JP6484224B2 - デュアルモード化学ロケットエンジンおよびデュアルモード化学ロケットエンジンを備えるデュアルモード推進システム - Google Patents

デュアルモード化学ロケットエンジンおよびデュアルモード化学ロケットエンジンを備えるデュアルモード推進システム Download PDF

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Description

主題の発明は、１）宇宙船の軌道上昇、軌道の操作と維持、姿勢制御、および軌道離脱、ならびに／または、２）ミサイル、打上げロケット、および宇宙往還機の推進安定、姿勢制御、およびロール制御のための航空宇宙用途で用いられるデュアルモード二元推進薬化学ロケット推進システムに概して関する。本発明は、このようなシステムで使用するためのデュアルモード化学ロケットエンジンにも関する。エンジンは、現在の最新技術と比較して危険有害性の低い貯蔵可能な液体推進薬を用い、単元推進薬モードまたは二元推進薬モードのいずれかで運転できる。用いられる単元推進薬は、それぞれ、危険有害性の低い液体の燃料リッチ単元推進薬と、危険有害性の低い液体の酸化剤リッチ単元推進薬とである。
デュアルモードロケット推進システムおよびデュアルモードロケットエンジン（スラスタとも称される）が、当分野で知られている。現在、多くの宇宙船が、より大きな推力運転のための二元推進薬エンジンと、およびより小さい推力のための、または最小のインパルスビットが重要であるときの単元推進薬エンジンとによるデュアルモード推進システムを用いている。当分野では、二元推進薬エンジンと単元推進薬エンジンとの両方に適した推進薬の選択は、非常に有毒性のあるいくつかの推進薬に限られている。このような二元推進薬は、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）および非対称ジメチルヒドラジン（ＵＤＭＨ）など、ヒドラジンまたはその派生物を含んでいる。デュアルモードスラスタの例は、二次燃焼増幅スラスタ（ＳＣＡＴ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ）と称されるスラスタである。デュアルモード能力（つまり、単元推進薬モードまたは二元推進薬モードのいずれかで運転する能力）を有する二元推進薬スラスタを備える二元推進薬デュアルモードロケット推進システムは、例えば米国特許第６，１３５，３９３号に記載されており、そこではヒドラジンが燃料として用いられ、好ましくは、四酸化窒素（ＮＴＯ）が酸化剤として用いられる。
高い性能を必要とする特定の推進システムについてのミッション要求は、一式の長所の形態によって定められる。最も重要な長所の形態のうちの１つは比推力（Ｉｓｐ）であり、これは、このような推進システムのまさに目的である、宇宙船が達成できる最大の速度変化を表している。比推力は、推進薬質量流量の単位当たり、エンジンによって発生される推力として定義される。推力がニュートン（Ｎ）で測定されるとき、流量は１秒（ｓ）当たりのキログラム（ｋｇ）で測定され、そして、比推力の測定の単位はＮｓ／ｋｇである。かなりの速度変化の要件のある中形から大形の宇宙船については、これは最も重要なパラメータである。寸法が限られる可能性のある小形の宇宙船については、推力密度、つまり、推進薬体積当たりのＮｓが、有力な長所の形態であり得る。別の長所の形態はロケットエンジンの推力であり、これは、操作がどのくらいの期間を要するのか、および、どのくらいの加速を提供するのかを決定する。さらに別のパラメータは、エンジンが発生できる最小または最小限のインパルスビット（Ｎｓ）であり、これは、操作がどれだけ正確に実施できるかを決定する。
ヒドラジン（燃料）と四酸化窒素（酸化剤）との両方、およびそれらの派生物は、毒性、発癌性、および腐食性などが非常にあり、また、漏洩および排出の場合に引き起こし得る環境への深刻な影響に関する重大な懸念と関連付けられるため、人間にとって極めて有害である。そのため、それらの取り扱いおよび安全要件は、非常に厳しく、時間を取られ、費用が掛かる。
ＥＣＨＡ（欧州化学機関：Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ａｇｅｎｃｙ）は、化学品およびその安全な使用についての欧州共同体規則であるＲＥＡＣＨ（化学品の登録、評価、認可および制限に関する規則：Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ、Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ、Ａｕｔｈｏｒｉｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）内で、ヒドラジンが新規の開発での使用について禁止され得ることを導く可能性のある非常に高い懸念の物質として、ヒドラジンを特定している。欧州宇宙機関（ＥＳＡ：Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｓｐａｃｅ Ａｇｅｎｃｙ）による構想である、きれいな宇宙は、従来の有害な推進薬の代用も求めている。
フランスでは、宇宙船がもはや使われなくなったときに軌道から離脱されることを求める、宇宙デブリに関する宇宙活動法（Ｓｐａｃｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ａｃｔ）という新しい法律がある。
技術上の重大な成果は、多くの宇宙用途に対して単元推進薬としてヒドラジンを代用することが実現可能であることである。これは、ＬＭＰ−１０３Ｓ単元推進薬混合物を含むＨＰＧＰ（登録商標）技術（例えば、ＷＯ２０１２／１６６０４６に記載されている）と、典型的には０．５Ｎから２００Ｎまでの範囲である対応するスラスタ（例えば、ＷＯ０２／０９５２０７に開示されている）とを用いて成功裏に実施されている。Ａ １ Ｎ ＨＰＧＰ（登録商標）推進システムが、主要なＰＲＩＳＭＡ人工衛星において宇宙における地球軌道で数年にわたって運用されている。
