JPH076454B2 - 炭素複合材燃焼器 - Google Patents
炭素複合材燃焼器Info
- Publication number
- JPH076454B2 JPH076454B2 JP26523987A JP26523987A JPH076454B2 JP H076454 B2 JPH076454 B2 JP H076454B2 JP 26523987 A JP26523987 A JP 26523987A JP 26523987 A JP26523987 A JP 26523987A JP H076454 B2 JPH076454 B2 JP H076454B2
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- Japan
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- carbon composite
- composite material
- combustor
- carbon
- coating layer
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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、ロケットエンジンに用いて好適な炭素複合
材燃焼器、とくには、高圧燃焼ガスに対して十分なる気
密性を発揮することができるとともに、化学的浸食を有
効に防止することができる燃焼器に関するものである。
材燃焼器、とくには、高圧燃焼ガスに対して十分なる気
密性を発揮することができるとともに、化学的浸食を有
効に防止することができる燃焼器に関するものである。
（従来の技術） 金属製燃焼器を用いた従来既知のロケットエンジンとし
ては、例えばMBB（MESSERCHMITT−ＢLKOW−BLOHM GMB
H−Space Division）のカタログBi−Propellart Propul
sion Systems for Spacecraft Injection and Control
（Octotber 3−6,1977）に紹介されたものがある。
ては、例えばMBB（MESSERCHMITT−ＢLKOW−BLOHM GMB
H−Space Division）のカタログBi−Propellart Propul
sion Systems for Spacecraft Injection and Control
（Octotber 3−6,1977）に紹介されたものがある。
このロケットエンジンは、第５図に具体的に示すよう
に、燃焼室１と、この燃焼室１の一端に連続するノズル
２とを具える金属製燃焼器３の、ノズル２とは反対側の
端部分に、噴射器４を取り付けることにより構成されて
おり、ここでは、約3000℃の高温ガスから金属製燃焼器
３を保護するために、再生冷却用の冷却ジャケット５
を、その燃焼器３に設けるとともに、膜面冷却用の噴孔
６を、噴射器４の周縁部分にリング状に形成している。
に、燃焼室１と、この燃焼室１の一端に連続するノズル
２とを具える金属製燃焼器３の、ノズル２とは反対側の
端部分に、噴射器４を取り付けることにより構成されて
おり、ここでは、約3000℃の高温ガスから金属製燃焼器
３を保護するために、再生冷却用の冷却ジャケット５
を、その燃焼器３に設けるとともに、膜面冷却用の噴孔
６を、噴射器４の周縁部分にリング状に形成している。
ここにおいて、再生冷却は、推進剤の一方、多くは燃料
を、冷却ジャケット４に循環させることにて、燃焼室１
およびノズル２の壁部の過熱を防止するとともに、その
燃料の加熱をもたらすことにより、また、膜面冷却は、
噴孔６から噴出されて、燃焼室１およびノズル２の内壁
面を覆う燃料膜を蒸発させることによって、それらの壁
面への過大なる熱伝達を防止することによりそれぞれ行
われる。
を、冷却ジャケット４に循環させることにて、燃焼室１
およびノズル２の壁部の過熱を防止するとともに、その
燃料の加熱をもたらすことにより、また、膜面冷却は、
噴孔６から噴出されて、燃焼室１およびノズル２の内壁
面を覆う燃料膜を蒸発させることによって、それらの壁
面への過大なる熱伝達を防止することによりそれぞれ行
われる。
ところで、再生冷却は、燃料が加熱されることによる熱
効率の向上をもたらすことができるも、燃焼停止・再着
火の機会が多い運転には不適当であるとともに、冷却ジ
ャケット４が、構造の複雑化に加えて、重量およびコス
