(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体酸化剤にゲル化剤を混合して成るゲル化酸化剤と、燃料との混合燃焼ガスを推力源とするハイブリッドロケットであって、頭部側より、自己燃焼性を有する固体燃料を装填した１次燃焼室、ゲル化酸化剤を充填した酸化剤タンク、および２次燃焼室を備えると共に、１次燃焼室から２次燃焼室に至る燃料噴射器を酸化剤タンクに貫通した状態に備え、同燃料噴射器に、固体燃料の燃焼ガスを圧力源として作動するゲル化酸化剤加圧用のピストンを２次燃焼室側へ摺動自在に設けると共に、酸化剤タンクに、ゲル化酸化剤を２次燃焼室内に噴射するインジェクタを備えたことを特徴とするハイブリッドロケット。
【請求項２】
液体酸化剤が発煙硝酸であり、ゲル化剤が珪酸ナトリウム水溶液であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドロケット。
【請求項３】
珪酸ナトリウム水溶液が１５重量％以下であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッドロケット。
【請求項４】
燃料として、固体燃料と、液体燃料にゲル化剤を混合して成るゲル化燃料を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のハイブリッドロケット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料に対する酸化剤としてゲル化酸化剤を利用したハイブリッドロケットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、分離して搭載された燃料と酸化剤を用いるロケットエンジンとして、ハイブリッドロケットが研究開発されている。
【０００３】
図４（ａ）に示すハイブリッドロケット１００は、尾部に推進用ノズル１０１を備えた燃焼器１０２内に、固体燃料１０３が装填してあると共に、燃焼器１０２の頭部側に、制御弁１０４を介して、液体酸素等の液体酸化剤を充填したタンク１０５を備えている。このハイブリッドロケット１００は、液体酸化剤を燃焼器１０２内に噴射し、連続的に作動する点火器を用いて液体酸化剤と固体燃料を混合燃焼させる。
【０００４】
また、図４（ｂ）に示すハイブリッドロケット２００は、尾部に推進用ノズル２０１を備えた燃焼器２０２内を頭部側の１次燃焼室２０２ａと尾部側の２次燃焼室２０２ｂに分け、１次燃焼室２０２ａ内に自己燃焼性を有する固体燃料２０３が装填してあると共に、タンク２０５に充填した液体酸素等の液体酸化剤を制御弁２０４を介して２次燃焼室２０２ｂに供給するようにしてある。このハイブリッドロケット２００は、固体燃料２０３の燃焼により生じた可燃性の燃焼ガスを噴射ノズル２０２ｃから２次燃焼室２０２ｂ内に噴射すると共に、同２次燃焼室２０２ｂ内に液体酸化剤を噴射し、連続的に作動する点火器を用いることなく燃料と酸化剤を混合燃焼させる。なお、このハイブリッドロケット２００には固体燃料２０３に初期点火を行うための点火器が用いられる。
【０００５】
上記のようなハイブリッドロケットは、例えば、平成４年９月３０日に丸善が発行した『第２版・航空宇宙工学便覧』の第９３５頁および第９３６頁に記載されており、液体酸化剤としては、液体酸素のほか、四酸化二窒素や一酸化二窒素などが用いられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したようなハイブリッドロケットにおいて、とくに液体酸化剤が液体酸素の場合には低温に保つための手段が必要があり、また、タンク内で液体酸化剤の気化が進行しやすい環境条件であった場合には衝撃等によって爆轟する恐れがあることから、液体酸化剤の取扱いが面倒なものになっており、このような不具合に対する改善を図ることが課題であった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、取扱いが容易であるゲル化酸化剤を用いたハイブリッドロケットを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるハイブリッドロケットは、請求項１として、液体酸化剤にゲル化剤を混合して成るゲル化酸化剤と、燃料との混合燃焼ガスを推力源とするハイブリッドロケットであって、頭部側より、自己燃焼性を有する固体燃料を装填した１次燃焼室、ゲル化酸化剤を充填した酸化剤タンク、および２次燃焼室を備えると共に、１次燃焼室から２次燃焼室に至る燃料噴射器を酸化剤タンクに貫通した状態に備え、同燃料噴射器に、固体燃料の燃焼ガスを圧力源として作動するゲル化酸化剤加圧用のピストンを２次燃焼室側へ摺動自在に設けると共に、酸化剤タンクに、ゲル化酸化剤を２次燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた構成とし、請求項２として、液体酸化剤が発煙硝酸であり、ゲル化剤が珪酸ナトリウム水溶液である構成とし、請求項３として、珪酸ナトリウム水溶液が１５重量％以下である構成とし、請求項４として、固体燃料と、液体燃料にゲル化剤を混合して成るゲル化燃料を備えた構成としており、上記の構成を課題を解決するための手段としている。
