(57)【要約】【課題】非固体ロケットエンジンにおいて、燃焼室に推進剤を供給するための複数の供給開口の配置を、従来よりも容易に行えるようにする。【解決手段】ロケットエンジン１が、燃焼室５を囲むラバルノズル２と、燃焼室５に推進剤を供給する噴射部３ａ、３ｂとを備え、噴射部３ａ、３ｂの燃焼室５側の面は、法線方向３３ａ、３３ｂがラバルノズルの主軸２０に対して傾いた傾斜面３１ａ、３１ｂであり、噴射部３ａ、３ｂは、傾斜面３１ａ、３１ｂに形成された複数個の供給開口（例えば供給開口３２ａ、３２ｂ）の各々から燃焼室５に推進剤を供給する複数個のノズルユニット（例えばノズルユニット６０ａ、６０ｂ）を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（５）を囲むラバルノズル（２）と、
前記燃焼室（５）に推進剤を供給する噴射部（３ａ、３ｂ）とを備え、
前記噴射部（３ａ、３ｂ）の前記燃焼室（５）側の面の少なくとも一部の面は、法線方向（３３ａ、３３ｂ）が前記ラバルノズルの主軸（２０）に対して傾いた傾斜面（３１ａ、３１ｂ）であり、
前記噴射部（３ａ、３ｂ）は、前記傾斜面（３１ａ、３１ｂ）に形成された１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の各々から前記燃焼室（５）に前記推進剤を供給する１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）を有することを特徴とするロケットエンジン。
【請求項２】
前記１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）の各々は、前記推進剤のうち燃料を、前記複数の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち対応する供給開口から前記燃焼室（５）に供給する中心流路（６３）と、前記推進剤のうち酸化剤を、前記中心流路（６３）を囲みながら、当該対応する供給開口から前記燃焼室に供給する中間流路（６４）と、前記推進剤のうち燃料を、前記中心流路（６３）および前記中間流路（６４）を囲みながら、当該対応する供給開口から前記燃焼室（５）に供給する外側流路（６５）と、を形成することを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジン。
【請求項３】
前記１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は複数個あり、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は、前記主軸（２０）の方向に広がった分布で配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のロケットエンジン。
【請求項４】
前記１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）の少なくとも一部は、前記複数の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち対応する供給開口において、前記傾斜面（３１ａ、３１ｂ）に対して垂直に、前記燃焼室（５）に前記推進剤を供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のロケットエンジン。
【請求項５】
前記１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は複数個あり、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の前記主軸（２０）の方向の分布は、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の分布する範囲の前方端（４１）と後方端（４２）から等距離にある位置を中点（４３）とすると、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち、前記前方端（４１）から前記中点（４３）までに位置する供給開口の数よりも、中点（４３）から前記後方端（４２）までに位置する供給開口の数の方が少なくなっており、
貯蔵タンクから前記噴射部（３ａ、３ｂ）に前記推進剤を供給するための供給管（９１ａ〜９９ａ）と噴射部（３ａ）との接続口（１０１ａ〜１０９ａ）の主軸（２０）の方向の位置は、前記中点（４３）よりも前方側のみに配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のロケットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケットエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体状態または気体状態で貯蔵タンクに貯蔵される推進剤（燃料および酸化剤）を使用する非固体ロケットエンジンが知られている（例えば、非特許宇文献１参照）。このような非固体ロケットエンジンでは、推進剤は、燃焼室内に供給され、燃焼室内で燃焼し、高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスが、燃焼室を囲むラバルノズルでの縮流および膨張を経て、超音速の高速ガスとなり、ロケットエンジンの推力が発生する．
