JP4100518B2 - ピントル噴射器 - Google Patents
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Description
ところで液体ロケットは、推進薬により1液式推進系(Monopropellant system)と2液式(Bipropellant system)に分類される。1液式推進系では、推進薬が触媒を介して自己分解反応して高温高圧の燃焼ガスを発生し、そのガスをノズルから噴射することにより推進力を得ている。他方、2液式推進系では、燃料を酸化剤と共に燃焼室で燃焼させ高温高圧の燃焼ガスを発生させ、そのガスをノズルから噴射することにより推進力を得ている。一般に、推進力Fは、推進薬が燃焼する時の燃焼室の圧力PC、ノズルのスロート面積Atおよびノズル形状等により決定される推力係数CFの積によって表される。従って、1液式推進系または2液式推進系において、所望の燃焼圧PCを確保する観点から、燃焼室における燃焼は1液式または2液式ロケットの性能を決定付ける重要因子の1つである。
そのため、2液式ロケットの場合、燃焼室に推進薬を供給する噴射器に対しては、燃焼振動または燃焼スパイクあるいは局部的焼損等の異常燃焼が起こらないように燃料と酸化剤が均一に霧化混合されて燃焼に供されることが求めらている。従来、円板面に同心状に多数の燃料噴射孔および酸化剤噴射孔が形成され、酸化剤の回りに燃料を平行して噴射する、いわゆる同軸型の噴射器が公知となっている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、燃料または酸化剤の推薬導管の一部が燃焼室に突出してその突出部から燃料または酸化剤が噴射され、燃料および酸化剤を衝突させながら噴射する、いわゆる衝突型のピントル噴射器が知られている(例えば、特許文献2から4を参照。)。
他方、上記特許文献2から4に記載のピントル噴射器では、推薬導管の一部を燃焼室の内部に突出して燃料または酸化剤の推進薬を半径方向に噴射し他の推進薬を軸方向に噴射することにより燃料および酸化剤を軸方向および半径方向にわたり衝突・混合させている。燃料の噴射方向および酸化剤の噴射方向がほぼ90°の交差角を有しているため、混合が促進され且つ構造的に簡素で製造コストが低下する利点を有している。
しかし、上記ピントル噴射器を用いた場合の燃焼室での燃焼効率は、せいぜい90〜95%で頭打ちになり、更なる燃焼効率の向上が難しい問題があった。
そこで、本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題は、燃料と酸化剤が均一に霧化混合されて燃焼室での燃焼反応における燃焼効率の更なる向上に寄与することができる簡略構造かつ低コストのピントル噴射器を提供することである。
上記第1の発明のピントル噴射器では、第1ピントル噴射口の第1噴射流路が再生冷却路を形成しているので、推進薬は燃焼室から気化熱に相当する潜熱ならびに顕熱を得ることができ高温ガスとなって第1ピントル噴射口から噴射される。これにより、第1ピントル噴射口からは高温の推薬ガスが噴射される一方、第2ピントル噴射口からは比較的低温の液体又は気体の推薬が噴射される。このように、高温の推薬ガスおよび低温の液体又は気体の推薬という温度および状態または性質の異なる同一または別種類の推進薬が生成され、これらを基に燃料と酸化剤が混合されるため、燃料と酸化剤の霧化混合が促進されることになる。
上記第2の発明のピントル噴射器では、第1ピントル噴射口および第2ピントル噴射口から噴射される推進薬は均一に霧化分散されるので、推進薬の霧化混合が促進される。
上記第3の発明のピントル噴射器では、燃料または酸化剤は軸方向および半径方向にわたり衝突しながら混合されるので、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。また、酸化剤は2種類以上の燃料、例えば水素とメタンと混合することが可能になる。
上記第4の発明のピントル噴射器では、一の推進薬は温度および状態の異なる同一または別種類の他の推進薬に挟撃されながら混合されるので、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
上記第5の発明のピントル噴射器では、第1噴射流路が傾斜しているため第1ピントル噴射口から噴射される推進薬の噴射流は半径方向の速度成分以外に周方向の速度成分を有するようになる。他方、第2噴射流路が傾斜しているため第2ピントル噴射口から噴射される推進薬の噴射流は半径方向の速度成分以外に周方向の速度成分を有するようになる。同様に、アキシャル噴射口から噴射される推進薬の噴射流は軸方向の速度成分以外に周方向の速度成分を有するようになる。これにより、燃料および酸化剤は軸方向、半径方向および周方向にわたり混合される。その結果、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
