(57)【要約】　　　（修正有）【課題】広範囲の材料が使用でき、構造ジャケットの厚さを薄くすることにより重量、コストの低減が可能なロケットエンジンの燃焼室を提供する。【解決手段】冷却チャネルを有する燃焼室ライナ１０と、クーラント、特に極低温燃料、を供給し除去すると少なくとも１つのマニホールド２０，３０とからなるロケットエンジンのための燃焼室構造体であって、該マニホールドが燃焼室ライナと一体にろう付けされていて、該マニホールドでカバーされていない燃焼室ライナの部分が電気めっきした構造ジャケットにより被覆される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　冷却チャネルを有する燃焼室ライナと、クーラント、特に極低温燃料、を供給し除去すると少なくとも一つのマニホールドとを備える燃焼室構造体、特にロケットエンジンのための燃焼室構造体であって、前記のマニホールドが燃焼室ライナとろう付けされていること、および前記マニホールドにカバーされない燃焼室ライナの部分が電気めっきされた構造ジャケットで被覆されていることを特徴とする上記燃焼室構造体。
【請求項２】
　請求項１記載の燃焼室構造体であって、前記構造ジャケットがさらに前記マニホールドを支持することを特徴とする上記燃焼室構造体。
【請求項３】
　請求項２記載の燃焼室構造体であって、前記構造ジャケットが前記マニホールドの部分をカバーすることを特徴とする上記燃焼室構造体。
【請求項４】
　前の請求項の一または二以上に記載の燃焼室構造体であって、前記燃焼室ライナが、高性能高熱伝導性材料、特に銅もしくは銅合金、からなること、前記構造ジャケットが高性能材料、特にニッケルもしくはニッケル合金、からなるｋと、および前記マニホールドが耐熱性材料、特にニッケル基合金からなることを特徴とする上記燃焼室構造体。
【請求項５】
　冷却チャネルを有する燃焼室ライナと、クーラント、特に極低温燃料、を供給し除去すると少なくとも一つのマニホールドとを備える燃焼室構造体、特にロケットエンジンのための燃焼室構造体の製造方法であって、前記マニホールドを前記燃焼室ライナとろう付けすること、および燃焼室ライナの前記マニホールドでカバーされない部分を電気めっきで被覆することを特徴とする上記の製造方法。
【請求項６】
　請求項５に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、構造ジャケットが前記マニホールドを支えるように当てがわれていることを特徴とする上記製造方法。
【請求項７】
　請求項５または６に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、はんだが、前記ろう付け工程の前に、ろう付けフィルムの状態で前記マニホールドと燃焼室ライナとの間に導入されることを特徴とする上記製造方法。
【請求項８】
　請求項５または６に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、前記ろう付け工程の前に、前記はんだが前記マニホールドまたは前記燃焼室ライナに、動的低温ガス圧縮法または化学的被覆法により施されることを特徴とする上記製造方法。
【請求項９】
　前の請求項５〜８の一または二以上の項に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、前記構造ジャケットが層厚１０〜２０ｍｍで施されることを特徴とする上記製造方法。
【請求項１０】
　請求項５〜９の一または二以上の項に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、前記構造ジャケットがいくつかの部分的な層の状態で施されることを特徴とする上記製造方法。
【請求項１１】