燃焼室への推進剤の供給は、燃焼室を囲む壁に開けられた供給開口を経由して行われる。そして、この供給開口は、従来、燃焼室の上流端、かつ、ラバルノズルの主軸に対して垂直な円板状の領域に配置されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】鈴木弘一、中村佳朗著、「ロケットエンジン」、森北出版、２００４年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高出力を得るために、多数の供給開口を配置することを企図する場合、上記のような従来のロケットエンジンでは、限られた面積の円板状領域に対して多数の供給開口を配置する結果、供給開口の配置が高密度になり、製作が困難となっていた。このため、高出力化も制限されてきた。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、非固体ロケットエンジンにおいて、燃焼室に推進剤を供給するための複数の供給開口の配置を、従来よりも容易に行えるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、燃焼室（５）を囲むラバルノズル（２）と、前記燃焼室（５）に推進剤を供給する噴射部（３ａ、３ｂ）とを備え、前記噴射部（３ａ、３ｂ）の前記燃焼室（５）側の面の少なくとも一部の面は、法線方向（３３ａ、３３ｂ）が前記ラバルノズルの主軸（２０）に対して傾いた傾斜面（３１ａ、３１ｂ）であり、前記噴射部（３ａ、３ｂ）は、前記傾斜面（３１ａ、３１ｂ）に形成された１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の各々から前記燃焼室（５）に前記推進剤を供給する１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）を有することを特徴とするロケットエンジンである。
【０００７】
このように噴射部の燃焼室側の面の少なくとも一部の面に、法線方向がラバルノズルの主軸に対して傾いた傾斜面が設けられていることで、供給開口を形成できる場所の面積が従来よりも拡大する。したがって、供給開口の数を多くすることができ、ひいては、ロケットエンジンの出力を増大することができる。あるいは、噴射部の燃焼室側の面における単位面積当たりの供給開口の数を低減することができ、ひいては、噴射部の製造を容易化することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のロケットエンジンにおいて、前記１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）の各々は、前記推進剤のうち燃料を、前記複数の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち対応する供給開口から前記燃焼室（５）に供給する中心流路（６３）と、前記推進剤のうち酸化剤を、前記中心流路（６３）を囲みながら、当該対応する供給開口から前記燃焼室に供給する中間流路（６４）と、前記推進剤のうち燃料を、前記中心流路（６３）および前記中間流路（６４）を囲みながら、当該対応する供給開口から前記燃焼室（５）に供給する外側流路（６５）と、を形成することを特徴とする。
【０００９】
このように、酸化剤を燃焼室に供給する中間流路の内側と外側の両方に、燃料を燃焼室に供給する中心流路および外側流路が配置されていれば、酸化剤が燃料よりも高速に燃焼室内に噴射されていても、燃焼室内で燃料が酸化剤に追いつけず、酸化剤のみが孤立してしまう可能性が低下する。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のロケットエンジンにおいて、前記１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は複数個あり、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は、前記主軸（２０）の方向に広がった分布で配置されることを特徴とする。
【００１１】
このようになっていることで、従来と比べて推進剤の燃焼領域が主軸方向に長く広がるので、特定の小さな領域内に燃焼領域が限定される場合に比べ、ロケットエンジンの振動燃焼が発生する可能性が低減される。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のロケットエンジンにおいて、前記１個以上のノズルユニット（６０ａ、６０ｂ）の少なくとも一部は、前記複数の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち対応する供給開口において、前記傾斜面（３１ａ、３１ｂ）に対して垂直に、前記燃焼室（５）に前記推進剤を供給することを特徴とする。なお、ここでいう「垂直」とは、厳密な垂直のみを意味するのではなく、発明の効果を実現し得る限りの範囲で、垂直に近い角度も含めた角度を意味する。
