(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１（６ａ）および少なくとも１つの第２（７ａ）燃料循環を備え、各燃料のエネルギーレベルをポンプ（１２、２９）を用いて上昇させ、燃料を噴射部材（３３）の噴射ヘッド（３２）を介して燃焼させ、その際第１燃料を、燃焼させる前に推進室壁（１７）を通る冷却路（１６）内で加熱し、この第１燃料を続いて少なくともポンプ（１２、２９）に組み込まれたタービン（２４、２８）に供給し、タービン（２４、２８）から来る燃料を、ポンプ（１２、２９）から来る燃料と熱交換する熱交換器（１００）を装備するロケットブースタ用燃料供給装置であって、熱交換器（１００）が噴射ヘッド（３２）に配設されるかまたは１つのユニットとして噴射ヘッド（３２）と一体化されることを特徴とするロケットブースタ用燃料供給装置。
【請求項２】
熱交換器（１００）内で、同じ燃料の２つの状態が互いに熱交換されることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項３】
冷却路（１６）から来る燃料が、熱交換器（１００）に供給される前に消費装置（２４、２８）を駆動することを特徴とする、前記請求項１から２のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
【請求項４】
熱交換器（１００）が第１（１０１）、第２（１０７）および第３（３４）吸入管並びに第１（１５ｂ）および少なくとも１つの第２（１０９、１５３、１５４）吐出管を含み、
第１吸入管（１０１）は、第２熱交換器室（１１１）と連結して熱を伝える第１熱交換器室（１０３）に通じ、燃料が第１熱交換器室（１０３）から第１吐出管（１５ｂ）を通って冷却路（１６）に到達し、
すでに暖められた燃料は少なくとも１つの吸入管（１０７）を通って、少なくとも第２吐出管（１０９、１５３）を介して噴射ヘッド（３２）と連結する第２熱交換器室（１１１）に到達することを特徴とする、請求項１に記載のロケットブースタ用燃料供給装置で使用する熱交換器。
【請求項５】
第１熱交換器室（１０３）が、少なくとも一部が燃焼室（１９）内に突出し、その出口が第１吐出管と連結する少なくとも１つの熱交換フィンガー（１４３）と接続することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
熱交換器（１００）が、より高い温度の第２燃料用熱交換器室（１５１）を有し、これがより低い温度の燃料の熱交換器室（１０３）と熱交換を行うことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項７】
第１熱交換器室（１０３）が、接続管（１４７、１４５）を介して連結された第１分室（１４１）および第２分室（１４２）から形成され、
第２熱交換器室（１１１）が連結管（１５３）を介して燃焼室（１９）と連結し、熱交換器室（１５１）が、第１熱交換器室（１０３）の第１分室（１４１）と第２分室（１４２）の間の領域に置かれ、連結管（１５４）を介して燃焼室（１９）と連結することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
第２燃料が室（１５１）に供給され、第１燃料が、流れ方向に見て最後の消費装置の後ろにある領域から、第２熱交換器室（１１１）の室（１５２）に導入されることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ロケットブースタ、特に膨脹循環における水素と酸素の燃焼に基礎におくロケットブースタ用燃料供給装置並びに燃料供給装置内で使用する熱交換器に関する。
【０００２】
水素と酸素をロケットの推進室へ噴射するために、タンク内にある燃料、例えば水素と酸素を高圧で制御して供給しなければならない。その際水素は制御弁を経てまず推進室の外側の領域へ導かれ、一方では水素は燃焼室壁を冷却し、他方では膨脹循環の際水素自体が、燃焼工程により燃焼室内に生じる熱に基づいて、タービン内での後の膨脹のために加熱される。水素の相当する温度を用いて、水素はタービンを駆動することができ、タービンは十分な圧力で水素と酸素を噴射部材に供給するためにポンプを作動させる。ロケットブースタ中の燃焼室圧をできるだけ高くするために、その作動方法をより効率的にした装置が必要とされる。
【０００３】