　請求項５〜９の一または二以上の項に記載の燃焼室構造体の製造方法であって、前記構造ジャケットがパルスめっき法により施されることを特徴とする上記製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、冷却チャネルを有する燃焼室ライナと、クーラント、特に極低温燃料、を供給し除去する少なくとも一つのマニホールドとからなる燃焼室構造体、特にロケットエンジン用の燃焼構造体、並びにそのような燃焼室構造体の製造方法に関する。ロケットエンジンへの利用という特別な分野のほかに、該燃焼室は原則として航空機の建造のような他の分野または原則として他の燃焼室や炉にも適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
　ロケットエンジンの燃焼室では、燃焼生成物を高速に加速するために燃焼プロセスが維持され、その結果スラスト（推進力）を産み出す。これにより、通常、３０００℃を超える温度と１５０バールを超える圧力が発生する。
【０００３】
　該構造体は周囲条件に耐えなければならず、そのために使用される材料は一方において高温で高い安定性を潜在的に有していなければならないが、該構造体は冷却され続ける。後者はクーラントが適切な冷却チャネルを介して構造体中に導入される再生式またはしみ出し冷却システムにより行うことができる。多くの場合、クーラントは極低温燃料であり、これも燃焼の前にこのようにして加熱される。いわゆるマニホールドを介してクーラントは１本または数本の供給ラインから複数の冷却チャネルを通って燃焼室構造体内へ分配され、再び合流させられる。
【０００４】
　こうした種類の普及型設計の燃焼室構造体は、該燃焼室構造体の壁体をも形成する内側ジャケットとして燃焼室ライナを有する。冷却チャネルは該ジャケットに機械加工で取り付けられる。安定性を高めるためばかりでなく、冷却チャネル を閉鎖しかつ構造体を支えるために、該燃焼室構造体は構造ジャケットをも有しているが、これは通常電気めっきにより創りだされ、冷却チャネルに供給するマニホールドがその上に溶接される。その結果、構造ジャケットが、チャネルを分離している冷却フィンの上に当てがわれることにより該冷却チャネルをシールする。
【０００５】
　このような構造体の不利は、マニホールドに溶接するためには、構造ジャケットが電気めっきに適した溶接可能な材料でできていなければならない点であり、かかる材料は延性に関して一定の要求を満たさなければならない。しかし、これにより材料選択の幅が著しく制限される。さらに、溶接可能でかつ電気めっき可能な材料はたいてい安定性が非常に低い。この問題を克服するために電気めっきした構造ジャケットの厚さを増す必要がある。しかし、これに必要な膜厚の電気めっきを行うとコストが上昇する。
【０００６】
　米国特許第5,701,670号には、冷却燃焼室構造体について代替案が開示されているが、これは厚膜電気めっき法を回避するものである。すなわち、燃焼室のスロート部分内で冷却チャネルを有する燃焼室ライナの上に支持構造を設ける。該支持構造は、クーラント液液の入口および出口が結合された外側構造により支えられている。該支持構造は冷却チャネルの部分を外部に対してシールしている。しかし、前記外側支持構造は燃焼室ライナと直接接触もしている。燃焼ライナから前記支持構造への、および前記外側構造への移行部は構造体全体を加熱することによりろう付けされる。
【０００７】
　したがって、冷却チャネルフィンとシールコンポーネントととの全移行部はろう付け作業により作られるが、該システムの完全なリーク密封性は保障されない。別の不利はコンポーネントが複数であることにある。これは結果として複数の移行部を必要とし、リーク密封性を低下させる。さらに前記外側構造の安定性はろう付けにおける炉内での熱処理により低下する。その結果、該構造体は、材料選択だけの理由で、必要であるはずの寸法よりも大きな寸法で設計しなければならなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　本発明の課題は、さまざまなコンポーネントのために広範囲の材料選択が可能である燃焼室構造体、特にロケットエンジンのための燃焼室構造体をさらに開発することである。さらに、施された構造ジャケットの厚さが、重量およびコストの理由で低減されることを目的としている。最後に、さまざまなコンポーネント間の移行部の数を、リークが起こるリスクを低く保つために、できる限り少なく保持する必要がある。