【００１３】
このようになっていることで、供給開口を形成できる場所の面積が広がったという利点を最も有効に活用してノズルユニットを配置することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のロケットエンジンにおいて、前記１個以上の供給開口（３２ａ、３２ｂ）は複数個あり、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の前記主軸（２０）の方向の分布は、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）の分布する範囲の前方端（４１）と後方端（４２）から等距離にある位置を中点（４３）とすると、前記複数個の供給開口（３２ａ、３２ｂ）のうち、前記前方端（４１）から前記中点（４３）までに位置する供給開口の数よりも、中点（４３）から前記後方端（４２）までに位置する供給開口の数の方が少なくなっており、貯蔵タンクから前記噴射部（３ａ、３ｂ）に前記推進剤を供給するための供給管（９１ａ〜９９ａ）と噴射部（３ａ）との接続口（１０１ａ〜１０９ａ）の主軸（２０）の方向の位置は、前記中点（４３）よりも前方側のみに配置されていることを特徴とする。
【００１５】
このように、後方側よりも前方側の方に供給開口を多く配置すれば、推進剤の供給管を前方側のみにおいて噴射部と連通させても、前方側の１個の供給開口から燃焼室に供給される推進剤の量に比べ、後方側の１個の供給開口から燃焼室に供給される推進剤の量が著しく低下してしまうことがない。しかも、推進剤の供給管を前方側のみにおいて噴射部と連通させることで、供給管を後方側まで長く伸ばす必要が無くなる。
【００１６】
なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るロケットエンジン１の斜視図である。
【図２】ロケットエンジン１の正面図である。
【図３】ロケットエンジン１の平面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図５のＶ−Ｖ切断部端面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＩＶ切断部端面図である。
【図７】図５の一部拡大図である。
【図８】燃焼領域３５を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態について説明する。図１〜図３に示すように、本実施形態に係る液体ロケットエンジン１は、ラバルノズル２、噴射部３ａ、３ｂ、ヘッド部４等を有しており、図４〜図６に示すように、燃焼室５がこれらラバルノズル２、噴射部３ａ、３ｂ、ヘッド部４に囲まれて形成されている。
【００１９】
ラバルノズル２は、燃焼室５で燃焼した燃料を縮流および膨張させることで推進剤を加速し、推進剤をロケットエンジン１の後方に高速で排出する周知の部材（例えば銅製部材）である。なお、本実施形態において、前方とは、ロケットエンジン１の推進方向をいい、後方とは、ロケットエンジン１の推進方向とは反対の方向をいう。本実施形態のラバルノズル２は、ロケットエンジン１のエンジン主軸２０を対称軸とする軸対称形状（すなわち回転体形状）の筒の前端部の２箇所において、主軸２０に対して約３０°傾斜した平面によって切り欠かれた形状となっている。
【００２０】
噴射部３ａ、３ｂは、ラバルノズル２に固定され、燃焼室５内に燃料および酸化剤を供給する。なお、燃料も酸化剤も、推進剤の一例である。ヘッド部４は、ロケットエンジン１の前端（燃焼室５内の推進剤の上流端に相当する）において、ラバルノズル２および噴射部３ａ、３ｂに固定される。
【００２１】
燃焼室５内に供給される燃料および酸化剤は、図示しない燃料貯蔵タンクおよび酸化剤貯蔵タンクに液体状態で貯蔵されており、使用時に供給管９１ａ〜９９ａ、９１ｂ〜９９ｂを通って噴射部３ａ、３ｂ内に供給される。そして、噴射部３ａ、３ｂ内に供給された燃料および酸化剤は、それぞれ異なる経路で燃焼室５内に供給される。燃焼室５内に供給された燃料は、ヘッド部４に取り付けられた点火装置（図示せず）の点火によって酸化剤と反応して燃焼し、ラバルノズル２での縮流および膨張を経て、超音速の高速ガスとなる。この結果、ロケットエンジン１の推力が発生する。
【００２２】
ここで、噴射部３ａ、３ｂの構成およびラバルノズル２への取り付け構造について説明する。噴射部３ａ、３ｂは、ラバルノズル２の前端部で平面的に切り欠かれた切り口部に密着固定される。
【００２３】