トの増加をもたらすことになり、また、膜面冷却は、推
進剤の壁面流下に起因する燃焼効率の低下をもたらすこ
とになることから、耐熱性にすぐれた炭素複合材にて燃
焼器を構成することにより、再生冷却を全く不要ならし
めることともに、膜面冷却によって消費される推進剤の
量を極力少なくしようとの提案がなされている。
効率の向上をもたらすことができるも、燃焼停止・再着
火の機会が多い運転には不適当であるとともに、冷却ジ
ャケット４が、構造の複雑化に加えて、重量およびコス
トの増加をもたらすことになり、また、膜面冷却は、推
進剤の壁面流下に起因する燃焼効率の低下をもたらすこ
とになることから、耐熱性にすぐれた炭素複合材にて燃
焼器を構成することにより、再生冷却を全く不要ならし
めることともに、膜面冷却によって消費される推進剤の
量を極力少なくしようとの提案がなされている。
【発明が解決しようとする問題点） しかしながら、炭素複合材は多孔質構造であることか
ら、それにてロケットエンジンの燃焼器を構成した場合
には、高圧の内部燃焼ガスが、燃焼器の器壁を透過する
という問題があった他、燃焼器が、高温の酸化性もしく
は還元性ガスによって化学的浸食を受けるという問題が
あった。
ら、それにてロケットエンジンの燃焼器を構成した場合
には、高圧の内部燃焼ガスが、燃焼器の器壁を透過する
という問題があった他、燃焼器が、高温の酸化性もしく
は還元性ガスによって化学的浸食を受けるという問題が
あった。
この発明は、炭素複合材燃焼器に固有のかかる問題を解
決するものであり、このことにより、金属製燃焼器によ
ってもたらされる構造の複雑化、重量およびコストの増
加ならびに燃焼効率の低下を極めて有効に防止すること
ができる炭素複合材燃焼器を提供するものである。
決するものであり、このことにより、金属製燃焼器によ
ってもたらされる構造の複雑化、重量およびコストの増
加ならびに燃焼効率の低下を極めて有効に防止すること
ができる炭素複合材燃焼器を提供するものである。
（問題点を解決するための手段） この発明は、炭素マトリックスを、炭素繊維もしくは黒
鉛繊維で補強した炭素複合材を主体とする燃焼器におい
て、炭素複合材の内表面に、炭化珪素被覆層を設けると
ともに、その炭素複合材の外表面に、炭素の化学的蒸着
膜を設けたものであり、より好ましくは、炭化珪素被覆
層が、そのクラック内に含浸させたテトラエチルオルト
シリケートを有するものである。
鉛繊維で補強した炭素複合材を主体とする燃焼器におい
て、炭素複合材の内表面に、炭化珪素被覆層を設けると
ともに、その炭素複合材の外表面に、炭素の化学的蒸着
膜を設けたものであり、より好ましくは、炭化珪素被覆
層が、そのクラック内に含浸させたテトラエチルオルト
シリケートを有するものである。
（作 用） 一般的な炭素複合材は、比重が1.7前後の多孔質材料で
あり、物性的には、延性にに乏しく、セラミックに近い
脆性材料であるため、微細なクラックや表面傷によって
極めて破損され易い性質を有しており、加えて、硬度も
それほど高くなく、表面傷が発生し易いことから、その
表面傷が破壊の原因となるおそれを常に有するものであ
る。
あり、物性的には、延性にに乏しく、セラミックに近い
脆性材料であるため、微細なクラックや表面傷によって
極めて破損され易い性質を有しており、加えて、硬度も
それほど高くなく、表面傷が発生し易いことから、その
表面傷が破壊の原因となるおそれを常に有するものであ
る。
ところが、この発明では、燃焼器の主体をなす炭素複合
材の内表面に炭化珪素被覆層を、そして、その外表面
に、炭素の化学的蒸着膜をそれぞれ設けることにより、
その炭素複合材に十分なる気密性を付与して、高圧ガス
のそこへ透過を確実に阻止するとともに、それの耐食性
を著しく向上させることができ、また、炭素複合材の内
外表面を、緻密で硬質な被覆層および化学的蒸着膜によ
ってそれぞれカバーすることにより、そこへの既存の表
面傷を完全に埋め込むことができるとともに、新たな表
面傷の発生を十分に防止することができ、さらには、炭
素複合材、ひいては燃焼器の強度および耐久性をもまた
著しく向上させることができる。
材の内表面に炭化珪素被覆層を、そして、その外表面
に、炭素の化学的蒸着膜をそれぞれ設けることにより、
その炭素複合材に十分なる気密性を付与して、高圧ガス
のそこへ透過を確実に阻止するとともに、それの耐食性
を著しく向上させることができ、また、炭素複合材の内
外表面を、緻密で硬質な被覆層および化学的蒸着膜によ
