JP6359660B2 - ロケットエンジンの推進剤タンクを加圧する装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロケットエンジンの推進剤タンクを加圧する装置において、タンクから到来する推進剤を、それがタンクの中へと再導入される前に加熱するのに適した１次ヒータを有する加圧ループを備える装置に関する。

このエンジンは通常、燃焼を起こすために２つの推進剤が一緒に混合される燃焼室を有するエンジンであり、燃焼室から出る気体はスラストを発現させるようにノズルを通して排出される。

特に、燃焼室内で一緒に混合される２つの推進剤は、酸素などの酸化剤と水素またはメタンなどの燃料とを含む。

推進剤の１つ、特に例えば酸化剤について以下で注目される。

従来から、推進剤は液体の状態でタンク内に保管され、タンクは、エンジンへ方向付けられる推進剤の流れが規則的であることを確保するために圧力下に維持される必要がある。

タンクが加圧されていることを確保するために、ヘリウムまたは窒素などの不活性気体をタンクの中へと噴射することが知られている。また、所謂「自生式」加圧を提供することも知られている。これによると、タンクから取り出された推進剤が熱交換器を通過されて、そこで加熱および気化された後、再度それ自体のタンクの中へ気体状態で再噴射されて、そこで圧力下の気体状推進剤のブランケットを形成するようにする。

例えば、熱交換器は、ロケットエンジンから、または専用の気体発生装置から到来する燃焼熱を利用する。熱交換器がエンジンからの燃焼熱を使用するとき、熱交換器はその熱の使用を最適化するような形に構成される必要がある。特定の状況では、それは多数の熱交換面を備えた比較的複雑な構成を必要とする。

さらに、望ましい圧力まで加熱および気化するために必要な熱は、エンジンが動作の活動期にある間にのみ得られることができる。

それにも関わらず、ロケット用の推進アセンブリは一般的に、エンジンがロケットを推進させるためにスラストを発現させる飛行の「推進」期と、エンジンがオフとなってロケットが弾道学的法則だけを受ける「弾道」期とで動作するように設計される。飛行の最初の部分は、ロケットを軌道内に置くために大量のスラストが必要とされる推進期である。その後、軌道操縦のため、かつ地球に帰還するために、推進期は弾道期と代わり、比較的短い時間間隔中に加えられた低レベルのスラストで充分となる。それにも関わらず、弾道期の終わりでエンジンが素早く好条件下で再開することが可能であることが重要である。これはとりわけ、エンジンが活動していない弾道期中でも、エンジンを直ちに再開するたに必要とされる流量を得ることを可能にするために、液状推進剤タンク内に充分な圧力が確保されなければならないことを意味する。

それにも関わらず、当然のこととして、エンジンからの燃焼熱のみを利用する加圧装置は、弾道期中に加圧をもたらすことが可能でない。

さらに、上述のように、燃焼室内で２つの推進剤を一緒に混合することによって燃焼がもたらされる。それらの推進剤が、エンジンからの、燃焼室と協働する熱交換器を経た燃焼熱のみを使用して加熱および加圧されなければならない場合、２つのそれぞれの推進剤とそれぞれに動作する熱交換器は、熱の回収を最適化するために複雑な構造物となければならない。さらに、それらは競合する場合があって、望ましい温度および圧力を得ることが困難になる。

推進剤を加圧するために、専用気体発生装置を使用することも可能である。専用気体発生装置には２つのそれぞれの推進剤が供給されて、加熱および加圧に必要な熱を発生する燃焼を得る。それには、２つのそれぞれの推進剤の一部がそれぞれのタンクから取り去られ、気体発生装置は、望ましい温度および圧力を得るように寸法決めされなければならない。

本発明の目的は、実質的に上述の欠点のない推進剤タンクを加圧する装置を提供することである。特に、本発明の目的は、シンプルな、適度の重量およびコストの要素を使用して、推進期中と弾道期中との両方で推進剤を加圧することを可能にする装置を提供することである。

この目的は、１次ヒータがエンジンからの燃焼熱を使用するという事実と、装置が、エンジンの動作とは無関係に自体の熱源を有する２次ヒータも使用するという事実において、２次ヒータは、推進剤を、１次ヒータから出るところとタンクの中へと再導入されるところとの間で加熱するために、１次ヒータの下流に配置されるという事実と、装置は流体に加圧する手段を加圧ループ内に含むという事実とによって達成される。

