JP5823069B1 - ロケットエンジンの燃焼器の製造方法、ロケットエンジンの燃焼器、および、ロケットエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】より低コストで作製可能であり、かつ、フープ荷重および冷却媒体の圧力に対して耐力のあるロケットエンジンの燃焼器、ロケットエンジン、および、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法を提供する。【解決手段】ロケットエンジンの燃焼器の製造方法は、冷却用の溝24を有する燃焼器内筒20を準備する工程と、冷却用の溝24を覆うように、燃焼器内筒20の外周面上に外層30を設ける工程と、外層30の外周面上に、LMD処理によって、LMD層50を積層する工程とを具備する。【選択図】図7
Description
本発明は、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法、ロケットエンジンの燃焼器、および、ロケットエンジンに関する。
ロケットエンジンの燃焼室の壁は、燃料の燃焼に伴って発生する熱によって高温となる。燃焼室の壁が、燃料の燃焼に伴って発生する熱によって損傷しないようにするために、燃料室に隣接して冷却機構が設けられる場合がある。冷却機構は、冷却媒体が通過する冷却流路を備える。
ロケットエンジンの燃焼室の壁には、燃料の燃焼に伴って発生する熱および圧力によって、フープ荷重(燃焼室の壁の周方向に沿って作用する引っ張り荷重)が作用する。また、ロケットエンジンの燃焼室の壁には、冷却流路を流れる冷却媒体の圧力が作用する。よって、ロケットエンジンの燃焼室の壁は、フープ荷重および冷却媒体の圧力に耐え得る構造であることが要請される。
関連する技術として、特許文献1には、ロケット燃焼器の外筒の製作法が記載されている。特許文献1に記載の方法では、第1に、内筒の冷却用溝に充填剤が充填される。第2に、充填剤充填後の内筒の周囲には、銅粉を含む混合粉の圧縮成形体層が形成される。第3に、圧縮成形体層が焼結される。第4に、焼結された圧縮成形体層の外側に、ニッケル電鋳層が補強層として形成される。
また、特許文献2には、燃焼室の外筒の製造法が記載されている。特許文献2に記載の方法では、第1に、冷却路を有する内筒の外周側に、電鋳法によってめっき層が形成される。第2に、内筒を被うように補強外筒が配置される。第3に、内筒と補強外筒との間にろう材および金属粉末が充填される。第4に、ろう付け炉中での加熱により、内筒と補強外筒とが接合される。
また、特許文献3には、ロケット燃焼器の製作法が記載されている。特許文献3には、内筒と外筒とを接合する方法として、ろう付け法、電鋳法、粉末冶金法、拡散接合法等が知られていることが記載されている。
本発明の目的は、より低コストで作製可能であり、かつ、フープ荷重および冷却媒体の圧力に対して耐力のあるロケットエンジンの燃焼器、ロケットエンジン、および、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法を提供することにある。
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。
いくつかの実施形態のロケットエンジンの燃焼器の製造方法は、冷却用の溝(24)を有する燃焼器内筒(20)を準備する工程と、前記燃焼器内筒(20)の前記冷却用の溝(24)を覆うように、前記燃焼器内筒(20)の外周面(23)上に外層(30)を設ける工程と、前記外層(30)の外周面上に、LMD処理によって、LMD層(50)を積層する工程とを具備する。
上記製造方法において、前記燃焼器内筒(20)の外周面(23)上に外層(30)を設ける工程は、前記燃焼器内筒(20)の外周面(23)上に第1層(30−1)を積層する工程と、前記外層の最外層としてレーザー低反射率層(30−2)を積層する工程とを含んでいてもよい。前記レーザー低反射率層(30−2)は、前記第1層(30−1)と比較して、前記LMD処理で使用するレーザー光の反射率が低い層であってもよい。
上記製造方法において、前記レーザー低反射率層(30−2)の引っ張り強度は、前記第1層(30−1)の引っ張り強度よりも大きくてもよい。
上記製造方法において、前記外層の最外層としてレーザー低反射率層(30−2)を積層する工程は、電気めっきにより前記レーザー低反射率層(30−2)を積層する工程であってもよい。
上記製造方法において、前記レーザー低反射率層(30−2)は、ニッケル層であってもよい。
上記製造方法において、前記レーザー低反射率層(30−2)の主材料と、前記LMD層(50)の主材料とは、同じ材料であってもよい。
上記製造方法において、前記燃焼器内筒(20)の外周面上(23)に第1層(30−1)を積層する工程は、電鋳法(厚膜電気めっき法)により前記燃焼器内筒(20)の外周面上に前記第1層(30−1)を積層する工程であってもよい。
上記製造方法において、前記第1層(30−1)は、銅層であってもよい。
上記製造方法において、前記LMD層(50)を積層する工程は、前記外層(30)の外周面上に、LMD処理によって、第1LMD層(50−1)を積層する工程と、前記第1LMD層(50−1)上に第2LMD層(50−2)を積層する工程とを備えていてもよい。
上記製造方法において、前記LMD層(50)は、螺旋状ビード、または、環状ビードを含んでいてもよい。
上記製造方法において、前記LMD層(50)は、ニッケル基合金層であってもよい。
いくつかの実施形態のロケットエンジンの燃焼器は、冷却用の溝(24)を有する燃焼器内筒(20)と、前記燃焼器内筒(20)の外周面上に、前記燃焼器内筒(20)の前記冷却用の溝(24)を覆うように配置される外層(30)と、前記外層(30)の外周面上に配置されるLMD層(50)とを具備する。
上記燃焼器において、前記外層(30)は、前記燃焼器内筒(20)の外周面上に配置される第1層(30−1)と、前記LMD層(50)の内周面に接触配置され、前記第1層(30−1)よりも引っ張り強度の大きな高強度層(30−2)とを含んでいてもよい。
