(57)【要約】  【課題】  ロケット用燃焼器の高効率化を目的として、簡素かつ軽量な構造で燃焼振動を抑制可能なロケット用燃焼器を提供する。【解決手段】  燃焼器の重量増加および燃焼効率の低減要因になっていた燃焼振動抑制用のBaffer Bladeを使用せずに、代わりに、燃焼室において、複数の内壁形状および内壁材質から最適の形状および材質（多指向性形状面、ポーラス材質面、軸方向異径面あるいはそれらの組み合わせ）を採用することにより、燃焼室内に生じる面モードを抑え込み、上記面モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制を行う。  【選択図】  図３
2005226586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射装置と、
燃焼室と、
ノズルとを具備し、
前記噴射装置は前記燃焼室内に液体燃料と酸化剤を噴射し、前記燃焼室内で前記液体燃料が前記酸化剤を用いて燃焼されて燃焼ガスが発生し、
前記ノズルは前記燃焼ガスの出口を絞って推力を上げ、
前記燃焼室は、前記燃焼室内での前記燃焼ガスにより生じる燃焼振動を防止するために、前記燃焼室の内周面に沿って設けられた振動防止手段を具備するロケット用燃焼器。
【請求項２】
請求項１において、前記振動防止手段は、ポーラス材により形成された前記燃焼室の内壁であり、
前記ポーラス材により、前記燃焼ガスによる圧力波の反射波を減衰させることにより、前記燃焼室の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止するロケット用燃焼器。
【請求項３】
請求項１において、前記振動防止手段は、前記燃焼室の内壁に形成された多指向面構造であり、
前記多指向面により、前記燃焼ガスによる圧力波の反射波を分散して減衰させることにより、前記燃焼室の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止するロケット用燃焼器。
【請求項４】
請求項１において、前記振動防止手段は、前記燃焼室の軸方向の内径を少なくとも２段以上変化させた軸方向異径燃焼室であり、
前記軸方向異径燃焼室により、前記燃焼室の面内方向における特定の圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止するロケット用燃焼器。
【請求項５】
請求項２において、前記ポーラス材はＳＵＳあるいはニッケル合金で形成されるロケット用燃焼器。
【請求項６】
請求項３において、前記多指向面構造は複数の三角形の溝で形成されるロケット用燃焼器。
【請求項７】
請求項３において、前記多指向面構造は複数の矩形の溝で形成されるロケット用燃焼器。
【請求項８】
請求項３において、前記多指向面構造は複数の半円形の溝で形成されるロケット用燃焼器。
【請求項９】
請求項３において、前記多指向面構造は複数の円形の溝で形成されるロケット用燃焼器。
【請求項１０】
請求項４において、前記燃焼室の内壁はポーラス材により形成されるか、または、多指向面構造により形成され、
前記ポーラス材により、前記燃焼ガスによる圧力波の反射波を減衰させることにより、前記燃焼室の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する、
あるいは、前記多指向面により、前記燃焼ガスによる圧力波の反射波を分散して減衰させることにより、前記燃焼室の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する
ロケット用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケット用燃焼器に関し、特に燃焼室の内壁が、多指向性形状面、ポーラス形状面、軸方向異径面あるいはそれらの組み合わせで構成される燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のロケット用燃焼器の概略構成を図１に示す（詳細については非特許文献１参照のこと）。図１に示すように、ロケット用燃焼器は、噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３、ノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４、Ｂａｆｆｌｅ  Ｂｌａｄｅ２そしてＢａｆｆｌｅ  Ｈｕｂ５から構成される。
【０００３】
液体燃料エンジンに搭載されるロケット用燃焼器は、噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１より液体燃料（主に水素）と酸化剤（主に酸素）が燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３に噴射注入され、点火器（図示せず）により、着火された後、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３内部で発生した燃焼ガスがノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４により絞られ、燃焼ガス排出方向６へ排出され推力を生じる。
【０００４】
