JP5909809B2 - Thrust control device and thrust control method for liquid rocket engine - Google Patents

Thrust control device and thrust control method for liquid rocket engine Download PDF

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Description

本発明は、液体ロケットエンジンの推力を低減制御する際にその推力を安定化する推力制御装置及び推力制御方法に関する。   The present invention relates to a thrust control device and a thrust control method for stabilizing a thrust when the thrust of a liquid rocket engine is reduced.

液体ロケットエンジンでは

Figure 0005909809
という関係がある。ここで、Tはロケットエンジンの推力、CFは推力係数、pcは燃焼圧、Atはノズルスロート面積、c*はロケットエンジンの特性速度、
Figure 0005909809
は推進薬(燃料、酸化剤)の噴射流量である。 In liquid rocket engines
Figure 0005909809
There is a relationship. Here, T is the rocket engine thrust, C F is thrust coefficient, p c is the combustion pressure, A t is the nozzle throat area, c * is characteristic velocity of the rocket engine,
Figure 0005909809
Is the injection flow rate of propellant (fuel, oxidant).

上記の関係から明らかなように、推力と燃焼圧および推進薬流量はほぼ比例するので、推力を低減する場合には、定格の運転条件から推進薬流量と燃焼室の燃焼圧を減じることにより推力の低減制御が行われている。   As is clear from the above relationship, the thrust, combustion pressure, and propellant flow rate are almost proportional.When reducing the thrust, thrust is reduced by reducing the propellant flow rate and combustion chamber combustion pressure from the rated operating conditions. Reduction control is performed.

推進薬がロケットエンジンの噴射オリフィスを通して燃焼室に流入する流量は、ベルヌーイの式から導かれる以下の式

Figure 0005909809
で支配される。ここで、Cは噴射オリフィスの流量係数、Aは噴射オリフィスの断面積、ρは噴射流体の密度、piは噴射オリフィス背部の噴射圧、pcは燃焼室の燃焼圧である。これから、以下のように燃焼圧と噴射差圧(噴射圧と燃焼圧との差、Δpic)との関係を導くことができ、
Figure 0005909809
となり、燃焼圧に対する噴射差圧の比は燃焼圧に比例することがわかる。これは、例えば推力を10%に絞ると、噴射差圧と燃焼圧との比も定格時の10%になることを意味する。非特許文献1(Crocco)によれば、低周波振動燃焼(いわゆる「チャギング」)の発生に関して、噴射差圧と燃焼圧との比
Figure 0005909809
は重要なパラメータであり、この値が大きければ安定化し、この値が小さくなれば不安定化するとされている。従って、推力を深く絞った低減制御を行うと低周波振動燃焼(チャギング)のリスクが増加することが示唆される。 The flow rate of the propellant flowing into the combustion chamber through the injection orifice of the rocket engine is the following formula derived from Bernoulli's formula
Figure 0005909809
Dominated by. Here, C is the flow coefficient of the injection orifice, A is the cross-sectional area of the injection orifice, ρ is the density of the injection fluid, p i is the injection pressure at the back of the injection orifice, and pc is the combustion pressure in the combustion chamber. From this, the relationship between combustion pressure and injection differential pressure (difference between injection pressure and combustion pressure, Δp ic ) can be derived as follows:
Figure 0005909809
Thus, it can be seen that the ratio of the injection differential pressure to the combustion pressure is proportional to the combustion pressure. This means that, for example, when the thrust is reduced to 10%, the ratio between the injection differential pressure and the combustion pressure is also 10% of the rated value. According to Non-Patent Document 1 (Crocco), the ratio of the injection differential pressure to the combustion pressure with respect to the occurrence of low frequency vibration combustion (so-called “chugging”).
Figure 0005909809
Is an important parameter. It is said that if this value is large, it will become stable, and if this value becomes small, it will become unstable. Therefore, it is suggested that the risk of low-frequency vibration combustion (chugging) increases if reduction control with deep thrust is performed.

流量と圧力を定常項と変動項とに分けて

Figure 0005909809
とおき、噴射差圧と流量の関係式の微分を取ると、燃焼圧力の変動割合に対する流量変動割合は
Figure 0005909809
となり、燃焼圧変動割合の半分に比例し、燃焼圧の変化に対しては、燃焼圧を小さくした時に逆比例して大きくなる。 Dividing flow rate and pressure into steady and variable terms
Figure 0005909809
Then, taking the derivative of the relational expression between injection differential pressure and flow rate,
Figure 0005909809
Thus, it is proportional to half of the fluctuation rate of the combustion pressure, and the change in the combustion pressure increases in inverse proportion when the combustion pressure is reduced.

ロケットエンジンの推力を低減制御する場合、燃焼圧と推進薬流量は、推力に比例して小さくなる。そのために、上式は、推力を下げるために燃焼圧を低くすると、同じオーダの燃焼圧変動割合に対して、流量変動割合への影響が増幅されることを示す。これは、推力を低減領域に深く制御しようとすると、燃焼圧の変動割合に対して流量が非常に敏感に変動する不安定な結果を生むことを意味する。   When reducing the thrust of the rocket engine, the combustion pressure and the propellant flow rate become smaller in proportion to the thrust. Therefore, the above equation shows that when the combustion pressure is lowered to reduce the thrust, the influence on the flow rate fluctuation ratio is amplified with respect to the combustion pressure fluctuation ratio of the same order. This means that if the thrust is controlled deeply in the reduction region, an unstable result in which the flow rate fluctuates very sensitively with respect to the fluctuation rate of the combustion pressure is produced.

非特許文献1(Crocco)では、低周波振動燃焼(チャギング)を誘起する原因は、このような流量変動と燃焼室の燃焼過程における時間遅れとの結合にあるとされており、推力を低減制御した場合、燃焼圧の僅かな変動に対しても流量変動が増幅されることは、この面からも低周波振動燃焼(チャギング)のリスクが増加することを示している。   In Non-Patent Document 1 (Crocco), the cause of low-frequency vibration combustion (chugging) is caused by the combination of such flow rate fluctuations and time delays in the combustion process of the combustion chamber. In this case, the fact that the flow rate fluctuation is amplified even with a slight fluctuation in the combustion pressure indicates that the risk of low-frequency vibration combustion (chugging) increases from this aspect as well.

低周波振動燃焼(チャギング)それ自体により、高周波振動燃焼による燃焼室の焼損などのような燃焼室破壊に到ることはないとされるが、ペイロードに対する加速度制限の観点からは許容できないので、推力の低減制御ではこの課題に関する解決策を講じる必要がある。   Low-frequency vibration combustion (chugging) itself does not lead to combustion chamber destruction such as combustion chamber burning due to high-frequency vibration combustion, but is not acceptable from the viewpoint of limiting acceleration to the payload. It is necessary to take a solution for this problem in the reduction control.

以上の問題に対応する従来の技術は、以下のように整理される。
(A)「推進薬配管内に挿入したキャビテーティングベンチュリの利用」
ベンチュリ管の下流圧を下げ続けると、流量は増え続けるとともにベンチュリの咽喉部では圧力が低下する。咽喉部での圧力は液体の温度における飽和蒸気圧に達すると、下流圧をいくら下げ続けても咽喉部では圧力が飽和蒸気圧よりも下がることなく蒸気を発生し、流量はベンチュリノズルの上流圧と咽喉部の飽和蒸気圧で決定される差圧に従って一定の流量を保持する。このようなものをキャビテーティングベンチュリという。
Conventional techniques for dealing with the above problems can be summarized as follows.
(A) “Use of cavitating venturi inserted in propellant piping”
If the downstream pressure of the Venturi tube continues to decrease, the flow rate continues to increase and the pressure drops at the venturi throat. When the pressure in the throat reaches the saturated vapor pressure at the temperature of the liquid, no matter how much the downstream pressure continues to be reduced, the throat generates vapor without the pressure falling below the saturated vapor pressure, and the flow rate is the upstream pressure of the venturi nozzle. Maintain a constant flow according to the differential pressure determined by the saturated vapor pressure of the throat and throat. This is called cavitating venturi.

