど十分大きい場合は、複数の管とろう付け材料は、一体型ジャケット内へ直接置かれ、炉ろう付けされ得る。

より小さな室は、小さな直径のジャケット内へ複数の管を差し込むように接近するのが制限されているので、一体型ジャケットは、使用できない。組み立ては、複数の形成された管をマンドレル上でラバルノズルの形状に積み重ねることにより開始される。複数の管は、マンドレルの長さに沿ってまっすぐに置くことができるか、あるいは、マンドレルの周りにらせん状に巻き付けることができる。ろう付け線材、ペースト、または箔が、複数の管の間の全ての空洞に差し込まれる。次に、組立式ジャケットが、複数の管の外側に付加される。次に、ジャケットセグメントは、ジャケットセグメント間を部分的に重なる細長い片すなわちストリップで被覆される。次に、ジャケットと複数の管は、一緒に炉ろう付けされる。管状構造体燃焼室の完全性は、複数の管および室マニホールドおよび補強リングの間の全ての接続部に対するジャケットおよびろう付け被覆の構造体の質に依存する。Ｘ線または音波検査方法だけが、ろう付けされた管対管およびジャケット対管の接続部の検査を達成できる。ジャケットの下のろう付け領域の修理は、困難である。燃焼室の失敗は、検査技術が、不適切なろう付け被覆領域の特定には不十分だったので、起こり得る。

管状構造体室は、熱移動がより大きく、管断面の応力がより小さいので、最も軽量かつ最も効率的な室を生成する。管状構造体室の完全性は、複数の管、ジャケットセグメント、およびマニホールドの間の全ての接続部に対する組立式ジャケットおよびろう付け被覆の構造体の質に依存する。

従って、本発明の目的は、複数の管を外部マンドレル上に積み重ね、調整し、隙間の検査をするとともに、一体型ジャケットの取り付けの前にろう付け接続部の完全な検査ができる、再生冷却管状燃焼室を構成する方法を提供することである。

上述した目的は、本発明の方法により達成される。

本発明に従うと、ロケットエンジン燃焼室のための冷却系を形成する方法が提供される。方法は、一般に、ノズルの輪郭へと形成および仕上げられる複数の管であって、上部室領域内で絶えず拡大する断面を有する、複数の管を用意し； 各管の端部を受ける複数の孔を有する、入口マニホールドおよび出口マニホールドを用意し； 複数の金環を用意し； 各孔の中へろう付け材料プリフォームを差し込み； 各管の第１の端部が、第１のろう付け材料プリフォームによって囲まれ、かつ、各管の第２の端部が、第２のろう付け材料プリフォームによって囲まれるように、入口マニホールドの中へ各管の第１の端部を、および、出口マニホールドの中へ各管の第２の端部を、差し込み； 入口および出口マニホールドを複数の管にろう付けし； 前記管を差し込む前に、管アッセンブリを形成するように前記金環を管に接続する、ことを含む。ろう付けステップは、管とマニホールドの間に一続きのろう付け接続部を形成する。方法は、複数の管の露出部分上に被覆材料の層を形成し、複数の管の周りに一体型ジャケットを形成する、ことをさらに含む。

また、本発明は、ラバルノズルを有する再生冷却管状構造体ロケットエンジン燃焼室に関する。燃焼室は、一般に、各管がラバルノズルの輪郭に形成および仕上げられる、複数の、冷却剤を運ぶための管と、入口マニホールドおよび出口マニホールドであって、各管が入口マニホールドにろう付けされる第１の端部および出口マニホールドにろう付けされる第２の端部を有する、入口マニホールドおよび出口マニホールドと、管の以前は露出していた部分の上に施された被覆材料の層と、複数の管および被覆材料の層を囲みかつ複数の管に接続された、一体型ジャケット構造体と、前記管に接続された複数の金環と、を備える。前記管のそれぞれが、上部室領域内で絶えず拡大する断面を有する。

一体型ジャケットを有するロケットエンジン管状室の詳細、および、それに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明および同様の参照番号が同様の部材を示している添付の図面内に述べられる。

ここで、図面の図２〜図５を参照すると、管状構造体室２０は、ラバルノズルの輪郭へと形成および仕上げられる、一組の管２２から成る。管２２は、テーパ付き内壁面２６を形成するように上部室領域２４内で絶えず拡大する断面を特徴とする。拡大する断面は、管２２の積み重ねの輪郭が形成する室２０の内部空洞のことを言う。管２２の輪郭は、それが下流にあるよりは、室２０の噴射器端部において室の中心線からずっと離れている。これによって、１度より小さなテーパ角αが形成される。

