JP4672747B2 - ロケットノズル及びロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロケットノズル及びロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法に関する。

図１は、ロケットノズルとしてのベル型ノズル１００Ａを示す。スロート１０１Ａにおける流路断面積をＡｔ、ノズル出口１０２Ａにおける流路断面積をＡ１とすると、ベル型ノズル１００Ａの膨張比ｅＡは、Ａ１とＡｔの比（Ａ１／Ａｔ）で表される。図２は、ロケットノズルとしてのベル型ノズル１００Ｂを示す。スロート１０１Ｂにおける流路断面積をＡｔ、ノズル出口１０２Ｂにおける流路断面積をＡ２とすると、ベル型ノズル１００Ｂの膨張比ｅＢは、比（Ａ２／Ａｔ）で表される。ここで、Ａ２＞Ａ１であり、したがって、ｅＢ＞ｅＡである。

ロケットノズルの性能を表す比推力が知られている。比推力は、膨張比とロケットノズル周囲の大気圧力とにより異なる。したがって、比推力はロケットの上昇中に変化する。

図３は、比推力の高度に対する変化を示すグラフである。グラフの縦軸は比推力であり、横軸は高度である。性能曲線１２１は、ベル型ノズル１００Ａの比推力の高度に対する変化を示す。性能曲線１２２は、ベル型ノズル１００Ｂの比推力の高度に対する変化を示す。

性能曲線１２１及び性能曲線１２２は、ある高度で交わる。この交わる高度より低い高度ではベル型ノズル１００Ａの比推力がベル型ノズル１００Ｂの比推力より大きく、この交わる高度より高い高度ではベル型ノズル１００Ｂの比推力がベル型ノズル１００Ａの比推力より大きい。

ロケットノズルの膨張比をロケットの上昇中に変化させることができれば、広い高度範囲にわたってロケットノズルの比推力を高く保つことが可能である。

図４は、ロケットノズルとしてのデュアルベルノズル１１０を示す。デュアルベルノズル１１０は、スロート１１１から変曲点（インフレクションポイント）１１２までの部分としての第１段ノズル１１５と、変曲点１１２からノズル出口１１３までの部分としての第２段ノズル１１６を備える。第１段ノズル１１５及び第２段ノズル１１６の各々は、ベル形状を有している。ここで、スロート１１１における流路断面積がＡｔ、変曲点１１２における流路断面積がＡ１、ノズル出口１１３における流路断面積がＡ２で表される。

図５に示すように。デュアルベルノズル１１０の周囲の大気圧力が高い場合、燃焼ガスが形成する流れは、変曲点１１２においてデュアルベルノズル１１０の内壁面から剥離する。以下、このような流れを低膨張流れと呼ぶ。低膨張流れの状態におけるデュアルベルノズル１１０の膨張比は、ベル型ノズル１００Ａの膨張比にほぼ一致する。

図６に示すように。デュアルベルノズル１１０の周囲の大気圧力が低い場合、燃焼ガスが形成する流れは、ノズル出口１１３においてデュアルベルノズル１１０の内壁面から剥離する。以下、このような流れを高膨張流れと呼ぶ。高膨張流れの状態におけるデュアルベルノズル１１０の膨張比は、ベル型ノズル１００Ｂの膨張比にほぼ一致する。

図３を参照して、性能曲線１２１と性能曲線１２２の交点の高度において、デュアルベルノズル１１０における燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態から高膨張流れの状態に遷移することが理想的である。性能曲線１２１と性能曲線１２２の交点を理想的な遷移ポイント１２０という。しかし、非特許文献１に記載されているように、理想的な遷移ポイント１２０の高度よりもずっと低い高度でデュアルベルノズル１１０における燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態から高膨張流れの状態に遷移することが知られている。そのため、デュアルベルノズル１１０の比推力の高度に対する変化は、性能曲線１２３のようになる。