非特許文献2(Randall)では、キャビテーティングベンチュリの特性を水の場合について説明し、これをロケットに適用すれば、複雑な制御をしなくとも一定の流量が保持できることが述べられている。また流量の変更には咽喉部にピントルを挿入して通過面積を変える方法が紹介される。キャビテーティングベンチュリは、ディヒューザ部総圧が上流圧総圧の85%以下で液体の蒸気圧よりも高い状態で機能するとされる。液体ロケットエンジンへの応用では、推進薬の供給配管にキャビテーティングベンチュリを挿入する。   Non-Patent Document 2 (Randall) describes the characteristics of a cavitating venturi in the case of water, and states that if this is applied to a rocket, a constant flow rate can be maintained without complicated control. In order to change the flow rate, a method of changing the passage area by inserting a pintle into the throat is introduced. The cavitating venturi is supposed to function in a state where the total diffuser pressure is 85% or less of the total upstream pressure and higher than the vapor pressure of the liquid. For liquid rocket engine applications, a cavitating venturi is inserted into the propellant supply pipe.

特許文献1では、二液式ロケットエンジンについて、推進薬供給管路にキャビテーションオリフィスを置くとされ、タンク式エンジンの低減推力時の燃焼の安定化のために用いるとされる。非特許文献2(Randall)のキャビテーティングベンチュリは、ベンチュリの咽喉部にピントル機構を挿入して、広い流量範囲に対応するように提案している。特許文献1では、ピントル機構の精密な調整を行わずに済むように、大流量と小流量の配管を分岐させて、小流量側の管路にキャビテーションオリフィスを挿入し、上流側の弁で管路を切り替えて流量変化に対する対応を簡素化する点に、特許の主たる効果を説明している。実施例ではヒドラジン/NTOの組合せのタンク式エンジンについて開示されている。   In Patent Document 1, it is assumed that a cavitation orifice is placed in a propellant supply line for a two-component rocket engine and is used for stabilization of combustion at the time of reduced thrust of a tank type engine. The cavitating venturi of Non-Patent Document 2 (Randall) proposes that a pintle mechanism is inserted into the throat of the venturi to cope with a wide flow range. In Patent Document 1, a large flow rate and a small flow rate are branched so that precise adjustment of the pintle mechanism is not required, and a cavitation orifice is inserted into the small flow rate side pipe, and the upstream side valve is used as a pipe. The main effect of the patent is explained in terms of simplifying the response to changes in flow rate by switching the path. In the embodiment, a tank type engine of hydrazine / NTO combination is disclosed.

ところで、ロケットエンジンの燃焼室上流部の管路途中にキャビテーティングベンチュリを挿入する場合、キャビテーティングベンチュリ上流部の流量は上流圧と咽喉部面積で定まり、時間的にも安定したものとなる。一方、推力を低減制御する場合、噴射器における噴射差圧パラメータが非常に小さくなることに変わりはなく、キャビテーティングベンチュリ下流のディヒューザ部の回復圧力は、殆ど燃焼圧に近い値を示して、燃焼圧と連動する。これは非特許文献1(Crocco)が述べるところの適切な噴射差圧パラメータの選定によるチャギングの抑制効果が小さいことを意味する。キャビテーティングベンチュリの咽喉部下流にはキャビテーションによる気泡が存在するために圧縮性の挙動と流体の蓄積効果が想定される。特に極低温流体では室内常温で保存される一般の非圧縮性液体より圧縮性の挙動が著しいことが知られる。そのためにキャビテーティングベンチュリの下流配管部は、燃焼圧の変動があればその影響により、流量と圧力の変動を許容することになり、チャギングを抑制する観点からは効果は限定的と考えられる。非特許文献1(Crocco)の理論に立脚した低減推力時のチャギングの完全防止の観点からは、噴射器の噴射オリフィスにおいて、実効の噴射差圧が小さくならないようにして、燃焼圧変動が流量変動に影響しない方法をとる必要がある。   By the way, when the cavitating venturi is inserted in the middle of the pipe line upstream of the combustion chamber of the rocket engine, the flow rate in the upstream portion of the cavitating venturi is determined by the upstream pressure and the throat area, and is stable in time. On the other hand, in the case of thrust reduction control, the injection differential pressure parameter in the injector remains very small, and the recovery pressure in the diffuser section downstream of the cavitating venturi shows a value almost close to the combustion pressure. Interlocks with pressure. This means that the effect of suppressing the chugging due to the selection of an appropriate injection differential pressure parameter as described in Non-Patent Document 1 (Crocco) is small. Since there are bubbles due to cavitation downstream of the throat of the cavitating venturi, compressive behavior and fluid accumulation effects are assumed. In particular, it is known that a cryogenic fluid has a more compressive behavior than a general incompressible liquid stored at room temperature. Therefore, the downstream piping portion of the cavitating venturi allows the flow rate and the pressure to be changed due to the influence of the fluctuation of the combustion pressure, and the effect is considered to be limited from the viewpoint of suppressing the chagging. From the viewpoint of complete prevention of chagging at the time of reduced thrust based on the theory of Non-Patent Document 1 (Crocco), the combustion pressure fluctuation is changed so that the effective injection differential pressure does not become small in the injection orifice of the injector. It is necessary to take a method that does not affect

(B)「過大な噴射差圧を選定する定格設計」
前述の噴射オリフィスを通過する推進薬の流量を記述する式(1)から明らかなように、必要な噴射差圧は流量の自乗に比例するので、定格に対して推力を低下させると、推力低下させた割合の自乗に比例して噴射差圧が小さくなる。チャギングの発生に関わるパラメータとして知られる(噴射差圧)/(燃焼圧)は燃焼圧に比例するので、燃焼圧が低くなるとこのパラメータも小さくなり、チャギングを誘起しやすくなる。
(B) “Rating design for selecting excessive injection differential pressure”
As is clear from the above formula (1) describing the flow rate of the propellant passing through the injection orifice, the required injection differential pressure is proportional to the square of the flow rate. The injection differential pressure decreases in proportion to the square of the ratio. Since (injection differential pressure) / (combustion pressure), which is known as a parameter related to the occurrence of chagging, is proportional to the combustion pressure, this parameter also decreases as the combustion pressure decreases, and it becomes easier to induce chagging.

チャギングの発生を避けるために、通常の定格点の設計では噴射差圧を燃焼圧の10〜15%とする。推力制御を行うエンジンにおいて、低減推力時のチャギングのリスクを避けるための最も簡便な手法は、低減推力時の低い燃焼圧において(噴射差圧)/(燃焼圧)が低くなり過ぎないように設定し、定格点では通常の噴射差圧に対して意図的に過大な値となるように設計するものである。例えば、推力を10%に絞った際の噴射差圧パラメータが10%であるようにすれば、定格推力における噴射パラメータは100%、すなわち燃焼圧と等しい噴射差圧が必要になる。これは実際のエンジンシステムとしては成立しないので、妥協的な範囲で噴射差圧を選択することになる。   In order to avoid the occurrence of chagging, the injection differential pressure is set to 10 to 15% of the combustion pressure in the normal rating point design. For engines with thrust control, the simplest method to avoid the risk of chagging during reduced thrust is set so that (injection differential pressure) / (combustion pressure) does not become too low at low combustion pressure during reduced thrust. However, the rated point is designed so that it is intentionally excessive with respect to the normal injection differential pressure. For example, if the injection differential pressure parameter when the thrust is reduced to 10% is 10%, the injection parameter at the rated thrust is 100%, that is, an injection differential pressure equal to the combustion pressure is required. Since this does not hold as an actual engine system, the injection differential pressure is selected within a compromise range.