したがって、ヒドラジン、四酸化窒素、およびそれらの派生物の使用を回避するデュアルモード推進システムを提供することが望ましい。しかしながら、これまで、実行可能なロケット推進システム、ロケットエンジン、および、先行技術の有害なヒドラジン推進薬と匹敵する性能のある対応する代替の推進薬は、実現されてこなかった。
本発明者は、先行技術のデュアルモード化学推進システムと匹敵する性能（つまり、所与のシステム質量についての全力積の観点で）を持った推進システムが、貯蔵可能な危険有害性の低い液体推進薬を用いるデュアルモード化学ロケットエンジンによって実現できることを見いだした。
本発明によれば、燃料リッチ単元推進薬および酸化剤リッチ単元推進薬が、それぞれ、一次反応室および二次反応室を備えるデュアルモードロケットエンジンで用いられる。
したがって、本発明の一態様は、燃料リッチ単元推進薬のための触媒を備える、燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室を有し、その第１の一次反応室が、第２の酸化剤リッチ単元推進薬の自身への注入のための手段を有する二次反応室に連結されるデュアルモード化学ロケットエンジンに関する。
本発明のエンジンの一実施形態では、注入のための手段は、外部から二次反応室への、推進薬供給配管からの酸化剤リッチ単元推進薬を注入することを可能にする。
本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンの好ましい実施形態では、エンジンは、第１および第２の一次反応室を、二次反応室に連結された並列の配置で備え、燃料リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第１の一次反応室が、燃料リッチ単元推進薬のための触媒を備え、酸化剤リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第２の一次反応室が、酸化剤リッチ単元推進薬のための触媒を備える。この実施形態は、２つの単元推進薬のうちのいずれか一方、または、それらの組み合わせを用いることを可能にする。このような実施形態では、第２の酸化剤リッチ単元推進薬を二次反応室へと注入するための手段は、二次反応室の上流に配置され、第２の一次反応室の下流端から形成される。
二元推進薬モード運転では、本発明のエンジンは、燃料リッチ単元推進薬と酸化剤リッチ単元推進薬との両方を使用する。二元推進薬モードにおける本発明のエンジンの運転は、単元推進薬モードで運転されている場合より、スラスタの推力および比推力を増大する利点を有する。
別の態様では、本発明は、本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンを備えるデュアルモード推進システムに関する。
本発明を用いれば、「環境に優しい」代替の単元推進薬に基づいた統合型推進システム（ＵＰＳ：Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）が、つまり、すべてのエンジンが１つの同じ単元推進薬で運転できるシステムが、例えば、ＨＰＧＰ（登録商標）技術に基づいてなどで、実現され得る。このようなシステムは、小さい単元推進薬スラスタを、同じ推進薬供給システムに連結されたより大きいデュアルモードスラスタと共に含むことができる。
本発明は、高性能で危険有害性の低い環境に優しい代替の推進薬を用い、先行技術のデュアルモードロケットエンジンおよび推進システムと比較して、時間およびコストの大幅な節約を実現する潜在力を有している。
本発明の主な利点は、それぞれの単元推進薬に現在使用されている既存の優れた実績のある触媒および触媒床が、本発明でも使用できることである。そのため、燃料リッチ単元推進薬と酸化剤リッチ単元推進薬とに特有の一次熱／触媒反応器は、それぞれ、変更をまったく必要としない。
好ましい実施形態では、本発明の推進システムは、危険有害性の低い環境に優しい推進薬を備える。
本発明の好ましい実施形態では、ＬＭＰ−１０３Ｓ（例えば、ＷＯ２０１２／１６６０４６に開示されている）が、燃料リッチ単元推進薬として使用される。ＬＭＰ−１０３Ｓで運転されるスラスタは、地上燃焼試験および宇宙での燃焼の間、ヒドラジン（単元推進薬）と比較して、６％超で向上された比推力と、３０％超で向上された推力密度とを示した。
二元推進薬モードでの使用に対して環境的に優しい推進薬の好ましい組み合わせは、燃料リッチ単元推進薬としてのＬＭＰ−１０３Ｓと、酸化剤リッチ単元推進薬としてのＨ２Ｏ２とである。このような組み合わせを二元推進薬モードで使用するとき、ＮＡＳＡ−Ｇｌｅｎｎ化学平衡計算プログラム（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｐｒｏｇｒａｍ）ＣＥＡ２で実施された計算によれば、単元推進薬として使用されるだけのときのＬＭＰ−１０３Ｓに対して２０％までの比推力の追加的な向上をもたらし、これは、非常に有害な従来の貯蔵可能な推進薬、つまり、ＭＭＨおよびＮＴＯで運転される先行技術の二元推進薬エンジンの比推力と匹敵する。さらに、ＬＭＰ−１０３ＳおよびＨ２Ｏ２の推進薬の組み合わせの推力密度は、従来の貯蔵可能な推進薬で運転される先行技術の二元推進薬エンジンの推力密度を５％までで超えることになる。
本発明は、非常に有害な貯蔵可能な液体推進薬を用いる従来のデュアルモード二元推進薬ロケット推進システムを、匹敵する性能を持つと共に大幅に危険有害性が低減された環境に優しい代替の推進薬システムであって、推進薬の取り扱いと燃料搭載作業とを大幅に軽減および容易化もする代替の推進薬システムで、代用するための可能な技術を提供する。
本発明では、用語「単元推進薬」は、ＬＭＰ−１０３Ｓなどの２つ以上の化合物を含み、したがって単元推進薬混合物と考えることができる単元推進薬と、Ｈ２Ｏ２（しかしながら実際には、典型的には水性であるため、ある程度の水を含むことになる）などの単一の化合物単元推進薬との両方を意味するために用いられている。