１次ヒータは推進期中に使用される。その構造はシンプルであることができ、とりわけ、小重量であることができる。これは、１次ヒータは、過酷な温度目標なしに推進剤を加熱しそれを気化させるだけで充分であることによる。２次ヒータは１次ヒータと直列に配置される。したがって望ましい圧力を得るようにその加熱を継続してゆく。２次ヒータは、それが、１次ヒータによって始動された加熱および加圧を継続する以上のことは何もしないことから、構造がシンプルであるように、重量が妥当であるようにそれ自体が寸法決めされることが可能である。加圧手段は、推進剤が１次タンクから取り出されるところから、１次ヒータを経て通過して、タンクにそれが帰還するところまで通過する推進剤加圧ループ内に配置される。

さらに、弾道期では、２次ヒータのみが活動している。上述のように、弾道期中は、推進剤タンク内の圧力を維持することが重要である。それにも関わらず、このような期間中、エンジンは活動しておらず、したがって推進剤は消費されていない。このように、加圧は、推進期中のように気体の相当な流入によって推進剤の流出を補償することよりはむしろ、加圧のレベルを維持することにある。その結果、構造がシンプルで適度な重量の２次ヒータが、弾道期中の圧力を維持するのに必要な加圧を提供する能力がある。

一実施形態では、２次ヒータは電気ヒータである。

このように２次ヒータは、レジスタと接触した１つまたは複数のコイルを備えることができ、そのコイルは加熱されるべき推進剤の流れを搬送する。２次ヒータは、推進剤内に浸漬されるようにレジスタが中に位置付けられたエンクロージャを備えることもできる。どのような実施形態が選択されようと、電気ヒータの構造はとりわけシンプルかつ低コストである。

一実施形態では、２次ヒータの出口は排出管に連結されるのに適している。

例えば、この連結は、ヒータから出る気体がタンクのみに帰還するよう閉鎖されることができる、または気体を排出管に向けて噴射するように開くことができる隔離弁を介して行われる。排出された気体は、有益であるならば、スラストをエンジンからのものに加えても提供することが可能である。

有利に、１次ヒータに供給されるところと推進剤がタンクに帰還するところとの間の流体を加圧する手段は、モータ駆動式ポンプを備え、これは有利に１次ヒータの上流に配置される。

本発明は、推進アセンブリにおいて、第１推進剤を含む第１タンクを加圧する、上記のタイプの装置と、前記第１推進剤と第２タンクから到来する第２推進剤とによって燃料供給されるロケットエンジンと、前記第２推進剤用の再生回路においてエンジンと協働して第２推進剤を第２タンクの中へと再導入される前に加熱する再生熱交換器を含む再生回路とを含むアセンブリであって、１次ヒータは再生熱交換器の出口管と協働する、アセンブリも提供する。

このように、１次ヒータは、主に第２推進剤を加熱するのに使用される再生回路を利用して、第１推進剤を予備加熱および気化させるが、この予備加熱および気化は、２次ヒータによって達成された温度の追加上昇によって完了される。

弾道期中に第２タンクを加熱することが必要な場合、エンジンからの燃焼熱を使用せずに第２推進剤を加圧する補助回路を提供することが可能である。一例として、小型の専用気体発生装置、あるいは自体のタンクから取り去られている第２推進剤と協働する、上述の２次ヒータと類似のヒータが用意されることができる。

一実施形態では、１次ヒータは出口管内に浸漬された少なくとも１つのチューブを備える。

この特にシンプルな構造が、予備加熱に必要な熱および最初の加圧を回復させることを可能にする。

本発明は、非制限的な例としてここに与えられる実施形態についての以下の詳しい記述を読めばより充分に理解されることが可能であり、その利点もより明らかとなる。記述は添付図を参照する。

本発明の加圧装置を使用する推進アセンブリを示す図である。

図に示された推進アセンブリは、燃焼室１２と、分岐部分を有するノズル１４とを有するロケットエンジン１０を備える。燃焼室には、特に酸素などの酸化推進剤である第１推進剤を含む第１タンク１６からと、特に水素またはメタンなどの還元性推進剤である第２推進剤を含む第２タンク１８からとの推進剤が供給される。この還元性推進剤は燃料として作用し、酸化推進剤は燃焼用酸化剤として作用する。