そして、噴射部３ａは、図５、図６に示すように、第１板部材５１ａ、第２板部材５２ａ、第３板部材５３ａ、第４板部材５４ａ、第１スペーサ５５ａ、第２スペーサ５６ａ、第３スペーサ５７ａ、および、３２個のノズルユニット（例えばノズルユニット６０ａ）を有している。
【００２４】
第１〜第４板部材５１ａ〜５４ａは、後方に向けて先細る略三角形の板形状の部材であり、ラバルノズル２から離れた方から、第１板部材５１ａ、第２板部材５２ａ、第３板部材５３ａ、第４板部材５４ａの順に、間隔を開けて配置されている。そして、第４板部材５４ａは、ラバルノズル２の上記切り口部に密着固定される。密着固定の具体的方法としては、第４板部材５４ａをラバルノズル２に溶接してもよいし、あるいは、ラバルノズル２と第４板部材５４ａを一体成形してもよい。またあるいは、第４板部材５４ａに溶接接続される第３スペーサ５７ａを介して（ボルトなどにより）ラバルノズル２に固定されるようになっていてもよい。
【００２５】
第１板部材５１ａと第２板部材５２ａの間で後方に向けて先細る略三角形の板形状の空隙８１ａは、両者の間に環状の第１スペーサ５５ａが挟まれることで、形成されている。この空隙８１ａは、燃料が流通する流路であると共に、当該燃料が一時的に貯留される貯留部である。この空隙８１ａには、燃料を液体状態で貯蔵する燃料貯蔵タンク（図示せず）から、３本の中心流路用供給管９１ａ、９２ａ、９３ａを通って、燃料が供給される。
【００２６】
第２板部材５２ａと第３板部材５３ａの間で後方に向けて先細る略三角形の板形状の空隙８２ａは、両者の間に環状の第２スペーサ５６ａが挟まれることで、形成されている。この空隙８２ａは、酸化剤が流通する流路であると共に、当該酸化剤が一時的に貯留される貯留部である。この空隙８２ａには、酸化剤を液体状態で貯蔵する酸化剤貯蔵タンク（図示せず）から、３本の中間流路用供給管９４ａ、９５ａ、９６ａを通って、酸化剤が供給される。
【００２７】
なお、図３では、供給管９１ａ〜９９ａを省略して記載して記載しているので、供給管９１ａ〜９９ａと噴射部３ａとの接続口１０１ａ〜１０９ａが見えている。この図３から把握できるように、供給管９１ａ〜９９ａと噴射部３ａとの接続口１０１ａ〜１０９ａの主軸２０の方向の位置は、最も前方側にある供給開口の位置と同じかそれよりも前方側となっている。なお、図３においては、供給開口を透過的に点線で表している。
【００２８】
第３板部材５３ａと第４板部材５４ａの間で後方に向けて先細る略三角形の板形状の空隙８３ａは、両者の間に環状の第３スペーサ５７ａが挟まれることで、形成されている。この空隙８３ａは、燃料が流通する流路であると共に、当該燃料が一時的に貯留される貯留部である。この空隙８３ａには、上記の燃料貯蔵タンクから、３本の外側流路用供給管９７ａ、９８ａ、９９ａを通って、燃料が供給される。
【００２９】
なお、上記燃料貯蔵タンクおよび酸化剤貯蔵タンクは、ロケットエンジン１を備えるロケットにおいて、ロケットエンジン１よりも前方側に配置される。したがって、供給管９１ａ〜９９ａは、ロケットの前方から後方へと伸びる。
【００３０】
第１〜第４板部材５１ａ〜５４ａおよび第１〜第３スペーサ５５ａ〜５７ａは、互いに複数のボルトで固定される。
【００３１】
図５に示すように、噴射部３ａの燃焼室５側の平面３１ａ、すなわち、第４板部材５４ａの燃焼室５側の平面３１ａは、その外縁部が、燃焼室５の切り欠かれた切り口部に密着固定されている。したがって、この平面３１ａは、その法線方向３３ａが、主軸２０に対して約６０°傾斜している傾斜面である。
【００３２】
また、図４に示すように、この傾斜面３１ａのうち、燃焼室５に露出している略三角形形状の部分には、３２個の円形の供給開口（例えば供給開口３２ａ）が形成されており、それら複数個の供給開口の各々には、燃料および酸化剤を燃焼室５内に噴射する１個のノズルユニット（例えばノズルユニット６０ａ）が配置されている。
【００３３】
このように、噴射部３ａの燃焼室５に露出している略三角形形状の部分の全体に、法線方向３３ａが主軸２０に対して傾いた傾斜面３１ａが設けられていることで、供給開口を形成できる場所の面積が従来よりも拡大する。
【００３４】
これら供給開口は、図４に示すとおり、主軸２０の方向（前後方向）および横方向（前後方向に垂直な方向）に広がった分布で、傾斜面３１ａのうち燃焼室に露出している面上に配置されている。ここで、主軸２０の方向における供給開口の分布、すなわち、各供給開口から主軸２０に下ろした仮想的な垂線と主軸２０とが交わる点の主軸２０上の分布について説明する。
【００３５】
これら供給開口の分布する範囲の前方端４１と後方端４２から等距離にある位置を中点４３とすると、複数個の供給開口のうち、前方端４１から中点４３までに位置する供給開口の数は、２２個である。これに対し、中点４３から後方端４２までに位置する供給開口の数は、１４個と、より少なくなっている。このようにしているのは、第４板部材５４ａの燃焼室５側の平面３１ａのうち、燃焼室５に露出している部分は、後方に向けて先細って供給開口を設ける領域が少なくなっていくからである。なお、図４中における前方端４１、後方端４２、中点４３を示す黒点は、仮想的な黒点であって、実際に噴射部３ａに存在する形状や物体を表しているのではない。
