(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
横荷重を減少させるためのロッケトノズルのフローセパレーションラインを制御する装置において、ノズル（１）の内側が、ノズル内側の残部に比して大きくされた表面粗さを有する円周方向に規則正しい間隔を保った区域（２）をもつことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記表面粗さがノズルの入口から出口まで漸進的に大きくなり、表面粗さが出口で1 mm を超えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
大きくされた表面粗さを有する区域（２）がノズルの長さ（Ｌ）の少なくとも一部分にわたって延び、ノズルの出口における前記区域の幅（Ｗ１）が、大きくされていない表面粗さを有する隣接区域の幅（Ｗ２）より小さいか、それと等しいか、又はそれより大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はノズルに加わる横荷重を減少させるためにロッケトノズルのフローセパレーションラインを制御する装置に関するものである。
【０００２】
海水面ロッケトエンジンにおける起動と停止の過渡期中に、しばしば横荷重と呼ばれるかなり大きい動的及び静的荷重が生じる。これらの荷重は一般的にフローセパレーション中のフローの無秩序なフロー特性に起因するとされている。これらの横荷重は通常は、使用できるノズルの大きさを、その結果ロッケトエンジンの性能を制限する。
【０００３】
主にフローセパレーションに関してロケットエンジンノズルを稼働させる手法は２つある。
ａ）  海水面で起動するすべてのノズルが今日稼働させられる第１の手法は、それらが完全フローイングを作動させるようにデザインされることである。これは公称オペレーション中にフローセパレーションが無いことを意味する。しかし、エンジン起動中、ノズルが過渡的状態中に完全にフローイング(flowing)していない時に短期間の横荷重がある。この期間は典型的に２秒より短く、そして横荷重はノズル中の燃焼ガスの圧力がその公称値に達したときに消失する。
ｂ） 今日使用されていない第２の手法は、定常稼働中に連続するフローセパレーションをもつべきものとされる。ノズル中のフローセパレーションは、ノズルが完全フローイングをすることができるようになるレベルまで大気中の圧力が減少する高度にロケットが達するまで、進行する。
【０００４】
本発明は過渡的状態下及び安定状態下の両方において、横荷重の制御をなすことを意図している。
【０００５】
液体推進剤ロケットエンジン用のノズルはしばしば、主ジエットが無視できない周囲圧力内に排気する状態で稼働する。かかるロケットエンジンの例は、ブースター用の大形の液体推進剤海水面ロケットエンジン、及び多段階ロケット用の上部段階エンジンである。
【０００６】
かかるノズルに生ぜしめられる横荷重は一般的に、それらがノズルを担持する構成部品のデザインに制約を与える大きさになる。これらの制約はノズル自体及びノズルを担持する構成部品により大きい重量をもたらす。使用できる最大の可能な面積比は、安定状態下で完全なフロー機能を要求することによって更に制限される。
【０００７】
横荷重の最終結果は、ノズルの全性能−対−重量比への制約と、その結果生じるロケット打ち上げ装置によって軌道に射出されることができるペイロードの量の制限である。
【０００８】
従来技術の欠点を除去するために、幾つかの技術が提案されたが、これらはすべては色々な点でそれ自体に大きな欠点をもつことが分かった。それらの欠点は、機能、性能、冷却、及び信頼性に関連している。
【０００９】
かくして、伝統的なベル形ノズルは制限機能と、実質的な出発と停止の過渡的荷重をもつ。また、二重ベル形ノズルは、厳しい過渡的横荷重を受ける。
【００１０】
ベル形ノズルの横荷重を減少させるための既知の技術は、横荷重を減少させるトリップリングをもつノズルを提供することであるが、トリップリングはノズルが完全にフローイングしているとき、性能ロスを生じ、そしてまた、前記リングを冷却するのが困難である。
【００１１】
ノズルの横荷重を減少させるためのもう１つの既知の技術は、ノズル端に出口ディフューザーをもつ前記ノズルを提供することであり、このディフューザーはノズルの有効面積比を減少させる。出口ディフューザーはノズルの重量を増し、そして前記出口ディフューザーは高い高度で落下させられなければならない。このことは有効な制御用の手段と、可動部品を必要とする。また、出口ディフューザーに加わる熱負荷が極めて高い。
【００１２】
ノズルの横荷重を減少させる更に他の既知の技術は、ノズル壁の内側に融除用インサートを置くことである。このインサートはロケットエンジンが燃焼するにつれて、融除され、そしてノズルが高い高度に達したときに全体が消え失せてしまう。この技術の欠点は、ノズルがより重くなり、インサートが円周上で一様に融除することが保証されないことである。
