JP4215203B2

JP4215203B2 - 液体燃料と液体酸化剤を用いる点火器一体型燃料噴射器

Info

Publication number: JP4215203B2
Application number: JP2003296204A
Authority: JP
Inventors: 亜宝郎福地; 重保飯原; 浄二梅田
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP2005061385A

Description

本発明は、極低温の液体酸化剤と液体燃料を主推進薬とし、点火器と燃料噴射器が一体化された点火器一体型燃料噴射器に関する。

宇宙空間で使用するロケットエンジンの一例として、液体水素と液体酸素を用いる液水／液酸エンジンが非特許文献１に開示されている。この液水／液酸エンジンは、エキスパンダーサイクルエンジンであり、図７に示すように、燃焼器５１、点火器５２、及び２つのターボポンプ５３、５４の組み合わせからなる。また、点火は、点火用水素ガスと点火用酸素ガスを点火器５２に供給して図示しない点火プラグで行うようになっている。

また、液体燃料を用いる燃料噴射器として、液体燃料ロケットエンジン用点火システムにおいて、エンジンの多数回の燃焼を必要とする打ち上げにおけるエンジン再点火の確実性を増大せしめることを目的として、特許文献１、２が開示されている。

特許文献１の「ロケットエンジン用点火システム」は、図８に示すように、中央の点火ポート６０に隣接する複数の環状に配置された燃料／酸化剤噴射要素６１が、酸化剤を供給する内側オリフィスと燃料を供給する外側オリフィス６２とを有する。少なくとも１つの噴射要素６１の外側オリフィス６２にはその点火ポート側半分を塞ぐインサート６３が設けられ、これにより酸化剤富区域６４が生成され、この区域中にイグナイタ６５から燃料６６が噴射されるものである。

特許文献２の「液体燃料エンジン用イグナイタ」は、図９に示すように、イグナイタ７０が、第１の電極７１と第２の電極７２との間に画成されたギャップ７３を包含する。水素のような気体燃料が、供給源７４からイグナイタ本体７５内の通路７６を通してギャップ７３に供給されてギャップ内の酸化剤をパージする。電圧が電力装置７７から電気回路７８を通して第１及び第２の電極７１、７２間に供給されてギャップ７３内で気体燃料を活性化させ、高温のプラズマに変換させる。このプラズマは、燃焼室７９内の燃料と酸化剤との混合体中に噴射されて混合体の燃焼を開始させるものである。

成尾芳博他，"高圧液水／液酸エキスパンダーサイクルエンジンの予備研究"，宇宙輸送シンポジウム，宇宙科学研究所，昭和６２年１２月

特開平１１−３２４７９７号公報特開２０００−１７９４０２号公報

ヒドラジンのような自発着火性推進薬と相違し、主推進薬として液体燃料と液体酸化剤を用いる場合、燃焼器に燃料を噴射する燃料噴射器の他に、点火器が不可欠となる。また、この点火器に極低温の液体酸化剤（例えば液体酸素）を直接噴射すると、点火プラグの過熱金属部分が溶融する等の損傷を与えるおそれがあるため、必ずガス化した酸化剤を供給する点火器ラインを設ける必要がある。
そのため、従来は、非特許文献１や図１０に例示するように、噴射器の他に独立した点火器を設け、点火器に主推進薬（液体燃料と液体酸化剤）の供給系統とは別の点火器ラインからガス化した酸化剤を供給していた。
この場合、点火器に供給した燃料と酸化剤の混合ガスに点火プラグで放電することで点火エネルギーを与えて火炎を形成し、この火炎により噴射器から噴射された燃料／酸化剤を着火して定常燃焼に移行する。

