JP6805741B2 - ロケット噴射器 - Google Patents

Description

本開示は、ロケット噴射器に関する。

特許文献１には、噴射面から推進剤を噴射するロケット噴射器が開示されている。噴射面には、推進剤を噴射する構造が設けられている。この構造には、一般的に同軸エレメントと称される二重管構造のノズルの他、例えば、衝突型やピストル型等の形態がある。推進剤は酸化剤及び燃料からなり、例えば、二重管構造のノズルの場合、ノズルの中心から酸化剤が噴射され、その周りから燃料が噴射される。ノズルから噴射された酸化剤及び燃料は混合され、燃焼室内での点火によって燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、極めて高温であるため、燃焼室に面する噴射面の熱対策が必要となる。

噴射面は焼結金網である多孔板からなり、噴射面に対して反対側となる裏面側は、冷媒として利用される燃料と接している。燃料は多孔板を透過して噴射面から滲み出し、噴射面を含む多孔板の冷却に寄与する。多孔板は、噴射器本体の周壁に溶接等によって固定され、また、多孔板には、燃料や酸化剤を噴射するノズルが溶接等により固定されている。

特開２０１３−１３３７１１号公報

噴射面を備えた多孔板は焼結金網によって製造されているので、溶接の際の条件だしが難しく、また、ロー付けでは、ロー材が網内に染み込んでしまって滲みだし量の個体差が大きくなり易かった。また、従来の焼結金網では、冷却量の不足によって局所的に噴射面が損傷等する場合であっても、構造的に焼結金網全体の冷却量を増やすしかなかった。そのため、冷却量の増加によって今度は燃焼効率を低下させる可能性もあり、実質的に冷却量の最適化が難しかった。つまり、従来の多孔板では、製造面や冷却量の最適化という観点で品質の向上を図り難かった。

本開示は、燃料を冷媒として噴射面を冷却するロケット噴射器において、品質の向上を図るのに有利であるロケット噴射器を提供する。

本開示の一態様は、燃焼室に面する噴射面を流体状の燃料によって冷却するロケット噴射器であって、噴射面を備えた噴射板と、噴射板を貫通し、少なくとも燃料を燃焼室内に噴射するノズルと、噴射板を挟んで燃焼室とは反対側に設けられると共に、燃料を収容する燃料室と、を備え、噴射板は、燃料室内の燃料が噴射面側に向けて透過可能な多孔部と、多孔部に比べて流体の透過性が低い中実部とを備え、多孔部と中実部とは一体構造である。なお、「流体の透過性が低い」とは中実部において流体の透過性が無い場合も含まれる。

このロケット噴射器では、燃料が多孔部を透過して噴射面から滲み出すことで、噴射板の冷却が可能になる。一方、中実部は、多孔部に比べて流体の透過性が低いので、少なくとも、多孔部に比べて溶接時の条件だしは容易であり、また、ロー付けしたとしてもロー材の染み込みは少ない。したがって、例えば、中実部を溶接等するようにすれば、容易かつ個体差が小さくでき、更に、多孔部と中実部とは一体構造であるため、多孔部と中実部とを溶接等で固定する必要は無く、品質の維持、向上に有利である。また、例えば、冷却量の不足による溶損等の生じ易い箇所を設計段階或いは、試作試験段階で特定できるのであれば、そのような箇所の透過率を、それ以外の部位より優先的に高くすることで冷却量の最適化を図り易くなる。以上より、このロケット噴射器によれば、品質の向上を図るのに有利となる。

いくつかの態様において、中実部は多孔部よりも密度が大きいロケット噴射器とすることができる。中実部の密度を多孔部よりも大きくすることで、結果的に多孔部よりも空隙の小さい中実部を実現し易くなり、その結果、多孔部に比べて流体の透過性が低い中実部を実現し易くなる。

