JPH0532579B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液体ロケツトエンジンの改良に関する
ものである。

〔従来の技術〕

液体ロケツトエンジンの一つとしてエキスパン
ダーサイクル型と呼ばれるものがある。その基本
構造は第２図に示す如きもので、例えば、液体水
素による推進剤１を燃焼ポンプである燃料昇圧装
置３で昇圧し、また、推進剤１と反応させて燃焼
させるための酸化剤である例えば液体酸素による
推進剤２を酸化剤昇圧装置（酸化剤ポンプ）４で
昇圧する。昇圧された推進剤（液体酸素）２は燃
料器６に送られる。また、昇圧された推進剤（液
体水素）１は燃焼器６周側に形成された燃焼室冷
却ジヤケツト７を通り、この燃焼器６を冷却して
後、ガスタービン等による昇圧装置駆動装置５に
送られ、この昇圧装置駆動装置５を駆動して更に
燃焼器６へと送られる。そして、ここで推進剤２
とともに燃焼されて高圧力の噴流ガスとして高膨
脹ノズル８より外部へと噴出され、推力となる。

燃料昇圧装置３で昇圧された推進剤１は燃焼器
６を冷却した際に温度が上り、更に圧力が上る。
そして、この推進剤１の圧力により昇圧装置駆動
装置５を駆動する。

昇圧装置駆動装置５の駆動力はギアによる伝達
装置１０を介して各昇圧装置３，４を駆動させる
ことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように燃焼器６の発生する熱の一部により
加熱された推進剤１を燃料昇圧装置３及び推進剤
燃料昇圧装置４の駆動流体とするエンジンにおい
ては、従来、推進剤１の一部または全量を加熱
し、且つ、加熱された推進剤１の全量を昇圧装置
３，４の駆動流体としている。

そして、燃焼器６の発生する熱の吸収方法とし
て液体の推進剤で燃焼器６を冷却する方法が一般
的であり、これを再生冷却方式と呼ぶ。しかしな
がら、冷却に使用した推進剤１の全量を昇圧装置
３，４の駆動流体に使用する場合は、その推進剤
１の昇圧装置３は燃焼室ジヤケツト７での圧力損
に加えて、昇圧装置駆動装置５での圧力降下分を
も賄うだけの出力を要求され、従つて、高出力の
昇圧装置が必要である。

この問題点の解決法として、第３図に示す如く
燃料昇圧装置３の駆動源として、推進剤１，２の
一部を導入して燃焼させる副燃焼器１１を設け、
その燃焼ガスを利用する方法（ガス発生サイク
ル）があるが、この方式では副燃焼器１１の追加
により、システムが複雑となり、重量の増加と信
頼性の低下を招くと云う欠点がある。尚、第３図
における９は高膨脹ノズル８の周側に形成された
冷却用の冷媒を通す高膨脹ノズル冷却ジヤケツト
であり、燃焼室冷却ジヤケツト７に冷媒として推
進剤１の一部を通すことにより冷却するとともに
冷却に供された推進剤はその後、外部に放出され
る。

このように、ガス発生サイクル方式でも副燃焼
器１１の追加により、システムが複雑となり、重
量の増加と信頼性の低下を招くと云う欠点が残
る。

そこで、この１つの解決手段としてメツセルシ
ユミツト−ベルコウ−ブローム社では特開昭59−
41645号公報に見られるような高膨脹ノズル冷却
ジヤケツト９にて再加熱された冷媒ガスを燃料昇
圧装置３の駆動源として用いる方法が提案され
た。

この方法は高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９の下
方に冷媒ガス取出口が設けられ、ここから数メー
トルの配管により燃料昇圧装置３まで冷媒ガスが
輸送されるものであるが、冷媒ガスが燃料昇圧装
置３を駆動するため、600K以上、40気圧程度の
高温高圧であるので、これに耐え得るだけの高強
度の配管を数メートルに亙つて行う必要がある。

ところが、宇宙ロケツト用エンジンと云うの
は、動力に反して打ち上げられなければならない
ものであるので、極力重量増は抑えなければなら
ない。

通常、ロケツトエンジンの配管は極力軽量のア
ルミ合金等が用いられるが、上記部分の配管には
比重の大きい鋼の配管を用いざるを得ず、この長
さが増えることはロケツトエン全体の著しい重量
増となる。

本発明はこれら全ての要請に応ずべくなされた
ものであつて、副燃焼器に用いずに、しかも、簡
易な改良で推進剤を高い圧力に昇圧出来、推進剤
昇圧装置（燃料昇圧装置）の十分な駆動源とする
ことが出来るとともに、軽量で高信頼性、且つ、
廉価な液体ロケツトエンジンを提供することを目
的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は液体の推進剤
を昇圧装置により昇圧させるとともに燃焼器の発
生熱によりガス化させて燃焼器に送り燃焼噴射さ
せて推進力を発生し、また、上記推進剤を加熱す
ることによりガス化膨脹させ、上記昇圧装置の駆
動源とする液体ロケツトエンジンにおいて、 燃焼器の燃焼ガス噴射側に、推進剤を燃焼器側
から燃焼ガスの噴射口側を経て燃焼器側方向へ戻
す往復経路を持つ熱交換手段を有したノズル部を
設けて構成する。

