JP4465485B2 - ロケットエンジン用ノズルの製造方法及びロケットエンジン用ノズル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動する冷却剤によって再生冷却されるロケットエンジン用ノズルの製造方法及び、スパイラル状複合構造の形態に形成され冷却剤が貫流可能な管状材料を有するノズル本体を有する再生冷却可能なロケットエンジン用ノズルに関する。
【0002】
【従来の技術】
ロケットエンジン用ノズルは過酷な熱負荷を受ける部品であり、それ故ロケットエンジンの作動中の該ノズルの安定性を保証するために特別の措置が取られなければならない。可能なこの措置の一つとして、圧力下でノズル本体を通して導かれる冷却剤によるノズルの再生冷却がある。液体プロペラントロケットの場合、燃料成分の一つが冷却剤となりうる。それ故、例えば燃料として水素を使用するロケットエンジンの場合、燃焼室に水素を供給する前に、ノズルを冷却するために、この水素がノズル本体を通して導かれる。当然ロケットエンジンにおいては、付加重量を減らすことが相当に重要であるので、少ない重量で高強度を有するように再生ノズルを製造する努力がされている。
【0003】
DE4326338C2では、流動する冷却剤によって再生冷却されるロケットエンジン用ノズルが開示されており、このノズルにおいてはノズル本体が、ノズルの作動中に冷却剤が貫流可能な管状材料を巻心にスパイラル状複合構造の形態に巻き付けることによって製造され、前記巻き付けたスパイラル状複合構造の「低温"kalten"」外側で管同士を溶接することによって安定化せしめられる。この場合、方形断面を有する管状材料が使用され、その結果ノズル本体を形成するスパイラル状複合構造の内側は本質的に平滑な表面を有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、DE4326338C2では、管状材料のみで負荷支持構造を構成することになるため、スパイラル状複合構造の内側に平滑な表面を構成するには限界がある。また、管状材料を溶接しているため、時間と費用を要し、さらには、材料を弱めるおそれがある。
【0005】
本発明は、流動する冷却剤によって再生冷却される、ロケットエンジン用ノズルの改良された製造方法及び流動する冷却剤によって再生冷却される、改良された特徴を備えるロケットエンジン用ノズルを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の製造方法に関する課題は請求項1に記載の方法によって解決される。本発明による方法の有利な実施の態様は請求項1に従属する下位の請求項に示される。
【0007】
即ち、本発明により、『流動する冷却剤によって再生冷却されるロケットエンジン用ノズルの製造方法であって、
・ ノズルの作動中に冷却剤が貫流可能な管状材料を、スパイラル状複合構造の形態に巻心に巻き付けることによってノズル本体を製造する過程と、
・ 前記スパイラル状複合構造を一体に固定させる過程と、
・ 前記固定させたスパイラル状複合構造を巻心から取り除く過程と、
・ ノズル本体の熱ガス側を形成する、前記固定させたスパイラル状複合構造の表面に耐熱性負荷支持層を付着する過程とからなることを特徴とするロケットエンジン用ノズルの製造方法。』が提供される。
【0008】
本発明によるロケットエンジン用ノズルの製造方法の本質的な利点は、非常に軽量な構造に製造されたノズルが冷却剤の圧力に耐え、ノズル本体の熱ガス側の平滑な表面が保証されることである。
【0009】
負荷支持層の付着はスプレー(吹き付け)塗装法によって有利に行われる。
【0010】
負荷支持層の付着を高速酸素燃料法(HVOF=High-Velocity-Oxigen-Fuel Verfahren) による溶射によって行われると特に有利である。この高速酸素燃料法の利点は、多孔性が低く、酸素含有量の低い安定した負荷支持層を作製することができるということである。
【0011】
または、負荷支持層の付着は真空プラズマスプレー(溶射)によって行うことができる。
【0012】
または、負荷支持層の付着は冷間ガススプレーによって行うことができる。
【0013】
本発明による方法の特に有利な実施の態様では、スパイラル状複合構造の固定が、管状材料を巻心に巻き付けた後、該スパイラル状複合構造の外側に剥離可能な固定層を付着させることによって行われる。この方法の利点は、管状材料の溶接のように時間を要したり、費用を要したり、或いは材料を弱めることなく、簡単な方法でスパイラル状複合構造の固定を行うことである。