ってそれぞれカバーすることにより、そこへの既存の表
面傷を完全に埋め込むことができるとともに、新たな表
面傷の発生を十分に防止することができ、さらには、炭
素複合材、ひいては燃焼器の強度および耐久性をもまた
著しく向上させることができる。
なおここにおいて、炭化珪素被覆層は、炭化珪素のコー
ティングの他、拡散、転化などによっても形成すること
ができる。
ティングの他、拡散、転化などによっても形成すること
ができる。
（実施例） 以下にこの発明の実施例を図示例に基づいて説明する。
第１図はこの発明の一実施例を示す図であり、図中11は
炭素複合材燃焼器を示す。
炭素複合材燃焼器を示す。
この炭素複合材燃焼器11は、燃焼室12と、この燃焼室12
の一端に連続するノズル13とを具える他、燃焼室12の他
端に連続する連結部14を具えており、かかる炭素複合材
燃焼器11は、その連結部14に、リテーナ15の作用によっ
て噴射器16を組み付けることによってロケットエンジン
を構成する。
の一端に連続するノズル13とを具える他、燃焼室12の他
端に連続する連結部14を具えており、かかる炭素複合材
燃焼器11は、その連結部14に、リテーナ15の作用によっ
て噴射器16を組み付けることによってロケットエンジン
を構成する。
ここで、噴射器16は、燃料の一例としてのモノメチルヒ
ドラジンの供給通路17および酸化剤の一例としてのナイ
トロゲンテトラオキサイドの供給通路18を具えるととも
に、それらの推進剤を、燃焼室12内へ噴射するそれぞれ
の噴射穴19,20を具え、さらに、膜面冷却のための墳口
を21を具える。
ドラジンの供給通路17および酸化剤の一例としてのナイ
トロゲンテトラオキサイドの供給通路18を具えるととも
に、それらの推進剤を、燃焼室12内へ噴射するそれぞれ
の噴射穴19,20を具え、さらに、膜面冷却のための墳口
を21を具える。
なお図中22は、噴射器16の冷却のために、燃料を循環さ
せる冷却ジャケットを示す。
せる冷却ジャケットを示す。
またここでは、炭素マトリックスを炭素繊維もしくは黒
鉛繊維にて補強してなる炭素複合材23を主体とし、その
内表面には、炭化珪素被覆層、たとえば炭化珪素コーテ
ィング層24を、また、その外表面には、炭素の化学的蒸
着膜25をそれぞれ設けることによって、炭素複合材燃焼
器11を構成する。
鉛繊維にて補強してなる炭素複合材23を主体とし、その
内表面には、炭化珪素被覆層、たとえば炭化珪素コーテ
ィング層24を、また、その外表面には、炭素の化学的蒸
着膜25をそれぞれ設けることによって、炭素複合材燃焼
器11を構成する。
このことにより、炭化珪素コーティング層24は、燃焼器
11内の酸化性もしくは還元性の高温燃焼ガスによる化学
的浸食から、炭素複合材23を保護すべく、また、炭素の
化学的蒸着膜25は、その複合材23ひいては燃焼器11への
高圧ガスの透過を防止すべくそれぞれ機能する他、それ
らの両者はいずれも、緻密で硬質な層をもって、炭素複
合材表面の既存の傷を完全に埋め込むとともに、そこへ
の新たな傷の発生を極めて有効に防止する。そしてさら
に、炭素複合材23の内外表面に設けた炭化珪素コーティ
ング24と、炭素の化学的蒸着膜25とが相俟って、燃焼器
11の強度および耐久性の著しい向上をもたらす。
11内の酸化性もしくは還元性の高温燃焼ガスによる化学
的浸食から、炭素複合材23を保護すべく、また、炭素の
化学的蒸着膜25は、その複合材23ひいては燃焼器11への
高圧ガスの透過を防止すべくそれぞれ機能する他、それ
らの両者はいずれも、緻密で硬質な層をもって、炭素複
合材表面の既存の傷を完全に埋め込むとともに、そこへ
の新たな傷の発生を極めて有効に防止する。そしてさら
に、炭素複合材23の内外表面に設けた炭化珪素コーティ
ング24と、炭素の化学的蒸着膜25とが相俟って、燃焼器
11の強度および耐久性の著しい向上をもたらす。
第2,3図はそれぞれ、炭化珪素コーティング層の、炭素
複合材保護機能を示すグラフであり、炭素複合材の内表
面に炭化珪素コーティング層を形成してなる50φのサン
プルを、1650℃の高温空気に曝した酸化試験の結果を示
す第２図によれば、そのサンプルの質量損失は、図に実
線で示すように、炭化珪素コーティング層を設けない炭
素複合材の質量損失（図の破線参照）に比して1/10以下
に低減されることが明らかである。
複合材保護機能を示すグラフであり、炭素複合材の内表
面に炭化珪素コーティング層を形成してなる50φのサン
