(57)【要約】出口ノズル並びに液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズル（１０）を設ける方法である。ノズルは、回転の軸（１１）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。ノズルは、ノズルの入口端部（１３）からその出口端部（１４）まで実質的に平行に螺旋状に延在する複数の相互隣接冷却チャネルを含む壁構造をも有する。ノズルは、長手方向に配置される少なくとも２つの部分（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を包含する。１つの部分から隣接部分までの移行部における正負のチャネル角度の間のシフトが、ノズル壁に対するロケット排気の摩擦によって生じる所定の横揺れ運動量をバランスさせる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルが、回転の軸（１１）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、ノズルの入口端部（１３）からその出口端部（１４）まで実質的に平行に螺旋状に延在する複数の相互隣接冷却チャネル（１２）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズル（１０）であって、
ノズル（１０）が長手方向に配置される少なくとも２つの部分（１０ａ，１０ｂ）を含み、１つの部分から隣接部分までの移行部における正負のチャネル角度の間にシフトが存在することを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズル（１０）。
【請求項２】
ノズル部分（１０ａ，１０ｂ）における冷却チャネル（１２）の異なった角度が、前記チャネルを越えて流れる排気から生じる消止め反力に対して適応されることを特徴とする、請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
各々の冷却チャネル（１２）が、ノズル（１０）の長手方向軸（１１）に対して螺旋状に延在することを特徴とする、請求項１または２に記載のノズル。
【請求項４】
各々の部分（１０ａ，１０ｂ）におけるチャネルが、それらの長さの全体にわたって一定の横断面を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のノズル。
【請求項５】
２つの隣接ノズル部分（１０ａ，１０ｂ）のチャネル（１２）の断面積が、異なっていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載のノズル。
【請求項６】
チャネル断面積が、上流ノズル断面よりも下流ノズル断面において大きいことを特徴とする、請求項５に記載のノズル。
【請求項７】
チャネル（１２）が、長方形横断面を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載のノズル。
【請求項８】
ノズルが、回転の軸（１１）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、ノズルの入口端部（１３）からその出口端部（１４）まで実質的に平行に螺旋状に延在する複数の相互隣接冷却チャネル（１２）を含む壁構造をも有する、液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズル（１０）を製造する方法であって、
チャネルがノズルの長手方向軸（１１）に対してネジレ角を有するようにして、複数の管状チャネル（１２）を接合して、出口ノズル（１０）の第１部分（１０ａ）を形成し、
チャネルがノズルの長手方向軸に対して反対のネジレ角を有するようにして、複数の管状チャネル（１２）を接合して、出口ノズル（１０）の第２部分（１０ｂ）を形成し、
前記部分（１０ａ，１０ｂ）を接合して、連続的な冷却チャネル（１２）を有する複合出口ノズル（１０）を形成する各ステップを特徴とする、
前記液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズル（１０）を製造する方法。
【請求項９】
前記接合が、レーザ溶接によって実現され、管状チャネル（１２）が、ノズルの外側における溶接によって接合されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
長方形横断面を有する管によって管状チャネル（１２）を形成することを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
外側における切欠き（１５）によって接合される部分の会合エッジを設けて、ノズル（１０）の外側からの管状チャネルの遠隔部分の溶接を可能にすることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