上記燃焼器において、前記第1層(30−1)は、銅層であってもよい。また、前記高強度層(30−2)は、ニッケル層であってもよい。
上記燃焼器において、前記高強度層(30−2)の主材料と、前記LMD層(50)の主材料とは、同じ材料であってもよい。
いくつかの実施形態のロケットエンジンは、上記段落のいずれかに記載の燃焼器を備えたロケットエンジンである。
本発明により、より低コストで作製可能であり、かつ、フープ荷重および冷却媒体の圧力に対して耐力のあるロケットエンジンの燃焼器、ロケットエンジン、および、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法が提供できる。
以下、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法、ロケットエンジンの燃焼器、および、ロケットエンジンに関して、添付図面を参照して説明する。
(用語の定義)
本明細書において、「LMD」は、「Laser Metal Deposition」、すなわち、レーザーを用いた金属材料の積層を意味する。
本明細書において、「LMD層」は、LMD処理を用いて積層された層を意味する。
本明細書において、「銅層」は、銅の含有率が90重量%以上の銅層あるいは銅合金層を意味する。
本明細書において、「ニッケル層」は、ニッケルの含有率が90重量%以上のニッケル層あるいはニッケル合金層を意味する。
本明細書において、「ニッケル基合金層」は、ニッケルの含有率が50重量%以上のニッケル合金層を意味する。
本明細書において、「引っ張り強度」は、材料が耐え得る最大の引張応力(N/mm2)を意味する。
本明細書において、「LMD」は、「Laser Metal Deposition」、すなわち、レーザーを用いた金属材料の積層を意味する。
本明細書において、「LMD層」は、LMD処理を用いて積層された層を意味する。
本明細書において、「銅層」は、銅の含有率が90重量%以上の銅層あるいは銅合金層を意味する。
本明細書において、「ニッケル層」は、ニッケルの含有率が90重量%以上のニッケル層あるいはニッケル合金層を意味する。
本明細書において、「ニッケル基合金層」は、ニッケルの含有率が50重量%以上のニッケル合金層を意味する。
本明細書において、「引っ張り強度」は、材料が耐え得る最大の引張応力(N/mm2)を意味する。
(発明者によって認識された課題)
図1および図2を参照して、発明者によって認識された課題について説明する。図1は、ロケットエンジンの概略斜視図である。図2は、面Aにおける図1の断面図である。
図1および図2を参照して、発明者によって認識された課題について説明する。図1は、ロケットエンジンの概略斜視図である。図2は、面Aにおける図1の断面図である。
図1に示されるように、ロケットエンジン1は、燃焼器2、および、ノズル3を備える。燃焼器2は、燃焼室4を備える。燃焼室4の内部では、燃料が燃焼する。燃料の燃焼により生じた燃焼ガスは、ノズル3の後方に向けて放出される。ロケットエンジンは、燃焼ガスがノズルの後方に放出されることに対する反作用によって、推力を得る。
図2は、面Aにおける図1の断面図である。燃焼器2は、燃焼器内筒20(以下、単に、「内筒20」という場合がある。)と、外層30と、補強層40とを含む。
内筒20は、底壁21と、複数の側壁22とを備える。また、内筒20は、冷却媒体が通過可能な冷却用の溝24を有する。
外層30は、冷却用の溝24を覆うように、内筒20の外周面23上に配置される。内筒20と外層30との接合方法としては、種々の方法が知られている。接合方法は、例えば、ろう付け法、電鋳法、粉末冶金法、拡散接合法等である。
補強層40は、例えば、第1補強部品40Aと、第2補強部品40Bとを含む。第1補強部品40Aと第2補強部品40Bとは、互いに接合されることにより、環状体を形成する。第1補強部品40Aと第2補強部品40Bとは、例えば、図2において、矢印Bで示される部分を電子ビーム溶接することによって、接合される。矢印Bで示される部分を電子ビーム溶接する時、第1補強部品40Aおよび第2補強部品40Bは、外層30に対しても溶接される。
ところで、内筒20は、冷却用の溝24(冷却流路)を通過する冷却媒体による冷却効果を向上させるために、熱伝導率の高い材料によって構成される。熱伝導率の高い材料は、例えば、銅である。また、内筒20には、燃料の燃焼に伴って発生する熱および圧力によって、引っ張り荷重であるフープ荷重Fが作用する。また、内筒20および外層30には、溝24を通過する冷却媒体の圧力が作用する。
図2に記載の例では、フープ荷重Fによる内筒20および外層30の変形、並びに、冷却媒体の圧力による内筒20および外層30の変形を抑制するために、補強層40が設けられている。補強層40を構成する第1補強部品40A、第2補強部品40B等は、一般的には、鍛造材を切削することにより製造される。このため、補強層40を追加することは、製造コストの大幅な上昇を意味する。鍛造材自体の調達コストが高く、かつ、切削加工費が高いためである。また、切削加工によって多くの切粉が発生することから、材料の歩留りが悪い。さらに、補強層40と外層30とは、一部の溶接領域のみ(矢印Bで示される部分の近傍領域のみ)で接合されるため、外層30から補強層40への荷重の伝達効率が低い。
フープ荷重Fによる内筒20および外層30の変形、並びに、冷却媒体による内筒20および外層30の変形を抑制するために、外層30の厚さを厚くすることも考えられる。例えば、外層30を電鋳(厚膜電気めっき)により形成する場合を考える。電鋳処理の時間を長くすれば、外層30の厚さを厚くすることが可能である。しかし、電鋳処理の時間を長くすることは、製造コストの上昇を意味する。
発明者は、より低コストで作製可能な燃焼器の製造方法を提供すること、および、フープ荷重および冷却媒体の圧力に対して耐力のある燃焼器を提供することを課題として認識した。
なお、図1および図2は、発明者によって認識された課題を説明するために、便宜的に用いた図であって、本願出願前における公知技術を示すものではない。
