JP6416015B2 - ロケットエンジン、および、点火システム - Google Patents

Description

本発明は、ロケットエンジン、および、点火システムに関する。

ロケットエンジンの燃料点火装置として、カートリッジ式の自動点火ユニット（Ｈｙｐｅｒｇｏｌ Ｕｎｉｔ）が知られている。

関連する技術として、非特許文献１の４５頁の図２−２０には、自動点火ユニット（Ｈｙｐｅｒｇｏｌ Ｕｎｉｔ）が記載されている。

Dieter K. Huzel et al., "Modern Engineering for Design of Liquid Propellant Rocket Engines", U.S.A., AIAA, January 1, 1992

本発明の目的は、特別な薬剤を準備することなく、炭化水素燃料に点火することが可能なロケットエンジン、および、点火システム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は、燃焼室（２０）と、前記燃焼室（２０）に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射口（３０）と、前記燃焼室（２０）に酸化剤を噴射する酸化剤噴射口（６０、６０−１）と、前記炭化水素燃料を、前記酸化剤との接触によって自動発火する点火ガスに改質する燃料改質装置（７０）と、前記燃焼室（２０）に前記点火ガスを噴射する点火ガス噴射口（５０）と、前記燃料改質装置（７０）から前記点火ガス噴射口（５０）に前記点火ガスを供給する点火ガス供給路（５２）とを具備する。

上記ロケットエンジンにおいて、前記燃料改質装置（７０）は、前記炭化水素燃料を前記点火ガスに改質する燃料改質触媒（７４）が収容される燃料改質室（７２）と、前記燃料改質触媒（７４）を加熱する加熱装置（７６）とを備えてもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記加熱装置（７６）は、電気ヒータを含んでいてもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記酸化剤は、液体酸素であってもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記炭化水素燃料を貯蔵する燃料タンク（３９）と、前記燃料タンク（３９）から前記燃料改質装置（７０）に、前記炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給路（３３）と、前記燃料タンク（３９）から前記燃料噴射口（３０）に、前記炭化水素燃料を供給する第２の燃料供給路（３４）とを更に備えていてもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記第１の燃料供給路（３３）は、前記燃料タンク（３９）と分岐部（３６）との間に配置される主供給路（３７）と、前記分岐部（３６）と前記燃料改質装置（７０）との間に配置される第１分岐路（３３−１）とを含んでいてもよい。前記第２の燃料供給路（３４）は、前記主供給路（３７）と、前記分岐部（３６）と前記燃料噴射口（３０）との間に配置される第２分岐路（３４−２）とを含んでいてもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、二重管構造を更に備えていてもよい。前記二重管構造の内管および外管のうちの一方が、前記酸化剤を前記酸化剤噴射口（６０−１）に供給する酸化剤供給路（６３）の一部分（６３−１）であってもよい。前記二重管構造の内管および外管のうちの他方が、前記点火ガス供給路（５２）の一部分（５２−１）であってもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記点火ガス供給路（５２）は、前記点火ガスの旋回流を生成する第１旋回流生成部を備えていてもよい。前記酸化剤供給路（６３）は、前記酸化剤の旋回流を生成する第２旋回流生成部を備えていてもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、前記酸化剤噴射口（６０−１）からの前記酸化剤の噴射方向（Ｄ２）は、前記点火ガス噴射口（５０）からの前記点火ガスの噴射方向（Ｄ１）に交差する方向であってもよい。

上記ロケットエンジンにおいて、制御装置（Ｈ）を更に備えていてもよい。前記制御装置（Ｈ）は、前記点火ガスの前記燃焼室（２０）への噴射と、前記酸化剤の前記燃焼室（２０）への噴射と、前記炭化水素燃料の前記燃焼室（２０）への噴射とを行う第１モード（Ｍ１）と、前記点火ガスの前記燃焼室（２０）への噴射を停止して、前記酸化剤の前記燃焼室（２０）への噴射と、前記炭化水素燃料の前記燃焼室（２０）への噴射とを行う第２モード（Ｍ２）とを選択的に実行してもよい。

いくつかの実施形態の点火システムは、燃焼室（２０）に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射口（３０）と、前記炭化水素燃料を、酸化剤との接触によって自動発火する点火ガスに改質する燃料改質装置（７０）と、前記燃焼室（２０）に前記点火ガスを噴射する点火ガス噴射口（５０）と、前記燃料改質装置（７０）から前記点火ガス噴射口（５０）に前記点火ガスを供給する点火ガス供給路（５２）とを具備する。

本発明により、特別な薬剤を準備することなく、炭化水素燃料に点火することが可能なロケットエンジン、および、点火システムが提供できる。

図１は、ロケットエンジンの構造を模式的に示す概略ブロック図である。 図２は、点火システムの概略断面図である。 図３は、点火システムの動作手順を示すフローチャートである。 図４は、ロケットエンジンの構造を模式的に示す概略ブロック図である。 図５は、ロケットエンジンにおける燃焼室およびノズルの概略斜視図である。 図６は、点火システムの一部分の概略断面図である。 図７は、点火システムが備える制御システムのブロック図である。 図８は、制御システムの動作モードの一例を示す表である。 図９Ａは、点火システムの一部分の概略断面図である。 図９Ｂは、図９ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。 図１０Ａは、点火システムの一部分の概略斜視図である。 図１０Ｂは、点火システムの一部分の概略断面図である。 図１０Ｃは、図１０ＢのＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１１は、点火システムの一部分の概略斜視図である。

