(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
尾部にロケットノズルを備えた燃焼器に、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを充填すると共に、燃焼器の尾部に、燃焼器内に酸化剤を噴射する酸化剤噴射手段を備え、
燃焼器とロケットノズルの間に二次燃焼器を備えると共に、二次燃焼器に酸化剤の二次噴射手段を備え、
二次燃焼器が、燃焼器の尾部側から機軸上に突出状態で設けてあると共に、その頭部に燃焼器側からのガス流入部が設けてあり、
酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向が、二次燃焼器のガス流入部付近に向けて設定してあることを特徴とするハイブリッドロケット。
【請求項２】
尾部にロケットノズルを備えた燃焼器に、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを充填すると共に、燃焼器の尾部に、燃焼器内に酸化剤を噴射する酸化剤噴射手段を備え、
燃焼器とロケットノズルの間に二次燃焼器を備えると共に、二次燃焼器に酸化剤の二次噴射手段を備え、
二次燃焼器が、燃焼器の尾部側から機軸上に突出状態で設けてあると共に、その頭部に燃焼器側からのガス流入部が設けてあり、
酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向を機軸回り周方向に設定したことを特徴とするハイブリッドロケット。
【請求項３】
全体に機軸回りのスピンを付与するスピン付与手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドロケット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体燃料と液体の酸化剤を搭載し、固体燃料の分解ガスと酸化剤との混合拡散燃焼により生じた燃焼ガスによって推進力を得る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】
従来において、上記したようなハイブリッドロケットとしては、例えば図４に示すようなものがあった。図４（ａ）に示すハイブリッドロケット１００は、頭部側から、加圧用ガスを充填したガスタンク１０１、液体の酸化剤１０２を充填した酸化剤タンク１０３、固体燃料１０４を装填した燃焼器１０５、およびロケットノズル１０６を備えている。ガスタンク１０１と酸化剤タンク１０３との間には、加圧用ガスの流路を開閉する制御弁１０７が設けてあり、酸化剤タンク１０３と燃焼器１０５との間には、酸化剤の流路を開閉する制御弁１０８や酸化剤の噴射器１０９が設けてある。固体燃料１０４は、図４（ｂ）に示すように、断面の中心および周方向の複数箇所に、多数のポート１１０を機軸方向にわたって形成した内面燃焼型のグレインである。
【０００３】
上記のハイブリッドロケット１００は、加圧用ガスの圧力で酸化剤１０２を加圧して、酸化剤１０２を燃焼器１０５内に噴射すると共に、図示しない着火手段で着火を行うことにより、噴射した酸化剤１０２と固体燃料１０４の表面で分解・蒸発した燃料成分とを混合して燃焼させ、これにより生じた高温・高圧の燃焼ガスをロケットノズル１０６から噴出させて推進力を得る。
【０００４】
このようなハイブリッドロケットは、例えば、昭和５８年４月２５日に丸善が発行した「航空宇宙工学便覧・増補版」の第６５５頁に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したような従来のハイブリッドロケット１００にあっては、多数のポート１１０を有する固体燃料１０４を用いていたため、充分な燃焼面積を確保し得るなどの利点を有する反面、構造が複雑化して製造コストが増大するという問題点があった。また、従来のハイブリッドロケット１００にあっては、酸化剤１０２を固体燃料１０４の表面に沿って流し、機軸方向に境界層を形成しつつ固体燃料１０４から分解・蒸発した燃料成分を拡散燃焼させる境界層燃焼を行うことから、酸化剤１０２の流れの変化による分布状況の違いなどによって固体燃料１０４の燃焼状態を安定させることが難しいと共に、燃焼効率の向上や燃料残さを低減させるための設計の自由度が少ないという問題点があり、これらの問題点を解決することが課題であった。
【０００６】
【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、製造コストの低減や燃焼効率の向上を実現することができる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。
