(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガスが流れるスロート部から下流側に向かって流路断面積が拡大する第１スカート部と、
該第１スカート部の下流側に位置し、下流側に向かって流路断面積が拡大する第２スカート部と、
前記第１スカート部の下流端を前記第２スカート部が隙間を空けて外周側から包囲する重複部と、
該重複部から前記第２スカート部の内壁面に沿って冷却媒体を流してフィルム冷却を行う冷却媒体供給部と、
前記重複部に設けられ、前記燃焼ガスの主流の流れ方向に軸線を有する縦渦を発生させる縦渦発生部と、
を備え、
前記縦渦発生部は、前記第２スカート部の周方向に所定間隔をおいて並べられていることを特徴とするロケットノズル。
【請求項２】
前記縦渦発生部は、前記重複部における前記第２スカート部の内壁面に設けられ、前記冷却媒体の下流側に向かって該内壁面から突出する突出量が増大するランプ部を備えた複数の突起部とされていることを特徴とする請求項１に記載のロケットノズル。
【請求項３】
各前記突起部の上流端及び下流端は、前記燃焼ガスの主流の流れ方向において位置が揃えられていることを特徴とする請求項２に記載のロケットノズル。
【請求項４】
燃焼ガスが流れるスロート部から下流側に向かって流路断面積が拡大する第１スカート部と、
該第１スカート部の下流側に位置し、下流側に向かって流路断面積が拡大する第２スカート部と、
前記第１スカート部の下流端を前記第２スカート部が隙間を空けて外周側から包囲する重複部と、
該重複部から前記第２スカート部の内壁面に沿って冷却媒体を流してフィルム冷却を行う冷却媒体供給部と、
前記重複部に設けられ、前記燃焼ガスの主流の流れ方向に軸線を有する縦渦を発生させる縦渦発生部と、
を備え、
前記縦渦発生部は、前記第１スカート部の下流端に形成され、該第１スカート部の延在方向に突出する複数の突出部とされていることを特徴とするロケットノズル。
【請求項５】
燃焼ガスが流れるスロート部から下流側に向かって流路断面積が拡大する第１スカート部と、
該第１スカート部の下流側に位置し、下流側に向かって流路断面積が拡大する第２スカート部と、
前記第１スカート部の下流端を前記第２スカート部が隙間を空けて外周側から包囲する重複部と、
該重複部から前記第２スカート部の内壁面に沿って冷却媒体を流してフィルム冷却を行う冷却媒体供給部と、
前記重複部に設けられ、前記燃焼ガスの主流の流れ方向に軸線を有する縦渦を発生させる縦渦発生部と、
を備え、
前記縦渦発生部は、前記重複部に設けられ、前記第１スカート部の外壁面と前記第２スカート部の内壁面との間に設けられた壁体とされ、
該壁体には、縦渦を発生するように旋回を与える旋回孔と、前記第２スカート部の内壁面側にフィルム冷却を行う前記冷却媒体を流すフィルム冷却孔とが形成されていることを特徴とするロケットノズル。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のロケットノズルを備えていることを特徴とするロケットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スカート部の冷却を行うロケットノズル及びこれを備えたロケットエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ロケットエンジンに設けられるロケットノズルは、高温燃焼ガスに曝されることから、積極的な冷却が求められる。例えば、特許文献１には、ロケットノズルの壁部内に冷却通路を形成し、この冷却通路内に冷却媒体である燃料を流す構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２６４０３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のような冷却方式と異なり、低コストな冷却方式として、ロケットノズルの内壁面に沿って膜上に冷却媒体を流すフィルム冷却がある。ところが、ロケットノズルのような凹面上の流れでは、不安定性から縦渦が生じる。ここで、縦渦とはロケットノズル内を流れる燃焼ガスの流れ方向に軸線を有する渦を意味する。
縦渦は、ロケットノズルの内壁面に向かって旋回するが、隣り合う縦渦が合流して内壁面に向かう位置では壁面における熱流束が大きくなる。これとは逆に、隣り合う縦渦が合流して内壁面から遠ざかる位置では壁面における熱流束は小さくなる。したがって、ロケットノズルの壁面上の熱流束に周方向分布が生じることになる。