以下、ロケットエンジン、および、点火システムに関して、添付図面を参照して説明する。

（重要な用語の定義）
本明細書において、「自動発火」とは、酸化剤との接触により自動的に発火することを意味する。

（発明者によって認識された課題）
図１は、ロケットエンジンの構造を模式的に示す概略ブロック図である。ロケットエンジン１は、燃焼室２と、燃料タンク３と、酸化剤タンク４と、点火用カートリッジ５と、供給路６とを備える。点火用カートリッジ５には、常温で空気に触れると自然発火する自然発火液体が収容されている。自然発火液体は、例えば、トリエチルアルミニウム、トリエチルボラン等である。自然発火液体は、点火用カートリッジ５のダイアフラムが破られることで、供給路６を介して、燃焼室２に供給される。燃焼室２に供給された自然発火液体は自然発火する。自然発火により発生した炎を用いることにより、燃料タンク３から供給される燃料が点火される。燃料タンク３から供給される燃料は、酸化剤タンク４から供給される酸化剤を用いて燃焼される。

点火用カートリッジ５に収容される液体は、常温で自然発火する自然発火液体である。このため、危険物を取り扱うための注意を要する。また、点火用カートリッジ５は、基本的には、一度使用した後は、使用することができない。また、地上における燃焼実験等において、点火用カートリッジ５を使用した場合には、自然発火液体を除去するために、供給路６を洗浄することが必要である。

発明者は、炭化水素燃料の改質により生成される点火ガスを用いることで、自然発火液体を用いることなく、炭化水素燃料に点火できることを見出した。炭化水素燃料は、常温では、自然発火しない。このため、炭化水素燃料は、自然発火液体と比較して、取扱いが容易である。

なお、図１に記載したロケットエンジンは、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記載されたものである。よって、図１に記載されたロケットエンジンは、本願出願前における公知技術を示すものではない。

（点火システムの概要）
図２は、点火システム１０の概略断面図である。点火システム１０は、燃焼室２０と、点火ガス噴射口５０と、点火ガス供給路５２と、燃料改質装置７０と、第１の燃料供給路３３と、燃料噴射口３０と、第２の燃料供給路３４とを備える。

燃焼室２０は、炭化水素燃料を燃焼させる燃焼室である。燃焼室２０は、例えば、非密閉型の燃焼室である。燃焼室２０において生成された燃焼ガスは、燃焼室２０の出口２１を介して燃焼室２０の外部に放出される。

点火ガス噴射口５０は、燃焼室２０の内部空間に向けて点火ガスを噴射する。点火ガス供給路５２は、燃料改質装置７０から点火ガス噴射口５０に、点火ガスを供給する。点火ガス供給路５２の第１端部は、燃料改質装置７０の出口７１に接続されている。点火ガス供給路５２の第２端部は、燃焼室２０に接続されている。点火ガス供給路５２と燃焼室２０との接続部分が、点火ガス噴射口５０である。

燃料改質装置７０は、液体の炭化水素燃料を点火ガスに改質する。液体の炭化水素燃料は、高炭素数の炭化水素であり、点火ガスは、低炭素数の炭化水素または水素である。燃料改質装置７０は、燃料改質室７２と、燃料改質室内に配置される燃料改質触媒７４と、加熱装置７６とを備える。燃料改質室７２には、第１の燃料供給路３３から液体の炭化水素燃料が供給される。燃料改質触媒７４は、液体の炭化水素燃料を点火ガスに改質する触媒である。加熱装置７６は、加熱により燃料改質触媒７４を活性化する。

第１の燃料供給路３３は、燃料改質装置７０に、液体の炭化水素燃料を供給する。

燃料噴射口３０は、燃焼室２０の内部空間に向けて炭化水素燃料を噴射する。第２の燃料供給路３４は、燃料噴射口３０に燃料を供給する。

（点火システムの作動原理）
次に、点火システム１０の作動原理について説明する。図３は、点火システム１０の動作手順を示すフローチャートである。

第１に、燃料改質装置７０に液体の炭化水素燃料が供給される。炭化水素燃料の供給は、第１の燃料供給路３３を介して行われる。（第１工程Ｓ１）

第２に、燃料改質装置７０は、液体の炭化水素燃料を点火ガスに改質する。より具体的には、加熱装置７６を用いて、燃料改質室７２内の液体の炭化水素燃料、および、燃料改質触媒７４を加熱する。加熱により活性化された燃料改質触媒７４は、液体の炭化水素燃料を点火ガス（低炭素数の炭化水素または水素）に熱分解する。熱分解温度は、例えば、摂氏数百度である。（第２工程Ｓ２）

第３に、改質によって（換言すれば、熱分解によって）生成された点火ガスが、燃料改質装置７０から点火ガス噴射口５０に供給される。点火ガスの供給は、燃料改質室７２と燃焼室２０とを接続する点火ガス供給路５２を介して行われる。（第３工程Ｓ３）

第４に、点火ガスが、点火ガス噴射口５０から燃焼室２０の内部空間に向けて噴射される。点火ガスは、高温であり、酸化剤と接触することで自動発火する。酸化剤は、空気であってもよいし、空気以外の酸化剤（例えば、液体酸素、亜酸化窒素）であってもよい。（第４工程Ｓ４）

第５に、第２の燃料供給路３４を介して供給された炭化水素燃料が、燃料噴射口から燃焼室２０の内部空間に向けて噴射される。（第５工程Ｓ５）

第６に、点火ガスが、空気または酸化剤との混合により、自動発火する。（第６工程Ｓ６）

第７に、自動発火により生成された炎により、燃焼室２０の内部空間に向けて噴射された炭化水素燃料が点火される。（第７工程Ｓ７）

実施形態では、自然発火液体を用いることなく、炭化水素燃料が点火される。このため、危険物の取り扱い負担が軽減される。

実施形態では、改質された炭化水素燃料（すなわち、点火ガス）の自動発火を利用して、炭化水素燃料の点火が行われる。このため、電気スパークを発生させる点火プラグ等を準備する必要がない。