従来技術から、ＵＳ３，０４９，８７０、ＵＳ５，４１０，８７４およびＵＳ４，５８３，３６２により、熱交換器をロケットブースタに組み入れ、タービンから来る燃料をポンプから来る燃料の１つと熱交換して、燃料をさらに加熱することが知られている。しかしながらこの従来技術の場合には、さらなる加熱にもかかわらず場合によっては所望の燃焼室圧に達せず、加えて配置が比較的場所をとることが問題である。
【０００４】
したがって、本発明の課題は、膨脹循環を備えたロケットブースタ用燃料供給装置の最適化した配置を提供することであり、この配置は、熱交換器を含み、総じてより効率的に稼動し、ロケットブースタ用の燃焼室圧を高めるものである。
【０００５】
この課題は、独立請求項１の特徴を用いて解決される。代替の実施形態は、従属請求項中に挙げられている。
【０００６】
本発明を、以下に添付の図１から３に則して説明する。
【０００７】
図１は、従来技術による燃料供給装置を示す。これは水素タンク１と、一面では酸素タンク２との間に、他面では推進室３との間に配設される。燃料供給装置は中央調整器５により制御され、この中央調整器は対応する管を介して、水素循環６ａを制御する水素調整器６と酸素循環７ａを制御する酸素調整器７を制御する。水素調整器６は、水素タンク１から水素ポンプ１２への液体水素の供給、または供給を停止するタンク弁（遮断弁）１１を制御する。水素ポンプ１２は、図１による実施形態では２段ポンプとして形成され、水素に圧力を加える第１段羽根車１３と第２段羽根車１４を有する。水素は水素ポンプ１２から吐出し、管１５を通って冷却路１６に供給される。冷却路１６は、少なくとも燃焼室１９と第１膨脹ノズル部２０を囲む燃焼室壁１７領域内でほぼ軸方向に延び、かつ一部はノズル延長壁２１の領域内にも延びる。これらの領域で水素は、対応する壁の冷却に用いられる。同時に、水素は暖められる。続いて、水素は管２３を通って、水素ポンプ１２を作動させるタービン２４に供給される。水素はマニホルドを通って、水素ポンプ１２の羽根車１３、１４と連結するタービン翼車２５の領域に到達する。加熱により温度が高くなった水素は、タービン２４を駆動し、水素ポンプ１２を作動させる。
【０００８】
タービン２４が駆動することで、管２７を通ってタービン２８の酸素ポンプ２９に供給される水素の圧力と温度が下がる。タービン２８は酸素ポンプ２９を作動させ、酸素ポンプ２９に組み込まれたタンク弁（遮断弁）が開いている場合には、酸素タンク２からの酸素をこれに供給する。水素はタービン２８が作動することでさらに圧力と温度が下がり、続いて管３１を通って、噴射部材３３を備える噴射ヘッド３２に供給される。他方、酸素ポンプ２９により圧力を加えられた酸素は、管３４を通ってポンプ２９から同様に噴射ヘッド３２に到達する。噴射ヘッド３２、燃焼室壁１７およびノズル延長部２１から形成される推進室が、この噴射ヘッド３２から広がる。したがって液体酸素と液体水素は異なる管路で噴射部材３３を通って燃焼室に到達する。この水素酸素混合物は点火装置３６により点火され、ロケットを駆動する。水素循環６ａの制御は、水素調整器６によって制御される弁４２、４３を介して行われる。酸素循環７ａは、一部は中央調整器５に、一部は酸素調整器７により制御される弁４４、４５を介して制御される。
【０００９】
したがって、従来技術による燃料供給装置の場合には、推進室壁１７と２１内で加熱された水素が、それぞれポンプ１２、２９を作動させるタービン２４、２８に供給される。続いてこの水素は直接噴射ヘッド３２に到達し、この噴射ヘッド３２を介して燃焼室１９、２０内の燃焼が引き起こされる。
【００１０】
図２は本発明の燃料供給装置を示す。機能上図１ないしそれに示した従来技術の部材と一致するかまたは類似である部材即ち各構成要素は、同じ参照記号で表す。図２に表した制御弁の、対応する制御ユニット並びに制御ユニット自体への接続は図２には示していない。
【００１１】
