(57)【要約】エンジンが大気から取り入れられた空気をその貯蔵からの水素と燃焼する、エアブリージングモードでも、エンジンがその貯蔵からの酸素をその貯蔵からの水素と燃焼する、ロケットモードでも、動作可能であるエンジンのノズル配置である。ノズル配置は、ロケットノズルにロケットスロートによって流体結合されるロケット燃焼室を含んでよい。ロケットノズルは、ロケットスロートに隣り合う第１部分と、第２部分と、を含み、第２部分は、ロケットスロートから離れ、ロケット位置とエアブリージング位置との間で第１部分に対して軸方向に移動可能であり、ロケット位置では、それらがほぼ連続したロケットノズルを形成し、エアブリージング位置では、それらが環状スロートをそれらの間に定めるように重なり合う。ノズル配置は、ノズルの第１および第２部分がエアブリージング位置にあるときに環状スロートに流体結合するように配置された少なくとも１つのエアブリージング燃焼室も含んでよい。【選択図】図１
2016535830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのノズル配置であって、エンジンが大気から取り入れられた空気をその貯蔵からの水素と燃焼する、エアブリージングモードでも、エンジンがその貯蔵からの酸素をその貯蔵からの水素と燃焼する、ロケットモードでも、動作可能であり、
ノズル配置は、ロケットノズルと、ロケット燃焼室と、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室と、を備え、
ロケット燃焼室は、ロケットスロートによってロケットノズルに流体結合され、ロケットノズルは、ロケットスロートに隣り合う第１部分と、ロケットスロートから離れた第２部分と、を備え、第２部分は、ロケット位置とエアブリージング位置との間で第１部分に対して軸方向に移動可能であり、ロケット位置では、第１部分と第２部分とがほぼ連続したロケットノズルを形成し、エアブリージング位置では、それらが環状スロートをそれらの間に定めるように重なり、ロケットノズルの第１部分は、径方向面にある大径端部を有するほぼ円錐台形部分であり、第２部分は、径方向面にある小径端部を有するほぼ円錐台形の部分であり、第２部分の小径端部は、第２部分のネック部分からほぼ軸方向に延びるほぼ円筒形の部分を備え、ロケット位置にあるときに、第１部分の大径端部は、ほぼ封止された係合で、第２部分のネック部分と係合し、ほぼ連続したロケットノズルを形成し、
少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、ロケットノズルの第１部分と第２部分とがエアブリージング位置にあるときに環状スロートに流体結合するように配置される、ノズル配置。
【請求項２】
請求項１に記載のノズル配置であって、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、複数のエアブリージング燃焼室を備え、それぞれ、ノズルの第１部分と第２部分とがエアブリージング位置にあるときに、環状スロートに流体結合するように配置される、ノズル配置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のノズル配置であって、エアブリージング燃焼室は、ノズルの周りに周辺に分布する、ノズル配置。
【請求項４】
請求項３に記載のノズル配置であって、エアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分の周りに周辺に分布する、ノズル配置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のノズル配置であって、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分に固定される、またはノズルの第１部分に関連して固定される、ノズル配置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載のノズル配置であって、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、環状プレナムを介して環状スロートに流体結合され、環状プレナムは、ノズルの第１部分と第２部分とがエアブリージング位置にあるときに、環状スロートに流体結合される、ノズル配置。
【請求項７】
請求項６に記載のノズル配置であって、環状プレナムは、ノズルの第１部分を囲む、ノズル配置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のノズル配置であって、環状プレナムは、ノズルの第１部分に固定される、またはノズルの第１部分に関連して固定される、ノズル配置。