【００３６】
これら３２個の供給開口は、第４板部材５４ａにおいて当該板面に垂直に形成された同数個の円筒形状の貫通孔の、燃焼室５側の端部に該当する。また、第２、第３板部材５２ａ、５３ａの各々にも、当該板面に垂直に形成された同数の円筒形状の貫通孔が、第４板部材５４ａと同数だけ形成されている。そして、各板部材５２ａ〜５４ａに形成された各貫通孔は、第２〜第４板部材５２ａ〜５４ａの積層方向に一列に並ぶように配置されている。なお、第２板部材５２ａに形成された各貫通孔は、第３板部材５３ａに形成された各貫通孔よりも細く、第３板部材５３ａに形成された各貫通孔は、第４板部材５４ａに形成された各貫通孔よりも細い。また、各貫通孔は、その全長において、傾斜面３１ａに対して直交する方向に伸びている。上記３２個のノズルユニットの各々は、第２〜第４板部材５２ａ〜５４ａの各貫通孔に挿入されている。
【００３７】
ここで、上記３２個のノズルユニットの構成について、図７を参照して説明する。これらノズルユニットの各々（例えば図７のノズルユニット６０ａ）は、円筒形状の外管６１と、一部が外管６１内に挿通される円筒形状の内管６２とを備えている。外管６１も、内管６２も、その全長において、傾斜面３１ａに対して直交する方向に伸びている。外管６１と内管６２は、共に挿入先の各貫通孔に対して同軸に配置される。
【００３８】
外管６１は、燃焼室５から最も遠い側の端部の外周壁が、第３板部材５３ａに形成された上記貫通孔の内壁７３に密着固定されている。更に外管６１は、第３板部材５３ａの当該貫通孔および第４板部材５４ａの上記貫通孔の内部を通り、他端側の端部が上記供給開口（例えば図７の供給開口３２ａ）に達している。
【００３９】
内管６２は、燃焼室５から最も遠い側の端部の外周壁が、第２板部材５２ａに形成された上記貫通孔の内壁７２に密着固定されている。更に内管６２は、第２板部材５２ａの当該貫通孔および外管６１の内部を通り、他端側の端部が上記供給開口（例えば図７の供給開口３２ａ）に達している。
【００４０】
なお、内管６２の内壁に囲まれた円柱形状の中心流路６３は、第１板部材５１ａと第２板部材５２ａの間の空隙８１ａから燃焼室５に連通している。したがって、空隙８１ａに流入した燃料は、中心流路６３を通って上記供給開口（例えば図７の供給開口３２ａ）から燃焼室５内に、傾斜面３１ａに対して垂直な方向に、噴射される。
【００４１】
また、内管６２の外壁と外管６１の内壁との間には、円筒形状の中間流路６４が形成されている。したがって、第２板部材５２ａと第３板部材５３ａの間の空隙８２ａに流入した酸化剤は、中間流路６４を通って上記供給開口（例えば図７の供給開口３２ａ）から燃焼室５内に、傾斜面３１ａに対して垂直な方向に、噴射される。
【００４２】
また、外管６１の外壁と上記第４板部材５４ａに形成された上記貫通孔の内壁７４との間には、円筒形状の外側流路６５が形成されている。したがって、第３板部材５３ａと第４板部材５４ａの間の空隙８３ａに流入した燃料は、外側流路６５を通って上記供給開口（例えば図７の供給開口３２ａ）から燃焼室５内に、傾斜面３１ａに対して垂直な方向に、噴射される。
【００４３】
このように、複数個のノズルユニットの各々は、燃料を対応する供給開口（例えばノズルユニット６０ａなら供給開口３２ａ）から燃焼室５に供給する中心流路６３と、酸化剤を中心流路６３を囲みながら、当該対応する供給開口から燃焼室５に供給する中間流路６４と、燃料を中心流路６３および中間流路６４を囲みながら、当該対応する供給開口から燃焼室５に供給する外側流路６５と、を形成する。
【００４４】
このように、酸化剤を燃焼室に供給する中間流路６４の内側と外側の両方に、燃料を燃焼室に供給する中心流路６３および外側流路６５が配置されていれば、酸化剤が燃料よりも高速に燃焼室内に噴射されていても、燃焼室５内で燃料が酸化剤に追いつけず、酸化剤のみが孤立してしまう可能性が低下する。
【００４５】
以上、噴射部３ａの構成について説明したが、噴射部３ｂも噴射部３ａと同等の構成を有している。具体的には、噴射部３ｂは、主軸２０を含み図５の紙面に垂直な面を鏡面とする噴射部３ａの鏡像と全く同じ構成となっている。したがって、上述の噴射部３ａの説明において、噴射部３ａを噴射部３ｂに置き換え、それと同様、噴射部３ａの各部分に付された符号「ａ」を「ｂ」に適宜置き換えれば、その説明は噴射部３ｂについて当てはまる。
【００４６】
なお、噴射部３ｂのみならず、噴射部３ｂに接続される３本の中心流路用供給管９１ｂ〜９３ｂ、３本の中間流路用供給管９４ｂ〜９６ｂ、３本の外側流路用供給管９７ｂ〜９９ｂも、それぞれ、上記鏡面についての中心流路用供給管９１ａ〜９３ａ、中間流路用供給管９４ａ〜９６ａ、外側流路用供給管９７ａ〜９９ａの鏡像と同じ構成となっている。ただし、燃料貯蔵タンクおよび酸化剤貯蔵タンクは、噴射部３ａと噴射部３ｂで共用される。
【００４７】