近年のロケットエンジンの高効率化要求により、ロケット用燃焼器では、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３で局所的にエネルギー密度の非常に高い高負荷の燃焼を行う必要があるため、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３において、面モードの音響と共鳴する燃焼振動の発生が問題となる。
【０００５】
特に、燃焼室の内径がＲｃ（一定）であるような燃焼器においては、
【０００６】
【数１】
2005226586.tif 000003
【０００７】
ｆ；固有振動数
Ｃ０；音速
Ｒｃ；燃焼室の内径
Ｓｒｎ；面モードの固有値
なる固有振動数をもつ燃焼振動が生じ、燃焼時問題となる。
【０００８】
このため、図１に示すようなＢａｆｆｌｅ  Ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅＨｕｂ５を装着して、燃焼室内において面モードが生じるのを抑え、燃焼振動を抑制している。
【０００９】
この場合の問題点は、高温の燃焼ガス中にＢａｆｆｌｅ  Ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅ  Ｈｕｂ５を挿入するため、これを冷却する必要があり、燃焼器自体の構造が複雑化すると伴に、冷却効果により燃焼効率の低下を招く欠点がある。
【００１０】
また、Ｂａｆｆｌｅ  Ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅ  Ｈｕｂ５の装着そのものがロケット用燃焼器の自重の増加にもつながり、ロケットエンジンの高効率化要求に反した要因となる。
【００１１】
【非特許文献１】Ｈａｒｒｊｅ，Ｄ．Ｊ．，ａｎｄ  Ｒｅａｒｄｏｎ，Ｆ．Ｈ．，Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ  Ｒｏｃｋｅｔ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ＮＡＳＡ  ＳＰ−１９４、１９７２、ｐ１５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ロケット用燃焼器の高効率化であり、特に、簡素かつ軽量な構造で燃焼振動を抑制可能なロケット用燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用する番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１４】
本発明のロケット用燃焼器は、噴射装置（１a）と、燃焼室（３a）と、ノズル（４a）とを備え、噴射装置（１a）は燃焼室内に液体燃料と酸化剤を噴射し、燃焼室内で液体燃料が酸化剤を用いて燃焼されて燃焼ガスが発生し、ノズル（４a）は燃焼ガスの出口を絞って推力を上げ、燃焼室（３a）は、燃焼室内での燃焼ガスにより生じる燃焼振動を防止するために、燃焼室の内周面に沿って設けられた振動防止手段を備える。
【００１５】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項１において、その振動防止手段は、ポーラス材により形成された燃焼室（３a）の内壁であり、ポーラス材により、燃焼ガスによる圧力波の反射波を減衰させることにより、燃焼室（３a）の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する。
【００１６】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項１において、振動防止手段は、燃焼室（３a）の内壁に形成された多指向面構造であり、多指向面により、燃焼ガスによる圧力波の反射波を分散して減衰させることにより、燃焼室（３a）の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する。
【００１７】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項１において、振動防止手段は、燃焼室（３a）の軸方向の内径を少なくとも２段以上変化させた軸方向異径燃焼室であり、軸方向異径燃焼室により、燃焼室（３a）の面内方向における特定の圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する。
【００１８】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項２において、ポーラス材はＳＵＳあるいはニッケル合金で形成される。
【００１９】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項３において、多指向面構造は複数の三角形の溝で形成される。
【００２０】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項３において、多指向面構造は複数の矩形の溝で形成される。
【００２１】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項３において、多指向面構造は複数の半円形の溝で形成されるロケット用燃焼器。