【請求項９】
請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載のノズル配置であって、環状プレナムは、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときにノズルの第２部分によって重ねられるノズルの第１部分の外表面と、の間に封止係合を提供するように配置される、ノズル配置。
【請求項１０】
請求項６〜請求項９のいずれか１つに記載のノズル配置であって、環状プレナムは、第２部分の小径端部と係合するように配置され、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する、ノズル配置。
【請求項１１】
請求項６〜請求項１０のいずれか１つに記載のノズル配置であって、ノズルの第２部分の小径端部は、第２部分のネック部分からほぼ軸方向に延びるほぼ円筒形の部分を備え、環状プレナムは、円筒形部分と係合するように配置され、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する、ノズル配置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のノズル配置であって、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分を囲む単一の環状エアブリージング燃焼室を備える、ノズル配置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のノズル配置であって、単一のエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分に固定される、またはノズルの第１部分に関連して固定される、ノズル配置。
【請求項１４】
請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載のノズル配置であって、単一のエアブリージング燃焼室は、単一のエアブリージング燃焼室の出口と、エアブリージング位置にあるときにノズルの第２部分によって重ねられるノズルの第１部分の外表面と、の間に封止係合を提供するように配置される、ノズル配置。
【請求項１５】
請求項６〜請求項９のいずれか１つに記載のノズル配置であって、単一のエアブリージング燃焼室は、第２部分の小径端部と係合するように配置され、単一のエアブリージング燃焼室の出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する、ノズル配置。
【請求項１６】
請求項６〜請求項１０のいずれか１つに記載のノズル配置であって、ノズルの第２部分の小径端部は、第２部分のネック部分からほぼ軸方向に延びるほぼ円筒形の部分を備え、単一のエアブリージング燃焼室は、円筒形部分と係合するように配置され、単一のエアブリージング燃焼室の出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する、ノズル配置。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１６のいずれか１つに記載のノズル配置であって、エアブリージングモードでは、重なり合うノズルの第１部分と第２部分との間の環状路に発散がある、ノズル配置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のノズル配置であって、環状路の発散は、環状スロートの断面積に対する環状流路出口の断面積の比が、１：１より大きく４：１より小さくなるようになっている、ノズル配置。
【請求項１９】
請求項１〜請求項１８のいずれか１つに記載のノズル配置であって、アクチュエータ配置をさらに備え、アクチュエータ配置は、２つの位置の間でノズルの第２部分を動かすように配置される、ノズル配置。
【請求項２０】
エンジンであって、エンジンが大気から取り入れられた空気をその貯蔵からの水素と燃焼する、エアブリージングモードでも、エンジンがその貯蔵からの酸素をその貯蔵からの水素と燃焼する、ロケットモードでも、動作可能であり、エンジンは、複数のノズル配置を備え、それぞれのノズル配置は、請求項１〜請求項１９のいずれかによる、エンジン。
【請求項２１】
添付図面を参照して本明細書に実質的に記載される、ノズル配置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる２０１３年１０月１１日に英国で出願された英国特許出願第１３１８１１２．８号の米国特許法§１１９（ａ）の下での優先権を主張し、２０１４年６月５日に出願され、参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１４／２９６，６２８号から、米国特許法§§１２０および３６５の下で、優先権を主張し、先の出願日の利益を主張する。