【００１０】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるハイブリッドロケットでは、液体酸化剤をゲル化したことにより、蒸発による損失が少なくなると共に、取扱いに対して安定した状態が得られ、そのゲル化酸化剤と燃料との混合燃焼によって推力を得ることとなる。この際、当該ハイブリッドロケットでは、固体燃料の燃焼ガスの圧力でピストンを作動させてゲル化酸化剤を押圧することにより、ゲル化酸化剤が液体と同等の流動性をもってインジェクタから噴射され、燃料噴射器から噴射した固体燃料の燃焼ガスとインジェクタから噴射したゲル化酸化剤とを混合燃焼させる。このように固体燃料の燃焼ガスの圧力でゲル化酸化剤加圧用のピストンを作動させることによって特別な圧力源が不要となり、さらに、燃料噴射器をピストンのガイドとして兼用するので、構造が簡略化されることとなる。また、本発明の請求項２のように、液体酸化剤に発煙硝酸を採用すると共に、ゲル化剤に珪酸ナトリウム水溶液を採用し、請求項３のように、珪酸ナトリウム水溶液の含有率を設定することにより、より一層安定した状態が得られることとなる。
【００１１】
本発明の請求項４に係わるハイブリッドロケットでは、固体燃料の燃焼に伴ってゲル化酸化剤とゲル化した燃料とを混合燃焼させる。
【００１３】
【実施例】
以下、図面に基づいて本発明のゲル化酸化剤を利用したハイブリッドロケットの一実施例を説明する。
【００１４】
図１に示すハイブリッドロケットＲ１は、頭部側から、固体燃料１を装填した１次燃焼室２、ゲル化酸化剤３を充填した酸化剤タンク４、２次燃焼室５および推進用ノズル６を備えている。
【００１５】
固体燃料１は、自己燃焼性を有するものであって、内面からの燃焼も可能な形状に形成してあり、１次燃焼室２内に設けた初期点火用の点火器（図示せず）により点火される。酸化剤タンク４は、その内部にゲル化酸化剤３を２次燃焼室５側に押圧する板状のピストン１３を備えると共に、２次燃焼室５側に端部に複数のインジェクタ７を備えている。
【００１６】
１次燃焼室２と酸化剤タンク４の間には、ブロック８が設けてあり、このブロック８には、ロケット機軸線上となる位置に１次燃焼室２から２次燃焼室５に至る燃料噴射器９が設けてあると共に、中間に制御弁１０を備えた複数の流路１１が形成してある。
【００１７】
燃料噴射器９は、丸棒状を成しており、酸化剤タンク４を貫通して、噴射口を有する先端部を２次燃焼室５内に突出させている。この燃料噴射器９は、ピストン１３を２次燃焼室５側へ摺動自在に保持しており、同ピストン１３のガイドの役目も兼ねている。各流路１１は、１次燃焼室２と、酸化剤タンク４内においてピストン１３により仕切られた圧力室１２とを連通状態にしている。つまり、ピストン１３は、固体燃料１の燃焼ガスを圧力源として作動する加圧手段を構成している。
【００１８】
ここで、ゲル化酸化剤３は、液体酸化剤にゲル化剤を混合して成るものであって、より具体的には、液体酸化剤である発煙硝酸にゲル化剤である水ガラス（珪酸ナトリウム溶液）を１５重量％以下の混合率で均一に混合することにより直ちに生成されたものである。
【００１９】
上記の構成を備えたハイブリッドロケットＲ１は、固体燃料１の燃焼により生じた可燃性の燃焼ガスを燃料噴射器９から２次燃焼室５内に噴射すると共に、同燃焼ガスを各流路１１から圧力室１２内に導入し、その圧力でピストン１３を押圧することによりゲル化酸化剤３を各インジェクタ７から２次燃焼室５内に噴射させる。これにより、ハイブリッドロケットＲ１は、２次燃焼室５内で固体燃料１の燃焼ガス（燃料）とゲル化酸化剤３を混合燃焼させ、その燃焼ガスを推進用ノズル６から噴出させることにより推力を得る。
【００２０】
この過程において、ゲル化酸化剤３は、図２（ａ）に示す初期の段階から図２（ｂ）に示す加圧段階において圧縮されるとともに流動化し、図３に示すようにさらに加圧されたところでインジェクタ７から噴射される。このとき、ゲル化酸化剤３は、液体酸化剤とほとんど変わらない流動性をもって噴射され、固体燃料１の燃焼ガスときわめて良好に混合される。
【００２１】