デュアルベルノズル１１０における燃焼ガスの流れの状態が理想的な遷移ポイント１２０よりもずっと低い高度で遷移するため、遷移の際にデュアルベルノズル１１０の比推力が低下する。この比推力の低下幅は、遷移が起こる高度が低いほど大きい。加えて、遷移直後の高度が低い場合には、燃焼ガスの流れがノズル出口１１３より手前で第２段ノズル１１６の内壁面から剥離しやすいため、振動が大きくなる。

Ｇ．Ｈａｇｅｍａｎｎ， Ｍ．Ｆｒｅｙ， Ｄ．Ｍａｎｓｋｉ， 「Ａ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｕａｌ−Ｂｅｌｌ Ｎｏｚｚｌｅｓ」， １９９７年

本発明の目的は、燃焼ガスの流れの状態の遷移が適切に行われるロケットノズル及びロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法を提供することである。

以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるロケットノズルは、デュアルベルノズル（１０）と、上記デュアルベルノズルに囲まれた空間（８０）にガスを導入するガス導入部（４０Ａ〜４０Ｄ）とを具備する。上記空間を燃焼ガスが流れる。上記デュアルベルノズルは、上記空間の上流側部分（８１）を囲むベル形状の第１段ノズル（２０）と、上記空間の下流側部分（８２）を囲むベル形状の第２段ノズル（３０）を備える。上記デュアルベルノズルは、上記第１段ノズルと上記第２段ノズルの間に変曲点（１２）を有する。上記ガス導入部は、上記第１段ノズルの第１内壁面に設けられた第１ガス導入口（４５、６３）を備える。上記第１ガス導入口から上記空間に上記ガスが導入される。

ターボポンプ（４、５）を駆動した後のタービン排ガスが上記ガスとして用いられることが好ましい。

上記第１ガス導入口は、上記ガスを上記第１内壁面に沿ってフィルム状に噴き出すことが好ましい。

上記ガス導入部は、上記第１段ノズルの周囲に設けられた第１マニホールド（４２）と、上記第１マニホールドと上記第１導入口とを接続する第１通路（４３）とを備えることが好ましい。上記第１通路は、上記導入口に近づくにしたがって流路断面積が減少する部分（４４）を備える。上記タービン排ガスは、上記ターボポンプから上記マニホールドに流入し、上記第１通路を通って上記第１導入口へ流れる。

上記ガス導入部は、上記ターボポンプと上記第１マニホールドとを接続する配管（４１）と、上記配管から分岐する排気管（４６）と、上記排気管に設けられたバルブ（４７）を具備することが好ましい。

上記バルブは、上記ロケットノズルを備えたロケットの高度に基づいて動作することが好ましい。

上記ガス導入部は、上記第２段ノズルの第２内壁面に設けられた第２ガス導入口（５５）と、三方弁（５１）とを備えることが好ましい。上記第１ガス導入口、上記第２ガス導入口、及び上記ターボポンプの各々は、上記三方弁に接続される。上記第２ガス導入口は、上記タービン排ガスを上記第２内壁面に沿ってフィルム状に噴き出す。

上記三方弁は、上記ロケットノズルを備えたロケットの高度に基づいて、上記第１ガス導入口及び上記第２ガス導入口の間で切り替えて上記ターボポンプに接続することが好ましい。

空気が上記ガスとして用いられることが好ましい。

上記ガス導入部は、上記第１段ノズルの外壁面に設けられた空気取入口（６２）と、上記空気取入口と上記第１ガス導入口とを接続する空気通路（６１）と、上記空気取入口を開閉するスライド体（６４）とを備えることが好ましい。

本発明によるロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法は、デュアルベルノズル（１０）に囲まれた空間（８０）にガスを導入するステップを具備する。上記空間を燃焼ガスが流れる。上記デュアルベルノズルは、上記空間の上流側部分（８１）を囲むベル形状の第１段ノズル（２０）と、上記空間の下流側部分（８２）を囲むベル形状の第２段ノズル（３０）を備える。上記デュアルベルノズルは、上記第１段ノズルと上記第２段ノズルの間に変曲点（１２）を有する。上記ガスを導入するステップにおいて、上記第１段ノズルの第１内壁面に設けられた第１ガス導入口（４５、６３）から上記空間に上記ガスを導入する。