【０００２】
この発明は、エアブリージングモードでもロケットモードでも動作可能なエンジンのノズル配置に関する。実施形態では、エンジンは、１段式軌道宇宙飛行機で使用される。他の用途も想定される。
【背景技術】
【０００３】
英国、オックスフォードシャーのリアクション・エンジンズ・リミテッド（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）によって開発されたＳＡＢＲＥエンジンは、１段式軌道宇宙飛行機などの用途に動力を供給するための航空機エンジンである。エンジンは、エアブリージングモードでもロケットモードでも動作可能である。より低い高度で、エンジンは、エアブリージングモードで動作する。このモードでは、エンジンは、ターボ圧縮機のタービンを通じて閉ループに含まれるヘリウムガスの搭載貯蔵を膨張させることによって作動し、ターボ圧縮機の圧縮機を駆動し、吸入大気を圧縮する。圧縮空気は、液体水素の搭載貯蔵からの水素と混合され、結果として生じる混合物は、燃焼して排出され、推進力を提供する。高い高度で、エンジンは、ロケットモードで動作する。このモードでは、大気を取り入れる代わりに、エンジンは、液体酸素の搭載貯蔵からの酸素を水素と混合し、混合物を燃焼させ、混合物は、推進力を提供するようにその後排出される。ターボ圧縮機は、ロケットモードで使用されない。
【０００４】
２つのモードのそれぞれでの燃焼および排気の提供の仕方に問題が存在している。１つの解決策は、エアブリージングモードおよびロケットモードのそれぞれに別々の燃焼室およびノズル‐すなわち、エアブリージングモードで使用される第１の燃焼室およびノズルと、ロケットモードで使用される別の燃焼室およびノズルと、を提供することである。しかしながら、このアプローチは、かなりの重量およびドラッグペナルティーをもたらし、望ましくなくする。
【０００５】
代替アプローチは、共通の燃焼室と、両方の動作のモードで使用される関連したノズルと、を提供することである。しかしながら、ロケットモードで推進力を提供するために、燃焼室がロケット燃焼室である必要があり、酸素および水素が、その室で燃焼されて、ロケットノズルを通じて膨張および排出される必要がある。しかしながら、そのような配置は、エアブリージングモードでの動作に最適化されない。ロケットエンジン燃焼室は、必然的に高圧動作用に設計される。結果として、エアブリージングモードで作動するとき、約１００：１の吸入大気の圧縮比が必要とされ得る。当然のことながら、この高圧縮比は、水素の高燃料流量を必要とする。結果として、さもなければそうであるよりも多くの水素が運ばれなければならず、重量が増加し、性能が低下する。従って、この解決策も望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それ故、これらの不都合な点に対処する配置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この開示の第１態様によると、エンジンが大気から取り入れられた空気をその貯蔵からの水素と燃焼する、エアブリージングモードでも、エンジンがその貯蔵からの酸素をその貯蔵からの水素と燃焼する、ロケットモードでも、動作可能であるエンジンのノズル配置が提供され、ノズル配置は、ロケットスロートによってロケットノズルに流体結合されたロケット燃焼室を備え、ロケットノズルは、ロケットスロートに隣り合う第１部分と、第２部分と、を備え、第２部分は、ロケットスロートから離れ、ロケット位置とエアブリージング位置との間で第１部分に対して軸方向に移動可能であり、ロケット位置では、それらがほぼ連続したロケットノズルを形成し、エアブリージング位置では、それらが環状スロートをそれらの間に定めるように重なり合い、ノズル配置は、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室をさらに備え、エアブリージング燃焼室は、ノズルの第１および第２部分がエアブリージング位置にあるときに環状スロートに流体結合するように配置される。
【０００８】