(ロケットエンジンの燃焼器の製造方法の概要)
図3乃至図9を参照して、実施形態によるロケットエンジンの燃焼器の製造方法の概要について説明する。なお、図3乃至図9において、図1および図2に記載の部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。
図3乃至図9を参照して、実施形態によるロケットエンジンの燃焼器の製造方法の概要について説明する。なお、図3乃至図9において、図1および図2に記載の部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。
図3は、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法を示すフローチャートである。図4は、内筒20の概略斜視図である。なお、図4において、冷却用の溝24の記載は省略されている。図5は、面Cにおける図4の断面図である。
第1工程(S1)において、冷却用の溝24を有する燃焼器内筒20が準備される。燃焼器内筒20は、ノズル(必要であれば、図1のノズル3を参照。)の内筒等と一体のものであってもよいし、ノズルの内筒等とは別体のものであってもよい。ここでは、燃焼器内筒20は、ノズルの内筒等と別体であるとして説明する。
内筒20は、底壁21と、複数の側壁22とを備える。また、内筒20は、複数の溝24を備える。溝24は、冷却媒体が通過可能な冷却用の溝である。内筒20は、外周面23を有する。外周面23は、より厳密には、側壁22の外周面である。内筒20は、例えば、銅を99重量%以上含む銅合金によって構成される。
第2工程(S2)において、内筒20の冷却用の溝24を覆うように、内筒20の外周面23上に外層30が積層される。図6は、第2工程(S2)を実行後の状態を示す内筒20の断面図である。内筒20上に外層30を積層する方法としては、例えば、ろう付け法、電鋳法、粉末冶金法、拡散接合法等を用いることができる。外層30は、内周面31と、外周面33とを備える。
外層30は、複数の層を備えていてもよい。外層30の最内層(換言すれば、溝24に面する層)は、銅層であってもよい。外層30の最外層は、レーザー低反射率層であってもよい。この場合、レーザー低反射率層の外周面が、外層30の外周面33となる。レーザー低反射率層は、銅層と比較して、LMD処理で使用するレーザー光の反射率が低い層として定義される。反射率は、例えば、反射光強度を入射光強度で除して得られる値である。銅層は、レーザー光の反射率が高い層であり、かつ、熱伝導率の高い層であるため、銅層に直接LMD処理を施すことが困難である。したがって、外層30が銅層を含む場合には、銅層の外周側に、レーザー低反射率層を積層することが好ましい。なお、レーザー低反射率層の積層は、めっきを施すことにより行ってもよい。
第3工程(S3)において、外層30の外周面33上に、LMD処理によって、LMD層50が積層される。図7は、燃焼器2の平面図であり、LMD処理を実行中の状態を模式的に示す図である。図7において、斜線で示される領域Dには、レーザー光が照射されるとともに、LMD層50を構成する材料の粉体が供給される。レーザー光によって、外層30の表層部分と粉体とが溶融する。領域D(レーザー光の照射位置および粉体の供給位置)を矢印Eに沿って徐々に移動させることにより、ビード52(畝状の盛り上がり部分)が形成される。
ビード52の形成を外層30の表面に沿って隙間なく行うことにより、LMD層50が形成される。LMD層50は、フープ荷重による内筒20および外層30の変形を抑制する補強層として機能する。また、LMD層50は、冷却媒体の圧力による内筒20および外層30の変形を抑制する補強層として機能する。
なお、図7に記載の例では、ビード52の形成は、螺旋状に行われている。代替的に、図8に示されるように、ビード52の形成は、環状に行われてもよい。図8に記載の例では、環状ビード52−1が形成された後、領域D(レーザー光の照射位置および粉体の供給位置)は、燃焼器2の長手方向軸の方向であるX方向に沿って移動される。領域Dを、燃焼器2の周方向であるR方向に沿って移動させることにより、環状ビード52−2が形成される。同様にして、環状ビード52−3、52−4、52−5、52−6が形成される。なお、図9は、図8のF−F矢視断面図である。
図3乃至図9に記載の例では、補強層であるLMD層50が、LMD処理によって、形成される。このため、鍛造材の切削、および、鍛造材の外層への溶接を用いて補強層を形成する場合と比較して、補強層の製造コストが低減される。また、LMD層50と、外層30とは、LMD処理により全境界面にわたって結合されている。このため、外層30からLMD層50(補強層)への荷重の伝達効率が高い。
なお、LMD処理については、従来、部材の補修、あるいは、耐食層の形成等への適用例が存在する。しかし、ロケットエンジンの燃焼器のように熱伝導率の高い部材に、LMD処理を施すことは、LMD処理の技術常識を覆すものである。また、ロケットエンジンの燃焼器の主たる材料が、レーザー光の反射率の高い銅あるいは銅合金であることを考慮すると、レーザー光を用いるLMD処理を、ロケットエンジンの燃焼器に適用することは、LMD処理の技術常識を覆すものである。さらに、ロケットエンジンの燃焼器には、高温と高応力とが作用する。高温と高応力とが作用する構造材の製造を、LMD処理を用いて行うことは、LMD処理の技術常識を覆すものである。特に、ロケットエンジン燃焼器の補強材層(外筒)をLMD処理により形成することは、ロケットエンジン燃焼器の補強材層(外筒)は鍛造によって形成されるという技術常識を覆すものである。
(ロケットエンジンの燃焼器の製造方法のより詳細な説明)
図10乃至図21を参照して、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法についてより詳細に説明する。図10乃至図21において、図1乃至図9に記載の部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。
