JP6909242B2 - 受動的凝縮物冷却を有する液体推進剤ロケットエンジン - Google Patents

Description

本開示は、液体推進剤ロケットエンジンに関する。

（関連出願の相互参照）
本開示は、２０１６年６月２１日に出願された出願番号第６２／３５２，９０９号の米国仮特許出願の優先権を主張する。

大部分の液体推進剤ロケットエンジンは、燃料（例えば、液体水素）と、酸化剤（例えば、液体酸素）とを利用する。１つまたは複数の推進剤を燃焼室にポンプ送りし、燃焼させて、高温、高圧、高速の気体流を生成する。気体流は、ノズルを通ってエンジンから排出される前に流れを加速するのど部を通過する。推進剤は、極低温液体としてもよく、また、燃焼室内に噴射させる前にノズルを冷却するためにノズルの壁を通して循環させてもよい。

本開示の実施例による液体推進剤ロケットエンジンは、のど部を含む燃焼室と、のど部の後にあるノズルとを含む。ノズルは、のど部に隣接した第１ノズル部と、第１ノズル部の後にある第２ノズル部とを有する。第１ノズル部は、能動的冷却要素を有し、第２ノズル部は、能動的冷却要素を含まない。第１ノズル部は、第２ノズル部を受動的に冷却する凝縮物を形成するように少なくとも能動的冷却要素を介して最適化される。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、能動的冷却要素は、第１ノズル部内の内部通路を含む。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、第１ノズル部は、金属製であり、第２ノズル部は、非金属製である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、第２ノズル部は、炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、第１ノズル部は、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部は、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２は、１０以下である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、第１ノズル部は、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部は、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２は、８以下である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例は、第１ノズル部の出口端部に周方向に離間した流れガイドを含む。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、ノズルの中心軸線に関して軸方向に細長くなっており、約０．２インチ以下の高さを有する。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、第１ノズル部から突出したリブである。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、直線状である。

本開示の実施例による液体推進剤ロケットエンジンは、のど部を有する燃焼室を含む。燃焼室は、のど部から燃焼生成物を噴出するように作動可能である。のど部の後にあるノズルが、のど部に隣接した金属製ノズル部と、金属製ノズル部の出口にある非金属製ノズル部とを含む。燃焼生成物は、非金属製ノズル部の温度限界を超える、金属製ノズル部の出口における設計温度を有する。金属製ノズル部は、燃焼生成物から水凝縮物を形成するように作動する内部冷却通路を含む。水凝縮物は、非金属製ノズル部を温度限界より下に維持するように非金属製ノズル部と接触する。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、金属製ノズルの出口は、面積Ａ１を画定し、のど部は、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２は、１０以下である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、非金属製ノズル部は、ポリマーマトリックス複合材である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例は、金属製ノズル部上に周方向に離間した流れガイドを含む。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、金属製ノズル部から突出したリブである。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、ノズルの中心軸線に関して軸方向に細長くなっており、約０．２インチ以下の高さを有する。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、周方向に離間した流れガイドは、直線状である。

上述した実施例のいずれかのさらなる実施例では、第１ノズル部は、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部は、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２は、８以下である。

本開示のさまざまな特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下に簡単に説明できる。

実施例の液体推進剤ロケットエンジンを示す図。 別の実施例の、内部冷却通路を有する液体推進剤ロケットエンジンを示す図。 別の実施例の、周方向に離間した流れガイドを有する液体推進剤ロケットエンジンを示す図。 流れガイドの１つの代表的な図。 第１ノズル部の後端部にある複数の流れガイドを示す図。

図１は、実施例の液体推進剤ロケットエンジン２０（「エンジン２０」）を概略的に示す。理解されるように、本開示を適用できる多くの異なる種類の液体推進剤エンジンがある。この点では、図示していないが、エンジン２０は通常、１つまたは複数の推進剤を運ぶための配管、および推進剤の供給を制御するためのさまざまなポンプおよび弁を有することになる。以下に説明するように、エンジン２０は、受動的冷却機構で構成され、この受動的冷却機構によって、より軽量かつ／またはより強力な材料が、これらの材料にとって以前は高温過ぎであった領域内で使用可能になる。

エンジン２０は、中心軸線Ａ周りに配置され、燃焼室２４を含む。燃焼室２４は、燃焼室２４の最小の断面積の位置であるのど部２４ａを含む。エンジン２０は、のど部２４ａの後にノズル２６を含む。ノズル２６は、のど部２４ａにすぐに隣接する第１ノズル部２６ａと、第１ノズル部２６ａのすぐ後にある第２ノズル部２６ｂとを含む。第２ノズル部２６ｂは最も一般的には、第１ノズル部２６ａとは別の別個の部品である。一実施例では、第１ノズル部２６ａは、金属または銅合金などの金属合金から形成され、第２ノズル部２６ｂは、黒鉛またはポリマーマトリックス複合材などの非金属材料から形成される。別の実施例では、第２ノズル部２６ｂは、インコネルまたはコロンビウムなどの金属材料から形成される。