【００２２】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項３において、多指向面構造は複数の円形の溝で形成される。
【００２３】
また、本発明のロケット用燃焼器は、請求項４において、燃焼室（３a）の内壁はポーラス材により形成されるか、または、多指向面構造により形成され、ポーラス材により、燃焼ガスによる圧力波の反射波を減衰させることにより、燃焼室（３a）の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する、あるいは、多指向面により、燃焼ガスによる圧力波の反射波を分散して減衰させることにより、燃焼室の面内方向における圧力モードの音響と共鳴する燃焼振動を防止する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のロケット用燃焼器においては、複数の内壁形状および内壁に使用する材質を採用することにより、燃焼室内に生じる面モードを抑え込み、燃焼振動の抑制を行っている。
【００２５】
このことにより、従来燃焼振動を抑制する目的で使用していたＢａｆｆｌｅ  ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅ  ｈｕｂ５を燃焼室内へ挿入する必要が無くなる。
【００２６】
そのため、燃焼器の自重を軽減することが可能になる。また、Ｂａｆｆｌｅ  ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅ  ｈｕｂ５を挿入していたことによる燃焼器内での冷却効果から来る燃焼効率低下を防ぐことが出来る。さらに、Ｂａｆｆｌｅ  ｂｌａｄｅ２およびＢａｆｆｌｅ  ｈｕｂ５を冷却するための冷却構造が不要になり、燃焼器の構造そのものを簡素化出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
添付図面を参照して、本発明によるロケット用燃焼器を実施するための最良の形態を以下に説明する。
【００２８】
本発明のロケット用燃焼器の概略構成を図２に示す。図２に示すように、ロケット用燃焼器は、噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１a、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３a、ノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４aから構成される。
【００２９】
液体燃料エンジンに搭載されるロケット用燃焼器は、噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１aより液体燃料（主に水素）と酸化剤（主に酸素）が燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３aに噴射注入され、点火器（図示せず）により、着火された後、燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）３a内部で発生した燃焼ガスがノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４aにより絞られ、推力が生じる。
【００３０】
（第１実施形態）
図３に本発明に係わる第１の実施形態を示す。図３は燃焼器の断面の概略形状を示すものであり、外壁６０、ポーラス材質壁面８を備えた内壁、そして外壁６０の温度上昇による溶融を防ぐために外壁内に配置され、燃料である水素を通して外壁を冷却する壁面冷却通路７から構成される。
【００３１】
第１の実施形態においては、外壁６０を構成する部材と内壁８を構成する部材は異なり、内壁８を構成する部材にポーラス材を使用するのが本実施形態の特徴である。
【００３２】
ポーラス材は、燃焼ガスにより生じる圧力波を自身の空隙内で乱反射させて吸収するため、燃焼室内の圧力波は対壁でそのまま反射されずに、ポーラス材により吸収され減衰される８０。このため、断面内方向における定常の圧力モードが形成されにくい。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００３３】
実際のポーラス材の材料としては、ＳＵＳやニッケル合金が考えられ、燃焼時間（例えば４００秒程度）だけ溶融せずに機能すれば良い。
【００３４】
本実施形態の製造に際しては、ポーラス材で製造された内壁部を別形成し、その後燃焼器外壁に、内壁部を圧入する。
【００３５】
（第２実施形態）
図４に本発明に係わる第２の実施形態を示す。図４は燃焼器の断面の概略形状を示すものであり、外壁６０、三角形壁面９を備えた内壁、そして外壁６０の温度上昇による溶融を防ぐために外壁内に配置され、燃料である水素を通して外壁を冷却する壁面冷却通路７から構成される。
【００３６】
第２の実施形態においては、内壁９の表面形状が三角形になっていることが特徴である。
【００３７】
表面形状が三角形になっているため、燃焼室内の燃焼ガスの圧力波は対壁でそのまま反射されずに、図４中の１００または２００に見られる方向に分散される。このため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００３８】