図10乃至図21を参照して、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法についてより詳細に説明する。図10乃至図21において、図1乃至図9に記載の部材と同じ機能を有する部材については、同一の図番が付されている。
図10は、ロケットエンジンの燃焼器の製造方法を示すフローチャートである。図11は、内筒20の概略斜視図である。なお、図11において、冷却用の溝24の記載は省略されている。図12は、面Gにおける図11の断面図である。
第1工程(S101)において、冷却用の溝24を有する燃焼器内筒20が準備される。燃焼器内筒20は、ノズル(必要であれば、図1のノズル3を参照。)の内筒等と一体のものであってもよいし、ノズルの内筒等とは別体のものであってもよい。ここでは、燃焼器内筒20は、ノズルの内筒等と別体であるとして説明する。
内筒20は、例えば、内筒20の長手方向中心軸Oに対して、軸対称な底壁21を備える。底壁21の長手方向中心軸Oに垂直な断面形状は、例えば、円である。当該円の内径(底壁21の内径)または外径(底壁21の外径)の大きさは、長手方向中心軸Oの方向に沿って、変化してもよい。内筒20は、底壁21に接続された複数の側壁22を備える。底壁21と複数の側壁22とは、例えば、一体に成形された1つの部材である。複数の側壁22のうちの隣接する2つの側壁と底壁21とによって溝24が形成される。内筒20は、底壁21の円周方向に沿って、複数の溝24を備える。溝24は、冷却媒体が通過可能な冷却用の溝である。冷却媒体は、例えば、液体水素等の低温流体である。内筒20は、外周面23を有する。外周面23は、より厳密には、側壁22の外周面である。内筒20は、例えば、銅を99重量%以上含む銅合金によって構成される。
次に、内筒20の外周面23上に、外層30を設ける方法について説明する。外層30を設ける方法としては、ろう付け法、電鋳法(厚膜電気めっき法)、粉末冶金法、拡散接合法等を採用することが可能である。また、内筒の外周面上に外層を設ける方法は、上記の方法以外の方法であってもよい。例えば、冷却穴を電解加工等の方法により直接形成することにより、内筒の外周面上に外層を設けてもよい。なお、ろう付け法を採用する場合には、被接合表面にろう材を均一に塗布することが要請される場合がある。粉末冶金法を採用する場合には、粉末の圧縮成形時に、内筒20等が変形しないようにすることに注意を要する。拡散接合法を採用する場合には、被接合面同士が密着するように、被接合面の寸法に高い精度が求められる点に注意を要する。ここでは、ろう付け法、粉末冶金法、拡散接合法と比較して、制約条件の少ない電鋳法(電気めっき法)について、より詳細に説明する。
電気めっき法では、外層30の厚さを自由に設定可能である。
第2工程(S102)および第3工程(S103)は、電気めっきを実行する前の準備工程である。
第2工程(S102)において、内筒20の冷却用の溝24に、充填剤60が充填される。充填剤60は、銅よりも融点が低い低融点材料である。充填剤60は、例えば、ワックスである。溝24への充填剤60の充填は、例えば、内筒20の全体を、溶融状態の充填剤の浴に浸漬することにより実施される。内筒20のうち、充填剤26の充填が不要な部分(例えば、底壁21のうち、燃焼室4に面する内周面)には、予め、マスキング材が施されてもよい。内筒20の全体を充填剤の浴に浸漬する工程と、内筒20を充填剤の浴から取り出す工程とを繰り返すことにより、溝24に充填剤60が充填される。溝24への充填剤60の充填後、内筒20に付着した余剰な充填剤60は、内筒20から取り除かれる。
図13は、第2工程(S102)を実行後の状態を示す内筒20の断面図である。図13は、余剰な充填剤60が取り除かれた後の状態を示す。図13において、充填剤60の外周面63と、内筒の外周面23(すなわち、側壁22の外周面23)とは、面一である。内筒の外周面23(すなわち、側壁22の外周面23)は、充填剤60で覆われていない。換言すれば、内筒の外周面23において、母材(銅または銅合金等)が露出している。
充填剤60が、非導電性材料である場合、充填剤60の表面に導電性材料70を適用する必要がある。非導電性材料の表面に、電気めっきすることは困難であるからである。導電性材料70の適用は、例えば、充填剤60の表面に、銀粉を適用することにより実行される。なお、内筒の外周面23(すなわち、側壁22の外周面23)には、銀粉が適用されてもよいし、銀粉が適用されなくてもよい。第3工程(S103)は、導電性材料70を充填剤60の表面に適用する工程である。なお、充填剤60が、導電性材料である場合には、第3工程(S103)を、省略することができる。図14は、第3工程(S103)を実行後の状態を示す内筒20の断面図である。
第4工程(S104)は、電気めっき工程である。図15は、第4工程(S104)を実行中の状態を示す内筒20および外層30の断面図である。第4工程(S104)では、内筒の外周面23上および充填剤の外周面63上に、外層30が電気めっきされる。第4工程(S104)は、例えば、充填剤60が充填された内筒20をめっき浴80に浸漬することにより実行される。内筒20は、第1電極82として機能する。内筒20は、例えば、陰極側の配線82に接続される。めっき材料84は、第2電極として機能する。めっき材料84は、例えば、陽極側の配線86に接続される。第1電極と第2電極との間に電圧を印加することにより(換言すれば、内筒20とめっき材料84との間に電圧を印加することにより)、内筒20の外周面23上には外層30が積層され、充填剤60の外周面63上には外層30が積層される。なお、内筒20の表面のうち、電気めっきが不要な部分には、予め、マスキング材が適用されてもよい。
外層30は、複数の層を含んでいてもよい。第4工程(S104)において、電鋳により、内筒20および充填剤60の外周面上に第1層30−1(最内層)を積層し、その後、電鋳により、第1層の外周面上に第2層30−2(最外層)を積層してもよい。なお、第1層を積層した後、第2層を積層する前に、第1層の外周面を表面処理することにより、第1層の外周面を平滑化してもよい。
