(57)【要約】【課題】燃焼室の熱負荷分布に応じた最適量の冷却剤を簡便な方法によって分配供給することにより性能低下を最小限に止め、更には耐久性の向上、構造の単純化、軽量化および費用の低減が期待できる滲み出し冷却ロケット燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼室ライナー２２およびノズルライナー３２の材料に通気性を有すると同時に優れた耐熱性と高温強度を併せ持ったC/C複合材を用い、ライナーの厚さを変えることによって、あるいはシリカガラスの含浸・被覆またはC/C複合材の持つ透過性の異方性を利用して、Κliner・ΔＰ／ｔで表される冷却剤の透過流束ｑcoolを燃焼室の熱負荷分布に対し相似になるように設定する。【選択図】図５
2008101534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室壁およびノズル壁を遮熱するライナーの厚さをｔと、該ライナーの冷却剤に対する透過係数をＫlinerと、前記燃焼室壁または前記ノズル壁と該ライナーとの間に形成された冷却剤供給路から燃焼室へ滲み出る際の冷却剤の供給差圧をΔＰとする時、Ｋliner×ΔＰ／ｔで表される冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolは、燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されていることを特徴とする滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項２】
前記ライナーの厚さｔ、前記冷却剤に対する透過係数Ｋlinerまたは前記冷却剤の供給差圧ΔＰの内、該供給差圧ΔＰが小さいところでは前記ライナーの厚さｔ若しくは前記透過係数Ｋlinerまたは双方を制御することにより、他方、前記供給差圧ΔＰが大きいところでは前記透過係数Ｋlinerを制御することにより前記冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolを、前記燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されている請求項１に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼器の噴射器面からノズルスロート部までは前記ライナーの厚さｔを変化させることによって、一方、前記ノズルスロート部からノズル出口までは前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerを変化させることによって、前記冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolは、前記燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されている請求項１又は２に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項４】
前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーにペルヒドロポリシラザン（＝perhydropolysilazane、以下「PHPS」と略称する。）溶液を塗布・含浸させてシリカを生成させることから成る請求項１から３の何れかに記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項５】
前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーを構成する透過性材料の透過性に関する積層異方性を利用することから成る請求項１から３の何れかに記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項６】
前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーを構成する透過性材料の透過性に関する積層異方性を利用すること並びに該ライナーに前記PHPS溶液を塗布・含浸させてシリカを生成させることから成る請求項４又は５に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【請求項７】
