(57)【要約】  本発明による電解式点火器は、第１の電極を形成する噴射器（２）と、絶縁体（４）によって噴射器（２）から電気的に絶縁され且つ噴射器（２）の下流側に延びる第２の電極（５）と、第２の電極（５）を第１の電極（２）の電位に対して５０〜１０００Ｖの電位まで上昇させるように構成された電力供給回路を有する。噴射器（２）は、燃料噴射装置（２６）、酸化剤噴射装置（２７）及び電解液噴射装置（１）を有する。燃料噴射装置（２６）及び酸化剤噴射装置（２７）の出口の付近に位置する噴射孔（１）を通して電解液分配チャネル（３）から自由ジェットの形態で噴射された電解液は、主ロケットエンジン噴射器内に組込み可能な点火トーチの燃焼室内で、燃料噴射装置（２６）及び酸化剤噴射装置（２７）の出口の付近に形成されたガス状混合物の点火を引起こす。
2010523876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体推進薬ロケットエンジンの主噴射器（３３）に組込まれるのに適した点火トーチ（１４）であって、
燃焼室と、電解式点火器と、を有し、
前記電解式点火器は、第１の電極（２）と、絶縁体（４）によって前記第１の電極（２）から電気的に絶縁された第２の電極（５）と、噴射器と、電解液タンク（１２）と、電解液分配チャネル（３）と、を有し、
前記噴射器は、前記第１の電極（２）として構成され、燃料噴射装置（２６）と、酸化剤噴射装置（２７）と、電解液噴射装置（１）とを有し、
前記第２の電極（５）は、前記噴射器（２）を越えて下流側に延び、
前記電解式点火器は、前記第２の電極（５）を前記第１の電極（２）の電位に対して５０Ｖ〜１０００Ｖの範囲内の電位まで上昇させるように構成された電力供給回路を有し、
前記電解液分配チャネル（３）は、前記燃料噴射装置（２６）及び前記酸化剤噴射装置（２７）の出口の付近に位置する少なくとも１つの噴射孔（１）を介して開口し、
前記噴射孔（１）を経て噴射された電解液は、自由ジェット（１４）を構成し、この自由ジェットは、前記第１の電極（２）によって構成された前記噴射器の本体の外側に位置する領域で前記第２の電極（５）に当たり、電解及びガス状混合物の点火が、前記点火トーチ（１７）の燃焼室内において前記噴射器の下流側で起こる、点火トーチ。
【請求項２】
前記第２の電極（５）は、中央に配置され、
複数の電解液噴射孔（１）、前記燃料噴射装置（２６）の出口、及び前記酸化剤噴射装置（２７）の出口は、中央に配置された前記第２の電極（５）の周りに配置される、請求項１に記載の点火トーチ。
【請求項３】
前記第２の電極（１０５）は、前記電解液噴射孔（１０１）、前記燃料噴射装置（２６）の出口、及び前記酸化剤噴射装置（２７）の出口に対して、側方に中央からずらされた状態で配置される、請求項１に記載の点火トーチ。
【請求項４】
前記第２の電極（５；１０５）は、タングステン又はタングステン／レニウム系の耐熱金属で作られる、請求項１〜３の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項５】
前記電解液タンク（１２）内に存在する電解液は、前記燃料噴射装置（２６）によって付与される燃料及び前記酸化剤噴射装置（２７）によって付与される酸化剤と異なる組成物で構成される、請求項１〜４の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項６】
前記電解液は、アンモニウム塩等の塩の水溶液で構成される、請求項１〜５の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項７】
前記電解液は、低蒸気圧のイオン液体を含む、請求項１〜５の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項８】
前記イオン液体は、ジエチルアンモニウムホルメート及びエチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートの一方によって構成される、請求項７に記載の点火トーチ。
【請求項９】
前記電解液は、水溶性燃料を添加したニトレート水溶液を主成分とする単元推進薬を含む、請求項１〜８の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項１０】
前記燃料噴射装置（２６）及び前記酸化剤噴射装置（２７）は、前記電解式点火器の所定の軸線周りにリング状に分布するように配置されたオリフィスを有し、
複数の電解液噴射孔（１）が、前記所定の軸線周りにリング状に分布して配置され、且つ、リング状に分布するように配置された前記オリフィスに対してオフセットした角度方向位置を有する、請求項１又は２に記載の点火トーチ。
【請求項１１】
前記点火トーチは、前記噴射器（２）の温度を前記電解液の凝固点よりも高い状態に維持するために、電気加熱装置（１６）及び受動的な断熱部（３２）を有する、請求項１〜１０の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項１２】
前記電力供給回路は、ＤＣ電源（１０，７）と、少なくとも１つのキャパシタ（８）と、スイッチ（９）とを有し、
前記第１の電極を構成する前記噴射器（２）は、電気的な接地に近い電位を有する、請求項１〜１１の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項１３】
前記スイッチ（９）は、電力トランジスタ又はサイリスタを含む、請求項１２に記載の点火トーチ。
【請求項１４】
前記キャパシタ（８）及び前記スイッチ（９）は、前記電解式点火器の本体に固定されたハウジング（５０）内に収容される、請求項１２又は１３に記載の点火トーチ。