上記ガスを導入するステップにおいて、上記デュアルベルノズルを備えたロケットの高度に基づいて、上記ガスの導入量を制御することが好ましい。

ターボポンプ（４、５）を駆動した後のタービン排ガスが上記ガスとして用いられることが好ましい。上記ターボポンプから上記第１ガス導入口へ上記タービン排ガスを導く配管（４１）から排気管（４６）が分岐する。上記排気管にバルブ（４７）が設けられる。上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が第１高度を超えたことを検知した場合、閉じていた上記バルブを開くことが好ましい。

上記バルブが開いた状態で上記ロケットがリフトオフすることが好ましい。上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が上記第１高度より低い第２高度を超えたことを検知した場合、開いていた上記バルブを閉じることが好ましい。

上記ターボポンプを駆動した後のタービン排ガスが上記ガスとして用いられることが好ましい。上記第２段ノズルの第２内壁面に第２ガス導入口（５５）が設けられる。上記第２ガス導入口は、上記タービン排ガスを上記第２内壁面に沿ってフィルム状に噴き出す。上記第１ガス導入口及び上記第２ガス導入口の各々は、三方弁（５１）を介して上記ターボポンプに接続する。上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が第１高度を超えたことを検知した場合、上記三方弁は、上記タービン排ガスを上記第１ガス導入口へ流す第１状態から上記タービン排ガスを上記第２ガス導入口へ流す第２状態へ切り替わることが好ましい。

上記三方弁が上記第２状態で上記ロケットがリフトオフすることが好ましい。
上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が上記第１高度より低い第２高度を超えたことを検知した場合、上記三方弁は、上記第２状態から上記第１状態へ切り替わることが好ましい。

空気が上記ガスとして用いられることが好ましい。上記第１ガス導入口は、空気通路（６１）によって上記第１段ノズルの外壁面に設けられた空気取入口（６２）に接続される。上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が第１高度を超えたことを検知した場合、上記空気取入口を閉じない第１位置から上記空気取入口を閉じる第２位置にスライド体（６４）をスライドさせることが好ましい。

上記スライド体が上記第２位置にある状態で上記ロケットがリフトオフすることが好ましい。上記ガスを導入するステップにおいて、上記ロケットの高度が上記第１高度より低い上記第２高度を超えたことを検知した場合、上記第２位置から上記第１位置へ上記スライド体をスライドさせることが好ましい。

本発明によれば、燃焼ガスの流れの状態の遷移が適切に行われるロケットノズル及びロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法が提供される。

添付図面を参照して、本発明によるロケットノズル及びロケットエンジン燃焼ガス流れの制御方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
図７は、本発明の第１の実施形態に係るロケットエンジン１を示す。ロケットエンジン１は、燃料タンク２と、酸化剤タンク３と、燃料ターボポンプ４と、酸化剤ターボポンプ５と、ロケットノズル８を備える。燃料ターボポンプ４は、ポンプ４ａと、ポンプ４ａと同体に回転するタービン４ｂを備える。酸化剤ターボポンプ５は、ポンプ５ａと、ポンプ５ａと同体に回転するタービン５ｂを備える。ロケットノズル８は、噴射器６と、燃焼室７と、デュアルベルノズル１０と、ガス導入部４０Ａを備える。燃焼室７には、燃焼室７の壁面を冷却するための冷却用通路７ａが設けられている。デュアルベルノズル１０は、スロート１１から変曲点（インフレクションポイント）１２までの部分としての第１段ノズル２０と、変曲点１２からノズル出口１３までの部分としての第２段ノズル３０を備える。変曲点１２は、第１段ノズル２０及び第２段ノズル３０の間に配置される。第１段ノズル２０及び第２段ノズル３０の各々は、ベル形状を有している。デュアルベルノズル１０は、空間８０を囲んでいる。第１段ノズル２０は、空間８０の上流側部分８１を囲んでいる。第２段ノズル３０は、空間８０の下流側部分８２を囲んでいる。第１段ノズル２０は、ベースノズルと呼ばれる場合がある。第２段ノズル３０は、膨張ノズルと呼ばれる場合がある。