前記ライナーの材質は、C/C複合材から成る請求項１から６の何れかに記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、滲み出し冷却ロケット燃焼器、特に、燃焼室の熱負荷分布に応じた最適量の冷却剤を簡便な方法によって分配供給することにより性能低下を最小限に止め、更には耐久性の向上、構造の単純化、軽量化および費用の低減が期待できる滲み出し冷却ロケット燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体ロケットエンジンの燃焼室壁への熱負荷は実用燃焼機器の中では最も高く、１００ＭＷ/ｍ２を超えるものも見られる。このため、燃焼室の冷却の良否はエンジンの信頼性、耐久性に大きく影響し、また冷却方式は製作コストと密接に関係する。通常、このような高熱負荷による燃焼室壁の熔融・焼損を防止するために燃料による再生冷却が行われる（例えば、下記特許文献１の図３および図４を参照。）。この方法は銅合金あるいはニッケル合金等の金属で形成された燃焼室壁内に多数の冷却剤用の流路を設け、そこに燃焼に供する前の燃料を冷却剤として通して冷却するものである。この方式は構造が複雑であり、更には特殊な合金等を使用することもあって製作コストが非常に高い反面、冷却特性上場所によって壁厚１ｍｍ以下が要求されるため、エンジンの起動・停止時に燃焼室壁に作用する大きな応力のために耐久性はさほど良好ではない。その耐久性は使い捨て型宇宙輸送機に対しては充分であっても、将来実現が期待されている再使用型宇宙輸送機用としては格段の耐久性向上が求められると考えられる。在来型燃焼室の耐久性向上を図る試みはこれまでに多数行われて来ているが、大幅な改善を得たとの報告は見られないため、新たな方式によるブレークスルーが望まれる。
透過性(通気性、浸透性)材料から冷却剤を滲み出させて燃焼室壁を冷却する滲み出し冷却法は従来から知られている技術であるが、高熱負荷の場合に適用した場合には燃焼室の熔融・焼損を招き易く、またこれを防止しようとして冷却剤流量を増加させると性能の低下が著しくなり実用上問題がある。しかしながら、滲み出し冷却は、基本的に構造を極めて単純に出来る特徴を持っている。透過性を有する燃焼室ライナーの材料としては従来、主として焼結等によって作られる多孔性金属材料が使用されてきたために耐熱性が低いこと、更には燃焼室の熱負荷分布に応じて適切な冷却剤の分配を行うためには複雑な構造が必要となる等の問題のために、滲み出し冷却法の利点を十分に活かすことが出来なかった。このような問題を簡便な方法によって解消することが出来れば、性能の低下を最小限に抑え、滲み出し冷却法が本来持っている単純な構造を活かして軽量化、製作コストの低減等を図った燃焼室を実現できる。
ところで、炭素繊維強化炭素複合材(C/C複合材)は軽量であり優れた耐熱性と高温強度を有するために、これを航空機あるいは宇宙輸送機等のエンジン部材に適用することを目指した研究が近年盛んになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２０７９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した通り、従来の滲み出し冷却を採用したロケット燃焼器では、特に高熱負荷の場合に、燃焼室の熔融・焼損を招き易く、これを防止するために冷却剤の滲み出し流量を増加させるとエンジン性能の低下が著しくなって実用上問題がある。これは冷却剤を滲み出させるための燃焼室ライナーが耐熱性の不十分な多孔性金属材料製であるため、熔融・焼損を防止するために多量の冷却剤を滲み出させる結果、燃焼に関与しない推進剤の割合が増加して燃焼性能の低下を招くためである。
しかし、これを改善するために燃焼室の熱負荷分布に応じて適切に冷却剤を分配しようとすると構造が複雑になって低コストでの製作が困難となる。この問題を解決するためには、燃焼室ライナーの耐熱性の向上および簡便な方法による燃焼室熱負荷分布に応じた適切な冷却剤の分配方法が求められる。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、C/C複合材の長所に加えてその透過性に着目し、C/C複合材を滲み出し冷却ロケット燃焼室のライナー材料として使用し、更にロケット燃焼室内の圧力分布特性を利用することによって、あるいはC/C複合材の透過性を好ましい値に制御することによって容易に燃焼室の熱負荷分布に応じた冷却剤の分配を行うことが出来る滲み出し冷却ロケット燃焼器を提供し、従来の滲み出し冷却ロケット燃焼器の欠点を解消することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために請求項１に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、燃焼室壁およびノズル壁を遮熱するライナーの厚さをｔと、該ライナーの冷却剤に対する透過係数をＫlinerと、前記燃焼室壁または前記ノズル壁と該ライナーとの間に形成された冷却剤供給路から燃焼室へ滲み出る際の冷却剤の供給差圧をΔＰとする時、Ｋliner×ΔＰ／ｔで表される冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolは、燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されていることを特徴とする。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、冷却剤のライナーからの透過流束を燃焼室壁またはノズル壁の熱負荷分布に対し相似となるように構成することにより、熱負荷の大きいところに対しては冷却剤の透過流束が大きくなり、一方熱負荷の小さいところに対しては冷却剤の透過流束が小さくなり、その結果、燃焼室壁またはノズル壁の熱負荷分布に応じた最適な冷却剤の分配が可能となり、滲み出し冷却に伴う燃焼器の性能低下を最小限に抑えることが可能となる。