実際に、燃焼室の内壁に形成される三角形の実行長は、考慮するモードの周長の１／１０〜から１／２０程度が現実的であり、考慮するモード数に対応する種類の実行長をもつ三角形の溝が壁面上に形成される。また、三角形の角度については、なるべく面内モードが形成されないように、ランダムな角度をとるのが最適である。
【００３９】
また、各々の角度及び実行長を持つ三角形状の壁面上配置についても上記したように面内モードが形成されないように、規則性の無いランダムな配置が最適である。
【００４０】
本実施形態の製造に際しては、内壁部および外壁部の部材は同一であり、内壁形状は削り出しで製造する。
【００４１】
（第３実施形態）
図５に本発明に係わる第３の実施形態を示す。図５は燃焼器の断面の概略形状を示すものであり、外壁６０、矩形壁面１０を備えた内壁、そして外壁６０の温度上昇による溶融を防ぐために外壁内に配置され、燃料である水素を通して外壁を冷却する壁面冷却通路７から構成される。
【００４２】
第３の実施形態においては、内壁１０の表面形状が矩形になっていることが特徴である。
【００４３】
表面形状が矩形になっているため、燃焼室内の燃焼ガスの圧力波は対壁でそのまま反射されずに、図５中の３００または４００に見られる方向に分散される。このため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００４４】
実際に、燃焼室の内壁に形成される矩形の実行長（高さ）は、考慮するモードの周長の１／１０〜１／２０程度が現実的であり、考慮するモード数に対応する種類の実行長をもつ矩形の溝が壁面上に形成される。矩形の高さと幅の比については、なるべく面内モードが形成されないように、ランダムな比になっているのが最適である。
【００４５】
また、各々の比及び実行長を持つ矩形状の壁面上配置についても上記したように面内モードが形成されないように、規則性の無いランダムな配置が最適である。
【００４６】
本実施形態の製造に際しては、内壁部および外壁部の部材は同一であり、内壁形状は削り出しで製造する。
【００４７】
（第４実施形態）
図６に本発明に係わる第４の実施形態を示す。図６は燃焼器の断面の概略形状を示すものであり、外壁６０、半円形壁面１１を備えた内壁、そして外壁の温度上昇による溶融を防ぐために外壁内に配置され、燃料である水素を通して外壁６０を冷却する壁面冷却通路７から構成される。
【００４８】
第４の実施形態においては、内壁１１の表面形状が半円形になっていることが特徴である。
【００４９】
表面形状が半円形になっているため、燃焼室内の燃焼ガスの圧力波は対壁でそのまま反射されずに、図６中の５００または６００に見られる方向に分散される。このため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００５０】
実際に、燃焼室の内壁に形成される半円形の実行長（半径）は、考慮するモードの周長の１／１０〜１／２０程度が現実的であり、考慮するモード数に対応する種類の半径の半円形の溝が壁面上に形成される。また、各々の半径を持つ半円形状の壁面上配置についても上記したように面内モードが形成されないように、規則性の無いランダムな配置が最適である。
【００５１】
本実施形態の製造に際しては、内壁部および外壁部の部材は同一であり、内壁形状は削り出しで製造する。
【００５２】
（第５実施形態）
図７に本発明に係わる第５の実施形態を示す。図７は燃焼器の断面の概略形状を示すものであり、外壁６０、半楕円形壁面１２を備えた内壁、そして外壁の温度上昇による溶融を防ぐために外壁内に配置され、燃料である水素を通して外壁６０を冷却する壁面冷却通路７から構成される。
【００５３】
第５の実施形態においては、内壁１２の表面形状が半楕円形になっていることが特徴である。
【００５４】
表面形状が半楕円形になっているため、燃焼室内の燃焼ガスの圧力波は対壁でそのまま反射されずに、図７中の７００または８００に見られる方向に分散される。このため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００５５】
実際に、燃焼室の内壁に形成される半楕円形の実行長（燃焼室の半径方向の楕円半径）は、考慮するモードの周長の１／１０〜１／２０程度が現実的であり、考慮するモード数に対応する種類の実行長を持つ半楕円形の溝が適当な扁平率および楕円の燃焼室の半径方向に対する傾きを考慮して壁面上に形成される。形成される半楕円形の壁面上への配置については、面内モードが形成されないように、実行長および半楕円の傾き方向とも規則性の無いランダムな配置が最適である。
【００５６】
本実施形態の製造に際しては、内壁部および外壁部の部材は同一であり、内壁形状は削り出しで製造する。
【００５７】
（第６実施形態）
図８に本発明に係わる第６の実施形態を示す。図８は燃焼器の外観形状を示すものであり、噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１aからノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４aに向けた軸方向に、少なくとも２つ以上の半径の異なる燃焼器を直列接合することにより構成される。図８では噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１a方向から、経の小さい順に接続されているが、径の大きい順に接続されても構わない。