第１段ノズル２０の周囲に沿ってマニホールド２１乃至２３が設けられている。マニホールド２１乃至２３の各々は、ドーナツ状の形状を有する。第１段ノズル２０のマニホールド２１からスロート１１までの間の部分に第１段ノズル２０の壁面を冷却するための冷却用通路２０ａが設けられている。マニホールド２２は、マニホールド２１の変曲点１２側にマニホールド２１と隣接するように配置されている。マニホールド２３は、マニホールド２２と変曲点１２の間に配置されている。第１段ノズル２０のマニホールド２２からマニホールド２３までの間の部分に第１段ノズル２０の壁面を冷却するため冷却用通路２０ｂが設けられている。

ガス導入部４０Ａは、配管４１と、第１段ノズル２０の周囲に沿って設けられたマニホールド４２を備える。マニホールド４２は、ドーナツ状の形状を有する。マニホールド４２は、マニホールド２３の変曲点１２側にマニホールド２３と隣接するように配置されている。配管４１は、酸化剤ターボポンプ５とマニホールド４２を接続する。

燃料タンク２は、液体水素のような燃料を貯える。酸化剤タンク３は、液体酸素のような酸化剤を貯える。燃料ターボポンプ４は、燃料タンク２から噴射器６に燃料を供給する。酸化剤ターボポンプ５は、酸化剤タンク３から噴射器６に酸化剤を供給する。噴射器６は、燃料と酸化剤を混合して燃焼室７内に噴射する。噴射された燃料及び酸化剤は、点火されて燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼室７からスロート１１を通って空間８０に流入する。燃焼ガスは、上流側部分８１及び下流側部分８２を順に流れて、ノズル出口１３から流出する。

燃料ターボポンプ４は、燃料タンク２からマニホールド２１にも燃料を供給する。燃料は、マニホールド２１から、冷却用通路２０ａ及び冷却用通路７ａを順に通過した後、マニホールド２２に入る。燃料は、マニホールド２２から冷却用通路２０ｂを通ってマニホールド２３に入り、マニホールド２３から燃料ターボポンプ４に送られる。燃料は、燃料ターボポンプ４及び酸化剤ターボポンプ５を駆動する。燃料ターボポンプ４及び酸化剤ターボポンプ５を駆動した後の燃料としてのタービン排ガスは、配管４１を通ってマニホールド４２に流入する。ガス導入部４０Ａは、燃焼ガス流れを制御するために、タービン排ガスを空間８０に導入する。

図８を参照して、ガス導入部４０Ａは、第１段ノズル２０の内壁面に設けられた導入口４５と、マニホールド４２と導入口４５を接続する導入通路４３を備える。導入口４５は、変曲点１２よりも上流側に配置される。導入通路４３は、導入口４５に近づくにしたがって流路断面積が減少する先細部４４を備える。マニホールド４２に流入したタービン排ガスは、導入通路４３を通って導入口４５から空間８０に噴き出す。タービン排ガスは、先細部４４を通過するときに加速される。導入口４５は、タービン排ガスを第１段ノズル２０の内壁面に沿って変曲点１２の方向にフィルム状に噴き出す。

導入口４５からフィルム状に噴き出すタービン排ガスにより、空間８０を流れる燃焼ガスが、最適点よりも早いタイミング（低い高度）で高膨張流れの状態になることが防がれる。

空間８０に導入されたタービン排ガスにより、第２段ノズル３０の壁面が冷却される効果も期待される。

図９を参照して、本実施形態による効果を説明する。図９は、リフトオフ後の性能（比推力）の経時変化を示すグラフである。グラフの縦軸は性能（比推力）であり、横軸はリフトオフからの時間である。性能曲線１３１は、燃焼ガス流れが変曲点１２で剥離する低膨張流れの状態のときのロケットノズル８の性能（比推力）の経時変化を示す。性能曲線１３２は、燃焼ガス流れがノズル出口１３で剥離する高膨張流れの状態のときのロケットノズル８の性能（比推力）の経時変化を示す。性能曲線１３１と性能曲線１３２の交点のタイミングにおいて、ロケットノズル８における燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態から高膨張流れの状態に遷移することが理想的である。性能曲線１３１と性能曲線１３２の交点を理想的な遷移ポイント１３０という。性能曲線１３３は、タービン排ガスを導入口４５から空間８０に導入しなかった場合における、ロケットノズル８の性能（比推力）のシミュレーション結果を示す。性能曲線１３４は、タービン排ガスを導入口４５から空間８０に導入した場合における、ロケットノズル８の性能（比推力）のシミュレーション結果を示す。