用語「推進システム」は、本明細書では、推進薬容器、加圧剤容器、推進薬および加圧剤の充填サービス弁、推進薬および加圧剤の配管、遮断弁、推進薬システムフィルタ、圧力変換器、スラスタ／ロケットエンジン、ならびに、必要とされる他のミッション特有の流体部品を備える宇宙船、打上げロケット姿勢制御システムなどの推進的な推力を発生する目的のためのハードウェアおよびその構成部品の水力学的構成を意味するために用いられている。このようなシステムは、図１に概略的に示されている。
さらなる利点および実施形態は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかとなる。
本発明のデュアルモード推進システムの実施形態の簡略化された水力学的な概略図である。 第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０をそれぞれ備える本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンの好ましい実施形態１００を示す図である。 第２の一次反応室を有していない本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンの代替の実施形態２００の図である。 第２の酸化剤リッチ単元推進薬の注入のための手段１２５が見られる、図３の代替の実施形態の拡大した部分図である。
本発明によれば、液体貯蔵可能な危険有害性の低い液体単元推進薬が用いられる。本発明のエンジンで用いられる単元推進薬は、それぞれ、燃料リッチ単元推進薬と酸化剤リッチ単元推進薬とである。
本発明のエンジンは、デュアルモードでの危険有害性の低い推進薬の使用、または、二元推進薬の運転を可能にする新規の推進技術を構成する。
適切な酸化剤リッチ単元推進薬は、「Ｏｘｉｄｉｚｅｒ−ｒｉｃｈ ｌｉｑｕｉｄ ｍｏｎｏｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ ｆｏｒ ａ ｄｕａｌ ｍｏｄｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｏｃｋｅｔ ｅｎｇｉｎｅ」という名称の出願者の同時係属中のＰＣＴ出願により詳細に開示されている。
本発明のエンジンは、燃料リッチ単元推進薬の分解のための触媒床を備える、前記燃料リッチ単元推進薬の分解のための第１の一次反応室１３０を備え、その第１の一次反応室は、第２の酸化剤リッチ単元推進薬の自身への注入のための手段１２５を有する二次反応室１５０に連結され、および、二次反応室１５０へと開放する。
本発明のデュアルモード化学エンジンの一実施形態では、酸化剤リッチ単元推進薬が、外側からエンジンの二次反応室へと注入される。このような実施形態では、燃料リッチ単元推進薬が本発明のエンジンの単元推進薬モード運転で使用される。このような実施形態の例は、図３に描写されている。
本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンの好ましい実施形態では、エンジンは、第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０を、二次反応室１５０に連結された並列の配置で備え、燃料リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第１の一次反応室１３０が、燃料リッチ単元推進薬のための触媒を備え、酸化剤リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第２の一次反応室１４０が、酸化剤リッチ単元推進薬のための触媒を備えている。このような実施形態では、第２の酸化剤リッチ単元推進薬を二次反応室へと注入するための手段１２５は、二次反応室１５０の上流に配置され、第２の一次反応室の下流端から形成され、その下流端が二次反応室１５０へと開く。このような実施形態では、燃料リッチ単元推進薬、または、酸化剤リッチ単元推進薬が、本発明のエンジンの単元推進薬モード運転で使用される。このような実施形態の例は、図２に描写されている。
一次反応室における触媒は、反応性分解および燃焼化学種に曝され、現在の設計限界より高い温度で運転されるとき、スラスタの寿命を限定する要素となる。本発明の主要な便益は、二次反応室における温度が大幅に上昇され得る一方で、一次反応器における触媒の温度が実質的には影響されないままとされ得ることである。したがって、単元推進薬に現在使用されている既存の優れた実績のある触媒および触媒床が、本発明でも使用できる。そのため、燃料リッチ単元推進薬に特有の第１の一次熱／触媒反応器と、酸化剤リッチ単元推進薬に特有の第２の一次熱／触媒反応器は、それぞれ、変更をまったく必要としない。
本発明のエンジン設計を用いて、従来の液体の燃料リッチ単元推進薬と、このような液体の燃料リッチ単元推進薬のための対応する従来の触媒とは、本発明のエンジンにおいて第１の一次反応室で用いられ得る。したがって、例えば、ヒドロキシル硝酸アンモニウム（ＨＡＮ）またはアンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）に基づいた単元推進薬など、液体の酸化剤に基づいた単元推進薬のための従来の単元推進薬エンジンと比較して、本発明のエンジンの第１の一次反応室で使用される対応する単元推進薬のための触媒は、対応する従来の単元推進薬エンジンにおけるものと、特に温度に関して、同様の条件に曝されることになる。
第１の一次反応室１３０および１４０は、好ましくは、例えばＨＡＮまたはＡＤＮに基づいた液体単元推進薬など、従来の液体の燃料リッチ単元推進薬混合物の分解のための従来の技術を用いる。
燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室は、ＡＤＮに基づいた液体単元推進薬のための、対応する液体ＡＤＮ単元推進薬スラスタで現在使用されている従来の反応器と、および、ＨＡＮに基づいた液体単元推進薬のための、対応する液体ＨＡＮ単元推進薬スラスタで現在使用されている従来の反応器と、同様の反応器設計に基づくことができる。
本発明のロケットエンジンの概して好ましい実施形態は、第１および第２の一次反応室１３０および１４０を、二次反応室１５０に連結された並列の配置で備えている。
燃料リッチ単元推進薬の混合物と酸化剤リッチ単元推進薬の混合物とは、それぞれ、本発明の目的のためにＨＡＮに基づかれ得る一方、燃料リッチ単元推進薬の混合物と酸化剤リッチ単元推進薬の混合物とが、それぞれ、他に指示されていない場合、ＡＤＮに基づかれ得ることは、概して好ましい。
第１および第２の一次反応室が並列な配置となっている実施形態
第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０を、二次反応室に連結された並列の配置で備える実施形態を、ここでより詳細に説明する。
燃料リッチ単元推進薬を用いる単元推進薬モードでの運転と、特定の酸化剤リッチ単元推進薬に基づいて、燃料リッチ単元推進薬および酸化剤リッチ単元推進薬の両方を用いる二元推進薬モードでの運転とに加えて、エンジンは、例えば過酸化水素など、酸化剤リッチ単元推進薬のみを用いて単元推進薬モードで運転されてもよい。運転のこのモードは、燃料リッチ単元推進薬の推力との比較として、または、余剰であるとして、より小さい推力で十分であるとき、もしくは、例えば、燃料リッチ単元推進薬がもはや利用できない場合や、燃料リッチ単元推進薬供給配管に沿ういずれかに不具合がある場合に、有用であり得る。
第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０は、関連する単元推進薬の意図した床負荷と所望の熱伝達とに依存して、並列な１つまたは複数の反応室から各々成り得る。例えば、燃料リッチ単元推進薬のための複数の第１の一次反応室１３０は、酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室１４０へと組み込まれ得るか、または、別々の一次反応室がハニカムの別々の小室に配置されるハニカム構造も考えられる。
好ましい実施形態では、並列な第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０は、同軸の配置にある。このような実施形態の例は、図２に示されている。同軸の構成は、第１の一次反応室と第２の一次反応室との間の所望の熱交換にも対応し、それによって二次反応室における二次燃焼のために分解ガスを調節する。このような構成は、簡単で効果的な注入器１１０を使用することも可能にさせる。
同軸の配置の好ましい構成では、燃料リッチ単元推進薬のための反応室１３０は、酸化剤リッチ単元推進薬のための反応室１４０を包囲している。
好ましい実施形態では、液体で水性のＡＤＮに基づく単元推進薬、例えばＬＭＰ−１０３、ＬＭＰ−１０３Ｓ、およびＦＬＰ−１０６など、特にはＬＭＰ−１０３Ｓが、燃料リッチ単元推進薬として使用される。
好ましい実施形態では、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が、酸化剤リッチ単元推進薬として使用される。
過酸化水素は、おそらく、世界中で最も研究された単元推進薬である。しかしながら、単元推進薬としての過酸化水素の比推力は比較的小さく、濃縮に応じて１，６００〜１，８００Ｎｓ／ｋｇの範囲である。比較的小さい比推力と、過酸化水素の貯蔵可能性についての懸念とが、ヒドラジンを選び、過酸化水素を宇宙船の反応制御システム（ＲＣＳ）から排除してしまっている。過酸化水素は、二元推進薬モードで酸化剤としても使用でき、少なくとも１９３４年から推進の目的のために研究されてきた。過酸化水素は、反応性があり、その最も安定した形態で貯蔵されているときでも、時間と共にゆっくりと分解する。貯蔵可能性についての懸念と、過酸化水素の安全な使用とが、何年にもわたって議論されてきた。これらの懸念が誇張され得ることと、過酸化水素が安全に取り扱いできることとが報告されている。しかしながら、現在の最先端の技術の推進薬の毒物に関する懸念および発癌性の懸念が、少なくともここ１０年の間、過酸化水素への新たな興味につながった。
好ましい単元推進薬の組み合わせでは、液体で水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬が、燃料リッチ単元推進薬として用いられ、過酸化水素が、酸化剤リッチ単元推進薬として用いられる。液体で水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬の好ましい単元推進薬の組み合わせは、液体で水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬だけ、もしくは、酸化剤リッチ単元推進薬がＨ２Ｏ２だけであるか、そのいずれかを用いる単元推進薬モードで、または、両方の単元推進薬を用いる二元推進薬モードにおいてのいずれかで運転できるシステムに対応する。
Ｈ２Ｏ２は、好ましくは、少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも９０％の濃度のものである。
本発明のより好ましい実施形態によれば、ＬＭＰ−１０３ＳおよびＨ２Ｏ２は、Ｈ２Ｏ２の貯蔵可能性が意図した使用にとって許容可能であるならば、燃料リッチ単元推進薬と酸化剤リッチ単元推進薬としてそれぞれ使用される。環境に優しい単元推進薬ＬＭＰ−１０３ＳおよびＨ２Ｏ２を用いる二元推進薬モードにおける主題のロケットエンジンの運転は、ＮＡＳＡ−Ｇｌｅｎｎ化学平衡計算プログラムＣＥＡ２で実施された計算によれは、単元推進薬として使用されるだけのときのＬＭＰ−１０３Ｓに対して２０％までの比推力の追加的な向上をもたらし、これは、非常に有害な従来の貯蔵可能な推進薬、つまり、ＭＭＨおよびＮＴＯで運転される先行技術の二元推進薬エンジンの比推力と匹敵する。さらに、二元推進薬モードにおけるＬＭＰ−１０３ＳおよびＨ２Ｏ２の単元推進薬の組み合わせの推力密度は、従来の貯蔵可能な推進薬で運転される先行技術の二元推進薬エンジンの推力密度を５％までで超えることになる。
