(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットエンジンの初始動後、主燃焼用の推進薬の流れを持続させるためのポンプを駆動するように、圧力タンクからタービンへと選択的に放出される加圧剤を備え、前記ポンプは、前記推進薬を貯蔵する貯蔵タンクの外側に配置されており、前記タービンは、前記ポンプに機械的に連結されており、前記圧力タンクと前記タービンとの間に燃焼器およびエネルギー増幅装置は無く、
前記加圧剤が、前記ポンプを駆動するようにタービンを通して膨張し、前記タービンの出口から放出された前記加圧剤は、推力室アセンブリに放出されず、前記加圧剤は、前記推進薬の流れとは流体連通しない、推進システム。
【請求項２】
前記加圧剤が、前記圧力タンク内に３．４４７ＭＰａ〜８２．７３７ＭＰａ（５００〜１２，０００ｐｓｉ）の範囲で貯蔵されることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
【請求項３】
推進薬を貯蔵する貯蔵タンクと、
加圧剤を貯蔵する圧力タンクと、
推力を発生させるべく前記推進薬を燃焼させるように構成された推力室アセンブリと、
前記圧力タンクと流体連通するタービンと、
前記貯蔵タンクと流体連通するとともに、前記貯蔵タンクの外側に配置されたポンプであって、前記タービンに機械的に連結されたポンプと、
を備え、
前記ポンプが、前記タービンによって駆動され、前記タービンは、ロケットエンジンの初始動後、主燃焼用の前記推進薬の流れを持続させるように、前記圧力タンクから選択的に放出された加圧剤によって駆動され、前記圧力タンクと前記タービンとの間に燃焼器およびエネルギー増幅装置は無く、
前記加圧剤は、前記推進薬の流れとは流体連通せず、前記ポンプを駆動するようにタービンを通して膨張し、前記タービンの出口から放出された前記加圧剤は、前記推力室アセンブリに放出されない、推進システム。
【請求項４】
前記貯蔵タンクが、第１の推進薬を貯蔵する第１の貯蔵タンクであり、前記推進システムが、第２の推進薬を貯蔵する第２の貯蔵タンクをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の推進システム。
【請求項５】
前記ポンプが、前記第１の貯蔵タンクと流体連通する第１のポンプであり、前記推進システムが前記第２の貯蔵タンクと流体連通する第２のポンプをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の推進システム。
【請求項６】
前記第１のポンプおよび前記第２のポンプが、主燃焼用の前記第１の推進薬および前記第２の推進薬の流れを持続させるように、前記圧力タンクから選択的に放出される加圧剤によって駆動されることを特徴とする請求項５に記載の推進システム。
【請求項７】
前記加圧剤が、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプのうちの少なくとも一つを駆動するように前記タービンを通して膨張されることを特徴とする請求項６に記載の推進システム。
【請求項８】
前記加圧剤が、前記圧力タンク内に３．４４７ＭＰａ〜８２．７３７ＭＰａ（５００〜１２，０００ｐｓｉ）の範囲の圧力で貯蔵されることを特徴とする請求項６に記載の推進システム。
【請求項９】
前記第１の貯蔵タンク内のアレッジと、前記第２の貯蔵タンク内のアレッジと、が前記圧力タンクから選択的に放出される加圧剤によって調節されることを特徴とする請求項６に記載の推進システム。
【請求項１０】
ロケットエンジンの初始動後、圧力タンクからタービンへと加圧剤を選択的に放出し、
主燃焼用の推進薬の流れを持続させるように、前記タービンにより少なくとも一つのポンプを駆動する、
ことを備え、
前記少なくとも一つのポンプは、前記推進薬を貯蔵する推進薬貯蔵タンクの外側に配置され、前記圧力タンクと前記タービンとの間に燃焼器およびエネルギー増幅装置は無く、前記加圧剤は、前記推進薬の流れとは流体連通せず、前記タービンの出口から放出された前記加圧剤は、推力室アセンブリに放出されないことを特徴とする、推進システムの作動方法。
【請求項１１】
前記推進薬貯蔵タンク内のアレッジを調節するように前記加圧剤を選択的に放出することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の推進システムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１３年６月７日に出願された米国特許仮出願第６１／８３２，４２１号ならびに２０１３年６月１３日に出願された米国特許仮出願第６１／８３４，５６６号の優先権を主張するものであり、それぞれ全体を参照することにより援用される。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジンは、少なくとも一つの推進薬を燃焼させるように配置されており、通常、燃料および酸化剤を含んだ二元推進薬装置として配置される。
