(57)【要約】  ロケットエンジンが、冷却流路を有する推力室（２４）を含み、その冷却流路は、エンジンの定常状態運転条件下でその内部の流体（例えば、ケロシン）に持続的なクラッキング状態を提供するように適合される。オーグメンタ（３０）が冷却流路の出力と連通する流体入力を有しており、オーグメンタの出力がタービンと流体連通する。ポンプがタービンと機械的に連結されて、冷却流路の入口に流体流れを供給する。
2014506653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの定常状態運転条件下で流体に持続的なクラッキング状態を提供するように適合された冷却流路を有する推力室と、
前記冷却流路の出力と流体連通する流体入力を有するオーグメンタと、
前記オーグメンタの出力と流体連通する入力を有するタービンと、
前記タービンと機械的に連結されるとともに、前記冷却流路の入力と流体連通したポンプと、
を備えたエンジン。
【請求項２】
前記推力室が、燃焼室を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記推力室が、ノズルを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記推力室が、主燃焼室と、ノズルと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項５】
前記ポンプが、前記冷却流路と流体連通することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項６】
前記冷却流路の前記出力が、前記オーグメンタの前記入力と流体連通することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
冷却流路を有する推力室と、
前記冷却流路の出力と流体連通する流体入力を有するとともに、エンジンの定常状態運転条件下で前記冷却流路内の流体に持続的なクラッキング状態を提供するように適合されたオーグメンタと、
前記オーグメンタの出力と流体連通する入力を有するタービンと、
前記タービンと機械的に連結されるとともに、前記冷却流路と流体連通したポンプと、
を備えたエンジン。
【請求項８】
前記推力室が、主燃焼室を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項９】
前記推力室が、ノズルを備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記推力室が、主燃焼室と、ノズルと、を備えることを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記ポンプが、前記冷却流路と流体連通することを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記冷却流路の前記出力が、前記オーグメンタの前記入力と流体連通することを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【請求項１３】
液体酸化剤を受け取り、加圧液体酸化剤を供給する第１のポンプと、
液体ケロシンを受け取り、加圧液体ケロシンを供給する第２のポンプと、
周壁に冷却液流路が配置された燃焼室・ノズルアセンブリであって、該冷却液流路が、冷却液入口を通して前記加圧液体ケロシンを受け取り、その加圧液体ケロシンを循環させ加熱して、分解したケロシンを、冷却液出口を通して出力するように、該周壁に配置された燃焼室・ノズルアセンブリと、
前記分解ケロシンと、前記加圧液体酸化剤の一部と、を受け取り、前記分解ケロシンの流れにエネルギーを付加して、高エネルギーのケロシン流を出力するオーグメンタと、
前記高エネルギーのケロシン流からエネルギーを受け取り抽出して前記第１および第２のポンプを駆動し、タービン出力ケロシン流を提供するタービンアセンブリと、
を備え、
前記燃焼室・ノズルアセンブリが、前記タービン出力ケロシン流と、前記加圧液体酸化剤と、を受け取り混合することにより合成混合物を供給し、その合成混合物を燃焼させて推力を提供する、ロケットエンジン。
【請求項１４】
前記タービンアセンブリによって駆動されるとともに、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプに連結された軸を備えることを特徴とする請求項１３に記載のロケットエンジン。
【請求項１５】
前記タービンアセンブリが、前記第１のポンプを駆動する第１のタービンと、前記第２のポンプを駆動する第２のタービンと、を備えることを特徴とする請求項１３に記載のロケットエンジン。
【請求項１６】
前記タービンアセンブリが、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプの両方を駆動するタービンを備えることを特徴とする請求項１３に記載のロケットエンジン。
