(57)【要約】本発明は、液体燃料ロケットエンジン部材（１０）に関する。当該部材は、回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成する。その壁構造は、複数の冷却チャネル（１１）を包含する。壁構造の外側は、連続的なシートメタル壁（１４）を包含する。冷却チャネル（１１）は、シートメタル壁の内側に対して長手方向に貼付される。ロケットエンジン部材（１０）の製造方法は、所望のノズル部分に対応する壁部分を有するシートメタル壁（１４）を形成し、複数のチャネル部材（１５）を設け、チャネル部材（１５）をシートメタル壁（１４）の内側に対して貼付する各ステップを包含する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成し、複数の冷却チャネル（１１，１９，２０）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン部材（１０）であって、
壁構造の外側が、連続的なシートメタル壁（１４）を包含し、
冷却チャネル（１１）が、少なくとも部分的には、シートメタル壁の内側に対して長手方向に貼付される伸長した要素（１５，１８，２１）によって画成されることを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン部材（１０）。
【請求項２】
各々の冷却チャネル（１１）の断面積が、チャネルの下流端部（１３）においてその上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の部材。
【請求項３】
冷却チャネル壁の材料の厚さが、チャネルの下流端部（１３）においてその上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の部材。
【請求項４】
前記エンジン部材の周方向における前記冷却チャネルの各々の幅が、チャネルの下流端部（１３）においてチャネルの上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の部材。
【請求項５】
冷却チャネル（１１）が、チャネルの下流端部（１３）においてチャネルの上流端部（１２）のものと少なくとも実質的に同じ横断面形状を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の部材。
【請求項６】
各々の冷却チャネル（１１）が、シートメタル翼形（１８）によって形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の部材。
【請求項７】
冷却チャネルが、継目無し管（１５）によって形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の部材。
【請求項８】
伸長した要素（１５，１８）が、部材の入口端部（１２）では相互に接触し、部材の出口端部（１３）では相互に離間するようにして装着されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の部材。
【請求項９】
部材（１０）の出口端部（１３）における２つの伸長した隣接要素（１５，１８）の間の間隔が、絶縁材料（１７）によって満たされることを特徴とする、請求項８に記載の部材。
【請求項１０】
部材（１０）の出口端部（１３）における２つの伸長した隣接要素（１５，１８）の間の間隔が、熱伝導性材料（１７）によって満たされることを特徴とする、請求項８に記載の部材。
【請求項１１】
前記伸長した要素（２１）の少なくとも１つが、複数の冷却チャネル（２２）を画成することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１つに記載の部材。
【請求項１２】
前記伸長した要素（２１）が、プレート形状のベース部分（２３）と前記ベース部分から突出する複数のフランジ（２４）とによって形成され、前記冷却チャネルが、ベース部分、隣接フランジおよび前記シートメタル壁の間において形成されることを特徴とする、請求項１１に記載の部材。
【請求項１３】
回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成し、複数の冷却チャネル（１１）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン部材（１０）を製造する方法であって、
エンジン部材を形成するようにして配置される湾曲したシートメタル壁（１４）の内側に対して複数の伸長した要素（１５，１８，２１）を貼付し、冷却チャネルが、少なくとも前記伸長した要素によって形成されるステップを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン部材（１０）を製造する方法。
【請求項１４】
所望の部材部分に対応する壁部分を有するシートメタル壁（１４）を形成するステップを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
冷却チャネルが、前記シートメタル壁（１４）によっても画成されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
