JPS63302166A - 分離型液体空気サイクルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、液体水素を燃料とし、大気中から吸い込ん
だ空気を酸化剤として利用する空気吸込型エンジン、特
に、空気を液化して利用する液体空気サイクルエンジン
に関する。

（従来技術） 飛翔体に塔載した液体水素燃料を、大気中から吸い込ん
だ空気を酸化剤として利用する空気吸込型エンジンは、
酸化剤を飛翔体に＃ｆＲする必要がないという利点を有
するが、最近、マツハ５以上にも及ぶ高速飛翔体が注目
され、そのエンジンとして、飛翔体に塔載した液体水素
燃料を冷熱源に用い、大気中から吸い込んだ空気を凝縮
して得た液体空気を酸化剤として利用する空気吸込型液
体空気サイクルエンジンが有望視されている。

従来検討されている液体空気サイクルエンジンの系統図
を第３図に示す。

飛翔体に搭載された液体水素タンク１からポンプ２によ
って液体水素４は圧送され、空気凝縮器３、空気予冷器
１０の熱交換器を経て、吸込空気５を冷却し、エンジン
燃焼器１４に送り込まれる。

吸込空気５は、液体水素によって冷却されて液体空気６
となり、ポンプ１３によってエンジン燃焼器１４に送り
込まれる。燃焼器１４からの燃焼ガスは、周知のロケッ
トノズルから噴出して推力を生じる。

（この発明が解決しようとする間顕点）上記の構成の液
体空気サイクルエンジンは。

■吸込空気５を液化した液体空気（液体酸素の量は約２
０％）６を酸化剤とし、冷熱源である液体水素４を燃料
とするが、液体空気６に含まれる液体酸素の量が少ない
ため、ロケットエンジンの推力が比較的小さくなる。ロ
ケットエンジンの推力を高めるためには、エンジンの燃
焼器に送る液体空気６の量を比較的多くする必要があり
、このために空気予冷器１０や空気凝縮器３の熱交換部
。

液体空気６を燃焼＠１４に送るポンプ１３、燃焼器１４
等が比較的大きくなる。

■吸込空気５を液化するための冷熱源として液体水素の
みを用いるため、望ましい推力を得るための混合比（酸
化剤／水素燃料）とするために必要な量の液体空気を得
ようとすれば、冷熱源としての液体水素量は、燃焼のた
めに必要な液体水素の量に比して多くなる。

■液化された空気は飽和状態にありガス化しやすいため
に、液体空気を燃焼器１４に圧送するためのポンプ１３
内でキャビテーションを生じる危険性が大きい。

■空気予冷器１０や空気凝縮器３の冷熱源である液体水
素４は、ポンプ２で昇圧されるため比較的高圧なので、
空気予冷器１０や空気凝縮器３のパイプ等の熱交換部が
比較的厚肉の高圧配管構造になり、熱交換部の重量が重
くなるためにロケットの性能が低下する。

等の問題を含んでいた。この発明は、上記の諸問題の生
じない液体空気サイクルエンジンを得ようとするもので
ある。

（問題を解決するための手段） この発明の液体空気サイクルエンジンは、飛翔体に塔載
した液体水素燃料を冷熱源に用いて、大気中から吸い込
んだ空気を凝縮して得た液体空気を酸化剤として利用す
る空気吸込型ロケットエンジンにおいて、液化された液
体空気を１分離機を用いて、液体酸素が濃い液体と液体
窒素が濃い液体に分離し１分離した液体窒素が濃い液体
を液化された液体空気の圧力よりも低くなるように減圧
して液体空気の飽和温度より低い飽和温度とし。

この低温の液体窒素が濃い液体を、液体水素を用いた空
気凝縮器の前に設けた空気の部分凝縮器の冷熱源に用い
ると共に、液体酸素が濃い液体のみを燃焼器に圧送する
ことを特徴とする。

（作用） 上記の空気液化サイクルの概念図を第４図に示す。

空気凝縮器Ｃ１，Ｃ，によって得られる液体空気量をＱ
１１分離Ｓの分配率をβとすれば、ポンプＰに送られる
液体酸素の濃い液体の量ｑ′はｑ′＝βＱ　となる。

一方、空気凝縮器Ｃ２に還流する液体窒素が濃い液体の
量は（１−β）Ｑ＝　（１−β）・（１’／βとなり、
空気凝縮器Ｃ２における液化率をα、とすれば、ここで
得られる液体空気量は α・（１−β）・ｑ’／β　　　　となる。これから空
気凝縮器Ｃ１における凝縮量をｑとしてが得られ、この
式から、空気凝縮器Ｃ１において凝縮させなければなら
ない液体空気量ｑはとなる。

