JP5481978B2

JP5481978B2 - ロケットエンジン

Info

Publication number: JP5481978B2
Application number: JP2009163812A
Authority: JP
Inventors: 公平多屋; 初男森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: JP2011017322A

Description

本発明は、推進剤（液化酸素等の酸化剤及び液化天然ガス等の燃料を含む）を燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを噴出して推進力を得るロケットエンジンに関する。

近年、ロケットエンジンについては種々の開発がなされており、一般的なロケットエンジンの構成等について説明すると、次のようになる。

即ち、一般的なロケットエンジンは、筒状の燃焼器を具備しており、この燃焼器は、内側に、推進剤を燃焼させる燃焼室を有している。また、燃焼器には、噴射器が設けられており、この噴射器は、燃焼室に向かって推進剤を噴射する複数の噴射口を有した噴射器本体を備えている。そして、噴射器本体には、複数の噴射口に推進剤を供給するための環状のマニホールドが設けられており、このマニホールドには、マニホールド内に推進剤を導入する導入配管が接続されている。更に、噴射器本体の中心部（中央部）には、燃焼室に噴射された推進剤を点火する点火器が設けられている。

従って、導入配管から推進剤をマニホールド内に導入すると、推進剤はマニホールド内に沿って流れつつ、複数の噴射口に供給されて、燃焼室に向かって噴射される。そして、点火器によって推進剤を点火して、燃焼室において推進剤を燃焼させる。これにより、燃焼器から高温高圧の燃焼ガスを噴出して、推進力を得ることができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に示すものがある。

特開２００８−６４０９７号公報特開平６−３３０８１６号公報特許第２６８５１１４号公報

ところで、導入配管から導入される推進剤が流量のバラツキ等の外乱を含んでいる場合には、仮に、マニホールド内における導入配管の近傍に推進剤の流れを２方向に分流（分配）する分流板を配設しても、マニホールド内において不適切な旋回流が発生してしまう。そのため、マニホールド内における圧力損失（エネルギー損失）が大きくなって、複数の噴射口の中で噴射圧にバラツキが生じたり、噴射器全体としての噴射圧が低下したりして、ロケットエンジンのエンジン性能の低下を引き起こすという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のロケットエンジンを提供することを目的とする。

本発明の特徴は、推進剤を燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを噴出して、推進力を得るロケットエンジンにおいて、内側に推進剤を燃焼させる燃焼室を有した筒状の燃焼器と、前記燃焼器に設けられ、前記燃焼室に向かって推進剤を噴射する複数の噴射口を有した噴射器本体、前記噴射機本体の外周部に設けられかつ複数の前記噴射口に推進剤を供給するための環状のマニホールド、及び前記マニホールドに接続されかつ推進剤を前記マニホールド内に導入する導入配管を備えた噴射器と、前記マニホールド内における前記導入配管側に配設され、推進剤の流れを２方向に分流する分流部材と、前記マニホールド内における前記分流部材に対向した領域に配設され、前記マニホールド内の流路を仕切ると共に前記マニホールド内における旋回流の発生を回避するための仕切部材と、を具備したことを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、ブラケット等の介在部材を介して間接的に設けられたこと、及び一体に形成されたことを含む意である。また、「配設され」とは、直接的に配設されていることの他に、ブラケット等の介在部材を介して間接的に配設されていることを含む意である。

本発明の特徴によると、前記導入配管から推進剤を前記マニホールド内に導入すると、推進剤は前記マニホールド内に沿って流れつつ、複数の前記噴射口に供給されて、前記燃焼室に向かって噴射される。そして、前記燃焼室に噴射された推進剤を点火して、前記燃焼室において燃焼させる。これにより、前記燃焼器から高温高圧の燃焼ガスを噴出して、推進力を得ることができる。

ここで、前記マニホールド内における前記分流部材に対向した領域に前記仕切部材が配設されているため、前記導入配管から導入される推進剤が外乱を含んでいる場合であっても、前記マニホールド内における不適切な旋回流の発生を回避することができる。