具体的には、燃焼器の近傍にある昇圧装置によ
り液体の推進剤を昇圧させるとともに燃焼器の発
生熱によりガス化させて燃焼器に送り燃焼噴射さ
せて推進力を発生し、また、上記推進剤を加熱す
ることによりガス化膨脹させ、上記昇圧装置の駆
動源とする液体ロケツトエンジンにおいて、燃焼
器の燃焼ガス噴射側に往復流路の熱交換手段を有
する円錐状のノズル部と、熱交換手段の燃焼器側
に設けられたノズル冷却用の推進剤出口と、熱交
換手段の出口から昇圧装置の駆動手段との間に設
けられた配管とを備え、昇圧装置にて昇圧され、
燃焼器の熱にて加熱された上記推進剤の一部を該
熱交換手段の上部から流入させ、ノズル部の下部
を経由して再度上部まで上昇させながら再加熱
し、推進剤昇圧装置の駆動流体として利用する構
成とする。

〔作用〕

このような構成において、昇圧装置にて昇圧さ
れ、燃焼器を冷却して中程度に加熱された推進剤
のうち、推進剤昇圧装置の駆動に使用する量のみ
の推進剤を更に燃焼器の一部であるノズルの熱を
利用して再加熱し、高温にしてエネルギを高めて
から、昇圧装置の駆動流体として流用するもので
ある。

従つて、従来のように副燃焼器は不要であり、
構造も簡単で付加要素もほとんど無いことから、
軽量化と信頼性の向上を図ることが出来、しか
も、廉価となるなどの利点が得られる。

更に、往復流路の熱交換手段をノズル部に設け
たので、一方向にのみ流れる熱交換手段と比べて
受熱パスが長くなり、熱交換手段のチユーブを細
くしなくとも受熱面積を増すことができる。

また、冷却用推進剤の出口を熱交換手段の上方
の燃焼器側に設けたので、この熱交換手段から昇
圧装置まで、再加熱された高温高圧の推進剤を輸
送する配管が短くて済み、エンジン全体を軽量化
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。

本発明にかかる液体ロケツトエンジンの概略的
な構成を第１図に示す。図中１は液体水素による
推進剤（燃料）、２は液体酸素による推進剤（酸
化剤）、３は推進剤１の昇圧を行う燃料昇圧装置、
４は推進剤２の昇圧を行う酸化剤昇圧装置、５は
これら昇圧装置３，４を駆動する昇圧装置駆動装
置（ガスタービン等）、６は燃焼器、７は燃焼器
６に設けられた燃焼器冷却用の燃焼器冷却ジヤケ
ツト、８は燃焼器６のガス噴出側に設けられた高
膨脹ノズルであり、この高膨脹ノズル８の周側に
は燃焼器冷却ジヤケツト７を通つて温度が高くな
つた燃焼器６の冷却後の推進剤１の一部を分流し
て通し、該分流推進剤１に高膨脹ノズル８の熱を
伝達して加熱する高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９
が形成されていて、この冷却ジヤケツト９は第１
図に示すように、燃焼器側方向から高膨張ノズル
の燃焼ガス噴射口側を経て燃焼器側方向へ戻す推
進剤往復経路を持つ構成としてあり、推進剤は高
膨張ノズル８部を燃焼器６側方向から高膨脹ノズ
ルの燃焼ガス噴射口側を経て燃焼器６側方向へ戻
る往復経路を経る構成である。

冷却ジヤケツト９はこのように構成されてい
る。

ここで、この高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９
は、燃焼ガスと冷却用推進剤との熱交換を効率的
に行うべく、概ね円錘形状で隣接する流路が推進
剤を逆向きに流せる構造となつており、該高膨脹
ノズル冷却ジヤケツト９の上部にそれぞれ冷媒と
しての推進剤の入口および出口が設けられてい
る。高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９の上部の推進
剤出口から昇圧駆動装置５までは鋼製の配管１３
が設けられており、高温高圧化した推進剤１を昇
圧駆動装置５の駆動源とすべく、輸送する。

本システムにおいては、推進剤１は燃焼昇圧装
置３により昇圧された後、燃焼室冷却ジヤケツト
７を通り、ここで燃焼器６を冷却する。その後、
この冷却により温度が高くなつた推進剤１はその
一部を膨脹ノズル冷却ジヤケツト９に、また、残
りは燃焼器６に送られ、ここで送り込まれた圧の
推進剤（酸化剤）２によつて燃焼され、圧の燃焼
ガスとして膨脹ノズル８を通り、外部に噴射され
て推進力とする構造となつている。高膨脹ノズル
冷却ジヤケツト９により加熱された推進剤１はこ
の加熱によつて更に圧力を増し、昇圧装置駆動装
置５を駆動させるようになつている。