【請求項１５】
前記電力供給回路は、ＤＣ電源（１０）と、少なくとも１つのキャパシタ（８）と、チョッパ回路（９１）と、電圧上昇型変圧器とを有し、
前記電圧上昇型変圧器は、互いに電気的に絶縁された一次側と二次側を有し、前記一次側は、前記チョッパ回路（９１）に接続され、前記二次側は、前記第２の電極（５）と前記第１の電極を構成する前記噴射器（２）との間に接続される、請求項１〜１１の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項１６】
前記絶縁体（４）は、自由に膨張することができるように取付けられた第１の絶縁体部分（４１）と、前記第２の電極（５）と絶縁体支持部（１９）との間を密封する第２の絶縁体部分（４２）とを有する、請求項１〜１５の何れか１項に記載の点火トーチ。
【請求項１７】
前記第１の絶縁体部分（４１）は、窒化硼素又はアルミナで作られた少なくとも１つのセラミックブロックを含む、請求項１６に記載の点火トーチ。
【請求項１８】
前記第２の絶縁体部分（４２）は、アルミナで作られ、最初に前記第２の電極（５）にろう付けされ、次いで前記絶縁体支持部（１９）にろう付けされる、請求項１６又は１７に記載の点火トーチ。
【請求項１９】
前記第２の絶縁体部分（４２）は、可撓性材料で作られ、前記可撓性材料は、ＰＴＦＥ、ＰＴＦＣＥ、ベスペル（Vespel；登録商標）、及びガラス繊維入りＰＴＦＥのうちの１つを含み、
前記第２の絶縁体部分（４２）は、前記絶縁体支持部（１９ａ）に取付けられたパッキン（２３）内に設けられる、請求項１６又は１７に記載の点火トーチ。
【請求項２０】
前記第２の絶縁体部分（４２）は、同軸ケーブル（２４）用のコネクタ（２５）を受け入れる同軸ケーブルソケット（５２）と組合わされる、請求項１６又は１７に記載の点火トーチ。
【請求項２１】
前記電力供給回路は、前記第２の電極（５）を、前記噴射器によって構成された第１の電極の電位に対して１００Ｖ〜５００Ｖの電位まで上昇させるように構成される、請求項１〜２０の何れか１項に記載の点火トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体推進薬、特に低温推進薬を用いるロケットエンジン用の電解式点火器に関する。
【０００２】
更に詳細には、本発明は、低温エンジン用のトーチ点火器、及び、液体推進薬ロケットエンジンの主噴射器に組込むのに適した点火トーチに関する。
【背景技術】
【０００３】
液体推進薬が供給されるロケットエンジンは、一般に、自己点火によって、又は、火工点火によって、又は、トーチを用いる電気点火によって点火される。
【０００４】
自己点火は、よく知られている自己点火性推進薬、例えばモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、過酸化窒素（Ｎ2Ｏ4）を利用するが、自己点火性推進薬は、高いレベルの毒性を有し、実際には、３３０秒に制限された比推力しか有しない。
【０００５】
液体酸素及び炭化水素で動作するいくつかロケットエンジンは、自己点火性液体を液体酸素と共に噴射することによって点火され、例えば、ロシアの供給元であるＮＰＯエネルゴマシュ（Energomash）から入手できるＲＤ−１８０エンジンで行われているように、有機金属化合物を用いることによって点火される。
【０００６】
しかしながら、自己点火は、別の面倒な問題を生じさせる。酸素で自己点火する或る液体、例えば有機金属化合物は、空気中で自発的に燃焼可能であり、毒性であり、接触により火傷を負わせる。従って、かかる液体は、安全上の問題を有する。
【０００７】
自己点火性ではない推進薬の組合せ、例えば、液体酸素と液体水素、又は、液体酸素と炭化水素は、一般に、火薬によって点火されるか（Vulcain及びＨＭ７エンジン）、トーチによって点火されるか（Vinciエンジン）のいずれかである。電気点火器（スパークプラグ）も、或る低温エンジンに用いられる。トーチ点火器は、一般に、点火用スパークプラグを含む。両方の場合において、用いられる高い電圧（１０〜２０キロボルト（ｋＶ））は、難題を生じさせる場合がある。トーチ点火器又はスパークプラグ点火器は、火工点火に勝る決定的な利点を有し、即ち、点火回数は、事実上無制限である。
【０００８】
第４の解決策である触媒式点火は、発熱分解する単元推進薬（ヒドラジン、過酸化水素）又はガス状混合物（酸素と水素）を使用する。ヒドラジンは、触媒によって分解し且つ高レベルの毒性を有する単元推進薬である。この解決策は、低温ロケットエンジンを点火するために実用的に使用されることはなさそうである。
【０００９】
低温エンジン用のトーチ点火器に、一般に、ガス状の水素及び酸素が供給される。スパークプラグは、ガス状混合物が点火可能な領域に火花を生じさせるように適当に位置決めされる必要があるが、トーチ火炎を存続させることができるように反応領域に近すぎてはならない。
【００１０】
同じ問題は、スパークプラグによって直接点火される小型のスラスタにも生じる。このことは、液体の酸素及び燃料を用いる姿勢制御用スラスタに当てはまる。この種類のスラスタは、ブランシャトルに用いられている。
【００１１】
噴射器の軸線上に一般に位置するスパークプラグは、燃焼室内へ突出しすぎてはならない。
【００１２】
この問題を解決するために、地上での試験であるが、反応ガス混合物内に焦点が合わせられたレーザからの光を用いることが可能である。それにより生じる火花を、流れの中の最も好ましい箇所に配置することができる。
【００１３】
しかしながら、この方法を実用ロケットエンジンに転用することは、搭載レーザ技術と関連した問題、光ファイバの耐振動性能と関連した問題、レーザビームが燃焼室に入るようにするための窓の挙動と関連した問題及び焦点合わせ用光学素子の挙動と関連した問題がある場合、容易ではない。