【０００３】
一つの周知のタイプのロケット推進薬装置は、推進薬を相対的に低圧で貯蔵するように構成された燃料タンクおよび酸化剤タンクを含む。このタイプの装置は、少なくとも一つのポンプと連通するタービンを含んだターボポンプをさらに含む。一例では、装置の初始動後、主燃焼状態が、ガスジェネレータからの排気により駆動されるタービンによって維持される（例えば、ガス−ジェネレータサイクル）。別の例では、タービンが熱交換器で加熱された流体によって駆動されて（例えば、エキスパンダサイクル）、主燃焼状態を維持する。
【０００４】
別の周知のタイプのロケットエンジンでは、一つ以上の貯蔵タンクに推進薬が相対的に高圧で貯蔵される。推進薬は、次いで貯蔵タンクから選択的に放出されて、ターボポンプで加圧されることなく燃焼室に供給される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一例の態様の推進システムが、特に、主燃焼用の推進薬の流れを持続させるためのポンプを駆動するように、圧力タンクから選択的に放出される加圧剤を含む。
【０００６】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、加圧剤が、圧力タンク内に５００〜１２，０００ｐｓｉの範囲で貯蔵される。
【０００７】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、加圧剤は、ポンプを駆動するようにタービンを通して膨張する。
【０００８】
本発明の別の一例の態様の推進システムが、特に、推進薬を貯蔵する貯蔵タンクと、加圧剤を貯蔵する圧力タンクと、推力を発生させるべく推進薬を燃焼させるように構成された推力室アセンブリと、貯蔵タンクと流体連通したポンプと、を含む。そのポンプは、主燃焼用の推進薬の流れを持続させるように、圧力タンクから選択的に放出される加圧剤によって駆動される。
【０００９】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、貯蔵タンクが、第１の推進薬を貯蔵する第１の貯蔵タンクであり、推進システムが、第２の推進薬を貯蔵する第２の貯蔵タンクをさらに備える。
【００１０】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、ポンプが、第１の貯蔵タンクと流体連通する第１のポンプであり、推進システムが第２の貯蔵タンクと流体連通する第２のポンプをさらに備える。
【００１１】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、第１のポンプおよび第２のポンプが、主燃焼用の第１の推進薬および第２の推進薬の流れを持続させるように、圧力タンクから選択的に放出された加圧剤によって駆動される。
【００１２】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、加圧剤が、第１のポンプおよび第２のポンプのうちの少なくとも一つを駆動するための機構を通して膨張される。
【００１３】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、その機構は、タービンである。
【００１４】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、加圧剤は、圧力タンク内に５００〜１２，０００ｐｓｉの範囲の圧力で貯蔵される。
【００１５】
前述の推進システムのこれに限定しない更なる実施例では、第１の貯蔵タンク内のアレッジおよび第２の貯蔵タンク内のアレッジが、圧力タンクから選択的に放出される加圧剤によって調節される。
【００１６】
本発明の一例の態様の方法が、加圧剤を選択的に放出し、主燃焼用の推進薬の流れを持続させるように、少なくとも一つのポンプを駆動することを含む。
【００１７】
前述の方法のこれに限定しない更なる実施例では、推進薬貯蔵タンク内のアレッジを調節するように、加圧剤が選択的に放出される。
【００１８】
前述の段落の実施例、例示、および代替例や、請求項、あるいは、種々の態様または各々の独立した特徴部のいずれかを含む、以下の記載や図面は、独立してあるいは組み合わせて用いられてもよい。一つの実施例に関連して記載される特徴部は、それらの特徴部が両立しうる限り、全ての実施例に対して適用してもよい。
【００１９】
図面を次のように概略的に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一例の推進システムを概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、推進システムの概略図を示す。この例では、推進システムはロケットエンジン１０である。図示のエンジン１０は例示のものである。本開示がロケットエンジンに限定されるものではなく、多くの種類の推進システムに拡張されることを理解されたい。本開示は、例として、ミサイル、空気吸入推進システム、および推進ブーストシステムとの関連において更に適用される。本開示は、例として、単元推進薬および複合推進薬システムに更に適用される。