実施形態では、燃焼室２０における炭化水素燃料の燃焼が停止した場合に、点火システム１０を再作動させることにより（換言すれば、上記第１工程Ｓ１乃至第７工程Ｓ７をもう一度実行することにより）、炭化水素燃料に再点火することが可能である。実施形態では、燃料の再点火を容易に実行することが可能である。このため、例えば、地上において燃焼実験等が繰り返し実行される場合に、有利である。また、飛しょう中に、エンジンの作動（燃料の燃焼）と、エンジンの停止（燃焼の停止）とが繰り返し実行される場合に、有利である。

実施形態では、点火システム１０を使用した後、点火システム１０の供給路（例えば、点火ガス供給路５２、第１の燃料供給路３３、第２の燃料供給路３４等）を洗浄する必要がない。このため、点火システム１０のメンテナンスが容易である。

（点火システムのより詳細な説明）
次に、図４乃至図６を参照して、点火システム１０について、より詳細に説明する。図４乃至図６を参照して、点火システム１０をロケットエンジン１００に適用した例を説明する。図４は、ロケットエンジンの構造を模式的に示す概略ブロック図である。図５は、ロケットエンジン１００における燃焼室２０およびノズル１１０の斜視図である。図５は、燃焼室２０の内部構造を示すために、燃焼室の壁の一部分が切り欠かれて、記載されている。図６は、点火システム１０の一部分の概略断面図である。

図４乃至図６について、図２を用いて説明した部材と同一の機能の部材には、同一の図番を付している。

ロケットエンジン１００は、点火システム１０と、ノズル１１０と、スロート部１２０とを備える。点火システム１０の燃焼室２０は、スロート部１２０を介してノズル１１０に接続される。ノズル１１０は、燃焼室２０において生成された燃焼ガスを膨張させて、燃焼ガスをマッハ１以上の速さに加速する。加速された燃焼ガスは、ノズル１１０の出口から、ノズル後方に向けて噴射される。燃焼ガスのノズル後方への噴射に対する反作用として、ロケットエンジン１００は、推力を得る。

点火システム１０は、燃焼室２０と、燃料噴射口３０と、点火ガス噴射口５０と、酸化剤噴射口（６０、６０−１）と、燃料タンク３９と、燃料供給路（３３、３４）と、燃料改質装置７０と、点火ガス供給路５２と、酸化剤タンク６９と、酸化剤供給路（６３、６４）とを備える。点火システム１０は、制御装置Ｈと、センサ９６とを備えてもよい。

（燃焼室２０）
燃焼室２０は、側壁２２と端壁２４によって規定される室である。側壁２２は、例えば、円筒形状である。端壁２４は、例えば、平板形状である。端壁２４には、燃料噴射口３０と、酸化剤噴射口（６０、６０−１）と、点火ガス噴射口５０が設けられている。なお、燃料噴射口３０は、端壁２４に設けられてもよいし、側壁２２に設けられてもよい。同様に、酸化剤噴射口（６０、６０−１）は、端壁２４に設けられてもよいし、側壁２２に設けられてもよい。点火ガス噴射口５０は、端壁２４に設けられてもよいし、側壁２２に設けられてもよい。燃焼室２０には、燃料噴射口３０を介して、炭化水素燃料が供給される。同様に、燃焼室２０には、酸化剤噴射口（６０、６０−１）を介して、酸化剤が供給される。燃焼室２０には、点火ガス噴射口５０を介して、点火ガスが供給される。

（燃料噴射口３０）
燃料噴射口３０は、燃焼室２０の内部空間に炭化水素燃料を噴射する。燃料噴射口の数は、１以上の任意の数である。

（点火ガス噴射口５０）
点火ガス噴射口５０は、燃焼室２０の内部空間に点火ガスを噴射する。点火ガス噴射口の数は、１以上の任意の数である。点火ガス噴射口５０は、燃焼室２０の端壁２４の中央に配置されてもよい。端壁２４の中央に、点火ガス噴射口５０を配置することで、点火ガスを、燃焼室２０の中央部分に向けて噴射することが可能となる。このため、点火ガスが、最も有効に活用される。

（酸化剤噴射口（６０、６０−１））
酸化剤噴射口（６０、６０−１）は、燃焼室２０の内部空間に酸化剤を噴射する。酸化剤噴射口の数は、１以上の任意の数である。なお、第１の酸化剤噴射口６０−１は、点火ガスの自動発火に用いられる酸化剤を噴射する噴射口である。その他の酸化剤噴射口６０は、炭化水素燃料の燃焼に用いられる酸化剤を噴射する噴射口である。

（燃料タンク３９）
燃料タンク３９は、液体の炭化水素燃料（換言すれば、高炭素数の炭化水素燃料）を貯蔵する。液体の炭化水素燃料は、例えば、ＪｅｔＡ−１、ＪＰ−４、ＪＰ−５、ＪＰ−６、ＪＰ−７、ＪＰ−８のようなジェット燃料、炭素数１０以上１５以下のケロシン、ドデセン、または、これらの組み合わせを含む液体燃料である。