【０００６】
請求項２に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記ライナーの厚さｔ、前記冷却剤に対する透過係数Ｋlinerまたは前記冷却剤の供給差圧ΔＰの内、該供給差圧ΔＰが小さいところでは前記ライナーの厚さｔ若しくは前記透過係数Ｋlinerまたは双方を制御することにより、他方、前記供給差圧ΔＰが大きいところでは前記透過係数Ｋlinerを制御することにより前記冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolを、前記燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されていることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、簡便な方法で燃焼室の熱負荷分布に応じた冷却剤の最適分配が達成されることになる。
【０００７】
請求項３に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記燃焼器の噴射器面からノズルスロート部までは前記ライナーの厚さｔを変化させることによって、一方、前記ノズルスロート部からノズル出口までは前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerを変化させることによって、前記冷却剤のライナーからの透過流束ｑcoolは、前記燃焼室の軸方向に対する熱負荷分布に対し相似となるように構成されていることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、重量の増加を抑えた上で、冷却剤のライナーからの透過流束を燃焼室の熱負荷部分布に対し相似にし、燃焼室の熱負荷分布に応じた冷却剤の最適分配が好適に達成されることになる。
【０００８】
請求項４に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーに前記PHPS溶液を塗布・含浸させてシリカを生成させることから成ることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、重量の増加を抑えた上で、冷却剤のライナーからの透過流束を燃焼室の熱負荷分布に対し相似になるように、ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerを好適に設定することが出来る。
【０００９】
請求項５に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーを構成する透過性材料の透過性に関する積層異方性を利用することから成ることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、重量の増加を抑えた上で、冷却剤のライナーからの透過流束を燃焼室の熱負荷分布に対し相似になるように、ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerを好適に設定することが出来る。
【００１０】
請求項６に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerの最適設定は、該ライナーを構成する透過性材料の透過性に関する積層異方性を利用すること並びに該ライナーに前記PHPS溶液を塗布・含浸させてシリカを生成させることから成ることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、重量の増加を抑えた上で、冷却剤のライナーからの透過流束を燃焼室の熱負荷分布に対し相似になるように、ライナーの冷却剤に対する透過係数Ｋlinerを好適に設定することが出来る。
【００１１】
請求項７に記載の滲み出し冷却ロケット燃焼器では、前記ライナーの材質は、C/C複合材から成ることとした。
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器では、上記構成とすることにより、ライナーの耐熱性が好適に向上するようになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の滲み出し冷却ロケット燃焼器によれば、滲み出し冷却に伴う性能の低下を最小限に抑えつつ軽量で高熱負荷に対応可能なロケット燃焼器を低コストで提供し得るようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の滲み出し冷却ロケット燃焼器１００を示す説明図である。なお、図１の（ａ）は要部断面図であり、同（ｂ）はＡ部詳細図である。