本発明によれば、燃料リッチ液体のＨＡＮに基づいた単元推進薬混合物が、ＬＭＰ−１０３Ｓと同じ方法で用いられ得る。
図２を参照しつつ、本発明のロケットエンジン１００の好ましい実施形態をここでより詳細に説明する。このような実施形態では、ロケットエンジンは、一連の冗長な流れ制御弁１１１、および、推進薬供給管１２１が続く、燃料リッチ単元推進薬のための１つの入口ポート１０１と、一連の冗長な流れ制御弁１１２、および、推進薬供給管１２２が続く、酸化剤リッチ単元推進薬のための１つの入口ポート１０２とを備えており、２つの一次反応室１３０、１４０へと導く。第１の一次反応室１３０は、燃料リッチ単元推進薬用であり、第２の一次反応室１４０は、酸化剤リッチ単元推進薬用である。第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０は、互いと並列に配置され、同軸の配置になっている。燃料リッチ単元推進薬のための反応室１３０は、推進薬を注入する前に、適切な推進薬の分解のために、電気ヒータを用いて、または、酸化剤リッチ単元推進薬のための隣接する一次反応室における分解によって発生される熱によってのいずれかによる予加熱を必要とする。
エンジン１００とその運転とをここでより詳細に説明する。二元推進薬モードでは、例えば、ＬＭＰ−１０３Ｓなど、水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物といった、燃料リッチ単元推進薬が、注入器１１０を介して第１の一次反応室１３０へと注入され、そこで単元推進薬は熱／触媒的に分解され（ＡＤＮに基づいた単元推進薬の分解は、ＷＯ０２／０９５２０７に開示されている）、熱を生成する発熱反応（ＬＭＰ−１０３Ｓについては１，６００℃まで）と、二次反応室１５０へと流れる燃料リッチガスとを引き起こす。非常に濃縮された（９０％以上）過酸化水素など、酸化剤リッチ単元推進薬は、注入器１１０を介して第２の一次反応室１４０へと注入され、そこで酸化剤リッチ単元推進薬は熱／触媒的に分解され、熱を生成する発熱反応（９０％のＨ２Ｏ２については９００℃まで）と、二次反応室１５０へと同じく流れる酸素の余剰とを引き起こす。第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０の好ましい構成は、燃料リッチ単元推進薬のための反応器１３０が酸化剤リッチ単元推進薬のための反応器１４０を包囲する同軸の配置である。簡単な設計の注入器１１０が、図２に示しているように、第１および第２の一次反応室のこの同軸の構成で使用できる。高温で多量の燃料リッチガスと酸素リッチガスとが、第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０からそれぞれ流れ、二次反応室１５０において混合するため、二次発熱燃焼が起こり、そこでの滞留ガス温度は大幅にさらに上昇させられ（ＡＤＮおよびＨ２Ｏ２の組み合わせについては約２，３００℃まで）、これは、排気ガスがノズル１７０を通じて加速されることで推力を発生する前に、燃料効率、つまり、比推力の観点において、エンジンの性能を高める。
本発明のロケットエンジン１００は、例えば、ＬＭＰ−１０３Ｓなど、水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物といった、燃料リッチ単元推進薬のみを第１の一次反応室１３０へと注入することで、より小さい推力およびインパルスビットのための単元推進薬モードでも運転でき、第１の一次反応室１３０では、排気ガスがノズル１７０を通じて加速されることで推力を発生する前に、推進薬は、熱／触媒的に分解され、熱を生成する発熱反応と、二次反応室１５０へと流れる燃料リッチガスとを引き起こし、二次反応室１５０では最終的な燃焼が起こる。
本発明のロケットエンジン１００は、第２の一次反応室１４０へと注入される、例えば非常に濃縮された（９０％以上）過酸化水素といった、酸化剤リッチ単元推進薬のみの注入によって、より小さい推力およびインパルスビットのための単元推進薬モードでも運転でき、第２の一次反応室１４０では、排気ガスがノズル１７０を通じて加速されることで推力を発生する前に、推進薬は、熱／触媒的に分解され、熱を生成する発熱反応と、二次反応室１５０へと流れるガスとを引き起こす。
第１および第２の一次反応室を有する本発明の実施形態の追加の便益は、燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室の必要とされる予加熱が、例えば、過酸化水素が用いられるときなど、第２の一次反応室によって発生される熱によって発生される熱によって実現できることである。過酸化水素の分解は、自発的な触媒作用だけによって実現され得るか、または、電気ヒータによって補助され得るが、便益は、スラスタが、反応器の予加熱なしで、または、非常に限定された電力および予加熱時間で完全に燃焼できることであり、その予加熱時間は、スラスタのサイズが大きくなるほど重要性を増す。電気ヒータは、図に示されていないが、必要により様々な位置に配置できる。
第１の一次反応室１３０および第２の一次反応室１４０を有する前述の好ましい実施形態において、例えばＡＤＮまたはＨＡＮなど、酸化剤に基づいた単元推進薬は、酸化剤リッチ単元推進薬として用いられないが、これは、特にＡＤＮおよびＨＡＮの分解の間に生成される関連する高い温度および酸化種に関して、このような単元推進薬の触媒分解の間（つまり、酸化剤リッチ単元推進薬として調合されるとき）の状態に耐えられる公知の触媒がないためである。
好ましい酸化剤リッチ単元推進薬はＨ２Ｏ２である。
