JPH0861150A - ハイブリッドロケットのための噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 大型で高推力を有するハイブリッドロケット
を、構造的に簡素に、かつ廉価に実現化し、非効率的な
燃料の使用及び低消費率を伴うことなく、その利点を利
用する。 【構成】 ハイブリッドロケットのための噴射装置にお
いて、液体成分１は多数の細い管中２を、固体成分の未
燃焼部分を横切って流れ、内面燃焼方式ポート５の燃焼
表面に向かって流れ、前記管は固体燃料ブロック３の外
表面上に端を発し、中心に位置するポートに向かって半
径方向に該ポート内へと延長することを特徴とする、ハ
イブリッドロケットのための噴射装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はハイブリッドロケットの
ための噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日運転されている事実上全てのロケッ
トは化学ロケットであり、適切な燃料及び酸化剤を燃焼
させて推力を発生している。放出される反応エネルギー
を使用して、燃焼生成物（排気ガス）を飛行方向と反対
方向に加速させ、よって前方への推進力を発生する。装
置の技術的最適化の最終目的は、排気ガス速度を最大と
することである。特に使用燃料のエネルギー容量、燃焼
生成物の分子量、燃焼工程自体の効率、並びに燃焼室及
び熱ガスにさらされる他の部品の温度及び圧力耐性等い
くつかの技術的制限が、限定要因となっている。化学ロ
ケットは、大きく分けると固体システム、ハイブリッド
システム、及び液体／液体システムに分類することがで
きる。

【０００３】固体システムの場合、燃料及び酸化物質は
完全に混合され、均質な薬粒を形成する。固体システム
は設計が単純であるが、燃焼工程を制御することができ
ない、つまり推力変化及び再始動等を行うことができな
い。さらに固体は爆発する可能性がある。最適化の観点
からみると、固体システムの燃料は代表的にはエネルギ
ー容量がより少なく、高分子量の燃焼生成物並びに毒性
物質を発生するため、固体システムは液体／液体システ
ムより劣るものである。

【０００４】液体／液体システムでは、燃料及び酸化剤
（例えば水素及び酸素）の両方が液相であり、このよう
な欠点は有していない。しかしながら、効率的なエンジ
ンは非常に複雑になる傾向があり、設計及び組立てが難
しいので、通常非常に高価である。

【０００５】「ハイブリッドロケット」という用語は、
ロケットの推進力の概念について慣用的に用いられ、推
薬の一成分（通常は酸化剤）が液相で貯蔵され、他方
（通常は燃料）が固体で貯蔵されるものである。

【０００６】ハイブリッドシステムでは、燃料タンクが
燃焼室を兼ねる。代表的には、ロケットエンジン内部の
固体推薬（薬粒）が、ロケットの長手軸に沿って延長す
る一本または数本の中心空洞を有し（内面燃焼方式）、
ポート（空洞が数本ある場合には複数のポート）を形成
し、そこで燃焼が行われる。慣用的に用いられるポート
の断面形状はいくつかあり、例えば円筒形、星形、車輪
形等（パーフォレーション）が挙げられる。内面燃焼方
式の薬粒配置の利点の一つは、燃焼中に燃料の未消費部
分が、燃焼による高温高圧からモーターケースを保護す
るということである。このような設計では、液体成分
（酸化剤）は代表的にはポートの頂部に位置する一種の
シャワーヘッド様の噴射装置によって、ポート内へ導入
される。また、追加の酸化剤がアフターバーナー内に導
入されることもある。

【０００７】このような従来のハイブリッドロケット及
び噴射装置は多くの特許に記載されている。例えば米国
特許第３，５５７，５５６号には、各ポートに流入する
酸素を別個に調節可能である四辺形マルチポートが開示
され、米国特許第３，７８９，６１０号には、固体装荷
燃料の頂部にハイブリッドエンジンを設け、それにより
ハイブリッドエンジンの操作が固体によって先行され、
両者が同一のケース内に配置され、このハイブリッドポ
ートが樹枝状形式であることが開示される。これら二つ
の特許は内面燃焼方式のポートを記載している。米国特
許第３，７１５，８８８号は、端面燃焼方式のハイブリ
ッドエンジンを開示している。この設計において、酸化
剤は、エンジンの長手軸に沿って中心に配置された一つ
又は三つの管を通して伝達され、この管は燃焼工程の間
に融解する必要がある。