【００１３】
ノズルの横荷重を減らすための更にもう１つの既知技術は、ノズル内側にノズルの軸線方向に延びるフェンスを設け、フローセパレーションをより一層軸対称となるよう強制するることである。壁におけるフロー(flow)は前記フェンス間のポケットにおいて分割される。その結果、横荷重を生じる異なった壁圧力の大きな区域が回避される。この技術の欠点は、ノズルが重くなり、フェンスが過激な熱負荷に曝されることにある。というのはそれらはノズル壁に垂直に取り付けられて、主ジエット内に延び入るからである。
【００１４】
本発明の目的は、上述の従来技術の欠点を排除することにある。
【００１５】
本発明によれば、上記目的はノズルの内側が、ノズルの内側の残部に比して大きくされた表面粗さをもつ円周方向に規則正しく間隔を保った区域をもつことによって、達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されないのは言うまでもない。図１は表面粗さが大きくされた区域をもつベル形のノズルの破断図であり、図２ａは既知の回転対称形のベル形のノズルのセパレーションラインを示す概略図であり、図２ｂは本発明のノズルのセパレーションラインの概略図である。
【００１７】
図１に示す如く、ノズル１の壁の内側は円周方向に規則正しい間隔を保った、表面粗さの変化している区域２をもつ。この表面粗さの変化はノズル１の全長Ｌ又はノズルの一部分にわたって軸線方向に形成されており、そしてノズルの出口まで延びている。
【００１８】
図１に示す如く、大きくされた表面粗さをもつ区域２はノズルの長さＬの少なくとも一部分にわたって延びており、そしてノズルの出口(outlet)における前記区域の幅Ｗ１は、大きくされていない表面粗さをもつ隣接区域の幅Ｗ２より小さいか、それに等しいか又はそれより大きい。
【００１９】
大きくされた表面粗さをもつ区域２の形状は三角形、方形とすることができ、又は一定の曲線（polynominal）の形状をもつことができる
【００２０】
大きくされた表面粗さは例えば、研削又はフライス削りの如き機械加工、又は火炎又はプラズマ噴霧によって達成することができる。この表面粗さは、それがノズル壁における境界層の粘性の副層(sub-layer)を貫くような大きさでなければならない。それ故、海水面オペレーション(operation)用の大形ノズルの内側の表面粗さは出口で１mm を超えるだろう。この表面粗さはノズルの全長にわたって変化するか又は一定とすることができ、ノズルの出口に最も近い個所に最大の表面粗さをもつ。その表面粗さは約 0.5 乃至 2 mm の間で変化することができる。
【００２１】
表面粗さはノズル１の円周方向で変化するので、境界層は、ノズル壁に従ってフローセパレーションライン(flow separation line)にもたらされる。
【００２２】
図２bから明らかな如く、フローセパレーションラインｃはノズル壁の内側に変化する表面粗さをもつノズル内に波形をもち、それによってノズル壁に加わる横荷重はノズルに沿って比較的一様な間隔を保つ。波形のセパレーションラインｃを形成するセパレーション面は、セパレーションライン、その結果セパレーション面ｂが傾斜している場合と比べて異なった圧力を有するより小さい区域をもたらす。図２ａを参照されたい。セパレーションラインの波形運動は直線状のセパレーションラインと同じ大きさをもつ横荷重にノズル壁を曝さない。セパレーション面は本来安定でなく、もしノズルがセパレートされた(separated)状態下で稼働するならば、無作為に傾斜する。図２ａを参照されたい。ノズル壁に加わる圧力がノズルの出口から同じ距離の個所に同じ寸法をもつという理由から、図２ａのセパレーションラインａは最適なセパレーションラインを形成する。これは横荷重がノズルに形成されないことを意味する。
【００２３】
本発明によれば、ノズル壁の内側はノズルの内側の残部より大きい表面粗さをもつ円周方向に規則正しく間隔を保った区域をもつので、フローセパレーションラインは制御することができ、その結果ノズルの区域割り当て量(area ration)を増しそして定常状態の稼働中連続したフローセパレーションをもつノズルを使用することが可能である。このことは現在のノズルでは不可能であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  大きくされた表面粗さを有する区域をもつベル形ノズルの破断図である。
【図２】  （ａ）は既知の回転対称形のベル形ノズルのセパレーションラインを示す概略図である。（ｂ）は本発明のノズルのセパレーションラインを示す概略図である。
【図１】
0004570309.tif 000002
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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