第１ノズル部２６ａは、２８に概略的に示される再生冷却要素または能動的冷却要素を含み、第２ノズル部２６ｂは、能動的冷却要素を含まない。のど部２４ａおよび燃焼室２４は、能動的冷却要素２８を含むこともできる。能動的冷却要素は、冷却を提供するためにエネルギーを消費する冷却要素である。実施例の能動的冷却要素は、限定される訳ではないが、冷却材を熱源へまたは熱源から移動させるためにポンプ、および通常は弁が動力駆動される冷却材回路とすることができる。

第１ノズル部２６ａは、第２ノズル部２６ｂを受動的に冷却する水凝縮液を形成するように少なくとも能動的冷却要素２８を介して最適化される。例えば、燃料および酸化剤は、Ｃに示すように、燃焼室２４内で燃焼し、燃焼生成物として水蒸気を形成する。高温水蒸気は、のど部２４ａからノズル２６を通って膨張する。第１ノズル部２６ａの側面に隣接して流れる水蒸気は、能動的冷却要素２８によって提供される冷却を介して凝縮し、Ｗに示すように、水凝縮物を形成し得る。水凝縮物は次いで、ノズル２６の内部に沿って膜になって第２ノズル部２６ｂへと下流に移動し得る。水凝縮物は、Ｅに示すように、第２ノズル部２６ｂから蒸発し、それによって、第２ノズル部２６ｂの受動的冷却に寄与する。

いくつかの実施例では、ノズル２６は、第２ノズル部２６ｂが第１ノズル部２６ａより軸方向に長くなるように構成できる。すなわち、ノズル２６の小部分が、能動的冷却を含み、ノズルの残りの部分の少なくとも最も高温の前端部が、熱保護のために受動的に冷却される。能動的冷却要素２８の設計は、ノズル２６内の作動環境（例えば、温度、圧力、水蒸気の質量流量、その他）、ノズル材料、ノズル厚み、ノズル寸法、および水凝縮物の形成を促進する作動期間に基づいて最適化される。いくつかの実施例では、受動的冷却によって、第２ノズル部２６ｂは、炭素／黒鉛基材料または炭素強化ポリマーマトリックス複合材などの非金属製とすることができる。他のいくつかの実施例では、受動的冷却によって、第２ノズル部２６ｂは、インコネルまたはコロンビウムなどの金属製とすることができる。水凝縮物冷却の最適化なしでは、のど部２４ａ近くのこの位置は、このような材料の温度限界を超え、従って、速やかに炭化しかつ／または分解するであろう。

受動的冷却によってまた、第２ノズル部の材料は、ノズル２６のより低い面積比部において使用できる。エンジン２０の面積比は、Ａ１に示すノズル２６の局部的な断面積の、Ａ２に示すのど部２４ａの平面の断面積に対する比である。一実施例では、面積比Ａ１／Ａ２は、１０以下である。さらなる実施例では、面積比Ａ１／Ａ２は、８以下である。このような位置および面積比において、熱的課題は通常、炭素、ポリマー、および他の受動的冷却材料を除外する。しかしながら、本願明細書の受動的冷却は、第２ノズル部２６ｂの前端部においてより低温を容易にし、それによって、炭素、ポリマーや、高温可能金属の使用が可能となり得る。この実施例では、能動的冷却要素２８の最適化は、そうでなければ１０以下の面積比において炭化または分解するであろう材料が速やかな炭化および／または分解なしにこの面積比において使用可能となるような冷却になる条件である。

図２は、別の実施例のエンジン１２０を示す。この開示では、同様の参照符号は、適切ならば同様の要素を示し、１００またはその倍数を付加した参照符号は、対応する要素の同じ特徴および利点を組み込むと理解される修正された要素を示す。本明細書では、エンジン１２０は、エンジン２０に類似しているが、エンジン１２０の能動的冷却要素２８は、内部通路１３０を含む。例えば、限定される訳ではないが、内部通路１３０は、中心軸線周りに並んで配置された管によって、または付加製造技術で形成された一体化された通路によって、形成することもできる。内部通路１３０は、第１ノズル部２６ａ内にあり、第２ノズル部２６ｂは、そのような通路や他の能動的冷却要素を含まない。

図３は、別の実施例のエンジン２２０を示す。エンジン２２０は、エンジン１２０に類似しているが、さらに、第１ノズル部２６ａ上に周方向に離間した流れガイド２３２を含み、流れガイド２３２はまた、図４Ａ、図４Ｂにより精密に示す。流れガイド２３２は、第１ノズル部２６ａの後端部の周囲周りに均一に離間する。この実施例では、周方向に離間した流れガイド２３２は、第１ノズル部２６ａから径方向に突出したリブであり、第１ノズル部２６ａの後端部から後端部の出口面を越えて後方に突出することができる。出口面を越える延長部分は、第２ノズル部２６ｂへの水凝縮物の案内を容易にする。一実施例の変形例では、流れガイド２３２はその代わりに、第１ノズル部２６ａの出口面でまたはその近くで終わることができる。