しかし、このように燃料噴射器の他に点火器を設ける場合、着火のためだけに点火器用の燃料／酸化剤のガス供給系統（点火器ライン）が必要になり、系統が複雑化するばかりでなく、点火器で点火した後にその火炎で主推進薬を着火するため、点火から主推進薬の着火までのタイムラグが長く、応答性を求められる姿勢制御用エンジンなどには適用が困難である問題点があった。
そのため、従来は、姿勢制御用エンジンへの非自発着火性推進薬の適用が困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、主推進薬として液体燃料と液体酸化剤を用い、ガス化した燃料と酸化剤を供給する点火器ラインが不要であり、着火及び再着火が確実にでき、かつ点火から主推進薬の着火までのタイムラグが短く応答性が高い点火器一体型燃料噴射器を提供することにある。

本発明によれば、極低温の液体酸化剤と液体燃料を主推進薬とする点火器一体型燃料噴射器であって、液体燃料ポート、液体酸化剤ポートおよび点火プラグ取付口を有する噴射器本体を備え、
該噴射器本体は、点火プラグのまわりにガス化した燃料と酸化剤を噴射するガス燃料噴射孔およびガス酸化剤噴射孔と、該ガス燃料噴射孔およびガス酸化剤噴射孔に主推進薬と同じ供給系統から液体燃料と液体酸化剤を分岐して供給する燃料分岐流路および酸化剤分岐流路とを有し、分岐した液体燃料と液体酸化剤を流路の顕熱でガス化し、点火プラグの作動と同時に主推進薬を噴射し、中心近傍に点火火炎を形成し、主推進薬全体に火炎を伝搬させ定常燃焼に移行する、ことを特徴とする液体燃料と液体酸化剤を用いる点火器一体型燃料噴射器が提供される。

この構成によれば、分岐した液体燃料と液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するので、ガス化した燃料と酸化剤を供給する点火器ラインが不要となり、ガス供給系統を簡略化することができる。またガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火し、点火プラグの作動と同時に主推進薬を噴射し、中心近傍に点火火炎を形成し、主推進薬全体に火炎を伝搬させ定常燃焼に移行するので、着火が確実にでき、かつ点火から主推進薬の着火までのタイムラグをなくし、応答性を高めることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記噴射器本体は、液体燃料と液体酸化剤を別々に燃焼室に供給する液体燃料流路および液体酸化剤流路と、点火プラグが取付けられ燃焼室と連通しガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火するための点火室とを有し、かつ前記噴射器本体は、点火時の本体温度において酸化剤分岐流路を流れる少量の液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するのに十分な熱容量を有する。

この構成によれば、噴射器本体が、点火時の本体温度において酸化剤分岐流路を流れる少量の液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するのに十分な熱容量を有するので、酸化剤分岐流路を介して液体酸化剤流路から少量の液体酸化剤を分岐して点火室まで供給する過程で、液体酸化剤を流路の顕熱でガス化できる。従って、ガス化した燃料と酸化剤を供給する点火器ラインが不要となり、ガス供給系統を簡略化することができる。またガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火し、その火炎で主推進薬を着火するので、着火が確実にできる。

また、前記噴射器本体は、燃焼室と連通し、かつ酸化剤分岐流路に近接したアコースティックキャビティを有し、これにより、キャビティ内に燃焼室で発生した燃焼ガスの一部が流入し、酸化剤分岐流路近傍を加熱し、酸化剤分岐流路を流れる液体酸化剤のガス化を促進する。

この構成により、一旦燃焼室で燃焼ガスが発生すると、その一部がアコースティックキャビティ内に流入し、酸化剤分岐流路近傍を加熱し、酸化剤分岐流路を流れる液体酸化剤のガス化を促進するので、再点火および再着火が一層確実にできる。

前記アコースティックキャビティは、点火室を囲んで配置され周方向に延びる複数の円弧状の空洞であり、前記酸化剤分岐流路は、隣接する円弧状の空洞の間をほぼ半径方向に延びる複数の細長い流路である。

この構成により、複数の円弧状の空洞内に燃焼室で発生した燃焼ガスの一部が流入し、その間をほぼ半径方向に延びる細長い流路を加熱し、内部を流れる液体酸化剤のガス化を促進することができる。