【０００７】
【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、尾部にロケットノズルを備えた燃焼器に、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを充填すると共に、燃焼器の尾部に、燃焼器内に酸化剤を噴射する酸化剤噴射手段を備え、燃焼器とロケットノズルの間に二次燃焼器を備えると共に、二次燃焼器に酸化剤の二次噴射手段を備え、二次燃焼器が、燃焼器の尾部側から機軸上に突出状態で設けてあると共に、その頭部に燃焼器側からのガス流入部が設けてあり、酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向が、二次燃焼器のガス流入部付近に向けて設定してある構成とし、請求項２として、尾部にロケットノズルを備えた燃焼器に、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを充填すると共に、燃焼器の尾部に、燃焼器内に酸化剤を噴射する酸化剤噴射手段を備え、燃焼器とロケットノズルの間に二次燃焼器を備えると共に、二次燃焼器に酸化剤の二次噴射手段を備え、二次燃焼器が、燃焼器の尾部側から機軸上に突出状態で設けてあると共に、その頭部に燃焼器側からのガス流入部が設けてあり、酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向を機軸回り周方向に設定した構成とし、請求項３として、全体に機軸回りのスピンを付与するスピン付与手段を備えた構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
なお、請求項３の構成において、全体に機軸回りのスピンを付与するスピン付与手段としては、スピン用ロケットエンジンや、機軸に対して所定の角度をもって取り付けた尾翼等の手段を利用することができる。
【０００９】
【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、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを使用しているので、燃料ペレットの製造あるいは燃焼器への充填が容易なものとなっている。そして、ハイブリッドロケットは、燃焼器に充填した燃料ペレットに対して、燃焼器の尾部に設けた酸化剤噴射手段から酸化剤を噴射し、燃料ペレットから分解・蒸発した燃料成分と酸化剤とを混合して拡散燃焼させ、その燃焼ガスをロケットノズルから噴出させて推進力を得る。このとき、当該ハイブリッドロケットでは、燃料ペレットがその全体の尾部側から徐々に消費されると共に、飛翔時における機軸方向の加速度により燃料ペレットの全体が尾部側に徐々に移動し、且つ尾部側で消費される燃料ペレットが加速度と酸化剤の噴射による圧力とのバランスにより特定の領域に滞留することとなって、燃焼領域を定位置に形成する。
【００１０】
また、上記のハイブリッドロケットでは、燃焼器とロケットノズルの間に二次燃焼器を備え、二次燃焼器に酸化剤の二次噴射手段を備えているので、燃焼器で発生した燃焼ガスが、未燃のガス成分や燃料ペレットの微細な残さを含む燃料過剰状態の燃焼ガスである場合に、二次燃焼器内で燃焼ガスに対して二次噴射手段から酸化剤を噴射し、燃焼ガスを完全燃焼させてロケットノズルから噴出させる。また、二次燃焼器を通過する燃料過剰状態の燃焼ガスに対して、二次噴射手段からの酸化剤の噴射量を調整すれば、推進力を調整し得る。
【００１１】
さらに、上記のハイブリッドロケットでは、二次燃焼器が、燃焼器の尾部側から機軸上に突出状態で設けてあると共に、その頭部に燃焼器側からのガス流入部が設けてあり、且つ酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向が、二次燃焼器のガス流入部付近に向けて設定してあるので、酸化剤が噴射される領域においては、滞留している燃料ペレットが噴射の圧力によって燃焼器の外周側に移動し、燃料ペレットと燃焼ガスが分離された状態になって、定位置に燃焼領域が形成される。これにより、その燃焼領域で発生した燃焼ガスがガス流入部から二次燃焼器に円滑に流入する。
【００１２】
本発明の請求項２に係わるハイブリッドロケットでは、酸化剤噴射手段の酸化剤の噴射方向が機軸回り周方向に設定してあるので、噴射した酸化剤の流れが機軸回りの旋回流になる。この旋回流により、燃料ペレットから分解・蒸発した燃料成分と酸化剤との混合が促進されると共に、旋回流の遠心力で燃料ペレットが燃焼器の外周側に移動し、これにより燃料ペレットと燃焼ガスが分離されて、定位置に燃焼領域を形成し、燃焼器内で燃料ペレットが燃焼すると共に、燃焼ガスだけが二次燃焼器側に円滑に流れることとなる。