本発明によれば、前記導入配管から導入される推進剤が外乱を含んでいる場合であっても、前記マニホールド内における不適切な旋回流の発生を回避できるため、前記マニホールド内における圧力分布を均一な状態に近づけて、前記マニホールド内の圧力損失を低減することができる。よって、前記ロケットエンジンの外乱に対するロバスト性を高めつつ、複数の前記噴射口の中で噴射圧のバラツキを低減したり、前記噴射器全体としての噴射圧を高めたりして、前記ロケットエンジンのエンジン性能を十分を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るロケットエンジンの側断面図である。図１におけるII-II線に沿った断面図である。実施例に係る噴射器内における燃料の速度ベクトルを示す図である。比較例に係る噴射器内における燃料の速度ベクトルを示す図である。実施例に係る噴射器内における燃料の圧力分布を示すコンタ図である。比較例に係る噴射器内における燃料の圧力分布を示すコンタ図である。実施例及び比較例に係る噴射器内における４つのポイント（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ）の燃料の圧力を示す図である。

本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るロケットエンジン１は、ロケット（図示省略）に装備され、液化酸素等の酸化剤（推進剤の一例）及び液化天然ガス等の燃料（推進剤の一例）を燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを噴出して推進力を得るものである。そして、本発明の実施形態に係るロケットエンジン１の具体的な構成等は、以下のようになる。

ロケットエンジン１は、筒状の燃焼器３を具備しており、この燃焼器３は、内側に、酸化剤と燃料を燃焼させる燃焼室５を有している。なお、燃焼器３は、二重壁構造であっても、一重壁構造であっても構わない。

燃焼器３の前側（一端側）には、噴射器７が設けられており、この噴射器７は、噴射器本体９を備えており、この噴射器本体９は、燃焼器３の前側に設けられたリアフレーム１１と、このリアフレーム１１の前側に設けられたフロントフレーム１３と、リアフレーム１１と燃焼器３の間に挟持された状態で設けられたフェイスプレート１５とからなっている。また、フロントフレーム１３とリアフレーム１１の間には、酸化剤を収容可能（取入可能）な環状の酸化剤チャンバー１７（推進剤チャンバーの一例）が区画形成されており、リアフレーム１１とフェイスプレート１５の間には、燃料を収容可能な環状の燃料チャンバー１９（推進剤チャンバーの一例）が区画形成されている。換言すれば、噴射器本体９の内部には、酸化剤チャンバー１７及び燃料チャンバー１９が前後に形成されている。

噴射器本体９には、前後方向へ延びた複数の噴射ロッド２１が設けられており、複数の噴射ロッド２１は、噴射器本体９の軸心方向から見たときに等間隔に配置してある（図２参照）。また、各噴射ロッド２１の先端面（後端面）には、燃焼室５に向かって酸化剤を噴出する酸化剤噴射口２３が形成されており、各酸化剤噴射口２３は、連絡穴２５を介して酸化剤チャンバー１７に連通してある。更に、各噴射ロッド２１の先端面には、燃焼室５に向かって燃料を噴出する環状の燃料噴射口２７が酸化剤噴射口２３を囲むように形成されており、各燃料噴射口２７は、環状の連絡穴２９を介して燃料チャンバー１９に連通してある。換言すれば、噴射器本体９は、複数の噴射ロッド２１を介して後側（燃焼室５側）に複数の酸化剤噴射口２３及び複数の燃料噴射口２７を有している。

フロントフレーム１３には、複数の酸化剤噴射口２３に酸化剤を供給するための円環状の酸化剤マニホールド３１が酸化剤チャンバー１７を囲むように設けられており、フロントフレーム１３における酸化剤チャンバー１７の壁面には、酸化剤マニホールド３１内と酸化剤チャンバー１７を連通（連絡）する複数の連絡穴３３（連絡通路の一例）が周方向に間隔を置いて形成されている。また、酸化剤マニホールド３１の適宜位置には、酸化剤を酸化剤マニホールド３１内に導入する酸化剤導入配管３５の一端部が接続されており、この酸化剤導入配管３５の他端部は、酸化剤タンク等の酸化剤供給源（図示省略）に接続されている。