【００１４】
パルスプラズマ式スラスタの分野では、スパークプラグによる点火も用いられる。
【００１５】
しかしながら、推進薬を電解作用で迅速に加熱する別の方法も存在する。１つのかかる方法は、例えば、電熱式スラスタ及びその給電装置に関する特許文献１（仏国特許第１５９８９０３号明細書）に記載されている。
【００１６】
図３は、電解作用で点火されるプラズマスラスタの電気回路の概略図である。
【００１７】
サイリスタ１９０又は電力トランジスタは、制御回路１９１の制御下で、推進薬中に浸漬された２つの同軸の電極１３３，１３０に電圧差を生じさせることを可能にし、推進薬は、特に、ヨウ化ナトリウムの添加によって導電性にされたグリセリンによって構成される。キャパシタ１０８によって付与される電圧の影響を受けて、電解溶液のジュール効果加熱により、沸騰が１ミリ秒未満で迅速に生じ、次に中央電極１３３の周りのチャネル内にプラズマ放電が生じる。
【００１８】
最大電流５０アンペア（Ａ）及び電圧４００ボルト（Ｖ）で、瞬時電力が１０ミリグラム（ｍｇ）の物質の場合、２０キロワット（ｋＷ）に達する場合がある。
【００１９】
１キログラム当たり１メガジュール（１ＭＪ／ｋｇ）のエンタルピーを達成するために、推進薬が既に蒸発している場合、５０マイクロ秒（μｓ）の持続時間で十分である。この放電により、絶縁シース１２６によって包囲されたイオン化室中での主放電がトリガされ又は引起こされ、この絶縁シースは、ノズル１２７によって延長され、ノズル１２７は又、アーク室のためのアノードを構成する。瞬時電力は、１メガワット（ＭＷ）に達し、このエネルギー（３００ジュール（Ｊ））は、３０ＭＪ／ｋｇの平均エンタルピーを生じさせるのに十分である。
【００２０】
主キャパシタ１８１，１８２，１８３及び補助キャパシタ１０８のバッテリは、単一の電力供給回路１０７によって充電される。
【００２１】
図４は、中央電極１３３とカソード１３０を示す詳細図であり、中央電極１３３とカソード１３０は一緒になって、毛管作用によって液体１３１が充填される環状空間１３２を構成する。中央電極１３３は、導体１３４に接続され、この導体は、サイリスタ１９０に接続されている。予備放電プラズマは、放電室１２５中に入り込む。
【００２２】
また、１９７０年代において、ヒドラジン分解を達成する電解式点火が提案された。「単元推進薬電解式点火器」と題する特許文献２（米国特許第３８６１１３７号明細書）は、２つの多孔質電極とその間の絶縁体を構成するセラミックフェルトとを用いるシステムを記載している。電極間の電圧は、２Ｖ〜３０Ｖの範囲内にある。電解によって形成されたイオンの加熱と、絶縁体上のルテニウムの非導電性層の触媒作用との組合せの結果、点火が生じる。分解は、下流側に配置された格子上で続く。
【００２３】
「発熱推進薬の分解を開始させる装置」と題する特許文献３（米国特許第３６５１６４４号明細書）は、燃焼室の全長にわたって延びる同軸壁のシステムを記載している。用いられる単元推進薬は、主として、ヒドラジンである。電極間の電圧は、２８Ｖのオーダーのものである。電解により放電を開始させることを可能にするための措置は施されていない。サーマルベッド（thermal bed）が、分解を終了させる。
【００２４】
上述した２つの特許文献の両方において、ヒドラジンの抵抗率が高いので、面積／厚さの比を増大させることを目的とする。
【００２５】
最近の論文である非特許文献１は、ＡＤＮの溶液の電解式点火を得ることを可能にする実験装置を記載している。液体は、誘電管（Ｄ＝９ミリメートル（ｍｍ）、Ｌ＝２５ｍｍ）内に閉じ込められる。液体は、キャパシタのバッテリによって配送される５０００Ｖの電圧を受ける。数ミリ秒のうちに、点火が得られる。液体の柱の長さ／断面積の比により、高電圧を必要とする。
【００２６】
特許文献４（米国特許第６０８４１９８号明細書）は、低圧トリガ放電用ガス状媒体と関連した補助電極を用いる電磁流体発電（ＭＰＤ）推進薬の放電を開始させる又はトリガする装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】仏国特許第１５９８９０３号明細書
【特許文献２】米国特許第３８６１１３７号明細書
【特許文献３】米国特許第３６５１６４４号明細書
【特許文献４】米国特許第６０８４１９８号明細書
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】アンダース・ラーソン（Anders Larsson），ニクラス・ウィングボーグ（Niklas Wingborg），マチアス・エルフバーグ（Mattias Elfberg）及びパトリック・アペルグレン（Patrick Appelgren），「液体単元推進薬を主成分とするＡＤＮの特性及び電気点火」，２００５年５月，インターナショナル・スタンダード・シリアル・ナンバー（ISSN）１６５０．１９４２
【非特許文献２】Ｃ．カッペンステイン（Kappenstein），Ｎ．ピレット（Pillet）及びＡ．メルチオール（Melchior）共著，「ニトロゲンを主成分とする新しい単元推進薬（HAN, AＤN, HNF）、濃縮イオン水溶液の物理化学」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明は、上述した欠点を解決すること、特に、使用するのに火工点火器よりも高い融通性を有する点火器を構成可能にすることを目的とする。
【００３０】