【００５８】
第６の実施形態においては、経の異なった燃焼器が軸方向に接続されていることが特徴である。
【００５９】
軸方向に対して、燃焼室の内壁経が変化していくため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【００６０】
変化させる燃焼器半径の個数および軸方向の長さは、少なくとも２以上の異経内径が必要であり、また、１つの半径における軸方向の長さについては、なるべくその半径に対応したモードが形成されないよう、その半径の考慮するモードの周長の１／２以下が望ましい。どのような半径の組み合わせを選ぶかについては、なるべく同一モードの出来ないような離れた半径の組み合わせが望ましいが、燃焼器としての性能が損なわれないことが前提条件となる。
【００６１】
（第７実施形態）
図９に本発明に係わる第７の実施形態を示す。図９は燃焼器の外観形状および軸方向の任意の位置における半径方向の断面の概略図を示すものである。
【００６２】
本実施形態は、具体的には実施形態６と、実施形態１から５までの組み合わせによって構成される。
【００６３】
噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１aからノズル（Ｎｏｚｚｌｅ）４aに向けた軸方向に、少なくとも２つ以上の半径の異なる燃焼器を直列接合することにより構成される。図では噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）１a方向から、経の小さい順に接続されているが、径の大きい順に接続されても構わない。この燃焼器の内壁には、実施形態１から５にある内面部材、あるいは壁面形状のものを実施する。
【００６４】
第７の実施形態においては、経の異なった燃焼器が軸方向に接続されていることと、その内壁が複数の内壁形状および内壁材質（多指向性形状面、ポーラス形状面、軸方向異径面あるいはそれらの組み合わせ）から最適の形状および材質を採用することにより構成されることが特徴である。
【００６５】
既に実施形態１から５で述べたように、燃焼室の内壁表面形状１３が、考慮するモードに対応した固有長および半径方向に対するランダムな角度を持っており、燃焼室内の燃焼ガスの圧力波は対壁でそのまま反射されずに分散される。このため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。
【００６６】
また、実施形態６で既述したように、軸方向に対して、燃焼室の内壁経が変化していくため、断面内方向における定常の圧力モードの形成を防ぐ効果がある。これにより、上記モードの音響と共鳴する燃焼振動の抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】従来のロケット用燃焼器の概略形状図を示す。
【図２】本発明のロケット用燃焼器の概略形状図を示す。
【図３】本発明の実施形態１における燃焼器の断面形状図を示す。
【図４】本発明の実施形態２における燃焼器の断面形状図を示す。
【図５】本発明の実施形態３における燃焼器の断面形状図を示す。
【図６】本発明の実施形態４における燃焼器の断面形状図を示す。
【図７】本発明の実施形態５における燃焼器の断面形状図を示す。
【図８】本発明の実施形態６における燃焼器の外観図を示す。
【図９】本発明の実施形態７における燃焼器の外観図および断面形状図を示す。
【符号の説明】
【００６８】
１…噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）
１a…噴射装置（Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）
２…Ｂａｆｆｌｅ  Ｂｌａｄｅ
３…燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）
３a…燃焼室（Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ）
４…Ｎｏｚｚｌｅ
４a…Ｎｏｚｚｌｅ
５…Ｂａｆｆｌｅ  Ｈｕｂ
６…軸方向（燃焼ガス排出方向）
７…壁面冷却通路
８…ポーラス材質壁面
９…三角形壁面
１０…矩形壁面
１１…半円形壁面
１２…半楕円形壁面
１３…壁面形状
５０…軸方向異径燃焼器
６０…外壁
【図１】
2005226586.tif 000004
【図２】
2005226586.tif 000005
【図３】
2005226586.tif 000006
【図４】
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【図５】
2005226586.tif 000008
【図６】
2005226586.tif 000009
【図７】
2005226586.tif 000010
【図８】
2005226586.tif 000011
【図９】
2005226586.tif 000012