【0014】
この固定層は、前記管状材料にスプレー(吹き付け)塗装することによって有利に形成される。
【0015】
固定層は水可溶合金により有利に形成される。
【0016】
格別優れた利点は、水可溶合金がアクアロイ(AQUALLOY)合金からなることである。
【0017】
択一的には、前記固定層をギプス材料によって形成することができる。
【0018】
または、前記固定層を低溶融金属又は低溶融合金によって形成することができる。
【0019】
好ましくは、前記固定層を、前記負荷支持層を作製後に剥離することができる。
【0020】
さらなる改良として、負荷支持層の付着後に、前記負荷支持層の表面平滑性を高めるために後加工を行うことができる。これによって、負荷支持層の付着後既に高い平滑性を有する熱ガス壁表面をその表面仕上げに関して更に向上させることができる。
【0021】
さらなる改良として、接続用フランジ領域を作りだすために、スパイラル状複合構造の外側の端部領域に別の耐熱性負荷支持層を付着することができる。この方法の利点は、ノズル本体を燃焼室にフランジを介して接続するための領域或いは集合体をノズル本体にフランジを介して接続するための領域を簡単に且つ安いコストでつくり出すことができることである。
【0022】
好ましくは、固定層を剥離した後、前記別の負荷支持層がスパイラル状複合構造に付着せしめられるとよい。
【0023】
さらなる改良として、負荷支持層の形成後にスパイラル状複合構造の焼なまし処理が行われる。
【0024】
好ましくは、スパイラル状複合構造の巻き付け形成に使用する管状材料は、方形断面、特に正方形断面を有するとよい。
【0025】
さらなる改良として、負荷支持層の形成後に、スパイラル状複合構造の外側に管状材料の脹らみを生ぜしめるように、管状材料内に高圧媒体を導入することによってスパイラル状複合構造を外方へ押しやること(Abdruecken) が行われる。これによって管状材料は、ノズルの作動中さらに塑性変形をすることなく高圧にも耐える形にされる。
【0026】
また、上記のノズルに関する課題は請求項19に開示されたロケットエンジン用ノズルによって解決される。
【0027】
本発明によるノズルの有利な実施の態様は請求項19に従属する下位の請求項に記載のことを特徴とする。
【0028】
即ち、本発明によって、流動する冷却剤によって再生冷却可能なロケットエンジン用のノズルが作られる。このノズルは、スパイラル状複合構造の形態の、冷却剤が貫流可能な管状材料を有するノズル本体を含む。本発明において、このノズルは、ノズル本体の熱ガス側を形成する前記スパイラル状複合構造の表面に付着された耐熱性負荷支持層を有する。
【0029】
本発明のノズルの利点は、このノズルが、非常に軽量な構造であるが、高い冷却剤の圧力に耐えることである。さらに、ノズル本体が平滑な熱ガス側壁面を持つという利点を有する。
【0030】
さらなる改良として、スパイラル状複合構造の外側の端部領域に、別の負荷支持層の形態の接続用フランジ領域が備えられる。これによって、ノズル本体を簡単に燃焼室の構造に接続したり、或いはロケットエンジンの集合体をノズル本体にフランジを介して接続することができる。
【0031】
好ましくは、スパイラル状複合構造は方形断面、特に正方形断面を有する管状材料で構成されるとよい。
【0032】
好ましくは管状材料が、スパイラル状複合構造の外側に脹らみを有する輪郭となっているとよい。
【0033】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、流動する冷却剤によって再生冷却可能な、ロケットエンジン用のノズルの概略側面図である。全体を符号1で示すロケットエンジンの構成部分であるノズル2が、その上側に燃焼室4を備えるノズル本体3を有している。燃焼室4には混合システム10が備えられ、この混合システムには燃料供給管11を介して燃料が供給され、酸化剤供給管12を介して酸化剤が供給される。燃料は例えば液体水素であり、酸化剤は例えば液体酸素である。さらに冷却剤供給管13と冷却剤排出管14を備える。符号Kで示すノズル本体3の部分は、冷却剤供給管13を介して供給され、冷却剤排出管14を介して排出される冷却剤によって再生冷却可能である。冷却剤として例えばロケットエンジンの作動用に備えられた液体燃料を利用することができる。この液体燃料は、相当に性能のよい、高い圧力と高い流量を生ぜしめることができるポンプ装置(図1には示されていない)によって冷却剤供給管13を介してノズル本体3の冷却可能な部分Kに供給され、冷却剤排出管14から燃料供給管11に送られる。なお、15は排気ガス流である。