プルを、1650℃の高温空気に曝した酸化試験の結果を示
す第２図によれば、そのサンプルの質量損失は、図に実
線で示すように、炭化珪素コーティング層を設けない炭
素複合材の質量損失（図の破線参照）に比して1/10以下
に低減されることが明らかである。
そしてまた、アンモニアアタック面温度を1200℃とした
場合の、アンモニア浸食試験の結果を示す第３図によれ
ば、炭化珪素コーティング層を設けた炭素複合材の質量
損失は、図に実線で示すように、炭化珪素コーティング
層を設けないそれの質量損失（図の破線参照）に比し、
これもまた著しく低減されることが解かる。
場合の、アンモニア浸食試験の結果を示す第３図によれ
ば、炭化珪素コーティング層を設けた炭素複合材の質量
損失は、図に実線で示すように、炭化珪素コーティング
層を設けないそれの質量損失（図の破線参照）に比し、
これもまた著しく低減されることが解かる。
この一方において、炭素の化学的蒸着膜膜25は、その厚
さを約140μｍとした場合に、50kgf/cm2程度の圧力ま
で、気密性を十分に維持し得ることが確認されている。
さを約140μｍとした場合に、50kgf/cm2程度の圧力ま
で、気密性を十分に維持し得ることが確認されている。
なおここにおいて、炭化珪素コーティング層24は、それ
の硬化に際し、または硬化後に、それと炭素複合材23と
の熱膨脹差その他に起因して、そこに微細なクラックを
生じることが多く、そのクラックは、燃焼器11の気密性
の低下および化学的浸食の原因になり易いことから、好
ましくは、第１図に拡大断面図で示すように、そのクラ
ック内へ、テトラエチルオルトシリケート26（以下TEOS
という）を含浸させ、適当温度でそれの熱処理を行うこ
とにより、気密性および耐食性の低下を十分に防止す
る。
の硬化に際し、または硬化後に、それと炭素複合材23と
の熱膨脹差その他に起因して、そこに微細なクラックを
生じることが多く、そのクラックは、燃焼器11の気密性
の低下および化学的浸食の原因になり易いことから、好
ましくは、第１図に拡大断面図で示すように、そのクラ
ック内へ、テトラエチルオルトシリケート26（以下TEOS
という）を含浸させ、適当温度でそれの熱処理を行うこ
とにより、気密性および耐食性の低下を十分に防止す
る。
ここで、このTEOSの熱処理は、たとえば、1400〜2000℃
の温度で４時間加熱することによって行うことができ
る。
の温度で４時間加熱することによって行うことができ
る。
ちなみに、このようなTEOS処理を施した炭素複合材23
の、アンモニアアタックに対する耐食性は、第３図に一
点鎖線で示すところから明らかなように、炭化珪素コー
ティング層24だけを形成した場合に比して一層向上され
ることになり、加えて、TEOS処理を施したその炭素複合
材23の、高温空気に対する耐食性は、第４図に一点鎖線
で示すように、これもまた、炭化珪素コーティング層24
だけを形成した場合に比し、長時間にわたって著しく向
上されることになる。
の、アンモニアアタックに対する耐食性は、第３図に一
点鎖線で示すところから明らかなように、炭化珪素コー
ティング層24だけを形成した場合に比して一層向上され
ることになり、加えて、TEOS処理を施したその炭素複合
材23の、高温空気に対する耐食性は、第４図に一点鎖線
で示すように、これもまた、炭化珪素コーティング層24
だけを形成した場合に比し、長時間にわたって著しく向
上されることになる。
以上この発明を図示例に基づいて説明したが、前述した
ように、炭化珪素被覆層を、拡散、転化などによって形
成することもでき、これらによっても、コーティング層
とほぼ同様の作用効果をもたらすことができる。
ように、炭化珪素被覆層を、拡散、転化などによって形
成することもでき、これらによっても、コーティング層
とほぼ同様の作用効果をもたらすことができる。
（発明の効果） かくして、この発明によれば、炭素複合材の内表面に、
炭化珪素被覆層を設けるとともに、その炭素複合材の外
表面に、炭素の化学的蒸着膜を設けることにより、酸化
性もしくは還元性の高温反応性ガスによる化学的浸食か
ら、炭素複合材を十分に保護することができるととも
に、圧力容器としての燃焼器の気密性を十分に確保する
ことができる。また、炭化珪素被覆層、および炭素の化
学的蒸着膜のそれぞれは、炭素複合材の既存の傷を完全
に埋め込むとともに、そこへ新たな傷の発生を十分に防
止することができ、この故に、燃焼器の破損の原因が有