ポンプＰに送られる液体酸素の濃い液体の量をｑ′＝６
として、いくつかの場合について具体的に、空気凝縮器
Ｃ１において凝縮させなければならない液体空気量ｑを
示す。

例１ α＝０．８　β＝０．２　（液体酸素を完全に分離した
場合に対応）とすれば Ｑ＝　３０　　　　　　　　　ｑ’＝βＱ＝６α・　（
１−β）　・ｑｊ　／β＝１９．２から　　　ｑ＝１０
．８ が得られる。即ち、Ｑの全量を空気凝縮器Ｃ０において
凝縮させる場合に比して約１／３の液体水素で足りるこ
ととなる。

例２ α＝０．９　　β＝０．２とすれば Ｑ＝３０　　　　（１’＝βＱ＝６ α・（１−β）・ｑ″／β＝２１．６ から　　　ｑ＝８．４ となる。

例３ α＝０．８　　β＝０．４とすれば Ｑ＝１５　　　　ｑ’＝βＱ＝６ α・（１−β）・ｑ’／β＝７．２ から　　　ｑ＝７．８ となる。

参考例 参考のために、β＝０　即ち、液体空気をポンプＰに送
らず、全量を空気凝縮器Ｃ２に還流した場合について見
る。このときは、　　Ｑ＝αＱ＋ｑすなわち　Ｑ＝ｑ／
　（１−α）−どなるので、α＝０．８とすれば　Ｑ　
＝　５　ｑ α＝０．９とすれば　Ｑ＝１０ｑ　　　となる。

第５図に酸・化剤中の酸素含有率の変化に対するエンジ
ン推力の関係の１例を示す。混合比が２〜１２の場合に
ついて、燃焼圧力１５０気圧、水素燃料が４０ｋｇ／秒
、燃焼器入口温度が水素燃料が２００＠Ｋ、酸化剤が１
００”Ｋとして示しである。酸化剤中の液体酸素含有率
が約２０％の場合は、酸化剤は液体空気そのものであり
、液体酸素の濃度が濃くなるに従って、混合比が一定で
あれば推力は増加する。分離機によって液体空気を液体
酸素の濃い液体とすることの効果は、図から明らかであ
る。すなわち１通常の混合比６の場合、液体空気をその
まま用いれば、推力は約７０トンに過ぎないが、完全に
分離して１００％の液体酸素とすれば約１１０トンに向
上する。混合比６として液体酸素８０％の液体を用いれ
ば、これと同じ推力を得るためには、液体空気では混合
比を１０にまで高めなければならず、それだけ空気凝縮
器３と燃焼器に液体空気を圧送するポンプ１３の負荷が
増大する。

（実施例） この発明の液体空気サイクルエンジンの１実施例の系統
図を第１図に示す。液体水素タンク１に蓄えられた液体
水素４をポンプ２によって昇圧して空気凝縮器３に入れ
る。空気凝縮器３では、昇圧された液体水素４を冷熱源
とし、パイプ等から成る熱交換器を用いて、ロケットが
高速で飛行する場合に発生するラム圧等によって加圧さ
れた吸入空気５を液化して液体空気６を得る。この加圧
された液体空気６は、分離機７によって液体酸素が濃い
液体８と液体窒素が濃い液体９に分離される。

液体窒素が濃い液体９は、絞り１８によって液体空気６
の圧力よりも減圧し、ロケットエンジンの外部の比較的
低圧の大気中に放出される。この減圧により、液体窒素
が濃い液体９は液体空気６の飽和温度よりも低い飽和温
度となり、空気凝縮器３の前に設けた空気の部分凝縮器
２０に入る。

空気の部分凝縮器２０においては、上記の減圧によって
得られた液体空気６よりも低温の液体窒素が濃い液体１
９を冷熱源とした熱交換器によって。

空気ダクト１１からの吸込空気５を液体空気温度付近ま
で冷却し、吸込空気５の一部は凝縮して液体空気となり
、液体空気と予冷された空気の混合流体２】を得る。空
気凝縮器３では、空気の部分凝縮器２０で液体空気にな
らなかった吸込空気５の残部だけを液化する。

さらに、高速飛行時のロケットの外を流れる高速空気を
利用したエゼクタ−２２等の減圧器を用い１部分凝縮器
２０から排出される窒素が濃い気体１７を積極的に排気
すれば、部分凝縮器２０に流入する液体窒素が濃い液体
１９をより一層減圧することが出来る。これにより、液
体窒素が濃い液体１９の温度は、液体空気６の温度より
一層低温になり、吸込空気５は部分凝縮器２０内でさら
に冷却が進み、液化部分の多い流体２１となる。