次に、上記のような構成のロケットエンジン１の作動について説明する。ロケットエンジン１の作動時、上述の燃料貯蔵タンクおよび酸化剤貯蔵タンクから噴射部３ａ、３ｂを介して燃焼室５内に燃料および酸化剤が供給される。
【００４８】
なお、本実施形態で用いられる推進剤は、液体状態で燃料貯蔵タンクまたは酸化剤貯蔵タンク内に保存される。そのような推進剤としては、（１）常温かつ常圧において液体状態の推進剤、（２）常温かつ常圧において気体状態で、加圧だけでは液化せず、極低温により液体状態となる推進剤、（３）常温かつ常圧において気体状態で、加圧により常温で液体状態になる推進剤といった３種類に分類される。
【００４９】
（１）の種類の推進剤としては、ケロシン、アルコール等があり（２）の種類の推進剤としては、液体酸素、液体水素、ＬＮＧ（液化天然ガス）等があり、（３）の種類の推進剤としては、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、液化石油ガス、プロパン等がある。亜酸化窒素は（３）の種類の推進剤のうち唯一の酸化剤である。本実施形態においては、酸化剤として亜酸化窒素を用いてもよいし、他の酸化剤を用いてもよい。
【００５０】
以下、噴射部３ａの作動について更に詳しく説明するが、噴射部３ｂも同等の作動を行う。
【００５１】
まず、中心流路用供給管９１ａ〜９３ａから空隙８１ａの前部に流入した燃料は、空隙８１ａ内で先細った後方側に流れると共に、空隙８１ａから３２個のノズルユニットの各中心流路６３に流入する。この際、空隙８１ａの上記積層方向の厚みおよび上記積層方向に垂直な面における前後方向および左右方向の長さに比べ、中心流路６３の流路幅が非常に狭いので、圧力損失が生じる。その結果、中心流路６３内の燃料の圧力よりも空隙８１ａ内の燃料の圧力の方が高くなり、空隙８１ａ内で燃料は液体状態となる。そして燃料は、中心流路６３を通って各供給開口から燃焼室５内に霧状にまたは気体状態で噴射される。
【００５２】
それと同時に、中間流路用供給管９４ａ〜９６ａから空隙８２ａの前部に流入した酸化剤は、空隙８２ａ内で先細った後方側に流れると共に、空隙８２ａから３２個のノズルユニットの各中間流路６４に流入する。この際、空隙８２ａの上記積層方向の厚みおよび上記積層方向に垂直な面における前後方向および左右方向の長さに比べ、中間流路６４の流路幅が非常に狭いので、圧力損失が生じる。その結果、中間流路６４内の酸化剤の圧力よりも空隙８２ａ内の酸化剤の圧力の方が高くなり、空隙８２ａ内で酸化剤は液体状態となる。そして酸化剤は、中間流路６４を通って各供給開口から燃焼室５内に気体状態で噴射される。
【００５３】
燃焼室５において着火が開始するときに、燃焼室５の気圧は大気圧とほぼ同じであるが、中間流路６４の圧力損失の分だけ、空隙８２ａ（貯蔵部）の圧力が、燃焼室５の気圧よりも上昇する。その結果、空隙８２ａ（貯蔵部）の圧力が、上記のように空隙８２ａ中の酸化剤の温度における蒸気圧以上であれば、酸化剤に亜酸化窒素を用いても空隙８２ａで気化が発生せず，亜酸化窒素の自己分解による爆発が生じず，高い安全性を得ることができる。このため、外管６１、内管６２、および各貫通孔の長さおよび幅は、空隙８２ａ（貯蔵部）の圧力が、空隙８２ａ中の酸化剤の温度における蒸気圧以上となるように、設計および製造されている。
【００５４】
それと同時に、外側流路用供給管９７ａ〜９９ａから空隙８３ａの前部に流入した燃料は、空隙８３ａ内で先細った後方側に流れると共に、空隙８３ａから３２個のノズルユニットの各外側流路６５に流入する。この際、空隙８３ａの上記積層方向の厚みに比べ、外側流路６５の流路幅が非常に狭いので、圧力損失が生じる。その結果、外側流路６５内の燃料の圧力よりも空隙８３ａ内の燃料の圧力の方が高くなり、空隙８３ａ内で燃料は液体状態となる。そして燃料は、外側流路６５を通って各供給開口から燃焼室５内に霧状にまたは気体状態で噴射される。
【００５５】
このとき、後方端４２に近い方のノズルユニットは、前方端４１に近い方のノズルユニットに比べ、供給管９１ａ〜９９ａとの接続口１０１ａ〜１０９ａからの距離が遠くなっている。しかし、空隙８１ａ〜８３ａが、それぞれ後方に向けて先細っており、かつ、前方端４１から中点４３までにある供給開口の数よりも、中点４３から後方端４２までにある供給開口の数の方が少ないので、前方端４１の１個の供給開口から燃焼室に供給される推進剤の量と、後方端４２側の１個の供給開口から燃焼室に供給される推進剤の量が、概ね同じになり、後者が著しく減少することはない。
【００５６】
なお、本実施形態において、３２個のノズルユニットの中心流路６３の流路幅はどれも同じであり、３２個のノズルユニットの中央流路６５の流路幅はどれも同じであり、３２個のノズルユニットの外側流路６５の流路幅は、どれも同じであるが、このようなものに限られるわけではない。
【００５７】
このように、噴射部３ａ、３ｂから燃焼室５内に燃料および酸化剤が噴射された状態で、ヘッド部４の点火装置が点火動作を行う。すると、燃料が酸化剤と反応して燃焼し、ラバルノズル２での縮流および膨張を経て、後方に向かう超音速の高速ガスとなる。この結果、ロケットエンジン１の推力が発生する。