さらに、冷却チャネルを備えた燃焼室ライナと、クーラント、特に極低温燃料、の供給と除去を行うための少なくとも一つのマニホールドとを有するもので、個々のコンポーネント用の材料選択の幅が広がった、燃焼室構造体の製造方法を提供する必要がある。さらに、方法の必要なステップ数と個々のコンポーネント間の移行部の数は減らして材料を節約するべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　燃焼室構造体に関する前記の課題を解決するために、本発明に係る前述した燃焼室構造体は、一または複数のマニホールドが、燃焼室構造体ライナとろう付けされていること、および該マニホールドでカバーされていない燃焼室ライナ部分が電気めっきした構造ジャケットで被覆されていることに特徴を有する。
【００１０】
　本発明に係る燃焼室構造体では、前記の一または複数のマニホールドは燃焼室ライナにろう付けされている。該マニホールドはクーラント―その大部分は極低温燃料である―を、燃焼室と、主要供給ラインから燃焼室ライナに包含されている冷却チャネルへのエクスパンジョンノズルの部分とを冷却するために配分することと、および／または前記クーラントを収容する役割を果たす。該クーラントの流入と流出が技術的観点からどのように設計されるかに応じて、一または二以上の、特に二つの、マニホールドが取り付けられる。一つは燃焼室入り口に、他の一つはエクスパンジョンノズルへの移行部に。しかし、該マニホールドは燃焼室ライナ内の冷却チャネル部分全体をカバーしない。むしろ、電気めっきした構造ジャケットが、冷却チャネルを外部に対してシールするためと、燃焼室ライナを機械的に補強するために、該マニホールドでカバーされない冷却チャネル部分に適用される。この部分では燃焼室ライナと構造ジャケットが、燃焼室に面する内側ケーシングと、機械的補強のためと内側ケーシングに取り付けられた冷却チャネルのシールのための外側ケーシングとを形成する。
【００１１】
　マニホールドと燃焼室ライナをろう付けすることにより、一方において非常に耐久性のある表面接触がこれら二つのコンポーネント間に作り出され、これは加えられるクーラントに対して十分に気密(pressure-tight)である。そして、他方において、マニホールドと燃焼室ライナと構造ジャケットとを溶接する必要性がまったくなくなる。構造ジャケットを溶接する必要がなくなることにより、電気めっきで形成できる高性能材料で被覆プロセスを行うことが初めてできるようになったが、その結果、被覆の厚さを減らしかつ材料を節約することが可能になる。外側ジャケット(構造ジャケット)の安定性がより高くなることにより、本発明に係る構造体は特に高圧エンジンに利用することができる。
【００１２】
　大面積に必要なリーク密封性が、電気めっきした構造ジャケットおよびそれにより得られる該ジャケットの冷却チャネルフィンへの１００％の接続により提供される。さらに、構造ジャケットによる電気めっき被覆により、支持構造を冷却チャネルフィンにろう付けする場合よりも、許容差がより良好に補償される。さらに、“冷”電気めっき法("cold" electroplating process)によれば、不要な熱がシステム全体に対してもたらされることはまったくない。このような熱は構造ジャケットのような個々のコンポーネントの安定性に影響する。
【００１３】
　円滑な稼動を達成するためには、マニホールドおよび構造ジャケットにはいかなる歯状ぎざぎざがあってはならない。これらの両コンポーネントは気密状態で燃焼室ライナに取り付けられなければならないが、これはろう付けおよび／または電気めっき被覆プロセスにより確実になる。しかし、構造ジャケットは、マニホールドへの移行部において該マニホールドを支えるという利点もある。これは、燃焼室ライナとマニホールドTとの間のろう付けされた接続を支え、補強する。マニホールドはろう付け法により既に結合されているが、構造ジャケットによる支えはマニホールドを結合させるのに付加的に働く。
【００１４】
　特に、構造ジャケットが該構造ジャケットに面するマニホールドの面をカバーするという点で、かかる支持が確実となることが好ましい。この面(area)はマニホールド上のカラー型周縁ランナであることが好ましい。その利点は、電気めっき作業中に余計な手間をかけずに容易に実施することができることである。