非特許文献3(Giuliano)のCECEの例では、同文献の図2に示されるように、このような方法で噴射器の設計を行っている。このような措置によって、低減推力時のチャギングのリスクは低下するが、低減推力制御をしない場合に比べて定格時の必要なポンプ吐出圧が高くなり、特にCECEのような閉サイクルのエンジンシステムでは、ターボポンプのパワーバランス上、単純な噴射差圧の増加分よりも更に高いポンプ吐出圧が必要になる。   In the CECE example of Non-Patent Document 3 (Giuliano), as shown in FIG. 2 of the same document, the injector is designed by such a method. Such measures reduce the risk of chagging during reduced thrust, but the required pump discharge pressure at the time of rating is higher than when no reduced thrust control is performed, especially in closed-cycle engine systems such as CECE. In view of the power balance of the turbo pump, a pump discharge pressure higher than a simple increase in injection differential pressure is required.

特開平6−280680号公報JP-A-6-280680

L.Crocco and Sin-I Cheng, Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors,. Butterworths Scientific Publications, 1956, p44.L. Crocco and Sin-I Cheng, Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors ,. Butterworths Scientific Publications, 1956, p44. L.N.Randall, Rocket Applications of the Cavitating Venturi, ARS J., Jan-Feb, 1952, pp28-31.L.N.Randall, Rocket Applications of the Cavitating Venturi, ARS J., Jan-Feb, 1952, pp28-31. Victor J.Giuliano, et.al.,CECE:Expanding the Envelope of Deep Throttling Technology in Liquid Oxygen/Liquid Hydrogen Rocket Engines for NASA Exploration Missions, AIAA 2010-6724, 2010.Victor J. Giuliano, et.al., CECE: Expanding the Envelope of Deep Throttling Technology in Liquid Oxygen / Liquid Hydrogen Rocket Engines for NASA Exploration Missions, AIAA 2010-6724, 2010.

上述のように、従来技術としては、燃焼室上流の推進薬供給配管にキャビテーティングベンチュリの挿入や、定格設計点の噴射差圧パラメータの高めの設定などがあるが、これらは問題の合理的で確実な解決にはなっていない。   As described above, conventional techniques include the insertion of a cavitating venturi in the propellant supply pipe upstream of the combustion chamber and the setting of a higher injection differential pressure parameter at the rated design point. It is not a reliable solution.

本願発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであり、ロケットエンジンの推力制御において、低減推力の範囲で運転する際に、通常であれば発生する噴射差圧パラメータの極端な低下により生じるチャギングへのリスクを大幅に低減させる、液体ロケットエンジンの推力制御装置及び推力制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and in the thrust control of a rocket engine, when operating in the range of reduced thrust, it is due to an extreme decrease in the injection differential pressure parameter that is normally generated. An object of the present invention is to provide a thrust control device and a thrust control method for a liquid rocket engine, which can greatly reduce the risk of occurrence of chagging.

第1の発明は、噴射オリフィスを通して燃焼室に液体推進薬を噴射する液体ロケットエンジンの推力制御装置において、前記噴射オリフィスの上流側において、前記液体推進薬の温度を制御する温度制御手段を備え、エンジンの推力低減制御時に、前記液体推進薬の飽和蒸気圧が当該低減制御に必要な燃焼圧よりも高くなるよう、前記温度制御手段によって前記液体推進薬を昇温することを特徴とする。   In a thrust control device for a liquid rocket engine that injects a liquid propellant into a combustion chamber through an injection orifice, the first invention includes a temperature control means that controls the temperature of the liquid propellant on the upstream side of the injection orifice, During engine thrust reduction control, the temperature of the liquid propellant is raised by the temperature control means so that the saturated vapor pressure of the liquid propellant is higher than the combustion pressure required for the reduction control.

上記第1の発明において、前記温度制御手段を、前記燃焼室の周囲に設けられた冷却ジャケットにおける燃焼ガスとの熱交換を熱源として前記液体推進薬の温度を昇温する熱交換器とすることができる。また、前記温度制御手段を、エンジンに設けられたターボポンプのタービン駆動に用いる高エンタルピガス流から前記液体推進薬に熱を供給するものとすることができる。さらに、前記温度制御手段を、エンジンに設けられたターボポンプの吐出側から吸い込み側に還流することによって前記液体推進薬の単位流量当たりのポンプ仕事を増加させて前記液体推進薬を昇温するものとすることができる。   In the first invention, the temperature control means is a heat exchanger that raises the temperature of the liquid propellant by using heat exchange with the combustion gas in a cooling jacket provided around the combustion chamber as a heat source. Can do. Moreover, the said temperature control means shall supply heat to the said liquid propellant from the high enthalpy gas flow used for the turbine drive of the turbo pump provided in the engine. Furthermore, the temperature control means increases the pump work per unit flow rate of the liquid propellant by recirculating from the discharge side of the turbo pump provided in the engine to the suction side, thereby raising the temperature of the liquid propellant It can be.

第2の発明は、噴射オリフィスを通して燃焼室に液体推進薬を噴射する液体ロケットエンジンを推力低減制御する液体ロケットエンジンの推力制御方法において、前記噴射オリフィスの上流側に前記液体推進薬の温度を制御する温度制御手段を設け、エンジンの推力低減制御時に、前記液体推進薬の飽和蒸気圧が当該低減制御に必要な燃焼圧よりも高くなるよう、前記温度制御手段によって前記液体推進薬を昇温することを特徴とする。   According to a second aspect of the invention, in the thrust control method for a liquid rocket engine that controls thrust reduction of a liquid rocket engine that injects the liquid propellant into the combustion chamber through the injection orifice, the temperature of the liquid propellant is controlled upstream of the injection orifice. Temperature control means is provided, and the temperature of the liquid propellant is raised by the temperature control means so that the saturated vapor pressure of the liquid propellant is higher than the combustion pressure required for the reduction control during thrust reduction control of the engine. It is characterized by that.

上記第2の発明において、前記温度制御手段を、前記燃焼室の周囲に設けられた冷却ジャケットにおける燃焼ガスとの熱交換を熱源として前記液体推進薬の温度を昇温する熱交換器とすることができる。また、前記温度制御手段を、エンジンに設けられたターボポンプのタービン駆動に用いる高エンタルピガス流から前記液体推進薬に熱を供給するものとすることができる。さらに、前記温度制御手段を、エンジンに設けられたターボポンプの吐出側から吸い込み側に還流することによって前記液体推進薬の単位流量当たりのポンプ仕事を増加させて前記液体推進薬を昇温するものとすることができる。   In the second invention, the temperature control means is a heat exchanger that raises the temperature of the liquid propellant by using heat exchange with the combustion gas in a cooling jacket provided around the combustion chamber as a heat source. Can do. Moreover, the said temperature control means shall supply heat to the said liquid propellant from the high enthalpy gas flow used for the turbine drive of the turbo pump provided in the engine. Furthermore, the temperature control means increases the pump work per unit flow rate of the liquid propellant by recirculating from the discharge side of the turbo pump provided in the engine to the suction side, thereby raising the temperature of the liquid propellant It can be.