リング形状要素（１６）を貼付して切欠き領域に架橋し、前記要素を会合チャネル端部に対して溶接することを特徴とする、請求項１１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、液体燃料ロケットエンジン用の出口ノズルに関する。更に、本発明は、これらのノズルの製造方法にも関する。本発明は、特には、液体燃料によって駆動されるロケットモータ用の冷却出口ノズルに関して使用されるように意図されている。
【０００２】
【従来の技術】
運転の際、ロケットノズルは、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、出口ノズルを効果的に冷却する必要がある。
【０００３】
冷却は、ノズルの内側表面に独特な長さの管類を貼付することによって設けられる。各々の管の幾何学的な形状は、ノズルの円錐状または放物線状の形状に対して整合しなければならないようなものである。補足的に、ノズルの内側表面の全体は、ノズルの早期破損を引き起こす可能性がある「ホットスポット」を防止するようにしてカバーされなければならない。各々のノズルは、ノズルの後方すなわち大きな出口端部からノズルの前方すなわち小さな入口端部に対して所定の直径比率を有する。典型的な直径比率は、２：１から３：１の範囲内にある。
【０００４】
冷却出口ノズルの先行的な周知の製造方法に従えば、ニッケルベース鋼またはステンレス鋼で形成される一定の横断面からなる長方形の管が使用され、それらの管が、互いに対して平行に配置され、併せて溶接される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それらの管は、ノズルの長手方向軸に対して所定のネジレ角を形成するようにして螺旋状に巻回され、その角度が、ノズルの入口端部からその出口端部に向かって徐々に増大して、鐘形状のノズル壁を形成する。螺旋状に配置された管を有するそのようなノズルの内側表面に沿って流れるロケットエンジンの排気は、所定の補足的な手段によって補正されなければならないロケット上の横揺れ運動量を形成する、傾斜した反力を生じる。これらの補足的な手段は、しばしば、重量を増大させ、流れ抵抗をも増大させる。横断面を増大させない長いチャネルを有することは、しばしば、冷却剤の流れ抵抗に対してマイナスの影響を与えることにもなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、上述の問題を回避する、ノズル並びにそれを製造する方法を提供することにある。これは、長手方向に配置される少なくとも２つの部分を含み、１つの部分から隣接部分までの移行部における正負のチャネル角度の間にシフトが存在することを特徴とする、本発明に従ったノズルによって達成される。本発明の結果として、螺旋状の管チャネルによって形成される横揺れ運動量を削減することが実行可能である。
【０００７】
本発明の１つの好適な実施例に従えば、ノズル部分における冷却チャネルの異なった角度は、チャネルを越えて流れる排気から生じる消止め反力に対して適応される。このようにすれば、横揺れ運動量を完全に回避することが実行可能である。
【０００８】
本発明のもう１つの実施例に従えば、各々の冷却チャネルは、ノズルの長手方向軸に対して螺旋状に延在する。
【０００９】
本発明の１つの実施例に従えば、各々の部分におけるチャネルは、それらの長さの全体にわたって一定の横断面を有する。
【００１０】
代替的に、２つの隣接ノズル部分のチャネルの断面積は、異なっていることも可能である。この実施例では、ノズルチャネルの断面積は、好適には、上流ノズル断面よりも下流ノズル断面において大きい。
【００１１】
本発明に従った１つの方法は、チャネルがノズルの長手方向軸に対してネジレ角を有するようにして、複数の管状チャネルを接合して出口ノズルの第１部分を形成し、チャネルがノズルの長手方向軸に対して反対のネジレ角を有するようにして、複数の管状チャネルを接合して出口ノズルの第２部分を形成し、前記部分を接合して、連続的な冷却チャネルを有する複合出口ノズルを形成する各ステップを特徴とする。
【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側面図を示している。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、この形式の出口ノズルに対して限定されるものではなく、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１１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】
図１におけるノズルは、長手方向に配置される３つの部分１０ａ，１０ｂ，１０ｃを包含する。より少数またはより多数のこれらの部分を有することもまた実行可能である。