なお、第1層30−1と第2層30−2との間に、単数または複数の中間層が配置されてもよい。中間層の材質は、第1層30−1の材質と同一であってもよいし、第1層30−1の材質と異なる材質であってもよい。中間層の材質は、第2層30−2の材質と同一であってもよいし、第2層30−2の材質と異なる材質であってもよい。第1層30−1、第2層30−2、中間層は、電気めっきにより形成される。
図16は、第1層30−1および第2層30−2を含む外層30を積層後の内筒20の断面図である。第1層30−1の内周面は、内筒20の外周面23に接合され、第2層30−2の内周面は、第1層30−1の外周面に接合されている。図16に記載の例では、第1層30−1(最内層)が、銅層(銅合金層を含む)であり、第2層30−2(最外層)が、ニッケル層(ニッケル合金層を含む)である。なお、第1層30−1と第2層30−2との間に、単数または複数の中間層が配置されてもよい。
第1層30−1の内周面(溝24に面する面)と、内筒の側壁22の側面(溝24に面する面)と、底壁21の外面(溝24に面する面)とによって、冷却媒体が通過する冷却流路が構成される。冷却媒体に対する耐食の観点から、第1層30−1(最内層)は、冷却媒体に対する耐食材料によって構成される。第1層30−1は、例えば、耐食材料である銅層(銅合金層を含む)である。換言すれば、第1層30−1は、銅電鋳層である。銅層は、例えば、ニッケル層と比較して、冷却媒体に対する耐食性が高い。
銅層の引っ張り強度(銅層を構成する銅または銅合金の引っ張り強度)は、比較的小さい。このため、銅層によってフープ荷重を支持する場合には、銅層の厚さを厚くする必要がある。銅層の厚さを厚くするためには、電鋳処理の時間を長くすればよい。しかし、電鋳処理時間の増加は、製造コストの上昇を意味する。電鋳処理時間の増加を抑制するために、中間層あるいは第2層として、引っ張り強度が大きな高強度層を配置してもよい。本明細書において、高強度層は、銅の引っ張り強度よりも大きな引っ張り強度を有する材料によって構成される層を意味する。高強度層を配置することにより、第1層30−1である銅層の厚さを薄くすることができる。また、高強度層を配置することにより、外層30全体の厚さを薄くすることができる。外層30全体の厚さが薄くされることにより、電鋳処理時間の増加が抑制される。
高強度層は、例えば、ニッケル層(ニッケル合金層を含む)である。なお、ニッケル層は、LMD処理で用いるレーザー光の反射率が低い低反射率層である。このため、後述のLMD処理の観点から、ニッケル層を、外層30の最外層とするのが好ましい。高強度層であるニッケル層を外層30の最外層とする場合、外層30の全体の厚さを薄くできるとともに、LMD処理が容易になるとの相乗効果を奏する。
外層30が、高強度層を含む場合、第1層30−1である銅層の厚さは、例えば、0.5mm以上4mm以下とすることが可能である。
任意付加的に、第4工程の実施後、第5工程を実施する前に、外層の最外層(第2層30−2)の外周面を表面処理することにより、最外層の外周面を平滑化してもよい。
任意付加的に、第4工程の実施後、第5工程を実施する前に、冷却用の溝24から、充填剤60が除去されてもよい。充填剤60の除去は、例えば、内筒20を加熱して、充填剤60を溶融させることによって行われる。溶融状態の充填剤60は、冷却用の溝24から除去される。なお、充填剤60の除去は、外層30の最外層の外周面の平滑化よりも前に実行されてもよいし、外層30の最外層の外周面の平滑化よりも後に実行されてもよい。図17は、充填剤60が除去された後の燃焼器2の断面図である。
第5工程(S105)は、LMD処理工程である。第5工程は、外層30の最外層(第2層30−2)の外周面上に、高強度層であるLMD層50を積層する工程である。LMD層50の引っ張り強さは、外層30の第1層30−1である銅層の引っ張り強さよりも大きい。図18は、第5工程(S105)であるLMD処理を実行中の状態を示す側面図である。
LMD処理に際して、燃焼器2は、支持装置100によって支持される。燃焼器2は、支持装置100によって、燃焼器2の長手方向中心軸Oまわりに回転自在に支持される。支持装置100は、例えば、基台110および回転体120を備える。基台110は、回転体120を介して、燃焼器2を支持する。回転体120は、適宜の固定機構(例えば、チャック)によって、燃焼器2を保持する。回転体120の回転軸は、燃焼器2の長手方向中心軸Oと一致する。支持装置100は、モータ等の駆動源130を備える。駆動源130の動力により、回転体120は回転する。
LMD処理は、LMD装置200によって実行される。LMD装置200は、LMD装置移動装置300に取り付けられている。LMD装置移動装置300は、少なくとも、燃焼器2の長手方向中心軸Oに沿う方向にLMD装置200を移動させることが可能である。付加的に、LMD装置移動装置300は、燃焼器2の径方向(図18のZ方向)に、LMD装置200を移動させることが可能であってもよい。図18に記載の例では、LMD装置移動装置300は、マニピュレータである。マニピュレータは、例えば、複数のアーム(310−1、310−2、310−3)、および、複数のアーム同士を回転自在に連結する少なくとも1つのピボット(320−1、320−2)を備える。
LMD処理に際して、燃焼器2を長手方向中心軸Oまわりに回転させるとともに、LMD装置200を長手方向中心軸Oに沿う方向に移動させることにより、外層30の外周面上に螺旋状のビード52を形成することが可能である。代替的に、LMD処理に際して、燃焼器2を長手方向中心軸Oまわりに回転させるとともに、LMD装置200の位置を保持することにより、外層30の外周面上に環状ビード(必要であれば、図8の環状ビード52を参照)を形成することが可能である。