第２の一次反応室のない実施形態
第２の一次反応室１４０を備えていない、つまり、燃料リッチ単元推進薬のための一次反応室１３０だけを有する本発明の代替の実施形態を、ここでより詳細に説明する。
第２の一次反応室を有していないロケットエンジンのこのような実施形態は、液体の燃料リッチ単元推進薬混合物を用い、二元推進薬モードでは、二次反応室へと注入される液体の酸化剤リッチ単元推進薬を追加的に用いる、単元推進薬モードまたは二元推進薬モードのいずれかで運転する能力を有する。
一次反応室１３０および二次反応室１５０は、それぞれ互いに対して直列に配置されている。
本発明の実施形態によれば、特に長期間の貯蔵性が必要とされる場合、二元推進薬モードにおける主題のロケットエンジンの運転は、燃料リッチ単元推進薬として、環境に優しい燃料リッチ単元推進薬ＬＭＰ−１０３Ｓを用い、酸化剤リッチ単元推進薬として、ＡＤＮを７０〜９０％と、アンモニアを０〜１０％と、残部の水とを含む、新規の酸化剤リッチ液体のＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物を用いる。ＮＡＳＡ−Ｇｌｅｎｎ化学平衡計算プログラムＣＥＡ２で実施された計算によれば、このような単元推進薬の組み合わせを用いる本発明のロケットエンジンの運転は、単元推進薬として使用されるだけのときのＬＭＰ−１０３Ｓに対して１０％までの比推力の追加的な向上をもたらし、これは、非常に有害な従来の貯蔵可能な推進薬、つまり、ＭＭＨおよびＮＴＯで運転される先行技術の二元推進薬エンジンの比推力より約１０％小さい。さらに、ＬＭＰ−１０３Ｓおよび新規の酸化剤リッチＡＤＮ混合物の組み合わせの推力密度は、従来の貯蔵可能な推進薬で運転される先行技術の二元推進薬エンジンの推力密度の９４％までとなる。
好ましくは、新規の酸化剤リッチＡＤＮに基づいた混合物は、ＡＤＮを７０〜８０％で含む。アンモニアの好ましい内容量は、重量で１〜１０％、より好ましくは重量で５〜１０％、特には重量で５〜８％の範囲内にある。１００％までの残部は水である。
デュアルモード化学ロケットエンジンでの使用のための酸化剤リッチＡＤＮに基づく好ましい単元推進薬は、ＡＤＮを約７７％と、水を約１７％と、アンモニアを約６％とを含む。
燃料リッチＨＡＮに基づく単元推進薬混合剤は、特に長期間の貯蔵可能性が必要とされるとき、ＬＭＰ−１０３Ｓと同じ方法で用いられ得る。
一方、酸化剤リッチＨＡＮに基づく単元推進薬混合剤は、新規の酸化剤リッチＡＤＮ単元推進薬混合物、つまり、ＨＡＮを７０〜８０％と、アンモニアを０〜１０％、好ましくはアンモニアを１〜１０％、より好ましくはアンモニアを５〜１０％と、残部の水とを含むＨＡＮに基づく単元推進薬混合物と同様の方法で用いられ得る。
図３を参照しつつ、第２の一次反応室のない本発明のロケットエンジン２００の好ましい実施形態をここでより詳細に説明する。
このような実施形態では、本発明のデュアルモード化学ロケットエンジンは、燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室１３０と、一次反応室からの燃料リッチ燃焼ガスと共にさらに燃焼する酸化剤リッチ単元推進薬の分解のための二次反応室１５０とを備えている。
このような実施形態の例は、図３に示されており、一次反応室１３０と二次反応室１５０とが直列に配置されている。ロケットエンジン２００は、一連の冗長な流れ制御弁１１１、および、推進薬供給管１２１が続く、燃料リッチ単元推進薬のための１つの入口ポート１０１と、一連の冗長な流れ制御弁１１２、および、推進薬供給管１２２が続く、酸化剤リッチ単元推進薬のための１つの入口ポート１０２とを備えている。
エンジン２００とその運転とをここでより詳細に説明する。二元推進薬モードでは、例えば、ＬＭＰ−１０３Ｓなど、水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物といった、燃料リッチ単元推進薬が、注入器１１０を介して一次反応室１３０へと注入され、そこで推進薬は熱／触媒的に分解され（ＡＤＮに基づいた単元推進薬の分解は、ＷＯ０２／０９５２０７に開示されている）、熱を生成する発熱反応（ＬＭＰ−１０３Ｓについては１，６００℃まで）と、二次反応室１５０へと流れる燃料リッチガスとを引き起こす。ＡＤＮに基づいた酸化剤リッチ単元推進薬混合物、または、非常に濃縮された（９０％以上）過酸化水素など、酸化剤リッチ単元推進薬は、第２の注入器１２５によって、一次反応室１３０の下流の二次反応室１５０において、二次反応室１５０へと注入される。第２の注入手段１２５の部分的な拡大を図４に示す。二次反応室１５０では、酸化剤リッチ単元推進薬が霧化および分解され、それによって、二次反応室１５０で、一次反応室１３０からの燃料リッチガスと混合する酸素の余剰を発生する。二次発熱燃焼が二次反応室で起こり、滞留ガス温度は大幅にさらに上昇させられ（２，３００℃まで）、これは、排気ガスがノズル１７０を通じて加速されることで推力を発生する前に、燃料効率、つまり、比推力の観点において、エンジンの性能を高める。
本発明のロケットエンジン２００は、例えば、ＬＭＰ−１０３Ｓなど、水性のＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物のみを第１の一次反応室１３０へと注入することで、より小さい推力およびインパルスビットのための単元推進薬モードでも運転でき、第１の一次反応室１３０では、排気ガスがノズル１７０を通じて加速されることで推力を発生する前に、推進薬は、熱／触媒的に分解され、熱を生成する発熱反応と、二次反応室１５０へと流れる燃料リッチガスとを引き起こす。
本発明の推進システム
