JPH10238408A - エキスパンダサイクルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 推力を応答よく制御できるエキスパンダサイ
クルエンジンを提供する。 【解決手段】 液体燃料を汲み出す燃料用ターボポンプ
１を有し、この液体燃料を燃焼室３の冷却用に使用し、
気化された燃料で上記燃料用ターボポンプ１を駆動させ
た後、該燃料を燃焼室３内に供給するエキスパンダサイ
クルエンジンにおいて、上記気化された燃料を燃焼室３
内にバイパスさせることにより上記燃料用ターボポンプ
１の駆動力を増減させて燃料供給量を調節する推力制御
弁６を設けると共に、上記燃焼室３内に推力を検出する
圧力センサ８を設け、検出される推力が指令値に追従す
るよう上記推力制御弁６を動作させる制御系を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料を冷却用
に使用し、気化された燃料の圧力を利用して液体燃料供
給を行うエキスパンダサイクルエンジンに係り、特に、
推力を応答よく制御できるエキスパンダサイクルエンジ
ンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エキスパンダサイクルエンジンは、液体
水素を燃料とし、液体酸素を酸化剤とするロケットエン
ジンであって、液体水素を燃焼室の冷却用に使用するこ
とによって水素ガスに変化させ、この水素ガスを最終的
に燃料として燃焼室内に供給するものである。また、液
体水素を貯蔵部から汲み出す燃料用ポンプ及び液体酸素
を汲み出す酸化剤用ポンプにターボポンプを使用し、水
素ガスを燃焼室内に供給する前にこれらターボポンプに
経由させ、水素ガスの圧力でターボポンプを駆動させて
いる。

【０００３】近年のロケット機は、宇宙から帰還させて
何度でも再使用できることが望まれているが、このため
にはロケット機が天体へ軟着陸できるように構成する必
要がある。そのためには、推力を制御できるロケットエ
ンジンが不可欠である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のロケットエンジ
ンは、もっぱらフルスロットルにて使用されるものであ
り、推力を制御するべく、指令値に基づいて燃料供給量
を調節できるように構成することは可能であるものの、
その応答性に問題がある。特に、エキスパンダサイクル
エンジンは、推力の指令に対する応答が余り早くなく、
推力制御によってロケット機の着陸時の高度や姿勢を制
御するには、推力の精度、応答速度の点から不十分であ
った。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、推力を応答よく制御できるエキスパンダサイクルエ
ンジンを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、液体燃料を汲み出す燃料用ターボポンプを
有し、この液体燃料を燃焼室の冷却用に使用し、気化さ
れた燃料で上記燃料用ターボポンプを駆動させた後、該
燃料を燃焼室内に供給するエキスパンダサイクルエンジ
ンにおいて、上記気化された燃料を燃焼室内にバイパス
させることにより上記燃料用ターボポンプの駆動力を増
減させて燃料供給量を調節する推力制御弁を設けると共
に、上記燃焼室内に推力を検出する圧力センサを設け、
検出される推力が指令値に追従するよう上記推力制御弁
を動作させる制御系を設けたものである。

【０００７】上記気化された燃料で液体酸化剤を汲み出
す酸化剤用ターボポンプを駆動させると共に、この気化
された燃料を燃焼室内にバイパスさせることにより上記
酸化剤用ターボポンプの駆動力を増減させて混合比を調
節する混合比制御弁を設けてもよい。

【０００８】上記制御系に、上記圧力センサで検出され
る推力から燃焼振動による雑音を除去するためのフィル
タを設けてもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１０】図１に示されるように、エキスパンダサイ
クルエンジンには、液体水素ＬＨ２を汲み出す燃料用タ
ーボポンプ１が設けられている。この燃料用ターボポン
プ１の負荷側の取入れ口１ａは配管を介して液体水素の
貯蔵部（図示せず）に接続されており、燃料用ターボポ
ンプ１の負荷側の排出口１ｂには液体水素用配管２ａが
接続されている。この液体水素用配管２ａは燃焼室３ま
で導かれ、燃焼室３を囲む冷却系３ａの上流端に接続さ
れている。冷却系３ａの下流端には、冷却系３ａで気化
された水素ガスを排出する水素ガス用第一配管２ｂが接
続され、この水素ガス用第一配管２ｂは燃料用ターボポ
ンプ１の駆動側の取入れ口１ｃに接続されている。燃料
用ターボポンプ１の駆動側の排出口１ｄから酸化剤用タ
ーボポンプ４の駆動側の取入れ口４ｃまでは水素ガス用
第二配管２ｃで結ばれ、酸化剤用ターボポンプ４の駆動
側の排出口４ｄに接続された水素ガス用第三配管２ｄが
燃焼室３まで導かれ、燃焼室３内に開放されている。