【請求項１７】
前記燃焼室・ノズルアセンブリが、先細および末広ノズルを備えることを特徴とする請求項１３に記載のロケットエンジン。
【請求項１８】
前記エンジンの定常状態運転時に、前記燃焼室が、前記冷却液出口を介して前記分解ケロシンの持続的な流れを出力することを特徴とする請求項１７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】
出願人はここに２０１１年２月１５日出願の米国特許出願第１３／０２７８６８号明細書の優先権を主張し、その参照により本明細書の開示に含まれる。
【０００２】
本発明は、二元推進剤ロケットエンジンに関し、特に分解炭化水素燃料を利用する拡張（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ）エキスパンダ・サイクル式のロケットエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
エキスパンダ・サイクルは、通常、燃料を燃焼させる前に、主燃焼室および／またはノズルからの熱により燃料を加熱し、その燃料を推進剤ポンプの駆動に用いる二元推進剤ロケットエンジンの動力サイクルである。一般的なエキスパンダでは、燃焼室／ノズルの壁面の冷却流路を燃料が通流するに従い、燃料が熱を受け取り、流体のエンタルピを増大させる。次いでその燃料が一つ以上のタービンを通して膨張し、ターボポンプの動作を始動、維持する。タービンを通過後、燃料が燃焼室内に噴射され、ここで酸化剤と混合され燃焼されて、ビークルの推力を生み出す。燃焼室および／またはノズルの冷却、および、一つまたは複数のタービンの駆動に推進剤の一方または両方を用いてもよいことに留意されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的なエキスパンダ・サイクル推力は、燃焼室およびノズルから推進剤への伝熱によって制限され、言い換えると、燃焼室およびノズルの表面積によって制限される。エンジン推力の決定要因はスロート面積を含むため、表面積は半径に比例して増加するだけである一方、推力は、半径の係数が２乗されるに従い増加する。簡単な説明では、ベル形ノズルの寸法（一定の膨張比）は推力が増加するに従い増加し、（燃料を膨張させるように熱が抽出される）ノズルの表面積は半径とともに増加する。しかしながら、タービンの駆動に要求されるエネルギーの増幅率は半径の２乗に伴って増加する。更なる要因は、その値および関係に影響を及ぼすが、スロートおよび結果として生じるガス経路半径に関連する、表面積とスロート面積との関係に依然として左右される。燃焼室からの熱エネルギーはタービンを介して推進剤ポンプを駆動するように用いられるため、エキスパンダ・サイクルは、特により大きな推力クラスでの、最大運転圧力に制限される。
【０００５】
より高い推力を可能にするエキスパンダ・サイクル・エンジンが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、エンジンの定常状態運転条件下で流路内の流体に持続的なクラッキング状態を提供するように適合された冷却流路を有する推力室と、冷却流路の出力と流体連通する流体入力を有するオーグメンタと、オーグメンタの出力と流体連通する入力を有するタービンと、タービンと機械的に連結されるとともに、冷却流路の入力と流体連通したポンプと、を備えたエンジンを提供する。
【０００７】
また本発明は、冷却流路を有する推力室と、冷却流路の出力と流体連通する流体入力を有するとともにエンジンの定常状態運転条件下で冷却流路内の流体に持続的なクラッキング状態を提供するように適合されたオーグメンタと、オーグメンタの出力と流体連通する入力を有するタービンと、タービンと機械的に連結されるとともに、冷却流路と流体連通したポンプと、を備えたエンジンを提供する。
【０００８】
さらに本発明は、液体酸化剤を受け取り、加圧液体酸化剤を供給する第１のポンプと、液体ケロシンを受け取り、加圧液体ケロシンを供給する第２のポンプと、周壁に冷却液流路が配置された燃焼室・ノズルアセンブリであって、その冷却液流路が、冷却液入口を通して加圧液体ケロシンを受け取り、その加圧液体ケロシンを循環させ加熱して、分解したケロシンを冷却液出口を通して出力するように、該周壁に配置された、燃焼室・ノズルアセンブリと、分解ケロシンと加圧液体酸化剤の一部とを受け取り、分解ケロシンの流れにエネルギーを付加することによって高エネルギーのケロシン流を出力するオーグメンタと、高エネルギーのケロシン流からエネルギーを受け取り抽出して、第１および第２のポンプを駆動し、タービン出力ケロシン流を提供するタービンアセンブリと、を備えたロケットエンジンを提供し、燃焼室・ノズルアセンブリが、タービン出力ケロシン流と、加圧液体酸化剤と、を受け取り混合して、合成混合物を供給し、その合成混合物を燃焼させることにより推力を供給する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】拡張エキスパンダ・サイクル・ロケットエンジンの簡略化したシステムのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