(a)本発明の実施形態における液体ロケットエンジンの概略図であり、(b)は(a)の一点鎖線で囲んだ噴射オリフィス部分を拡大した示したものである。(A) It is the schematic of the liquid rocket engine in embodiment of this invention, (b) expands and shows the injection orifice part enclosed with the dashed-dotted line of (a). 液体推進薬の飽和温度と飽和圧力との関係を概略的に示したグラフである。It is the graph which showed roughly the relationship between the saturation temperature and saturation pressure of a liquid propellant. 従来の設計による噴射オリフィスを用いた場合の燃焼圧変動(横軸)による噴射流量変動(縦軸)への影響を示した図である。It is the figure which showed the influence on the injection flow fluctuation (vertical axis) by the combustion pressure fluctuation (horizontal axis) at the time of using the injection orifice by the conventional design. 液体酸素の飽和蒸気圧特性を示した図である。It is the figure which showed the saturated vapor pressure characteristic of liquid oxygen. 液体酸素温度を120Kとした場合に、推力を低減制御する際の噴射オリフィス前後の圧力の様子を示したグラフである。It is the graph which showed the mode of the pressure before and behind the injection orifice at the time of liquid oxygen temperature being 120K and carrying out reduction control of thrust. 液体酸素温度を130Kとした場合に、推力を低域制御する際の噴射オリフィス前後の圧力の様子を示したグラフである。It is the graph which showed the mode of the pressure before and behind the injection orifice at the time of liquid oxygen temperature setting to 130K and carrying out low region control of thrust. (a)は本発明を液体酸素/液体水素を推進薬とするガス発生器サイクル方式のロケットエンジンに適用した実施例を示した概略図であり、(b)は(a)の一点鎖線で囲んだ部分を拡大して示した図である。(A) is the schematic which showed the Example which applied this invention to the rocket engine of the gas generator cycle system which uses liquid oxygen / liquid hydrogen as a propellant, (b) is enclosed with the dashed-dotted line of (a) It is the figure which expanded and showed the part. 従来技術を液体酸素/液体水素を推進薬とするガス発生器サイクル方式のロケットエンジンに適用した場合の例を示した概略図である。It is the schematic which showed the example at the time of applying a prior art to the rocket engine of a gas generator cycle system which uses liquid oxygen / liquid hydrogen as a propellant.

以下に、本発明の実施の形態について説明するが、まず、最初に本実施形態のポイントを簡単にまとめる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. First, the points of the present embodiment will be briefly summarized.

本実施形態の方法は、噴射器の上流側配管にキャビテーティングベンチュリを挿入して、間接的に液体推進薬流量の変動を抑制するのではなく、噴射器の噴射オリフィス内部においてキャビテーションを発生させ、下流側の燃焼室において圧力の変動が発生しても、噴射差圧変動の影響が流量の変動に影響しないようにする、という点がポイントである。いわば、噴射オリフィスにおいて液体推進薬の流れがあたかもチョークするような状態にする。ここで、いわゆる噴射オリフィスは、圧力を回復する場合はベンチュリ形状とするが、必ずしもベンチュリ形状として圧力を回復する必要はなく、図1に示すように、噴射オリフィス6をノズル形状とする。このようにノズル形状のオリフィスで十分機能するし、また多数の噴射オリフィスを加工するには、ベンチュリ形状とせずにノズル形状とした方が、加工が容易で製造コストも抑制できる。   The method of the present embodiment inserts a cavitation venturi in the upstream pipe of the injector and indirectly suppresses the fluctuation of the liquid propellant flow rate, but generates cavitation inside the injection orifice of the injector, The point is that even if a pressure fluctuation occurs in the downstream combustion chamber, the influence of the injection differential pressure fluctuation does not affect the flow fluctuation. In other words, the flow of liquid propellant is made to choke at the injection orifice. Here, the so-called injection orifice has a venturi shape when pressure is recovered, but it is not always necessary to recover the pressure as a venturi shape, and the injection orifice 6 has a nozzle shape as shown in FIG. In this way, the nozzle-shaped orifice functions sufficiently, and in order to process a large number of injection orifices, it is easier to process and the manufacturing cost can be reduced if the nozzle shape is used instead of the venturi shape.

具体的な方法としては、所定の流量と噴射オリフィススロート部の流速においてキャビテーションが発生するように、噴射オリフィス上流の圧力を設定する設計とする。この際の重要なポイントは、推進薬のキャビテーションが発生する飽和蒸気圧が、低減制御を行おうとする推力に必要な燃焼圧よりも高くなるように設定することである。非特許文献1(Crocco)の理論に基づく低周波振動燃焼の抑制策は、燃焼圧に対する噴射差圧の比を大きくすることであり、その場合、式(3)は燃焼圧変動に対する噴射流量変動の比が小さくなることを意味している。物理的にその極限は燃焼圧変動に対して噴射流量変動が無くなることである。噴射オリフィスにおけるキャビテーションの発生を利用することによって、噴射オリフィス下流の燃焼圧変動にかかわらず、噴射オリフィスにおける噴射流量変動がなくなることは、この極限の状態と等価になり、そのために燃焼は安定化する。   As a specific method, the pressure upstream of the injection orifice is set so that cavitation occurs at a predetermined flow rate and the flow velocity of the injection orifice throat. An important point in this case is to set the saturated vapor pressure at which the cavitation of the propellant is generated to be higher than the combustion pressure necessary for the thrust for performing the reduction control. The suppression policy for low-frequency vibration combustion based on the theory of Non-Patent Document 1 (Crocco) is to increase the ratio of the injection differential pressure to the combustion pressure. It means that the ratio of becomes smaller. Physically, the limit is that there is no injection flow rate fluctuation with respect to combustion pressure fluctuation. By utilizing the occurrence of cavitation in the injection orifice, the fact that there is no fluctuation in the injection flow rate in the injection orifice, regardless of the fluctuation in the combustion pressure downstream of the injection orifice, is equivalent to this extreme state, so that the combustion is stabilized. .

このように燃焼圧よりも高い飽和蒸気圧の設定が、本方法のポイントである。一方、通常の液体推進薬は、図2に示すように、それぞれの貯蔵温度によって、飽和蒸気圧特性曲線に従った唯一の飽和蒸気圧の値を示すので、任意の燃焼圧に対応して必ずしも適した飽和蒸気圧とはならない。そこで、燃焼圧に対して適正な飽和蒸気圧が得られるように、推進薬の温度を別途設ける熱交換器で昇温制御しておくことにより、望む推力あるいは燃焼圧に対して、噴射オリフィスにおける液体推進薬のチョーク特性を得ることが可能になる。   The setting of the saturated vapor pressure higher than the combustion pressure is the point of the present method. On the other hand, as shown in FIG. 2, a normal liquid propellant shows a single saturated vapor pressure value according to a saturated vapor pressure characteristic curve depending on each storage temperature, and therefore does not necessarily correspond to an arbitrary combustion pressure. The saturated vapor pressure is not suitable. Therefore, by controlling the temperature of the propellant with a heat exchanger provided separately so that an appropriate saturated vapor pressure can be obtained with respect to the combustion pressure, the injection orifice can be controlled against the desired thrust or combustion pressure. It becomes possible to obtain the choke characteristics of the liquid propellant.