【0034】
図2は、ノズル2のノズル本体3の冷却可能な領域Kの断面図である。ノズル本体3の内壁は、簡略化するために管状体の一部分として図示されている。図示のように、ノズル本体3はスパイラル状複合構造5を有し、この構造は管状材料6を巻き付けることによって作られるものである。図示のように、管状材料6の個々の管は方形断面を有する。スパイラル状複合構造5は管状材料6を巻心に巻き付けることによって作られる。管状材料6としては、例えば、ニッケル系合金(例えば商品名インコネル600)を使用することができる。
【0035】
図3a)乃至c)は図2においてAで示す部分の拡大断面図である。その場合において図3a)乃至c)は本発明の実施形態による製造方法の各過程を示す。
【0036】
図3a)に示すようにスパイラル状複合構造5は方形断面の管状材料6によって形成される。その場合において、管6は側長Dと壁厚dを有する。スパイラル状複合構造5は既に述べたように管状材料6を巻心に巻き付けることによって製造される。スパイラル状複合構造5を巻き付けた後、このスパイラル状複合構造5は剥離可能な固定層8をスパイラル状複合構造5の外側に付着することによって固定される。固定層8の厚さmは数ミリメーターとすることができる。固定層8は層材料を吹き付け塗装(Aufspritzen)することによって形成され、前記実施形態においては固定層8は、名称「アクアロイ(AQUALLOY)合金」で知られた水可溶合金からなる。スパイラル状複合構造5は固定層8を付着することによって、スパイラル状複合構造を一体部品として巻心から取り外すことができる程度に、固定される。
【0037】
固定されたスパイラル状複合構造5を巻心から取り外した後、後にノズル本体3の内側に位置する熱ガス側Hを構成する、スパイラル状複合構造5の内側が露出せしめられる。次に、ノズル本体3の熱ガス側Hを構成する固定されたスパイラル状複合構造5の表面の上に、図3b)に示すように、耐熱性負荷支持層9が付着せしめられる。この負荷支持層9は典型的に管状部分6の壁厚dよりも大きい厚さnを有する。負荷支持層9は、例えば特殊鋼合金(例えば商品名316L)で構成することができる。
【0038】
負荷支持層9の付着は好ましくはスプレー塗装法(Spritzverfahren)によって行われ、その場合において特に高速酸素燃料法(高速溶射法)による溶射(thermisches Spritzen) が推奨される。高速酸素燃料法(HVOF)によってより少ない有孔性とより少ない酸素含有量の金属層を溶射によって製造することが可能である。前記金属層は製造を適当に管理することにより安定した負荷支持層として製造される。好ましくは、高速酸素燃料法として、DE19520885C1に記載の出願人の特許「金属合金層または金属層の溶射方法及びその利用」が利用される。この方法によれば、サブストレートに、金属又は金属合金(例えば特殊鋼合金)からなるスプレー粉末を衝突させるとき、スプレー粉末の少なくとも60重量%、特に90重量%の部分が、金属又は金属合金の固相線温度と液相線温度の間の温度で溶射が行われると、製造後に、典型的に1容量%以下のより少ない有孔性と典型的に1重量%以下のより少ない酸素含有量を有する金属層が生ぜしめられる。この使用される方法の更なる詳細に関しては、ここで引用された上記特許公報の内容に示されている。
【0039】
負荷支持層9の製造後に、固定層8が、スパイラル状複合構造5から取り外され、図3c)に示すようにスパイラル状複合構造5はその内側に負荷支持層9を担持しこの負荷支持層によって安定化せしめられる。
【0040】
図3c)に点線で示すように、ノズル本体3を燃焼室構造内に固定するのに、又は集合体をノズル本体3に取り付けのに役立つ接続用フランジ領域を作るために、端部領域においてスパイラル状複合構造5の外側に負荷支持層9に似た別の耐熱性負荷支持層7を付着することができる。明らかなようにこのような別の負荷支持層7は固定層8を剥離した後、スパイラル状複合構造5上の相応の領域に付着される。負荷支持層7も、例えば特殊鋼合金(例えば商品名316L)で構成することができる。
【0041】
負荷支持層9を取り付けた後、ノズル内の流れ状況を更に改善するために負荷支持層9の既に良好な平滑性を更に高めるべく、負荷支持層を平滑にするための後加工が行われる。更に負荷支持層9または9,7の製造後に、焼きなましによる金属質の調整をするために、スパイラル状複合構造5の焼きなまし処理が行われる。