いくつかの態様において、燃料室が設けられた噴射器本体を備え、噴射器本体に接続された噴射板の外縁領域は中実部であるロケット噴射器とすることができる。噴射器本体と噴射板とを溶接等して固定する場合において、中実部を溶接等することになるため品質が安定し、更に作業性も向上する。

いくつかの態様の噴射面において、ノズルを囲んでノズルに接続された領域は中実部であるロケット噴射器とすることができる。ノズルと噴射板とを溶接等して固定する場合において、中実部を溶接等することになるため品質が安定し、更に作業性も向上する。

また、本開示の一態様は、上記のロケット噴射器と、ロケット噴射器に接続された燃焼室ライナーと、を備えたロケット燃焼器とすることができる。

本開示のいくつかの態様によれば、燃料を冷媒として噴射面を冷却するロケット噴射器において、品質の向上を図るのに有利となる。

本開示の一実施形態に係るロケット噴射器を備えたロケット燃焼器の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、噴射器本体に溶接された噴射板の噴射面を一部破断して示している。 主として噴射板の断面を示し、（ａ）の図は図２のａ−ａ線に沿った断面図、（ｂ）の図は図２のｂ−ｂ線に沿った断面図である。 噴射板の多孔部の透過性を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺などを適宜変更している。また、図面を参照しながら実施形態を説明する場合において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１及び図２を参照して、一実施形態に係るロケット燃焼器１について説明する。ロケット燃焼器１は、燃焼室Ｃを内部に形成する燃焼室ライナー２と、燃焼室ライナー２に接続されたロケット噴射器３とを備えている。ロケット噴射器３は、噴射器本体５と、噴射器本体５に固定され、燃焼室Ｃと噴射器本体５とを区画する噴射板７と、噴射板７に取り付けられ、燃焼室Ｃに向けて推進剤を噴射する複数の噴射エレメント（ノズル）８とを備えている。噴射板７は、燃焼室Ｃに面する噴射面７ａを備えている。

推進剤は、例えば、酸化剤および燃料からなる。噴射エレメント８は二重管構造となっており、酸化剤を噴射する中心側の内管部８ａと、内管部８ａの周りから燃料を噴射する外管部８ｂとを備えている。酸化剤としては液体酸素が用いられ、燃料としてはメタン、液体水素、ケロシン等が用いられる。

噴射エレメント８は、噴射板７を貫通し、溶接によって噴射板７に固定されている。なお、噴射板７に対する噴射エレメント８の取り付けは、ロー付けやその他の方法であってもよく、隙間を閉塞できれば噴射板７に固定されていなくてもよい。複数の噴射エレメント８は、噴射板７の中心に対して同心円となる複数の仮想円上に、均等間隔になるように設けられているが、ロケットの仕様等により、適宜に配置することができる。

噴射器本体５の内部には、酸化剤を供給する酸化剤供給室１１と燃料を供給する燃料供給室１２とが設けられている。酸化剤供給室１１は、ドーム状の空間であり、酸化剤は、酸化剤入口１１ａを介して酸化剤供給室１１に導入される。酸化剤供給室１１は、各噴射エレメント８の内管部８ａ内に連通可能に接続されている。酸化剤供給室１１に導入された酸化剤は、各噴射エレメント８の内管部８ａを通って燃焼室Ｃ内に噴射される。

燃料供給室１２は、隔壁部９によって酸化剤供給室１１から区画されており、流体状の燃料を収容するドーム状の空間を有している。流体状とは気体状、液体状、または気体と液体との混合状態を含む。燃料供給室１２は、各噴射エレメント８の外管部８ｂ内に連通可能に接続されている。燃料は、燃料入口１２ａを介して燃料供給室１２に導入され、燃料供給室１２に導入された燃料は、各噴射エレメント８の外管部８ｂを通って燃焼室Ｃ内に噴射される。