熱交換の作用によって液体推進薬の温度を昇温するために、エンジンシステム内に組み込む熱源や加熱方法としては、
1.ターボポンプのタービン駆動に用いるための高エンタルピガス流(タービン駆動前またはタービン駆動後、タービン上流からの分岐)を用いた熱交換器、
2.燃焼室周囲の冷却ジャケットにおける燃焼ガスからの熱交換、
3.ターボポンプの吐出側から吸込み側に還流することによって、液体推進薬単位流量当たりのポンプ仕事を増加させてポンプ流体を昇温させる方法、
などがある。
これらいずれの方法によっても、燃焼圧の変動が生じた場合でも、それが噴射オリフィスを通る液体推進薬の流量に影響することはなくなるので、流量変動と結合した燃焼圧変動を起こすチャギングは発生しなくなる。
In order to raise the temperature of the liquid propellant by the action of heat exchange, as a heat source and heating method incorporated in the engine system,
1. A heat exchanger using a high enthalpy gas flow (branching from the upstream of the turbine before or after driving the turbine) for use in driving a turbo pump turbine;
2. Heat exchange from the combustion gas in a cooling jacket around the combustion chamber,
3. A method of increasing the pump fluid temperature by increasing the pump work per unit of liquid propellant flow by recirculating from the discharge side of the turbo pump to the suction side,
and so on.
With either of these methods, any fluctuation in combustion pressure will not affect the flow rate of the liquid propellant through the injection orifice, so there will be a chagging that causes the combustion pressure fluctuation combined with the flow fluctuation. Disappear.

上記のようにすることによって、
1.推力を低減制御する際に、エンジン燃焼室の噴射オリフィスにおいて液体推進薬にチョーク特性を持たせることができ、燃焼圧の変動に対する流量の変動を完全に抑制することが可能となるために、低周波振動燃焼のリスクを除去できる。
2.液体推進薬の温度を制御することによって、キャビテーションを発生させる飽和蒸気圧の制御を行うことから、望む燃焼圧に対して推進薬のキャビテーションの作動点に関する制御の範囲が拡大する。
3.定格設計点において噴射差圧を過大とすることにより、推力の低域制御における低周波振動燃焼のリスクを軽減する設計では、定格時におけるターボポンプの吐出圧を過大にする設計となり、エンジンシステム上、性能損失あるいはエンジンの重量増などを招くが、噴射オリフィスで制御されたキャビテーションを発生させる方法を用いることにより、このようなシステム上のデメリットを避けられる。
By doing the above,
1. When controlling thrust, the liquid propellant can have a choke characteristic at the injection orifice of the engine combustion chamber, and the fluctuation in flow rate relative to the fluctuation in combustion pressure can be completely suppressed. The risk of frequency vibration combustion can be eliminated.
2. By controlling the temperature of the liquid propellant to control the saturated vapor pressure that generates cavitation, the range of control regarding the operating point of the propellant cavitation is expanded with respect to the desired combustion pressure.
3. By reducing the injection differential pressure at the rated design point to reduce the risk of low-frequency vibration combustion in low-frequency thrust control, the design is designed to increase the discharge pressure of the turbo pump at the rated time. However, this system disadvantage can be avoided by using a method of generating cavitation controlled by the injection orifice, which causes performance loss or engine weight increase.

次に、本実施形態について、より具体的に説明する。ポイントとして、
1.ロケットエンジンの燃焼室に液体推進薬を噴射する噴射器の噴射オリフィスにおいて、スロート部で液体推進薬の流れが高速になり圧力が低下して飽和蒸気圧に達するとキャビテーションが発生して、それ以上の圧力低下が起こらなくなるために、流量も変化しなくなる現象を利用して、飽和蒸気圧よりも低く設定する下流側の燃焼室の圧力が変動しても、噴射オリフィスを通過する液体推進薬の流量が変動しないようにする。
2.ロケットエンジンの推力を低域まで制御する際に、特別の方法を講じなければ、噴射オリフィスにおける差圧が低下して、燃焼室における圧力の変動が発生した場合に液体推進薬の流量が大きく変動して低周波の燃焼振動が発生することを、上記1の方法を用いることにより、噴射オリフィスにおける液体推進薬の流量変動が発生しないことを利用して防止する。
3.液体推進薬の飽和蒸気圧特性を利用して、その温度を制御することにより、推力の低減制御をする際に、液体推進薬と作動燃焼圧に対する適正な飽和蒸気圧となるように制御し、液体推進薬の種類や作動燃焼圧に対して、広い範囲で適用できるようにする。
4.液体推進薬の昇温に用いる熱源として、ターボポンプを駆動するガスによる熱交換、燃焼室の冷却ジャケットによる熱交換、ターボポンプ吐出側から吸込み側への還流によるポンプ仕事によるエンタルピ増加、ガス発生器、プリバーナ、別途の燃焼器のガスによる熱交換、あるいはこれらの組み合わせ、などを利用する。
Next, this embodiment will be described more specifically. As a point,
1. In the injection orifice of the injector that injects the liquid propellant into the combustion chamber of the rocket engine, the flow of the liquid propellant at the throat part becomes high speed, and when the pressure drops and reaches the saturated vapor pressure, cavitation occurs, and more Therefore, even if the pressure in the downstream combustion chamber, which is set lower than the saturated vapor pressure, fluctuates using the phenomenon that the flow rate does not change, the liquid propellant that passes through the injection orifice does not change. Ensure that the flow rate does not fluctuate.
2. If a special method is not used when controlling the thrust of the rocket engine to a low range, the flow rate of the liquid propellant will fluctuate significantly when the differential pressure at the injection orifice decreases and the pressure in the combustion chamber changes. Thus, the occurrence of low-frequency combustion vibration is prevented by utilizing the fact that the flow rate fluctuation of the liquid propellant in the injection orifice does not occur by using the above method 1.
3. By controlling the temperature using the saturated vapor pressure characteristics of the liquid propellant, when controlling the thrust reduction, the liquid propellant is controlled to have an appropriate saturated vapor pressure with respect to the working combustion pressure, Applicable to a wide range of liquid propellant types and working combustion pressure.
4). As a heat source to raise the temperature of the liquid propellant, heat exchange with the gas that drives the turbo pump, heat exchange with the cooling jacket of the combustion chamber, enthalpy increase due to pump work due to reflux from the turbo pump discharge side to the suction side, gas generator , A pre-burner, heat exchange with gas from a separate combustor, or a combination thereof.

次に、液体水素/液体酸素エンジンにおける実施例について説明する。図3は、従来の設計による噴射オリフィスを用いた場合の燃焼圧変動(横軸)による噴射流量変動(縦軸)への影響を示したものである。この図から分かるように、燃焼圧の1%の変動に対する噴射流量の変動は、推力100%の場合には2.4%と同じオーダだが、推力10%の場合には24%と一桁大きくなり、更に燃焼圧変動が4%になると流量変動は100%にまで達する。従って推力の低域制御においては、燃焼圧変動による流量変動への伝播を抑制する措置の必要性が明白である。   Next, an example in a liquid hydrogen / liquid oxygen engine will be described. FIG. 3 shows the influence on the injection flow rate fluctuation (vertical axis) by the combustion pressure fluctuation (horizontal axis) when the injection orifice of the conventional design is used. As can be seen from this figure, the fluctuation of the injection flow rate with respect to the fluctuation of 1% of the combustion pressure is the same order as 2.4% when the thrust is 100%, but 24% when the thrust is 10%. Further, when the combustion pressure fluctuation reaches 4%, the flow fluctuation reaches 100%. Therefore, in the low-frequency control of thrust, the necessity of measures for suppressing propagation to flow rate fluctuation due to combustion pressure fluctuation is obvious.