本発明のデュアルモード推進システムの実施形態の簡略化された水力学的な概略図が、図１に示されている。サービス弁２２および３２が、運転前に推進薬を推進システムへと充填するために使用されている。例えばＬＭＰ−１０３Ｓといった、燃料リッチ単元推進薬が推進薬容器２１に収容されており、例えば非常に濃縮された過酸化水素Ｈ２Ｏ２、または代替で、酸化剤リッチＨＡＮもしくはＡＤＮに基づいた単元推進薬混合物といった、酸化剤リッチ単元推進薬が推進薬容器３１に収容される。例えばヘリウムといった、高い圧力（つまり、数十メガパスカル（数百バール））に加圧しているガスが、推進システムの運転の前に、サービス弁１１を介して加圧剤容器１０へと充填される。推進システムは、遮断弁２４および３４の下流で推進薬配管における締め切りガスを放出することによって作動され、その後、最初の点火の前に推進薬のスラスタへの呼び入れを実施する。いずれかのスラスタを点火するとき、容器１０からの加圧剤ガスが、圧力調節器１２によって、ロケットエンジン運転推進薬供給圧力（つまり、数メガパスカル（数十バール））に下げるように調節される。加圧剤は、推進薬遮断弁１３を通り、さらに逆止弁２０および３０を通り、推進薬容器２１および３１へと流れる。運転モード、つまり、単元推進薬モードまたは二元推進薬モードに応じて、推進薬容器２１もしくは３１のいずれか、または、両方からの推進薬が、点火するとき、推進薬フィルタ２３および３３をそれぞれ通り、主題のエンジンへと流れる。
二元推進薬液体アポジエンジン（ＬＡＥ）６０は、５０Ｎから１０ｋＮの間の評価された推力レベルを有している。本発明の推進システムでは、二元推進薬液体アポジエンジン６０は、存在するとき、好ましくは本発明のデュアルモードエンジンである。
図１にある本発明の液体アポジエンジン（ＬＡＥ）６０の好ましい実施形態は、図２に示すロケットエンジン設計と似ているが、１つではなく複数の燃料リッチ推進薬のための第１の一次反応室１３０が、酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室１４０へと組み込まれているという違いがある。酸化剤リッチ第２の一次反応室へと組み込まれた燃料リッチ第１の一次反応器の好ましい配置は、その逆はなく、燃料リッチ反応器のコアが、酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応器よりはるかに高温で作用するため、設計の熱特性の最適化によるものである。
転用のデュアルモードスラスタ５０は、５Ｎから５０Ｎの間の評価された推力レベルを有している。本発明の推進システムでは、転用のデュアルモードスラスタ５０は、存在するとき、エンジン１００または２００など、好ましくは本発明のデュアルモードエンジンである。
ＲＣＳスラスタ４０は、ＬＭＰ−１０３Ｓで運転される好ましいＥＣＡＰＳ １Ｎから２２Ｎ ＨＰＧＰまでの単元推進薬スラスタである。
本発明のデュアルモード推進システムのあらゆる単元推進薬ロケットエンジンは、ＡＤＮもしくはＨＡＮに基づいた単元推進薬または過酸化水素など、液体の燃料リッチ単元推進薬を好ましくは用いる。過酸化水素単元推進薬エンジンは、過酸化水素を酸化剤リッチ単元推進薬として用いる本発明のデュアルモードロケットエンジンを備えるシステムにおける単元推進薬エンジンとして、好ましいとされ得る。
本発明のエンジンの二次燃焼室１５０は、非常に高い燃焼温度に耐えるために、イリジウムで裏打ちされたレニウムから好ましくは製作される。
本発明の概念は、酸化剤および燃料を備える任意の液体単元推進薬合成物に適用可能である。
０℃から９０℃の間の温度で０メガパスカル（０バール）から３メガパスカル（３０バール）の間で液体状態にある単元推進薬が好ましいとされる一方、高密度亜酸化窒素など、液体の単元推進薬も考えられる。
〔態様１〕
燃料リッチ単元推進薬のための触媒床を備える、前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）を有し、前記第１の一次反応室（１３０）が、第２の酸化剤リッチ単元推進薬の自身への注入のための手段（１２５）を有する二次反応室（１５０）に連結される、デュアルモード化学ロケットエンジン（１００、２００）。
〔態様２〕
前記注入のための手段（１２５）が、外部から前記二次反応室（１５０）への、推進薬供給配管（１２２）からの酸化剤リッチ単元推進薬を注入することを可能にするように構成される、態様１に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
〔態様３〕
第１および第２の一次反応室（１３０、１４０）を、前記二次反応室（１５０）に連結された並列の配置で備え、
前記燃料リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第１の一次反応室（１３０）が、前記燃料リッチ単元推進薬のための触媒を備え、
前記酸化剤リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第２の一次反応室（１４０）が、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための触媒を備える、態様１に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
〔態様４〕
前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）と、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室（１４０）とが、同軸の配列で配置される、態様３に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
〔態様５〕
前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）が外側反応器室であり、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室（１４０）が、前記２つの一次反応器室（１３０、１４０）を備える前記同軸の配置にある内側反応器室である、態様４に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
