JPH08210184A - ロケット室を製作する方法 - Google Patents
ロケット室を製作する方法Info
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Abstract
接する冷却材管間を簡単な方法で確実に結合できるよう
にすること。 【解決手段】 複数の冷却材管20が構造用ジャケット
10内に取付けられて管群を形成すると共に、ライナ3
0が管群内に挿入され、これにより管20はジャケット
10とライナ30との間に挟まれる。そして、管20は
高い内部圧力にさらされて膨らむと共に、ライナ30も
同時に同じ高圧力にさらされ、これにより管20が隣接
する他の管20、ライナ30及びジャケット10に強制
的に緊密に接触させられる。これらの管20、ライナ3
0及びジャケット10は、それから、超音波振動にさら
され、管20とジャケット10とは結合して一体構造物
となる。ライナ30は、管20に結合されるか、又は管
20には結合されずに取り除かれる。
Description
細には、ロケットに使用される管状熱交換器を形成する
方法に関する。
ットエンジンの設計及び製作には、非常に費用がかか
る。また、ロケットにより有効搭載量(ペイロード)を
宇宙又は近地球軌道に運ぶことができるようにする要求
も連続して増大している。その結果として、このような
ロケットエンジンの製作においては、ロケットエンジン
に組み込まれる構成要素を製作するコストを低減するこ
とができる新しい方法が絶えまなく捜し求められてい
る。
ひとつとして、ロケット推力室があり、このロケット推
力室内においてロケットエンジンの推進薬が燃焼され、
加速される。この場合、推力室を通して動く推進薬の温
度は非常に高いので、推力室の壁は持続するエンジン燃
焼が要求されるこれらの適用においては冷却しなければ
ならない。このような冷却は、典型的に、推力室の内壁
を形成する管又は通路を通して冷却材を流すことにより
行われる。
許第3,208,132号明細書に示されている。すな
わち、この米国特許明細書は、爆発成形法によって2枚
のシートにそれぞれ冷却材流れ通路が形成されるように
製作されているロケット室を開示している。したがっ
て、このように形成された2枚のシートはその後一緒に
溶接又はろう付けして独立する流れ通路を形成するよう
にしなければならないが、これら溶接部の完全性を点検
するのは難しい。また、米国特許第3,190,070
号明細書は、予め形成された複数の冷却材管から形成さ
れているロケット室を開示している。しかしながら、こ
のような冷却材管は、それらの管群がロケット室の構造
用ジャケットを燃焼生成物から十分に遮へいするのを確
実にするために精密な公差で製作しなければならない。
更に、米国特許第3,595,025号明細書は、構造
用ジャケットと組み合ったときに冷却通路を形成する複
数の溝を有するロケット室用ライナを開示している。し
かしながら、このような溝はライナに機械加工によって
形成しなければならず、したがってその製作に多大な労
力を要求される。
公差で製作でき、また従来技術よりも少ない労力で製作
でき、更に容易に点検することができるロケット推力室
の製作方法が要望されている。
冷却材管間を確実に結合できると共に簡単な製作技術を
提供することができるロケット推力室の製作方法を提供
することにある。
ば、複数の管が互いに接して構造用ジャケットに置かれ
ジャケット内に管群を形成する。各管の両端はジャケッ
トに対して密封され、またライナが管群内に置かれてジ
ャケットに対して密封される。このように組立てた組立
体が、それから、コールドアイソスタティック圧力室
(以下CIP室という)内に置かれる。そして、CIP
室は管が実質的な塑性又は超塑性変形に容易にさらされ
る圧力にまで昇圧され、これにより管が膨らんで変形
し、構造用ジャケット及び隣接する他の管に緊密に接触
すると共に、ライナも膨らんで変形し、管に緊密に接触
する。それから、上記組立体、すなわち構造用ジャケッ
ト、管及びライナは各管、この管に直接に隣接する他の
管及びライナを更に変形させて更に緊密な接触状態にす
るのに十分な周波数及び振幅で超音波振動にさらされ、
これにより原子結合が生じる。圧力は、管が他の管、ラ
イナ及び構造用ジャケットに結合されるまで維持され
る。これらの管、ライナ及び構造用ジャケットは、それ
から、周囲条件すなわち大気圧状態に戻される。以上述
べた本発明の好適な実施例におけるライナは、第1の変
形例によれば、管とジャケットとの結合中管に結合でき
ないようにされる。また、第2の変形例によれば、ライ
ナはツーピース型のマンドレルに置換され、このマンド
レルは結合がひとたび完了すると推力室から取り除くこ
とができる。
面を参照して詳述する下記の説明からより一層明らかに
なるであろう。
るロケット推力室の構造用ジャケット10を示し、構造
用ジャケット10は中央軸線50を有している。なお、
本発明をロケット推力室について適用した例について説
明するけれども、この例は模範的な例であって、本発明
の請求の範囲を限定するものではない。構造用ジャケッ
ト10は、ジャケット10の一方端12に隣接すると共