タービン排ガスを導入口４５から空間８０に導入することにより、低膨張流れの状態から高膨張流れの状態に遷移するタイミングを遅らせることができ、遷移のタイミングが理想的な遷移ポイント１３０の近くに制御された。遷移のタイミングが理想的な遷移ポイント１３０の近くに制御されると、遷移時の比推力の低下幅が小さくなり、遷移直後の振動が抑制される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るロケットエンジン１は、ガス導入部４０Ａがガス導入部４０Ｂで置換されていることを除いて、第１の実施形態に係るロケットエンジン１と同様に構成されている。図１０を参照して、ガス導入部４０Ｂは、上述の配管４１、マニホールド４２、導入通路４３及び導入口４５に加え、配管４１から分岐する排気管４６と、排気管４６に設けられたバルブ４７を備える。バルブ４７は、制御信号７１に基づいて開閉する。バルブ４７が開いているとき、酸化剤ターボポンプ５からのタービン排ガスのうち、一部が導入口４５から空間８０に導入され、残りが排気管４６を通って大気中に排気される。バルブ４７が閉じているとき、酸化剤ターボポンプ５からのタービン排ガスの全量が導入口４５から空間８０に導入される。

ロケットエンジン１を備えるロケットの高度Ｈが監視される。バルブ４７が開いた状態でロケットがリフトオフする。その後、高度Ｈが所定の高度Ｈ１を超えたことが検知されるまで、バルブ４７は開いた状態に保たれる。高度Ｈ１は、例えば、性能曲線１３３が性能曲線１３１から乖離する高度に基づいて定められる。リフトオフ時及びリフトオフ直後においては、ロケットの周囲の大気圧が十分高いため、導入口４５から空間８０に導入されるタービン排ガスの流量が少なくとも、燃焼ガスの流れは、低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ１を超えたことが検知されると、バルブ４７が閉じる。その後、高度Ｈが所定の高度Ｈ２を超えたことが検知されるまで、バルブ４７は閉じた状態に保たれる。高度Ｈ２は、例えば、上述の理想的な遷移ポイント１３０に基づいて定められる。高度Ｈ２は、高度Ｈ１より高い。ロケットが高度Ｈ１から高度Ｈ２まで上昇する間、導入口４５から空間８０に導入されるタービン排ガスの流れが大きな流量に制御される。したがって、燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ２を超えたことが検知されると、バルブ４７が開く。その後、バルブ４７は開いた状態に保たれる。バルブ４７を開いて導入口４５から空間８０に導入されるタービン排ガスの流量を絞ることにより、燃焼ガスの流れの低膨張流れの状態から高膨張流れの状態への遷移が促される。

リフトオフから高度Ｈが高度Ｈ１を超えたことが検知されるまでの間において、バルブ４７を閉じておくことも可能であるが、バルブ４７を開いて導入口４５から空間８０に導入されるタービン排ガスの流量を少なくすることで、点火直後の燃焼ガス流れが安定することが期待される。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るロケットエンジン１は、ガス導入部４０Ａがガス導入部４０Ｃで置換されていることを除いて、第１の実施形態に係るロケットエンジン１と同様に構成されている。図１１を参照して、ガス導入部４０Ｃは、上述の配管４１、マニホールド４２、導入通路４３及び導入口４５に加え、配管４１に設けられた三方弁５１と、マニホールド４２の変曲点１２側にマニホールド４２と隣接するように配置されたマニホールド５２を備える。三方弁５１は、制御信号７２に基づいて、マニホールド４２及びマニホールド５２の間で切り替えて酸化剤ターボポンプ５に接続する。酸化剤ターボポンプ５からのタービン排ガスは、三方弁５１の切り替え状態に応じて、マニホールド４２又は５２に流入する。