ロケットモードおよびエアブリージングモードのそれぞれに別々の燃焼室を、しかし共通のノズルと共に、提供することにより、別々のノズルを提供することのドラッグの不都合およびかなりの重量が回避される‐大気飛行の少なくとも部分にとって「デッド」である追加のノズルを提供することのドラッグペナルティーはかなりである‐一方ロケット燃焼およびエアブリージング燃焼のそれぞれに最適化できる別々の燃焼室を同時に提供する。さらに、エアブリージングモード用の環状スロートを提供するように重なり合うことができる２つの部分を備えるノズルを提供することは、（少なくとも１つの）エアブリージング燃焼室が、ロケット燃焼室と同じノズルを共有できるようにする、簡便な解決策である。そのような環状スロートは、‐少なくともある動作状態で‐エアブリージングモードにあるときにノズルの壁に沿う付着流を促すということも、見いだされている。
【０００９】
ノズルの第１部分は、径方向面にある大径端部を有するほぼ円錐台形部分であってよい。第２部分は、径方向面にある小径端部を有するほぼ円錐台形の部分であってよい。第２部分の小径端部は、第２部分のネック部分からほぼ軸方向に延びるほぼ円筒形の部分を備えてよい。ロケット位置にあるときに、第１部分の大径端部は、第２部分のネック部分と係合し、ほぼ連続したロケットノズルを形成し得る。係合は、ほぼ封止された係合であってよい。
【００１０】
ロケット燃焼室およびロケットスロートは、ノズルの第１部分に固定されてよい、またはノズルの第１部分に関連して固定されてよい。
【００１１】
少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、複数のエアブリージング燃焼室を備えてよく、それぞれ、ノズルの第１および第２部分がエアブリージング位置にあるときに、環状スロートに流体結合するように配置される。エアブリージング燃焼室は、ノズルの周りに周辺に分布してよい。それらは、ノズルの第１部分の周りに周辺に分布してよい。それらは、ほぼ一定の角度ピッチで分布してよい。少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分に固定されてよい、またはノズルの第１部分に関連して固定されてよい。
【００１２】
少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、環状プレナムを介して環状スロートに流体結合されてよく、環状プレナムは、ノズルの第１および第２部分がエアブリージング位置にあるときに、環状スロートに流体結合される。環状プレナムは、ノズルの第１部分を囲んでよい。環状プレナムは、ノズルの第１部分に固定されてよい、またはノズルの第１部分に関連して固定されてよい。環状プレナムは、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときにノズルの第２部分によって重ねられるノズルの第１部分の外表面と、の間に封止係合を提供するように配置されてよい。環状プレナムは、第２部分の小径端部と係合するように配置されてよく、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する。環状プレナムは、第２部分の小径端部の円筒形部分と係合するように配置されてよく、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する。フレキシブルな流体密封結合が、環状プレナムと、ノズルの第２部分の内表面と、の間に提供されてよく、ノズルの第２部分の内表面は、相対運動を可能にしながら、それらの間に流体密封結合を提供する。フレキシブルな流体密封結合は、ベローズ配置を備えてよい。
【００１３】
少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分を囲む単一の環状エアブリージング燃焼室を備えてよい。単一のエアブリージング燃焼室は、ノズルの第１部分に固定されてよい、またはノズルの第１部分に関連して固定されてよい。単一のエアブリージング燃焼室は、単一のエアブリージング燃焼室の出口と、エアブリージング位置にあるときにノズルの第２部分によって重ねられるノズルの第１部分の外表面と、の間に封止係合を提供するように配置されてよい。単一のエアブリージング燃焼室は、第２部分の小径端部と係合するように配置されてよく、単一のエアブリージング燃焼室の出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する。単一のエアブリージング燃焼室は、第２部分の小径端部の円筒形部分と係合するように配置されてよく、環状プレナムの出口と、エアブリージング位置にあるときのノズルの第２部分の内表面と、の間に封止係合を提供する。フレキシブルな流体密封結合が、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室と、ノズルの第２部分の内表面と、の間に提供されてよく、ノズルの第２部分の内表面は、相対運動を可能にしながら、それらの間に流体密封結合を提供する。フレキシブルな流体密封結合は、ベローズ配置を備えてよい。