縦渦は、ロケットノズルの周方向のどの位置に発生するのか予測できないため、安全側での余裕を持った冷却流量が必要となる。そうすると、高熱流束位置での壁面温度を目標値まで低下させるようにするため、全体の冷却流量が大きくなる。一方、低熱流束位置では過剰冷却となり、冷却媒体（例えば燃料）の無駄使いとなってしまう。そうすると、冷却媒体の無駄使いに対応する量だけペイロード質量の低下を招いてしまう。また、冷却媒体として燃料を用いた場合には、ロケット燃料タンクが大きくなり、打ち上げ質量の増加となり、さらにペイロード質量の低下を招いてしまう。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、フィルム冷却を行う際に縦渦によって生じる熱流束分布を可及的に抑えることができるロケットノズル及びこれを備えたロケットエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のロケットノズル及びこれを備えたロケットエンジンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるロケットノズルは、燃焼ガスが流れるスロート部から下流側に向かって流路断面積が拡大する第１スカート部と、該第１スカート部の下流側に位置し、下流側に向かって流路断面積が拡大する第２スカート部と、前記第１スカート部の下流端を前記第２スカート部が隙間を空けて外周側から包囲する重複部と、該重複部から前記第２スカート部の内壁面に沿って冷却媒体を流してフィルム冷却を行う冷却媒体供給部と、前記重複部に設けられ、前記燃焼ガスの主流の流れ方向に軸線を有する縦渦を発生させる縦渦発生部とを備え、前記縦渦発生部は、前記第２スカート部の周方向に所定間隔をおいて並べられていることを特徴とする。
【０００７】
第１スカート部に対して第２スカート部が外周側から包囲する重複する重複部に、縦渦を発生させる縦渦発生部を備えているので、重複部よりも下流側すなわち第２スカート部の内壁面近傍に発生させた縦渦の位置を固定することができる。このように縦渦の位置を固定できるので、熱流束が大きい第２スカート部の壁面位置を予め見積もることができ、重複部から流してフィルム冷却を行う冷却媒体の量を必要十分に設定して熱流束分布を抑えることができる。
【０００８】
さらに、本発明のロケットノズルでは、前記縦渦発生部は、前記重複部における前記第２スカート部の内壁面に設けられ、前記冷却媒体の下流側に向かって該内壁面から突出する突出量が増大するランプ部を備えた複数の突起部とされていることを特徴とする。
さらに、各前記突起部の上流端及び下流端は、前記燃焼ガスの主流の流れ方向において位置が揃えられていても良い。
【０００９】
重複部における前記第２スカート部の内壁面に、ランプ部を備えた複数の突起部が設けられているので、突起部の下流側には縦渦が形成される。そして、隣り合うそれぞれの突起部にて形成された縦渦が合流して第２スカート部の内壁面に向かう流れを形成する。これにより、縦渦の位置を固定するとともに、第２スカート部の内壁面において熱流束が大きい位置が決定されるので、有効にフィルム冷却を行うことができる。
【００１０】
さらに、本発明のロケットノズルでは、前記縦渦発生部は、前記第１スカート部の下流端に形成され、該第１スカート部の延在方向に突出する複数の突出部とされていることを特徴とする。
【００１１】
第１スカート部の下流端に、第１スカート部の延在方向に突出する複数の突出部を設けたので、隣り合う突出部の間の切り欠いた位置に燃焼ガスまたは冷却媒体が突出部を巻き込むように流れ、縦渦が形成される。これにより、縦渦の位置を固定するとともに、第２スカート部の内壁面において熱流束が大きい位置が決定されるので、有効にフィルム冷却を行うことができる。
なお、燃焼ガスよりも冷却媒体の圧力が高い場合には、冷却媒体が突出部の外壁面側から内壁面側に流れ込む。これとは逆に、冷却媒体よりも燃焼ガスの圧力が高い場合には、燃焼ガスが突出部の内壁面側から外壁面側に流れ込む。
【００１２】
さらに、本発明のロケットノズルでは、前記縦渦発生部は、前記重複部に設けられ、前記第１スカート部の外壁面と前記第２スカート部の内壁面との間に設けられた壁体とされ、該壁体には、縦渦を発生するように旋回を与える旋回孔と、前記第２スカート部の内壁面側にフィルム冷却を行う前記冷却媒体を流すフィルム冷却孔とが形成されていることを特徴とする。
【００１３】
第１スカート部の外壁面と第２スカート部の内壁面との間に設けた壁体に、縦渦を発生するように旋回を与える旋回孔を設けたことにより、縦渦の位置を固定させることができる。そして、壁体に、第２スカート部の内壁面に対してフィルム冷却を行うフィルム冷却孔を設けたことにより、旋回孔で与えた縦渦によって与えられる高熱流束とされた位置にフィルム冷却を行うことができる。このように、縦渦の位置を固定するとともに、第２スカート部の内壁面において熱流束が大きい位置が決定されるので、有効にフィルム冷却を行うことができる。
旋回孔としては、孔の内壁面に螺旋溝を設けて旋回を与えるものや、旋回方向に向けて噴出する小孔を複数設け、複数の小孔によって縦渦を形成するものなどが挙げられる。