【0042】
図4a)及びb)は異なる大きさでノズル本体3を形成するスパイラル状複合構造5の断面図を示す。図4a)に示すように、スパイラル状複合構造5の熱ガス側Hに負荷支持層9が付着せしめられている。
【0043】
負荷支持層9の製造後に管状材料6内に高圧媒体を導入することによってスパイラル状複合構造5の押しつぶし(Abdruecken) が行われる。これによって図4b)に示すようにスパイラル状複合構造5の外側Aに管状材料6の輪郭の脹らみ16が生ずる。これによって管状材料6は後のロケットエンジンの作動中に管状材料6内を流れる冷却剤の高圧にも耐え、更なる塑性変形を生ぜしめることはない。
【0044】
選択的に、スパイラル状複合構造5を安定化するために、固定層8を水可溶合金から製造する代わりに、石膏材料又は低溶融金属若しくは低融解性合金で形成しても、負荷支持層に付着した後、固定層8を取り外すことができる。
【0045】
更に負荷支持層9を溶射によって製造する代わりに、この負荷支持層を真空プラズマスプレー(Vakuum-Plasmaspritzen)又は冷間ガススプレー(Kaltgasspritzen)によっても製造することができる。
【0046】
本発明によって、流動する冷却剤によって再生冷却可能な、ロケットエンジン用ノズルがつくられる。ノズル(図1参照)は、冷却剤が貫流可能な管状材料6からなる(図2参照)、ノズル本体3を有する。ノズル本体3の熱ガス側Hを形成する、スパイラル状複合構造5の表面に耐熱性負荷支持層9が付着される(図3c参照)。
【0047】
スパイラル状複合構造5の外側の端部領域tに別の負荷支持層7の形態の接続用フランジ領域を設けることができる(図3c参照)。
【0048】
スパイラル状複合構造5は方形断面、特に正方形断面を有する管状材料6からなる。
【0049】
管状材料6の輪郭はスパイラル状複合構造5の外側に脹らみ16を有する。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノズルが、非常に軽量な構造に製造され、且つ冷却剤の圧力に耐え、さらには、ノズル本体の熱ガス側の平滑な表面を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のロケットエンジン用ノズルの実施形態の概略側面図である。
【図2】本発明のロケットエンジン用ノズルの実施形態の部分断面図である。
【図3】(a)ないし(c)は、流動する冷却剤によって再生冷却される本発明のロケットエンジン用ノズルの実施形態の製造方法を示しており、(b)は図2のAで示す部分の拡大図である。
【図4】(a)及び(b)は、本発明の方法によってノズル本体を製造するのに利用される管状材料を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
1 ロケットエンジン
2 ノズル
3 ノズル本体
4 燃焼室
5 スパイラル状複合構造
6 管状材料
7 負荷支持層
8 固定層
9 負荷支持層
10 混合システム
11 燃料供給管
12 酸化剤供給管
13 冷却剤供給管
14 冷却剤排出管
15 排気ガス流
16 脹らみ
Claims (22)
- 流動する冷却剤によって再生冷却されるロケットエンジン用ノズルの製造方法であって、
・ 前記ノズルの作動中に冷却剤が貫流可能な管状材料(6)を、スパイラル状複合構造(5)の形態に巻心に巻き付けることによってノズル本体(3)を造る過程と、
・ 前記スパイラル状複合構造(5)を一体に固定させる過程と、
・ 前記固定させたスパイラル状複合構造(5)を巻心から取り除く過程と、
・ ノズル本体(3)の熱ガス側(H)を形成する、前記固定させたスパイラル状複合構造(5)の表面に耐熱性負荷支持層(9)を付着する過程とからなることを特徴とするロケットエンジン用ノズルの製造方法。 - 前記負荷支持層(9)の付着をスプレー塗装法によって行うことを特徴とする請求項1に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記負荷支持層(9)の付着を高速酸素燃料法による溶射によって行うことを特徴とする請求項2に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記負荷支持層(9)の付着を真空プラズマスプレーによって行うことを特徴とする請求項2に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記負荷支持層(9)の付着を冷間ガススプレーによって行うことを特徴とする請求項2に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記スパイラル状複合構造(5)の固定を、前記管状材料を、巻心に巻き付けた後、該スパイラル状複合構造(5)の外側(A)に取り外し可能な固定層(8)を付着させることによって行うことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を前記管状材料にスプレー塗装することによって形成することを特徴とする請求項6に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を水可溶合金によって形成することを特徴とする請求項6又は7に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記水可溶合金がアクアロイ(AQUALLOY)合金であることを特徴とする請求項8に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を石膏材料によって形成することを特徴とする請求項6又は7に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を低溶融金属又は低溶融合金によって形成することを特徴とする請求項6又は7に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を前記負荷支持層(9)を造った後に剥離することを特徴とする請求項6乃至11の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記スパイラル状複合構造(5)の外側の端部領域に別の耐熱性負荷支持層(7)を付着させ、接続用フランジ領域を作りだすことを特徴とする請求項1乃至12の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記固定層(8)を前記負荷支持層(9)を造った後に剥離した後、別の負荷支持層(7)を付着させることを特徴とする請求項13に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記負荷支持層(9)の付着後に、前記負荷支持層の表面平滑性を高めるために後加工を行うことを特徴とする請求項1乃至14の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 負荷支持層(9、7)の形成後にスパイラル状複合構造(5)の焼なまし処理を行うことを特徴とする請求項1乃至15の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記スパイラル状複合構造(5)の巻き付け形成に使用する管状材料(6)が方形断面、または正方形断面を有することを特徴とする請求項1乃至16の何れか一項に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- 前記負荷支持層(9、7)の形成後に、スパイラル状複合構造(5)の外側に管状材料(6)の脹らみ(16)を生ぜしめるように、前記管状材料(6)内に高圧媒体を導入することによって前記スパイラル状複合構造(5)を外方へ押しやることが行われることを特徴とする請求項17に記載のロケットエンジン用ノズルの製造方法。
- スパイラル状複合構造(5)の形態の、冷却剤が貫流可能な管状材料(6)からなるノズル本体(3)を備える、流動する冷却剤により冷却可能なロケットエンジン用ノズルであって、ノズル本体(3)の熱ガス側(H)を形成するスパイラル状複合構造(5)の表面に付着された耐熱性負荷支持層(9)を有することを特徴とするロケットエンジン用ノズル。
- 前記スパイラル状複合構造(5)の外側の端部領域に、別の負荷支持層(7)の形態の接続用フランジ領域を備えることを特徴とする請求項19に記載のロケットエンジン用ノズル。
- 前記スパイラル状複合構造(5)が方形断面、または正方形断面の管状材料(6)で形成されていることを特徴とする請求項19又は20に記載のロケットエンジン用ノズル。
- 前記管状材料(6)の輪郭が前記スパイラル状複合構造(5)の外側の脹らみ(16)を含むことを特徴とする請求項21に記載のロケットエンジン用ノズル。
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