冷却チャネル（１１）をシートメタル壁（１４）に対して壁の外側からの溶接によって貼付するステップを特徴とする、請求項１３から１５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、添付請求項１の前文に従った、ロケットエンジン部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
運転の際、ロケット燃焼室またはロケットエンジンのノズルは、例えばその内側における非常に高い温度（概略的には絶対温度８００度）およびその外側における非常に低い温度（概略的には絶対温度５０度）という形態を採る、非常に高い応力に曝される。この高い熱負荷の結果として、出口ノズルの材料選択、設計および製造に関しては、厳しい要求事項が課せられる。少なくとも、燃焼室または出口ノズルを効果的に冷却する必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
１つの課題は、高温排気ガスを収容し且つそれを加速することが可能であり、これを多数の運転サイクルにわたって確実な様式で実行することもまた可能である冷却壁構造を構築することにある。現在の解決策は、多数の運転サイクルにわたって必要とされる十分に長い運転寿命を有するものではない。現在のシステムは、大きな熱応力を生成し、大きな圧力降下を包含し、或いは修理が必要な際に困難を提示するのである。
【０００４】
エキスパンダ・エンジンサイクルを適用する場合には、二次的な問題も存在する。エキスパンダ・エンジンサイクルは、燃料ポンプおよび酸化剤ターボポンプにおけるタービンを駆動するために冷却媒体を使用する。すなわち、加熱された冷却媒体の膨張からのエネルギーが、それらのタービンを駆動するために使用されるのである。ロケットエンジンの効率は、燃焼圧力の関数である。エキスパンダサイクルにおける高い圧力を達成するためには、排気ガスから冷却媒体への効率的な熱伝達が必要とされる。表面の粗さまたはフィンに起因する燃焼室内の熱負荷の増大は、燃焼室では熱負荷の強度が非常に高いので、エンジンの運転寿命を損なう可能性がある。より長い燃焼室は、エンジンおよびロケットの長さを増大させる。ノズルのサイズを増大させることは、大きなノズルおよびロケット構造の長さの増大につながり、それが、ロケット本体の重量を増大させる。
【０００５】
冷却チャネルを備えたロケットノズルの製造に関しては、幾つかの異なった先行技術の方法が存在する。これらの方法の１つに拠れば、ノズルは、ロウ付けされる管壁を有する。それらの管は、組み立てられたときにノズルの輪郭を提示する可変的な横断幅を有する。横断面の変動は、周囲の変更によって、更には横断面の形態の変更によって付与される。ロウ付けされた接合部は、熱膨張および圧力サイクルにおける管の変形を限定する。それらの管における応力は、接合部の円弧において増大される。接合部それ自体は、破損する可能性があり、且つ修理が困難であるウィークポイントなのである。ロウ付けされた管壁は、サンドイッチ壁または一定管断面の壁の場合よりもロケット火炎に対する大きな湿り「ｗｅｔ」接触表面を提供する。しかしながら、更に大きな濡れる表面が望まれることであろう。
【０００６】
もう１つの先行技術の方法に拠れば、サンドイッチ壁は、シートメタルの中にチャネルをフライス加工し、薄手のシートメタルを接合して、チャネルを密閉することによって形成される。内壁と外壁は、連続的なシェルである。熱サイクルにおいて、それらの壁は、圧縮および引張りの歪みに曝される。この種の壁構造は、ロケットノズルの運転寿命において引張り荷重を正常に維持するためには余り適していない。サンドイッチ壁は、熱伝達を高める表面積の増大が何も無いことを特色とする。
【０００７】
更にもう１つの先行技術の方法に拠れば、ノズル壁は、一定断面の管を備えて製造される。それらの管は、ノズルの輪郭を形成するようにして、螺旋状に巻回されて併せて溶接される。その表面積の増大は、小さいものである。管は、流れに対して所定の角度を有する。これは、熱伝達を増大させるために役立つ。しかしながら、それと同時に、排気の流れが回転され、反動的な横揺れ運動量が、ロケットの飛行に影響を与える。一定断面の管は、対流冷却式エンジンにとっては都合が悪い大きな圧力降下を生じる。大きな圧力降下は、エキスパンダサイクル型エンジンの場合にはマイナスである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、冷却ロケットエンジン部材を製造する改良した方法を提供することにある。
【０００９】
これは、壁構造の外側が、連続的なシートメタル壁を包含し、冷却チャネルが、シートメタル壁の内側に対して長手方向に貼付される伸長した要素によって形成されることを特徴とする、本発明に従ったロケットエンジン部材によって達成される。
【００１０】
本発明の結果として、ロケットエンジン部材は、高い圧力処理能力、低い圧力降下、長い周期的な寿命、更には有益な面積比率をも提示するようにして、製造されることが可能である。製造のリードタイムおよびコストもまた、最適化されることが可能である。
【００１１】
本発明の有益な実施例は、添付の従属的な請求項から導き出されることが可能である。
【００１２】