第１タンク１６からの推進剤の供給は、第１ターボポンプ２４の中へと送達する第１主供給管２２と、第１ターボポンプ２４の出口に連結された第１噴射管２６とを備える。第１噴射管２６は離隔弁２６Ａを介して燃焼室の中に送達する。管２２内には承認弁２２Ａも配置される。

第２推進剤の供給は、承認弁３０Ａが中に配置された、第２ターボポンプ２２の中に送達する第２主管３０と、第２ターボポンプの出口に連結された第２噴射管３４とを備える。

具体的には、エンジン１０は拡張式であり、即ちこれは、推進アセンブリの特定部分にエネルギーをもたらすために第２推進剤が取り出され、気化されるエンジンである。より精確には、噴射管３４はヒータ３６の中に送達し、ヒータ３６は、第２燃焼室１２の壁と協働して推進期中にヒータを通って流れる第２推進剤を加熱してそれを気化させるように作用する。ヒータ３６の出口では、ターボポンプ３２のタービン部分３２Ａ内の管３８に第２推進剤が取り込まれて、そのタービンを駆動して、そのポンプ部分３２Ｂを作動させる。ポンプ部分３２Ｂはこの実施例では２段階の部分である。タービン部分３２Ａの出口では、第２推進剤が供給管４０によって、第１ターボポンプ２４のタービン部分２４Ａの入口に取り込まれて、第１ターボポンプのポンプ部分２４Ｂを作動させる。タービン部分２４Ａの出口で、第２推進剤が噴射管４２によって燃焼室の入口に取り込まれる。噴射管４２内に離隔弁４４が配置される。この管は加圧装装置および拡張弁のシステム４７を介して第２タンク１８に連結される。気化された第２推進剤はこのようにタンク１８に帰還して、システム４７によって調整されることが可能な圧力の気体ブランケットを形成する。

このように推進アセンブリは、エンジン１０からの燃焼熱を使用して第２推進剤を気化する再生熱交換回路を有する。この再生熱交換回路は、ヒータ３６と管３８、４０、４２、および４６とを備える。

タービンの入口同士をバイパスするために、管３８と４２の間にバイパス弁４８Ａを備えたバイパス管４８が配置される。タービンポンプ２４のタービン部分２４Ａをバイパスするために、ターボポンプ３２のタービン部分の出口と噴射管４２との間に、バイパス弁５０Ａを備えた他のバイパス管５０が配置される。これらのバイパス管および弁は、推進剤の流れを燃焼室に向ける働きをして、タービン２４Ａおよび３２Ａを通過する流れの一部分を取り出して、ポンプ２４Ｂおよび３２Ｂによって供給される圧力上昇および流量を変化させるようにする。

第１推進剤は、噴射管２６によって直接噴射され、噴射管２６はターボポンプ２４によって供給される。

第１推進剤を加圧する装置は、エンジン１０からの燃焼熱を使用する１次ヒータ５８を備える。具体的には、この１次ヒータ５８はヒータ３６の出口管３８と協働する。出口管３８は、ヒータ３６とターボポンプ３２のタービン部分３２Ａの入口との間に延在する。１次ヒータには、モータ駆動式ポンプ６２などを介して第１タンク１６に連結された供給管６０によって第１推進剤が供給される。この供給管６０内に承認弁６０Ａが配置される。ここに示された実施例のようにタンク１６に直接連結される代わりに、モータ駆動式ポンプ６２は、タンクと弁２２Ａの間に延在する管２２のセグメントの分岐部として連結されることも可能である。

１次ヒータ５８の出口は、連結管６８を経て２次ヒータ６６に連結される。言い換えれば、２次ヒータ６６は１次ヒータ５８と直列に連結される。具体的には、２次ヒータはエンクロージャを備え、そこには管６８から到来する第１推進剤が流れ、電源（図示されず）によって電力供給される電気抵抗７０が配置される。このように、１次ヒータ内で第１推進剤は、それを気化させる働きをする予備加熱を受け、この予備加熱は２次ヒータ内の追加の加熱によって完了される。