液体水素/液体酸素エンジンにおいては、通常、水素は燃焼室の冷却に使われてエンタルピが上昇した気体の状態で噴射され、燃焼圧が低い条件でも特に問題は発生しない。このエンジンで推力を低減制御した場合は、燃焼圧変動に対する液体酸素の流量変動が問題となるので、液体酸素側の噴射オリフィスでキャビテーションが発生するようにする。具体的には、推力制御を行う上で必要となる定格条件に比べて低い燃焼圧の際に、キャビテーションの飽和蒸気圧が燃焼圧よりも高くなるように熱交換等によって液体酸素を昇温させ、噴射オリフィスの縮流部で所定の流量において所定の飽和蒸気圧になるように、噴射圧力を調節する。液体酸素の飽和蒸気圧特性は図4に示すとおりである。   In a liquid hydrogen / liquid oxygen engine, hydrogen is usually injected in the state of a gas that is used for cooling the combustion chamber and has an increased enthalpy, and there is no particular problem even under low combustion pressure conditions. When the thrust is controlled to be reduced by this engine, fluctuations in the flow rate of liquid oxygen with respect to fluctuations in combustion pressure become a problem, so cavitation is generated at the injection orifice on the liquid oxygen side. Specifically, when the combustion pressure is lower than the rated conditions required for thrust control, the liquid oxygen is heated by heat exchange or the like so that the saturated vapor pressure of cavitation becomes higher than the combustion pressure. The injection pressure is adjusted so that a predetermined saturated vapor pressure is obtained at a predetermined flow rate at the contracted flow portion of the injection orifice. The saturated vapor pressure characteristics of liquid oxygen are as shown in FIG.

液体酸素の1気圧下での断熱容器における貯蔵温度は、大気圧下の沸点である90Kである。ロケットでは、ポンプの吸込みに対するキャビテーションへの配慮から、推進薬タンクでは数気圧に加圧されており、加圧ガスによるエンタルピ流入、配管等からの熱流入などにより、ポンプ入口には大よそ95K前後で流入する。ポンプでは仕事をされるために単位質量当たりの仕事量に見合った分だけ昇温する。本発明の機能が発揮される推力の低域制御の際は、燃焼圧が低く設定されるために、ポンプ吐出圧も低く、ポンプ仕事による昇温量は僅かとなる。   The storage temperature of the liquid oxygen in a heat insulating container under 1 atm is 90K which is the boiling point under atmospheric pressure. In rockets, the propellant tank is pressurized to several atmospheres due to consideration of cavitation against pump suction, and the pump inlet is approximately 95K due to inflow of enthalpy by pressurized gas and heat inflow from piping. Flows in. In order to work with the pump, the temperature is increased by an amount corresponding to the work amount per unit mass. In the low-frequency control of the thrust that exerts the function of the present invention, since the combustion pressure is set low, the pump discharge pressure is also low, and the temperature rise due to pump work is small.

例として、定格燃焼圧を6MPaとするエンジンにおいて、液体酸素の温度を熱交換によって25K昇温して120Kにすると、飽和蒸気圧は、図4及び液体酸素の飽和蒸気圧特性を示した下記の表1に示すように1.022MPaとなり、液体酸素の温度を130Kにすると1.749MPaとなる。この場合の推力を低減制御する際の噴射オリフィス前後の圧力の様子を図5に、また130Kに昇温した場合を図6に示す。これらの図において、横軸は流量の低減割合を示したものだが、これは推力の低減割合と同一である。また、2:Pcは燃焼圧で、これは流量に比例し、また推力に比例している。1:Pinj(Norm)は本発明を利用しない場合の各流量における噴射オリフィス上流の噴射圧を示し、推力が低減するほど燃焼圧Pcに近づく。

Figure 0005909809
As an example, in an engine having a rated combustion pressure of 6 MPa, when the temperature of liquid oxygen is increased by 25 K by heat exchange to 120 K, the saturated vapor pressure is as shown in FIG. As shown in Table 1, it becomes 1.022 MPa, and when the temperature of liquid oxygen is 130 K, it becomes 1.749 MPa. FIG. 5 shows the state of pressure before and after the injection orifice when the thrust is controlled to be reduced in this case, and FIG. 6 shows the case where the temperature is raised to 130K. In these figures, the horizontal axis indicates the flow rate reduction rate, which is the same as the thrust reduction rate. 2: Pc is the combustion pressure, which is proportional to the flow rate and proportional to the thrust. 1: Pinj (Norm) indicates the injection pressure upstream of the injection orifice at each flow rate when the present invention is not used, and approaches the combustion pressure Pc as the thrust decreases.
Figure 0005909809

本発明を利用する際の噴射オリフィスの咽喉部における飽和蒸気圧を4:Ps(Ts=120K)、4:Ps(Ts=130K)とする。3:Pinj(Ps,keep)は、本発明を利用し、噴射オリフィス咽喉部で飽和蒸気圧に達し、キャビテーションを発生している状態で、低減流量を流すのに必要な噴射オリフィス上流の噴射圧を示している。   The saturation vapor pressure at the throat of the injection orifice when using the present invention is 4: Ps (Ts = 120K), 4: Ps (Ts = 130K). 3: Pinj (Ps, keep) uses the present invention to reach the saturated vapor pressure at the throat of the injection orifice and generate the cavitation, and the injection pressure upstream of the injection orifice necessary to flow the reduced flow rate. Is shown.

液体酸素の温度が120Kでは飽和蒸気圧は1.022MPaである。図5からは、推力を10%に低減した場合、キャビテーション発生状態での噴射オリフィス前後の噴射差圧は、(Pinj(Ps,keep)−Pc)=0.444MPaとなる。Pcは約0.6MPaなので、すなわち (Pinj(Ps,keep)−Pc)/Pc=0.74を確保できる。推力を15%に低減した場合でも、(Pinj(Ps,keep)−Pc)/Pc=0.19と定格点に相当する噴射差圧を確保できる。実際には、推力を15%に低減した場合に、燃焼圧が10%上方に変動しても、噴射オリフィスの縮流部の下流は飽和蒸気圧以下なので、流量の変動は生じない。流量の変動が発生しない限り、たとえ燃焼の時間遅れが発生しても、位相のずれによって振動が増幅される現象が起こらないので、チャギング発生のリスクはない。   When the temperature of liquid oxygen is 120 K, the saturated vapor pressure is 1.022 MPa. From FIG. 5, when the thrust is reduced to 10%, the injection differential pressure before and after the injection orifice in the cavitation generation state is (Pinj (Ps, keep) −Pc) = 0.444 MPa. Since Pc is about 0.6 MPa, that is, (Pinj (Ps, keep) −Pc) /Pc=0.74 can be secured. Even when the thrust is reduced to 15%, (Pinj (Ps, keep) −Pc) /Pc=0.19 and an injection differential pressure corresponding to the rated point can be secured. Actually, when the thrust is reduced to 15%, even if the combustion pressure fluctuates upward by 10%, the flow rate does not fluctuate because the downstream side of the contracted portion of the injection orifice is below the saturated vapor pressure. As long as the flow rate does not fluctuate, even if a combustion time delay occurs, there is no risk of occurrence of chagging because a phenomenon in which vibration is amplified due to a phase shift does not occur.