【００５８】
このとき、図８に示すように、燃料の燃焼領域３５は、従来よりも、主軸２０の方向に長く広がっている。これは、法線方向３３ａ、３３ｂが主軸２０の方向に対して傾いている傾斜面３１ａ、３１ｂに複数の供給開口が配置されており、さらに、これら供給開口が、主軸２０の方向に広がった分布で配置されているからである。このようになっていることで、従来のように燃焼室の前方端の小さな領域内に燃焼領域が限定される場合に比べ、ロケットエンジン１の振動燃焼が発生する可能性が低減される。
【００５９】
以上説明した通り、本実施形態に係るロケットエンジン１において、噴射部３ａ、３ｂは、燃焼室５側の傾斜面３１ａ、３１ｂに推進剤供給用の複数個の供給開口（例えば、供給開口３２ａ、３２ｂ）が形成され、これら傾斜面３１ａ、３１ｂは、ラバルノズル２の主軸２０に対して傾いている。
【００６０】
このようになっていることで、供給開口を形成できる場所の面積が従来よりも拡大する。したがって、供給開口の数を多くすることができ、ひいては、ロケットエンジン１の出力を増大することができる。あるいは、噴射部３ａ、３ｂの燃焼室５側の面における単位面積当たりの供給開口の数を低減することができ、ひいては、噴射部３ａ、３ｂの製造を容易化することができる。
【００６１】
また、このようになっていることで、燃焼室５内に非エンジン軸方向（すなわち、主軸２０とは異なる方向）の流れを生成すること、および、多様な流速分布を発生させることが可能である。したがって、燃焼室５内の低速部あるいは逆流部により火炎の保炎性を増大させ、吹き消えを防止することができる。
【００６２】
これに対し、従来のように、主軸２０に対して垂直な円板状の領域に供給開口を配置すると、酸化剤の主供給方向が主軸２０と平行となり、火炎が推進剤の供給流速により吹き流され、吹き消え、保炎性の低下を招いてしまう。
【００６３】
また、３２個×２＝６４個のノズルユニット全部が、各供給開口のうち対応する供給開口において、傾斜面３１ａまたは傾斜面３１ｂに対して垂直に燃焼室５に推進剤を供給するよう、傾斜面３１ａ、３１ｂに対して垂直に伸びるように配置されている。このようになっていることで、供給開口を形成できる場所の面積が広がったという利点を最も有効に活用して、高い密度でノズルユニットを配置することができる。なお、ここでいう「垂直」とは、厳密な垂直のみを意味するのではなく、上記の効果を実現し得る限りの範囲で、垂直に近い角度も含めた角度を意味する。なお、このようになっていることで、推進剤の燃焼室５への噴射方向が主軸２０の方向と一致しなくなり、その結果、燃焼領域が主軸２０の方向に伸びる。
【００６４】
また、噴射部３ａ、３ｂの各々において、３２個の供給開口の主軸２０の方向の分布は、前方端４１から中点４３までに位置する供給開口の数よりも、中点４３から後方端４２までに位置する供給開口の数の方が少なくなっている。そして、燃料貯蔵タンクおよび酸化剤貯蔵タンクから噴射部３ａ、３ｂに推進剤を供給するための供給管９１ａ〜９９ａ、９１ｂ〜９９ｂと噴射部３ａ、３ｂとの接続口（１０１ａ〜１０９ａ）の主軸２０の方向の位置は、中点４３よりも前方側のみに配置されている。
【００６５】
このように、後方側よりも前方側の方に供給開口を多く配置すれば、推進剤の供給管を前方側のみにおいて噴射部３ａ、３ｂと連通させても、前方側の１個の供給開口から燃焼室５に供給される推進剤の量に比べ、後方側の１個の供給開口から燃焼室５に供給される推進剤の量が著しく低下してしまうことがない。しかも、推進剤の供給管を前方側のみにおいて噴射部３ａ、３ｂと連通させることで、供給管９１ａ〜９９ａ、９１ｂ〜９９ｂを後方側まで長く伸ばす必要が無くなる。
【００６６】
また、傾斜面３１ａ、３１ｂが主軸２０に対して傾いていることで、供給開口を、円筒形状の燃焼室の上流端の中央部（すなわち、ヘッド部４）から、乖離させることができ、点火装置などの補器の、ヘッド部４への設置が容易となる。
【００６７】
これに対し、従来のように、主軸２０に対して垂直な円板状の領域に供給開口を配置すると、補器は円筒形状の燃焼室の上流端中央部に配置するが、この領域は供給開口の配置領域と一致し、供給開口が密集するため，当該機器の配置が困難である。また、配置したとしても、供給開口の配置を犠牲にすることなどの不都合が生じる。
【００６８】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。例えば、以下のような変形例も許容される。なお、以下の変形例は、それぞれ独立に、上記実施形態に適用および不適用を選択できる。すなわち、以下の変形例のうち任意の組み合わせを、上記実施形態に適用することができる。
【００６９】
（変形例１）
上記実施形態では、液体状態で貯蔵される推進剤を使用する液体ロケットエンジンを例示したが、本発明のロケットエンジンは、気体状態で貯蔵される推進剤を使用する気体ロケットエンジンにも適用可能である。すなわち、本発明は、非固体状態で貯蔵される推進剤を使用する非固体ロケットエンジンならば、どのようなロケットエンジンにも適用可能である。