上記第6の発明のピントル噴射器では、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
上記第7の発明のピントル噴射器では、オリフィス孔から噴射される推進薬は旋回流を形成するため、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
さらに、単一又は2種類以上の燃料または酸化剤の一の推進薬が噴射方向を軸方向とするアキシャル噴射口から噴射され且つ噴射方向をラジアル方向とする前記第1ピントル噴射口から噴射される同一または異なる推進薬および同前記第2ピントル噴射口から噴射される同一または異なる推進薬と混合され燃料と酸化剤が混合されるため、酸化剤は2種類以上の燃料と混合することが可能となり、結果、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。特に、第1噴射流路、第2噴射流路および第3噴射流路が周方向の速度成分を有するように軸方向または半径方向に対し傾斜して形成される場合は、燃料と酸化剤は軸方向、半径方向および周方向にわたり混合が行われ、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。また、アキシャル噴射口から噴射される推進薬の噴射流と第1ピントル噴射口または第2ピントル噴射口から噴射される推進薬の噴射流が衝突するように第1噴射流路、第2噴射流路および第3噴射流路が形成される場合は、燃料と酸化剤の霧化混合がさらに促進される。あるいは、第1ピントル噴射口、第2ピントル噴射口またはアキシャル噴射口の少なくとも1つがオリフィス孔群で構成され、そのオリフィス孔の内周面に雌ねじまたは螺旋状の溝が形成される場合は、そのオリフィス孔から噴射される推進薬は旋回流を形成するようになるため、燃料と酸化剤の霧化混合がさらに促進される。従って、本発明のピントル噴射器は燃焼室において燃料と酸化剤が均一に霧化混合された状態を形成するため燃焼室における燃焼が安定し、その結果、燃焼効率が飛躍的に向上するようになる。
このピントル噴射器100は、燃料を移送する第1推薬導管1および酸化剤を移送する第2推薬導管6を有し、第1推薬導管が燃焼室Cの内部に突出して燃料を第1ピントル噴射口5からラジアル方向(半径方向)に噴射すると共に酸化剤を第2ピントル噴射口7からラジアル方向に噴射するピントル噴射部10と、燃料を移送する第3推薬導管8を有し燃料をアキシャル噴射口9からアキシャル方向(軸方向)に噴射するアキシャル噴射部20とを具備して構成されている。
このピントル噴射器200は、酸化剤を移送する第1推薬導管1および第2推薬導管6を有し、第1推薬導管1が燃焼室Cの内部に突出して一部の酸化剤を第1ピントル噴射口5からラジアル方向(半径方向)に噴射すると共に他の酸化剤を第2ピントル噴射口7からラジアル方向に噴射するピントル噴射部11と、燃料を移送する第3推薬導管8を有し燃料をアキシャル噴射口9からアキシャル方向(軸方向)に噴射するアキシャル噴射部20とを具備して構成されている。
このピントル噴射器300は、詳細については図5から8を参照しながら後述するが、上記実施例2のピントル噴射器200と異なり、第1ピントル噴射口5、第2ピントル噴射口7およびアキシャル噴射口9から噴射される酸化剤および燃料が周方向の速度成分を有するように第1噴射流路2、第2噴射流路6bおよび第3噴射流路8bが軸方向または半径方向に対して傾斜して形成されて構成されている。
第1噴射流路2は、ピントル外壁3、ピントル内壁4および流路隔壁2aによって円状等間隔で形成されている。また、アキシャル噴射口9は、ピントル噴射部10、アキシャル噴射部20および孔隔壁9aによって円状等間隔で形成されている。第1噴射流路2およびアキシャル噴射口9の断面形状は、矩形以外に円形または楕円形であってもよい。
第1噴射流路2から噴射された酸化剤ガス流O1が周方向の速度成分を有するように流路隔壁2aが軸方向に対して傾斜して配設されている。その傾斜角θ1は、例えば30°である。そして、図7に示されるように、第1噴射流路2を流出した酸化剤ガス流O1は、旋回しながら第1ピントル噴射口5から噴射されてアキシャル噴射口9から噴射する燃料流Fと90°の交差角を有しながら衝突して混合する。
アキシャル噴射口9から噴射された燃料流Fが周方向の速度成分を有するように孔隔壁9aが軸方向に対して傾斜して配設されている。その傾斜角θ2は例えば30°である。また、第1ピントル噴射口5は環状のスリット5bから成り、第2ピントル噴射口7は複数のオリフィス7aから成るオリフィス群で構成される。そして、アキシャル噴射口9から噴射される燃料流Fは軸方向の速度成分および周方向の速度成分を有する一方、第1ピントル噴射口5から噴射される酸化剤ガス流O1は半径方向の速度成分および周方向の速度成分を有するので、これらの燃料および酸化剤は軸方向および半径方向ならびに周方向にわたり混合されることになる。さらに、アキシャル噴射口9から噴射される燃料流Fと第1ピントル噴射口5から噴射される高温の酸化剤ガス流O1と第2ピントル噴射口7から噴射される比較的低温の液体又は気体の酸化剤流O2が衝突するように、第1噴射流路2、オリフィス7aおよび第3噴射流路8bが適切に配設されているので、燃料と酸化剤の混合がより促進されることになる。
