(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットエンジンからロケット機の最下流末端にかけて延びる単一のロケットエンジンノズルを備え、このエンジンノズルは、中心軸と、この中心軸を含む断面でみた曲面プロファイルとを有するアウトレット部分を有し、横断面からみたアウトレット部分は周期的に長さの変化する半径で形成されるロケットエンジンシステムであって、前記長さの変化を中心軸に沿って増大させてその末端が最大となって周囲の形状として多角形状が得られるようにしたことを特徴とする、ロケットエンジンシステム。
【請求項２】
前記多角形状を形成する側面は、５個から１５個までの間であることを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンシステム。
【請求項３】
前記半径の長さにおける周期的な変化は、ノズルの最小断面領域付近においては小さいか、ほとんど変化することなく、前記アウトレット部分の出口部に向けて所望の最終値まで順次、増加することを特徴とする請求項１に記載のロケットエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、中心軸を含む断面でみた曲面プロファイルを有するスラストチャンバまたはアウトレット部分を有する単一のロケットエンジンノズルを備えたロケットエンジンノズルシステムに関するものである。
海面レベル(sea level)での過渡的な始動および停止中、ロケットエンジンには、通常、激しい動荷重が生じる。こうした荷重は一般に、境界層はがれ中の流れによる不規則な流れ特性に起因すると考えられる。
液体燃料ロケットエンジン用ノズルのアウトレット部分は、たいてい、無視できない雰囲気圧内にメインジェットが排気を行う状態で作動する。こうしたロケットエンジンの具体例には、海面レベルで点火されるコアステージおよびブースター用大型液体燃料海面レベルロケットエンジンと、ステージ切り離し中に点火される上部ステージロケットエンジンとがある。
動荷重は、過渡的な始動および停止中ならびに、定常状態動作中における、ノズルでのはく離流に起因するスラストチャンバ流れの不定常特性によるものである。こうした境界層はがれの影響やそれに対する規定は研究発表されており、１９９４年６月にアメリカ合衆国のインディアナポリスで行われた第３０回「ＡＩＡＡ／ＡＳＭＥ／ＳＡＥ／ＡＳＥＥ共同推進会議(Joint Propulsion Conference)」では、ボルボエアロコーポレーション(Volvo Aero Corporation)による「はく離流による超音速ノズルにおける横荷重の空力弾性学(Aero-elastic Analysis of Side Load in Supersonic Nozzles with Separated Flow)」で言及されている。動荷重の一般的な大きさは、例えば、スラストチャンバ構成要素を設計するために動荷重に起因する限界寿命の条件である５０−１００（ｋＮ）程度の大きさである。こうした条件は、結果としてスラストチャンバ構造要素に対して一層高い荷重を生じさせる。さらに、ノズル拡張に用いることができる最大の面積比は、定常状態動作中の付着した流れによる用件によって制限されている。
動荷重の最終結果は、スラストチャンバにおける重量に対する全体の性能比に対する制約により定められると共に、ロケット発射台によって軌道に送り出すことができるペイロードの量に関するその後の制約により定められる。
従来ノズルにおける欠点を解消するため、非常に多くの技術が提案されているが、全て様々な観点から著しい欠点を有する。主要な難点は、機能、性能、冷却および信頼性に関係する。
こうした従来のベル形ノズルでは、機能が制限され、過渡的な始動および停止するときの大きな荷重が生じてしまう。２個のベル形ノズルはまた、激しい過渡的な動荷重を受ける。外部拡張ノズルは、提案されているが、十分に試験されていない。外し金リングを備えるベルノズルは動荷重を減少させるが、性能損失が極めて大きくなりすぎてしまう。前記ノズルはまた、困難な冷却の問題にわずらわされる。最終的に、延長自在なノズルおよび換気ノズルが提案されているが、その両方に対して、飛行に先立ち実証することができない機能を有するメカニズムを必要とする。
本発明の主目的は、ノズルの末広形状アウトレット部分内部において、有益な流れ制御を行うことができ、ロケットエンジンノズルの重量を減少させることができると共に、性能を増大させることができるロケットエンジンノズル構造を提案することである。
本発明によれば、これは、実質的に、ロケットエンジンからロケット機の最下流末端にかけて延びる単一のロケットエンジンノズルが、中心軸と、この中心軸を含む断面でみた曲面プロファイルとを有するアウトレット部分を有し、横断面からみたアウトレット部分は周期的に長さの変化する半径で形成されるロケットエンジンシステムによって達成され、前記長さの変化を中心軸に沿って増大させてその末端が最大となって周囲の形状として多角形状が得られるようにする。