テーパ付き内壁面２６を形成することによって、処理中の管の束を支持するためのマンドレル（図示せず）の取り出しが改善される。ろう付け中に管２２を支持するマンドレルは、室２０の噴射器端部から差し込みおよび取り出しされる。マンドレルおよび管の輪郭が、円筒形の場合、マンドレルは、差し込みおよび取り出しのために、管２２の長さに亘ってひきずる必要がある。これによって、薄い壁の管２２は、損傷を受ける可能性がある。テーパ付き管輪郭は、同一のテーパ付き輪郭のマンドレルによって支持される。テーパがあるので、マンドレルは、室の中へ十分差し込まれるまでは、管輪郭に接触しない。マンドレルが取り出されるとき、管２２とマンドレルの間に隙間が生じる。この隙間は、マンドレルが室からさらに出ていくとき、増加する。一旦、マンドレルが、管２２から十分離れてしまうと、マンドレルの周囲の複数のセクションは、室の内部から別々に取り出すことができる。

管材料に依存して、金環２８が、管アッセンブリを形成するように、各管２２の両端にろう付けまたは溶接され得る。管２２は、使用される推進剤との材料の適合性に依存して、一般に、鋼基合金、ニッケル基合金、または銅基合金から形成される。金環２８は、使用される推進剤および管材料への取り付け方法に依存して、鋼またはニッケル基合金とすることができる。各管または管アッセンブリは、出口マニホールド３０および入口マニホールド３２内の複数の孔２９の中へ差し込まれる。管または管アッセンブリは、所望の被覆を達成するようにマニホールドの孔の中へ差し込まれるろう付け材料プリフォーム３１が備えられる。図６に示すように、ろう付け材料プリフォーム３１は、マニホールドの孔の直径に嵌合するように形成されたろう付け線材から成るらせんコイルである。マニホールドの孔は、金環２８の下の所定位置にろう付け材料プリフォーム３１を閉じ込めるように段が付けられている。次に、アッセンブリは、炉ろう付けされる。使用されるろう付け操作は、当該材料と、部品を一緒に接続するのに選択されるろう付け材料とに依存する。さらに、室２０を構成するのに使用されるろう付け操作がいくつかある場合、各後続のろう付け操作は、これらのろう付け接続部の再溶融を防止するために、先のろう付け操作より低い温度で実施する必要がある。一般に、ろう付け操作は、１４００°Ｆから２０００°Ｆの間で実施され、部品を徐々に昇温および降温するためのろう付け時間は、当該部品の質量に依存する。

ろう付け接続部の検査の後で、管２２の露出部分が、次に、管材料と類似の材料３４の層で所望の深さに被覆される。被覆材料３４は、管材料との結合部を生成することになる任意の材料とすることができる。一般に、材料は、２つの材料の弾性率および熱成長の差が結合部に付加的な応力を生成しないように、管材料に類似したものにする必要がある。材料は、鋼、ニッケル、または銅合金とすることができる。また、これら複数の材料は、被覆内に異なる層を形成するように、一緒に使用することもできる。

被覆材料３４の層は、当業界で知られる任意の適切な真空プラズマ溶射または電気めっき技術を用いて、管表面上に真空プラズマ溶射または電気めっきされることができる。被覆材料３４の層は、複数の管２２の間にシールを形成し、ジャケットの組み立て中に損傷から管２２を保護し、また、機械加工後は、一体型ジャケット３６と嵌合する精密公差表面を提供する。

次に、ジャケットセクション３８が、機械加工された被覆上に取り付けられる。ジャケットセクション３８は、使用されるろう付けシステムに適合するとともに溶接およびろう付けに適合する任意の鋼またはニッケル合金から形成することができる。ろう付け線材が、各ジャケットセクション３８の内側にある周囲溝４０内に取り付けられ得る。図７に示すように、喉部ジャケットセクション３８’は、２つの１８０度周囲セグメント３８ａおよび３８ｂから構成される。ジャケットセクション３８および３８’は、溶接などによって互いに接続され、また、入口および出口マニホールド３２および３０それぞれに、同様に溶接などによって接続されて、一体型ジャケット構造体３６が得られる。次に、一体型ジャケット構造体３６は、被覆された管の束にろう付けされる。ジャケットセクション３８は、互いに溶接され、次に、それらは、出口および入口マニホールド３０および３２それぞれに溶接されて、ジャケットセクションと管２２上の被覆の間に気密隙間が形成される。ろう付け材料は、ジャケットセクションの内側表面、および管２２上の被覆３４の外側表面上にめっきすることもできる。いくつかのポートが、ジャケットセクション内に取り付けられることによって、真空が、ろう付けサイクル中に密接に接触するように２つの表面を互いに引き寄せることができる。このろう付け操作は、先にろう付けされた接続部の再溶融を防止するために、室２０の構造体内で使用される最低温度のろう付けとなる。部品を徐々に昇温および降温するためのろう付け時間は、当該部品の質量に依存する。

次に、先端部上の端部ふた５０が、出口マニホールド３０および一体型ジャケット３６に接続される。溶接などといった任意の適切な接続技術が使用され得る。次に、出口マニホールド閉鎖 (closeout)セクション５２が、一体型ジャケット３６に接続される。ここでまた、溶接などの任意の適切な接続技術が使用され得る。