本発明は、以下において、添付図面を参照して非限定的な様式で更に説明されることになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従って製造される出口ノズル１０の概略的且つ幾分か簡略化した斜視図を示している。ノズルは、例えば液体水素のような液体燃料を使用する形式のロケットエンジン用として意図されている。そのようなロケットエンジンの作用は、それ自体としては以前から周知であり、従って、ここでは詳細には説明されないものとする。ノズル１０は、好適には特定のロケットエンジンでは燃料としても使用される冷却媒体の支援を受けて冷却される。しかしながら、本発明は、この形式のロケットエンジン部材に対して限定されるものではなく、燃焼室用または冷却媒体が冷却のために使用された後に放出されるような事例において使用されることもまた可能である。
【００１４】
出口ノズルは、実質的に鐘形状である外側形状を備えて製造される。従って、ノズル１０は、回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成する。
【００１５】
ノズル壁は、ノズルの入口端部１２からその出口端部１３までノズルの長手方向軸に対して実質的に平行に延在する複数の相互隣接管状冷却チャネル１１を含む構造である。その構造の外側は、連続的なシートメタル壁１４を包含する。冷却チャネル１１は、管１５の形態を採る伸長した要素によって形成される。それらの管は、ノズルの輪郭に対して整合するようにして長手方向に湾曲されるものであり、それらは、ノズル壁に沿って軸方向に方向付けされ、この位置において、溶接によって金属壁に対して接合される。それらの溶接部は、好適には、外側からのレーザ溶接によって形成される。このアセンブリは、その構造の冷却側面におけるすべての接合部によって漏れ防止ノズルを形成する。更に、２つの隣接管を互いに貼付する接合部または溶接部は、何も存在していない。
【００１６】
図２および図３に従った実施例における冷却チャネル１１は、可変的な横断面を有する円形管１５によって形成される。それらの管１５は、継目無しであることも可能であり、ノズルの入口端部１２においてその反対側の端部よりも小さな横断面を有する。言い換えれば、各々の伸長した要素１５が、唯一の冷却チャネルを画成するのである。
【００１７】
冷却管１５は、相互間隙無しで装着される。ノズルの入口端部では、管材料の厚さは、その最大温度を最小化し、且つそれらの管が横断面の変形に対して柔軟であることを許容するために薄く形成されている。ノズルの出口端部１３では、それらの管は、より大きな横断面だけでなく、より厚い管材料をも有する。この材料の厚さの変動は、冷却媒体が膨張するときに、それらの管が管の内側における圧力の増大に対して適応されることを許容する。入口では、それらの管は、管の個数を増大させるようにして楕円形状に形成されることが可能である。
【００１８】
管の横断面および材料の厚さの変動は、ノズルの長手方向において緩やかになっている。
【００１９】
図４および図５は、熱の捕捉を向上させるようにして適応される本発明の第２の実施例を示している。冷却管１５は、一定の材料の厚さおよび徐々に増大する直径を備えて製造される。それらの管は、ノズルの入口端部１２においてその反対側の端部よりも小さな横断面を有する。それらの管の入口端部は、ノズルのこの端部における小さなピッチを許容して、大きな面積比率を可能にするようにして、機械加工した表面を有する。それらの冷却管は、火炎圧力および熱負荷がその最も高い値にあるノズルの入口端部において相互間隙無しで装着される。
【００２０】
ノズルの出口端部１３では、管１５は、接線方向に離間して配置される。キャビティ１６は、管１５の各々の対とシートメタル壁１４との間において形成される。それらの管の間における間隙は、高温のロケット火炎が、キャビティに対してアクセスし、その結果、より多くの管表面に対してもアクセスすることを許容して、熱の捕捉を向上させる。更に、隣接管の各々の対の間における間隙を許容すれば、管は、円錐状であることが可能になり、それでもなお、鐘形状のノズルに対して適合するようにして容認可能であることになる。２つの隣接管の間におけるキャビティ幅の変動は、ノズルの長手方向において緩やかになっている。
【００２１】
上述のノズル設計に拠れば、ノズルの中において冷却剤に対して伝達される熱の量は、１．５の係数だけ増大することが可能である。管の最も幅広な部分の範囲外における冷却表面は、０．５の係数においてのみ有効であると想定されている。更に、それらの管の間における間隙が管の入口端部には存在しないので、ノズル構造の長さの半分だけが拡大した表面を有するということもまた想定されている。
【００２２】
熱負荷がノズルの出口において高い場合には、図６において示された設計が、シートメタル壁１４を熱負荷から保護することを可能にする。結果として、冷却キャビティは、ガスが荷重担持外側シェルと接触することを防止して、材料の温度が制限されるようにして、熱絶縁材料１７によって満たされることが可能である。代替的に、それらの壁は、冷却管に対する熱伝達を増大させるようにして、熱伝導性材料１７によって被覆されることも可能である。例えば銅のような伝導性材料がキャビティを完全に満たす場合には、非常に高い圧力および高い面積比率を達成することが実行可能である。伝導性材料を貼付するプロセスは、ロウ付けまたはレーザ焼結であることが可能である。
【００２３】