本発明によれば、はく離流は、このノズル壁の輪郭を軸対称でないように改良したことによって満足のいく制御が得られる。この改良は、ノズルアウトレット部分の性能、信頼性、冷却および製造の局面において著しく悪い効果を発生することがない。
こうして本発明は、さらに大きなノズル面積比および重量軽減により、著しく高い真空性能を有する海面レベルロケットエンジンノズルを設計することができる。さらに本発明を後述の図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によるノズルの末広形状アウトレット部分を示した斜視図であり、図２は、同様のノズルを開放または分解した同様ノズルを示した斜視図であり、図３は、本発明によるアウトレット部分を有するロケットエンジンの中心軸を含む断面図である。
図３を参照すると、本発明は、既知の海面レベルロケットエンジンに適用して示したものである。排気ガスが音速となる最小ノズル領域Ａからみて、ノズルのアウトレット部分または末広部分は、インレットに対する５倍の面積比を有するＢの位置から拡大したと考えることができる。始動および停止の瞬間や、大気圧中などの様々な状態のもと、流れは、前記ノズルにおける前記末広部分の内側壁からはく離する。この現象は、自然且つ無作為に生じ、不定常ガス荷重が横方向に発生する。前記現象は、アウトレット部分の膨張比と、定常状態動作中に、付着した流れの要件を満たすことができるアウトレット部分の長さについても制約を受ける。本発明によれば、境界層はがれを高い信頼性を以って有効に制限することができ、この結果、膨張比を増大することができると共に、許容できない横方向荷重を発生する境界層はがれ現象を生じることなくロケットエンジンパワーを増大することができる新規なノズル形状を提供する。
本発明は、従来のノズル壁の軸対称形状から脱却し、周囲方向に長さが変化する半径を有し、好ましくは多角輪郭を形成することにより、境界層はがれ線の移動による挙動を大幅に改良すると共に横荷重を減少させ、従って、膨張比を一層大きくできる。
図１には、本発明によるノズルのアウトレット部分または末広部分のみを示す。前記図面におけるノズル部分の軸対称輪郭は、例えば、実線Ｄで示した従来の真円形状から、本発明に従って、この半径長さを周期的に、例えば、８個の面Ｓ１，Ｓ２・・・を有する多角形を形成するように変化させることによって改造されている。前記多角形が円周線Ｄを取り囲んだ場合、最大の面積増大（例えば、６％）を達成することができる。
好適な実施形態において、前記末広ノズル部分のインレットの輪郭、例えば、図３に示した位置Ｂの輪郭は一定長さの半径を有する円形であって、この半径長さは位置Ｂから軸方向に距離を増加させることで変化し始めると共に、末広ノズル部分の端部に接近するに従い最も大きく変化する。
図２におけるノズルの斜視図は、境界層はがれ線Ｆを示すための分解図である。前記図面から、境界層はがれ線が、多角輪郭の各コーナーから延在すると共に各多角形側面の中心線周りに流れに沿って曲がる湾曲部分を形成することは明らかである。このことは、境界層はがれを効果的に制御することができると共に、有害な横荷重をほとんど完全に排除することを意味する。こうして本発明による多角輪郭は、従って、ノズルアウトレット部分の内部壁表面における非軸対称の圧力分布が誘導される。図２に示した境界層はがれ線は、過渡的な始動中のチャンバ圧を設定するために示したものである。また図１に示した実施例のように、本実施例の多角形状は、８個の側面を有すると共に、多角形で取り囲まれた円周領域を６％以上に面積増大させる。
多角形における側面の個数は、５から１５まで変更させることができ、８、１０および１２について試験を行った。分析結果において、性能データに対して影響がでないことが認められた。
実施例として、従来ノズルの具体例な寸法は、下記のように、
即ち、
長さ                          １．８ｍ
インレット直径                ０．６ｍ
アウトレット直径              １．８ｍ
インレット面積比              ５
アウトレット面積比            ４５．
である。
これに対して、本発明によるノズルの具体的な寸法は、下記のように、
即ち、
位置Ａからアウトレットまでの長さ       ３．３ｍ
インレット直径                         ０．６ｍ
アウトレット直径                       ２．７ｍ
インレット面積比                       ５
アウトレット面積比                     １００
である。
上記寸法例から明らかなように、境界層はがれ線は、図３に示すように位置Ｃ周りにノズルのアウトレット部分を流れに沿って、効果的に制御することができると共に移動させることができるので、アウトレット面積比は、１００に増加させることができ、こうして一層高い膨張比を得られ、ノズルの性能を改善することができる。またこれにより、ノズルアウトレット部分の長さを増加させることができると共に、定常状態動作中の流れ状態を改良することができる。
【図１】
0003875723.tif 000002
【図２】
0003875723.tif 000003
【図３】
0003875723.tif 000004