JP4000130B2 - エンジンおよびロケットエンジン燃焼室の組み立て方法 - Google Patents

Description

本発明は、再生冷却管状ロケットエンジン燃焼室およびノズルを組み立てる方法およびその構成に関する。

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。図１をここで参照すると、酸化剤および燃料は、加圧下に、室１２の先端に取り付けられた噴射器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１６へと収束しているラバルノズル(de Laval nozzle)１４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１８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。次に、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。

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、これらは、一緒に結合される。次に、組立式ジャケットが、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。

より小さな室の組み立ては、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すなわち整列させ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。管の両端が、入口および出口マニホールドの中へ差し込まれる。ろう付け線材、ペースト、および箔が、複数の管の間の全ての空洞に差し込まれる。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。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、一緒に溶接されるか、あるいは部分的に重なる細長い片すなわちストリップが、ジャケットセグメント間に付加される。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。

燃焼室内の冷却剤と燃焼生成物の間の熱移動の大部分は、噴射器面から下流に喉部を通って喉部を数インチ越えるまでに生じる。管状構造体室の利点が、システムの効率を向上させるのに最もよく使用されるのは、ここのところである。冷却剤と室の間の熱移動が減少する喉部の下流位置は、製造および組み立ての目的で、アッセンブリを燃焼室（上流）およびノズル（下流）に分割するための最良の位置である。ノズルは、費用を低減するように任意の滑らかな壁面構造体とすることができる。

滑らかな壁面ノズルは、４種類、すなわち、フライス削り流路、小板、アブレーティブ(ablative)、および放射(radiation)のいずれとすることもできる。最初の２つは、上に説明した。アブレーティブノズルは、室内部輪郭が燃焼生成物により加熱されるときに冷却ガスを放出する室内部輪郭上に被覆を用いる。放射ノズルは、放射冷却だけに依拠しながら、燃焼生成物から熱入力を受け取るとともに正の構造限界を与えることができる材料から形成される。

現在のエンジンは、再生冷却フライス削り流路室およびノズル、再生冷却管状ノズルを有する再生冷却フライス削り流路室、または、管状構造体室とノズルの組み合わせを用いる。

再生冷却管状室を滑らかな壁面ノズルと結合するのに伴う困難は、管状室壁面輪郭と滑らかな壁面輪郭の間の移行区域にある。室輪郭に沿って流れる、より低温のガスの境界層は非常に薄いので、輪郭のどのような突然の乱れも、壁面の局所的な過剰温度、および衝撃の生成になり得る。より高い温度によって、内部冷却剤圧力負荷に耐える材料の能力が低減され、突然の故障になり得る。衝撃は、室壁材料に負荷を掛け過ぎ得る局所的な圧力負荷になり得る。

従って、本発明の目的は、再生冷却管状構造体ロケットエンジン室が任意の滑らかな壁面ノズルと共に使用できる、アッセンブリを提供することである。

上述した目的は、本発明のアッセンブリにより達成される。

本発明に従うと、ロケットエンジンなどの改良されたエンジンが提供される。エンジンは、燃焼室と、滑らかな壁面ノズルと、燃焼室と滑らかな壁面ノズルの間の移行区域とを備える。移行区域は、非銅材料から形成され冷却剤が通って流れるマニホールドを含む冷却系を有する。高い熱移動実施態様では、移行区域は、銅基材料から形成された付加的マニホールドを含む。

燃焼室と、滑らかな壁面ノズルと、燃焼室とノズルの間の移行区域を有する冷却系とを備えるロケットエンジン燃焼室を組み立てる方法が、提供される。方法は、複数の孔を有する少なくとも１つのマニホールドをマンドレル上に配置することにより移行区域を形成し、ろう付け材料プリフォームを孔の中へ差し込み、複数の管アッセンブリを孔の中へ差し込み、管アッセンブリを少なくとも１つのマニホールドにろう付けする、ことを含む。