（燃料供給路３３、３４）
第１の燃料供給路３３は、燃料タンク３９から燃料改質装置７０に、液体の炭化水素燃料を供給する。第１の燃料供給路３３の第１端は、燃料タンク３９に接続され、第１の燃料供給路３３の第２端は、燃料改質装置７０に接続される。第１の燃料供給路３３は、主供給路３７と、第１分岐路３３−１とを含む。主供給路３７は、燃料タンク３９と分岐部３６との間に配置される管路である。主供給路３７には、燃料タンク３９から炭化水素燃料を送出する第１ポンプ３８が配置されてもよい。第１分岐路３３−１は、分岐部３６と燃料改質装置７０との間に配置される管路である。第１分岐路３３−１には、第１弁９１が配置されてもよい。第１弁９１を開放することにより、燃料タンク３９から燃料改質装置７０に炭化水素燃料が供給される。第１弁９１は、流量調整弁であってもよい。

第２の燃料供給路３４は、燃料タンク３９から燃料噴射口３０に、液体の炭化水素燃料を供給する。第２の燃料供給路３４の第１端は、燃料タンク３９に接続され、第２の燃料供給路３４の第２端は、燃料噴射口３０に接続される。第２の燃料供給路３４は、主供給路３７と、第２分岐路３４−２とを含む。主供給路３７は、第１の燃料供給路３３の一部を構成するとともに、第２の燃料供給路３４の一部を構成する。換言すれば、第１の燃料供給路３３と第２の燃料供給路３４とは、共通の主供給路３７を備える。点火システム１０が共通の主供給路３７を備えることで、システム全体がコンパクトになる。第２分岐路３４−２は、分岐部３６と燃料噴射口３０との間に配置される管路である。第２分岐路３４−２には、第２弁９２が配置されてもよい。第２弁９２を開放することにより、燃料タンク３９から燃料噴射口３０に炭化水素燃料が供給される。第２弁９２は、流量調整弁であってもよい。

燃料噴射口３０からは、液体の炭化水素燃料が噴射される。代替的に、第２の燃料供給路３４に加熱部を配置することで、燃料噴射口３０から、気体の炭化水素燃料が噴射されるようにしてもよい。代替的に、第２の燃料供給路３４に、燃料改質装置（例えば、上述の燃料改質装置７０と同様の装置）を配置することで、燃料噴射口３０から、改質された気体の炭化水素燃料（換言すれば、低炭素数の炭化水素燃料を含む燃料）が噴射されるようにしてもよい。

なお、ポンプ（例えば、第１ポンプ３８）の数および配置は、図４に記載の例に限定されず任意である。また、弁（例えば、第１弁９１、第２弁９２）の数および配置は、図４に記載の例に限定されず任意である。さらに、各燃料供給路の配置も、図４に記載の例に限定されず任意である。

（燃料改質装置７０）
図６は、燃料改質装置７０を含む点火システムの一部分の概略断面図である。燃料改質装置７０は、液体の炭化水素燃料を点火ガスに改質する。液体の炭化水素燃料は、高炭素数の炭化水素であり、点火ガスは、低炭素数の炭化水素または水素である。点火ガスは、例えば、水素、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、または、これらの組み合わせを含む改質燃料である。

燃料改質装置７０は、燃料改質室７２と、燃料改質室内に配置される燃料改質触媒７４と、加熱装置７６とを備える。燃料改質室７２には、第１分岐路３３−１（第１の燃料供給路）から液体の炭化水素燃料が供給される。第１分岐路３３−１の端部は、燃料改質室７２の入口に接続されている。燃料改質触媒７４は、液体の炭化水素燃料を点火ガスに改質する触媒である。燃料改質触媒７４は、燃料改質室７２の壁面に担持されてもよいし、燃料改質室内に配置される部材（例えば、多孔質部材、メッシュ部材等）に担持されてもよい。燃料改質触媒７４は、例えば、Ｈ−ＺＳＭ−５触媒のようなゼオライト系触媒であってもよい。

加熱装置７６は、加熱により燃料改質触媒７４を活性化する。加熱装置７６は、例えば、電気ヒータである。電気ヒータは、例えば、電源７７から供給される電力を抵抗体によって熱に変換する。加熱装置７６として、電気ヒータを用いることにより、信頼性の高い燃料改質装置を実現可能である。加熱装置７６は、例えば、燃料改質室７２の側壁に面して配置される。加熱装置７６を、燃料改質室７２の側壁に埋め込んでもよい。

（点火ガス供給路５２）
点火ガス供給路５２は、改質によって（換言すれば、熱分解によって）生成された点火ガスを、燃料改質室７２から点火ガス噴射口５０に供給する。点火ガス供給路５２の第１端は、燃料改質室７２の出口７１に接続されている。点火ガス供給路５２の第２端は、点火ガス噴射口５０に接続されている。なお、点火ガス供給路５２を通過する点火ガスの一部は、液体（液体の炭化水素）であってもよい。点火ガス供給路５２を通過する点火ガスの温度は、例えば、摂氏数百度である。

点火ガス噴射口５０から、燃焼室２０の内部空間に向けて噴射される点火ガスは、酸化剤に接触することにより、自動発火する。自動発火により発生した炎により、燃料噴射口３０から噴射される炭化水素燃料が点火される（着火される）。

（酸化剤タンク６９）
図４には、酸化剤タンク６９が記載されている。酸化剤タンク６９は、酸化剤を貯蔵する。酸化剤タンク６９に貯蔵される酸化剤は、例えば、液体酸素である。酸化剤タンク６９に貯蔵される酸化剤が液体である場合には、酸化剤が気体である場合と比較して、酸化剤タンク６９を小型化することができる。