本発明の上述した構成により、着火のためだけの点火器ラインが不要となり、供給系の系統が極めて簡素化でき、かつ着火及び再着火が確実にできる。また、点火器の点火と主推進薬の着火がほぼ同時に起こるため、応答性を高めることができる。従って、今まで困難であった姿勢制御用エンジンへの非自発着火性推進薬の適用が可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

図１は、本発明の点火器一体型燃料噴射器の全体斜視図である。本発明の点火器一体型燃料噴射器は、極低温の液体酸化剤と液体燃料を主推進薬とする。液体燃料は、例えば液体水素、エタノールまたは少なくとも常温で液体の燃料を用いる。液体酸化剤は、例えば沸点９０Ｋの液体酸素、または１００Ｋ以下の極低温で液体である酸化剤を用いる。以下、図中において、液体燃料と液体酸化剤をそれぞれＬＦとＬＯで示し、ガス化した液体燃料と液体酸化剤をそれぞれＦとＯで示す。

図１に示すように、本発明の点火器一体型燃料噴射器１０は、液体燃料ポート１２、液体酸化剤ポート１４および点火プラグ取付口１６を有する噴射器本体２０を備える。この例において、噴射器本体２０は、肉厚大径の円板状部材２０Ａと薄肉小径の円板状部材２０Ｂとからなる。円板状部材２０Ａ、２０Ｂは、この例ではロー付け等で接合部を気密にして一体化されている。なお、円板状部材２０Ａ、２０Ｂを耐熱性シール材を用いて分離可能に構成してもよく、或いは精密鋳造等で全体を一体に製造してもよい。

肉厚大径の円板状部材２０Ａの外周部には、この例では複数の雌ネジ穴が設けられ、この穴に螺合するボルトにより、中空円筒形の燃焼管（図３の１８）が円板状部材２０Ｂ側に取り付けられ、その内側に燃焼室１を形成するようになっている。
液体燃料ポート１２、液体酸化剤ポート１４および点火プラグ取付口１６は、肉厚大径の円板状部材２０Ａの外側（燃焼室の反対側）に設けられる。この例では点火プラグ取付口１６が中心に位置し、液体燃料ポート１２と液体酸化剤ポート１４は中心から僅かに離れたところに位置する。

薄肉小径の円板状部材２０Ｂには、中心に点火プラグ２と連通する貫通穴２１が設けられ、そのまわりに液体燃料と液体酸化剤を噴射する液体燃料噴射孔２２ｆおよび液体酸化剤噴射孔２２ｏが軸心を中心に複数設けられている。この例では、外側に二重の液体燃料噴射孔２２ｆが設けられ、その内側に一重の液体酸化剤噴射孔２２ｏが設けられている。
また、中心の貫通孔２１と内側の液体酸化剤噴射孔２２ｏとの間に、後述するアコースティックキャビティ３０が、３つの円弧状の空洞として示されている。

図２は本発明の点火器一体型燃料噴射器を燃焼室側から見た正面図であり、図３は図２のＡ-Ａ線における断面図である。また、図４は図３の主要部拡大図である。

図４に示すように、噴射器本体２０は、点火プラグ２のまわりにガス化した燃料と酸化剤を供給するガス燃料噴射孔３２ｆおよびガス酸化剤噴射孔３２ｏと、これらのガス燃料噴射孔３２ｆおよびガス酸化剤噴射孔３２ｏに主推進薬と同じ供給系統から液体燃料ＬＦと液体酸化剤ＬＯを分岐して供給する燃料分岐流路２４ｆおよび酸化剤分岐流路２４ｏとを有する。
この図において、ガス燃料噴射孔３２ｆは、貫通穴２１を囲む円板状部材２０Ａ、２０Ｂの接合部分に設けられた環状ガスチャンバー２５ｆと燃料室の中心部分を連通する貫通孔である。また、ガス酸化剤噴射孔３２ｏは、プラグ取付部材１７と噴射器本体２０の間に設けられた環状ガスチャンバー２５ｏとプラグを囲む部分とを連通する貫通孔である。