特に、本発明は、多数回の点火を実施することを可能にすることを目的とし、かかる多数回の点火は、少なくとも、再点火可能なトップステージにおいて、又は、酸素又はエチルアルコール等の無毒性推進薬を利用する人工衛星、発射台又は惑星着陸船の姿勢制御において、又は、逆噴射ロケットが惑星ミッションのためにパルスモードで動作する着陸（無毒性推進薬を用いた主推進）において、絶対に必要である。
【００３１】
本発明は又、特に発射を中止した場合に発射台のメインステージ上での点火器の使用において高度の融通性をもたらすことを目的とし、その結果、次の発射を試みようとする前における点火器への介入が不要であり、それにより、数日間になることがある時間を節約する。
【００３２】
本発明は又、レセプション試験と発射との間でスラスタを何ら改造する必要がないように点火装置を構成することを可能にすることを目的とする。
【００３３】
本発明は又、単純化された構成の点火器を提供することを目的とし、特に、安全上の問題を引起こすことがなく、レーザビームの使用を必要とせず、燃焼室のサイズとは関係なく燃焼室のための確実な又は信頼性のある点火を可能にし、非常に高いレベルの瞬時電力が配送される点火器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】
【００３４】
本発明によれば、これら目的は、液体推進薬ロケットエンジンの主噴射器に組込まれるのに適した点火トーチであって、燃焼室と、電解式点火器と、を有し、電解式点火器は、第１の電極と、絶縁体によって第１の電極から電気的に絶縁された第２の電極と、噴射器と、電解液タンクと、電解液分配チャネルと、を有し、噴射器は、第１の電極（２）として構成され、且つ、燃料噴射装置と、酸化剤噴射装置と、電解液噴射装置とを有し、第２の電極は、噴射器を越えて下流側に延び、電解式点火器は、第２の電極を第１の電極の電位に対して５０Ｖ〜１０００Ｖの範囲内の電位まで上昇させるように構成された電力供給回路を有し、電解液分配チャネルは、燃料噴射装置及び酸化剤噴射装置の出口の付近に位置する少なくとも１つの噴射孔を介して開口し、噴射孔を経て噴射された電解液は、自由ジェットを構成し、この自由ジェットは、第１の電極によって構成された噴射器の本体の外側に位置する領域で前記第２の電極（５）に当たり、電解及びガス状混合物の点火が、点火トーチの燃焼室内において噴射器の下流側で起こる、点火トーチによって達成される。
【００３５】
好ましくは、電力供給回路は、第２の電極を、噴射器として構成された第１の電極の電位に対して１００Ｖ〜５００Ｖの範囲の電位まで上昇させるように構成される。
【００３６】
本発明では、点火トーチのスパークプラグが、電解放電式点火装置で置き換えられる。
【００３７】
本発明では、タンク内に存在する電解液は、燃料噴射装置によって配送される燃料とも酸化剤噴射装置によって配送される酸化剤とも異なる組成のものであるのがよい。
【００３８】
さらに、本発明では、トーチ内の推進薬の点火を生じさせる電気放電は、噴射器の下流側に位置し、噴射器の内側に位置していない。
【００３９】
電解液は、溶剤（例えば、水、アルコール又は低い蒸気圧のイオン液体）によって、又は、イオン解離の際にイオン伝導を可能にする塩（例えば、アンモニウム塩）によって、更にオプションとして、塩が酸化剤又は表面活性剤である場合、添加剤（例えば、燃料）によって構成される。
【００４０】
塩は、化学的に不活性であってもよいし（例えば、ヨウ化ナトリウム）、反応性であってもよい（例えば、ニトレート（硝酸塩））。
【００４１】
点火プロセスは、次のようにして起こり、即ち、第１の電極を構成する噴射器から噴射された１つ又は２つ以上の液体ジェットが、噴射器の電位に対して数百ボルトの電位にある第２の電極に当たる。これにより、高密度の電流を電解液中に生じさせ、電解液の加熱を迅速に引き起こし、次に、おそらくは、電気アークを形成する。
【００４２】
電解液のジェットは、点火すべきガス状混合物を生じさせるトーチの噴射器の下流側に位置し、ガス状混合物は、燃料（例えば、水素又はメタン）と酸化剤（例えば、酸素）を含むのがよい。
【００４３】
点火を次の１つ又は２つ以上の仕方で生じさせるのがよく、かかる仕方は、電気アークを蒸気流れ中に絶縁破壊によって生じさせる仕方、液体の塊の中でその温度を上昇させ、自然分解を生じさせる仕方（液体単元推進薬）、及び、液体燃料の場合、酸素中での高温蒸気の自然点火による仕方である。
【００４４】
本発明は、レーザ点火のすべての利点を実質的に再現し、特に、レーザビームを生じさせてこれを当てる装置を使用するときの脆弱性及び複雑さと関連した上述した欠点を被ることなしに、点火領域が固体壁から一定の距離のところに位置することを可能にする。
【００４５】
考えられる実施形態では、第２の電極は、中央に配置され、複数の電解液噴射孔、燃料噴射装置の出口、及び酸化剤噴射装置の出口は、中央電極の周りに配置される。
【００４６】
別の考えられる実施形態では、第２の電極は、電解液噴射孔、燃料噴射装置の出口、及び酸化剤噴射装置の出口に対して、側方に配置され、中央からずらされる。
【００４７】
第２の電極は、タングステン又はタングステン／レニウム系の耐熱金属で作られるのがよい。
【００４８】
有利な実施形態では、燃料噴射装置及び酸化剤噴射装置は、電極式点火器の所定の軸線周りにリング状に分布するように配置されたオリフィスを有し、複数の電解液噴射孔が、所定の軸線周りにリング状に分布して配置され、且つ、リング状に分布するように配置されたオリフィスに対して角度方向にずらされる。
【００４９】
電極式点火器は、噴射器の温度を電解液の凝固点よりも高い状態に維持するために、電気加熱装置及び受動的な断熱部を有するのがよい。
【００５０】
電力供給回路は、ＤＣ電源と、少なくとも１つのキャパシタと、スイッチとを有するのがよく、スイッチは、例えば、電力トランジスタ又はサイリスタを含む。かかる状況では、第１の電極を構成する噴射器は、電気的な接地に近い電位を有するのが有利である。