に半径方向に取り囲む複数のマニホルド入口穴11と、
このマニホルド入口穴と同じ数であって、ジャケット1
0の反対側の他方端14に隣接すると共に半径方向に取
り囲むマニホルド出口穴13とを包含する。そして、ジ
ャケット10の内表面15は、例えば銅のような結合材
料の層(図示せず)によって被覆されている。また、ジ
ャケット10は、その構造上の特質から、好適には、例
えばステンレス鋼のような高張力材料によって作られて
いる。
図2に示されるように、各々入口穴11及び出口穴13
よりもわずかに小さい外径を有する複数の管20が、構
造用ジャケット10の内表面15の軸方向形状と適合す
る形状に形成されている。これらの管20は、好適に
は、例えば銅又は銅合金のような高伝導材料によって作
られ、図3に示されるように外表面52及び内表面54
を有する。各管20は、構造用ジャケット10に沿って
軸方向に延びるように構造用ジャケット10内に置かれ
る。それから、各管20の一方端22が1つの入口穴1
1に挿入され、また各管20の他方端23が1つの出口
穴13に挿入される。それから、各管20の両端22、
23が好適には溶接によって密封され、これにより入口
穴11及び出口穴13を通して構造用ジャケット10の
内表面15と外表面24との間が連通するのが防止され
る。したがって、複数の軸方向に整列された管20は、
構造用ジャケット10の軸方向に沿う管群25を形成
し、この管群25の断面が図4に示されている。
後、図5に示されるように、多少円筒形の形のライナ3
0が管群25内に挿入される。ライナ30は本質的には
“バッグ”であり、この“バッグ”は好適には例えば銅
又は銅合金のような高熱伝導性を有する材料によって作
られている。ライナ30の厚さは好適には0.254〜
0.381mm(0.010〜0.015インチ)であ
り、これによりライナ30を破壊することなしにジャケ
ット10ののど部31を通して圧入するのに十分な展性
のある“バッグ”が作られる。ライナ30は、ジャケッ
ト10の中央軸線50と同軸である長手方向軸線32、
内面33及び外面34を有する。また、ライナ30は、
その外面34に少なくとも1つのパージ口35を有する
と共に、このパージ口35に接続されたパージライン又
は管路40を有する。パージ管路40は、ライナ30の
外面34からライナ30の一端41を通してライナの外
へ延びている。そして、パージ管路40はこのパージ管
路40を選択的に開閉する弁42を有している。
れた後に、ライナ30はその外周でジャケット10の両
端に対して好適には溶接により密封される。電子ビーム
溶接部43、44がライナ30をジャケット10に対し
て密封し、また密封溶接部45、51が1つの入口又は
出口穴11又は13内において管20の両端22、23
の各々を密封する結果として、隔離された容積部53
(図6を参照)がライナ30の外面34、ジャケット1
0の内表面15及び各管20の外表面52によって限定
される。この隔離容積部53は、弁42が開放されたパ
ージ管路40を通してのみジャケット10の外表面24
に連通する。また、各管20の内表面54、ジャケット
10の外表面24及びライナ30の内面33は常に大気
圧にさらされている。このような状態の下で、パージ管
路40を真空吸引し、ヘリウムガス棒をジャケット10
及びライナ30のまわりに通すことによって管20の漏
れを検査することができる。この検査のために、ヘリウ
ムが隔離容積部53に漏れたかどうかを判定する真空装
置用検出装置が使用される。そして、ひとたび漏れが存
在しないことが確認されると、パージ管路40を使用し
て水素による洗浄サイクルが行われる。それから、パー
ジ管路40を使用して隔離容積部53からガスを排出す
る。このガスが排出された後に、パージ管路40の弁4
2は閉じられ、これにより、管20の外表面52、構造
用ジャケット10の内表面15及びライナ30の外面3
4を大気圧から隔離する。ライナ30、管20及びジャ
ケット10の相対的な配置は、図6に断面で示されてい
る。
ト10から成る組立体は、それから、CIP室内に置か
れる。そして、CIP室は、高圧力(典型的には60k
si)に加圧され、この高圧力で管20の塑性又は超塑
性変形が生じ、したがって各管20を加圧する。各管2
0の外表面52は真空にさらされるので、各管20は膨
らみ、隣接する他の管20、ジャケット10及びライナ
30に緊密に接触する。また、ライナ30の内面33は
外面34よりも非常に高い圧力にさらされるので、ライ
ナ30も同様に膨らんで管20に緊密に接触し、これに
よりライナ30は図7に示されるように管20によって
形成されている波形模様の形状に変形する。上記組立体
は、それから、超音波振動にさらされ、その振幅で各管
20とこの管に直接に隣接する他の管20との接触部及
び各管20と、構造用ジャケット10とライナ30との
接触部に変形が生じる。このような超音波による結合は
当業界では知られており、したがってこの特徴は本発明
の範囲外のものである。超音波溶接機械は、例えばアメ
リカ合衆国コネチカット州ダンベリーに所在するブラン
サン ウルトラソニックス コーポレーション(Bra