分離機７に流入する液体空気６は、空気の部分凝縮器２
０と空気凝縮器３で得られる液体空気の和になる。この
比較的多量の液体空気６に含まれる約２０％の液体酸素
を分離機７を用いて分離濃縮して得られる液体酸素が濃
い液体８は、分離機７を出た後、ポンプ１３によって昇
圧され、ロケットエンジンの燃焼器１４に送られる。燃
焼器１４において、空気凝縮器３から出た水素１５と、
昇圧された液体酸素が濃い液体１６の混合液体によって
燃焼が行なわれ、燃焼ガスはロケットノズルから噴出し
、エンジンの推力が得られる。

空気の部分凝縮器２０では、液体窒素が濃い液体１９は
吸込空気５で加熱されて窒素が濃い気体１７になるが、
この気体１７はロケットエンジンの外の比較的低圧の大
気中に放出されるか、またはポンプ２．１３や分離機７
を駆動した後、外の比較的低圧の大気中に放出される。

上記の液体空気６の分離に用いられる分離機７は、液体
酸素の比重が約１．１２ｇ／ａｍ”、液体窒素の比重が
約０．８３ｇ／ｃｍ’であり、比重差が約０．２９ｇ／
■３であるので、比重差を利用して液体酸素が濃い比較
的重い液体８と液体窒素が濃い比較的軽い液体９に分離
できる。ロケットエンジンの酸化剤に液体酸素が濃い液
体８を用いる場合、多量の液体の分離が出来る遠心分１
４１１機が分離機７として適している。

具体的には、多量の液体を重い液体と軽い液体に分離す
るに適した遠心分離機は、多重回転円板型と多重回転円
筒型が考えられる。

第２図に多重回転円板型（Ａ）と多重回転円筒型（Ｒ）
の基本構造を示す、多重同転円板型遠心分離機（Ａ）は
、内部に多数の孔７２を有する円板７１を回転軸７３に
沿って多数配置したものであり、流入ロア４から流入し
た液体空気６は円板７１上で遠心力の作用を受け、比較
的重い部分は外周へ、比較的軽い部分は内側へと分離し
、未分離部分は孔７２から次の円板７１に向い更に分離
作用を受ける。その結果、分離機７あ外側流出ロアロか
らは液体酸素が濃い比較的重い液体８が、軸７３近くの
流出ロア７からは液体窒素が濃い比較的軽い液体９が得
られる。７５は軸受である。

多重回転円筒型遠心分離機（Ｂ）は、多数の孔７９を有
する多数の回転円筒７８を同心的に配置したもので、流
入ロア４から流入した液体空気６は遠心力の作用を受け
、比較的重い部分は円筒７９の外側へ、比較的軽い部分
は内側へと分離し、さらに流入した円筒７９で分離作用
を受ける。その結果、分離機７の外側流出ロアロからは
液体、酸素が濃い比較的重い液体８が、軸７３近くの流
出ロア７からは液体窒素が濃い比較的軽い液体９が得ら
れる。

これらの両タイプの遠心分離機は、何れも液体空気の流
路中に配置し、連続分離が可能であるが、多重回転円筒
型（Ｂ）の方が多重回転円板型（Ａ）に比べて比較的大
きな遠心力を分離液体に作用させることができる。

さらに、多重同転円板型（Ａ）と多重同転円筒型（Ｂ）
を相互に組み合わせた遠心分離機は、一層の大きな遠心
力を分離液体に作用させることができる。

このような遠心分離機を分離機７に用いた場合、次に示
す利点がある。

（イ）大気中からの吸込空気に含まれろ酸素ガスや窒素
ガス以外の二酸化炭素等のガスや水分、ごみ等は、液体
空気６中で浮遊固体粒子となり、また液化出来ないネオ
ンガスやヘリウムガス等は、ガス状態で液体空気６中に
残存するが、これらは遠心力を用いた分離機７で容易に
取り除くことができる。

（ロ）遠心分離機で分離される液体酸素が濃い比較的重
い液体８は、液体空気６に比べて遠心力により比較的圧
力が高くなることから、飽和温度が高くなり、ガス化し
やすい飽和状態の液体空気６に比べてガス化しにくい比
較的高圧の液体の状態でポンプ１３に流入するため、ポ
ンプ１３内でキャビチーシコンの発生を防止出来るとと
もに。

燃焼器１４で必要な圧力まで液体酸素が濃い液体８を昇
圧するポンプ１３の負荷は軽減する。

（発明の効果） この発明の分離型液体空気サイクルエンジンは、上記の
構成によって以下のような効果を奏する。

（１）分離機７に流入する液体空気６は、空気の部分凝
縮器２０と空気凝縮器３で得られる液体空気の和である
ことから、この比較的多量の液体空気６に含まれている
酸素を分離して得られる液体酸素が濃い液体８は、第３
図の従来型の液体空気サイクルエンジンの空気凝縮器３
のみで得られる液体空気６を分離して得ることができる
液体酸素。