【００５１】
キャパシタ及びスイッチは、点火器の本体に固定されたハウジング内に収容されるのがよい。
【００５２】
変形実施形態では、電力供給回路は、ＤＣ電源と、少なくとも１つのキャパシタと、チョッパ回路と、電圧上昇型変圧器とを有し、電圧上昇型変圧器は、互いに電気的に絶縁された一次側と二次側を有し、一次側は、チョッパ回路に接続され、二次側は、第２の電極と第１の電極を構成する前記噴射器との間に接続される。
【００５３】
本発明の特定の特徴によれば、絶縁体は、自由に膨張することができるように取付けられた第１の絶縁体部分と、第２の電極と絶縁体支持部との間を密封する第２の絶縁体部分とを有する。
【００５４】
かかる状況では、第１の絶縁体部分は、窒化硼素又はアルミナで作られた少なくとも１つのセラミックブロックを含む。
【００５５】
特定の実施形態では、第２の絶縁体部分は、アルミナで作られ、最初に第２の電極にろう付けされ、次いで絶縁体支持部にろう付けされる。
【００５６】
別の特定の実施形態では、第２の絶縁体部分は、同軸ケーブル用のコネクタを受け入れる同軸ケーブルソケットと組合されるのがよい。
【００５７】
変形実施形態では、第２の絶縁体部分は、可撓性材料で作られ、可撓性材料は、ＰＴＦＥ、ＰＴＦＣＥ、ベスペル（Vespel；登録商標）、及びガラス繊維入りＰＴＦＥのうちの１つを含み、第２の絶縁体部分は、絶縁体支持部に取付けられたパッキン内に設けられる。
【００５８】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、実施例として与えられる特定の実施形態について行われる以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施形態における、中央アノードを有する電解式点火ヘッドの概略的な軸線方向断面図である。
【図２】図１の電解式点火ヘッドの端面図である。
【図３】電解式点火部を有する先行技術のプラズマスラスタの電気回路の概略図である。
【図４】先行技術の電熱スラスタの予備放電室の一例の軸線方向断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を構成する、中央からずらされた側方アノードを有する電解式点火ヘッドの概略的な軸線方向断面図である。
【図６】トーチに組込まれた図５の点火ヘッド及び主噴射器を示す概略的な軸線方向断面図である。
【図７】図２の変形実施形態を示す電解式点火ヘッドの端面図である。
【図８】２部品の絶縁体を有する、本発明の電解式点火ヘッドの変形実施形態の概略的な軸線方向断面図である。
【図９】パッキンと結合した絶縁体を有する、本発明の電解式点火ヘッドの変形実施形態を示す概略的な軸線方向断面図である。
【図１０】傾斜した密封出口を有する、本発明の電解式点火ヘッドの変形実施形態の概略的な軸線方向断面図である。
【図１１】電力回路を組込んだ電解式点火ヘッドの変形実施形態の概略的な軸線方向断面図である。
【図１２】電圧上昇型変圧器を組込んだ電力供給回路を有する、本発明の電解式点火ヘッドの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１を参照すると、本発明の電解式点火器の第１の例が示され、電解式点火器は、液体推進薬式ロケットエンジンの燃焼室内に設けた主噴射器と結合させたトーチに組込まれるように設計されている。
【００６１】
図示の電解式点火器は、接地電位に近い電位を有する噴射器を有し、この噴射器は、カソードを構成する。
【００６２】
従来通り、噴射器２は、燃料噴射装置２６と、酸化剤噴射装置２７を有している。
【００６３】
図２で理解できるように、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７はそれぞれ、噴射器の中心軸線ＸＸ′の周りにリング状に配置された分配チャネル２６ａ，２７ａと、送出オリフィス２６ｂ，２７ｂとを有している。
【００６４】
噴射器２は更に、電解液噴射装置を有し、電解液噴射装置は、複数の噴射孔１と接続された電解液分配チャネル３を有し、噴射孔１は、自由ジェットを、絶縁体４によって噴射器２の本体から電気的に絶縁されている中央電極５に向かって放出することが可能である。
【００６５】
図示の例では、中央電極５は、噴射器２を越えて中心軸線方向下流側に延びるアノードを形成している。
【００６６】
電解液分配チャネル３への電解液の供給は、電解液１３を収容したタンク１２から電磁弁１１を介して行われ、電解液１３は、有利には、燃料噴射装置２６によって送出される燃料及び酸化剤噴射装置２７によって送出される酸化剤と異なる化合物で構成される。
【００６７】
図１及び図２の実施形態では、電解液噴射孔１は、中心軸線ＸＸ′の周りにリング状に配置され、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７のリング状に配置されたオリフィスに対して角度方向にずらされている。
【００６８】
図１で理解できるように、受動的な断熱部を構成するチャネル３２が、電解液分配チャネル３と燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７との間の噴射器２の本体中に、熱的な分離を確保するように形成されるのがよい。極低温推進薬ロケットエンジンを冷却する間の噴射器２の温度を電解液の凝固点よりも高く維持するために、抵抗器等の電気加熱装置１６が、電解液分配チャネル３に近接して噴射器２の上に配置されるのが有利である。
【００６９】