nson Ultrasonics Corporat
ion)などの製造会社から商業的に入手することがで
きる。この超音波振動によって、各管20をこの管に接
触している他の管20、構造用ジャケット10及びライ
ナ30に局部的に結合するのに十分な局部的な変形を生
じさせることができる。このように結合した結果の組立
体55が、図8に示されている。超音波振動による結合
が完了した後は、CIP室内の圧力は大気圧に減圧さ
れ、それから組立体55がCIP室から取り出される。
このようにして製作した推力室は、一体化したライナ3
0、管群25及びジャケット10から成る。入口穴11
及び出口穴13から外方に延びる管20の両端22、2
3の突出部分は、機械で切断して滑らかなマニホルドオ
リフィスにすることができる。更に、当業者であれば、
加圧と超音波結合とを同時に行うことができ、また管2
0が超音波結合をすることができない材料で作られてい
る場合には、管20を例えば銅のような結合材料で被覆
することができ、これにより本発明の利益を超音波結合
をすることができる材料で作られている管20に限定す
ることなく得ることができることを容易に認識できよ
う。
ナ30を推力室から完全に取り除くことが望まれるほど
にライナ30を通しての熱束が非常に大きいことがあ
る。このような場合、本発明の第1の変形例によれば、
ライナ30をはく離剤で被覆して、ライナ30と管20
との結合を防止することができるようにしている。そし
て、この場合にあっても、上述した好適な実施例による
方法がそれから同様に行われる。ただし、ライナ30は
超音波結合がひとたび完了すると、上記組立体から取り
除かれる。
1に示されている。この本発明の第2の変形例は、上述
した好適な実施例とは、ライナ30を管群25内に挿入
するに代えて、図9に示されるように、ツーピース型の
マンドレル59を管群25内に挿入した点を除いて、同
じである。マンドレル59は、構造用ジャケット10の
中央軸線50に沿って延びる長手方向軸線66と、第1
のピース60と、第2のピース61とを有し、第1のピ
ース60は長手方向軸線66に沿って最小径部62で第
2のピース61に結合されている。また、図10に示さ
れるように、マンドレル59の外面63は複数の谷部6
4を有する波形模様に形成され、これら谷部64の数は
管20の数と等しくされている。そして、マンドレル5
9の外面63は、好適には、はく離剤で被覆されている
と共に、波形模様の外面63からマンドレル59の一端
71を通して延びる少なくともひとつのパージ管路65
を有する。また、上述した好適な実施例と同様に、パー
ジ管路65は、このパージ管路65を選択的に開閉する
弁72を有している。
が管群25内に置かれた後に、ジャケット10の両端1
2、14はマンドレル59に対してその外周で好適には
電子ビーム溶接により密封される。電子ビーム溶接部7
3、74がマンドレル59をジャケット10に対して密
封し、また溶接部75、76が1つの入口又は出口穴1
1又は13内において管20の両端80、81の各々を
密封する結果として、上述したと同様な隔離された容積
部82がマンドレル59によって作られ、このマンドレ
ル59は境界部として上述した好適な実施例のライナ3
0の代りとなるものである。したがって、各管20の内
表面54、ジャケット10の外表面24及びマンドレル
59の外面63は常に大気圧にさらされる。それから、
隔離容積部82には上述したように漏れ検査がなされ、
その後水素による洗浄サイクルが行われ、その後ガスが
隔離容積部82から排出され、弁72が閉じられる。
ケット10から成る組立体は、それから、CIP室内に
置かれ、その後管20の塑性又は超塑性変形が生じる所
要温度にまで昇温される。CIP室は、それから、高圧
力(典型的には60ksi)に加圧され、これにより各
管20が上述した好適な実施例で述べたように膨らみ、
隣接する他の管20、ジャケット10及びマンドレル5
9の波形模様外面63に緊密に接触する。それから、上
述した好適な実施例で述べたように、超音波振動によ
り、各管20は隣接する他の管20及び構造用ジャケッ
ト10に結合する。上述したように、加圧と超音波結合
とは連続して行う必要はなく、同時に行うことができ
る。管20は、しかし、管20がマンドレル59の谷部
64に結合するのを防止するはく離剤のために、マンド
レル59には結合することができない。結合が完了した
後に、CIP室内の圧力は大気圧に減圧され、それから
上記組立体がCIP室から取り出される。それから円周
溶接部73、74が機械で切断されて、マンドレル59
が構造用ジャケット10から切り離され、これによりマ
ンドレル59を取り除くことができるようになる。この
ように製作した推力室は、図11に示されるように、複
数の管20から成る管群と、この管群に一体化したジャ
ケット10とから成る。入口穴11及び出口穴13から
外方に延びる管20の両端22、23の突出部分は、機
械で切断して滑らかなマニホルドオリフィスにすること
ができる。
な実施例及び第1、第2の各変形例において、被覆材料
により構造用ジャケットの内径部及び管の外径部、更に
好適な実施例にあってはライナの外径部をそれぞれ被覆