が濃い液体に比べて比較的多量である。従って、ロケッ
トエンジンの燃焼器１４に流入する液体酸素が濃い液体
８の量を多くすることができ、ロケットの推力は増大す
る。

（２）空気の部分凝縮器２０の冷熱源である液体窒素が
濃い液体１９は、絞り１８や減圧器２２によって減圧さ
れるため、空気凝縮器３の冷熱源である液体水素４の圧
力に比べて比較的低圧なので、空気の部分凝縮器２０の
パイプ等の熱交換部は比較的薄肉の低圧配管構造とする
ことが出来る。また、空気凝縮器３では、吸込空気５の
内、部分凝縮器２０で液化しなかった液体空気温度付近
まで予冷された空気部分を液化するだけの熱交換量が必
要なだけなので、厚肉の高圧配管構造から成る熱交換部
の長さが短くて良い。従って、液体空気６を得るに必要
な空気の部分凝縮器２ｏと空気凝縮器３の重量を比較的
軽くすることができ、ロケットの性能は向上する。

（３）分離機７で得られた液体酸素が濃い液体８を燃焼
器１４で水＃１５と混流して燃焼させるため、酸素／水
素の比が増加して、エンジンの比推力の向上が計れて、
ロケットの性能は向上する。

（４）空気の部分凝縮器２ｏで吸入空気５と液体窒素が
濃い液体１９が熱交換して得られる窒素が濃い気体１７
は、ポンプ２．１３や分離機７を駆動するに必要な作動
流体として使用できる。

（５）液体空気を完全に液体酸素と液体窒素に分離する
のではなく、一方が濃い液体とすればよいので、窒素を
固化し、あるいは酸素を気化して分離するのに比して１
画成分が液状なので取扱いが容易であり、分ＭＷの負荷
も小さくてすむ。

（６）ポンプ１３は液体空気６の全量をエンジンの燃焼
機１４へ圧送するのではなく、理想的に分離されれば約
１／４に過ぎなくなる液体酸素の濃い液体８を圧送する
のみですみ、ポンプ１３の負荷が軽減する。また、分離
に伴う飽和温度の上昇により、キャビテーションの発生
を防止出来ることもあって、ポンプに対する要求が軽減
され、結局ポンプを小型、軽量にすることが出来、ロケ
ットの性能向上に貢献する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の分離型液体空気サイクルエンジン
の１実施例の構・成図、第２図は、遠心分Ａｌ１機の断
面構成図、第３図は、従来の液体空気サイクルエンジン
の構成図、第４図はこのサイクルの作用の説明のための
構成図、第５図は酸化剤中の液体酸素の含有率と真空推
力の関係を示すグラフである。 １：液体水素タンク　　　２：ポンプ ３：空気凝縮器　　　　　４：液体水素５：吸込空気　
　６：液体空気　　７：分離機８：液体酸素が濃い液体 ９：液体窒素が濃い液体 １０：空気予冷器　　　　１１：空気ダクト１２：予冷
空気　　　　　１３：ポンプ１４：エンジン燃焼器　　
１５：水素 １６：昇圧された液体酸素が濃い液体 １７：窒素が濃い気体　　１８：絞り １９：減圧された窒素が濃い気体 ２０：空気の部分凝縮器 ２１：液体空気と予冷された空気の混合流体２２：エゼ
クタ−７１：円板 ７２：多数の孔　　　　　７３：回転軸７４：流入口　
　　　　　７５：軸受 ７６：外側流出口　　　　７７：流出ロア８：回転円筒
　　　　　７９：孔 特許出願人　科学技術庁航空宇宙技術研究所長炎　　洲
　　秀　　夫 ｌり 第１図 第　　　２　　　図 第４図 （１−β）Ｑ 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）飛翔体に塔載した液体水素燃料を冷熱源に用いて、
   大気中から吸い込んだ空気を凝縮して得た液体空気を酸
   化剤として利用する空気吸込型ロケットエンジンにおい
   て、液化された液体空気を、分離機を用いて、液体酸素
   が濃い液体と液体窒素が濃い液体に分離し、分離した液
   体窒素が濃い液体を減圧することにより温度を降下させ
   た状態で、液体水素を用いた空気凝縮器の前に設けた空
   気の部分凝縮器の冷熱源に用いることを特徴とする分離
   型液体空気サイクルエンジン ２）上記空気の部分凝縮器の冷熱源に用いられる液体窒
   素が濃い液体は、減圧することにより温度を降下させた
   状態で用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項の
   分離型液体空気サイクルエンジン ３）上記分離機は、遠心分離機であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項の分離型液体空気サイクルエンジ
   ン