図6のように、液体酸素の温度を更に130Kにすると、飽和蒸気圧は、1.749MPaとなる。この場合、推力を25%程度に低域制御するまで、本発明によって流量の安定化を図ることが可能で、(Pinj(Ps,keep)−Pc)/Pc=0.26を確保できる。また燃焼圧が10%上方に変動しても、噴射オリフィスの縮流部の下流は飽和蒸気圧以下なので、流量の変動は全く生じない。   As shown in FIG. 6, when the temperature of the liquid oxygen is further increased to 130 K, the saturated vapor pressure becomes 1.749 MPa. In this case, the flow rate can be stabilized by the present invention until the thrust is controlled to about 25%, and (Pinj (Ps, keep) −Pc) /Pc=0.26 can be secured. Even if the combustion pressure fluctuates upward by 10%, the flow rate does not vary at all because the downstream of the constricted flow portion of the injection orifice is below the saturated vapor pressure.

次に、自燃性推進薬エンジンにおける実施例について説明する。自燃性推進薬の具体的な例として、ヒドラジン/NTOの貯蔵温度を大気常温(25℃)とした場合を取り上げる。ヒドラジンにはいくつかの種類があるが、それらの大気常温における飽和蒸気圧は、N24では0.0019MPa、MMHでは0.0074MPa、UDMHでは0.023MPaである。一方、N24では、0.12MPaである。これらの推進薬を用いたタンク式エンジンの通常の定格燃焼圧は、0.5〜1MPaである。推力制御時の燃焼圧は、30%の低減推力なら0.15〜0.3MPa、10%の低減推力なら0.05〜0.1MPaとなる。低減推力時に、噴射器オリフィスがキャビテーションオリフィスとして機能する推進薬は、10%低減推力時のN24だけとなる。 Next, examples of the self-combustible propellant engine will be described. As a specific example of the self-combustible propellant, a case where the storage temperature of hydrazine / NTO is an ambient temperature (25 ° C.) is taken up. There are several types of hydrazine, but their saturated vapor pressure at ambient temperature is 0.0019 MPa for N 2 H 4 , 0.0074 MPa for MMH, and 0.023 MPa for UDMH. On the other hand, the N 2 O 4, is 0.12 MPa. The normal rated combustion pressure of a tank type engine using these propellants is 0.5 to 1 MPa. The combustion pressure during thrust control is 0.15 to 0.3 MPa for a 30% reduction thrust and 0.05 to 0.1 MPa for a 10% reduction thrust. At the time of reduced thrust, the propellant in which the injector orifice functions as a cavitation orifice is only N 2 O 4 at 10% reduced thrust.

いま、本発明を適用すると、UDMHの場合50℃まで昇温すると飽和蒸気圧は0.062MPaとなり、燃焼圧0.05MPa程度までなら本発明が適用できる。MMHの場合、79℃まで昇温すると、飽和蒸気圧は0.071MPaとなり、燃焼圧0.05MPa程度までなら本発明が適用できる。N24では、常温(25℃)で飽和蒸気圧が0.12MPaなので、そのままで燃焼圧0.1MPaまでは使用できるが、30℃まで昇温すると、飽和蒸気圧は0.15MPaとなり、燃焼圧0.12MPa程度までなら本発明が適用できる。 Now, when the present invention is applied, the saturation vapor pressure becomes 0.062 MPa when the temperature is raised to 50 ° C. in the case of UDMH, and the present invention can be applied if the combustion pressure is up to about 0.05 MPa. In the case of MMH, when the temperature is raised to 79 ° C., the saturated vapor pressure becomes 0.071 MPa, and the present invention can be applied to a combustion pressure of about 0.05 MPa. N 2 O 4 has a saturated vapor pressure of 0.12 MPa at room temperature (25 ° C.), so it can be used as it is up to a combustion pressure of 0.1 MPa. However, when the temperature is raised to 30 ° C., the saturated vapor pressure becomes 0.15 MPa, The present invention can be applied if the combustion pressure is up to about 0.12 MPa.

以上の計算は、噴射オリフィスをノズルとした場合に対応するが、もしも噴射オリフィスをベンチュリとする場合には、ベンチュリで圧力を回復することにより、適用する燃焼圧を更に高くして低周波振動燃焼に対する安定範囲を拡大することが可能である。   The above calculation corresponds to the case where the injection orifice is a nozzle. However, if the injection orifice is a venturi, the combustion pressure to be applied is further increased by recovering the pressure with the venturi, and the low frequency vibration combustion is performed. It is possible to expand the stable range for.

以上は、ロケットエンジンへの適用について説明したが、それ以外にも、例えば、重油などの液体燃料を焚くボイラにおいて、燃料を噴射弁を通して噴霧する燃焼装置を用い、負荷を広い範囲で変えることが要求される装置では、負荷を小さくした場合に、ロケットエンジンにおける燃焼と同様に低周波振動燃焼が発生するリスクがある。このような場合に、本発明を利用することによりそのリスクを除去できる。   In the above, the application to the rocket engine has been described. In addition, for example, in a boiler that burns liquid fuel such as heavy oil, a combustion device that sprays fuel through an injection valve can be used to change the load in a wide range. In a required apparatus, there is a risk that low-frequency vibration combustion is generated in the same manner as combustion in a rocket engine when load is reduced. In such a case, the risk can be eliminated by using the present invention.

本発明を液体酸素/液体水素を推進薬とするガス発生器サイクル方式のロケットエンジンに適用した実施例を図7に示す。液体水素はエンジンインターフェースからLH2ポンプに流入して昇圧された後、推力室の壁を冷却し、その後に大半は推力室で液体酸素と共に燃焼に供されて推力の発生に寄与し、一部はガス発生器に供給されて少量の液体酸素と共に燃焼させてタービンを駆動するガスを発生し、このガスは液体水素と液体酸素のターボポンプを駆動してから定格運転では投棄されるが、推力の低域制御を行う際には熱交換器を経由して投棄される。熱交換器で必要な熱量が不足する場合には、ガス発生器からのガスを、タービンをバイパスしてタービン駆動後のガスと混合する。液体酸素はエンジンインターフェースからLOXポンプに流入して昇圧された後、定格運転では推力室とガス発生器に所定の割合で供給され、燃焼に供されるが、推力の低減制御を行う際には熱交換器で所定の温度に昇温してから推力室とガス発生器に供給され、燃焼に供される。   FIG. 7 shows an embodiment in which the present invention is applied to a gas generator cycle rocket engine using liquid oxygen / liquid hydrogen as a propellant. Liquid hydrogen flows into the LH2 pump from the engine interface and is pressurized, and then cools the walls of the thrust chamber. After that, most of the hydrogen is combusted with liquid oxygen in the thrust chamber and contributes to the generation of thrust. It is supplied to the gas generator and burned with a small amount of liquid oxygen to generate a gas that drives the turbine. This gas is discarded in the rated operation after driving the turbo pump of liquid hydrogen and liquid oxygen, but the thrust of When performing low-frequency control, it is dumped via a heat exchanger. When the amount of heat required by the heat exchanger is insufficient, the gas from the gas generator is mixed with the gas after driving the turbine, bypassing the turbine. Liquid oxygen flows into the LOX pump from the engine interface and is boosted. Then, in rated operation, it is supplied to the thrust chamber and the gas generator at a predetermined rate and used for combustion, but when performing thrust reduction control, The temperature is raised to a predetermined temperature by the heat exchanger and then supplied to the thrust chamber and the gas generator for combustion.