図１２を参照して、マニホールド５２は、第１段ノズル２０の周囲（又は変曲点１２）に沿って設けられている。マニホールド５２は、ドーナツ状の形状を有する。ガス導入部４０Ｃは、第２段ノズル３０の内壁面に設けられた導入口５５と、マニホールド５２と導入口５５を接続する導入通路５３を備える。導入通路５３は、導入口５５に近づくにしたがって流路断面積が減少する先細部５４を備える。マニホールド５２に流入したタービン排ガスは、導入通路５３を通って導入口５５から空間８０に噴き出す。タービン排ガスは、先細部５４通過するときに加速される。導入口５５は、タービン排ガスを第２段ノズル３０の内壁面に沿ってノズル出口１３の方向にフィルム状に噴き出す。

ロケットの高度Ｈが監視される。三方弁５１がマニホールド５２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態でロケットがリフトオフする。マニホールド５２が酸化剤ターボポンプ５に接続されているとき、導入口５５が酸化剤ターボポンプ５に接続される。高度Ｈが上述の高度Ｈ１を超えたことが検知されるまで、三方弁５１はマニホールド５２を酸化剤ターボポンプ５に接続し続ける。リフトオフ時及びリフトオフ直後においては、ロケットの周囲の大気圧が十分高いため、変曲点１２よりも上流側において導入口４５から空間８０にタービン排ガスが導入されなくても、燃焼ガスの流れは、低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ１を超えたことが検知されると、三方弁５１は、マニホールド５２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態からマニホールド４２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態に切り替わる。その後、高度Ｈが上述の高度Ｈ２を超えたことが検知されるまで、三方弁５１は４２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態を保持する。マニホールド４２が酸化剤ターボポンプ５に接続されているとき、導入口４５が酸化剤ターボポンプ５に接続される。ロケットが高度Ｈ１から高度Ｈ２まで上昇する間、タービン排ガスは、酸化剤ターボポンプ５からマニホールド４２を通って導入口４５に流れて空間８０に導入される。したがって、燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ２を超えたことが検知されると、三方弁５１は、マニホールド４２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態からマニホールド５２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態に切り替わる。その後、三方弁５１は、マニホールド５２を酸化剤ターボポンプ５に接続した状態を保持する。三方弁５１により導入口４５から空間８０へのタービン排ガスの導入が停止されることにより、燃焼ガスの流れの低膨張流れの状態から高膨張流れの状態への遷移が促される。ロケットが高度Ｈ２を超えて上昇する間、タービン排ガスは、酸化剤ターボポンプ５からマニホールド５２を経由して導入口５５に流れて空間８０に導入される。したがって、第２段ノズル３０の内壁面がフィルム冷却される。

リフトオフから高度Ｈが高度Ｈ１を越えたことが検知されるまでの間において、三方弁５１がマニホールド４２と酸化剤ターボポンプ５を接続する状態にしておくことも可能であるが、マニホールド５２と酸化剤ターボポンプ５を接続した状態にしておくことで、点火直後の燃焼ガス流れが安定することが期待される。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るロケットエンジン１は、ガス導入部４０Ａがガス導入部４０Ｄで置換されていることと、燃料ターボポンプ４及び酸化剤ターボポンプ５を駆動する前の燃料によって第２段ノズル３０の壁面が冷却されることを除いて、第１の実施形態に係るロケットエンジン１と同様に構成されている。

図１３を参照して、本実施形態に係るロケットエンジン１において、第１段ノズル２０の周囲に沿ってマニホールド２４が設けられている。マニホールド２４は、マニホールド２３と変曲点１２の間に配置される。マニホールド２３及びマニホールド２４は、デュアルベルノズル１０の外側に設けられた配管４８によって接続されている。ノズル出口１３に沿ってマニホールド３１が設けられている。マニホールド２４及び３１の各々は、ドーナツ状の形状を有する。第２段ノズル３０に、第２段ノズル３０の壁面を冷却するための冷却用通路３０ａが設けられている。冷却用通路２０ｂを通ってマニホールド２３に入った燃料は、配管４８を通ってマニホールド２４に入る。それから、冷却用通路３０ａを通ってマニホールド３１に入り、マニホールド３１から燃料ターボポンプ４のタービン４ｂに送られる。燃料は、燃料ターボポンプ４及び酸化剤ターボポンプ５を駆動した後、排気される。