また、噴射器本体２０は、液体燃料流路２６ｆおよび液体酸化剤流路２６ｏと点火室２７を有する。液体燃料流路２６ｆは、液体燃料ポート１２と液体燃料噴射孔２２ｆを連通し、液体燃料を液体燃料噴射孔２２ｆを介して燃焼室内に噴射する。液体酸化剤流路２６ｏは、液体酸化剤ポート１４と液体酸化剤噴射孔２２ｏを連通し、液体酸化剤を液体酸化剤噴射孔２２ｏを介して燃焼室内に噴射する。別々に燃焼室に噴射された液体燃料と液体酸化剤は、ガス化しながら混合し、可燃性の混合ガスを形成する。

点火室２７は、点火プラグ２が取付けられ、かつ燃焼室１と貫通穴２１を介して連通する中空円筒形の空間である。この点火室２７内でガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火プラグ２で点火するようになっている。
この点火室２７の内壁には、上述したガス酸化剤噴射孔３２ｏが設けられている。また、上述したガス燃料噴射孔３２ｆは、点火室２７の出口付近に設けられている。

さらに噴射器本体２０は、点火時の本体温度（例えば常温）において、酸化剤分岐流路２４ｏを流れる少量の液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するのに十分な熱容量を有している。

また、噴射器本体２０は、図３に示すように燃焼室と連通し、かつ酸化剤分岐流路に近接したアコースティックキャビティ３０を有する。
このアコースティックキャビティ３０は、図２に示すように、中心の点火室を囲んで配置され周方向に延びる複数（この図では３つ）の円弧状の空洞である。また、酸化剤分岐流路２４ｏは、隣接する円弧状の空洞３０の間をほぼ半径方向に延びる複数（この図では３本）の細長い流路である。酸化剤分岐流路２４ｏの直径は、点火に必要十分な少量を流すように、設定されている。

上述した構成により、噴射器本体が、点火時の本体温度において酸化剤分岐流路を流れる少量の液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するのに十分な熱容量を有するので、酸化剤分岐流路を介して液体酸化剤流路から少量の液体酸化剤を分岐して点火室まで供給する過程で、液体酸化剤を流路の顕熱でガス化できる。従って、ガス化した燃料と酸化剤を供給する点火器ラインが不要となり、ガス供給系統を簡略化することができる。またガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火し、その火炎で主推進薬を着火するので、着火が確実にできる。
またガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火し、点火プラグの作動と同時に主推進薬を噴射し、中心近傍に火炎を形成し、全体に火炎を伝搬させ定常燃焼に移行するので、着火が確実にでき、かつ点火から主推進薬の着火までのタイムラグをなくし、応答性を高めることができる。

更に、酸化剤分岐流路に近接したアコースティックキャビティ（複数の円弧状の空洞）内に燃焼室で発生した燃焼ガスの一部が流入し、その間をほぼ半径方向に延びる細長い流路を加熱し、内部を流れる液体酸化剤のガス化を促進するので、再点火および再着火が一層確実にできる。

図５は、本発明の燃料噴射器の応答性試験結果であり、一定時間のインパルスの繰り返しを示している。また、図６は、本発明の燃料噴射器の別の応答性試験結果であり、長秒時燃焼後にパルス運転を行った結果を示している。なお、各図において、横軸は時間、縦軸は燃焼圧力である。