この滲み出し冷却ロケット燃焼器１００は、燃料と酸化剤を燃焼室に供給するインジェクター部１０と、燃料と酸化剤が混合し燃焼反応が起こる燃焼室部２０と、燃焼反応で生じた高温高圧の燃焼ガスを超音速で外部に噴出するノズル部３０とから成る。
【００１５】
インジェクター部１０は、噴射される推進剤の状態に応じて、同軸型あるいは衝突型等の適切な噴射エレメントを採用する。燃料としては水素ガスあるいは炭化水素を、他方、酸化剤としては液体酸素を想定している。本実施例では燃料の状態はガスであり酸化剤の状態は液体であるが、噴射される推進剤の状態はガスまたは液体のどちらであっても良い。
【００１６】
燃焼室部２０は、例えば外筒の燃焼室壁２１と、内筒の燃焼室ライナー２２とが二重壁構造を成して、外筒の内周面と内筒の外周面とによって冷却剤が流れる冷却剤流路２３が形成されている。なお、燃焼室ライナー２２の詳細については後述するが、いわゆる耐熱性かつ透過性材料からなり、燃焼室の熱負荷分布に応じた最適な量の冷却剤が燃焼室ライナー２２を通して燃焼室２４に滲み出るように構成されている。これにより、燃焼室部２０の耐熱性が向上すると共に燃焼室壁の冷却に使用される燃料が最適化されるため、冷却に伴う燃焼器の性能低下を最小限に抑えることが出来るようになる。因みに燃焼室ライナー２２の材質としては、例えば2D−C/C複合材((株)アクロス製AC200材)を使用することが出来る。
【００１７】
ノズル部３０は、例えばベルノズルあるいはコニカルノズルで、燃焼室部２０と同様にノズル壁３１及びノズルライナー３２の二重壁構造を成している。ノズルライナー３２も、燃焼室ライナー２２と同様にノズル壁３１の熱負荷分布に応じた最適な量の冷却剤がノズルライナー３２を通してノズル内部に滲み出るように構成されている。
【００１８】
先ず、本発明が解決しようとする課題の一つである燃焼室ライナー２２及びノズルライナー３２の耐熱性向上については、ライナーの材質を従来の銅合金（融点:約１０００℃）あるいはニッケル合金（融点:約１４５０℃）から上記C/C複合材（昇華点:約４０００℃、圧力が約２０ＭＰａ以下では融点無し）に変更することによって解決することが出来る。この場合、銅合金およびニッケル合金の密度が約９g/cm3であるのに対して、C/C複合材の密度は約１.７g/cm3と極めて小さいため、上記C/C複合材に変わることによって燃焼室ライナー２２及びノズルライナー３２の重量が大幅に軽量化され、ひいては燃焼器全体の重量も大幅に軽量化されることになる。
【００１９】
図２から図５は、燃焼室の熱負荷分布に応じた冷却剤の最適分配例を示す説明図である。図２は燃焼室の熱負荷分布を計測するための供試体であり、図３は計測された熱負荷分布の一例であり、図４は燃焼室内からノズル内にかけての静圧分布を示し、図５は透過性材料の積層異方性およびPHPS処理による透過係数の制御例を示す説明図である。
【００２０】
さて、残りの課題である簡便な方法による冷却剤の適切な分配については次のように解決することが出来る。一般に、ロケット燃焼室壁の熱負荷は、燃焼室内の局所的な燃焼ガスの圧力、速度および物性等に支配され場所によって異なっている。一例として、図２に示すロケット燃焼器の供試体に関する燃焼室壁の熱負荷分布は、図３のようになる。熱負荷は噴射器面から下流に向かって徐々に増加してノズルスロート部付近で最大値に達した後、急激に低下する。その値は場所によっては１０倍以上も異なっている。このため、燃焼室壁を効率良く冷却するには、その場所での熱負荷に応じて壁面から滲み出させる冷却剤の量を適切に分配させる必要がある。すなわち、局所の冷却剤の透過流束(単位面積、単位時間あたりの流量)の分布を、図３に示した熱負荷分布と相似な形状に設定する必要がある。一方、燃焼室内では燃焼ガスがノズルスロート部を通して亜音速流から超音速流に加速されるのに伴って燃焼ガスの圧力は大きく低下する。図２に示したロケット燃焼器の供試体の燃焼ガスに関する圧力分布の一例を図４に示す。
透過性を持った燃焼室ライナー２２またはノズルライナー３２を通して内部に滲み出す冷却剤の流束は次式で表される。ｑcool＝Κliner・ΔＰ／ｔ
ここで、
ｑcool：冷却剤の透過流束
Κliner：ライナー材の透過係数
ΔＰ：ライナーを通しての圧力差
ｔ：ライナーの厚さ
である。