本発明のロケットエンジン燃焼室の他の詳細、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。

管状流れ経路と滑らかな壁面流れ経路の間の移行部は、滑らかに仕上げる必要があり、そうでなければ、マニホールドへの熱入力によって、材料特性は、遭遇する応力に対して許容できる最小値より下に低減されることになる。この一部は、マニホールドへの高められた熱入力を引き起こし得るどのような流れつまずき部(flow trip)も低減することである。

再生冷却管状構造体室輪郭から滑らかな壁面ノズル輪郭へ移行する能力を達成する２つの構成が、ここで説明される。第１の構成は、非常に高い熱移動速度に対処する二部品マニホールドである。第２の構成は、鋼またはニッケルマニホールドを可能とするより低い熱移動速度に対処する一体型マニホールドである。

第１の構成は、管および対になったマニホールドにろう付けされる内部金環を有する管アッセンブリから成る。前縁マニホールドは、重量で５０％より高い銅を含有する銅基合金などの銅含有材料から形成され、後部マニホールドは、非銅材料、好ましくは鋼、または重量で５０％より高いニッケルを含有するニッケル基合金などのニッケル含有材料から形成される。

ここで、図２を参照すると、各管アッセンブリ３０は、丸い断面を有するように形成された金環３２を備える。各金環３２の自由端部３４は、段になった直径を有しており、自由端部３４の近くの直径ｄは、管３０の近くの直径Ｄより小さい。大きな直径Ｄは、銅含有材料から形成された前縁マニホールド４０内のろう付け隙間３８に合う大きさとなっている。より小さな直径ｄは、後部マニホールド４４内のろう付け隙間４２に合う大きさとなっている。段付き内部金環３２を使用することで、金環の組立ては、損傷の可能性がより少なく、より容易に完了する。

ここで、図３から図６を参照すると、移行区域の開始において予想される高い熱入力に対処するために、前縁マニホールド４０は、銅含有材料から形成される。銅は、移行区域の前縁上の大きな熱入力を取る高い伝導率を有する。孔４６が、金環３２を受けるようにマニホールド内に穿孔される。マニホールド４０上の滑らかな壁面４８が、各管３０の丸い断面と一列になっている。これによって、最悪の場合の公差のもとで膨張する高温ガスに対する滝効果が生成される。燃焼生成物が、室１２を下流に進行し喉部１６を過ぎると、室の内部の直径は、絶えず拡大する。流れが、管３０とマニホールド４０の境界に到達すると、マニホールド流れ経路の前縁は、その寸法公差範囲が、上流の管冠部表面の直径より常に大きな直径となるような、大きさとされる必要がある。これによって、燃焼生成物は、最小の抵抗およびエネルギー低減で進行することができる。これが、滝効果である。滝効果の反対は、ダム効果になるであろう。これは、マニホールド前縁が、上流の管冠部表面の直径より小さな直径となるときに生じるであろう。より小さな直径は、燃焼生成物の滑らかな流れを妨げあるいは妨害するように機能し、結果として、局在化した熱およびエネルギーの低減が生じ、下流に衝撃が生成する。

境界の上流側には、管冠部の輪郭があり、下流側には、マニホールド４０の流れ経路輪郭がある。２つの輪郭は、最良の場合の公差のもとで並んでいる。マニホールド４０の流れ経路側５０には、溝５２が、管の間のガリー部から平らな壁面輪郭５４まで移行するように流れ経路に対して所定角度で孔の間に切削される。マニホールド４０の前縁５６は、マニホールド内の溝５２内へ滑らかに移行するように丸みが付けられている。溝５２の長さは、室の用途に依存する。ここに説明した構成によって、どのような流れつまずき部もなく、滑らかな輪郭線が形成される。