図７および図８は、上述の円形管１５の代わりにＵ字型の翼形１８が使用される本発明の第４の実施例を示している。それらの翼形は、可変的な横断面と可変的な材料の厚さとを有する。それらの翼形は、シートメタル・ストリップをプレス成形することによって製造される。厚さの変動は、ノズルの長さに対して適応される。従って、材料の厚さは、冷却チャネル横断面が増大されるとき、増大することが可能であり、厚さは、熱負荷が高いノズルの入口端部において小さくなる。メタルストリップの厚さは、折り畳む前に修正することが好適である。図７および図８における構造は、熱絶縁／伝導性材料１７と組み合わせられたものである。
【００２４】
上述のような構造は、ステンレス鋼およびニッケルベース合金のようなロケットエンジン・ノズル管用の一般的な材料で構築することが実行可能である。更に、銅およびアルミニウムもまた適当な材料である。
【００２５】
本発明に従った壁構造の重要な利点の１つは、それが熱吸収を増大させる大きな冷却表面を提供することにある。横断面の変動および管材料の厚さの変動は、冷却チャネル１１における高い内部圧力を許容する。本発明に従ったノズル構造における湿り表面の増大は、従来的なノズルの場合よりも境界層を冷却する。ロケットノズルから離れる境界層は、より低温であることになる。より低温の境界層は、熱負荷が限定されているときに低コストの解決策として使用されることが可能である、最終的に放射冷却されるノズル延長部のための冷却被膜として機能する。ノズル延長部は、その熱負荷が限定的であるので、より少ないコストで構築されることが可能であろう。
【００２６】
本発明に従ったノズル構造の回転対称的な外側表面は、それ自体の剛性を提示し、必要に応じて、容易な様式における補強材の貼付をも許容する。シートメタル壁に対する単一の接合部は、最小限の応力集中を含意しながらも、外被を絶縁して、それらの管が熱歪みに対して柔軟であることを許容する。冷却チャネルの横断面は、円形に近いものであることも可能である。これは、火炎が外側壁とは接触しないサンドイッチ壁と比較して、温度差およびそれに付随する応力が低いということを意味する。それらの管の間における間隙１６は、ノズルの輪郭を形成するための冷却チャネルの寸法における制限を排除する。冷却チャネルすなわち冷却管は、製造における利点を提示する直線的な変動を備えて形成されることも可能であろう。
【００２７】
図９では、本発明の更なる１つの実施例が、部分的に切り欠いた断面図で示されている。複数の伸張した要素２１は、互いに隣り合って配置される。伸張した要素２１の各々は、プレート状部分すなわちベース部分２３と、前記ベース部分２３から突出し且つそれに沿って延在する複数のフランジ２４すなわちリブとを有する。リブ２４は、互いに所定の間隔を空けて配置され、互いに対して実質的に平行に伸長される。更に、伸長した要素は、連続的なシートメタル壁１４に対して貼付される。冷却チャネル２２は、２つの隣接リブ２４およびシートメタル壁１４の間において形成される。更に、２つの伸長した隣接要素は、更なる溶接部２５によって互いに接続される。
【００２８】
本発明は、上述の実施例に対して限定されるものでなく、幾つかの修正が、添付請求項の範囲内において実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に従ったノズルを示す概略的な斜視図である。
【図２】
本発明の第１の実施例に従ったノズルの入口端部における３つの冷却チャネルを示している、図１の線Ａ−Ａに沿った部分断面図である。
【図３】
ノズルの出口端部における線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャネルのうちの２つを示している、図２と同様な図面である。
【図４】
本発明の第２の実施例に従ったノズルの入口端部における２つの冷却チャネルを示している、図１の線Ａ−Ａに沿った部分断面図である。
【図５】
ノズルの出口端部における線Ｂ−Ｂに沿った冷却チャネルを示している、図４と同様な図面である。
【図６】
本発明のバリエーションを示している、図５と同様な図面である。
【図７】
本発明の第３の実施例に従ったノズルの入口端部における冷却チャネルを示している、部分断面図である。
【図８】
ノズルの出口端部における冷却チャネルを示している、図７と同様な図面である。
【図９】
本発明の更なる１つの実施例の断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004518060.tif 000003
2004518060.tif 000004
2004518060.tif 000005
2004518060.tif 000006
2004518060.tif 000007
2004518060.tif 000008
2004518060.tif 000009
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2004518060.tif 000011
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2004518060.tif 000013
2004518060.tif 000014
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2004518060.tif 000017
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2004518060.tif 000019