次に上記構成の本装置の作用を説明する。

実施例では推進剤は燃料として液体水素を、ま
た、酸化剤として液体酸素を使用しており、それ
ぞれ昇圧装置３，４により圧に加圧されている。
そして加圧された液体水素の全量を燃焼室冷却ジ
ヤケツト７の中を通され、これによつて燃焼器６
の冷却を行う。

これにより、推進剤１である液体水素は140°K
まで加熱されることになる。この後、水素の大部
分は燃焼器６内へ導かれ、燃焼されてガスとなり
噴射される。

一方、燃焼室冷却ジヤケツト７の通過後の水素
の一部は膨脹ノズル８の冷却のため、高膨脹ノズ
ル冷却ジヤケツト９に導かれ、約600°Kまで加熱
され、圧力は更にまることになる。

従つて、この温の水素ガスのエネルギを昇圧装
置駆動装置５に与えることによつて、昇圧装置駆
動装置５は十分な出力で駆動させることが出来る
ようになる。

この実施例の母体となつた従来のガス発生サイ
クル型エンジンは第３図の如きであつたが、これ
と本実施例とを比較してみる。

すなわち、従来は高膨脹ノズル８を冷却した水
素は、高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９を通過した
後、外部に放出されるだけであり、冷却のみで冷
却によつて得たせつかくのエネルギも全く利用さ
れずに無駄に捨てられる構成であつた。そして、
昇圧装置３，４を駆動するためには、推進剤１，
２の一部を副燃焼器１１に導く構成とし、これに
よつて約850°Kの駆動ガスを発生させていた。す
なわち、従来は昇圧装置３，４を駆動させるエネ
ルギを得るために、副燃焼器１１をわざわざ設け
ていた訳である。本発明は無駄に捨てられていた
高膨脹ノズル８の冷却後の水素ガスのエネルギを
有効に活用すべく、これを駆動ガスとして利用す
る。そのため、高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９を
通した水素をそのまま外部に放出していた従来の
構造を、そのまま外部に放出せずに昇圧装置駆動
装置５に送り込む構成したもので、高膨脹ノズル
冷却ジヤケツト９を僅かに改修するだけで、本発
明を実現出来ることになる。

そして、本発明により副燃焼器１１が不要とな
り、これに代つて付加する装置も無いに等しいか
ら、その分、軽量化、簡易化が可能になる。ま
た、昇圧装置駆動装置５の駆動流体は副燃焼器１
１の燃焼ガスを利用する方式にくらべ、温度は低
いので、昇圧装置駆動装置５の使用環境条件が緩
和され、これにより長寿命化と信頼性を確保でき
るようになる。そして、昇圧装置３により既に加
圧されている推進剤（水素）は高膨脹ノズルにお
ける熱吸収により更に、圧力エネルギが増大して
いるので燃焼ガスに比べ、低温でありながらエネ
ルギを有しており、廃熱を十分に活用して十分な
駆動エネルギを得ることができる。更に本実施例
では高膨脹ノズル冷却ジヤケツト９の冷媒出口を
燃焼器６に近い上方に設けたので、昇圧駆動装置
５までの鋼製の配管１３が短くて済み、より軽量
化となる。よつて本実施例は、軌道間輸送機器
等、ロケツトの上段システムに極めて有用なエン
ジン・システムとなる。

尚、本発明は上記し、且つ、図面に示す実施例
に限定することなくその要旨を変更しない範囲内
で適宜変形して実施し得るものである。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、副燃焼器を用いず
に、しかも、簡易な改良で推進剤をい圧力に昇圧
出来、推進剤昇圧装置（燃料昇圧装置）の十分な
駆動源とすることが出来るとともに、軽量で信頼
性、且つ、廉価な液体ロケツトエンジンを提供す
ることが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略的な構成
図、第２図並びに第３図は従来例を説明するため
の概略的な構成図である。 １……推進剤（液体水素等の燃料）、２……推
進剤（液体酸素等の酸化剤）、３……燃料昇圧装
置、４……酸化剤昇圧装置、５……昇圧装置駆動
装置（ガスタービン等）、６……燃焼器、７……
燃焼器冷却ジヤケツト、８……高膨脹ノズル、９
……高膨脹ノズル冷却ジヤケツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体の推進剤を昇圧装置により昇圧させると
   ともに燃焼器の発生熱によりガス化させて燃焼器
   に送り燃焼噴射させて推進力を発生し、また、上
   記推進剤を加熱することによりガス化膨脹させ、
   上記昇圧装置の駆動源とする液体ロケツトエンジ
   ンにおいて、 燃焼器の燃焼ガス噴射側に、推進剤を燃焼器側
   から燃焼ガスの噴射口側を経て燃焼器側方向へ戻
   す往復経路を持つ熱交換手段を有したノズル部を
   設け、昇圧装置にて昇圧され燃焼器の熱にて加熱
   された上記推進剤の一部を該熱交換手段を用いて
   再加熱し、推進剤昇圧装置の駆動流体として利用
   する構成としたことを特徴とする液体ロケツトエ
   ンジン。