ライナー材の透過係数Κlinerが一定の場合には、冷却剤の透過流束ｑcoolはΔＰ/ｔに比例するため、適切な量の冷却剤を滲み出させるためには燃焼室の流れ方向に沿ったΔＰ/ｔの分布を図３に示した熱負荷分布と相似な形にすれば良い。しかしながら、通常は冷却剤の供給圧が一定であるのに対して、燃焼室内の圧力は前述したようにノズルスロート部から下流にかけて急激に低下するため、ΔＰはノズルスロート部から下流にかけて急激に増大する。前述の図４には一例として、冷却剤の供給圧を８[ＭＰａ]、推進剤噴射器端面での燃焼室圧力が７[ＭＰａ]のケースを示した。この図から、ライナーの厚さｔを一定とした場合には、ノズルスロート部から下流ではΔＰ/ｔが著しく大きくなって必要以上の冷却剤が供給されてしまうことが分かる。これを是正するにはライナーの厚さｔを流れ方向に沿って変えることによりΔＰ/ｔを好ましい値に調整して図３に示した熱負荷分布の形と相似にすれば良い。しかしながら、この方法ではノズルスロート部の下流領域で熱負荷がスロート部付近の１/１０以下にまで低下するため、ライナーの厚さを上流側の１０倍以上にしてやる必要がある。しかしながら、ライナーの厚さが場所によって１桁も異なることは燃焼室の外形が大型化し重量の面からも好ましくない。
このため、過大なライナー厚さが要求される部分では、ライナー材の透過係数Κlinerの値を小さく制御することによってライナー厚さの増大の問題を解消する。C/C複合材の透過係数を低減する低コストで簡便な方法として、シリカ前駆体ポリマーであるPHPS溶液をC/C複合材に塗布含浸させ、シリカを生成させることによって透過係数を低減する方法を用いる。この方法は特別な装置等を必要としないため、低コストで容易に実施可能である。ＰＨＰＳをC/C複合材に塗布含浸後、常温空気中に２〜３週間放置すればＰＨＰＳがシリカに転化してC/C複合材中にある微細な穴を部分的に塞ぐ働きをする。
この場合、ＰＨＰＳ処理の回数あるいは使用するＰＨＰＳ溶液の濃度を変えることによって透過係数を好ましい値に調整することが可能である。シリカの融点は約１７００℃でありC/C複合材よりも耐熱性が劣るが、銅合金あるいはニッケル合金と比較すればかなり優れている。実施例として市販の上記２Ｄ−C/C複合材に前述のＰＨＰＳを用いて透過係数の低減を試みた結果の一例を図５に示す。ＰＨＰＳ処理によって透過係数が１/５〜１/１３に低下する結果が得られた。なお、２Ｄ−C/C複合材の積層構造上、流体の透過方向がC/C複合材の積層面に直角か平行かによって透過係数に異方性が見られる。この異方性はC/C複合材を用いる際に積層面の方向を選択することによって好ましい透過係数を得るために利用できる。
結局、燃焼室熱負荷分布に応じて適切な量の冷却剤を滲み出させるには、推進剤噴射器面からノズルスロート部付近までは燃焼室ライナーの厚さを変えることにより、あるいはＰＨＰＳ処理によってC/C複合材製ライナーの透過係数を変えることによって、更にはC/C複合材の積層面の方向を選択することによって滲み出し量を制御すれば良い。これら三つを併用することによって更にきめ細かく冷却剤の滲み出し量を制御することが可能である。他方、ノズルスロート部からノズル部出口まではＰＨＰＳ処理によってC/C複合材製ライナーの透過係数を変えることによって、更にはC/C複合材の積層面の方向を選択することによって滲み出し量を制御すれば良い。
【００２１】
上記滲み出し冷却ロケット燃焼器１００によれば、従来の滲み出し冷却ロケット燃焼室の欠点を解消し、従来よりも高熱負荷に対応可能で耐久性に優れ、軽量化を図った滲み出し冷却ロケット燃焼室を低コストで提供することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の滲み出し冷却ロケット燃焼器は、航空宇宙分野、特にロケットエンジン、ロケットベース複合サイクルエンジン等の燃焼室のほか、ジェットエンジン等ガスタービンのタービン翼の冷却に適用可能であり、または一般産業分野において高熱負荷を受ける燃焼機器の壁面冷却に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の滲み出し冷却ロケット燃焼器を示す説明図である。
【図２】燃焼室の熱負荷分布を計測するための供試体を示す説明図である。
【図３】燃焼室部およびノズル部の熱負荷分布を示す説明図である。
【図４】燃焼室内からノズル内にかけての静圧分布を示す説明図である。
【図５】透過性材料の積層異方性およびPHPS処理による透過係数の制御例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０    インジェクター部
１１    噴射器面
２０    燃焼室部
２１    燃焼室壁
２２    燃焼室ライナー
２３    冷却剤流路
２４    燃焼室
３０    ノズル部
３１    ノズル壁
３２    ノズルライナー
３３    ノズルスロート部
１００  滲み出し冷却ロケット燃焼器
【図１】
2008101534.tif 000003
【図２】
2008101534.tif 000004
【図３】
2008101534.tif 000005
【図４】
2008101534.tif 000006
【図５】
2008101534.tif 000007