【００１４】
また、本発明のロケットエンジンは、上記のいずれかに記載のロケットノズルを備えていることを特徴とする。
【００１５】
上記のいずれかのロケットノズルを備えているので、第２スカート部のフィルム冷却に必要十分な冷却媒体を搭載するだけで済み、ペイロード質量の低下を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１６】
縦渦発生部によって縦渦の位置を固定できるので、熱流束が高い壁面位置を予め見積もることができ、フィルム冷却を行う冷却媒体の量を必要十分に設定して熱流束分布を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロケットノズルを示した概略縦断面図である。
【図２】第２スカート部の内壁面側に形成される縦渦を示し、併せて熱流束分布を示した模式図である。
【図３】第１スカート部と第２スカート部との重複部を示した縦断面図である。
【図４】図３の突起部を示した斜視図である。
【図５】図４の変形例を示した斜視図である。
【図６】第１スカート部と第２スカート部との重複部を示し、流れの下流側から上流側を見た横断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るロケットノズルの第１スカート部と第２スカート部との重複部あたりを示した斜視図である。
【図８】図７の縦断面図である。
【図９】図７の横断面図である。
【図１０】図７の突出部を示した平面図である。
【図１１】図１０の突出部の変形例を示した平面図である。
【図１２】図１０の突出部の変形例を示した平面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態に係るロケットノズルの第１スカート部と第２スカート部との重複部あたりを示した縦断面図である。
【図１４】図１３の横断面図である。
【図１５】第３実施形態の変形例を示した縦断面図である。
【図１６】図１５の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
図１には、ロケットエンジンに設けられたロケットノズル１が示されている。ロケットノズル１は、軸線Ｌ周りに回転対称とされた外形状を有している。燃焼ガスは、同図において左から右に流れる。
【００１９】
ロケットノズル１には、スロート３が設けられており、このスロート３にて流路断面積が最も小さくなる。スロート３の燃焼ガス流れ下流側には、第１スカート部５が接続されている。第１スカート部５は、燃焼ガス流れ下流側に向かって流路断面積が漸次拡大する形状となっている。第１スカート部５の下流側には、第２スカート部７が設けられている。第２スカート部７は、燃焼ガス流れ下流側に向かって流路断面積が漸次拡大する形状となっている。
【００２０】
第１スカート部５の下流端は、第２スカート部７の上流端によって外周側から包囲されており、この位置に重複部９が形成される。
重複部９において、第１スカート部５と第２スカート部７との間には隙間が形成されており、この隙間を介して、冷却媒体供給部（図示せず）から導かれたロケットエンジンの燃料である水素ガス（冷却媒体）が供給される（矢印Ｆ１参照）。水素ガスは、第２スカート部７の内壁面に沿って膜状に流れてフィルム冷却を行う。このフィルム冷却によって、燃焼ガス（矢印Ｆ２参照）から第２スカート部７に向かう熱流束を抑制する。
【００２１】
図２には、縦渦によって熱流束の分布が生じる状態が示されている。同図は、流れ方向の下流側から上流側を見た図であり、第２スカート部７の一部分を拡大して示している。第２スカート部７の図において上方が燃焼ガスが流れる第２スカート部７の内部である。第２スカート部７の下方に示された曲線は、熱流束分布を示している。熱流束分布は、図において上方ほど熱流束が大きいことを示す。
図２に示されているように、縦渦Ｖは、燃焼ガス流れ方向に軸線を有して旋回しており、歯車のように隣り合う縦渦Ｖと同じ方向となるようになっている。したがって、位置Ｐ１では、隣り合う縦渦Ｖの流れが何れも第２スカート部７の壁面に向かっているので、熱流束が大きくなる。一方、位置Ｐ２では、隣り合う縦溝Ｖの流れが何れも第２スカート部７の壁面から遠ざかる方向に向かうので、熱流束が小さくなる。
本実施形態では、このように形成される熱流束の周方向分布を固定化することによって、フィルム冷却による冷却を有効にする。
【００２２】
図３には、図１に示したＡ部の詳細が示されている。すなわち、同図には、第１スカート部５と第２スカート部７との重複部９あたりの詳細が示されている。
重複部９には、より具体的には第２スカート部７の内壁面７ａ上には、突起部（縦渦発生部）１０が設けられている。突起部１０は、水素ガス流れＦ１の下流側に向かって内壁面７ａから突出する突出量が増大して傾斜するランプ部１０ａを有している。すなわち、図３に示すように、突起部１０の縦断面は三角形形状とされている。