図１の例では、バスバー又は母線１０から分岐されたＤＣ電源を有する電力供給回路が概略的に示されている。ＤＣ電源７の負極は、噴射器２の本体に接続され、かくして、噴射器２の本体はカソードを構成する。ＤＣ電源７の正極は、スイッチ９を介して中央電極５に接続され、中央電極５は、アノードを構成する。
【００７０】
数百ボルトの電位を中央電極５に付与することを可能にするキャパシタ（コンデンサ）８が、ＤＣ電源７の出力に並列に接続されている。キャパシタ８を放電させることにより、非常に高い瞬間電圧レベルを得ることを可能にする。スイッチ９は、例えば、電力トランジスタ又はサイリスタによって構成されるのがよい。
【００７１】
電磁弁１１は、電解液ジェット６の噴射を制御する。この電磁弁１１が開いているとき、噴射孔１から出た電解液ジェット６は、アノードを構成する中央電極５と、カソードを構成する噴射器２の本体とを接触させる。
【００７２】
電解電流に起因する加熱により、放電が生じ、この放電により、トーチに供給される目的で燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７から来た混合ガス２８を点火し、図示の例では、トーチは、噴射器２と同軸である。図１において、参照符号１４は、火炎前駆物質を示し、参照符号２９は、トーチの火炎を示している。
【００７３】
図２は、噴射器２を示し、噴射器２は、例えば、９つの電解液噴射孔１を有している。噴射孔１の数は、送出される流量の関数として選択される。
【００７４】
図２の左側部分は、点火シーケンスの前の噴射器を示し、図２の右側部分は、電解液ジェット６を噴射する動作中の噴射器を示している。
【００７５】
噴射孔１から出た電解液ジェット６が、点火のための混合ガスを生成する噴射器２の下流側に位置すること、及び、噴射器２の本体の外側に位置する領域内で中央電極５に当たることに注目することが重要である。
【００７６】
かくして、電解液中の高い電流密度、電解液の迅速な加熱、及び起こることがある電気アークの発生が、噴射器の内部ではなく、噴射器２の下流側のトーチ内において引起こされる。
【００７７】
先行技術の装置と異なり、電解は、自由ジェット中で生じ、２つの電極相互間の閉込め空間内では生じない。
【００７８】
５０Ｖ〜１０００Ｖ、好ましくは１００Ｖ〜５００Ｖの比較的高い電圧の電力供給源は、液体が加熱された後の蒸気中の絶縁破壊を回避するのに役立つ。しかしながら、電圧レベルは、電気的な絶縁の問題を回避するのに十分低いままである。
【００７９】
電解液１３は、水、アルコール、又は低蒸気圧のイオン液体と、イオン伝導を可能にするイオン解離を生じさせる塩と、場合によっては添加剤（塩が酸化剤であり又は表面活性剤である場合、例えば燃料）とで作られる溶剤によって構成される。
【００８０】
本発明に適した電解液の例を次に示す。
・水と、塩化アンモニウム
・グリセロールと、ヨウ化ナトリウムと、流動化添加剤
・イソプロピルアルコールと、硝酸アンモニウム
・低蒸気圧のフッ素含有イオン液体と、硝酸アンモニウム
【００８１】
例えば、イオン液体は、ジエチルアンモニウムホルメート(di-ethylammonium formate)、及びエチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(ethyl-methyl-imidazolium tetra-fluoroborate)から選択されるのがよい。
【００８２】
電解液はまた、ニトレート(nitrate)を主成分とする無毒性の単元推進薬によって構成されるのがよく、かかる単元推進薬は、水溶性燃料を添加した種々のニトレートの水溶液を含み、水溶性燃料は、例えば、アルコール、トリエタノールアンモニウムニトレート（ＴＥＡＮ; triethanolammonium nitrate）であり、ニトレートは、例えば、ヒドロキシルアンモニウムニトレート（ＨＡＮ; hydroxyl ammonium nitrate）、アンモニウムジニトラミド（ＡＤＮ; ammonium di-nitramide）、ヒドラジニウムニトロホルメート（ＨＮＦ; hydrazinium nitro-formate）である。
【００８３】
イオン溶液中のニトレート単元推進薬の自己分解による点火は、電解液の加熱によって得られる。
【００８４】
ニトレートの水溶液は、温度Ｔの上昇と共に増大する高いイオン伝導率“Ｃ”を有する（非特許文献２参照）。
【００８５】
この伝導率は、−１２℃で及び濃度７０％で、１オームセンチメートル当たり０．０５（０．０５（Ω．ｃｍ）-1）に達し、＋４０℃において０．２（Ω．ｃｍ）-1に達する。これは、関係式１ｎ（Ｃ）＝１／（Ｔ−Ｔｏ）に従っている。
【００８６】
本発明に従って自由ジェット６を配置することにより、高い抵抗が得られると共に数百ボルトのオーダーの高電圧で動作させることを可能にする。加熱は、噴射器２の外側で起こる。自由ジェットが中央電極５に到達する前に点火した場合、ガスは、燃焼室内で自由に膨張することができる。
【００８７】
蒸気の膜が中央電極５の上（ジェットの最も高温の部分）に生じたとき、電流は遮られ、電圧が膜の上下に現われる。圧力と距離の積がパッシェンの最低値よりも小さいので、絶縁破壊が生じ、火花が加熱状態の混合物の残部を点火する。
【００８８】
加熱は、殆どの揮発性化学種、例えばアルコールの選択的蒸発（蒸留）を生じさせる。空気と混合されるアルコール蒸気は、点火を容易にする。
【００８９】
次の例は、多ジェット型噴射器を用いた場合の放電の物理的パラメータに関する大きさの程度を示す。
【００９０】
個々のジェットにおいて、直径：１ｍｍ、長さ：５ｍｍ、速度：３メートル毎秒（ｍ／ｓ）、質量流量：３．３グラム毎秒（ｇ／ｓ）、電圧：Ｖｏ＝５００Ｖである。
【００９１】