【００１３】
本発明の請求項３に係わるハイブリッドロケットでは、スピン付与手段により全体に機軸回りのスピンが付与されるので、スピンによる遠心力で酸化剤噴射手段から噴射した酸化剤の流れが機軸回りの旋回流になり、燃料ペレットから分解・蒸発した燃料成分と酸化剤との混合が促進されると共に、スピンによる遠心力で燃料ペレットが燃焼器の外周側に移動し、これにより燃料ペレットと燃焼ガスが分離され、燃焼器内で燃料ペレットが燃焼すると共に、燃焼ガスだけが二次燃焼器側に円滑に流れることとなる。
【００１４】
【発明の効果】
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、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレットを採用したことにより、燃料の選択の自由度が非常に高いものとなり、一般的な固体燃料だけでなく、燃料として使用可能な産業廃棄物等を利用した固定燃料などを用いることが可能になって、資源のリサイクルにも貢献することができると共に、燃焼器への燃料の充填作業もきわめて容易であり、製造コストを大幅に低減することができる。また、燃焼器に充填した燃料ペレットに対して、燃焼器の尾部側の酸化剤噴射手段から酸化剤を噴射するという非常に簡単な構造でありながら、燃焼器内の定位置に燃焼領域を形成して、その燃焼領域に燃料ペレットを定常的に供給することができ、燃焼状態の安定化、燃焼効率の向上ならびに推進力の安定化を実現することができる。さらに、当該ハイブリッドロケットによれば、燃焼領域が燃焼器内の尾部側に形成されるので、燃焼器の頭部側における断熱構造を簡素化することが可能になり、これにより重量の軽減なども実現することができる。
【００１５】
また、上記のハイブリッドロケットによれば、二次燃焼器および二次噴射手段を採用したことにより、未燃のガス成分や燃料ペレットの微細な残さを含む燃焼ガスを完全燃焼させることができ、燃焼効率のさらなる向上を実現することができる。また、二次燃焼器を通過する燃料過剰状態の燃焼ガスに対して、二次噴射手段からの酸化剤の噴射量を調整することにより、最適な比推力を得ることができる。
【００１６】
さらに、上記のハイブリッドロケットによれば、頭部にガス流入部を備えて燃焼器内に突出する二次燃焼器を採用すると共に、ガス流入部に向けて酸化剤を噴射することにより、定位置の燃焼領域で発生した燃焼ガスをガス流入部から二次燃焼器に円滑に流入させることができ、より一層安定した作動を行うことができる。
【００１７】
本発明の請求項２に係わるハイブリッドロケットによれば、酸化剤噴射手段から噴射した酸化剤の流れを機軸回りの旋回流にすることで、燃料ペレットから分解・蒸発した燃料成分と酸化剤との混合を促進することができると共に、燃料ペレットと燃焼ガスを分離して、燃焼ガスだけを二次燃焼器側に円滑に流すことができ、また、燃焼器内で燃料ペレットを完全に燃焼させることができ、燃焼効率のさらなる向上ならびに推進力のさらなる安定化に貢献することができる。
【００１８】
本発明の請求項３に係わるハイブリッドロケットによれば、請求項１又は２と同様の効果を得ることができるうえに、スピン付与手段で全体に機軸回りのスピンを付与して酸化剤の流れを旋回流にすると共に、スピンによる遠心力で燃料ペレットを燃焼器の外周側に移動させることにより、請求項２と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
【実施例】
図１（ａ）（ｂ）は、本発明に係わるハイブリッドロケットの一実施例を説明する図である。
【００２０】
図示のハイブリッドロケットＲ１は、尾部にロケットノズル１を備えた概略円筒状の燃焼器２に、固体燃料を粒状化して成る燃料ペレット３が充填してあると共に、燃焼器２の尾部に、燃焼器２内に酸化剤を噴射する酸化剤噴射手段４を備えている。また、ハイブリッドロケットＲ１は、燃焼器２の尾部側から機軸上に突出する円筒状の二次燃焼器５を備えている。この二次燃焼器５は、尾部側がロケットノズル１に連通すると共に、頭部に、外周側に開放して燃焼器２に連通するガス流入部６が設けてあり、ロケットノズル１寄りの相対向する２か所に、酸化剤を噴射する二次噴射手段７，７が設けてある。さらに、ハイブリッドロケットＲ１は、図示した構成以外に着火手段などを備えている。
【００２１】
燃料ペレット３は、一般的なロケット用固体燃料、あるいは燃料として使用可能な産業廃棄物等の固体燃料を粒状化したものであって、例えば直径５〜１０ｍｍ程度の球状を成している。この燃料ペレット３は、図１には疎らに示してあるが、実際には燃焼器２の全体に充填してある。
【００２２】
酸化剤としては、例えば液体酸素が用いられる。図示しないロケット頭部側には、酸化剤タンクや酸化剤の加圧手段が搭載してあり、酸化剤タンクから制御弁等を介して酸化剤噴射手段４や二次噴射手段７に酸化剤を供給する。燃焼器２の酸化剤噴射手段４は、その数が特に限定されることはないが、燃焼器２の外周側において、例えば１８０度間隔の２か所あるいは９０度間隔の４か所に設けてあり、二次燃焼器５のガス流入部６付近に向けて斜め上方に酸化剤を噴射するように、その噴射方向が設定してある。
【００２３】
二次燃焼器５におけるガス流入部６には、燃料ペレット３が二次燃焼器５に入り込まないように、燃料ペレット３よりも充分に小さい隙間を有する格子状あるいは網状の部材を設けることができる。
【００２４】
上記構成を備えたハイブリッドロケットＲ１は、燃焼器２に充填した燃料ペレット３に対して、燃焼器２の尾部に設けた各酸化剤噴射手段４から酸化剤を噴射するとともに着火を行うと、燃料ペレット３から分解・蒸発した燃料成分と酸化剤とを混合して拡散燃焼させ、その燃焼ガスをガス流入部６から二次燃焼器５に流入させ、さらに燃焼ガスをロケットノズル１から噴出させて推進力を得る。
【００２５】
このとき、ハイブリッドロケットＲ１では、燃料ペレット３がその全体の尾部側から徐々に消費されると共に、飛翔時における機軸方向の加速度により燃料ペレット３の全体が尾部側に徐々に移動して、図中の矢印Ａで示すように、燃料ペレット３を尾部側に定常的に供給する。また、ハイブリッドロケットＲ１では、尾部側で消費される燃料ペレット３が、飛翔による加速度と図中の矢印Ｂで示す酸化剤の噴射による圧力とのバランスにより特定の領域に滞留することとなり、燃焼領域Ｃを定位置に形成する。この燃焼領域Ｃの大きさは、燃料ペレット３の表面での反応速度により決定される。
【００２６】
ここで、燃焼領域Ｃは、燃焼器２内に突出状態にある二次燃焼器５の頭部付近の外周側に形成される。また、酸化剤噴射手段４による酸化剤の噴射方向をガス流入部６付近に向けて斜め上方に設定してあるので、とくに、酸化剤が噴射される領域においては、滞留している燃料ペレット３が噴射の圧力によって燃焼器２の外周側に移動し、燃料ペレット３と燃焼ガスが分離された状態となる。これにより、燃焼ガスが二次燃焼器５の頭部に設けたガス流入部６から同二次燃焼器５に円滑に流入することとなり、燃料ペレット３は燃焼器２内で消費される。
【００２７】
さらに、ハイブリッドロケットＲ１は、燃焼領域Ｃを通過した高温の燃焼ガスが燃料ペレット３の燃料成分を気化させるので、二次燃焼器５に流入した燃焼ガスが燃料過剰の状態になっている。また、燃焼ガスには、燃料ペレット３の微細な残さが含まれていることもある。そこで、二次燃焼器５において、二次噴射手段７から燃料過剰状態の燃焼ガスに酸化剤を噴射することにより、燃焼ガスを完全燃焼させるようにしている。
【００２８】
このように、上記実施例のハイブリッドロケットＲ１は、燃焼器２に充填した燃料ペレット３に対して、燃焼器２の尾部側の酸化剤噴射手段４から酸化剤を噴射するという非常に簡単な構造でありながら、燃焼器２内の定位置に燃焼領域Ｃを形成し、その燃焼領域Ｃに燃料ペレット３を順次供給することで安定した燃焼状態が得られ、これに加えて、二次燃焼器５で燃焼ガスを完全燃焼させることにより、燃焼効率が非常に高いものとなると共に、安定した推進力が得られることとなる。
【００２９】
また、酸化剤噴射手段４からの酸化剤の噴射量を制御することが可能であると共に、二次燃焼器５を通過する燃料過剰状態の燃焼ガスに対して、二次噴射手段７からの酸化剤の噴射量を調整すれば、推進力を調整することが可能である。
【００３０】
なお、充填した燃料ペレット３の間には隙間があるが、燃焼領域Ｃよりも頭部側（上側）では、燃料ペレット３の酸化反応が生じることはなく、熱分解反応が生じて燃焼ガスの温度が低下するので、燃焼領域Ｃは頭部側に拡大することもなく定位置に保たれる。さらに、燃焼末期には燃焼領域Ｃが頭部側に移動する可能性があるが、このような状態に至る頃には燃焼器２の作動を停止させるので、燃焼領域Ｃの移動による問題が生じることはない。
【００３１】
図２（ａ）（ｂ）は、本発明に係わるハイブリッドロケットの他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
この実施例のハイブリッドロケットＲ２は、酸化剤噴射手段４の酸化剤の噴射方向が機軸回り周方向に設定してある。このハイブリッドロケットＲ２では、図中の矢印Ａで示すように、燃料ペレット３が尾部側に定常的に供給される一方で、図中の矢印Ｂで示すように、噴射した酸化剤の流れが機軸回りの旋回流となり、飛翔による加速度と酸化剤の噴射による圧力とのバランスによって消費される燃料ペレット３が特定の領域に滞留し、燃焼領域Ｃを定位置に形成する。