【００１４】
少なくとも１つのエアブリージング燃焼室は、圧縮大気およびその貯蔵からの水素を受け入れるように配置されてよい。ロケット燃焼室は、酸素および水素それぞれをそのそれぞれの貯蔵から受け入れるように配置されてよい。
【００１５】
ノズルの形状は、エアブリージングモードにあるときに、重なり合うノズルの第１部分と第２部分との間の環状スロートに発散があるようになっている。
【００１６】
環状スロートの発散は、環状スロートの領域でより良い伝熱特性をもたらすということが見いだされている。特に、この領域の伝熱量は、他の環状スロートの形状より少ないことが見いだされている。
【００１７】
環状スロートの発散は、スロートのその入口での径方向幅に対するスロートのその出口での径方向幅の比が、１：１より大きく４：１より小さくなるようであってよい。それは、１：１より大きく、３．５：１より小さくてよい。それは１．５：１と３．５：１の間であってよい。スロートは、ノズルの第２部分と第１部分との間の重なりの領域と定められてよく、入口および出口の位置がそれに応じて定められる。
【００１８】
ノズルの第１部分の面積比、すなわちロケットスロートに対する第１部分の出口の比、は２０：１と５０：１の間であってよい。それは２５：１と３５：１の間であってよい。実施形態では、それは３０：１であってよい。
【００１９】
ロケットモードで形成されるほぼ連続したロケットノズルの面積比、すなわちロケットスロートに対する第２部分の出口の比、は、所望の排気速度を実現するように少なくとも１００：１であってよい。それは１１０：１と１３０：１の間であってよい。実施形態では、それは１２０：１であってよい。
【００２０】
ノズル配置は、アクチュエータ配置を備えてよく、アクチュエータ配置は、２つの位置の間でノズルの第２部分を動かすように配置される。アクチュエータ配置は、少なくとも１つの電気機械アクチュエータおよび／または少なくとも１つの電気油圧式アクチュエータを備えてよい。
【００２１】
この開示の第２態様によると、エンジンが大気から取り入れられた空気をその貯蔵からの水素と燃焼する、エアブリージングモードでも、エンジンがその貯蔵からの酸素をその貯蔵からの水素と燃焼する、ロケットモードでも、動作可能であるエンジンが提供され、エンジンは、複数のノズル配置を備え、それぞれのノズル配置は、ロケットスロートによってロケットノズルに流体結合されたロケット燃焼室を備え、ロケットノズルは、スロートに隣り合う第１部分と、第２部分と、を備え、第２部分は、スロートから離れ、ロケット位置とエアブリージング位置との間で第１部分に対して軸方向に移動可能であり、ロケット位置では、それらがほぼ連続したロケットノズルを形成し、エアブリージング位置では、それらが環状スロートをそれらの間に定めるように重なり合い、ノズル配置は、少なくとも１つのエアブリージング燃焼室をさらに備え、エアブリージング燃焼室は、ノズルの第１および第２部分がエアブリージング位置にあるときに環状スロートに流体結合するように配置される。
【００２２】
第１の態様の選択的な特徴は、第２の態様の選択的な特徴でもある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】４つのノズル配置の透視図を示す。
【図２】動作のエアブリージングモードでのノズル配置の代表的なものを示す。
【図３】動作のロケットモードでのノズル配置の代表的なものを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、エンジンの一部を示す。エンジンの一用途は、１段式軌道宇宙飛行機に動力を供給することである。エンジンは、２つのモード：空気が、大気から吸い込まれ、ターボ圧縮機を用いて圧縮され、液体水素の搭載貯蔵と燃焼する、エアブリージングモード；および、大気が吸い込まれず、水素が、代わりに搭載貯蔵からの酸素と燃焼される、ロケットモード、で動作可能である。
【００２５】
図１を続けて参照し、４つのノズル配置１０が示されている。これらは、それらが一部を形成するエンジンに一般にあるので、空間的に配置される。この４つのノズル配置１０は、最もコンパクトな仕方：それぞれの軸が同じ正方形のそれぞれの角を通るような２つずつの配置、で配置される。エンジンの他の部品（推進力を提供するときにノズル配置１０が反動する主構造部材１０など）も示されている。
【００２６】