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【手続補正書】
【提出日】平成15年2月28日(2003.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成し、複数の冷却チャネル（１１，１９，２０）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン部材（１０）であって、
壁構造の外側が、連続的なシートメタル壁（１４）を包含し、冷却チャネル（１１）が、少なくとも部分的には、シートメタル壁の内側に対して長手方向に貼付される伸長した要素（１５，１８，２１）によって画成され、伸長した要素（１５，１８）が、部材の入口端部（１２）では相互に接触し、部材の出口端部（１３）では相互に離間するようにして装着されることを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン部材（１０）。
【請求項２】
各々の冷却チャネル（１１）の断面積が、チャネルの下流端部（１３）においてその上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の部材。
【請求項３】
冷却チャネル壁の材料の厚さが、チャネルの下流端部（１３）においてその上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の部材。
【請求項４】
前記エンジン部材の周方向における前記冷却チャネルの各々の幅が、チャネルの下流端部（１３）においてチャネルの上流端部（１２）よりも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の部材。
【請求項５】
冷却チャネル（１１）が、チャネルの下流端部（１３）においてチャネルの上流端部（１２）のものと少なくとも実質的に同じ横断面形状を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の部材。
【請求項６】
各々の冷却チャネル（１１）が、シートメタル翼形（１８）によって形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の部材。
【請求項７】
冷却チャネルが、継目無し管（１５）によって形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の部材。
【請求項８】
部材（１０）の出口端部（１３）における２つの伸長した隣接要素（１５，１８）の間の間隔が、絶縁材料（１７）によって満たされることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の部材。
【請求項９】
部材（１０）の出口端部（１３）における２つの伸長した隣接要素（１５，１８）の間の間隔が、熱伝導性材料（１７）によって満たされることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の部材。
【請求項１０】
前記伸長した要素（２１）の少なくとも１つが、複数の冷却チャネル（２２）を画成することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載の部材。
【請求項１１】
前記伸長した要素（２１）が、プレート形状のベース部分（２３）と前記ベース部分から突出する複数のフランジ（２４）とによって形成され、前記冷却チャネルが、ベース部分、隣接フランジおよび前記シートメタル壁の間において形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の部材。
【請求項１２】
回転の軸を有する回転体と前記軸に沿って直径が変化する横断面とを形成し、複数の冷却チャネル（１１）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン部材（１０）を製造する方法であって、
エンジン部材を形成するようにして配置される湾曲したシートメタル壁（１４）の内側に対して複数の伸長した要素（１５，１８，２１）を貼付し、冷却チャネルが、少なくとも前記伸長した要素によって形成され、伸長した要素（１５，１８）が、部材の入口端部（１２）では相互に接触し、部材の出口端部（１３）では相互に離間するようにして装着されるステップを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン部材（１０）を製造する方法。
【請求項１３】
所望の部材部分に対応する壁部分を有するシートメタル壁（１４）を形成するステップを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
冷却チャネルが、前記シートメタル壁（１４）によっても画成されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
冷却チャネル（１１）をシートメタル壁（１４）に対して壁の外側からの溶接によって貼付するステップを特徴とする、請求項１２から１４のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2004518060.tif 000021
2004518060.tif 000022
2004518060.tif 000023