水素ポンプ１２から管１５を通って運ばれた水素は、推進室壁１７領域に直接到達せず、まず熱交換器１００に供給される。この供給された水素の量を調整するために、水素ポンプ１２と熱交換器１００間に制御弁４２を備える。熱交換器１００には、水素ポンプ１２から来る水素用の吸入管１０１がある。第１熱交換器室１０３を貫流後、その中で暖められた水素は第１吐出管１０５を通って熱交換器１００から流出される。そこから水素は管１５ｂを通って噴射ヘッド３２領域に供給され、そこから燃焼室壁１７の冷却路（図示せず）に到達する。この冷却路は好ましくは燃焼室壁１７内で軸方向に延びている。それにより一方では燃焼室壁１７が燃焼工程中冷却され、他方ではより高い温度の水素が作用して、水素ポンプ１２のタービン２４と酸素ポンプ２９のタービン２８を駆動する。ポンプ圧は例えば噴射部材３３、配管または冷却路のような他の消費装置の損失に打ち勝つ為に十分高く、最終的には所定のように燃焼室圧より大きくなければならない噴射工程の為の十分な圧力を有する。
【００１２】
水素は冷却路から管２３を通ってタービン２４に到達し、水素ポンプ１２を駆動する。この水素はそこから管２７を通って、酸素ポンプ２９のタービン２８に到達する。図１に示したのとは異なり、この水素はタービン２８から直接噴射ヘッド３２には到達せずに、まず管３１ａと第２吸入管１０７を通って熱交換器１００に到達する。この水素は熱交換器１００から第２吐出管１０９を通って出、管３１ｂを通って噴射ヘッド３２に供給される。第２吸入管１０７を通って熱交換器１００に水素が入った後、水素は第２熱交換器室１１１を貫流する。
【００１３】
熱交換器１００内では、熱が推進室壁１７の冷却路内で加熱され、第２吸入管１０７を通って熱交換器１００に到達した水素から、水素ポンプ１２から吐出され第１熱交換器室１０３を貫流し、続いて冷却路に供給される水素へ、熱伝達により伝達される。それにより第１の吐出管１０５を通って第１熱交換器室１０３を流出して冷却路に供給された水素は、図１に示した従来技術による構成よりも高い温度をもつ。したがって、推進室壁１７の冷却は、従来技術に比べてより高い動作点、即ちより高い水素温度で行われる。しかし要求される冷却効果は、冷却路を相応に敷設することで補償することができる。水素は管２３を通って冷却路を流出し、その際従来技術の場合よりも高い温度をもつ。冷却路内で暖められた水素は、第２熱交換器室１１１を貫流する際に、第１熱交換器室１０３を貫流する水素に熱を放出し、この水素は続いて酸素と燃焼させるために噴射ヘッド３２に供給される。
【００１４】
水素は冷却路から流出した後に、従来技術の場合よりも高い温度をもつ。そのためタービン２４、２８内にもたらされるエネルギーは従来技術の場合よりも大きくなるので、ポンプ１２、２９のポンプ性能が上昇するにつれてより高い燃焼室圧に達し、したがってロケットブースタ全体がよりよい比推進力で作動する。
【００１５】
図２に示した構成の場合は、水素循環６ａおよび酸素循環７ａ用の制御弁４２，４３、４４、４５が従来技術の場合と同様に配設される。管の配置ないし弁の配置は別の形態で実施することも可能である。その際、熱交換器１００が、噴射前にタービンを冷却および駆動するために設けられた燃料を予熱して、タービンをより高いエネルギー水準で駆動することが重要である。
【００１６】
任意選択で熱交換器１００を噴射ヘッド３２に配設するか、または１つのユニットまたは配置にそれと一体化することが可能である。この変形形態を図３に略図で示す。
【００１７】
第１吸入管１０１を通って熱交換器１００に到達する冷たい水素は、したがって、第１熱交換器室１０３を貫流し、管１５ｂを通って流出する。第１熱交換器室１０３は図３に示すように、複数の分室を含むことができる。即ち第１熱交換器室１０３は、分室１４１、分室１４２および追加の熱交換フィンガー１４３、またはそれらの組み合わせを含むことができる。接続管１４７は第１分室１４１の内側を第２分室１４２の内側と連結し、そこから水素は第１吐出管１５ｂを通って第１熱交換器室１０３を流出する。
【００１８】
図３に例として、水素を燃焼室１９内に噴射する噴射部材３３を示す。熱交換器１００が噴射ヘッド３２上または噴射ヘッド３２内に配設される場合には、熱交換フィンガー１４３を装備することができる。これは、第２分室１４２から燃焼室１９内に突き出すように配設されることが好ましい。熱交換器１００の好ましい実施形態では、接続管１４７は、第２分室１４２の内側を通って熱交換フィンガー１４３へ、閉塞端１４４近くにまで延びる。閉塞端１４４領域で、まず接続管１４７内を運ばれた水素が接続管１４７を離れ、接続管１４７の外側輪郭と熱交換フィンガー１４３の内側輪郭の間の空間１４５に到達する。この空間１４５内では水素は、水素が接続管１４７内を流れる方向とは逆方向に流れる。空間１４５から水素は第２分室１４２に到達し、１つまたは複数の吐出管１５ｂを通ってこれを離れる。そこから水素は管１５ｂを通って冷却路１６に到達する。従来技術によると複数の冷却路１６は、水素が燃焼室壁１７内で逆流式に、即ち燃焼ガスと逆の方向に流れるように配設することができる。