各噴射エレメント８から噴射された酸化剤及び燃料は燃焼室Ｃ内で混合され、不図示の点火器によって燃焼し、燃焼ガスとなる。燃焼室Ｃを形成する燃焼室ライナー２及びロケット噴射器３の噴射面７ａは、燃焼室Ｃに面して燃焼ガスに晒されるので、噴射面７ａを冷却する冷却構造が必要となる。本実施形態に係る冷却構造では、冷媒として機能する燃料が滲み出して噴射面７ａを冷却する滲み出し冷却方式が採用されている。以下、この冷却構造について具体的に説明する。

噴射器本体５内には、隔壁部９によって隔てられた酸化剤供給室１１と燃料供給室（燃料室）１２とが設けられている。燃料供給室１２は隔壁部９を挟んで噴射板７に近い側に配置され、酸化剤供給室１１は遠い側に配置されている。また、燃料供給室１２は、噴射板７を挟んで燃焼室Ｃとは反対側に配置されており、噴射板７の裏面７ｂ、つまり噴射面７ａに対して反対側の面は燃料供給室１２内に露出している。燃料供給室１２内に収容されている燃料の一部は、噴射板７の冷媒として機能し、噴射板７の裏面７ｂから染み込み、噴射板７を透過して噴射面７ａから滲み出る。なお、本実施形態では、噴射板７の裏面７ｂが燃料供給室１２内に露出しているが、噴射板７の裏面７ｂを、燃料が透過可能な層で覆う態様であってもよい。

噴射板７は、燃料が透過可能な多孔部７１と、多孔部７１よりも流体の透過性が低い中実部７２Ａ，７２Ｂとを備えている。噴射板７はニッケル合金、ステンレス（ＳＵＳ）または銅合金等から成り、多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとは３Ｄ積層造形により一体構造として製造されている。中実部７２Ａ，７２Ｂは多孔部７１よりも密度が大きく、多孔部７１の方が中実部７２Ａ，７２Ｂよりも空隙率が高くなるように設計されている。以下、３Ｄ積層造形による噴射板７の製造方法について説明する。

本実施形態に係る噴射板７は、例えばレーザーや電子ビーム等を用いたパウダーベット方式によって造形されるが、デポジション方式であってもよい。パウダーベット方式の場合、多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとを備えた噴射板７の３次元データを３Ｄプリンターの制御装置に入力する。３Ｄプリンターは、例えば、造形側の造形用チャンバーと材料となる金属粉末を貯留する材料貯留チャンバーとを備える。材料貯留チャンバー内の金属粉末は造形用チャンバーに供給され、均等な厚さにならされる。その結果、造形用チャンバー内には所定厚さの金属粉末層が形成される。

この状態で、金属粉末層に対してレーザーが照射される。レーザーは、噴射板７の３次元データを複数層に分割した一層分の形状に倣って照射される。レーザーの照射によって金属粉末は溶融固化され、噴射板７の一層分の形状が形成される。次に、この層の上に再び金属粉末が積層されて均等厚さにならされ、再びレーザーが照射されて次の一層分の形状が形成される。このプロセスが繰り返されることで、最終的に、所定形状の噴射板７が形成される。

本実施形態では、３Ｄ積層造形によって多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとを一体構造として容易に製造でき、特に再現性の観点で有利である。また、多孔部７１における燃料の透過性の程度は、多孔部７１の空隙率に依存するが、３次元データに基づいて造形される３Ｄ積層造形によれば多孔部７１の空隙率の調整も容易である。一方、中実部７２Ａ，７２Ｂには、燃料などの流体が透過する空隙は形成されておらず、基本的に燃料などの流体が透過しない不透過構造である。３Ｄ積層造形によれば、一体構造であるにもかかわらず、空隙率の異なる多孔部７１の領域と中実部７２Ａ，７２Ｂの領域とをすみ分けながら容易に製造できる。