代替的に、図19に示されるように、LMD処理に際して、回転体120の位置を固定した状態で、LMD装置200を長手方向中心軸Oに沿う方向に移動させることにより、外層30の外周面上に長手方向中心軸Oに沿う方向の直線状のビード52を形成してもよい。なお、フープ荷重(燃焼器2の周方向に沿う方向の荷重)を支持する観点からは、直線状のビードを形成するよりも、螺旋状のビードまたは環状のビードを形成する方が好ましい。また、LMD装置200を移動させる速さをゼロまたは低速にできる観点から、直線状のビードを形成するよりも、螺旋状のビードまたは環状のビードを形成する方が好ましい。
LMD装置200は、レーザー光210を照射する照射口と、粉体220を噴射する噴射口と、シールドガス230を供給する供給口とを有する。レーザー光210は、粉体220および外層30の表層部分を溶融するエネルギを、粉体220および外層30の表層部分に付与する。粉体220は、LMD層を形成するための原料である。シールドガス230は、溶融材料(換言すれば、粉体220、および、外層30の表層部分が溶融することにより形成された溶融材料)の酸化を抑制するために供給される不活性ガスである。
図20は、LMD装置200の断面図(図18におけるH−H矢視断面図)である。図20に記載の例では、レーザー光を照射する照射口212と、粉体220を噴射する複数の噴射口222とが、同心状に配置されている。図20に記載の例では、複数の噴射口222が、照射口212を囲むように配置されている。照射口212と噴射口222とが同心状に配置されることにより、レーザー光210の照射領域に向けて粉体220が安定的に供給される。その結果、形成されるビードの形状が安定する。
また、図20に記載の例では、粉体220を噴射する複数の噴射口222と、シールドガスを供給する供給口232とが、同心状に配置される。図20に記載の例では、複数の供給口232が、複数の噴射口222を囲むように配置されている。複数の供給口232は、1つの環状の供給口によって代替されてもよい。不活性ガス等のシールドガス(例えば、アルゴンガス)は、レーザー光の照射領域を囲むように、LMD装置200の供給口232から供給される。
LMD装置200は、レーザー光210を、外層30に向けて照射する。レーザー光210は、外層30または外層30の近傍に焦点を結ぶ。レーザー光の波長は、粉体220の材質、外層30の最外層の材質等に応じて選択されてもよい。レーザー光の波長は、例えば、1030nm以上1100nm以下である。LMD装置200は、レーザー光210が照射される領域に向けて、粉体220を噴射する。レーザー光210が照射される領域内に存在する粉体220、および、外層30の表層部分は、レーザー光210のエネルギによって、溶融する。溶融材料(換言すれば、粉体220、および、外層30の表層部分が溶融することにより形成された溶融材料)が凝固することにより、ビード52が形成される。
なお、外層30の最外層(換言すれば、外層30の表層部分)が、銅層である場合には、レーザー光が反射されることによって、最外層へのエネルギの伝達が不十分となるおそれがある。また、外層30の最外層が銅層である場合には、銅層が高熱伝導材料であることに起因して、最外層に伝達されたエネルギがレーザー照射領域外に拡散する。このため、銅を主材料とする燃焼器2の製造工程に、LMD処理を用いることは、困難であると考えられていた。
本実施形態では、外層30の最外層をレーザー低反射率層とすることにより、LMD処理を効果的に実施することが可能である。
LMD層50は、LMD処理によって形成されたビード52の層である。LMD層50は、高強度層である。高強度層は、銅の引っ張り強度よりも大きな引っ張り強度を有する材料によって構成される層を意味する。高強度層であるLMD層50は、例えば、ニッケル基合金層である。ニッケル基合金層は、例えば、インコネル625(なお、「インコネル」は、登録商標である。)、インコネル718(なお、「インコネル」は、登録商標である。)等のニッケル基耐熱合金層である。粉体220を、ニッケル基合金の粉体とすることにより、LMD層50を、ニッケル基合金層とすることが可能である。
LMD層50の主材料(LMD層のうち最も重量含有率の大きな元素)と、レーザー低反射率層の主材料(レーザー低反射率層のうち最も重量含有率の大きな元素)とを同一の材料とすることで、LMD層50における不純物の量を低減することが可能である。すなわち、LMD層50は、粉体220と外層30の表層部分の材料との混合物によって形成される。表層部分を構成するレーザー低反射率層の材質の一部と、粉体220の材質の一部とを一致させることにより、LMD層50における不純物の量を低減することが可能である。その結果、LMD層の強度の低下が抑制される。例えば、レーザー低反射率層をニッケル層とし、粉体220の材質を、ニッケル基合金とすることにより、LMD層50における不純物の量を低減することが可能である。なお、ニッケル層は、レーザー低反射率層であるとともに、高強度層である。
LMD層50を積層する工程は、例えば、複数のLMD層を積層する工程である。図21は、第5工程(S105)であるLMD処理を実行中の状態を示す側面図である。図21は、第1LMD層50−1を外層30上に積層した後、第2LMD層50−2を第1LMD層50−1上に積層中の状態を示す。第2LMD層50−2のビードは、第1LMD層のビードの山部50−Aと山部50−Aの間の谷部50−Bに形成されてもよい。LMD層のビード間の谷部に、次層のLMD層のビード(換言すれば、他のLMD層のビード)を形成することにより、LMD層表面の凸凹(でこぼこ)を小さくすることが可能である。
代替的に、あるいは、付加的に、第2LMD層50−2のビードの幅を、第1LMD層50−1のビードの幅よりも大きくし、第2LMD層50−2のビードの高さを、第1LMD層50−1のビードの高さよりも大きくすることが可能である。第2LMD層50−2の材質は、第1LMD層50−1の材質と実質的に同じである。第2LMD層50−2のビードの大きさを大きくする(換言すれば、ビードの幅および高さを大きくする)ことによって、所定厚のLMD層を形成するのに要する時間を短縮することが可能である。