図５と図６から、本発明の装置により、着火及び再着火が確実に行われており、かつ液体酸素のガス化が確実に行われていることを確認できた。
また、図６から十分燃焼させることで、インジェクタが冷えていても再着火が可能であることが検証された。つまり、（１）液体酸素のガス化機構が計画通りに機能し、従来の点火器ラインが無くても安定して作動できかつ再着火できるということと、（２）定常運転により液体酸素が流れ続ける場合に、液体酸素により噴射器本体２０が冷却されるが、アコースティックキャビティの存在により、噴射器本体２０の過度の冷却を防止し着火及び再着火を確実にできることが確認された。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の点火器一体型燃料噴射器の全体斜視図である。本発明の点火器一体型燃料噴射器を燃焼室側から見た正面図である。図２のＡ-Ａ線における断面図である。図３の主要部拡大図である。本発明の燃料噴射器の応答性試験結果である。本発明の燃料噴射器の別の応答性試験結果である。非特許文献１の液水／液酸エンジンの模式図である。特許文献１の「ロケットエンジン用点火システム」の模式図である。特許文献２の「液体燃料エンジン用イグナイタ」の模式図である。従来の一般的な燃料噴射器の模式図である。

符号の説明

１燃焼室、２点火プラグ、１０点火器一体型燃料噴射器、
１２液体燃料ポート、１４液体酸化剤ポート、
１６点火プラグ取付口、１７プラグ取付部材、１８燃焼管、
２０噴射器本体、２０Ａ、２０Ｂ円板状部材、２１貫通穴、
２２ｆ液体燃料噴射孔、２２ｏ液体酸化剤噴射孔、
２４ｆ燃料分岐流路、２４ｏ酸化剤分岐流路、
２５ｆ、２５ｏ環状ガスチャンバー
２６ｆ液体燃料流路、２６ｏ液体酸化剤流路、
２７点火室、３０アコースティックキャビティ
３２ｆガス燃料噴射孔、３２ｏガス酸化剤噴射孔

Claims

極低温の液体酸化剤と液体燃料を主推進薬とする点火器一体型燃料噴射器であって、液体燃料ポート、液体酸化剤ポートおよび点火プラグ取付口を有する噴射器本体を備え、
該噴射器本体は、点火プラグのまわりにガス化した燃料と酸化剤を噴射するガス燃料噴射孔およびガス酸化剤噴射孔と、該ガス燃料噴射孔およびガス酸化剤噴射孔に主推進薬と同じ供給系統から液体燃料と液体酸化剤を分岐して供給する燃料分岐流路および酸化剤分岐流路とを有し、分岐した液体燃料と液体酸化剤を流路の顕熱でガス化し、点火プラグの作動と同時に主推進薬を噴射し、中心近傍に点火火炎を形成し、主推進薬全体に火炎を伝搬させ定常燃焼に移行する、ことを特徴とする液体燃料と液体酸化剤を用いる点火器一体型燃料噴射器。
前記噴射器本体は、液体燃料と液体酸化剤を別々に燃焼室に供給する液体燃料流路および液体酸化剤流路と、点火プラグが取付けられ燃焼室と連通しガス化した燃料と酸化剤の混合ガスに点火するための点火室とを有し、かつ前記噴射器本体は、点火時の本体温度において酸化剤分岐流路を流れる少量の液体酸化剤を流路の顕熱でガス化するのに十分な熱容量を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の点火器一体型燃料噴射器。
前記噴射器本体は、燃焼室と連通し、かつ酸化剤分岐流路に近接したアコースティックキャビティを有し、これにより、キャビティ内に燃焼室で発生した燃焼ガスの一部が流入し、酸化剤分岐流路近傍を加熱し、酸化剤分岐流路を流れる液体酸化剤のガス化を促進する、ことを特徴とする請求項１に記載の点火器一体型燃料噴射器。
前記アコースティックキャビティは、点火室を囲んで配置され周方向に延びる複数の円弧状の空洞であり、前記酸化剤分岐流路は、隣接する円弧状の空洞の間をほぼ半径方向に延びる複数の細長い流路である、ことを特徴とする請求項３に記載の点火器一体型燃料噴射器。