(57)【要約】【課題】高推力を発生させるために、熱伝達能力を高めたエキスパンダサイクルロケットエンジンを提供する。【解決手段】エキスパンダサイクルロケットエンジンは、ターボ機械を共有する複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）を備える。サイクルでの全体的な圧力降下を増大させる必要がないように、複数の小型ＴＣＡが並列に取り付けられる。チャンバ直径が小さいために、周長対面積比が大きくなって、面接触による熱伝達がより効果的になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通のエキスパンダサイクル構成内に複数の推力室アセンブリを有するエキスパンダサイクルロケットエンジン。
【請求項２】
並列した前記複数の推力室アセンブリに燃料を送る燃料システムを有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】
前記燃料システムは、前記複数の推力室アセンブリからの熱エネルギで膨張した燃料によって、少なくとも部分的に駆動される主燃料ポンプを有することを特徴とする請求項２に記載のロケットエンジン。
【請求項４】
前記主燃料ポンプには多段ポンプが含まれることを特徴とする請求項３に記載のロケットエンジン。
【請求項５】
前記燃料システムは、前記主燃料ポンプの上流に昇圧ポンプを有することを特徴とする請求項３に記載のロケットエンジン。
【請求項６】
前記主燃料ポンプは、前記複数の推力室アセンブリのそれぞれの燃料冷却壁に燃料を並列して送ることを特徴とする請求項３に記載のロケットエンジン。
【請求項７】
前記燃料は、前記複数の推力室アセンブリのそれぞれの前記燃料冷却壁の下流にある、前記主燃料ポンプのタービンを通って膨張することを特徴とする請求項６に記載のロケットエンジン。
【請求項８】
前記膨張した燃料は、前記主燃料ポンプの下流にある酸化剤ポンプのタービンを通って膨張することを特徴とする請求項７に記載のロケットエンジン。
【請求項９】
前記酸化剤ポンプからの前記膨張した燃料は、前記複数の推力室アセンブリのそれぞれのインジェクタシステムに送られることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。
【請求項１０】
前記酸化剤ポンプは、前記複数の推力室アセンブリのそれぞれのインジェクタシステムに酸化剤を送ることを特徴とする請求項８に記載のロケットエンジン。
【請求項１１】
複数の推力室アセンブリと、
並列した前記複数の推力室アセンブリに推進剤を送るターボ機械システムと、
を備え、
前記ターボ機械システムが、前記複数の推力室アセンブリからの熱エネルギで膨張した前記推進剤によって、少なくとも部分的に駆動されることを特徴とするエキスパンダサイクルロケットエンジン。
【請求項１２】
前記ターボ機械システムは、並列した前記複数の推力室アセンブリに酸化剤を送る酸化剤ターボ機械システムを有することを特徴とする請求項１１に記載のロケットエンジン。
【請求項１３】
前記酸化剤ターボ機械システムは、主酸化剤ポンプを有することを特徴とする請求項１２に記載のロケットエンジン。
【請求項１４】
前記ターボ機械システムは、並列した前記複数の推力室アセンブリに燃料を送る燃料ターボ機械システムを有することを特徴とする請求項１１に記載のロケットエンジン。
【請求項１５】
前記燃料ターボ機械システムは主燃料ポンプを有することを特徴とする請求項１４に記載のロケットエンジン。
【請求項１６】
前記ターボ機械システムは、燃料システム内に燃料ターボ機械システムを含み、酸化剤システム内に酸化剤ターボ機械システムを含むことを特徴とする請求項１１に記載のロケットエンジン。
【請求項１７】
エキスパンダサイクルロケットエンジンを作動させる方法であって、
（Ａ）共通のターボ機械システムを有する複数の推力室アセンブリに流体を並行に送るステップと、
（Ｂ）前記複数の推力室アセンブリからの熱エネルギで前記流体を膨張させて前記共通のターボ機械システムを少なくとも部分的に駆動するステップと、
（Ｃ）前記ステップ（Ｂ）の後、前記複数の推力室アセンブリ内で流体に点火するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
前記ステップ（Ｂ）はさらに、
（ａ）並列した前記複数の推力室アセンブリに酸化剤を送る酸化剤ターボ機械システムを、並列した前記複数の推力室アセンブリに燃料を送る燃料ターボ機械システムで少なくとも部分的に駆動することを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エキスパンダサイクルロケットエンジンに関し、より詳細には、並列に配置され、共通のターボ機械を有する複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）を備えたエキスパンダサイクルロケットエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
供給される推進剤を利用するロケットエンジンサイクルには、３つの基本型がある。ガスジェネレータサイクルおよびプレバーナーサイクルエンジンはそれぞれ、ロケットチャンバ内の主バーナと、ポンプタービンを駆動する膨張ガスを生成する専用の別のバーナと、を含むが、このことによって、信頼性と制御に関して複雑な問題が生じることがある。エキスパンダサイクルは、ただ１つのバーナである主バーナをロケット燃焼室に有する。ポンプタービンは、燃焼室を冷却しながら熱を受け取った膨張燃料によって駆動される。
【０００３】