（酸化剤供給路６３、６４）
第１の酸化剤供給路６３は、酸化剤タンク６９から第１の酸化剤噴射口６０−１に酸化剤を供給する。第１の酸化剤供給路６３の第１端は、酸化剤タンク６９に接続され、第１の酸化剤供給路６３の第２端は、第１の酸化剤噴射口６０−１に接続される。第１の酸化剤噴射口６０−１は、例えば、複数の酸化剤噴射口のうち、点火ガス噴射口５０に最も近接する酸化剤噴射口である。第１の酸化剤噴射口６０−１から噴射される酸化剤が、点火ガスと接触することにより、点火ガスは自動発火する。酸化剤は、液体の状態で噴射されてもよいし、気体の状態で噴射されてもよい。第１の酸化剤供給路６３は、主供給路６７と、第１分岐路６２−１とを含む。主供給路６７は、酸化剤タンク６９と分岐部６６との間に配置される管路である。主供給路６７には、酸化剤タンク６９から酸化剤を送出する第２ポンプ６８が配置されてもよい。第１分岐路６２−１は、分岐部６６と第１の酸化剤噴射口６０−１との間に配置される管路である。第１分岐路６２−１には、第３弁９３が配置されてもよい。第３弁９３を開放することにより、酸化剤タンク６９から第１の酸化剤噴射口６０−１に酸化剤が供給される。第３弁９３は、流量調整弁であってもよい。

第２の酸化剤供給路６４は、酸化剤タンク６９から第１の酸化剤噴射口６０−１以外の酸化剤噴射口６０に、酸化剤を供給する。第２の酸化剤供給路６４の第１端は、酸化剤タンク６９に接続され、第２の酸化剤供給路６４の第２端は、酸化剤噴射口６０に接続される。第２の酸化剤供給路６４は、主供給路６７と、第２分岐路６２−２とを含む。主供給路６７は、第１の酸化剤供給路６３の一部を構成するとともに、第２の酸化剤供給路６４の一部を構成する。換言すれば、第１の酸化剤供給路６３と第２の酸化剤供給路６４とは、共通の主供給路６７を備える。点火システム１０が共通の主供給路６７を備えることで、システム全体がコンパクトになる。第２分岐路６２−２は、分岐部６６と酸化剤噴射口６０との間に配置される管路である。第２分岐路６２−２には、第４弁９４が配置されてもよい。第４弁９４を開放することにより、酸化剤タンク６９から酸化剤噴射口６０に酸化剤が供給される。第４弁９４は、流量調整弁であってもよい。

第１の酸化剤噴射口６０−１からは、酸化剤が噴射される。第１の酸化剤噴射口６０−１から噴射される酸化剤は、点火ガスと接触する。点火ガスは、酸化剤との接触により、自動発火する。

酸化剤噴射口６０からは、酸化剤が噴射される。酸化剤噴射口６０から噴射される酸化剤は、燃料噴射口３０から噴射される炭化水素燃料と混合される。酸化剤と混合された炭化水素燃料は、燃焼室２０内で燃焼する。

なお、ポンプ（例えば、第２ポンプ６８）の数および配置は、図４に記載の例に限定されず任意である。また、弁（例えば、第３弁９３、第４弁９４）の数および配置は、図４に記載の例に限定されず任意である。さらに、各酸化剤供給路の配置も、図４に記載の例に限定されず任意である。

（制御装置Ｈ）
制御装置Ｈは、第１ポンプ３８、第１弁９１、第２弁９２、第２ポンプ６８、第３弁９３、第４弁９４等の制御対象装置に、制御指令信号を送信して、制御対象装置を制御する。制御装置は、ハードウェアプロセッサを含む。

（センサ９６）
センサ９６は、燃焼室の状態量を測定するセンサである。センサ９６は、圧力センサであってもよいし、温度センサであってもよい。センサ９６は、燃焼室の状態（例えば、燃焼が正常に行われている状態、あるいは、燃焼が行われていない状態等）に対応した信号を制御装置Ｈに送信する。

制御装置Ｈおよびセンサ９６の機能については、後述される。

図４乃至図６に記載の例では、燃料タンク３９は、燃料噴射口への燃料供給源であるとともに、点火ガスを生成するための炭化水素燃料の供給源でもある。炭化水素燃料を燃焼室に供給する構成の一部と、点火のための構成の一部とを共通化することにより、システム全体をコンパクトにすることができる。

（点火システム１０の制御）
次に、図７および図８を参照して、点火システム１０の制御の一例について説明する。図７は、点火システム１０が備える制御システム２００のブロック図である。図８は、制御システム２００の動作モードの一例を示す表である。

制御システム２００は、記憶装置ＭＤと、制御装置Ｈと、センサ９６と、制御対象装置とを含む。制御対象装置は、例えば、第１ポンプ３８、第１弁９１、第２弁９２、第２ポンプ６８、第３弁９３、第４弁９４等である。

記憶装置ＭＤは、制御装置Ｈに、通信可能に接続されている。記憶装置ＭＤは、制御装置Ｈのハードウェアプロセッサによって実行されるプログラム等が記憶されている。プログラムには、後述の第１モードＭ１を実現するためのプログラム、および、後述の第２モードＭ２を実現するためのプログラムが包含される。

センサ９６は、制御装置Ｈに、通信可能に接続されている。センサ９６は、燃焼室内の状態量（圧力、温度等）を測定して、測定結果に対応する信号を制御装置Ｈに送信する。

制御装置Ｈと、各制御対象装置とは、通信可能に接続されている。制御装置Ｈは、上位コンピュータ３００からの指令信号、あるいは、センサ９６からの信号に基づいて、各制御対象装置に、制御指令信号を送信する。各制御対象装置は、制御指令信号に基づいて動作する。