図７を再び参照すると、ジャケットセクションが、２つの１８０度周囲喉部セクションすなわち半体３８ａおよび３８ｂを含む、ロケットエンジン燃焼室が示される。

図７は、喉部領域を通して、２つの喉部ジャケット半体３８ａおよび３８ｂ、管上の被覆層３４、および管２２を示す。溶接接続部６２においてジャケットを通る楕円形のトンネル６０によって、溶接部の検査が可能となり、また、ジャケットと管上の被覆層３４の間の接続部のための炉ろう付け操作中に、主ジャケットポートから喉部ジャケットおよび後部ジャケット領域への真空の分配が提供される。全ての溶接、ろう付け、検査、洗浄、および焼成操作が完了した後で、トンネル６０は、喉部領域付近での漏出を防止するために、適合したシーラント化合物が充填され得る。

本発明に従って、上述した目的、手段、および利点を十分に満足する一体型ジャケットを有するロケットエンジン管状室が提供されたことは明らかである。本発明は、その特定の実施態様の文脈で説明したが、他の代替物、変更物、および変形物が、上述した説明を読んだ当業者には明らかになるであろう。従って、これらの代替物、変更物、および変形物は、添付の請求項の広い範囲に含まれるように包含されることが意図される。

管状室の断面図である。 本発明に従う管状室の断面図である。 図２の管状室の出口マニホールドの詳細断面図である。 図２の管状室の入口マニホールドの詳細断面図である。 図２の管状室の喉部の詳細断面図である。 ろう付け材料プリフォームコイルを示す断面図である。 ロケットエンジン燃焼室の断面図である。

符号の説明

１２…ラバルノズル
２０…環状構造体室
２２…管
２８…金環
３０…出口マニホールド
３１…ろう付け材料プリフォーム
３２…入口マニホールド
３４…被覆材料
３６…一体型ジャケット
３８…ジャケットセクション

Claims (14)

1. ロケットエンジン燃焼室のための冷却系を形成する方法であって、
   ノズルの輪郭へと形成および仕上げられる複数の管であって、上部室領域内で絶えず拡大する断面を有する、複数の管を用意し、
   各管の端部を受ける複数の孔を有する、入口マニホールドおよび出口マニホールドを用意し、
   複数の金環を用意し、
   各孔の中へろう付け材料プリフォームを差し込み、
   各管の第１の端部が、第１のろう付け材料プリフォームによって囲まれ、かつ、各管の第２の端部が、第２のろう付け材料プリフォームによって囲まれるように、入口マニホールドの中へ各管の第１の端部を、および、出口マニホールドの中へ各管の第２の端部を、差し込み、
   入口および出口マニホールドを複数の管にろう付けし、
   前記管を差し込む前に、管アッセンブリを形成するように前記金環を管に接続する、
   ことを含み、前記ろう付けすることは、管とマニホールドの間に一続きのろう付け接続部を形成することを特徴とする方法。
2. 前記接続することは、金環を管に溶接またはろう付けすることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記管の露出部分を被覆材料の層で被覆する、
   ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記被覆することは、被覆材料を露出部分上に電気めっきすること、または被覆材料を露出部分上に真空プラズマ溶射すること、を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. ジャケットセクションを被覆材料の層の上に取り付け、
   ジャケットセクションを、互いに接続しかつマニホールドに接続して、一体型ジャケット構造体を形成する、
   ことをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
6. 前記接続することは、ジャケットセクションを、互いに接続しかつマニホールドに溶接することを含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記一体型ジャケット構造体を、被覆された管にろう付けすることをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 端部ふたを、出口マニホールドおよび一体型ジャケット構造体に接続することをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 出口マニホールド閉鎖セクションを一体型ジャケット構造体に接続することをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
10. ラバルノズルを有する再生冷却管状構造体ロケットエンジン燃焼室であって、
    各管がラバルノズルの輪郭に形成および仕上げられる、複数の、冷却剤を運ぶための管と、
    入口マニホールドおよび出口マニホールドであって、各管が入口マニホールドにろう付けされる第１の端部および出口マニホールドにろう付けされる第２の端部を有する、入口マニホールドおよび出口マニホールドと、
    管の以前は露出していた部分の上に施された被覆材料の層と、
    複数の管および被覆材料の層を囲みかつ複数の管に接続された、一体型ジャケット構造体と、
    前記管に接続された複数の金環と、
    を備えており、前記管のそれぞれが、上部室領域内で絶えず拡大する断面を有することを特徴とするロケットエンジン燃焼室。
11. 前記一体型ジャケット構造体は、互いに接続されかつ入口および出口マニホールドに接続された複数のジャケットセクションを含むことを特徴とする請求項１０記載のロケットエンジン燃焼室。
12. 前記ジャケットセクションは、２つの１８０度周囲の喉部セクションを含むことを特徴とする請求項１１記載のロケットエンジン燃焼室。
13. 前記出口マニホールドおよび一体型ジャケット構造体に接続された端部ふたをさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のロケットエンジン燃焼室。
14. 前記一体型ジャケット構造体に接続された出口マニホールド閉鎖セクションをさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のロケットエンジン燃焼室。

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