エキスパンダサイクルロケットエンジンは、推進剤供給システムのターボ機械を駆動するために、熱を吸収しながら推力室アセンブリ（ＴＣＡ）を冷却する推進剤を利用する。ターボ機械を駆動するのに利用できるエネルギ量は、推力室アセンブリ（ＴＣＡ）において吸収される熱量に依存する。必要とされるエンジン推力レベルが高くなるにつれて、推力を大きくするために、推進剤質量流量およびチャンバ径が大きくなり、場合によってはチャンバ圧力も上昇する。推力が増大したある時点において、推力室アセンブリ（ＴＣＡ）から冷却流に伝達された熱は、ターボ機械を駆動するのに必要なエネルギを供給することができなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱伝達を増加させる従来からの方法は通常、冷却チャネル内において、圧力降下を増大させる方法を採用しているが、これは、見込まれる推力の増加を損なう恐れがある。低圧力で質量流量が増加した推進剤を流動させるのに必要なより強力なターボ機械を駆動させるためには、さらに多くの熱エネルギが必要とされるからである。これが、高推力のエキスパンダサイクルエンジン（＞１００ｋｌｂ）が提示されたことがなく、開発されたことがない理由である。
【０００５】
上記に鑑みて、高推力を発生させるために、熱伝達能力を高めたエキスパンダサイクルロケットエンジンを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるエキスパンダサイクルロケットエンジンでは、推力室アセンブリ（ＴＣＡ）は複数設けられるが、ターボポンプなどのターボ機械、バルブ、およびその他の部品は共通とされる。複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）が並列に取り付けられるので、サイクル内の全体的な圧力降下は増大しない。複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）のチャンバ径は相対的に小さいために、周長対面積比が大きくなり、面接触による熱伝達がより効果的になる。複数の個別ＴＣＡによってもたらされた単体推力を合計して、必要とされる総計エンジン推力レベルが達成される。
【０００７】
複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）がターボ機械を共有しているため、比推力（ＩＳＰ）を犠牲にすることなく、重量が低減されて信頼性が高まる。共通のターボ機械は、共通の供給ラインを利用して、単一エンジンビークル段の接続部の簡潔性を維持する。また、複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）は相対的に小さいために、エンジン構成もより短くなり、この短いエンジン構成により、ビークルの段間長さの短縮が可能になって、全段質量と構造上の最適化に恩恵をもたらす。
【０００８】
したがって、本発明は、より高い推力を発生させるために、熱伝達能力を高めたエキスパンダサイクルロケットエンジンを提示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここに開示した実施形態の以下の詳細な説明から、本発明の様々な特徴および利点が当業者に明らかになるであろう。
【００１０】
図１は、エキスパンダサイクルロケットエンジン１０を概略的に示している。エンジン１０は通常、複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）１２Ａ，１２Ｂ、燃料システム１４、および酸化剤システム４０を有する。開示した実施形態では、２つのＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂが図示されているが、並列した態様で燃料システム１４および酸化剤システム４０とつながる任意の数量のＴＣＡ１２Ａ〜１２ｎを利用することができるのは当然のことである。
【００１１】
燃料システム１４は、並列した態様の各ＴＣＡ１２に燃料を送るための、ターボポンプなどの共通の燃料用ターボ機械２０と、バルブと、その他の部品と、を有する。燃料は、昇圧ポンプ２４および主燃料ポンプ２６などの共通燃料用ターボ機械２０によって、燃料タンク２２から送られる。開示した実施形態で図示した共通燃料用ターボ機械２０を構成するターボポンプは、昇圧ポンプ２４および主燃料ポンプ２６を含むが、さらに別の部品を同様に利用して、並列した態様の各ＴＣＡに燃料を送ることができるのは当然のことである。
【００１２】
主燃料ポンプ２６からの燃料は、高圧燃料ライン３０Ａ、３０Ｂを通って、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂの流体冷却壁２８Ａ、２８Ｂに送られる。この時点でのエキスパンダサイクルにおいて、燃料は、少なくとも部分的に液体状態であり得る。各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂの各流体冷却壁２８Ａ、２８Ｂは、ノズル部３２Ａ、３２Ｂと、ノズル部３２Ａ、３２Ｂの上流の燃焼室部３４Ａ、３４Ｂと、ノズル部と燃焼室部との間の燃焼室スロート３５Ａ、３５Ｂと、を通る推力軸Ｔを規定する。各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂからの熱エネルギを吸収する形で加熱されて、通常はガス状態とされた燃料流は、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂの各流体冷却壁２８Ａ、２８Ｂから、それぞれの燃料流ライン３６Ａ、３６Ｂを通って、合流燃料流ライン３８に送られる。合流燃料流ライン３８は、加熱燃料を主燃料ポンプ２６に送り、加熱燃料は、タービンを通って膨張して主燃料ポンプ２６を駆動する。当然のことながら、主燃料ポンプは、複数段を有することができる。
【００１３】