【００２３】
突起部１０は、図４に示すように、横断面が矩形断面を有する形状とされている。ただし、突起部１０は、この形状に限定されるものではなく、ランプ部１０ａを有して縦渦を形成できるものであれば良く、例えば図５に示すように、横断面が台形とされた形状とされていても良い。
【００２４】
図３に示すように、突起部１０の下流端は、第１スカート部５の下流端５ａよりも上流側に位置していることが好ましい。第１スカート部５の下流端５ａを超えて第２スカート部７側に流れてくる燃焼ガスによる焼損を避けるためである。
【００２５】
図６に示すように、突起部１０は、第２スカート部７の周方向に所定間隔をおいて並べられている。そして、同図に示されているように、突起部１０によって形成された縦渦Ｖは、突起部１０の側方へと旋回し、隣り合う突起部１０縦渦Ｖと同一方向に流れ、第２スカート部７の内壁面７ａへと向かう。したがって、突起部１０間に熱流束が大きい領域が形成されることになる。この熱流束が大きい突起部１０間には、フィルム冷却を行う水素ガスが第２スカート部７の内壁面７ａに沿って導かれる領域なので、十分に冷却を行うことができる。また、突起部１０の下流側には、図４に符号Ｆ１で示すように、フィルム冷却を行う水素ガスが周り込むので、この部分の冷却も十分に行うことができる。
【００２６】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
第１スカート部５と第２スカート部７とが重なり合う重複部９に突起部１０を設けて下流側に縦渦を発生させることとしたので、重複部９よりも下流側すなわち第２スカート部７の内壁面７ａ近傍に発生させた縦渦の位置を固定することができる。このように縦渦の位置を固定できるので、熱流束が大きい第２スカート部７の壁面位置を予め見積もることができ、フィルム冷却を行う水素ガスの量を必要十分に設定して熱流束分布を抑えることができる。
【００２７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図７〜図１２を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して縦渦を形成する構成が異なり、その他の点については基本的に同様である。したがって、以下の説明では同一の構成については共通符号を付しその説明を省略する。
【００２８】
本実施形態では、第１実施形態で用いた突起部１０を用いずに縦渦を形成する。したがって、第２スカート部７には突起部が設けられていない。
図７に示すように、第１スカート部５の下流端５ａには、第１スカート部５の延在方向に突出する突出部（縦渦発生部）１２が設けられている。隣り合う突出部１２間には、隙間となる切欠部１３が形成されている。突出部１２は、周方向に並んで複数設けられている。
【００２９】
水素ガス流れＦ１の圧力が燃焼ガス流れＦ２の圧力よりも高い場合には、同図に示されているように、矢印Ｖで示すように、水素ガスが切欠部１３から燃焼ガス側に流れる。これにより、水素ガスが突出部１２を巻き込む流れが形成されて縦渦が発生する。この状態が図８には縦断面視として示されており、図９には横断面視として示されている。
【００３０】
突出部１２の形状は、図１０に示されているように、第１スカート部５を平面視した場合に、下流側に向かって先細りとされた台形とされている。ただし、突出部１２は、この形状に限定されるものではなく、例えば図１１に示すように台形の間隔を狭めて切欠部１３を三角形状としたものでもよく、また図１２に示すように長方形としたものでもよい。すなわち、第１スカート部５の下流部５ａを平面視した場合に、ジグザグ形状となっていれば良い。
【００３１】
水素ガスによるフィルム冷却は、第１実施形態と同様に行われ、第２スカート部７の内壁面７ａに沿って水素ガスが膜状に流れる。
【００３２】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
第１スカート部５の下流端５ａに、第１スカート部５の延在方向に突出する複数の突出部１２を設けたので、隣り合う突出部１２の間の切欠部１３に燃焼ガスまたは水素ガスが突出部１２を巻き込むように流れ、縦渦が形成される。これにより、縦渦の位置を固定するとともに、第２スカート部７の内壁面７ａにおいて熱流束が大きい位置が決定されるので、有効にフィルム冷却を行うことができる。
なお、本実施形態では、燃焼ガスよりも水素ガスの圧力が高い場合にについて説明したが、これとは逆に、水素ガスよりも燃焼ガスの圧力が高い場合には、燃焼ガスが突出部１２の内壁面側から外壁面側に流れ込む。この場合でも、縦渦の位置は固定されるので、同様に有効なフィルム冷却を行うことができる。