それぞれのノズル配置１０は、いくつかの部品を有する。それぞれについて、ロケット燃焼室３２は、ロケットスロート３３に接続されて流体結合され、ロケットスロート３３は、ロケットノズル３５に接続されて流体結合される。ロケットノズル３５は、２つの部分：ロケットスロート３３に隣接して接続される第１ノズル部分３０；および、第１部分３０に隣接するが、その部分から分かれる、第２ノズル部分４０、である。この後の記載から理解されるように、ノズル３５の２つの部分３０，４０は、２つの位置の間で互いに対して移動可能である。「ロケット位置」と称される一つの位置で、２つの部分３０，４０は、それらの内側が連続したロケットノズルを形成するように、位置付けられる。この位置は、エンジンの動作のロケットモードの際に使用される。「エアブリージング位置」と称される別の位置で、第２部分４０は、エンジンの残りの部分に対して軸方向に動き、第１部分３０の大径端部に部分的に重なるようになっている。この位置は、動作のエアブリージングモードの際に使用され、図１に示されている配置である。２つの位置は、図２および図３を参照してさらに説明される。
【００２７】
図１を続けて参照し、それぞれのノズル配置１０は、３つのエアブリージング燃焼室４２をさらに備える。これらは、一定の角度ピッチでノズル３５の第１部分の回りに配置される。エアブリージング燃焼室４２のそれぞれは、プレナム４１の形の環状マニホールドに接続され、それと流体連通している。プレナム４１は、ノズル４０の第１部分３０の周りに広がり、その第１部分３０に取り付けられる。
【００２８】
図２は、配置をさらに詳細に示す。この図は、エアブリージングモードでのノズル１０の代表的なものを示し、ノズル１０の第２部分４０は、エアブリージング位置にあり、エアブリージング位置では、第１部分３０とその部分３０の大径端部とが部分的に重なることが見られる。見られるように、断面で示されているプレナム４１は、３つのエアブリージング燃焼室４２用の排気マニホールドを形成する。
【００２９】
ノズル１０の第１および第２部分のそれぞれは、概ね円錐台形である。ノズル１０の第２部分４０の小径端部は、しかしながら、ノズル１０の残りの部分と同軸の円筒形部分４３を追加的に備える。円筒形部分は、第２部分４０がこの位置にあるときに実質的に封止される形で、プレナム４１の径方向外周縁と係合するようになっている。ノズル１０の第１部分３０の外表面は、ショルダー部分３４を有し、ショルダー部分３４は、実質的に封止される形で、プレナム４１の径方向内周縁と係合する。ノズル１０の第１部分３０がプレナム４１（または第２部分４０を除いて実際全ての他の記載された部品）に対して動かないので、この係合は、動作中に永続的である。共に、円筒形部分４３の内側とショルダー部分３４の外側とは、ほぼ一定断面積の環状流通路を提供し、それはプレナム４１と流れ連通している。代替実施形態では、円筒形部分は、第２部分４０の一部を形成しないが、代わりに、プレナム４１に取り付けられ、プレナム４１の一部を形成する。これが、実際、同じ結果を提供する代替的方法であることが、理解される。
【００３０】
ノズル１０の２つの部分３０，４０の間の重なりは、第１ノズル部分３０の大径端部の外側と第２ノズル部分４０の小径端部の内側の周りの環状スロート５０を作る。環状スロート５０は、円筒形部分４３とショルダー部分３４との間の環状流通路と流体連通している。説明を簡単にするために図２および図３から省略されたが、ノズル１０の第１の３０および第２の４０の部分の形状は、環状スロート５０が発散するようになっている。言い換えれば、環状スロートの断面積は、燃焼室４２から離れて軸に沿って増加する。環状スロートの発散は、環状スロートの領域でより良い伝熱特性をもたらすということが見いだされている。特に、この領域の伝熱は、環状スロート５０の軸方向長さに沿ってあまり遠く延びない、環状スロートの入り口に隣り合ったスパイクの形であるということが、見いだされている。これは、伝熱が軸方向長さに沿ってむしろ高いことが見いだされている、より一定の断面積を有する環状スロートと対比されるべきである。従って、それが発散形状で設計されていれば、環状スロートの効果的な冷却を提供するのが格段に容易である。効果的な冷却は、配置の安全性、維持費、および耐用年数に影響を大いに及ぼし得るので、本実施形態のようなノズル配置の設計で非常に重要な考慮すべき事柄であることが、理解される。
【００３１】
図３は、ロケットモードでのノズル１０の代表的なものを示す。このモードでは、第２ノズル部分４０は、ロケット位置に位置する。この位置では、第２ノズル部分４０は、環状スロート５０が閉じるように内側ノズル部分３０に対して位置付けられる。言い換えれば、第２ノズル部分４０は、第１ノズル部分３０に対して図３の右に移動する。これは、２つのノズル部分３０，４０の概ね円錐台形の部分がもはや重なり合わず、代わりに従来のロケットノズルと形状が同様である連続した発散するロケットノズルを形成するようになっている（第２部分４０の円筒形部分４３が依然として第１部分３０に重なることが留意されるが）。