推進薬の温度は、噴射器の出口のところにおいて、２９８Ｋである。
【００９２】
初期消費電力は、６００ワット（Ｗ）（抵抗＝４１０オーム（Ω））である。
【００９３】
２ミリ秒（ｍｓ）後、ジェットの温度プロフィールは安定化し始め、ジェットの下流部分は、３９８Ｋ（１２５℃）に達する。
【００９４】
消費電力は、１５６０Ｗに達し、ジェットの抵抗は、１６０オームである。
【００９５】
５つのオリフィスを備えた点火器ヘッドの場合、次の数値のようになり、即ち、初期電力：３０００Ｗ、２ｍｓでの電力：７８００Ｗ、流量：１６．５ｇ／ｓである。
【００９６】
比較例として、１６．５ｇ／ｓの流量において単元推進薬の発熱分解によって送出される熱出力は、５０ｋＷよりも高い。
【００９７】
電力は、キャパシタ８によって供給され、キャパシタ８は、放電の際に消散されるエネルギーの少なくとも２倍のエネルギーを貯えることができる。
【００９８】
電解電流は、１５．６Ａに達し、電力トランジスタによって構成されたスイッチ９によって制御されるのがよい。
【００９９】
キャパシタ８は、電解式点火器を備えたロケットエンジンを有する人工衛星又はミサイルのバスバー１０に接続された電圧上昇型ＤＣ／ＤＣ変換器７を介して（好ましくは一定電流で）充電される。
【０１００】
単元推進薬の噴射は、それと同時に電圧が印加される電磁弁１１によって制御されるが、電流は、約５ｍｓ〜１０ｍｓ、即ち、弁の反応時間の間、流れない。
【０１０１】
いったん点火が得られたら、電力トランジスタ又はサイリスタによって構成されたスイッチ９を閉じることによって、電流を遮断するのがよい。
【０１０２】
電流の遮断により、電磁弁１１を閉じ、かくして、液体ジェットを途切れさせる。
【０１０３】
変形例では、エネルギーは、迅速充電型バッテリに貯えられもよい。
【０１０４】
本発明では、点火が液体中で起こるので、点火は、圧力に対して比較的敏感ではなく、点火器は、液体の沸騰が速やかでない真空中でも、数メガパスカル（ＭＰａ）の大気圧の下でも、等しく良好に動作することができる。点火器は又、シミュレーション高度（数百パスカル（Ｐａ））においても動作することができる。
【０１０５】
これとは対照的に、電気スパークプラグ式点火器は、宇宙真空ではない動作圧力によって妨げられたり、大気圧ではない動作圧力によって妨げられたりすることがある。
【０１０６】
シミュレーション高度における作動、又は、上層大気中における作動は、動作電圧が非常に高い（１０ｋＶ〜２０ｋＶ）ので、電力供給源及びケーブルに絶縁の問題を生じさせる場合がある。
【０１０７】
高圧下での動作は、困難になり、ガスの絶縁容量が増大し、それにより、点火が一層複雑になる。
【０１０８】
電解式点火器は、５００Ｖのオーダーの適度な電圧を用い、それにより、特にシミュレーション高度での動作に対応する圧力範囲において、絶縁の問題を単純化する。
【０１０９】
ジェットを、混合物の濃度が最も燃焼を持続しそうな領域にジェットが達するように位置決めするのがよい。
【０１１０】
この観点から、電解式点火は、レーザ式点火に類似した利点を有し、しかも、実施が容易である。
【０１１１】
図１２では、交流を用いて電解を実施する変形実施形態が示されている。
【０１１２】
電解式点火器を備えたロケットエンジンが搭載された人工衛星又はミサイルのバスバー１０等のＤＣ電源から送られたエネルギーは、スーパーキャパシタ８又はバッテリに貯えられ、キャパシタ８は、１０キロヘルツ（ｋＨｚ）〜１００ｋＨｚの範囲の周波数で１００Ａ以上の電流を制御することができる電力トランジスタ（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））によって構成されるチョッパ回路９１に電力を供給し、且つ、電圧上昇型変圧器９２、好ましくはフェライト変圧器に電力を供給し、変圧器９２の二次側は、噴射器２の本体によって構成された第１の電極と中央電極５によって構成された第２の電極との間の電解式点火器に直接電力を供給する。
【０１１３】
変圧器９２及びチョッパ回路９１のトランジスタは、短期間（数十ミリ秒）しか動作しないので、大がかりな冷却を行う必要はない。
【０１１４】
中央電極５を有する電解式点火器は、図１、図２及び図１２を参照して、前に説明した。
【０１１５】
図５及び図６に示す、考えることができる別の実施形態では、ＤＣ電源を用いる場合にアノードを形成する第２の電極１０５は、中央の位置に配置されず、点火器及びそれと関連したトーチ１７の長手方向軸線から側方に且つ中央からずらされて位置する。かかる状況下で、電解液分配チャネル１０３は、燃料及び酸化剤噴射装置２６，２７の外側で点火器の第１の側（図５及び図６の上部）に配置され、電極１０５は、第１の側の反対側（図５及び図６の下部）の壁に形成された凹部１０２内に配置される。
【０１１６】
噴射器２の本体中の分配チャネル１０３の少なくとも１つの噴射孔１０１が、電極１０５に当たる少なくとも１つの横断ジェット１０１を生じさせるよう形成され、横断ジェットは、上述した実施形態と同一の特性を備え、図１及び図１２に示した電気回路は、それと同じ仕方で図５及び図６の実施形態を具体化されるのに適しており、電解液は、同様に、上述した組成物から選択される。
【０１１７】
かくして、電解液ジェット中のイオン伝導による電力の消費、例えば、１００ワット毎グラム毎秒（１００Ｗ／ｇ／ｓ）〜１０００Ｗ／ｇ／ｓの電力の消費は、十分な温度上昇、例えば５０００℃毎秒（５０００℃／ｓ）〜２０，０００℃／ｓを生じさせ、それにより、電解液の絶縁破壊、又は、電解液が単元推進薬である場合には電解液の自然分解を生じさせ、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７（図示の例では、同軸型のものである）から来たガス状混合物２８は、火炎前駆物質又はトーチ１７中の燃焼ガス１４によって点火される。