前縁マニホールド４０の後ろに、非銅材料製のマニホールド４４がある。上述したように、マニホールド４４のための好ましい材料は、鋼またはニッケル基合金である。マニホールド４４に使用される非銅材料は、好ましくは、高い流れ経路温度で冷却剤の圧力に対処するように、マニホールド４０に使用される材料より高い強度と、滑らかな壁面ノズル６０および構造体ジャケット６２に溶接される能力とを有する。また、冷却剤通路の外側で、滑らかな壁面ノズル６０とジャケット６２の間に重ね継ぎ板６１がある。重ね継ぎ板は、所定位置に溶接される。

図２および図３から理解されるように、マニホールド４４は、金環３２の自由端部３４を受ける一連の孔６３を有する。孔６３は、直径が孔４６より小さい。孔６３は、金環端部の長さの任意の変動に適合するのに十分に満足する長さを有する。

冷却剤圧力の噴出負荷に耐える金環３２のための一次ろう付けは、マニホールド４４内にある。また、後部マニホールド４４および金環３２は、マニホールド４０を形成する材料から他の材料への伝導率を向上させるように、および、流れ経路から接続部内へのいずれの漏れも防止するように、前縁マニホールド４０にろう付けされる。

図７に示される第２の構成は、非銅材料から形成された単一マニホールド７０の使用を可能とするより低いレベルの熱移動のためのものである。好ましい実施態様では、マニホールド７０は、鋼または、５０％より多いニッケルを含有するニッケル基合金から成る単一部品から形成される。内部通路または孔、およびマニホールド７０の流れ経路内へ切削された溝は、第１の構成のものと同じである。内部金環３２を有する管アッセンブリ３０をマニホールド７０内へ取り付ける方法は、第１の構成のものと同じである。

組み立て方法は、上述した構成の両方に対して同じである。最初に、１つのマニホールドまたは複数のマニホールドが、マンドレル上に配置される。次に、ろう付け材料プリフォームが、１つまたは複数のマニホールド内の孔の中へ差し込まれる。ろう付け材料プリフォームは、当業界で知られる任意の適切なろう付け材料から形成され得る。ろう付け材料プリフォーム７１は、本質的に管状であり、管アッセンブリおよび内部金環をマニホールドの中へ差し込ませることのできる孔を有する。ろう付け材料プリフォーム７１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３２の下の所定位置にろう付け材料プリフォーム７１を閉じ込めるように段が付けられている。次に、管アッセンブリの全てが差し込まれるまで、１つまたは複数のマニホールドの中へ管アッセンブリ３０を１つずつ差し込む。ろう付け条件に従って、管の間の隙間と管の輪郭とを調整する。管の反対側の端部にろう付けの準備がされた後で、マニホールドアッセンブリを炉ろう付けする。ジャケット６２は、ろう付け処理に含まれ得るか、あるいは、全ての修理ろう付けが完了した後で付加され得る。必要に応じて、当業界で知られる任意の適切な手段を用いて、被覆およびろう付け修理のための全てのろう付け接続部を検査する。冷却剤通路をシールするように滑らかな壁面ノズル６０をろう付けする。ノズル６０および重ね継ぎ板６１は、ノズル内の冷却剤通路が、いずれの漏れもなく室へと流れるように、室内の冷却剤通路を閉じる。冷却剤通路をシールすることは、冷却剤通路が、漏れなし溶接構造体接続部によって、室、ノズル、および重ね継ぎ板の境界内に制限されることを意味する。

室は、いくつかの方法で、マニホールドの前縁に接続される。管アッセンブリ上の金環は、マニホールド内の孔にろう付けされる。管材料と類似の材料の被覆７５が、管３０上に施され、さらに、マニホールドの外面に結合される。次に、ジャケット６２が、被覆７５上に取り付けられ、マニホールドの外面に溶接される。その後の炉ろう付け操作によって、ジャケット６２は、被覆７５に接続される。

本発明に従うと、図８を参照せずに、再生冷却管状構造体ロケットエンジン室８０と滑らかな壁面ノズルを用いるロケットエンジン構成が、エンジンサイクルのアッセンブリおよびシステム条件を満足しながら接続部における室壁の過熱または流れ経路の衝撃を生成せずに提供される。