なお、ゲル化酸化剤３の流量は、各流路１１の制御弁１０で固体燃料１の燃焼ガスの流量を変化させ、これにより圧力室１２内の圧力を変化させることで調整される。
【００２２】
また、ゲル化酸化剤３は、液体酸素等の液体酸化剤に比べると低温に保つなどの特別な保管手段が不要であると共に、蒸発による損失がきわめて少ないので、上記のハイブリッドロケットＲ１などに用いた場合に、蒸気が酸化剤タンク４に隣接する他の構成部位に浸入することもなく、取扱いに対して安定した状態であると共に、人体への影響もほとんどない。
【００２３】
さらに、上記のゲル化酸化剤３を用いたハイブリッドロケットＲ１は、固体燃料１の燃焼ガスをゲル化酸化剤噴射用の圧力源にし、燃料噴射器９をゲル化酸化剤３を押圧するピストン１３のガイドに兼用していることから、別の圧力源やガイドが不要であり、構造の簡略化および軽量化を実現している。
【００２４】
図３はゲル化酸化剤を用いたハイブリッドロケットの参考例を示す図である。
【００２５】
図示のハイブリッドロケットＲ２は、尾部に推進用ノズル６を備えた燃焼器２０内に内孔１ａを有する固体燃料１が装填してあると共に、同燃焼器２０の頭部に、酸化剤タンク４と燃料タンク２１が夫々の制御弁２２，２３を介して接続してある。なお、固体燃料１には自己燃焼性を有するものを用いている。
【００２６】
酸化剤タンク４には、液体酸化剤にゲル化剤を混合して成るゲル化酸化剤３が充填してあり、燃料タンク２１には、液体燃料にゲル化剤を混合して成る燃料２４が充填してある。また、各タンク４，２１には、ゲル化酸化剤３および燃料２４を燃焼器２０に供給するための加圧手段（図示せず）が設けてある。
【００２７】
上記のハイブリッドロケットＲ２は、固体燃料１を燃焼させると共に、燃焼器２０内にゲル化酸化剤３およびゲル化した燃料２４を噴射し、これらを混合燃焼させるようになっており、ゲル化酸化剤３にあっては先の実施例と同様の作用効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の請求項１に係わるハイブリッドロケットによれば、ゲル化酸化剤を採用したことで、従来の液体酸化剤に比べて蒸発による損失を著しく少なくすることができると共に、特別な保管手段を講じる必要もなく、蒸気を吸入した場合などの人体への影響もほとんどなく、安全性を大幅に高めることができると共に、取扱いに対して安定した状態が得られるので、酸化剤の取扱いをきわめて容易にすることができ、酸化剤の充填や管理などの作業性を向上させることができるうえに、液体酸化剤を使用した場合と同等の推進機能を得ることができる。
また、当該ハイブリッドロケットによれば、連続して作動する固体燃料用の点火器が不要になるので、これに用いる燃料等も不要となって構造の簡略化および軽量化を実現することができ、さらに、酸化剤加圧用のピストンを作動させる別の圧力源などが一切不要であると共に、２次燃焼室に対して液体燃料と同等の酸化剤の噴射状態および燃料との混合状態を得ることができるので、酸化剤供給系の構造の簡略化および軽量化を実現することができ、さらに、燃料噴射器がピストンのガイドに兼用されることとなって、構造をより一層簡単に且つ軽量にすることができる。
【００２９】
本発明の請求項２および３に係わるハイブリッドロケットによれば、請求項１の効果に加えて、酸化剤のより一層安定した状態を得ることができ、液体酸化剤と同等の噴射状態および燃焼状態を得ることができる。
【００３１】
本発明の請求項４に係わるハイブリッドロケットによれば、上記の効果に加えて、燃料の取扱い性の向上も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わるゲル化酸化剤を利用したハイブリッドロケットの一実施例を説明する断面図である。
【図２】図１に示すハイブリッドロケットにおいてゲル化酸化剤を噴射する過程（ａ）〜（ｃ）を説明する断面図である。
【図３】  ハイブリッドロケットの参考例を説明する概略断面図である。
【図４】従来の液体酸化剤を用いたハイブリッドロケットの２つの例（ａ）（ｂ）を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
Ｒ１  ハイブリッドロケット
Ｒ２  ハイブリッドロケット
１    固体燃料
２    １次燃焼室
３    ゲル化酸化剤
４    酸化剤タンク
５    ２次燃焼室
７    インジェクタ
９    燃料噴射器
１３  ピストン（加圧手段）
２４  ゲル化燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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