【００１５】
　燃焼室ライナの材料は、高性能高熱伝導性材料を含んでなることが好ましく、特に銅または銅合金が熱伝導係数が良好であるので挙げられる。構造ジャケットは、支持構造を創り出すのに、高性能材料、特にニッケルまたはニッケル合金から製造することが好ましい。マニホールドは耐熱性材料からなることが好ましく、ここでは特にニッケル基合金からなることが好ましい。上述の材料以外に、他の材料またはそれらの組み合わせでも課された要求特性を満たすなら使用することができる。
【００１６】
　本発明に係る製造方法に関する課題の解決手段は、マニホールドを燃焼室ライナと一体にろう付けすること、および構造ジャケットを電気めっきによりマニホールドでカバーされない燃焼室ライナ部分に結合することを特徴としている。
【００１７】
　本発明の製造方法の利点は、簡単な方法として利用できることであり、しかもこの方法は溶接を必ずしも必要としない高性能材料を使用できるので材料を節約でき、厚みが小さくても必要な安定性を提供する。さらに、本発明に係る方法によれば、材料選択の幅が顕著に広がる。さらに、ほんのわずかの数の移行部を創りだすだけでコンポーネント数を減らせる結果、高度のリーク密封性が達成される上に、該移行部もクーラントに対して申し分なくシールされる。
【００１８】
　好ましくは、構造ジャケットは、マニホールドを支えるように施される。これは、特に、構造ジャケットをマニホールドの部分にかぶせて引き延ばし、その機械的特性によりろう付けされた接続を支えるようにすることにより達成される。
【００１９】
　マニホールドと燃焼室ライナとの間のはんだは、種々の方法で取り込ませることができる。しかし、好ましくは、ろう付け工程の前に、マニホールドと燃焼室ライナとの間にろう付けフィルムの状態で配する。こうすると、材料を確実に一様に施すことができるし、このような方法ステップは扱いも簡単で結果を損なうこともない。
【００２０】
　別のやり方としては、ろう付け工程の前に動的低温ガス圧縮法(kinetic cold gas compacting method)または化学的被覆法によってはんだをマニホールドに施すこともできる。燃焼室ライナ部分―ここは組み立ての際にマニホールドと接触する―をはんだで被覆することもできる。この被覆法の利点は、非常に薄い層を高精度で付与できることである。さらに、組み立ての際のコンポーネントを減らせるのでさらに簡単になる。
【００２１】
　はんだ工程は真空下または不活性ガス下で行われる。該はんだサイクルは、したがって、その他の事項の中でも、採用されたベース金属の熱処理サイクルに合わせられる。はんだには、貴金属−銅系のまたは銀基の材料、ならびにそれらの合金が使用される。 
【００２２】
　構造ジャケットは厚さ１０〜２０ｍｍで施されるのが好ましい。
【００２３】
　本発明の方法により、材料の溶接適性の問題がなくなるので、材料選択の幅が顕著に広がり、合金からなる高性能で溶接不適性の材料でも使用することができる。したがって、
構造ジャケットの負荷容量が増し、特に燃焼室のスロート部分がさらに強化される。
【００２４】
　構造ジャケットは、好ましくは数層をそれぞれの表面に、電気めっき被覆することにより完成することができ、その際に異種の材料を重ねることができる。別の方法としては、構造ジャケットは、所謂パルスめっき法―該方法では電気めっきの過程で陽極と陰極に周期的なパルス電流が印加される―によって施すこともできる。これによれば、連続電流を用いる“通常の”電気めっき法による場合よりも一被覆法でより厚い層が形成される。パルスめっき法に関する詳細な情報はドイツ特許 10061186 C1に見出すことができる。
【００２５】
　本発明を図面に示した実施例に基づいていっそう詳細に説明するが、これは特徴と好ましい形態をより詳細に示すことになる。
【００２６】
　この例は、
　図１ａ〜１ｄにおいて:
　マニホールドが燃焼室ライナとろう付けされている本発明に係る組立体。
【００２７】
　図２:
　燃焼室ライナの構造ジャケットでの電気めっき被覆、およびマニホールドの結合。
【００２８】
　図１ａはコンポーネントである燃焼室ライナ１０、第一および第二のマニホールド２０、３０−これらはクーラント液の燃焼室構造体内への供給と除去を担う−が燃焼室構造体１内に組み立てられる前を示す。燃焼室ライナ１０はその内側に燃焼室１２を形成し、狭くなった部分で、エクスパンジョンノズルの一部を有する燃焼室スロート１３を形成する。冷却目的のために、冷却チャネル（明瞭化のため図示されていない）が燃焼室１０の外側に機械加工で組み込まれる。クーラント液―ここでは極低温燃料―が組み立てられた状態で第二マニホールド３０を通って冷却チャネルに配給され、その後この燃料は第一マニホールド２０を通って回収され、噴射ヘッドから燃焼室１２に供給される。
【００２９】
　ろう付けのために、はんだフィルムをマニホールド２０，３０と燃焼室ライナ１０との間に導入することができる。しかし、図示した実施形態では、マニホールドのライナ側表面２１、３１―これらは組み立て状態で燃焼室ライナ１０と接触する―は動的低温ガス圧縮法によりはんだで被覆される。別の方法としては、接触表面２１、３１をはんだで化学的に被覆する操作または燃焼室ライナの接触表面１１ａ、１１ｂを被覆する操作を行うこともできる。
【００３０】
　図１ｂと１ｃからわかるように、マニホールド２０，３０は矢印で示されているようにはんだで被覆された後に燃焼室１０の片側の所定の位置に配置される。これらはその位置に、ろう付け作業が行われるまで、その後の組み立て工程の間スリップしないように固定される。このろう付け作業自体は高温において、ろう付けした表面の酸化を防ぐために真空または不活性ガス下で行われる。
【００３１】
　図１ｄは、ろう付け後の、燃焼室ライナ１０にマニホールド２０、３０をろう付けした後の燃焼室構造体を示す。マニホールド２０，３０は燃焼室ライナ１０の外側表面の一部を覆うにすぎない。両マニホールドの間、特に燃焼室スロート部分１３では、冷却チャネルフィンはカバーされていないので冷却チャネルは露出している。この部分は電気めっきで被覆されている。この目的のために、冷却チャネルにワックスを詰めて冷却チャネルフィンだけが露出したままとなるようにする。これによって、確実に、冷却チャネルの内壁が被覆されなくなるが、該層は冷却チャネルフィンと密着した接続を形成する。ワックスは構造ジャケットで被覆した後に除去される。
【００３２】
　図２は仕上がった被覆燃焼室構造体１を示し、電気めっきされた構造ジャケット４０はその層が冷却チャネルフィンと１００％接続することにより冷却チャネルを閉鎖し、厚い構造を形成し、クーラントが第二マニホールド３０から冷却チャネルを通って第一マニホールドへ移動するようになっている。両マニホールド１０，２０は構造ジャケット４０に対してカラー型（collar-shaped）のランナ１０ａ、２０ａにかぶさって伸び、マニホールド２０，３０をさらに固定する。電気めっきされた構造ジャケットにより、燃焼室構造体１の燃焼室スロート部分１３が補強される。“冷”電気めっき法によれば、コンポーネント、特に構造ジャケット、の安定性が供給される熱によって影響されることはない。というのは、ろう付け工程は熱をほとんど供給しないし、構造ジャケットの電気めっき被覆前に行われるからである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】マニホールドと燃焼室ライナを示す斜視図。
【図１ｂ】第二マニホールドの燃焼室ライナへの取り付けを説明する斜視図。
【図１ｃ】第一マニホールドの燃焼室ライナへの取り付けを説明する斜視図。
【図１ｄ】マニホールドが燃焼室ライナへ取り付けられた状態を示す斜視図。
【図２】本発明に係る組立体を示す斜視図。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２】
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【外国語明細書】
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