タービンを通って膨張した燃料は、主燃料ポンプ２６から、合流燃料流ライン４２を通って、酸化剤システム４０にある、ターボポンプなどの共通酸化剤用ターボ機械１６、バルブ、およびその他の部品に送られる。合流燃料流ライン４２内の燃料は、主酸化剤ポンプ４４のタービンを通って膨張して、酸化剤システム４０を駆動する。共通燃料用ターボ機械２０と共通酸化剤用ターボ機械１６は離れて配置され、別々のターボポンプを有しているが、共通燃料用ターボ機械２０と共通酸化剤用ターボ機械１６が複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）に対して共通であるので、本明細書に定義した通りに「共通」であるのは当然のことである。
【００１４】
タービンを通って膨張した燃料は、酸化剤ポンプ４４から合流燃料燃焼流ライン４８を通って、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂのインジェクタ部４６Ａ、４６Ｂに送られる。合流燃料燃焼流ライン４８は、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂで点火するために、それぞれの制御バルブシステム５２Ａ、５２Ｂを経由して、並列した態様で各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂに燃料を送るための分流路５０Ａ、５０Ｂを有する。
【００１５】
主燃料ポンプ２６のタービンを通って膨張した燃料は、そのほかに、合流燃料流ライン４２からタービン流ライン４３を通って昇圧ポンプ２４を駆動することができ、次いで、合流燃料燃焼流ライン４８に送られる。さらに、主燃料ポンプ２６からの他の出力部は、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂで点火するために、燃料混合ライン５４、制御バルブシステム５６を経由して、合流燃料燃焼流ライン４８の各分流路５０Ａ、５０Ｂに燃料を直接送ることができる。燃料混合ライン５４は通常、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂのインジェクタ部分４６Ａ、４６Ｂに送られた燃料の温度を調整するために、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂの冷却回路を迂回する。
【００１６】
酸化剤は、酸化剤昇圧ポンプ６２および主酸化剤ポンプ４４などの酸化剤用ターボ機械１６によって、酸化剤タンク６０から、それぞれの制御バルブシステム６４Ａ、６４Ｂを備えた分流路６８Ａ、６８Ｂを有する酸化剤供給ライン６６を通って、各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂのインジェクタ部４６Ａ、４６Ｂに送られる。開示した実施形態で図示した共通酸化剤用ターボ機械１６は、昇圧ポンプ６２および主酸化剤燃料ポンプ４４を含んでいるが、さらに別の部品を同様に利用して、並列した態様の各ＴＣＡ１２Ａ、１２Ｂに酸化剤を送ることができるのは当然のことである。
【００１７】
図２および図３の実施形態は、全体的に前の実施形態の部品と共通の部品を含んでいるので、変わらない参照数字は省略し、一方、図２および図３に特有の部品については詳細に説明する。図２および図３の実施形態の動作は、図１の実施形態と概して同様なのは当然のことであるが、共通の燃料用ターボ機械２０および共通の酸化剤用ターボ機械１６は、図２では、連動する共通ターボポンプターボ機械構成７０に一体化され、図３では、単一シャフトの共通ターボポンプターボ機械７２に一体化される。特に、燃料回路流路および酸化剤回路流路が、開示した実施形態で図示されているが、共通のターボ機械を利用する他の流路も本発明から恩恵を受けるのは当然のことである。
【００１８】
複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）がターボ機械を共有しているため、比推力（ＩＳＰ）を犠牲にすることなく、重量が低減されて信頼性が高まる。共通のターボ機械は、共通の供給ラインを利用して、単一エンジンビークル段の接続部の簡潔性を維持する。また、複数の推力室アセンブリ（ＴＣＡ）は相対的に小さいために、エンジン構成もより短くなり、この短いエンジン構成により、ビークル段間長さの短縮が可能になって、全段質量と構造上の最適化に恩恵をもたらす。
【００１９】
順序付けた特定のステップを示し、説明し、主張したが、当然のことながら、各ステップは、別途に示された場合を除き、任意の順番で実行し、分割または結合することができ、本発明から恩恵を受ける。
【００２０】
前述の説明は、限定することによって範囲を定めるものではなくて例示のみを目的とする。上記の教示を考慮して、本発明についての多数の修正および変形が可能である。本発明の好ましい実施形態が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲に入ると分かるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の方法で本発明を実施することができるのは当然のことである。従って、添付の特許請求の範囲を検討して、本発明の範囲および趣旨を解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】共通ターボ機械として独立したターボポンプを備えたエキスパンダサイクルロケットエンジンの全体的な概略ブロック図である。
【図２】連動するターボポンプからなる共通ターボ機械を備えたエキスパンダサイクルロケットエンジンの全体的な概略ブロック図である。
【図３】単一シャフトのターボポンプからなる共通ターボ機械を備えたエキスパンダサイクルロケットエンジンの全体的な概略ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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