例えば、制御装置Ｈから第１ポンプ３８に作動指令信号が送信されると、第１ポンプ３８は作動して、燃料タンク３９内の炭化水素燃料を、主供給路３７に送る。制御装置Ｈから第１弁９１に開放指令信号が送信されると、第１弁９１は開放され、主供給路３７中の炭化水素燃料が燃料改質装置７０に向けて送られる。

図８は、制御システム２００の動作モードの一例を示す表である。

制御装置Ｈが、第１モードＭ１を実行することにより、燃焼室２０内への点火ガスの噴射と、燃焼室２０内への酸化剤の噴射と、燃焼室２０内への炭化水素燃料の噴射とが行われる。点火ガスの噴射と、酸化剤の噴射と、炭化水素燃料の噴射とは、同時に行われてもよい。なお、酸化剤の噴射は、少なくとも第１の酸化剤噴射口６０−１から行われる。他の酸化剤噴射口６０からの酸化剤の噴射は、行われてもよいし、行われなくてもよい。

第１モードＭ１の実行に際し、例えば、制御装置Ｈから第１ポンプ３８に、作動指令信号が送られ、制御装置Ｈから第１弁９１および第２弁９２に、開放指令信号が送られ、制御装置Ｈから第２ポンプ６８に、作動指令信号が送られ、制御装置Ｈから第３弁９３および第４弁９４に、開放指令信号が送られる。

制御装置Ｈが、第１モードＭ１を実行することにより、点火ガスと酸化剤と炭化水素燃料とが燃焼室２０内に噴射される。点火ガスと酸化剤との接触により、点火ガスが自動発火する。また、自動発火により発生した炎が、炭化水素燃料に到達することにより、炭化水素燃料への点火（炭化水素燃料の着火）が行われる。第１モードＭ１は、点火モードであると言うことができる。

制御装置Ｈが、第２モードＭ２を実行することにより、燃焼室２０内への酸化剤の噴射と、燃焼室２０内への炭化水素燃料の噴射とが同時に行われる。なお、酸化剤の噴射は、少なくとも第１の酸化剤噴射口６０−１以外の酸化剤噴射口６０から行われる。第１の酸化剤噴射口６０−１からの酸化剤の噴射は、行われてもよいし、行われなくてもよい。第２モードＭ２では、点火ガス噴射口５０からの点火ガスの噴射は、停止されている。

第２モードＭ２の実行に際し、例えば、制御装置Ｈから第１ポンプ３８に、作動指令信号が送られ、制御装置Ｈから第１弁９１に、閉鎖指令信号が送られ、制御装置Ｈから第２弁９２に、開放指令信号が送られ、制御装置Ｈから第２ポンプ６８に作動指令信号が送られ、制御装置Ｈから第３弁９３に、閉鎖指令信号が送られ、制御装置Ｈから第４弁９４に、開放指令信号が送られる。

制御装置Ｈが、第２モードＭ２を実行することにより、燃焼室２０内の炎に向かって炭化水素燃料および酸化剤の噴射が行われる。第２モードＭ２を実行することにより、炭化水素燃料の燃焼が継続的に行われる。第２モードＭ２は、定常燃焼モードであると言うことができる。

第１モードＭ１の実行は、上位コンピュータ３００からの指令信号に基づいて行われてもよい。すなわち、上位コンピュータ３００からの点火指令信号に基づいて、制御装置Ｈが第１モードＭ１を実行し、炭化水素燃料への点火が行われる。

第１モードＭ１の実行は、センサ９６からの信号に基づいて行われてもよい。例えば、第２モードＭ２の実行中に、何らかの擾乱により、炭化水素燃料の燃焼が停止した場合を想定する。炭化水素燃料の燃焼の停止は、センサ９６が、圧力の低下、あるいは、温度の低下を検出することにより検出可能である。センサ９６からの信号に基づいて、制御装置Ｈが、炭化水素燃料の燃焼が停止したと判断した場合に、第１モードＭ１が実行される。第１モードＭ１の実行により、炭化水素燃料への再点火が行われる。

第２モードＭ２の実行は、上位コンピュータ３００からの指令信号に基づいて行われてもよい。例えば、上位コンピュータ３００は、点火指令信号を発出してから所定時間経過後に、第２モードを開始する開始指令信号を、制御装置Ｈに伝達してもよい。この場合、点火モードから、所定時間経過後に、定常燃焼モードへの移行が行われる。

第２モードＭ２の実行は、センサ９６からの信号に基づいて行われてもよい。炭化水素燃料への点火が完了したか否かは、センサ９６によって検出可能である。例えば、炭化水素燃料への点火完了は、センサ９６が、圧力の上昇、あるいは、温度の上昇を検出することにより検出可能である。センサ９６からの信号に基づいて、制御装置Ｈが、炭化水素燃料の点火が完了したと判断した場合に、第２モードＭ２が実行される。この場合、炭化水素燃料への点火完了後、定常燃焼モードへの移行が行われる。

図７および図８に記載の例では、第１モードＭ１および第２モードＭ２を実行可能な制御装置Ｈを備えることにより、点火モードから定常燃焼モードへの移行、あるいは、定常燃焼モードから点火モード（再点火モード）への移行を円滑に行うことが可能である。