推力室の燃焼室に液体酸素を噴射する噴射器の噴射要素の液体酸素側のオリフィスは、ノズルまたはベンチュリの形式であり、定格から中域推力制御では液体酸素が相変化せずに噴射されるが、推力の低減制御においては、噴射圧を所定圧へ低下させることに伴い、キャビテーションが発生してスロート部の圧力が飽和蒸気圧を保ち、燃焼圧の変動による流量の変動がなくなる。実施例に係る本説明はガス発生器サイクルについてのものであるが、液体酸素を所定温度に昇温する熱源が存在するなら、本質的にエンジンサイクルによる違いはない。   The orifice on the liquid oxygen side of the injection element of the injector that injects liquid oxygen into the combustion chamber of the thrust chamber is in the form of a nozzle or a venturi, and liquid oxygen is injected without any phase change from the rated value in the mid-range thrust control. However, in thrust reduction control, as the injection pressure is lowered to a predetermined pressure, cavitation occurs, the pressure in the throat section maintains the saturated vapor pressure, and fluctuations in flow rate due to fluctuations in combustion pressure are eliminated. Although the present description of the embodiment is for a gas generator cycle, there is essentially no difference between engine cycles if there is a heat source to raise the liquid oxygen to a predetermined temperature.

従来技術を液体酸素/液体水素を推進薬とするガス発生器サイクル方式のロケットエンジンに適用した場合の例を図8に示す。本発明の実施例との違いは、熱交換器の位置にキャビテーティングベンチュリを挿入することである。キャビテーションはこのキャビテーティングベンチュリにおいて発生し、流量の安定化に寄与することを狙いとする。しかし、キャビテーティングベンチュリ上流の流量は安定化を図れるが、下流ではキャビテーション気泡による圧縮性の挙動が現れるために流量変動の抑制効果は限定的である。そのために低周波振動燃焼のリスクを除去しきれない。   FIG. 8 shows an example in which the prior art is applied to a gas generator cycle rocket engine using liquid oxygen / liquid hydrogen as a propellant. The difference from the embodiment of the present invention is that a cavitating venturi is inserted at the position of the heat exchanger. Cavitation occurs in this cavitating venturi and aims to contribute to stabilization of the flow rate. However, although the flow rate upstream of the cavitating venturi can be stabilized, the effect of suppressing flow rate fluctuation is limited because the compressive behavior due to cavitation bubbles appears downstream. Therefore, the risk of low frequency vibration combustion cannot be removed.

またキャビテーティングベンチュリによらない場合は、単に、定格運転時の噴射差圧を高く設計するだけである。そのために、エンジンシステムの違いによって、もっとも多用する定格運転時における性能の損失やターボポンプ重量の増加などを招く。   If the cavitating venturi is not used, the injection differential pressure during rated operation is simply designed to be high. For this reason, the difference in the engine system causes a loss of performance at the most frequently used rated operation and an increase in the weight of the turbo pump.

Claims (8)

噴射オリフィスを通して燃焼室に液体推進薬を噴射する液体ロケットエンジンの推力制御装置において、
前記噴射オリフィスの上流側において、前記液体推進薬の温度を制御する温度制御手段を備え、
エンジンの推力低減制御時に、前記噴射オリフィスを通過する際の前記液体推進薬の飽和蒸気圧が当該低減制御に必要な燃焼圧よりも高くなり、かつ、前記噴射オリフィスにおいてキャビテーションが発生するよう、前記温度制御手段によって前記液体推進薬を昇温することを特徴とする液体ロケットエンジンの推力制御装置。
In a thrust control device for a liquid rocket engine that injects liquid propellant into a combustion chamber through an injection orifice,
A temperature control means for controlling the temperature of the liquid propellant on the upstream side of the injection orifice;
When thrust reduction control of the engine, the saturated vapor pressure of the liquid propellant passes through the injection orifice Ri of higher than combustion pressure necessary for the reduction control, and so that cavitation occurs in the injection orifice, A thrust control apparatus for a liquid rocket engine, wherein the temperature of the liquid propellant is raised by the temperature control means.
前記温度制御手段は、前記燃焼室の周囲に設けられた冷却ジャケットにおける燃焼ガスとの熱交換を熱源として前記液体推進薬の温度を昇温する熱交換器である、請求項1に記載の液体ロケットエンジンの推力制御装置。   2. The liquid according to claim 1, wherein the temperature control means is a heat exchanger that raises the temperature of the liquid propellant by using heat exchange with combustion gas in a cooling jacket provided around the combustion chamber as a heat source. A rocket engine thrust control device. 前記温度制御手段は、エンジンに設けられたターボポンプのタービン駆動に用いる高エンタルピガス流から前記液体推進薬に熱を供給するものである、請求項1に記載の液体ロケットエンジンの推力制御装置。   The thrust control apparatus for a liquid rocket engine according to claim 1, wherein the temperature control means supplies heat to the liquid propellant from a high enthalpy gas flow used for driving a turbine of a turbo pump provided in the engine. 前記温度制御手段は、エンジンに設けられたターボポンプの吐出側から吸い込み側に還流することによって前記液体推進薬の単位流量当たりのポンプ仕事を増加させて前記液体推進薬を昇温するものである、請求項1に記載の液体ロケットエンジンの推力制御装置。   The temperature control means raises the temperature of the liquid propellant by increasing the pump work per unit flow rate of the liquid propellant by returning from the discharge side of the turbo pump provided in the engine to the suction side. The thrust control apparatus for a liquid rocket engine according to claim 1. 噴射オリフィスを通して燃焼室に液体推進薬を噴射する液体ロケットエンジンを推力低減制御する液体ロケットエンジンの制御方法において、
前記噴射オリフィスの上流側に前記液体推進薬の温度を制御する温度制御手段を設け、エンジンの推力低減制御時に、前記噴射オリフィスを通過する際の前記液体推進薬の飽和蒸気圧が当該低減制御に必要な燃焼圧よりも高くなり、かつ、前記噴射オリフィスにおいてキャビテーションが発生するよう、前記温度制御手段によって前記液体推進薬を昇温することを特徴とする液体ロケットエンジンの推力制御方法。
In a liquid rocket engine control method for controlling thrust reduction of a liquid rocket engine that injects a liquid propellant into a combustion chamber through an injection orifice,
A temperature control means for controlling the temperature of the liquid propellant is provided on the upstream side of the injection orifice, and the saturated vapor pressure of the liquid propellant when passing through the injection orifice is used for the reduction control during thrust reduction control of the engine. Ri a higher than required combustion pressure, and so that cavitation occurs in the spray orifice, thrust control method of the liquid rocket engine, characterized by heating the liquid propellant by the temperature control means.
前記温度制御手段は、前記燃焼室の周囲に設けられた冷却ジャケットにおける燃焼ガスとの熱交換を熱源として前記液体推進薬の温度を昇温する熱交換器である、請求項5に記載の液体ロケットエンジンの推力制御方法。   The liquid according to claim 5, wherein the temperature control means is a heat exchanger that raises the temperature of the liquid propellant by using heat exchange with a combustion gas in a cooling jacket provided around the combustion chamber as a heat source. A rocket engine thrust control method. 前記温度制御手段は、エンジンに設けられたターボポンプのタービン駆動に用いる高エンタルピガス流から前記液体推進薬に熱を供給するものである、請求項5に記載の液体ロケットエンジンの制御方法。   6. The liquid rocket engine control method according to claim 5, wherein the temperature control means supplies heat to the liquid propellant from a high enthalpy gas flow used for driving a turbine of a turbo pump provided in the engine. 前記温度制御手段は、エンジンに設けられたターボポンプの吐出側から吸い込み側に還流することによって前記液体推進薬の単位流量当たりのポンプ仕事を増加させて前記液体推進薬を昇温するものである、請求項5に記載の液体ロケットエンジンの推力制御方法。   The temperature control means raises the temperature of the liquid propellant by increasing the pump work per unit flow rate of the liquid propellant by returning from the discharge side of the turbo pump provided in the engine to the suction side. A thrust control method for a liquid rocket engine according to claim 5.
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