【００１９】
第２吸入管１０７を通って熱交換器１００に供給された暖かい水素は、これも複数の分室から形成され得る第２熱交換器室１１１に到達する。図３による実施形態では、この第２熱交換器室１１１は１つの室１５２しか有していない。
【００２０】
暖かい水素は、室１５２から噴射部材３３に到達する。そのために室１５２から噴射部材３３に通じ接続管１５３が設けられている。この接続管１５３は、直接各噴射部材３３に移行することも可能である。図３による配置の場合には接続管１５３は、第１熱交換器室１０３の２つの分室１４１、１４２並びに酸素室１５１を貫通している。
【００２１】
液体酸素はポンプ２９から管３４を通って室１５１へ流入する。その温度は約−１７０℃（約１００Ｋ）と測定され、約−２３０℃（約４５Ｋ）と測定された室１０３内の冷たい水素より高い。そのため熱流１６１、１６２および１６７が、室１５１内の相対的に高温の酸素から室１０３ないし分室１４１と１４２内の相対的に低温の水素へ、かつ場合によっては熱交換リブが配設された管１４７の壁を経て、そこに通じる水素へと流れる。
【００２２】
図３に示した分室１４１、１４２並びに１５１、１５２は、部分的に回転対称にも形成することができる。さらに接続管１４７、１５３は熱交換リブ１４７ａないし１５３ａを備えることもできる。この種の熱交換リブは、熱交換器１００の他の位置に備えることも可能である。その際熱交換リブ１４７ａは酸素室１５１領域内に、熱交換リブ１５３ａは第１熱交換器室１０３の第１分室１４１領域内に配設されることが好ましい。
【００２３】
酸素室１５１は、好ましくは第１熱交換器室１０３の第１分室１４１と第２分室１４２の間に置かれる。その際それらの外形面は、第１酸素室１５１から第１分室１４１へ熱伝達１６１が起こるように相対して配設される。さらに酸素室１５１から、第１分室１４１内部と連結する接続管１４７の内側へ熱伝達１６２が起こる。
【００２４】
図３による配置では、さらに第２熱交換器室１１１から第１熱交換器室１０３の第１分室１４１へ熱伝達１６５が起こる。管１５３の内側からさらに第１分室１４１へ熱伝達１６６が起こる。
【００２５】
酸素室１５１からさらに第１熱交換器室１０３の第２分室１４２へ熱伝達１６７が起こる。図３の配置では、燃焼室１９から、一方では分室１４２の内側の方向に熱伝達１６８が、また熱交換フィンガー１４３の空間１４５へ熱伝達１６９が起こり、かつ燃焼室壁を経て冷却路１６内の水素へ熱伝達１７０が起こる。
【００２６】
したがって、図３に示した実施形態による熱交換器１００は、管１５と第１吸入管１０１を通って水素ポンプ１２から来る燃料を、第１熱交換器室１０３内の熱伝達１６１、１６２、１６８、１６９に基づいて加熱することができ、そこから燃料は冷却路１６に到達する。したがって、燃料は冷却路１６へ流入する際、従来技術の場合よりも高い温度を有する。そのため燃料は、同じく従来技術の場合よりも高い温度で管２３を通って冷却路１６を離れるので、燃料供給装置の消費装置を駆動するのにより多くのエネルギーが使用できる。そのことによって、より高い燃焼室圧に達し、よりよい比推進力が可能になる。
【００２７】
本発明は、２つの燃料である水素と酸素を用いたロケットブースタに関するものである。しかし本発明は、一般に第１および第２燃料に関して、またさらなる燃料に関しても適用できる。タービンを駆動するために準備された燃料が、直接噴射される燃料との熱交換によってより高温に加熱され、それによってより高いタービン性能、より高いポンプ圧、したがってより高い燃焼室圧が可能となることだけが重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による膨脹循環を有するロケットブースタを示す図である。
【図２】  熱交換器を備えた本発明の燃料供給装置を示す図である。
【図３】  熱交換器が、図２とは異なって噴射ヘッド内に配設され、燃焼室の噴射部材と一体化されている、図２による本発明の熱交換器の実施形態を示す断面略図である。
【図１】
0004309591.tif 000002
【図２】
0004309591.tif 000003
【図３】
0004309591.tif 000004