【００３３】
また、酸化剤の旋回流により、燃料ペレット３から分解・蒸発した燃料成分と酸化剤との混合が促進されると共に、図２（ｂ）に示すように、旋回流の遠心力で燃料ペレット３が燃焼器２の外周側に移動する。これにより燃料ペレット３と燃焼ガスが分離され、燃焼器２内において燃料ペレット３を完全に燃焼させると共に、燃焼ガスだけを二次燃焼器５に円滑に流入させる。さらに、旋回流によっても分離しきれなかった微細な燃料残さは、二次燃焼器５における酸化剤の二次噴射によって完全燃焼する。
【００３４】
このようにして、ハイブリッドロケットＲ２は、酸化剤噴射手段４による酸化剤の噴射方向を機軸回り周方向に設定して、燃焼器２内に旋回流を発生させることにより、結果として、燃焼効率のさらなる向上や推進力のさらなる安定化を実現するものとなっている。
【００３５】
図３（ａ）（ｂ）は、本発明に係わるハイブリッドロケットのさらに他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３６】
この実施例のハイブリッドロケットＲ３は、機軸に対して所定の角度をもって取り付けたスピン付与手段としての尾翼Ｗにより、全体に機軸回りのスピンが付与されるものとなっている。酸化剤噴射手段４による酸化剤の噴射方向は、図１に示す実施例と同様に、二次燃焼器５のガス流入部６付近に向けて斜め上方に設定してある。
【００３７】
このハイブリッドロケットＲ３では、図中の矢印Ａで示すように、燃料ペレット３が尾部側に定常的に供給される一方で、図中の矢印Ｂで示すように、噴射した酸化剤の流れが全体のスピンによって機軸回りの旋回流となり、飛翔による加速度と酸化剤の噴射による圧力とのバランスによって消費される燃料ペレット３が特定の領域に滞留し、燃焼領域Ｃを定位置に形成する。
【００３８】
また、酸化剤の旋回流により、燃料ペレット３から分解・蒸発した燃料成分と酸化剤との混合が促進されると共に、図３（ｂ）に示すように、スピンによる遠心力で燃料ペレット３が燃焼器２の外周側に移動する。これにより燃料ペレット３と燃焼ガスを確実に分離して、燃焼器２内で燃料ペレット３を完全に燃焼させると共に、燃焼ガスだけを二次燃焼器５に円滑に流入させる。さらに、燃焼ガスから分離しきれなかった微細な燃料残さは、二次燃焼器５における酸化剤の二次噴射によって完全燃焼する。
【００３９】
このようにして、ハイブリッドロケットＲ３は、尾翼Ｗで全体に機軸回りのスピンを付与して、燃焼器２内に旋回流を発生させると共に、スピンによる遠心力で燃焼ガスと燃料ペレット３を確実に分離し、結果として、燃焼効率のさらなる向上や推進力のさらなる安定化を実現するものとなっている。
【００４０】
なお、本発明に係わるハイブリッドロケットは、詳細な構成が上記各実施例のみに限定されることはない。また、酸化剤噴射手段による酸化剤の噴射方向を機軸回り周方向に設定すると共に、全体に機軸回りのスピンを付与する構成とすることも当然可能である。さらに、ハイブリッドロケットを大気圏外で使用する場合には、スピン付与手段としてスピン用ロケットエンジン等が用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるハイブリッドロケットの一実施例を説明する垂直断面図（ａ）および二次燃焼器部分での水平断面図（ｂ）である。
【図２】本発明に係わるハイブリッドロケットの他の実施例を説明する垂直断面図（ａ）および二次燃焼器部分での水平断面図（ｂ）である。
【図３】本発明に係わるハイブリッドロケットのさらに他の実施例を説明する垂直断面図（ａ）および二次燃焼器部分での水平断面図（ｂ）である。
【図４】従来におけるハイブリッドロケットを説明する部分破断側面図（ａ）および燃焼器部分の水平断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
Ｒ１〜Ｒ３    ハイブリッドロケット
Ｗ            尾翼（スピン付与手段）
１            ロケットノズル
２            燃焼器
３            燃料ペレット
４            酸化剤噴射手段
５            二次燃焼器
６            ガス流入部
７            二次噴射手段
【図１】
0004224599.tif 000002
【図２】
0004224599.tif 000003
【図３】
0004224599.tif 000004
【図４】
0004224599.tif 000005