なお、多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとが一体構造であるとは、内部まで含めて物理的に一体であることを意味し、例えば、溶接などによって複数の部材を接合した態様、または部材同士の境界が明確に残る態様は除かれる。なお、一体構造である場合については、同一の材料となることが多いが、異なる材料であってもよい。本実施形態のように、３Ｄ積層造形によって造形された噴射板７は、一体構造に係る噴射板の代表例である。

噴射板７には、噴射エレメント８が貫通する複数の貫通孔７ｄが形成されており、噴射エレメント８は噴射板７に溶接等されている。噴射板７において、各貫通孔７ｄの周りの領域は中実部７２Ｂである。また、中実部７２Ｂは、噴射面７ａ側の一部の領域に形成されているが（図３の（ｂ）参照）、噴射板７の厚さ方向の全領域に形成されていてもよい。

噴射板７の周縁６に沿った端面７ｅは、噴射器本体５の周壁５ａの内面に接し、溶接されている。噴射板７の噴射器本体５への取り付けは、ロー付けやその他の方法であってもよい。噴射板７において、周縁６に沿った外縁領域は中実部７２Ａである。噴射板７は、噴射器本体５と接する厚さ方向の全領域で溶接されており、噴射板７と噴射器本体５との強固な固定を実現している。そのため、本実施形態に係る噴射板７の外縁領域は、厚さ方向の全領域が中実部７２Ａになっている（図３の（ａ）参照）。しかしながら、噴射板７の外縁領域は、ロケットの仕様等により、噴射面７ａ側の一部が中実部７２Ａであってもよい。

次に、図４を参照し、噴射板７の透過性について説明する。図４は、燃料供給室１２内における外部との差圧を横軸とし、噴射面７ａからの滲み出し流量を縦軸としたグラフであり、多孔部７１が異なる三種類の噴射板７のサンプルを用いた実験結果を示している。三種類のサンプルは３Ｄ積層造形によって造形され、第３のサンプルの空隙率が最も大きく、第２のサンプルの空隙率が最も小さくなるように設計されている。

図４に示されるように、差圧が同じ場合、噴射面７ａからの燃料の滲み出し流量は第３のサンプルが最も大きく、第１のサンプルが次に大きく、第２のサンプルは最も小さい。

本実施形態では、３Ｄ積層造形にて噴射板７を製造しているため、例えば焼結金網からなる噴射板７に比べて再現性が高く、個体差を小さくできる。つまり、第１のサンプル用の設計データに基づいて第１のサンプルを製造した場合には、上記同様の燃料の透過性を得やすい。その結果、ロケットの仕様が決まり、燃料供給室１２内における外部との差圧及び冷却に必要となる燃料の滲み出し量が決まれば、この仕様値に沿った精度の高い噴射板７を製造できる。

以上、本実施形態に係るロケット噴射器３では、燃料が多孔部７１を透過して噴射面７ａから滲み出すことで、噴射板７の冷却が可能になる。特に、本実施形態では、３Ｄ積層造形によって多孔部７１を形成しているので、所定の設計データに基づく再現性が高く、多孔部７１を介しての燃料の透過流量として最適化を図り易い。

また、噴射板７は中実部７２Ａ，７２Ｂを備えており、特に製造時に溶接等が必要となる領域に中実部７２Ａ，７２Ｂが配置されている。中実部７２Ａ，７２Ｂは、多孔部７１に比べて流体の透過性が低く、多孔部７１に比べて溶接時の条件だしは容易であり、また、ロー付けしたとしてもロー材の染み込みは少ない。更に、多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとは一体構造であるため、多孔部７１と中実部７２Ａ，７２Ｂとを溶接等で固定する必要は無い。

以上より、上記の実施形態に係るロケット噴射器３によれば、個体差を小さくして品質の維持、向上を図るのに有利となる。特に、本実施形態では、３Ｄ積層造形によって噴射板７を製造しているので再現性が高く、個体差を小さくするという観点で、更に有利である。また、３Ｄ積層造形によって製造することで製造期間や製造コストを大幅に削減できる。