【００１１】一方、液体酸素ＬＯＸを汲み出す酸化剤用
ターボポンプ４の負荷側の取入れ口４ａは配管を介して
液体酸素の貯蔵部（図示せず）に接続されており、酸化
剤用ターボポンプ４の負荷側の排出口４ｂには液体酸素
用配管５が接続されている。この液体酸素用配管５は燃
焼室３まで導かれ、燃焼室３内に開放されている。

【００１２】本発明に係り、水素ガス用第一配管２ｂと
水素ガス用第三配管２ｄとの間に推力制御系バイパス配
管２ｅが設けられている。この推力制御系バイパス配管
２ｅには推力制御弁６が挿入されている。また、水素ガ
ス用第二配管２ｃと水素ガス用第三配管２ｄとの間に混
合比制御系バイパス配管２ｆが設けられている。この混
合比制御系バイパス配管２ｆには混合比制御弁７が挿入
されている。また、燃焼室３内には燃焼室内圧力、即ち
推力を検出する圧力センサ８が設けられている。そし
て、圧力センサ８で検出される推力が推力指令値に追従
するよう推力制御弁を動作させる制御系（図示せず）が
設けられている。

【００１３】図２に示されるように、本実施形態におけ
る制御系は、推力制御弁を実際に駆動する機構部２０
と、その駆動を制御する回路部３０とに大別される。機
構部２０には、サーボモータ２１と、サーボモータ２１
の回転運動をボールネジにより変換して直進運動する弁
軸をもつアクチュエータ２２とが設けられ、弁軸の直進
運動に応じて推力制御弁６の開度が調節されるようにな
っている。従って、アクチュエータ２２の位置を制御す
ることで、ロケットエンジンの推力を変化させることが
できる。このアクチュエータ２２の位置検出のために、
直進位置を検出するポテンショ（図示せず）と、サーボ
モータ２１の回転位置を検出するレゾルバ２３とが設け
られており、例えば、弁動作中はレゾルバ２３の信号を
使用し、アクチュエータ２２の原点復帰動作時にポテン
ショの信号を使用する。

【００１４】回路部３０には、サーボモータの速度制御
を行うサーボドライバ３１と、位置指令に基づき、その
位置指令にサーボドライバ３１からの位置信号をフィー
ドバックしてサーボドライバ３１に速度指令を出す速度
指令回路３２と、推力を変化させるために速度指令回路
３２に位置指令を出す位置指令回路３３と、圧力センサ
８で検出される燃焼室３内の圧力、即ち、ロケットエン
ジン推力を位置指令回路３３の推力指令値の入力部３４
１までフィードバックする推力フィードバック回路３４
とが設けられている。速度指令回路３２、位置指令回路
３３はコンピュータで構成されている。推力フィードバ
ック回路３４には、圧力センサ８の検出信号を増幅する
アンプ３５と、高周波を遮断するフィルタ３６と、Ａ／
Ｄ変換器３７とが設けられている。フィルタは、圧力セ
ンサで検出される推力から燃焼振動による雑音を除去す
るものであり、Ａ／Ｄ変換器３７の後段にデジタルフィ
ルタを設けてもよい。

【００１５】このように本実施形態による制御系は、サ
ーボドライバ３１とサーボモータ２１とレゾルバ２３と
でローカル速度制御フィードバックループが構成され、
速度指令回路３２とサーボドライバ３１とでローカル位
置制御フィードバックループが構成され、推力制御のた
めにアクチュエータの位置制御を行うようになってい
る。そして、最終的な出力であるロケットエンジン推力
を推力指令値の入力部までフィードバックさせることに
より、全体の推力制御フィードバックループが構成され
ている。このように多重のフィードバックループを構成
したのは、サーボドライバ３１とサーボモータ２１とが
セットになっているものを利用するようにしたからであ
る。制御系は、この実施形態に限らず、検出される推力
が指令値に追従するよう推力制御弁を動作させるように
構成すればよい。