リアフレーム１１には、複数の燃料噴射口２７に燃料を供給するための円環状の燃料マニホールド３７が燃料チャンバー１９を囲むように設けられており、リアフレーム１１における燃料チャンバー１９の壁面には、燃料マニホールド３７内と燃料チャンバー１９を連通（連絡）する複数の連絡穴３９（連絡通路の一例）が周方向に間隔を置いて形成されている。また、燃料マニホールド３７の適宜位置には、燃料を燃料マニホールド３７内に導入する燃料導入配管４１の一端部が接続されており、この燃料導入配管４１の他端部は、燃料タンク等の燃料供給源（図示省略）に接続されている。ここで、燃料導入配管４１から遠ざかるに従って燃料マニホールド３７内の流路が漸次小さくなるように、燃料マニホールド３７の軸心（中心）は、噴射器本体９の軸心に対して偏心してある。これは、燃料導入配管４１から遠ざかるに従って燃料の流量が減少しても、燃料の流速及び静圧の低下を抑えるためである。

燃料マニホールド３７における燃料導入配管４１の開口側の近傍（燃料導入配管４１側）には、燃料の流れを２方向に分流する分流板４３（分流部材の一例）が配設されている。また、燃料マニホールド３７内における燃料導入配管４１の開口側に対向した領域（換言すれば、分流板４３に対向した領域）には、燃料マニホールド３７内の流路を仕切る仕切板４５（仕切部材の一例）が配設されている。なお、仕切板４５の配設箇所は、燃料導入配管４１の開口側に対向した領域でなくても、燃料導入配管４１に離隔した領域であれば構わなく、仕切板４５は、燃料マニホールド３７内の燃料の流れをせき止めるようであれば、燃料マニホールド３７内の流路を完全に仕切るものでなくても構わない。

噴射器本体９の中心部には、前後方向へ延びた点火器４７が設けられており、この点火器４７は、燃焼室５に向かって噴射された酸化剤及び燃料を点火するものである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

酸化剤導入配管３５から酸化剤を酸化剤マニホールド３１内に導入すると、酸化剤は酸化剤マニホールド３１内に沿って流れつつ、複数の酸化剤噴射口２３に供給されて、燃焼室５に向かって噴射される。また、燃料導入配管４１から燃料を燃料マニホールド３７内に導入すると、分流板４３によって燃料の流れが２方向に分流され、燃料は燃料マニホールド３７内に沿って流れつつ、複数の燃料噴射口２７に供給されて、燃焼室５に向かって噴射される。そして、点火器４７によって酸化剤及び燃料を点火して、燃焼室５において燃焼させる。これにより、燃焼器３から高温高圧の燃焼ガスを噴出して、推進力を得ることができる。

ここで、燃料マニホールド３７内における分流板４３に対向した領域に仕切板４５が配設されているため、燃料導入配管４１から導入される燃料が外乱を含んでいる場合であっても、分流板４３の分流性（分配性）を十分に発揮させつつ、燃料マニホールド３７内における不適切な旋回流の発生を回避することができる（後述の［実施例］参照）。

従って、本発明の実施形態によれば、燃料導入配管４１から導入される燃料が外乱を含んでいる場合であっても、燃料マニホールド３７内における不適切な旋回流の発生を回避できるため、燃料マニホールド３７内における圧力分布を均一な状態に近づけて、燃料マニホールド３７内の圧力損失（エネルギー損失）を低減することができる（後述の［実施例］参照）。よって、ロケットエンジン１の外乱に対するロバスト性を高めつつ、複数の燃料噴射口２７の中で噴射圧のバラツキを低減したり、噴射器全体としての噴射圧を高めたりして、ロケットエンジン１のエンジン性能を十分を向上させることができる。