別の代替例では、流れガイド２３２は、差し込まれた溝、または溝とリブの組み合わせとすることができる。本明細書では、リブは、直線状でありかつノズル２６の中心軸線Ａに関して軸方向に細長くなっている。一実施例では、リブはまた、約０．１インチ以下の高さ（ｈ）を有する。別の実施例では、リブの高さは、０．２インチである。リブは、軸方向に細長く、小さい高さを有しており、高温ガス流れ内で燃え尽きる可能性を低減する低い輪郭である。

流れガイド２３２は、別個に形成し、溶接などで第１ノズル部２６ａに取り付けることができる。代替として、流れガイド２３２は、付加製造などで第１ノズル部２６ａと一体に形成することができる。

水凝縮物は、いくつかの場合、周方向に均一でないこともあり得る。不均一性によって結果として、受動的に冷却される第２ノズル部２６ｂ内に温度勾配ができる。流れガイド２３２は、水凝縮物の周方向の均一性を高めるために水凝縮物の高い表面張力を利用する。高い表面張力によって、水凝縮物は、水が第１ノズル部２６ａの後端部を出る際に、流れガイド２３２に一時的に付着することができる。水は次いで、流れガイド２３２から第２ノズル部２６ｂの前端部へと滴りまたは流れる。流れガイド２３２の間隔は、第２ノズル部２６ｂの高温壁へのより均一な水の分布および流量を提供する。これは次いで、第２ノズル部２６ａにおいてよりいっそう低温の材料を使用することができる。

特徴の組み合わせが、例示的な実施例に示されているとはいえ、本開示のさまざまな実施例の利益を実現するために、それらの全てを組み合わせる必要はない。すなわち、本開示の実施例に従って設計されたシステムは、図面のいずれか１つに示された特徴の全ておよび図面に概略示された部分の全てを必ずしも含むことはない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わせ可能である。

上述した説明は、本質的に限定でなく例示である。本開示から必ずしも逸脱しない、開示された実施例への変更および修正は、当業者には明らかとなり得る。本開示に与えられる法的保護範囲は、以下の請求の範囲を検討することによってのみ決定可能である。

Claims (16)

1. のど部を含む燃焼室と、
   のど部の後にあるノズルであって、このノズルは、のど部に隣接した第１ノズル部と、第１ノズル部の後にある第２ノズル部とを含み、第１ノズル部は、能動的冷却要素を含み、第２ノズル部は、能動的冷却要素を含まず、第１ノズル部が、第２ノズル部を受動的に冷却する水凝縮物を形成するように少なくとも能動的冷却要素を介して最適化される、ノズルと、
   第１ノズル部の出口端部に設けられ、第１ノズル部で形成された水凝縮物を第２ノズル部へ案内する周方向に離間した流れガイドと、
   を備えた液体推進剤ロケットエンジン。
2. 能動的冷却要素が、第１ノズル部内の内部通路を含む、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
3. 第１ノズル部が、金属製であり、第２ノズル部が、非金属製である、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
4. 第２ノズル部が、炭素繊維強化ポリマーマトリックス複合材である、請求項３に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
5. 第１ノズル部が、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部が、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２が、１０以下である、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
6. 第１ノズル部が、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部が、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２が、８以下である、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
7. 周方向に離間した流れガイドが、ノズルの中心軸線に関して軸方向に細長くなっており、０．２インチ以下の高さを有する、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
8. 周方向に離間した流れガイドが、第１ノズル部から突出したリブである、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
9. 周方向に離間した流れガイドが、直線状である、請求項１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
10. 液体推進剤ロケットエンジンであって、
    のど部を含む燃焼室と、
    のど部の後にあるノズルと、
    を備え、燃焼室は、のど部から燃焼生成物を噴出するように作動可能であり、ノズルは、のど部に隣接した金属製ノズル部と、金属製ノズル部の出口にある非金属製ノズル部とを含み、燃焼生成物は、非金属製ノズル部の温度限界を超える、金属製ノズル部の出口における設計温度を有し、金属製ノズル部は、燃焼生成物から水凝縮物を形成するように作動する内部冷却通路を含み、水凝縮物が、非金属製ノズル部を温度限界より下に維持するように非金属製ノズル部と接触し、
    金属製ノズル部の出口端部に設けられ、金属製ノズル部で形成された水凝縮物を非金属製ノズル部へ案内する周方向に離間した流れガイドをさらに備えた液体推進剤ロケットエンジン。
11. 金属製ノズルの出口が、面積Ａ１を画定し、のど部が、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２が、１０以下である、請求項１０に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
12. 非金属製ノズル部が、ポリマーマトリックス複合材である、請求項１１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
13. 周方向に離間した流れガイドが、金属製ノズル部から突出したリブである、請求項１０に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
14. 周方向に離間した流れガイドが、ノズルの中心軸線に関して軸方向に細長くなっており、０．２インチ以下の高さを有する、請求項１０に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
15. 周方向に離間した流れガイドが、直線状である、請求項１０に記載の液体推進剤ロケットエンジン。
16. 金属製ノズル部が、面積Ａ１を画定する出口を有し、のど部が、面積Ａ２を画定し、比Ａ１／Ａ２が、８以下である、請求項１１に記載の液体推進剤ロケットエンジン。

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