【００７０】
（変形例２）
上記実施形態では、傾斜面３１ａ、３１ｂの法線方向３３ａ、３３ｂは、主軸２０の方向に対して約６０°の傾斜角で傾いているが、この傾斜角は、０°より大きく且つ９０°以下であれば、どのような傾斜角でも、従来技術に対して、供給開口を形成できる場所の面積が広がるという効果を得ることができる。
【００７１】
（変形例３）
また、上記実施形態では、噴射部３ａ、３ｂの燃焼室５側の面のすべてが、法線方向３３ａ、３３ｂが主軸２０に対して傾いた傾斜面３１ａ、３１ｂとなっている。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、傾斜面３１ａ、３１ｂのうち、傾斜面３１ａのみ、法線方向３３ａが主軸２０に対して傾いており、傾斜面３１ｂは、法線方向３３ｂが主軸２０に平行（すなわち傾いていない）となっていてもよい。つまり、噴射部３ａ、３ｂの燃焼室５側の面のうち少なくとも一部が、法線方向が主軸２０に対して傾いた（すなわち非平行な）傾斜面となっていればよい。
【００７２】
（変形例４）
また、上記実施形態では、傾斜面３１ａ、３１ｂは平面となっているが、必ずしも平面である必要はない、例えば、噴射部３ａが、主軸２０を軸とする回転体であり、その断面が図５のようになっている場合、噴射部３ａの燃焼室５側の面は、頂点近傍がヘッド部４によって切り欠かれた円錐形状となる。このように噴射部３ａの燃焼室５側の面が曲面であったとしても、曲面の各部で法線方向が定義できので、当該曲面の少なくとも一部において、法線方向が主軸２０に対して傾いていればよい。
【００７３】
（変形例５）
上記実施形態において、点火装置は主軸２０上のヘッド部４の燃焼室５側に配置されているが、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、点火装置は傾斜面３１ａ、３１ｂ上に配置されていてもよい。
【００７４】
（変形例６）
上記実施形態におけるロケットエンジン１は、補器として、点火装置に加え、温度センサ等のセンサを有していてもよい。このセンサは、ヘッド部４の燃焼室５側に配置されていてもよい。あるいは、傾斜面３１ａ、３１ｂ上に温度センサ等のセンサが配置されていてもよい。
【００７５】
（変形例７）
上記実施形態では、傾斜面３１ａ、３１ｂの各々には、複数個の供給開口が形成されている。しかし、必ずしもこのようになっておらずともよい。例えば、傾斜面３１ａ、３１ｂの各々に、１個ずつ供給開口が形成されていてもよい。このようにしても、噴射部３ａ、３ｂの燃焼室５側の面における単位面積当たりの供給開口の数を低減することができ、ひいては、噴射部３ａ、３ｂの製造を容易化することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１                                    ロケットエンジン
２                                    ラバルノズル
３ａ、３ｂ                            噴射部
５                                    燃焼室
２０                                  主軸
３１ａ、３１ｂ                        傾斜面
３２ａ、３２ｂ                        供給開口
３３ａ、３３ｂ                        法線方向
４１                                  前方端
４２                                  後方端
４３                                  中点
６０ａ、６０ｂ                        ノズルユニット
６３                                  中心流路
６４                                  中間流路
６５                                  外側流路
９１ａ〜９３ａ、９１ｂ〜９３ｂ        中心流路用供給管
９４ａ〜９６ａ、９４ｂ〜９６ｂ        中間流路用供給管
９７ａ〜９９ａ、９７ｂ〜９９ｂ        外側流路用供給管
１０１ａ〜１０９ａ                    接続口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015151868.tif 000007
【図６】
2015151868.tif 000008
【図７】
2015151868.tif 000009
【図８】
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