【００３２】
概念実証モデリングの際に、様々な形状が、表１に示されている結果として生じる低温流動性能でモデル化された。この表では、ＡＲは、ロケットスロート３３に対するノズル１０の第１部分３０の出口の面積比であり、Ｅは、環状スロート５０の断面積に対する環状流路出口３５の断面積の比である（比Ｅは好ましくは１：１より大きく４：１より小さい）。行は、ＥおよびＡＲの異なる値を有するノズルの結果を示す。列は、異なる大気圧でのそれらの異なるノズルの結果を示す。異なる大気圧は、動作の異なる高度に対応する。セルの文字は、以下の意味を有する：
１番目の文字
・Ａ：十分な付着流
・Ｓ：分離流
２番目の文字
・Ｏ：後流が開いたままである
・Ｃ：後流が閉じる
３番目の文字
・Ｓ：壁に沿った再圧縮（すなわち衝撃）がある
・Ｎ：衝撃がない
【表１】
2016535830.tif 000003
【００３３】
これらの結果は、より高いＡＲおよびＥが分離を最小限に抑えるのに望ましいこと、および（この開示の他の部分に記載されているように）環状スロートに発散があるように１より大きいＥを有することは伝熱特性を改善できること、を示す。他の実施形態では、表１に示されている形状のいずれかが使用され得ることが、想定される。従って、例えば、ＡＲが２０〜５０の範囲にあり得ることが想定される。しかしながら、約３０：１より大きい面積比を有することは、第１部分３０に対するノズル１０の第２部分４０に必要な引き込みの量に関する工学的問題につながることがあるので、本実施形態では、３０：１の面積比が選ばれている。
【００３４】
この実施形態では、ロケットノズルの全体的な面積比、ロケットスロート３３に対する第２部分４０の出口の面積比、は１２０：１に選ばれている。この場合も先と同様に、他の比率が、他の実施形態で可能であり、想定される。例えば、少なくとも１００：１の比率が想定される。
【００３５】
この実施形態では、Ｅは２．０に選択されている。この場合も先と同様に、Ｅの他の値が、他の実施形態で可能であり、想定される。例えば、Ｅが１〜３．５、または１〜４の範囲であることが、想定される。
【００３６】
動作中、および図２に関し、エンジンは、通常離陸のためにエアブリージングモードで始動し、低い高度での動作中このモードのままである。圧縮大気は、３つのエアブリージング燃焼室４２のそれぞれに運ばれ、そこで搭載貯蔵からの水素と混合されて燃焼する。燃焼生成物は、燃焼室４２から環状プレナム４１へ、および環状プレナム４１から円筒形部分４３とショルダー部分３４との間そして環状スロート５０へ、流れる。燃焼生成物は、環状スロート５０の軸方向長さに沿っていくらか膨張し、そこからノズル１０の第２部分４０の残りの部分へ、その部分４０およびノズル１０を完全に出る前に、移動する。環状スロートが、‐少なくともある動作状態で‐エアブリージングモードにあるときにノズルの壁に沿う付着流を促すということも、見いだされている。これは、必ずしも動作の全ての高度に当てはまらないが、環状スロートが発散しているかどうかに関係なく、環状スロートのさらなる利点になる。従って、ある実施形態では、環状スロートは発散しなくてよく、他の形状であってよい。
【００３７】
図３に関し、大気が希薄になるより高い高度で、エンジンは、動作のロケットモードに移行する。これは、ロケット位置にノズル１０の第２部分４０を軸方向に移動するように作動するアクチュエータ（図示せず）を伴う。この構成では、空気が大気から取り入れられない；代わりに、搭載貯蔵からの酸素と搭載貯蔵からの水素とが混合されて従来通りにロケット燃焼室３２で燃焼し、その燃焼の生成物は、現在実施されている連続した従来型ロケットノズルでのように膨張および排出が行われる。
【００３８】
すでに言及したように、ロケットモードおよびエアブリージングモードのそれぞれに別々の燃焼室を、しかし共通のノズルと共に、提供することにより、別々のノズルを提供することのドラッグの不都合およびかなりの重量が回避される‐大気飛行の少なくとも部分にとって「デッド」である追加のノズルを提供することのドラッグペナルティーはかなりである‐一方ロケット燃焼およびエアブリージング燃焼のそれぞれに最適化できる別々の燃焼室を同時に提供する。さらに、エアブリージングモード用の環状スロートを提供するように重なり合うことができる２つの部分を備えるノズルを提供することは、エアブリージング燃焼室が、ロケット燃焼室と同じノズルを共有できるようにする、簡便な解決策である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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