【０１１８】
図６では、電解式点火器は、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７によってガス状推進薬が供給されるトーチ１７内に組込まれていることが分かり、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７自体、電磁弁３０，３１を介して供給が行われる。
【０１１９】
トーチ１７は、それ自体、ロケットエンジンの主噴射器３３に組込まれ、その軸線上に位置している。
【０１２０】
図７は、中央電極５を有する電解式点火器の変形実施形態を示す。燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７はそれぞれ、一連のオリフィスを有し、燃料噴射装置２６のオリフィスと及び酸化剤噴射装置２７のオリフィスは、電解液噴射孔１から噴射された液体ジェットに対して角度方向にずらされた対を構成し、液体ジェットの中に吹き込むガスジェットの程度を制限する。
【０１２１】
図２と同様、図７の左側部分は、噴射シーケンスの前の噴射器２を示し、図７の右側部分は、電解液ジェット６を含む点火シーケンス中の噴射器２を示す。
【０１２２】
図８〜図１１は、第２の電極を形成する中央電極５と、第１の電極を形成する噴射器２の本体との間に介在する絶縁体の特定の実施形態を示す。図１２と同様の単純化の理由で、図７〜図１１は、燃料噴射装置２６及び酸化剤噴射装置２７を有するトーチ噴射装置１５を示していない。
【０１２３】
同様に、図８〜図１１は、電力供給回路を示しておらず、電力供給回路は、図１及び図１２を参照して説明した電力供給回路に類似しているのがよく、また、図８〜図１１は、電解液分配部３と関連した要素、例えば、図１に示した電磁弁１１、タンク１２、電気抵抗１６、及び断熱部３２を示していない。
【０１２４】
図８は、２つの部分で構成された電気絶縁体を示す。燃焼室に面するように位置する下流部分４１は、セラミックのブロックであり、自由に膨張することができるための隙間を有するように取付けられている。上流部分４２は、密封を行う。上流部分４２は、絶縁体支持部１９と中央電極５とにろう付けされている。この構成により、電気絶縁体４１，４２が、端効果及び燃焼圧力によって生じる圧縮を受けることを可能にする。
【０１２５】
下流部分４１は、窒化ホウ素又はアルミナで構成されるのがよく、上流部分４２は、アルミナで構成されるのがよい。
【０１２６】
図８において、参照符号２０は、電気接続部を示す。
【０１２７】
図９は、パッキンを有する電気絶縁体を示す。
【０１２８】
電気絶縁体の下流部分４１は、防火壁を構成し、図８の実施形態の下流部分４１と類似するように作られるのがよい。
【０１２９】
中央電極５は、パッキンによって密封され且つ保持され、パッキンは、下流部分４１の近くに位置する可撓性絶縁体４２ｂと、絶縁スラストワッシャ４２ａと、噴射器２の後部分１９ａに締め付けられたナット２３とによって構成されている。
【０１３０】
可撓性絶縁体４２ｂは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリトリフルオロクロロエチレン（ＰＴＦＣＥ）、又は、ガラス繊維又はこれに類似した材料の入ったＰＴＦＥ（例えば、ベスペル（Vespel；登録商標）という名称で供給業者デュポンから販売されている製品）で作られるのがよい。
【０１３１】
図１０は、最小の嵩を有するように複数の部分で構成された電気絶縁体を示す。
【０１３２】
図１０に示すように、絶縁体の下流部分はそれ自体、２つ又は３つの部分４１ａ，４１ｂ，４１ｃに更に分割されている。絶縁体の上流部分４２は、曲り部を有するよう作られている。上流部分４２は、噴射器２の後部分にねじ止めされ又は溶接された金属シャッタ５１によって、適所に設置され且つ保持されるのがよい。
【０１３３】
中央電極５のための電力供給ケーブル２４は、金属シャッタ５１に装着されたソケット５２と結合した結合要素５３によって、同軸ケーブル２５に接続されるのがよい。
【０１３４】
図９及び図１０の実施形態は、放電電流によって生じる電磁干渉を最小にするのに役立つ。
【０１３５】
図１１は、噴射器２の本体に装着されたハウジング５０内に組込まれた電力回路を有する電解式点火器の一例を示す。電気絶縁体は、図８の実施形態のように、２つの部分４１，４２で作られるのがよい。
【０１３６】
キャパシタ８と、スイッチを形成する電力トランジスタ９は、ハウジング５０内に組込まれている。
【０１３７】
中央電極５との接続部２０は、電力トランジスタ９を支持するプリント回路の形態をなすのがよい。かくして、電気接続部は、軽量であり且つ小さな曲率半径に順応できる低電力ケーブル２４だけによって構成されている。
【０１３８】
上述の種々の実施形態において、中央電極５又は中央からずらされた電極１０５は、タングステン又はタングステン／レニウム系の耐火金属で作られるのがよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2010523876.tif 000014
【国際調査報告】
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2010523876.tif 000016
2010523876.tif 000017
2010523876.tif 000018
2010523876.tif 000019
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