拡張されたケロシン・エキスパンダ・サイクル・エンジン（  ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  ｋｅｒｏｓｅｎｅ  ｅｘｐａｎｄｅｒ  ｃｙｃｌｅ  ｅｎｇｉｎｅ）１０が、第１のポンプ１４にケロシンを供給する第１の推進剤供給ライン１２を含み、第１のポンプ１４が、フローライン１６を介して加圧された液体ケロシンを供給する。第２の液体酸化剤供給ライン１８が第２のポンプ２０に接続され、第２のポンプ２０が、フローライン２２を介して加圧された液体酸化剤を供給する。
【００１１】
フローライン１６中の加圧されたケロシンが、燃焼室２６およびノズル２８を備えた燃焼室／ノズルアセンブリ２４の周壁（例えば、冷却ジャケット）内の冷却流路を通して引き回される。冷却流路は、燃焼室２６の周壁、ノズル２８の周壁、またはその両方に配置される。燃焼室２６および／またはノズル２８からの熱が、周壁の冷却流路を通して循環する液体ケロシンを加熱する。エンジンの定常状態運転時におけるケロシンの持続的なクラッキングの提供に必要な条件（例えば、温度、圧力、触媒等）が、冷却流路内に構築されてよく、それにより液体および／または超臨界流体として維持されるケロシンのクラッキングがもたらされる。エンジンの定常状態運転条件とは、通常、エンジンが連続した期間（数秒間）、任意のゼロ以外の動力点にある時であると考えられる。しかしながら、推進剤の燃焼がエンジンシステムの動作を維持するのに十分なときにエンジンが定常状態運転にあると考えてもよいことが検討される。ケロシン（またはその他の炭化水素推進剤）のクラッキングに関連する吸熱反応により、燃焼室またはノズルの付加的な冷却が提供される。
【００１２】
オーグメンタ（ａｕｇｍｅｎｔｅｒ）３０がフローライン３２を介して分解ケロシンを受け取り、バルブ３５からフローライン３４を介して液体酸化剤（例えば、液体酸素）を受け取る。オーグメンタは、酸化剤との燃焼を通して分解ケロシン冷却液を加熱し、オーグメンタからの出力がフローライン３６を通してタービンアセンブリ３８へと供給される。酸化剤はオーグメンタ内でケロシンと反応して燃焼生成物および熱エネルギーを生成する。その熱が、タービンを駆動するようにエネルギーを供給する燃料流れの温度を増加させる。オーグメンタに導かれる加圧液体酸化剤の量はバルブ３５によって制御され、オーグメンタによって供給される燃料流れの温度と追加されるエネルギーが測定される。コントローラ３９が、種々のシステム入力信号を受信し、ライン４０に指令信号を供給してオーグメンタに所望の量の加圧液体酸化剤を供給する。オーグメンタは、一部の燃料と酸化剤との混合および／または燃焼安定性を促進するための装置を含みうる。図面の簡略化のために、エンジン動作に通常必要なその他のバルブが省略されている点に留意されたい。
【００１３】
タービンアセンブリ３８が、一つ以上の直接駆動またはギア駆動軸４２を介して第１および第２のポンプ１４，２０を駆動する。第１および第２のポンプは同じ駆動軸に連結されてもよいが、それらのポンプがタービンアセンブリに直接または間接的に異なる軸によって連結されることが検討される。さらに、タービンアセンブリは両方のポンプを駆動する一つのタービン、または、第１のポンプを駆動する第１のタービンおよび第２のポンプを駆動する第２のタービンを含みうる。タービン３８からの分解ケロシン出力がフローライン４４を介して燃焼室２６に入力される。ケロシンは、フローライン４６を介して受け取られた酸化剤とともに燃焼されて、燃焼ガスがノズル２８を通して排出され、推力を提供する。
【００１４】
オーグメンタは少なくとも部分的に分解したケロシン冷却液を加熱して、タービンに所望の量のエネルギーを供給する。前述の記載は炭化水素燃料としてケロシンを用いるが、クラッキングを生じうるその他の炭化水素燃料もまた用いられうることが検討される。
【００１５】
本発明をその詳細な実施例に関して図示、記載したが、特許請求の範囲に記載された発明の真意および範囲を逸脱することなく本発明の形態および細部に種々の変更が行われうることが当業者にとって理解されるであろう。
【図１】
2014506653.tif 000003
【国際調査報告】
2014506653.tif 000004
2014506653.tif 000005
2014506653.tif 000006