効に除去されることになる。
炭化珪素被覆層を設けるとともに、その炭素複合材の外
表面に、炭素の化学的蒸着膜を設けることにより、酸化
性もしくは還元性の高温反応性ガスによる化学的浸食か
ら、炭素複合材を十分に保護することができるととも
に、圧力容器としての燃焼器の気密性を十分に確保する
ことができる。また、炭化珪素被覆層、および炭素の化
学的蒸着膜のそれぞれは、炭素複合材の既存の傷を完全
に埋め込むとともに、そこへ新たな傷の発生を十分に防
止することができ、この故に、燃焼器の破損の原因が有
効に除去されることになる。
しかもここでは、炭素複合材のそれぞれの表面に、被覆
層および化学的蒸着膜を設けることにより、それら両者
の相乗効果により、燃焼器の強度および耐久性を大きく
向上させることができる。
層および化学的蒸着膜を設けることにより、それら両者
の相乗効果により、燃焼器の強度および耐久性を大きく
向上させることができる。
そしてさらに、炭化珪素被覆層のクラックに、TEOSを含
浸・保持させた場合には、燃焼器の、気密性および耐食
性のより一層の向上をもたらすことができる。
浸・保持させた場合には、燃焼器の、気密性および耐食
性のより一層の向上をもたらすことができる。
第１図はこの発明の一実施例を示す部分断面図、 第２〜４図のそれぞれはこの発明の燃焼器の耐食性を示
すグラフ、 第５図は従来例を示す断面図である。 11……炭素複合材燃焼器、23……炭素複合材 24……炭化珪素被覆層 25……炭素の化学的蒸着膜 26……テトラエチルオルトシリケート
すグラフ、 第５図は従来例を示す断面図である。 11……炭素複合材燃焼器、23……炭素複合材 24……炭化珪素被覆層 25……炭素の化学的蒸着膜 26……テトラエチルオルトシリケート
Claims (2)
- 【請求項１】炭素マトリックスを炭素繊維もしくは黒鉛
繊維で補強した炭素複合材を主体としてなる燃焼器にお
いて、 炭素複合材（23）の内表面に、炭化珪素被覆層（24）を
設けるとともに、その炭素複合材の外表面に、炭素の化
学的蒸着膜（25）を設けてなる炭素複合材燃焼器。 - 【請求項２】前記炭化珪素被覆層（24）が、そのクラッ
ク内へ含浸させたテトラエチルオルトシリケート（26）
を有してなる特許請求の範囲第１項記載の燃焼器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26523987A JPH076454B2 (ja) | 1987-10-22 | 1987-10-22 | 炭素複合材燃焼器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26523987A JPH076454B2 (ja) | 1987-10-22 | 1987-10-22 | 炭素複合材燃焼器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01110867A JPH01110867A (ja) | 1989-04-27 |
| JPH076454B2 true JPH076454B2 (ja) | 1995-01-30 |
Family
ID=17414457
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26523987A Expired - Lifetime JPH076454B2 (ja) | 1987-10-22 | 1987-10-22 | 炭素複合材燃焼器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH076454B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4343120A1 (de) * | 1993-12-17 | 1995-06-22 | Abb Patent Gmbh | Thermische Isolation |
-
1987
- 1987-10-22 JP JP26523987A patent/JPH076454B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01110867A (ja) | 1989-04-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
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