【０００８】この文献はハイブリッドロケットのために
充分適合された多くの燃料、例えばポリエチレン（Ｐ
Ｅ）、ポリブタジエン（ＰＢ）、ＨＴＰＢ等を提案して
いる。燃焼温度を上昇させるために、これらはアルミニ
ウムパウダー等の添加剤と共に使用されることもある。
液体酸素は好ましい酸化剤であるが、適当な酸化剤はこ
れに限定されるものではない。このような燃焼は非常に
馬力があり、高い温度、及び軽量で環境的に安全な排気
生成物を発生する。燃料として挙げられる例えばＰＥ又
はＰＢ等はリサイクル活動により大量に入手可能であ
る。

【０００９】従ってハイブリッドロケットは、従来の固
体エンジンの利点（構造の単純性、製造の容易性、及び
低価格燃料）と液体／液体エンジンの利点（広範囲に渡
る推力変更能、停止−再始動能、高排気速度）とを組み
合わせたものである。さらに、ハイブリッドロケットは
爆発しないため、製造、保管、操作中の安全性が高いと
いう追加的な利点もある。

【００１０】これらの理由により、ハイブリッドロケッ
トは将来性のある技術と考えられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ハイブリッドテクノロ
ジーは今日まで、比較的小型で低推力のエンジンにおい
て主に適用されてきた。上述した利点のため、特に安全
性が高いという理由で、ハイブリッドテクノロジーは大
型で強力な発射台において使用するのに理想的であるは
ずである。小型で比較的効率的なエンジン設計から大型
のエンジン設計へ発展させる際の深刻な限定要因は、従
来技術の噴射装置にある。これは、酸化剤が燃料表面に
直接衝突するポートの小さな頂部区域以外は、酸化剤と
燃料とが直接接触しないためである。燃料を燃焼可能と
するためには、まず気化し、その後に酸化剤と混合しな
ければならない。長いポート内においては、気化した燃
料と酸化剤とが層を形成する傾向があり、未燃焼のまま
ポートから排出されることもあるので、燃焼効率が低下
する。燃料／酸化剤比はポートの長さに渡って異なり、
特に半径方向外方に進行する燃焼工程において燃焼表面
が拡大するに従って異なる。さらに、燃料は燃焼させる
ために使用可能となるように、まず気化させなければな
らないので、燃料の消費率（つまり単位時間に利用可能
にできる燃料の量）が低い。しかしながら、ハイブリッ
ドテクノロジーを高推力上昇段階において使用しようと
するならば、高消費率は基本的な必要条件である。この
問題についてのより詳細な説明は、Sutton, G.P.; Rock
et Propulsion Elements，第6版，1992年，John Wiley
& Sons (New York)， P 216-217，390-391，502-521に
記載される。上記の問題を解決するための現在好ましい
手法は、いわゆるマルチポート、つまり一つの燃料ブロ
ック内に数個のポートを設けることである（Sutton, p5
97及びp517並びに米国特許第５，５５７，５５６号参
照）。しかしながらこれらの設計は、不規則な形状のポ
ートの隅部で未燃焼の燃料が割れる等の、他の問題を生
じるものである（米国特許第３，４９４，２８６号では
人工的な燃料キャビテーションに基づいた補修を提案し
ている。）。マルチポート設計もまた、全体的な燃料密
度の低下を招く。

【００１２】理想的には、燃焼の全ての相において燃焼
表面全体に渡って均一に酸化剤を散布し、固体システム
の燃焼工程により近似させ、またポートの長さ及び直径
とは無関係に高燃焼効率及び消費率を得ることができる
と共に、構造が単純でも複雑でも、大型でも小型でも同
様によく作動するように容易に適合させることができる
噴射装置が望まれている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ハイブ
リッドロケットのための噴射装置において、液体成分は
多数の細い管（２）中を、固体成分（３）の未燃焼部分
を横切って流れ、内面燃焼方式ポートの燃焼表面に向か
って流れ、前記管は固体燃料ブロックの外表面上に端を
発し、中心に位置するポートに向かって半径方向に該ポ
ート内へと延長することを特徴とする、ハイブリッドロ
ケットのための噴射装置が提供される。

【００１４】以下に本発明の構成及び実施態様を列挙す
る。

【００１５】１．ハイブリッドロケットのための噴射装
置において、液体成分は多数の細い管（２）中を、固体
成分（３）の未燃焼部分を横切って流れ、内面燃焼方式
ポートの燃焼表面に向かって流れ、前記管は固体燃料ブ
ロックの外表面上に端を発し、中心に位置するポートに
向かって半径方向に該ポート内へと延長することを特徴
とする、ハイブリッドロケットのための噴射装置。

【００１６】２．固体燃料ブロック内の前記管の方向
が、ポート内の排気ガスの主要な流れの方向と角度を為
して又は直角に交差することを特徴とする、上記１に記
載の噴射装置。

【００１７】３．管のオリフィス付近における内面燃焼
侵食率が燃料消費率と略一致する、非自燃性燃料及び酸
化剤の組合せで使用するために、前記管の代わりに燃料
薬粒中に設けられた単純なドリル穴を用いることがで
き、又は前記管は金属、及び／又は前記管がポート内に
開放されるまで酸化剤の流れから燃料を隔離する他の適
切な材料で構成され、燃焼工程中に前記管が損失するこ
とを許容することを特徴とする、上記１に記載の噴射装
置。

【００１８】４．固体燃料の所定構造の燃焼作用をあら
かじめ決定するために、前記管のサブセットが局部的に
まとめられ、及び／又は前記管の固体ブロック内の一端
が閉塞状態で終止して、燃焼工程中に開放され、及び／
又は個々の管の管腔を変更することができ、よって燃焼
工程のある時点で所定位置における酸化剤の局部的によ
り高い灌流を許容することを特徴とする、上記１に記載
の噴射装置。

【００１９】５．前記管が上位酸化剤供給管の共通従属
管としてまとめられ、それによりこれらの上位酸化剤供
給管内への酸化剤の流れが互いに独立して個々に調節さ
れ、前記従属管の供給に引き続き効果を有することをさ
らに特徴とする、上記１に記載の噴射装置。

【００２０】６．前記上位酸化剤供給管が、エンジンケ
ース壁の内側又は外側に沿って延長するダクト（７）と
して有利に機能する、上記１又は５に記載の噴射装置。

【００２１】

【実施例】本発明は内面燃焼方式のハイブリッドロケッ
トエンジンのための噴射装置を含み、液体成分（１）
（通常は液体酸素等の酸化剤）は、多くの細い管又は
（燃料及び酸化剤の選択により）単純なドリル穴（２）
中を流れ、この管又はドリル穴は、固体燃料ブロック
（３）の外表面を起点とし、（主要な供給管がケースの
外側に配置される場合には）エンジンケース（４）を貫
通し、固体燃料ブロック中を通過し、内面燃焼ポート
（５）内へ半径方向に延長し、この管又はドリル穴のポ
ートオリフィスの位置における排気ガスの主要な流れ方
向は、この管又はドリル穴（以下供給管と称する）と角
度をなして又は直角に交差する。より多くの供給管が使
用されれば、それだけより均一に酸化剤が固体又は気化
された燃料と直接接触するに至り、良好な混合率及びそ
れによる効率的な燃焼を達成することができる。供給管
の数と相関関係を有するのは、燃料が直接燃焼されて表
面から離れ、高消費率を生じる、燃料表面上の局部的燃
焼点の数である。

【００２２】供給管を共通の分配器（以下上位供給管と
称する）の従属管としてまとめること、及びこの上位供
給管への酸化剤の流れを独立して調節すること、及び／
又は（例えば供給管のケースに近い部分の管腔を拡大し
て）燃料ブロック内のいくつかの供給管の構造を変更す
ること、及び／又は供給管の位置分布を変更することに
より、時間の関数で示される操作中の固体燃料ブロック
の消費を、個別の必要に応じて調整することができる。
これにより、燃焼中にポートの構造を変化させること
（例えば星形の燃焼を円筒形に近付けること）ができ、
及び／又は表面積当たりの酸化剤の流れを一定に保持す
る一方で、所望の推力及び圧力作用を達成する（燃焼の
終了に向けて酸化剤の流れを減少させることによりポー
ト圧力を低下させ、過度の圧力からケースを保護する助
けとする）助けとなる。

【００２３】供給管の一部は、燃料ブロック（６）中の
一端が閉塞状態で終止して、侵食され、燃焼中に所定点
において操作可能としてもよい。

【００２４】燃料管は、螺旋状スプレーシート形式の効
果を生じるように設計してもよい。非常に小さい供給管
を多数、ポートの局部的静圧よりも僅かに高い噴射超過
圧力で操作すると、酸化剤は固体燃料表面上にベールを
形成し、表面近くの燃料と酸化剤との混合率は固体シス
テムにおける混合率により近くなるはずである（固体シ
ステムにおける燃料と酸化剤との混合は当然不変であ
り、調整することができない。）。特に大直径のポート
を用いる場合には、これが本願出願人が好ましいと考え
る操作方法である。本発明は液体を包含する供給管のオ
リフィスを直交方向に横切って非常に早い速度で大量の
ガスが移動する（特にポートの下方区域において）状態
について記載しているので、顕著な大きさのベンチュリ
効果が当然期待され、所望のベール形成に貢献し、ポー
ト内の静圧が最も高い従来の頂部噴射に比して、一般的
に噴射圧力を低くすることができ、ターボポンプ及び／
又は圧力タンク及び／又は加圧装置の寸法を減少させる
ことができる。

【００２５】酸化剤は有利には、ケースの外壁（又は内
壁）に沿って延長する多数の下降管（７）を通して供給
管へ導かれる。これらの下降管内への酸化剤の供給量
は、その流れの途中に閉鎖バルブ、フラップ弁等を設け
て個々に調節してもよい。明らかに、酸化剤をポートへ
導く前にノズル冷却剤として使用する場合には、この管
は下降管ではなく上昇管であってもよい。

【００２６】小直径のポートを操作する場合、横断面平
面における供給管の配置は、対向燃料表面に噴射流が当
たるように非対称であってもよく、又は噴射流の一部が
交差して衝突流噴射パターンを形成するように対称であ
ってもよい。非対称的な配置では、衝突部位にいくつか
のキャビテーション又はトラフを設けて燃料表面を局部
的に増加させることが有利であり、対称的な配置は、排
気ガスの流れの中間に過剰な量の酸化剤を導入して層形
成を妨げるのに特に適している。

【００２７】本発明では、燃料ブロックの供給管構造
が、エンジンの操作中に焼失又は融解し、損失すること
を見込んでいる。非自動点火性燃料を組合せて使用する
場合には、管の代わりに、固体中に開けた単純なドリル
穴（ダクト）を設けても充分であるが、このダクトのオ
リフィス付近における侵食（つまり酸化剤の流れと反対
方向にドリル穴内へ進行する望ましくない燃焼）が燃料
消費率にほぼ一致することが条件である。管は、通常金
属又は他の適切な材料で作成される。

【００２８】燃焼中、供給管のオリフィスは、酸化剤の
一定流量及び局部的冷却効果により開放状態に維持され
る。時折個々の供給管が燃焼工程において閉塞されるよ
うな場合（例えば融解スラグ形成）には、スラグが焼失
又は運び去られると、再び開放されるであろう。さら
に、個々の供給管が顕著に長時間閉塞されたままである
と、その反作用及び望ましくない作用は、操作状態に維
持される多くの供給管によって統計上補われる。

【００２９】明らかに上述の噴射装置は、内面燃焼方式
（つまり端面バーナーを有しない）である限り、球状を
含む、円筒形、星形、又は樹枝状等の多くのポート構造
で作動するが、これに限定されるものではない。

【００３０】

【作用】上記の噴射装置により、大型で高推力を有する
ハイブリッドロケットを、構造的に簡素に、かつ廉価に
実現化することができ、現在の欠点である非効率的な燃
料の使用及び低消費率を伴うことなく、その利点を利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のハイブリッドロケット噴射装
置の一実施態様の縦断面図である。

【図２】図２は、図１に示す実施態様の横断面図であ
る。

【図３】図３は、固体燃料薬粒及びポートが球形であ
る、本発明のハイブリッドロケット噴射装置の別の実施
態様の縦断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハイブリッドロケットのための噴射装置
   において、液体成分は多数の細い管中を、固体成分の未
   燃焼部分を横切って流れ、内面燃焼方式ポートの燃焼表
   面に向かって流れ、前記管は固体燃料ブロックの外表面
   上に端を発し、中心に位置するポートに向かって半径方
   向に該ポート内へと延長することを特徴とする、ハイブ
   リッドロケットのための噴射装置。