（変形例１）
図９Ａおよび図９Ｂに、点火ガス噴射口および第１の酸化剤噴射口の変形例を示す。図９Ａは、点火システム１０の一部分の概略断面図である。図９Ｂは、図９ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。

図９Ａおよび図９Ｂに記載の例では、点火ガス噴射口５０からの点火ガスの噴射方向Ｄ１は、第１の酸化剤噴射口６０−１からの酸化剤の噴射方向Ｄ２に交差する方向である。噴射方向Ｄ１と噴射方向Ｄ２とが交差することにより、点火ガスと酸化剤との接触が確実となる。また、噴射方向Ｄ１と噴射方向Ｄ２とが交差する領域Ｆに、点火ガスの濃度および酸化剤の濃度の高い領域が形成されることにより、点火ガスの自動発火がより確実となる。

また、図９Ａおよび図９Ｂに記載の例では、酸化剤噴射口６０−１と酸化剤噴射口６０−２とが、点火ガス噴射口５０に対して、対称に配置されている。このため、酸化剤噴射口６０−１と酸化剤噴射口６０−２とから、同時に酸化剤を噴射させることで、酸化剤の濃度の高い領域Ｆを、点火ガスの噴射方向に安定的に形成することが可能となる。

さらに、図９Ａおよび図９Ｂに記載の例では、酸化剤噴射口６０−３と酸化剤噴射口６０−４とが、点火ガス噴射口５０に対して、対称に配置されている。さらに、点火ガス噴射口５０からの点火ガスの噴射方向Ｄ１と、各酸化剤噴射口からの噴射方向（酸化剤噴射口６０−１からの酸化剤の噴射方向Ｄ２、酸化剤噴射口６０−２からの酸化剤の噴射方向Ｄ３、酸化剤噴射口６０−３からの酸化剤の噴射方向、酸化剤噴射口６０−４からの酸化剤の噴射方向）とが、１点で交わるように、各噴射口（点火ガス噴射口５０、複数の第１の酸化剤噴射口６０−１乃至６０−４）の配置および各供給路（点火ガス供給路５２、複数の酸化剤供給路６３）の方向が設定されている。このため、点火ガスの噴射方向Ｄ１と、各酸化剤噴射口からの噴射方向とが交わる点の近傍領域Ｆに、点火ガスの濃度および酸化剤の濃度の高い領域が形成される。その結果、点火ガスの自動発火がより確実となる。

（変形例２）
図１０Ａ乃至図１０Ｃに、点火ガス噴射口および第１の酸化剤噴射口の変形例を示す。図１０Ａは、点火システム１０の一部分の概略斜視図である。図１０Ｂは、点火システム１０の一部分の概略断面図である。図１０Ｃは、図１０ＢのＢ−Ｂ矢視断面図である。

図１０Ａ乃至図１０Ｃに記載の例では、点火ガス供給路５２の先端部分５２−１と、酸化剤供給路６３の先端部分６３−１とが、二重管構造となっている。図１０Ａ乃至図１０Ｃに記載の例では、二重管構造の内管が、点火ガス供給路の先端部分５２−１であり、二重管構造の外管が、酸化剤供給路の先端部分６３−１である。

点火ガス供給路の先端部分５２−１と、酸化剤供給路の先端部分６３−１とを、二重管構造とすることで、点火ガス噴射口５０と、第１の酸化剤噴射口６０−１とを接近させることが可能となる。このため、点火ガスと酸化剤との接触がより確実となり、点火ガスの自動発火がより確実となる。

また、点火ガス供給路の先端部分５２−１は、第１旋回流生成部を備える。第１旋回流生成部は、二重管の横断面（図１０Ｃを参照）において、内管の断面である円５２０の接線方向に点火ガス供給路５２を接続することによって形成される。なお、第１旋回流生成部は、内管内に配置されたベーン（ｖａｎｅ）によって構成することも可能である。ベーンによって旋回流を生成する技術は、一般に知られている技術である。

酸化剤供給路の先端部分６３−１は、第２旋回流生成部を備える。第２旋回流生成部は、二重管の横断面（図１０Ｃを参照）において、外管の断面である円６３０の接線方向に酸化剤供給路６３を接続することによって形成される。なお、第２旋回流生成部は、外管内に配置されたベーン（ｖａｎｅ）によって構成することも可能である。ベーンによって旋回流を生成する技術は、一般に知られている技術である。

第１旋回流生成部によって形成される点火ガスの旋回方向と、第２旋回流生成部によって形成される酸化剤の旋回方向とは、同一方向であってもよいし、反対方向であってもよい。なお、第１旋回流生成部によって形成される点火ガスの旋回方向と、第２旋回流生成部によって形成される酸化剤の旋回方向とは、同一方向であることが好ましい。両者の旋回方向を同一とし、かつ、点火ガスの運動量（あるいは回転速度）と、酸化剤の運動量（あるいは回転速度）とに差が生じるように、点火ガスおよび酸化剤を供給することで、点火ガスの燃焼が促進される。

図１０Ａ乃至図１０Ｃに記載の例では、点火ガス噴射口５０から噴射される点火ガスが第１旋回流を形成し、第１の酸化剤噴射口６０−１から噴射される酸化剤が第１旋回流の周囲に第２旋回流を形成する。内側の点火ガスの第１旋回流と、外側の酸化剤の第２旋回流との間の周方向の速度差または運動量差により、点火ガスと酸化剤との混合が促進される。その結果、点火ガスの自動発火がより確実となる。