〔態様６〕
前記燃料リッチ推進薬のための２つ以上の第１の一次反応室（１３０）が、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室（１４０）に組み込まれる、例えば液体アポジエンジンといった、態様４に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
〔態様７〕
態様１から６のいずれか一項に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン（１００、２００）を備えるデュアルモード推進システム。
〔態様８〕
液体貯蔵可能な危険有害性の低い燃料リッチ単元推進薬と、液体貯蔵可能な危険有害性の低い酸化剤リッチ単元推進薬とを備える、態様７に記載のデュアルモード推進システム。
〔態様９〕
前記燃料リッチ単元推進薬が、ＡＤＮに基づく、または、ＨＡＮに基づく、態様７または８に記載のデュアルモード推進システム。
〔態様１０〕
前記酸化剤リッチ単元推進薬が過酸化水素に基づく、態様７から９のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システム。
〔態様１１〕
前記酸化剤リッチ単元推進薬が、ＡＤＮに基づく、または、ＨＡＮに基づく、態様７に記載のデュアルモード推進システム。
〔態様１２〕
態様８もしくは９に記載された燃料リッチ単元推進薬、または、過酸化水素を用いる単元推進薬ロケットエンジン（４０）を備える、態様７から１１のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システム。
〔態様１３〕
態様１から６のいずれか一項に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン、および／または、態様７から１２のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システムを備える宇宙船。
〔態様１４〕
態様１から６のいずれか一項に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン、または、態様７から１２のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システムに収容される前記エンジンにおいて、第１の分離容器に貯蔵される、燃料リッチＡＤＮまたはＨＡＮに基づいた単元推進薬混合物と、第２の分離容器に貯蔵される、高濃縮された過酸化水素とを含む二元推進薬組み合わせの使用。

Claims (8)

  1. 液体燃料リッチ単元推進薬のための触媒床を備える、前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）を有し、
    前記第１の一次反応室（１３０）が、液体の第２の酸化剤リッチ単元推進薬の自身への注入のための手段（１２５）を有する二次反応室（１５０）に連結された、デュアルモード化学ロケットエンジン（１００）において、
    前記燃料リッチ単元推進薬が、アンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ）に基づく、または、硝酸ヒドロキシルアミン（ＨＡＮ）に基づき、
    前記デュアルモード化学ロケットエンジンは、前記二次反応室（１５０）に連結された並列の配置で、第１および第２の一次反応室（１３０、１４０）を更に備え、
    前記燃料リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第１の一次反応室（１３０）が、前記燃料リッチ単元推進薬のための触媒を備え、
    前記酸化剤リッチ単元推進薬のための１つまたは複数の第２の一次反応室（１４０）が、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための触媒を備え、
    前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）と、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室（１４０）とが、同軸の配列で配置される、デュアルモード化学ロケットエンジン（１００）。
  2. 前記燃料リッチ単元推進薬のための第１の一次反応室（１３０）が外側反応器室であり、前記酸化剤リッチ単元推進薬のための第２の一次反応室（１４０）が、前記２つの一次反応器室（１３０、１４０）を備える前記同軸の配置にある内側反応器室である、請求項１に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン。
  3. 請求項１または２に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン（１００）を備えるデュアルモード推進システム。
  4. 液体貯蔵可能な燃料リッチ単元推進薬と、液体貯蔵可能な酸化剤リッチ単元推進薬とを備える、請求項３に記載のデュアルモード推進システム。
  5. 前記酸化剤リッチ単元推進薬が過酸化水素に基づく、請求項３または４に記載のデュアルモード推進システム。
  6. 前記酸化剤リッチ単元推進薬が、ＡＤＮに基づく、または、ＨＡＮに基づく、請求項３または４に記載のデュアルモード推進システム。
  7. 請求項４に記載された燃料リッチ単元推進薬、または、過酸化水素を用いる単元推進薬ロケットエンジン（４０）を備える、請求項３から６のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システム。
  8. 請求項１または２に記載のデュアルモード化学ロケットエンジン、または、請求項３から７のいずれか一項に記載のデュアルモード推進システムを備える宇宙船。
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