【００１６】
各々の部分のノズル壁は、ノズルの入口端部からその出口端部まで実質的に互いに平行に螺旋状に延在する複数の相互隣接管状冷却チャネル１２を含む構造である。
【００１７】
ニッケルベース鋼、ステンレス鋼またはその他の熱耐性材料で形成される一定横断面からなる長方形の管が、それらの部分を製造するために使用されることも可能である。このプロセスでは、それらの管は、互いに対して平行に螺旋状に配置され、併せて溶接される。ネジレ角は、鐘形状のノズル壁を形成するようにして、ノズル部分の入口端部１３からその出口端部１４に向かって徐々に増大することが可能である。それらの管は、レーザ溶接によって好ましくは外側において互いに溶接される。ノズルの内側は、溶接されるものではなく、それは、熱サイクルが逆転されるので、ノズルが作動しているときにそれらの間隙が上向きに開き得るということを意味する。従って、その最大の熱応力サイクルは、限定的である。
【００１８】
隣接部分における管１２は、１つの部分から隣接部分までの移行部における正負のチャネル角度の間にシフトが存在するようにして方向付けされる。従って、２つの隣接部分における管チャネルは、ノズルの長手方向軸１１に対して反対のネジレ角を有する。
【００１９】
図２は、外側からの溶接を許容する溶接の前における２つの部分の軸方向接合部を示している。この目的のために、切欠き１５が、各々の部分の管端部の半径方向外側において形成されることになった。切欠き１５は、それらを併せて溶着させるようにして、レーザビームが管の内側遠隔部分に到達することを実行可能にする。その後、長方形管の側面を接合することもまた実行可能である。最後に、図３において示されるように、リング１６が、その接合部に被せて貼付され、隣接する２つのノズル部分の間の間隙に架橋するようにして溶接される。
【００２０】
出口ノズルにおける２つまたはそれ以上の部分の使用は、各々の軸方向接合部における管の断面積を変化させることを実行可能にする。例えば、横断面の半径方向高さは、より大きな流れ領域を設けて、冷却チャネルにおける圧力降下を削減するようにして、増大されることも可能であろう。１つの部分から次の後続部分までの移行部における管の再スタートは、一定の管横断面の場合にも流れ領域を増大させる。閉鎖エンジンサイクルの場合に容認可能であるようにして圧力降下を削減するためには、僅かな回数の再スタートだけが必要である。圧力および流量の配分を保証するためには、配分マニホルドが、それらの接合部において必要とされる。
【００２１】
ノズルの上流端部では、材料温度を低下させるために必要な熱流束を提供するようにして、横断面を小さく維持することが好適である。ここでは、管の太さは、それでもなお圧力処理能力を提供するようにして細く形成されることが可能であろう。より薄い壁は、ノズルの周期的な寿命を増大させる、より低い材料温度につながる。ノズルの下流端部では、圧力降下を最小化するようにして、大きな流れ領域を有することが好適である。より幅広な管は、圧力処理能力を維持するために、より厚い材料を必要とする。これは、側面荷重、外部圧力および振動に耐えるための剛直なノズル構造の必要をも随伴する。
【００２２】
完成したノズルの内側には、小さな螺旋溝が設けられる。単一方向性の巻回の場合には、火炎の摩擦が、通常、所定の補足的な手段によって阻止されなければならない反動運動量を形成する。本発明に従ってネジレ角をシフトさせることにより、その横揺れ運動量は、補足的な手段に頼ることなく阻止されることが可能である。エキスパンダサイクル・ロケットエンジンの場合には、増大した摩擦が、冷却剤に対して伝達されるより多くの熱につながるので、ターボ機械は、より多くの出力を供給される。
【００２３】
それらの管を互いに溶接する前、管のすべての側面は、アクセス可能である。火炎に面する側面および隣接する管に面する管側面の部分は、銅でコーティングされることが可能である。これは、ロケットの火炎に対して直接には曝されない管の部分からの熱伝達を向上させることになる。これは、荷重担持構造における低下した材料温度につながる。
【００２４】
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。例えば、２つの部分の接合は、上述のものとは異なって実行されることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に従ったノズルを示す側面図である。
【図２】
溶接の前において拡大して示される、２つの部分の間の接合部を介する長手方向断面図である。
【図３】
溶接の後における図２に従った接合部を示している。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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