【００３３】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図１３〜図１６を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して縦渦を形成する構成が異なり、その他の点については基本的に同様である。したがって、以下の説明では同一の構成については共通符号を付しその説明を省略する。
【００３４】
本実施形態では、第１実施形態で用いた突起部１０を用いずに縦渦を形成する。したがって、第２スカート部７には突起部が設けられていない。
図１３及び図１４に示すように、第１スカート部５と第２スカート部７とが重なり合う重複部９には、第１スカート部５の外壁面５ｂと第２スカート部７の内壁面７ａとの間に壁体１５が設けられている。この壁体１５は、周方向全体にわたって設けられている。図１３に示しているように、壁体１５は第１スカート部５の下流端５ａに合わせた流れ方向位置に設定されている。ただし、スカート部５の下流端５ａよりも上流側に位置させても良い。
【００３５】
壁体１５には、周方向に所定間隔を空けて複数の旋回孔１７が形成されている。旋回孔１７は、円形の横断面を有し、その内周面には、所定の回転方向に形成された螺旋溝が形成されている。この螺旋溝の回転方向によって、旋回孔１７内を流れる水素ガスに対して旋回を与える。具体的には、図１４に示すように、隣り合う旋回孔１７がそれぞれ逆の旋回方向となるように螺旋溝を形成する。これにより、旋回孔１７によって形成された縦渦Ｖが第２スカート部７の内壁面７ａに向かう位置が熱流束が高い位置となる。この熱流束が高くなる位置に対応させて、フィルム冷却を行う水素ガスを流すフィルム冷却孔１９を形成する。このフィルム冷却孔１９から流出する水素ガスによって熱流束が高い位置の冷却が重点的に行われる。
【００３６】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
第１スカート部５の外壁面５ｂと第２スカート部７の内壁面７ａとの間に設けた壁体１５に、縦渦を発生するように旋回を与える旋回孔１７を設けたことにより、縦渦の位置を固定させることができる。そして、壁体１５に、第２スカート部７の内壁面７ａに対してフィルム冷却を行うフィルム冷却孔１９を設けたことにより、旋回孔１７で与えた縦渦によって与えられる高熱流束とされた位置にフィルム冷却を行うことができる。このように、縦渦の位置を固定するとともに、第２スカート部７の内壁面７ａにおいて熱流束が大きい位置が決定されるので、有効にフィルム冷却を行うことができる。
【００３７】
図１５及び図１６には、旋回孔１７の変形例が示されている。
上述した旋回孔１７は１つの孔で１つの旋回孔を形成しているが、本変形例では複数の小孔によって１つの旋回孔を形成する。具体的には、図１６に示されているように、４つの小孔１７ａ，ｂ，ｃ，ｄを一定の旋回方向に傾斜させて形成する。これにより、４つの小孔１７ａ，ｂ，ｃ，ｄによって一方向の回転方向を有する縦渦を形成することができる。したがって、隣り合う縦渦が第２スカート部７の内表面７ａを向いている位置にフィルム冷却孔１９を設ける点は上述のフィルム冷却孔１９と同様である。
なお、小孔１７ａ，ｂ，ｃ，ｄは、４つに限定されるものではなく、３つでも良いし、５つ以上であっても構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１  ロケットノズル
３  スロート
５  第１スカート部
７  第２スカート部
９  重複部
１０  突起部（縦渦発生部）
１２  突出部（縦渦発生部）
１３  切欠部（縦渦発生部）
１５  壁体（縦渦発生部）
１７  旋回孔
１９  フィルム冷却孔
Ｌ  軸線
【図１】
0006615569.tif 000002
【図２】
0006615569.tif 000003
【図３】
0006615569.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006615569.tif 000006
【図６】
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【図７】
0006615569.tif 000008
【図８】
0006615569.tif 000009
【図９】
0006615569.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0006615569.tif 000013
【図１３】
0006615569.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0006615569.tif 000016
【図１６】
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