ガス導入部４０Ｄは、第１段ノズル２０の外壁面に設けられた空気取入口６２と、第１段ノズル２０の内壁面に設けられた導入口６３と、空気取入口６２と導入口６３とを接続する空気通路６１と、スライド体６４と、駆動機構６５を備える。スライド体６４は、駆動機構６５により駆動され、空気取入口６２を開閉するようにスライドする。導入口６３は、変曲点１２よりも上流側に配置される。

ロケットの高度Ｈが監視される。スライド体６４が空気取入口６２を閉じる位置に配置された状態でロケットがリフトオフする。その後、高度Ｈが上記高度Ｈ１を越えたことが検知されるまで、スライド体６４は空気取入口６２を閉じる位置に保持される。リフトオフ時及びリフトオフ直後においては、ロケットの周囲の大気圧が十分高いため、導入口６３から空間８０に空気が導入されなくても、燃焼ガスの流れは、低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ１を超えたことが検知されると、駆動機構６５は、空気取入口６２を閉じない位置にスライド体６４をスライドさせる。その後、高度Ｈが上記高度Ｈ２を超えたことが検知されるまで、スライド体６４は空気取入口６２を閉じない位置に保持される。ロケットが高度Ｈ１から高度Ｈ２まで上昇する間、導入口６３から空間８０に空気が導入される。したがって、燃焼ガスの流れが低膨張流れの状態に保たれる。

高度Ｈが高度Ｈ２を超えたことが検知されると、駆動機構６５は、空気取入口６２を閉じる位置にスライド体６４をスライドさせる。導入口６３から空間８０への空気の導入が停止することにより、燃焼ガスの流れの低膨張流れの状態から高膨張流れの状態への遷移が促される。

その後、スライド体６４は空気取入口６２を閉じる位置に保持される。燃焼ガスが空気通路６１を通って外部に漏洩することが防がれる。

リフトオフから高度Ｈが高度Ｈ１を超えたことが検知されるまでの間において、空気取入口６２を閉じない位置にスライド体６４を保持することも可能であるが、空気取入口６２を閉じることで、点火直後の燃焼ガス流れが安定することが期待される。

ガス導入部４０Ｄは、固定燃料ロケットに適用することも可能である。また、第４の実施形態において、第２段ノズル３０の壁面をフィルム冷却してもよい。

クラスターエンジンを備えたロケットにガス導入部４０Ａ乃至４０Ｄを適用すれば、複数のエンジンにおいて遷移タイミングを揃えることが容易になる。その結果、クラスターエンジンを備えたロケットの姿勢制御が安定する。

また、ガス導入部４０Ａ乃至４０Ｄは、ロケットの帰還時においても有効である。

第２乃至第４の実施形態においては、第１段ノズル２０の内壁面に設けられた導入口４５、６３から空間８０に導入するガスの流量をロケットの高度Ｈに基づいて制御することにより、遷移のタイミングをより精密に制御することが可能である。

図１は、低膨張比のベル型ノズルを示す。 図２は、高膨張比のベル型ノズルを示す。 図３は、比推力と高度の関係をノズルの間で比較するグラフである。 図４は、デュアルベルノズルを示す。 図５は、デュアルベルノズルにおいて燃焼ガス流れが低膨張流れの状態を示す。 図６は、デュアルベルノズルにおいて燃焼ガス流れが高膨張流れの状態を示す。 図７は、本発明の第１の実施形態に係るデュアルベルノズルを備えたロケットエンジンの概略図である。 図８は、第１の実施形態に係るデュアルベルノズルの変曲点近傍の拡大図である。 図９は、第１の実施形態に係るデュアルベルノズルによる効果を説明するグラフである。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係るデュアルベルノズルの概略図である。 図１１は、本発明の第３の実施形態に係るデュアルベルノズルの概略図である。 図１２は、第３の実施形態に係るデュアルベルノズルの変曲点近傍の拡大図である。 図１３は、本発明の第４の実施形態に係るデュアルベルノズルの概略図である。