また、本実施形態では、中実部７２Ａ，７２Ｂの密度が多孔部７１の密度よりも大きくなるように設計されている。その結果、中実部７２Ａ，７２Ｂ内の形態として、多孔部７１よりも空隙の小さい形態を実現し易くなり、その結果、多孔部７１に比べて流体の透過性が低い中実部７２Ａ，７２Ｂを実現し易くなる。

また、本実施形態では、噴射器本体５に接続される噴射板７の外縁領域は中実部７２Ａであり、噴射板７は、中実部７２Ａが噴射器本体５に溶接されているので、品質が安定し、更に作業性も向上する。

また、本実施形態では、噴射エレメント８を囲んで噴射エレメント８に接続された領域は中実部７２Ｂであり、中実部７２Ｂが噴射エレメント８に溶接されているので、品質が安定し、更に作業性も向上する。

本開示は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、各実施例の変形例を構成することも可能である。

例えば、上記の実施形態では、噴射器本体に接続される領域、及び噴射エレメントに接続される領域の両方を中実部としているが、どちらか一方、例えば、噴射器本体に接続される領域のみを中実部とし、その他を全て多孔部とすることもできる。また、噴射板に点火器を設置する態様では、点火器を装着するための筒状の支持材を噴射板に接続する場合がある。このような部材を噴射板に溶接等で接続する場合、各種部材に接続される噴射板の一部分を中実部とし、その他を多孔部としてもよい。

また、溶接などによる接合とは関係なく、例えば、冷却量の不足による溶損等の生じ易い箇所を設計段階或いは、試作試験段階で特定できるのであれば、そのような箇所の透過率を、それ以外の部位より優先的に高くすることで冷却量の最適化を図ることも可能である。その結果、過度の冷却量の増加による燃焼効率の低下を防ぐことができ、燃焼効率の面においても品質の向上を図るのに有利となる。

１ ロケット燃焼器
３ ロケット噴射器
５ 噴射器本体
７ 噴射板
７ａ 噴射面
８ 噴射エレメント（ノズル）
１２ 燃料供給室（燃料室）
７１ 多孔部
７２Ａ，７２Ｂ 中実部
Ｃ 燃焼室

Claims (5)

1. 燃焼室に面する噴射面を流体状の燃料によって冷却するロケット噴射器であって、
   前記噴射面を備えた噴射板と、
   前記噴射板を貫通し、少なくとも前記燃料を前記燃焼室内に噴射するノズルと、
   前記噴射板を挟んで前記燃焼室とは反対側に設けられると共に、前記燃料を収容する燃料室と、を備え、
   前記噴射板は、前記燃料室内の前記燃料が前記噴射面側に向けて透過可能な多孔部と、前記多孔部に比べて流体の透過性が低い中実部とを備え、前記多孔部と前記中実部とは一体構造であり、
   前記噴射板は、前記燃焼室に面する噴射面と、前記噴射面に対して反対側であり、前記燃料室内に露出している裏面とを備え、
   前記多孔部は、前記裏面から前記噴射面にかけて前記燃料が滲み出る空隙を備えている、ロケット噴射器。
2. 前記中実部は、前記多孔部よりも密度が大きく、
   前記多孔部と前記中実部とは３Ｄ積層造形による前記一体構造である、請求項１記載のロケット噴射器。
3. 前記燃料室が設けられた噴射器本体を備え、
   前記噴射器本体に接続された前記噴射板の外縁領域は前記中実部である、請求項１または２記載のロケット噴射器。
4. 前記噴射面において、前記ノズルを囲んで前記ノズルに接続された領域は前記中実部である請求項１〜３のいずれか一項記載のロケット噴射器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の前記ロケット噴射器と、前記ロケット噴射器に接続された燃焼室ライナーと、を備えたロケット燃焼器。

Images