【００２２】
エンジン１０は、推進薬（例えば、それぞれ燃料および酸化剤）を貯蔵するように構成された燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４と、ターボポンプ１６と、推進薬を燃焼させて推力を発生させるように構成された推力室アセンブリ１８と、を含む。エンジン１０は、ターボポンプ１６を駆動するのに使用される加圧剤（pressurant）を貯蔵するように構成された圧力タンク２０をさらに含む。
【００２３】
本発明により、貯蔵圧力駆動サイクル（stored pressure driven cycle）が提供されるが、これは一つには、以下に詳述するように主燃焼用の推進薬の流れを持続させるようにターボポンプ１６が「貯蔵加圧剤」（例えば、貯蔵タンクに貯蔵され、次いで放出されて、ターボポンプを駆動する加圧剤）によって駆動されるからである。特に、エンジン１０の初始動後（一部の例では、約数秒間持続）、主燃焼用の推進薬の流れ（一部の例では、約５００秒間持続）が、ターボポンプ１６を駆動するように圧力タンク２０から選択的に放出される加圧剤によって維持される。
【００２４】
引き続き図１の例を参照すると、燃料貯蔵タンク１２が第１の通路Ｃ１を通して燃焼推力室アセンブリ１８と流体連通するとともに、酸化剤貯蔵タンク１４が第２の通路Ｃ２を通して推力室アセンブリと流体連通している。燃料貯蔵タンク１２とターボポンプ１６との間に第１のバルブ２２が設けられて、第１の通路Ｃ１内の流体の流れを選択的に調節する。同様に、酸化剤貯蔵タンク１４とターボポンプ１６との間に第２のバルブ２４が設けられて、第２の通路Ｃ２内の流体の流れを選択的に調節する。
【００２５】
圧力タンク２０が第３の通路Ｃ３を経由してターボポンプ１６と流体連通している。圧力タンク２０とターボポンプ１６との間にバルブ２６が設けられて、第３の通路Ｃ３内の流体の流れを選択的に調節する。第１、第２および第３の通路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、それぞれ、複数の独立した導管を含みうることを理解されたい。さらに、この例ではバルブ２２，２４，２６をソレノイド弁として示したが、その他の種類のバルブを用いてもよい。
【００２６】
この例では、燃料貯蔵タンク１２は、水素またはメタンなどの燃料を貯蔵するが、その他の種類の燃料も本発明の範囲に包含される。酸化剤貯蔵タンク１４は、酸素または過酸化水素などの酸化剤を貯蔵するように構成されるが、その他の種類の酸化剤も本発明の範囲に包含される。
【００２７】
加圧剤は、一例では圧力タンク２０に最大約１２，０００ｐｓｉの圧力で貯蔵される。一例では、加圧剤は５００〜１２，０００ｐｓｉの範囲で貯蔵される。例示の加圧剤は、酸化窒素（ＮＯx）、ブタン、Tridyne、ヘリウムを含むが、本発明は特定の一種の加圧剤に限定されない。
【００２８】
燃料および酸化剤は、実質的に加圧剤よりも低い圧力で貯蔵される。加圧剤は、最大約１２，０００ｐｓｉの圧力で貯蔵されるが、燃料および酸化剤は、一例として、それぞれタンク１２，１４に約７０ｐｓｉの圧力で貯蔵される。
【００２９】
図１に戻ると、ターボポンプ１６は、少なくとも一つのタービンと、燃焼前の推進薬を加圧するように駆動させるために構成された少なくとも一つのポンプと、を含む。この例では、ターボポンプ１６は、第１の通路Ｃ１と流体連通する第１のポンプＰ１と、第２の通路Ｃ２と流体連通する第２のポンプＣ２と、第３の通路Ｃ３と流体連通するタービン２８と、を含む。しかしながら、ターボポンプ１６は、応用分野に応じて一つ以上のタービンと、一つ以上のポンプと、を含みうることを理解されたい。一例のターボポンプ１６は、タービン２８を第１および第２のポンプＰ１，Ｐ２に機械的に連結するシャフト３０をさらに含み、タービン２８の駆動によって第１および第２のポンプＰ１，Ｐ２を駆動する。本開示は、ポンプＰ１，Ｐ２の駆動にターボポンプ以外の機構が用いられるシステムに対してもさらに適用される。
【００３０】
推力室アセンブリ１８は、概して燃焼室３２と、スロート３４およびスカート３６を有するノズルと、を含む。周知のように、推進薬、この例では燃料および酸化剤が、燃焼のために燃焼室３２に供給される。次いで、燃焼生成物が膨張され加速されて、推進力が加えられる。
【００３１】
一例では、エンジン１０が、種々のバルブを選択的に制御し、かつエンジン１０の動作を更に制御する制御部３８を含む。しかしながら、制御部３８は必要ではなく、エンジン１０は制御部なしに作動しうる。一例では、エンジン１０は、チェックバルブやタイミング機構などの機械的調節技術を用いて作動する。