２次ヒータ６６の出口は戻り管７２を経て戻り部７４によってタンク１６に連結されて、気化した第１推進剤が第１タンク１６内で気体ブランケットを形成するようになる。

例えば、１次ヒータは第１推進剤を約１１０Ｋの温度まで上昇させて、ターボポンプ６２によって発生される約５バールの圧力で、それを気化するようにする。２次ヒータは約１８０Ｋから２１０Ｋの温度を得る働きをして、気体ブランケット１６内で必要な圧力を得ることを可能にする。タンク１６から離れたその端部で、戻り管７２が離隔弁を介して排出管７６と協働することが分かる。弁７８は、例えば、特にエンジンを再開する直前の、極めて低いレベルのスラストしか必要とされない弾道期中など、適切であるときは常に、排気管７６の排出ノズル７６Ａを経て逃げる気体酸素がエンジンからのスラストに寄与するように開けられることができる。

ここに示された実施例では、モータ駆動式ポンプ６２は１次ヒータの上流に配置される。これは有利な構成であり、小さな容量および動力のモータ駆動式ポンプを使用して、タンク１６の上部分内で気体推進剤ブランケットに望ましい圧力を得ることを可能にする。それにも関わらず、推進剤を加圧するモータ駆動式ポンプをループのどこか他のゾーン内で、１次ヒータ５８への供給部とタンクへの戻り部７４との間で使用することも可能である。

上述のように、再生回路はエンジンの推進期中に第２推進剤を加熱する働きをし、１次ヒータ５８によって１次推進剤を予備加熱する働きもする。この予備加熱は、２次ヒータ６６によって実施される加熱によって完了される。弾道期では、ヒータ６６のみが活動し、それは第１推進剤を、タンク１６内の圧力を維持するのに望ましい温度に上昇させる働きをする。

弾道期でタンク１８を加圧するために、推進アセンブリは、エンジン１０からの燃焼熱を使用しない補助回路を含むことができる。このような補助回路の一例が破線で描かれている。補助回路はタンク１８から第２推進剤を取ること、第２推進剤を加熱すること、気体の第２推進剤をタンク１８のブランケットの中に再噴射することによって動作する。ここに示された実施例では、この回路は、望ましい圧力および流量を送達するモータ駆動式ポンプ８２などによって燃料供給される、離隔弁８０Ａが配置された供給管８０を備える。この管はヒータ８４、例えば上述の２次ヒータ６６と同じタイプのヒータも有する。このヒータの出口で、高温で気化した推進剤が、ヒータ８４の出口管８６が連結された戻り管４６を経てタンクに帰還する。

Claims (7)

1. ロケットエンジン（１０）の推進剤タンクを加圧する加圧装置において、タンク（１６）から到来する推進剤を、それがタンクの中へと再導入される前に加熱するのに適した、エンジンからの燃焼熱を使用する１次ヒータ（５８）を有する加圧ループを備え、エンジンの動作とは無関係に自体の熱源を有する２次ヒータ（６６）をさらに含む加圧装置であって、２次ヒータ（６６）は、推進剤を、推進剤が１次ヒータ（５８）から出るところとタンクの中へと再導入されるところとの間で加熱するために、１次ヒータ（５８）の下流に配置されることと、加圧ループ内に推進剤を圧力下に置く手段（６２）を含むこととを特徴とする、加圧装置。
2. ２次ヒータ（６６）が、電気ヒータであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. ２次ヒータ（６６）の出口が、排出管（７６）に連結されるのに適していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. １次ヒータ（５８）の上流に配置されたモータ駆動式ポンプ（６２）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 第１推進剤を含む第１タンク（１６）を加圧する請求項１から４のいずれか一項に記載の装置と、前記第１推進剤と第２タンク（１８）から到来する第２推進剤とによって燃料供給されるロケットエンジン（１０）と、前記第２推進剤用の再生回路（３６、２８、４０、４２、４６）において、エンジン（１０）と協働して第２推進剤を第２タンクの中へと再導入される前に加熱する再生熱交換器（３６）を含む再生回路と、を含む、推進アセンブリであって、１次ヒータ（５８）は再生熱交換器（３６）の出口管（３８）と協働することを特徴とする、推進アセンブリ。
6. １次ヒータが、出口管内に浸漬された少なくとも１つのチューブを備えることを特徴とする、請求項５に記載のアセンブリ。
7. エンジンからの燃焼熱を使用せずに第２タンクを加圧する補助回路（８０、８４、８６）を含むことを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のアセンブリ。

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