図22は、LMD処理によってLMD層が形成された後の燃焼器2の断面図である。燃焼器2は、冷却用の溝24を有する内筒20を備える。燃焼器内筒20の外周面上には、内筒20の溝24を覆うように、外層30が配置されている。図22に記載の例では、外層の最内層である第1層30−1は、銅層であり、外層の最外層である第2層30−2は、レーザー低反射率層である。なお、レーザー低反射率層が薄層である時、レーザー低反射率層は、LMD処理時に溶融して、LMD層50と一体化される場合がある。この場合、LMD層が形成された後の燃焼器2において、外層30は、レーザー低反射率層を含まない。
外層30の外周面上には、LMD層50が配置されている。図22に記載の例では、LMD層50は、第1LMD層50−1と第2LMD層50−2とを含む複数の層である。LMD層の層数は、1以上の任意の整数である。なお、1つのLMD層と隣接するLMD層とは、LMD処理により一体化されるため、LMD層が形成された後の燃焼器2において、LMD層の層数が不明となる場合がある。
図23は、LMD処理によってLMD層50が形成された後の燃焼器2の側面図である。図23に記載の例において、燃焼器2の第1端部2−1および第2端部2−2には、LMD層50が適切に形成されていない。燃焼器2の第1端部2−1および第2端部2−2は、切除または平滑化されてもよい。LMD層50は、ビード52の存在によって特徴づけられる。しかし、LMD層50の表面を平滑化処理した場合、ビード52の存在が不明となる場合がある。
実施形態では、燃焼器の外層30の外周面上に、LMD処理によって、高強度層であるLMD層50が積層される。このため、鍛造材によって高強度層を設ける場合と比較して、製造コストおよび製造時間が低減される。また、鍛造材の切削により高強度層を作製する場合と比較して、材料の歩留まりがよい。
また、LMD処理は、局所的にレーザーを照射するものであるため、一般的な溶接処理と比較して、被処理材の熱変形が小さい。また、LMD処理によって、外層30とLMD層50とが、両層の接触面の全体にわたって一体化される。このため、外層からLMD層への荷重の伝達効率が高い。また、LMD層が荷重支持層として機能するため、外層の厚さを薄くすることが可能である。任意付加的に、外層が電鋳処理によって形成される場合には、外層の厚さを薄くすることが可能であることにより、電鋳処理(電気めっき処理)の処理時間を短縮することが可能である。
任意付加的に、外層の一部を、高強度を有する電鋳層とすることによって、外層全体の厚さを薄くすることが可能である。外層全体の厚さを薄くできることにより、電鋳処理(電気めっき処理)の処理時間を短縮することが可能である。
任意付加的に、外層の最外層を、レーザー低反射率層とすることにより、LMD処理が効果的に実行される。
任意付加的に、レーザー低反射率層を高強度層とすることにより、外層の層数を少なくすること、あるいは、外層の厚さを小さくすることが可能である。外層の層数を少なくすることにより、外層を形成する際の製造コストおよび製造時間を低減することができる。外層の厚さを小さくすることにより、外層を形成する際の製造コストおよび製造時間を低減することができる。
本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施形態又は変形例で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施形態又は変形例にも適用可能である。
1 :ロケットエンジン
2 :燃焼器
2−1 :第1端部
2−2 :第2端部
3 :ノズル
4 :燃焼室
20 :燃焼器内筒
21 :底壁
22 :側壁
23 :外周面
24 :溝
26 :充填剤
30 :外層
30−1 :第1層
30−2 :第2層
31 :内周面
33 :外周面
40 :補強層
40A :第1補強部品
40B :第2補強部品
50 :LMD層
50−1 :第1LMD層
50−2 :第2LMD層
50−A :山部
50−B :谷部
52 :ビード
52−1 :環状ビード
52−2 :環状ビード
52−3 :環状ビード
60 :充填剤
63 :外周面
70 :導電性材料
80 :めっき浴
82 :第1電極
84 :めっき材料
86 :第2電極
100 :支持装置
110 :基台
120 :回転体
130 :駆動源
200 :LMD装置
210 :レーザー光
212 :照射口
220 :粉体
222 :噴射口
230 :シールドガス
232 :供給口
300 :LMD装置移動装置
310−1:アーム
310−2:アーム
310−3:アーム
320−1:ピボット
320−2:ピボット
O :長手方向中心軸
2 :燃焼器
2−1 :第1端部
2−2 :第2端部
3 :ノズル
4 :燃焼室
20 :燃焼器内筒
21 :底壁
22 :側壁
23 :外周面
24 :溝
26 :充填剤
30 :外層
30−1 :第1層
30−2 :第2層
31 :内周面
33 :外周面
40 :補強層
40A :第1補強部品
40B :第2補強部品
50 :LMD層
50−1 :第1LMD層
50−2 :第2LMD層
50−A :山部
50−B :谷部
52 :ビード
52−1 :環状ビード
52−2 :環状ビード
52−3 :環状ビード
60 :充填剤
63 :外周面
70 :導電性材料
80 :めっき浴
82 :第1電極
84 :めっき材料
86 :第2電極
100 :支持装置
110 :基台
120 :回転体
130 :駆動源
200 :LMD装置
210 :レーザー光
212 :照射口
220 :粉体
222 :噴射口
230 :シールドガス
232 :供給口
300 :LMD装置移動装置
310−1:アーム
310−2:アーム
310−3:アーム
320−1:ピボット
320−2:ピボット
O :長手方向中心軸
Claims (18)
- 冷却用の溝を有する燃焼器内筒を準備する工程と、
前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように、前記燃焼器内筒の外周面上に外層を設ける工程と、