【００３２】
当業者に理解されるように、制御部３８は、エンジンからの入力を実時間で処理することが可能なマイクロプロセッサを含みうる。制御部３８は、ハードウェアおよびソフトウェアを含みうる。ハードウェアは、回路基板上の電子部品からなり、そのうちの一つはマイクロコントローラチップ（ＣＰＵ）である。制御部３８は、ソフトウェアを格納することが可能であるとともに、所望のように機能させるためにプログラムされるように構成されることが可能である。
【００３３】
エンジンの作動時、制御部３８は、圧力タンク２０内に貯蔵された加圧剤を、圧力タンク２０から選択的に放出させてタービン２８を通して膨張させるように、バルブ２２，２６，２８を選択的に調節するように構成される。次いでタービン２８が駆動シャフト３０を回転させ、この駆動シャフト３０は、燃料および酸化剤を加圧するようにポンプＰ１，Ｐ２を駆動する。次いで燃料および酸化剤が加圧されて、燃焼のために推力室アセンブリ１８に供給される。
【００３４】
タービン２８の下流では、タービン出口２８Ｏから放出される加圧剤は、燃焼室３２に供給される、あるいは燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４を加圧するように供給され（例えば、以下に述べるアレッジ調節システム４０を参照）、または外部に放出される。さらに、図示されないが、圧力タンク２０とタービン２８との間に燃焼器またはその他のエネルギー増幅装置を設けて、加圧剤を、タービン２８を通して膨張させる前にエネルギー増幅させてもよい。また本発明の範囲を逸脱することなく、追加の燃焼器またはエネルギー増幅装置を所望のようにエンジン１０の様々な位置に搭載させてもよい。
【００３５】
上述したように、燃料および酸化剤は加圧剤に比べて相対的に低圧で貯蔵され、それにより、燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４は、相対的に低圧用と見なされる材料および／またはタンク肉厚で形成することが可能となり、延いては安価かつ／または相対的に軽量のタンクを提供する。燃料および酸化剤は、相対的に低圧で貯蔵されるが、エンジン１０の効率的な動作のためにターボポンプ１６によって十分に加圧される。加圧剤は、圧力タンク内に相対的に高圧で貯蔵されるが、圧力タンク２０は、燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４の組み合わされた大きさに比べて相対的に小さい。したがって、エンジン動作の有効な水準を維持しながら、高圧で流体を貯蔵することに伴う不利益が最小限にされる。さらに、通常の液体ロケットエンジンサイクルに関連する複雑さが低減される。
【００３６】
本発明の別の態様では、エンジン１０がアレッジ（ullage）システム４０を含む。しかしながら、図示のアレッジシステム４０を必ずしも含む必要はなく、燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４内のアレッジをその他の方法で調節してもよい。一例のエンジン１０では、燃料および酸化剤の両方が各貯蔵タンク１２，１４内において液体状態に維持される。容器の上部の空槽部すなわちアレッジは、燃料および酸化剤がある一定の圧力で貯蔵されることを保証するように、ガスで充填される必要がある。
【００３７】
アレッジシステム４０は、タービン出口２８Ｏと、燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４と、の間に延在する第４の通路Ｃ４を含む。通路Ｃ１〜Ｃ３のように、第４の通路Ｃ４は、複数の独立した導管を含みうる。複数のバルブ４２，４４が、第４の通路Ｃ４と流体連通するように設けられる。制御部３８がバルブ４２，４４と通信して、必要に応じてタービン出口２８Ｏから燃料および酸化剤貯蔵タンク１２，１４へと加圧剤を供給するように構成されてもよい。２つのバルブ４２，４４を示したが、任意の数のバルブを設けても良い。本開示はさらに、通路Ｃ４が、通路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に沿ったその他の地点から延在するシステム、ならびに例えばタービン段の間などのその他の地点全体から延在するシステムにも適用される。
【００３８】
異なる実施例が図示の特定の構成要素を有するが、本発明の実施例はそれらの特定の組合せに限定されない。実施例の一つからの一部の構成要素または特徴部を、別の実施例からの特徴部または構成要素と組み合わせて使用することが可能である。
【００３９】
上記の実施例は例示であり、限定するものではないことが当業者にとって理解できるであろう。すなわち、本発明の変形例は特許請求の範囲に包含されるであろう。したがって、請求項の真の範囲および要旨を画定するように以下の特許請求の範囲を検討すべきである。
【図１】
0006573602.tif 000002