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ロケットエンジン燃焼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。

通常の管状構造体再生室の断面図である。 管状輪郭から滑らかな壁面ノズルへの移行区域の断面図である。 接続部の部分図である。 前縁マニホールドの前縁を示す図である。 図４のマニホールドの丸みの付いた前縁を示す図である。 図４のマニホールドの流れ経路側から見た底面図である。 管状輪郭から滑らかな壁面輪郭への移行区域の断面図である。 再生冷却管状ロケットエンジン燃焼室を通る断面図である。

符号の説明

１２…燃焼室
１４…ラバルノズル
３０…管アッセンブリ
３２…金環
３４…自由端部
４０…前縁マニホールド
４４…後部マニホールド
４６…孔
６０…滑らかな壁面ノズル
７１…ろう付け材料プリフォーム

Claims (15)

1. 燃焼室と、
   滑らかな壁面ノズルと、
   燃焼室と滑らかな壁面ノズルの間の移行区域と、
   を備えるエンジンであって、移行区域は、非銅材料から形成され冷却剤が通って流れるマニホールドを含む冷却系を有し、前記エンジンは、銅基材料から形成された付加的マニホールドをさらに備えることを特徴とするエンジン。
2. 前記燃焼室は、再生冷却用の管状構造体を有する燃焼室であることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
3. さらに、
   前記冷却系は、冷却剤を運ぶための複数の管アッセンブリを含み、
   前記マニホールドは、管アッセンブリを受けるための複数の孔を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載のエンジン。
4. 各管アッセンブリは、マニホールドの孔の１つの中へ差し込まれる内部金環を含むことを特徴とする請求項３記載のエンジン。
5. 前記内部金環は、第１の直径を有する第１の部分と、第１の直径より小さな第２の直径を有する自由端部とを備え、内部金環は、マニホールドにろう付けされることを特徴とする請求項４記載のエンジン。
6. 前記マニホールドは、鋼またはニッケル基材料から形成されることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
7. 前記付加的マニホールドは、前縁マニホールドを形成し、非銅材料のマニホールドは、後部マニホールドを形成することを特徴とする請求項１記載のエンジン。
8. 前記付加的マニホールドは、非銅材料マニホールドと境を接しており、非銅材料マニホールドに接続されることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
9. さらに、前記移行区域は、冷却剤を運ぶための複数の管アッセンブリを含み、付加的マニホールドは、複数の管アッセンブリを受けるための複数の孔を有することを特徴とする請求項１記載のエンジン。
10. 各管アッセンブリは、丸い断面を有しており、付加的マニホールドは、各管アッセンブリの丸い断面の輪郭と並んだ滑らかな壁面輪郭を有しており、さらに、付加的マニホールドは、流れ経路側の面を有し、この流れ経路側の面には、互いに隣り合う管アッセンブリの間の溝部から付加的マニホールドの平らな壁面輪郭まで移行するように互いに隣り合う前記孔の間に複数の溝を有することを特徴とする請求項９記載のエンジン。
11. 燃焼室と、滑らかな壁面ノズルと、燃焼室とノズルの間の移行区域を有する冷却系とを備えるロケットエンジン燃焼室を組み立てる方法であって、
    複数の孔を有する少なくとも１つのマニホールドをマンドレル上に配置することにより移行区域を形成し、
    ろう付け材料プリフォームを孔の中へ差し込み、
    複数の管アッセンブリを孔の中へ差し込み、
    管アッセンブリを少なくとも１つのマニホールドに炉ろう付けする、
    ことを含むことを特徴とする方法。
12. 前記配置することは、非銅材料から形成されたマニホールドをマンドレル上に配置することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記配置することは、非銅材料から形成された第１のマニホールドと、銅基材料から形成された第２のマニホールドとを、マンドレル上に配置することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 前記ノズルをマニホールド上に溶接することをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
15. 前記燃焼室を冷却系に接続することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。

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