前記外層の外周面上に、LMD処理によって、LMD層を積層する工程と
を具備し、
前記燃焼器内筒の外周面上に外層を設ける工程は、
前記燃焼器内筒の外周面上に第1層を積層する工程と、
前記外層の最外層としてレーザー低反射率層を積層する工程と
を含み
前記レーザー低反射率層は、前記第1層と比較して、前記LMD処理で使用するレーザー光の反射率が低い層である
ロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記レーザー低反射率層の引っ張り強度は、前記第1層の引っ張り強度よりも大きい
請求項1に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記外層の最外層としてレーザー低反射率層を積層する工程は、電気めっきにより前記レーザー低反射率層を積層する工程である
請求項1又は2に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記レーザー低反射率層は、ニッケル層である
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記レーザー低反射率層の主材料と、前記LMD層の主材料とは、同じ材料である
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記燃焼器内筒の外周面上に第1層を積層する工程は、電鋳法により前記燃焼器内筒の外周面上に前記第1層を積層する工程である
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記第1層は、銅層である
請求項1乃至6のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記LMD層を積層する工程は、
前記外層の外周面上に、前記LMD処理によって、第1LMD層を積層する工程と、
前記第1LMD層上に第2LMD層を積層する工程と
を備える
請求項1乃至7のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記LMD層は、螺旋状ビード、または、環状ビードを含む
請求項1乃至8のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 前記LMD層は、ニッケル基合金層である
請求項1乃至9のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 冷却用の溝を有する燃焼器内筒を準備する工程と、
前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように、前記燃焼器内筒の外周面上に外層を設ける工程と、
前記外層の外周面上に、LMD処理によって、LMD層を積層する工程と
を具備し、
前記外層の最外層は、前記LMD処理で使用するレーザー光の反射率が銅層よりも低いレーザー低反射率層である
ロケットエンジンの燃焼器の製造方法。 - 冷却用の溝を有する燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の外周面上に、前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように配置される外層と、
前記外層の外周面上に配置されるLMD層と
を具備し、
前記外層は、
前記燃焼器内筒の外周面上に配置される第1層と、
前記LMD層の内周面に接触配置されるレーザー低反射率層と
を含み、
前記レーザー低反射率層は、前記第1層と比較して、前記LMD層を積層するLMD処理で使用するレーザー光の反射率が低い層である
ロケットエンジンの燃焼器。 - 前記レーザー低反射率層は、前記第1層よりも引っ張り強度の大きな高強度層である
請求項12に記載のロケットエンジンの燃焼器。 - 冷却用の溝を有する燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の外周面上に、前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように配置される外層と、
前記外層の外周面上に配置されるLMD層と
を具備し、
前記外層は、
前記燃焼器内筒の外周面上に配置される第1層と、
前記LMD層の内周面に接触配置され、前記第1層よりも引っ張り強度の大きな高強度層と
を含み、
前記第1層は、銅層であり、
前記高強度層は、ニッケル層である
ロケットエンジンの燃焼器。 - 前記高強度層の主材料と、前記LMD層の主材料とは、同じ材料である
請求項13又は14に記載のロケットエンジンの燃焼器。 - 請求項12乃至15のいずれか一項に記載のロケットエンジンの燃焼器を備えたロケットエンジン。
- 冷却用の溝を有する燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の外周面上に、前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように配置される外層と、
前記外層の外周面上に配置されるLMD層と
を具備し、
前記外層又は前記LMD層には、前記LMD層を形成するLMD処理により溶融された外層材料であって、前記LMD処理で使用するレーザー光の反射率が銅よりも低い材料を含む
ロケットエンジンの燃焼器。 - 冷却用の溝を有する燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の外周面上に、前記燃焼器内筒の前記冷却用の溝を覆うように配置される外層と、
前記外層の外周面上に配置されるLMD層と
を具備し、
前記外層の最外層は、前記LMD層を形成するLMD処理で使用するレーザー光の反射率が銅層よりも低いレーザー低反射率層である
ロケットエンジンの燃焼器。
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