符号の説明

１…ロケットエンジン
２…燃料タンク
３…酸化剤タンク
４…燃料ターボポンプ
４ａ…ポンプ
４ｂ…タービン
５…酸化剤ターボポンプ
５ａ…ポンプ
５ｂ…タービン
６…噴射器
７…燃焼室
７ａ…冷却用通路
８…ロケットノズル
１０…デュアルベルノズル
１１…スロート
１２…変曲点
１３…ノズル出口
２０…第１段ノズル
２０ａ、２０ｂ…冷却用通路
２１〜２４…マニホールド
３０…第２段ノズル
３０ａ…冷却用通路
３１…マニホールド
４０Ａ〜４０Ｄ…ガス導入部
４１、４８…配管
４２…マニホールド
４３…導入通路
４４…先細部
４５…導入口
４６…排気管
４７…バルブ
５１…三方弁
５２…マニホールド
５３…導入通路
５４…先細部
５５…導入口
６１…空気通路
６２…空気取入口
６３…導入口
６４…スライド体
６５…駆動機構
７１、７２…制御信号
８０…空間
８１…上流側部分
８２…下流側部分
１００Ａ、１００Ｂ…ベル型ノズル
１０１Ａ、１０１Ｂ…スロート
１０２Ａ、１０２Ｂ…ノズル出口
１１０…デュアルベルノズル
１１１…スロート
１１２…変曲点
１１３…ノズル出口
１１５…第１段ノズル
１１６…第２段ノズル
１２０、１３０…理想的な遷移ポイント
１２１〜１２３、１３１〜１３４…性能曲線

Claims (2)

1. デュアルベルノズルと、
   前記デュアルベルノズルに囲まれた空間にガスを導入するガス導入部と
   を具備し、
   前記空間を燃焼ガスが流れ、
   前記デュアルベルノズルは、
   前記空間の上流側部分を囲むベル形状の第１段ノズルと、
   前記空間の下流側部分を囲むベル形状の第２段ノズルと、
   を備え、
   前記デュアルベルノズルは、前記第１段ノズルと前記第２段ノズルの間に変曲点を有し、
   前記ガス導入部は、前記第１段ノズルの第１内壁面に設けられた第１ガス導入口を備え、
   前記第１ガス導入口から前記空間に前記ガスが導入され、
   ターボポンプを駆動した後のタービン排ガスが前記ガスとして用いられ、
   前記第１ガス導入口は、前記ガスを前記第１内壁面に沿ってフィルム状に噴き出し、
   前記ガス導入部は、
   前記第１段ノズルの周囲に設けられた第１マニホールドと、
   前記第１マニホールドと前記第１ガス導入口とを接続する第１通路と
   を備え、
   前記第１通路は、前記第１ガス導入口に近づくにしたがって流路断面積が減少する部分を備え、
   前記タービン排ガスは、前記ターボポンプから前記マニホールドに流入し、前記第１通路を通って前記第１ガス導入口へ流れ、
   前記ガス導入部は、
   前記ターボポンプと前記第１マニホールドとを接続する配管と、
   前記配管から分岐する排気管と、
   前記排気管に設けられたバルブと
   を備え、
   前記バルブは、本ロケットノズルを備えたロケットの高度が第１高度を超えたことが検知された場合に閉じた状態から開き、
   前記ガス導入部は、前記空間に前記ガスを導入して前記燃焼ガスの流れを低膨張流れの状態に保ち、
   前記低膨張流れの状態において前記燃焼ガスの流れは前記変曲点において前記デュアルベルノズルの内壁から剥離して前記第２段ノズルに沿わないで流れる
   ロケットノズル。
2. 前記バルブは、前記ロケットの高度が前記第１高度より低い第２高度を超えたことが検知された場合に開いた状態から閉じる
   請求項１のロケットノズル。

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