本発明は、前述の発明の実施形態の説明に限るものでなく、例えば、次のように、種々の態様で実施可能である。即ち、噴射器７における複数の構成要素から分流板４３を省略しても構わない。また、燃料マニホールド３７内に分流板４３及び仕切板４５が配設される他に、酸化剤マニホールド３１内に分流板及び仕切板が配設されるようにしたり、燃焼器３の後部に別のマニホールドが設けられた場合に、この別のマニホールド内に分流板及び仕切板が配設されるようにしたりしても構わない。なお、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図３から図７を参照して説明する。

まず、燃料マニホールド内に分流板及び仕切板が配設された噴射器を実施例に係る噴射器とし、燃料マニホールド内に分流板のみをが配設された噴射器を比較例に係る噴射器とする。そして、実施例及び比較例に係る噴射器内における燃料の速度ベクトルについてＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析すると、図３及び図４に示すように、燃料導入配管から導入される燃料が外乱を含んでいる場合に、比較例に係る噴射器の燃料マニホールド内においては不適切な旋回流が発生し、供給される燃料の流れが減少するのに対して、実施例に係る噴射器の燃料マニホールド内において不適切な旋回流の発生を回避できることが知見として判明した。

また、実施例及び比較例に係る噴射器内における燃料の圧力分布についてＣＦＤ解析すると、図５及び図６に示すように、燃料導入配管から導入される燃料が外乱を含んでいる場合に、実施例に係る噴射器の燃料マニホールド内の圧力分布は、比較例に係る噴射器の燃料マニホールド内における圧力分布に比べて、均一な状態に近づくことが知見として判明した。なお、図５及び図６において、噴射器内における燃料の圧力分布は、最大値を１．０とした比率で示してある。

更に、実施例及び比較例に係る噴射器内における４つのポイントＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ（図５及び図６参照）の燃料の圧力について示すと、図７のようになる。なお、図７において、噴射器内における４つのポイントＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの燃料の圧力は、最大値を１．０とした比率で示してある。

１ロケットエンジン
３燃焼器
５燃焼室
７噴射器
９噴射器本体
１１リアフレーム
１３フロントフレーム
１５フェイスプレート
１７酸化剤チャンバー
１９燃料チャンバー
２１噴射ロッド
２３酸化剤噴射口
２５連絡穴
２７燃料噴射口
２９連絡穴
３１酸化剤マニホールド
３３連絡穴
３５酸化剤導入配管
３７燃料マニホールド
３９連絡穴
４１燃料導入配管
４３分流板
４５仕切板
４７点火器

Claims

推進剤を燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを噴出して、推進力を得るロケットエンジンにおいて、
内側に推進剤を燃焼させる燃焼室を有した筒状の燃焼器と、
前記燃焼器に設けられ、前記燃焼室に向かって推進剤を噴射する複数の噴射口を有した噴射器本体、前記噴射機本体の外周部に設けられかつ複数の前記噴射口に推進剤を供給するための環状のマニホールド、及び前記マニホールドに接続されかつ推進剤を前記マニホールド内に導入する導入配管を備えた噴射器と、
前記マニホールド内における前記導入配管側に配設され、推進剤の流れを２方向に分流する分流部材と、
前記マニホールド内における前記分流部材に対向した領域に配設され、前記マニホールド内の流路を仕切ると共に前記マニホールド内における旋回流の発生を回避するための仕切部材と、を具備したことを特徴とするロケットエンジン。
前記導入配管から遠ざかるに従って前記マニホールド内の流路が漸次小さくなるように、前記マニホールドの軸心が前記噴射器本体の軸心に対して偏心して構成されたことを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジン。
前記噴射器本体の内部に推進剤を収容可能な環状の推進剤チャンバーが形成され、各噴射口が前記推進剤チャンバーに連通し、前記噴射器本体における前記推進剤チャンバーの壁面に前記マニホールド内と前記推進剤チャンバーを連通する連絡通路が周方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロケットエンジン。