JPH0323745B2 - - Google Patents

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JPH0323745B2
JPH0323745B2 JP62249617A JP24961787A JPH0323745B2 JP H0323745 B2 JPH0323745 B2 JP H0323745B2 JP 62249617 A JP62249617 A JP 62249617A JP 24961787 A JP24961787 A JP 24961787A JP H0323745 B2 JPH0323745 B2 JP H0323745B2
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rocket
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liquid oxygen
gas
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Nobuyuki Yatsuyanagi
Hiroshi Tamura
Hiroshi Sakamoto
Fumie Ono
Hiromi Gomi
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KAGAKU GIJUTSUCHO KOKU UCHU GIJUTSU KENKYUSHOCHO
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KAGAKU GIJUTSUCHO KOKU UCHU GIJUTSU KENKYUSHOCHO
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、液体炭化水素等の燃料を安定燃焼
させるためのロケツト噴射器、特に物性値の異な
る複数種類の燃料を高効率で安定燃焼させるため
のロケツト噴射器に関する。
(従来技術) 従来、ケロシン等を含む高密度炭化水素と液体
酸素等の酸化剤を用いたロケツトエンジンが広く
用いられている。
従来の液体酸素、ケロシン等の液体燃料の組合
せの推進薬を用いたロケツトエンジンの場合、推
進薬を微粒化し、推進薬相互の混合を促進させる
ことを目的として用いられる噴射器の噴口形状を
第6図に示す。ケロシン3は、燃料供給口を経て
燃料噴口10から燃焼室内に噴霧される。一方、
液体酸素2は燃料噴口10の周囲に配置された液
酸噴口11からケロシンの噴流に衝突するように
噴出させられ、推進薬どうしの衝突によつて混合
が行われる。しかし、衝突型噴射器の微粒化特性
は、噴口加工の工作精度に大きく影響を受けるた
め、同一の設計寸法の噴口でも得られる燃焼性能
に差異が生じることが多い。又、衝突点に至るま
での推進薬噴流及び衝突後の推進薬微粒化メカニ
ズムは、周囲燃焼ガス流の影響を受け易く、不安
定に陥り易いため、有害な振動燃焼を誘発しやす
い。又、噴射面への熱負荷が過大になり易い等の
欠点を有している。このために液体酸素とケロシ
ン等を推進薬とするロケツトエンジン噴射器の計
計、工作には多くの労力が必要とされてきた。
一方、近年、ロケツトエンジンを用いた究極的
飛翔体の形態は、航空機と同様に、何度も使用出
来る有翼帰還可能な単段式飛翔体(SSTO)であ
ると考えられ、その実現のためのブラン作りが試
みられている。この様なSSTOを実現するために
は、機体構造重量及びロケツトエンジン重量等を
軽くし、エンジン重量当たりの推進力を大きく、
かつ、、ロケツトが得る速度増分の配分が適切に
なるように、高度に合わせて、使用する推進薬を
順次切り替えることが必要となる。
例えば、2種類の組合せの推進薬を切り替えて
燃焼させる直列燃焼式エンジン(打ち上げから低
高度で作動させるモード1及び高空で作動させる
モード2)によつてSSTOを実現させるために
は、理論解析によれば、各モードの推進薬選択の
条件は、モード1の推進薬平均密度ρ1、比推力
I1、モード2の推進薬平均密度ρ2、比推力I2とす
れば、 ρ1>ρ2 I2>I1 ρ1I1>ρ2I2 であることが必要条件である。この条件を満たす
具体的な推進薬の組合せは、モード1に対しては 酸化剤:液体酸素 燃料:ケロシン等を含む高密度炭化水素又は液化
メタン、プロパン等軽質炭化水素 モード2に対しては 酸化剤:液体酸素 燃料:液体水素 の組合せが代表的である。
これまで提案されているSSTO用のロケツトエ
ンジンは、基本的には各各のモードに対応するロ
ケツト燃焼器を個別に、又は二重式に統合した燃
焼器で各各の推進薬に対応した個別の噴射器を有
する構成のものだけであつた。これは各モードに
対応する異なる燃料の物性値、例えば、上記の酸
化剤と燃料の組合せの中、モード1の燃料として
ケロシン類を用いると、密度約800〜1100Kg/m3
沸騰温度約220〜280℃であり、これに対してモー
ド2の液体水素は密度約70Kg/m3、沸騰温度約−
253℃と2つの燃料の物性値が極端に異なり、こ
れらを1つの噴射器で、推進薬の良好な微粒化、
推進薬相互間の良好な混合状態を得ることが極め
て困難になる。従つて、燃焼に必要な条件が達成
出来ず、効率が高く安定な燃焼が実現出来ないと
いう理由によるものである。
(この発明が解決しようとする問題点) 本発明は、ケロシン等の液体燃料を安定に高効
率で燃焼させることが出来るだけでなく、物性値
が極端に異なる複数の推進薬を切り替え燃焼させ
る場合にも、1つの噴射器で最適な燃焼条件を達
成し、高効率な燃焼を実現しようとするものであ
る。
(問題点を解決するための手段) この発明のロケツト噴射器は、気化した液体水
素の噴口、該水素の噴口から噴出する噴流中に液
体燃料を送入し微粒化する燃料噴口、該燃料噴口
と同軸型噴口として構成された液体酸素噴口とを
有することを特徴とする。
そして、特に有利に実施されるのは、物性値の
異なる2種類の燃料、例えばケロシンと液体水素
及び液体酸素を推進薬とし、まず主として第1の
燃料と液体酸素を燃焼させ、次いで第2の燃料に
切り替えて同一の燃焼器で燃焼させる液体ロケツ
トエンジンの燃焼器としてであつて、第1の主燃
料例えばケロシンと液体酸素を燃焼させる場合、
気化した第2の従燃料例えば水素の噴流中に第1
の燃料を送入し、該噴流によつて上記第1の燃料
を微粒化し、液体酸素と混合燃焼させることを特
徴とする。
上記燃料の微粒化用ガスは、例えばロケツトノ
ズル及びロケツト燃焼室を冷却した燃料の気化ガ
スであつてもよく、或いは高温ガス発生器の燃焼
ガスであつてもよい。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明を実施例によつて
詳細に説明する。この実施例においては、SSTO
用のロケツトエンジンとして本発明を実施した場
合を示し、燃料の組合せの1例として、モード1
の推進薬として酸化剤に液体酸素を、燃料にケロ
シン類及び従燃料として水素を、モード2に対し
て液体酸素と液体水素を用いる場合を示す。
すなわち、第1図1に示すモード1の作動時に
は、従燃料として用いられる液体水素4は、ポン
プ8によつてロケツトノズル9及びロケツト燃焼
室を冷却し、その1部は噴射器1から燃焼器5中
に噴出すると共に、高温ガス発生器6に送入され
る。一方、液体酸素2は同様にポンプ8′によつ
て燃焼器5に送入されると共にその1部は高温ガ
ス発生器6に送られ、上記の水素を燃焼させて高
温ガスを発生する。この高温ガスはタービン7,
7′によつてポンプ8,8′,8″を駆動した後、
ノズル9に排出される。又、主燃料3はポンプ
8″で燃焼室5に圧送される。
第1図2に示すモード2時には、液体水素4の
みが燃料として使用され、各部の作動は同図1の
場合と同じである。
本発明においては、上記のモード1、モード2
の何れにおいても、同じ噴射器を用いようとする
ものであるが、その詳細を第2図に示す。同図1
において、モード1では、主推進薬であるケロシ
ン3は噴口13から、液体酸素2は噴口14の中
心に設けられた酸素噴口12から燃焼器中に噴出
する。燃料噴口14の上流側壁には、水素の噴出
口14′が開いており、従燃料としてのガス化し
た水素が燃料噴口14中で噴出する。
モード1では、液体酸素、ケロシンが質量比で
約2.6:0.9の比率で噴射され、水素は気体状態で
質量比約0.1が噴射される。噴射される気体推進
薬の質量割合は、液体状態の主推進薬の質量と比
して少ないが、体積比は約10〜100倍となる。第
2図2,3は水素の噴出口13部位での断面を示
す。高速で噴射される気体状態の水素噴流は、円
孔又はスリツト状流路を通じて流れに直交又は傾
斜し或いは接線方向に流入する液体推進薬である
ケロシンを、この水素噴流のエネルギによつてa
位置で微粒化する。さらにこの微粒子を含む高速
流が同軸噴口の中心部から噴射される液体酸素と
b位置で接触し、液体酸素の微粒化及び燃料との
良好な混合状態を実現する。
モード2への切り替えに当つては、ケロシンの
噴射が止められ、ヘリウムガス等によつて残留ケ
ロシンをパージする。その後、水素の高速流と液
体酸素噴流の相互作用によつて微粒化、混合がな
されるが、これは従来の液体酸素、液体水素用同
軸型噴口と同じとなる。
上記の噴口11を18ケ配置した推力10kN(約1
トンの推進力)の噴射器を第3図に示す。この燃
焼器の燃焼実験を液体酸素(密度1142Kg/m3、粘
度0.166mm2/s、何れも−183℃での値)、ケロシ
ン熱料(密度860Kg/m3、粘度5mm2/s、何れも
15℃での値)及び水素(密度7.8Kg/m3、粘度
1.12mm2/s、何れも15℃、圧力100気圧での値)
を用いて行つた。噴射質量比は液体酸素:ケロシ
ン:水素=2.6:0.9:0.1、燃焼圧力10MPa(約
100Kg/cm2)の条件で良好な燃焼、すなわち燃焼
効率約98%以上で安定な燃焼が実証された。な
お、図中15は点火用トーチガスの流路を示す。
第4図は、別の実施例を示し、第2図示の実施
例を更に改良したものである。すなわち、第2図
に示した円形断面噴口から液柱状態で噴射される
液体酸素の微粒化及び燃料との混合を更に促進さ
せるために、噴口12に円環状の側路12′を設
け、ここから薄膜状態で液体酸素を噴射するよう
にしたものである。薄膜状態で噴射される液体酸
素の微粒化特性は、単位時間当たりの噴射流量に
対し、高速水素ガス流との接触面積が拡大する程
良好となる。モード1では、従燃料である水素の
高速流によつて主燃料であるケロシンをaの位置
で微粒化し、更にこの高速噴霧流はbの位置で薄
膜状の液体酸素を効率よく微粒化し、両者の混合
を促進させるものである。モード2では、ケロシ
ンの噴射が止められ、ヘリウムガス等によつて残
留ケロシンをパージした後、水素の高速流と薄膜
状液体酸素噴流との相互作用によつて微粒化、混
合を行わせるものである。
第5図は、第1図に示した高温ガス発生器6と
燃焼器5の噴射器1の詳細を示すもので、モード
1において低温気体水素を直接噴射するものでは
なく、一旦、予燃焼室16において、主推進薬で
ある液体酸素2から分岐した液体酸素2′と燃焼
室冷却後の低温気体水素4を燃焼させ、300〜800
℃の範囲の高温ガスを発生させて微粒化用作動ガ
ス流量の増大をはかる。
この場合、微粒化用高温ガスの発生は、次の2
通りによるものである。第1の方法は、従推進薬
である水素質量1に対し、分岐する液体酸素2′
の質量流量を0.3〜0.8の範囲に制御し、いわゆる
燃料過濃燃焼によつて300〜800℃の高温ガスを発
生させる方法である。第2の方法は、従推進薬で
ある水素質量流量1に対し、分岐する液体酸素
2′の質量流量を180〜90の範囲に制御し、いわゆ
る酸素過濃燃焼によつて300〜800℃の高温ガスを
発生させる方法である。第2の方法では第1の方
法に比して約100倍まで微粒化用高温ガス量の増
大が図れる。第1の方法で微粒化特性が満足でな
いことが見込まれる場合には、第2の方法による
ことが望ましい。主燃料噴口と微粒化用気体噴口
の構造は、第2図、第4図に示したものと同じで
ある。モード2では、上記の実施例と同じであ
る。
(発明の効果) この発明のロケツト噴射器は、上記のように簡
単な構造でありながら、燃料と酸化剤の混合条件
を改善し、特に2種類の燃料に対する2種類のモ
ードで高性能かつ安定燃焼が達成可能となり、二
元燃料用ロケツトエンジンの噴射器として極めて
有効なものである。
しかも、微粒化用気体は、燃焼器冷却後の低温
ガス状態の水素、又はターボポンプのタービン駆
動後の水素又は酸素濃度過濃な高温ガスで、二元
燃料ロケツトのサイクルを構成する上で必然的に
発生するものであり、そのためにロケツトの構成
が複雑となる訳ではないという、顕著な効果を奏
する。
【図面の簡単な説明】
第1図は二元燃料ロケツトエンジンの作動系統
概念図、第2図はこの発明のロケツト噴射器の1
実施例の噴口構造を示す断面図、第3図はその噴
口を用いた噴射器を示す断面及び正面図、第4図
は噴口構造の他の実施例を示す断面図、第5図は
高温ガス発生器の構造及び本発明噴射器の断面
図、第6図は従来の液体酸素、ケロシン燃料推進
薬の噴射器構造を示す断面図であり、図中の符号
はそれぞれ 1:噴射器、2:液体酸素、3:ケロシン、
4:液状水素、5:燃焼器、6:高温ガス発生
器、7:タービン、8:ポンプ、9:ロケツトノ
ズル、10,14:燃料噴口、11,12:液体
酸素噴口、13:水素噴出口、15:点火用トー
チガス出口、16:予燃焼室を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 物性値の異なる2種類の燃料と液体酸素を推
    進薬とするロケツトにおいて、気体状態で噴口か
    ら噴出する従燃料の噴流中に液体主燃料を送入し
    微粒化する燃料噴口、該燃料噴口と同軸型噴口と
    して構成された液体酸素噴口とを有することを特
    徴とするロケツト噴射器。 2 上記燃料の微粒化用ガスは、ロケツトノズル
    及びロケツト燃焼室を冷却した燃料の気化ガスで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    のロケツト噴射器。 3 上記燃料の微粒化用ガスは、高温ガス発生器
    の燃焼ガスであることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載のロケツト噴射器。 4 上記燃料の微粒化用ガスは、高温ガス発生器
    の燃料過濃燃焼ガスであることを特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載のロケツト噴射器。 5 上記燃料の微粒化用ガスは、高温ガス発生器
    の酸素過濃燃焼ガスであることを特徴とする特許
    請求の範囲第3項記載のロケツト噴射器。 6 物性値の異なる2種類の燃料と液体酸素を推
    進薬とし、まず主として第1の燃料と液体酸素を
    燃焼させ、ついで第2の燃料に切り替えて同一の
    燃焼器で燃焼させる液体ロケツトエンジンの燃焼
    器であつて、第1の燃料と液体酸素を燃焼させる
    場合、気化した第2の燃料の噴流中に第1の燃料
    を送入し、該噴流によつて上記第1の燃料を微粒
    化し、液体酸素と混合燃焼させることを特徴とす
    るロケツト噴射器。
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