第2ピントル噴射口7から噴射される酸化剤流O2が周方向の速度成分を有するように第2噴射流路6bは、半径方向に対して傾斜されて形成されている。その傾斜角θ3は例えば45°である。さらに酸化剤流O2がアキシャル噴射口9から噴射される燃料流Fと衝突するように第2噴射流路6bはアキシャル噴射口9に対応して配設されて形成されている。これにより、第1ピントル噴射口5から噴射される高温の酸化剤ガス流O1と第2ピントル噴射口7から噴射される比較的低温の液体又は気体の酸化剤流O2とアキシャル噴射口9から噴射される燃料流Fは互いに軸方向および半径方向ならびに周方向にわたり衝突しながら混合されるので、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
この図は、ピントル噴射器400において図4のD−D断面に相当する箇所を示している。
このピントル噴射器400は、第1ピントル噴射口5、第2ピントル噴射口7およびアキシャル噴射口9から噴射される燃料および酸化剤の一部または全部が旋回流を形成するように、上記実施例2のピントル噴射器200の各オリフィス内周面の一部または全部に雌ねじ部または螺旋状の溝が形成されている。図9では、例えば第2ピントル噴射口7のオリフィス内周面に相当する第2噴射流路6bに雌ねじ部6cが形成され、アキシャル噴射口9のオリフィス内周面に相当する第3噴射流路8bに雌ねじ部9cが形成されている。このように、各オリフィス内周面の一部または全部に雌ネジ部または螺旋状の溝が形成されることにより、第1ピントル噴射口5から噴射される高温の酸化剤ガス流O1と第2ピントル噴射口7から噴射される比較的低温の液体又は気体の酸化剤流O2とアキシャル噴射口9から噴射される燃料流Fは実施例3と同様に軸方向および半径方向ならびに周方向にわたり衝突しながら混合されるので、燃料と酸化剤の霧化混合が促進される。
2 第1噴射流路
3 ピントル外壁
4 ピントル内壁
5 第1ピントル噴射口
6 第2推薬導管
7 第2ピントル噴射口
8 第3推薬導管
9 アキシャル噴射口
10 ピントル噴射部
20 アキシャル噴射部
100,200,300,400 ピントル噴射器
Claims (6)
- 燃料または酸化剤の推進薬を移送する推薬導管を有するピントル噴射部が燃焼室の内部に突出して前記推進薬を噴射するピントル噴射器であって、
前記ピントル噴射部は外周面に前記推進薬を噴射する第1ピントル噴射口および同第2ピントル噴射口を具備し、
且つ前記第1ピントル噴射口上流の第1噴射流路は前記ピントル噴射部の外壁に沿って再生冷却路を形成し、
且つ単一又は2種類以上の燃料または酸化剤の一の推進薬を、噴射方向を軸方向とするアキシャル噴射口から噴射し、噴射方向をラジアル方向とする前記第1ピントル噴射口から噴射され該推進薬とは温度および状態または性質の異なる同一または別種類の推進薬、ならびに同前記第2ピントル噴射口から噴射され前記二つの推進薬とは温度および状態または性質の異なる同一または別種類の推進薬と交差・挟撃させながら混合することを特徴とするピントル噴射器。 - 前記第1ピントル噴射口および前記第2ピントル噴射口は環状のオリフィス孔群または環状のスリットから成る請求項1に記載のピントル噴射器。
- 前記第2ピントル噴射口から噴射される燃料または酸化剤の一の推進薬は、前記第1ピントル噴射口から噴射される他の推進薬ならびに前記アキシャル噴射口から噴射される他の推進薬に挟撃されながら混合される請求項1又は2に記載のピントル噴射器。
- 前記第1噴射流路および、前記第2ピントル噴射口上流の第2噴射流路ならびに前記アキシャル噴射口上流の第3噴射流路は共に軸方向あるいは半径方向に対し傾斜して形成されている請求項1から3の何れかに記載のピントル噴射器。
- 前記アキシャル噴射口から噴射される推進薬の噴射流と前記第1ピントル噴射口から噴射される推進薬の噴射流または前記第2ピントル噴射口から噴射される推進薬の噴射流が衝突しながら混合されるように前記第1噴射流路、前記第2噴射流路および前記第3噴射流路が配設されている請求項4に記載のピントル噴射器。
- 前記第1ピントル噴射口、前記第2ピントル噴射口または前記アキシャル噴射口の少なくとも1つが環状のオリフィス孔群で構成される場合は、前記オリフィスの内周面に雌ねじ又は螺旋状の溝が形成されている請求項1から5の何れかに記載のピントル噴射器。
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