することができることを理解すべきである。また、上述
したロケット推力室の重量を減少するために、上述した
各実施及び変形例におけるジャケットを、ステンレス鋼
に代えて、例えば銅グラファイトのような複合材料で作
ることもできる。ただし、ジャケット用に選択される複
合材料は管が作られている材料又は管を被覆している材
料である結合材料と結合できるものでなければならな
い。
施例及び第1、第2の変形例について詳述したけれど
も、本発明はこれら特定の例に決して限定されるもので
はなく、当業者であれば本発明の精神及び範囲を逸脱す
ることなしに、種々の変化変形がなし得ることを理解さ
れよう。
トの断面図である。
に設けられている複数の管とを示す断面図である。
適な実施例にしたがって管群内に挿入されているライナ
とを示す断面図である。
イナの変形とを示す、図6と同様な図である。
状態を示す、図7と同様な図である。
形にしたがって管群内に挿入されているマンドレルとを
示す断面図である。
ットとマンドレルとの間の管の変形を示す。
り除いた後の状態を示す、図10と同様な図である。
Claims (13)
- 【請求項1】管状通路を有するロケット室を製作する方
法において、 第1の端、この第1の端と反対側の第2の端、外表面及
び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャ
ケットであって、更に、前記第1の端及び第2の端にそ
れぞれ隣接してジャケットを通して延びる複数の第1の
穴及び第2の穴を有するジャケットを作り、 それから、結合材料から成る外表面を有する複数の管を
前記ジャケット内に配置して、各管の第1の管端を前記
第1の穴のひとつに位置させると共に、各管の第2の管
端を前記第2の穴のひとつに位置させて、管群を形成
し、 それから、前記ジャケットをその第1及び第2の各穴で
各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表
面と外表面とが第1及び第2の穴を通して連通するのを
防止し、 それから、結合材料で被覆されていると共に、ライナを
通して延びるパージ穴及びこのパージ穴に接続されてい
るパージ管路を有する前記ライナを前記管群内に配置
し、 それから、前記ジャケットの第1及び第2の端の周囲を
前記ライナに溶接して密封し、これにより前記ライナ、
ジャケット及び各管の外側により制限されると共にジャ
ケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ連通する
隔離容積部を限定し、 それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パー
ジ管路を密封し、 それから、前記ジャケット、管及びライナから成る組立
体をコールドアイソスタティック圧力室内に置いて、こ
の圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じる圧力
まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直接に隣
接する管、ジャケットの内表面及びライナに緊密に接触
させると共に、ライナを同時に膨らませて管に緊密に接
触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に接触して
いる他の直接に隣接する管、ライナ及びジャケットの内
表面との接触部分で変形を生じさせるのに十分な周波数
及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変形により前記
接触部分で原子結合を生じさせるようにしたことを特徴
とする方法。 - 【請求項2】請求項1記載の方法において、前記ジャケ
ットは複合材料で作られている、方法。 - 【請求項3】請求項2記載の方法において、前記パージ
管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有してい
る、方法。 - 【請求項4】請求項3記載の方法において、前記結合材
料は銅である、方法。 - 【請求項5】管状通路を有するロケット室を製作する方
法において、 第1の端、この第1の端と反対側の第2の端、外表面及
び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャ
ケットであって、更に、前記第1の端及び第2の端にそ
れぞれ隣接してジャケットを通して延びる複数の第1の
穴及び第2の穴を有するジャケットを作り、 それから、結合材料から成る外表面を有する複数の管を
前記ジャケット内に配置して、各管の第1の管端を前記
第1の穴のひとつに位置させると共に、各管の第2の管
端を前記第2の穴のひとつに位置させて、管群を形成
し、 それから、前記ジャケットをその第1及び第2の各穴で
各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表
面と外表面とが第1及び第2の穴を通して連通するのを
防止し、 それから、はく離剤で被覆されていると共に、ライナを
通して延びるパージ穴及びこのパージ穴に接続されてい