【００１６】次に、本発明のエキスパンダサイクルエン
ジンの推力制御動作を説明する。液体水素ＬＨ２は、燃
料用ターボポンプ１によって汲み出され、冷却系３ａに
送られる。燃焼室３を冷却したことによって、液体水素
は水素ガスとなり、その圧力で燃料用ターボポンプ１が
駆動される。この水素ガスは、燃料用ターボポンプ１を
駆動させた後、燃焼室３内に供給される。このとき推力
制御弁６が全く閉じていると、汲み出された液体水素の
全量に対応する水素ガスが燃料用ターボポンプ１の駆動
に働き、かつ燃焼室３内に供給される。推力制御弁６を
開くと、その開度に応じて水素ガスの一部が燃料用ター
ボポンプ１に配給されずに燃焼室３内にバイパスされ
る。このため、燃料用ターボポンプ１の駆動力が減少
し、液体水素の汲み出し量が減少する。液体水素の汲み
出し量が減少することにより、燃焼室３内に供給される
水素ガスが減少し、燃焼による推力が低下する。また、
燃焼が衰えることにより、冷却系３ａで気化される水素
ガスの圧力が低下し、燃料用ターボポンプ１の駆動力が
さらに減少する。ここで推力制御が単に燃料供給量の指
令値を出すだけのオープンループ制御であると、良好に
推力制御を行うことができない。しかし、本発明にあっ
ては、燃焼室内で検出される推力が指令値に追従するよ
う推力制御弁６を動作させるので、精度よく、応答も早
く推力制御を行うことができる。

【００１７】以上のように、推力制御弁６の開度制御す
ることによって燃料用ターボポンプ１の駆動力を増減さ
せ、燃料供給量を調節することができる。同様にして、
混合比制御弁７を開度制御することによって酸化剤用タ
ーボポンプ４の駆動力を増減させ、混合比を調節するこ
とができる。このように混合比の調節によって、より精
度の高い推力制御が実現できる。また、圧力センサ８で
検出される推力には燃焼振動による雑音が含まれてお
り、これをそのままフィードバックしてしまうと制御が
不安定になるが、フィルタ３６により雑音を除去してい
るので、制御は安定になる。

【００１８】なお、上記の実施形態では、液体酸素を直
接、燃焼室３内に供給するものとしたが、液体酸素を気
化させターボポンプの駆動に使用することもできる。こ
の場合、ターボポンプに配給される酸素を燃焼室内にバ
イパスさせることでターボポンプの駆動力を増減させる
ことになる。

【００１９】このような推力制御は、ロケット機の着陸
時に有利に作用する。即ち、ロケット機の発射時には、
可及的に速やかに上昇するためにフルスロットルにて大
推力を得ればよい。これに対し、着陸時にはロケット機
を徐々に減速させる程度の推力に抑えなければならず、
しかも、微妙な調節が要求される。その点、本発明のエ
キスパンダサイクルエンジンは、精度よく、応答も早く
推力制御を行うことができるので、宇宙から帰還させて
何度でも再使用するロケット機に好適である。

【００２０】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２１】（１）推力制御の精度、応答速度ともに十
分なロケットエンジンが得られるので、ロケット機の着
陸時の高度制御や姿勢制御が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すエキスパンダサイク
ルエンジンの燃料系統図である。

【図２】本発明の一実施形態を示すエキスパンダサイク
ルエンジンの制御系のブロック構成図である。

【符号の説明】

１ 燃料用ターボポンプ ３ 燃焼室 ３ａ 冷却系 ４ 酸化剤用ターボポンプ ６ 推力制御弁 ７ 混合比制御弁 ８ 圧力センサ ３６ フィルタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体燃料を汲み出す燃料用ターボポンプ
   を有し、この液体燃料を燃焼室の冷却用に使用し、気化
   された燃料で上記燃料用ターボポンプを駆動させた後、
   該燃料を燃焼室内に供給するエキスパンダサイクルエン
   ジンにおいて、上記気化された燃料を燃焼室内にバイパ
   スさせることにより上記燃料用ターボポンプの駆動力を
   増減させて燃料供給量を調節する推力制御弁を設けると
   共に、上記燃焼室内に推力を検出する圧力センサを設
   け、検出される推力が指令値に追従するよう上記推力制
   御弁を動作させる制御系を設けたことを特徴とするエキ
   スパンダサイクルエンジン。
2. 【請求項２】 上記気化された燃料で液体酸化剤を汲み
   出す酸化剤用ターボポンプを駆動させると共に、この気
   化された燃料を燃焼室内にバイパスさせることにより上
   記酸化剤用ターボポンプの駆動力を増減させて混合比を
   調節する混合比制御弁を設けたことを特徴とする請求項
   １記載のエキスパンダサイクルエンジン。
3. 【請求項３】 上記制御系に、上記圧力センサで検出さ
   れる推力から燃焼振動による雑音を除去するためのフィ
   ルタを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のエ
   キスパンダサイクルエンジン。