なお、図１０Ａ乃至図１０Ｃに記載の例は、図９Ａおよび図９Ｂに記載の例よりも、点火ガスと酸化剤との接触面積が大きいため、点火ガスの自動発火がより確実である。他方、図９Ａおよび図９Ｂに記載の例は、図１０Ａ乃至図１０Ｃに記載の例よりも、点火ガス噴射口５０、点火ガス供給路５２、第１の酸化剤噴射口６０−１、酸化剤供給路６３の構成が単純であり、製造が容易である。

（変形例３）
図１１に、点火ガス噴射口および第１の酸化剤噴射口の変形例を示す。図１１は、点火システム１０の一部分の斜視図である。

図１１に示されるように、二重管構造の内管が、酸化剤供給路の先端部分６３−１であり、二重管構造の外管が、点火ガス供給路の先端部分５２−１であってもよい。

なお、実施形態の点火システムは、ロケットエンジン以外のエンジンにも適用可能である。また、実施形態の点火システムは、エンジン以外の装置にも適用可能である。

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 ：燃焼室
３ ：燃料タンク
４ ：酸化剤タンク
５ ：点火用カートリッジ
６ ：供給路
１０ ：点火システム
２０ ：燃焼室
２１ ：出口
２２ ：側壁
２４ ：端壁
３０ ：燃料噴射口
３３ ：第１の燃料供給路
３３−１ ：第１分岐路
３４ ：第２の燃料供給路
３４−２ ：第２分岐路
３６ ：分岐部
３７ ：主供給路
３８ ：第１ポンプ
３９ ：燃料タンク
５０ ：点火ガス噴射口
５２ ：点火ガス供給路
６０ ：酸化剤噴射口
６０−１ ：第１の酸化剤噴射口
６２−１ ：第１分岐路
６２−２ ：第２分岐路
６３ ：第１の酸化剤供給路
６４ ：第２の酸化剤供給路
６６ ：分岐部
６７ ：主供給路
６８ ：第２ポンプ
６９ ：酸化剤タンク
７０ ：燃料改質装置
７１ ：出口
７２ ：燃料改質室
７４ ：燃料改質触媒
７６ ：加熱装置
７７ ：電源
９１ ：第１弁
９２ ：第２弁
９３ ：第３弁
９４ ：第４弁
９６ ：センサ
１００ ：ロケットエンジン
１１０ ：ノズル
１２０ ：スロート部
２００ ：制御システム
３００ ：上位コンピュータ
Ｈ ：制御装置
ＭＤ ：記憶装置

Claims (11)

1. 燃焼室と、
   前記燃焼室に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射口と、
   前記燃焼室に酸化剤を噴射する酸化剤噴射口と、
   前記炭化水素燃料を、前記酸化剤との接触によって自動発火する点火ガスに改質する燃料改質装置と、
   前記燃焼室に前記点火ガスを噴射する点火ガス噴射口と、
   前記燃料改質装置から前記点火ガス噴射口に前記点火ガスを供給する点火ガス供給路と
   を具備する
   ロケットエンジン。
2. 前記燃料改質装置は、
   前記炭化水素燃料を前記点火ガスに改質する燃料改質触媒が収容される燃料改質室と、
   前記燃料改質触媒を加熱する加熱装置と
   を備える
   請求項１に記載のロケットエンジン。
3. 前記加熱装置は、電気ヒータを含む
   請求項２に記載のロケットエンジン。
4. 前記酸化剤は、液体酸素である
   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。
5. 前記炭化水素燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記燃料改質装置に、前記炭化水素燃料を供給する第１の燃料供給路と、
   前記燃料タンクから前記燃料噴射口に、前記炭化水素燃料を供給する第２の燃料供給路と
   を更に備える
   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。
6. 前記第１の燃料供給路は、前記燃料タンクと分岐部との間に配置される主供給路と、前記分岐部と前記燃料改質装置との間に配置される第１分岐路とを含み、
   前記第２の燃料供給路は、前記主供給路と、前記分岐部と前記燃料噴射口との間に配置される第２分岐路とを含む
   請求項５に記載のロケットエンジン。
7. 二重管構造を更に備え、
   前記二重管構造の内管および外管のうちの一方が、前記酸化剤を前記酸化剤噴射口に供給する酸化剤供給路の一部分であり、
   前記二重管構造の内管および外管のうちの他方が、前記点火ガス供給路の一部分である
   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。
8. 前記点火ガス供給路は、前記点火ガスの旋回流を生成する第１旋回流生成部を備え、
   前記酸化剤供給路は、前記酸化剤の旋回流を生成する第２旋回流生成部を備える
   請求項７に記載のロケットエンジン。
9. 前記酸化剤噴射口からの前記酸化剤の噴射方向は、前記点火ガス噴射口からの前記点火ガスの噴射方向に交差する方向である
   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。
10. 制御装置を更に備え、
    前記制御装置は、
    前記点火ガスの前記燃焼室への噴射と、前記酸化剤の前記燃焼室への噴射と、前記炭化水素燃料の前記燃焼室への噴射とを行う第１モードと、
    前記点火ガスの前記燃焼室への噴射を停止して、前記酸化剤の前記燃焼室への噴射と、前記炭化水素燃料の前記燃焼室への噴射とを行う第２モードと
    を選択的に実行する
    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。
11. 燃焼室に炭化水素燃料を噴射する燃料噴射口と、
    前記炭化水素燃料を、酸化剤との接触によって自動発火する点火ガスに改質する燃料改質装置と、
    前記燃焼室に前記点火ガスを噴射する点火ガス噴射口と、
    前記燃料改質装置から前記点火ガス噴射口に前記点火ガスを供給する点火ガス供給路と
    を具備する
    点火システム。
    

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