るパージ管路を有する前記ライナを前記管群内に配置
し、 それから、前記ジャケットの第1及び第2の端の周囲を
前記ライナに溶接して密封し、これにより前記ライナ、
ジャケット及び各管の外側により制限されると共にジャ
ケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ連通する
隔離容積部を限定し、 それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パー
ジ管路を密封し、 それから、前記ジャケット、管及びライナから成る組立
体をコールドアイソスタティック圧力室内に置いて、こ
の圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じる圧力
まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直接に隣
接する管、ジャケットの内表面及びライナに緊密に接触
させると共に、ライナを同時に膨らませて管に緊密に接
触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に接触して
いる他の直接に隣接する管、ライナ及びジャケットの内
表面との接触部分で変形を生じさせるのに十分な周波数
及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変形により前記
接触部分で原子結合を生じさせ、 それから、前記ライナを管群から取り除くようにしたこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項6】請求項5記載の方法において、前記ジャケ
ットは複合材料で作られている、方法。 - 【請求項7】請求項6記載の方法において、前記パージ
管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有してい
る、方法。 - 【請求項8】請求項7記載の方法において、前記結合材
料は銅である、方法。 - 【請求項9】管状通路を有するロケット室を製作する方
法において、 第1の端、この第1の端と反対側の第2の端、外表面及
び結合材料で被覆されている内表面を有する構造用ジャ
ケットであって、更に、前記第1の端及び第2の端にそ
れぞれ隣接してジャケットを通して延びる複数の第1の
穴及び第2の穴を有するジャケットを作り、 それから、結合材料から成る外表面を有している複数の
管を前記ジャケット内に配置して、各管の第1の管端を
前記第1の穴のひとつに位置させると共に、各管の第2
の管端を前記第2の穴のひとつに位置させて、管群を形
成し、 それから、前記ジャケットをその第1及び第2の各穴で
各管端に溶接して密封し、これによりジャケットの内表
面と外表面とが第1及び第2の穴を通して連通するのを
防止し、 それから、マンドレルを通して延びるパージ穴及びこの
パージ穴に接続されているパージ管路を有する前記マン
ドレルを前記管群内に配置し、 それから、前記ジャケットの第1及び第2の端の周囲を
前記マンドレルに溶接して密封し、これにより前記マン
ドレル、ジャケット及び各管の外側により制限されると
共にジャケットの外表面に前記パージ管路を通してのみ
連通する隔離容積部を限定し、 それから、この隔離容積部を排気すると共に、前記パー
ジ管路を密封し、 それから、前記ジャケット、管及びマンドレルから成る
組立体をコールドアイソスタティック圧力室内に置い
て、この圧力室の圧力を管の塑性又は超塑性変形が生じ
る圧力まで昇圧し、これより各管を膨らませて、他の直
接に隣接する管、ジャケットの内表面及びマンドレルに
緊密に接触させ、その後前記組立体を、各管とこの管に
接触している他の直接に隣接する管、マンドレル及びジ
ャケットの内表面との接触部分で変形を生じさせるのに
十分な周波数及び振幅で、超音波振動にさらし、前記変
形により前記接触部分で原子結合を生じさせるようにし
たことを特徴とする方法。 - 【請求項10】請求項9記載の方法において、前記マン
ドレルは管がマンドレルに結合するのを防止するはく離
剤の被覆物を有している、方法。 - 【請求項11】請求項10記載の方法において、前記マ
ンドレルはマンドレルを通して延びる長手方向軸線及び
管の数と等しい数の、軸方向に延びる谷部を包含する波
形模様の外面を有し、前記パージ管路がこの外面に連通
すると共に、マンドレルを通して延び、かつマンドレル
の第2の面を通してマンドレルから突出している、方
法。 - 【請求項12】請求項11記載の方法において、前記パ
ージ管路はこのパージ管路を選択的に開閉する弁を有し
ている、方法。 - 【請求項13】請求項12記載の方法において、前記結
合材料は銅である、方法。
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- 1995-11-28 JP JP33121095A patent/JP3702376B2/ja not_active Expired - Fee Related
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