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特開2023-96298ハイブリッドロケット及びハイブリッドロケット用インジェクタ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023096298
(43)【公開日】2023-07-07
(54)【発明の名称】ハイブリッドロケット及びハイブリッドロケット用インジェクタ
(51)【国際特許分類】
F02K 9/72 20060101AFI20230630BHJP
B64G 1/40 20060101ALI20230630BHJP
B64G 1/00 20060101ALI20230630BHJP
F23L 1/00 20060101ALI20230630BHJP
F23L 7/00 20060101ALI20230630BHJP
【ＦＩ】
F02K9/72
B64G1/40 300
B64G1/00 C
F23L1/00 B
F23L1/00 E
F23L7/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021211942
(22)【出願日】2021-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】598163064
【氏名又は名称】学校法人千葉工業大学
(71)【出願人】
【識別番号】000004341
【氏名又は名称】日油株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】和田 豊
(72)【発明者】
【氏名】池上 友隆
(72)【発明者】
【氏名】馬場 開一
(72)【発明者】
【氏名】小田 達也
(72)【発明者】
【氏名】堀 恵一
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 克也
【テーマコード（参考）】
3K023
【Ｆターム（参考）】
3K023BA07
3K023EA02
3K023JA01
(57)【要約】
【課題】特性排気速度効率が向上したハイブリッドロケット及びハイブリッドロケットの特性排気速度効率を向上できるハイブリッドロケット用インジェクタの提供。
【解決手段】固体燃料（４）を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室（４）と、前記燃焼室と連通するノズル（９）と、前記燃焼室（４）の前記ノズル（９）寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部（１０）と、前記酸化剤供給部（１０）と接続される酸化剤供給源（５）と、前記酸化剤供給部（５）の先端に位置し、前記燃焼室（３）に供給される酸化剤（６）に旋回流を付与する旋回流付与機構（２１）と、を備え、前記燃焼領域において、前記固体燃料（４）から生じる燃料ガスと前記酸化剤（６）とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット（１）。
【選択図】図１
【解決手段】固体燃料（４）を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室（４）と、前記燃焼室と連通するノズル（９）と、前記燃焼室（４）の前記ノズル（９）寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部（１０）と、前記酸化剤供給部（１０）と接続される酸化剤供給源（５）と、前記酸化剤供給部（５）の先端に位置し、前記燃焼室（３）に供給される酸化剤（６）に旋回流を付与する旋回流付与機構（２１）と、を備え、前記燃焼領域において、前記固体燃料（４）から生じる燃料ガスと前記酸化剤（６）とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット（１）。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体燃料を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室と、
前記燃焼室と連通するノズルと、
前記燃焼室の前記ノズル寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部と接続される酸化剤供給源と、
前記酸化剤供給部の先端に位置し、前記燃焼室に供給される酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構と、を備え、
前記燃焼領域において、前記固体燃料から生じる燃料ガスと前記酸化剤とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット。
前記燃焼室と連通するノズルと、
前記燃焼室の前記ノズル寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部と接続される酸化剤供給源と、
前記酸化剤供給部の先端に位置し、前記燃焼室に供給される酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構と、を備え、
前記燃焼領域において、前記固体燃料から生じる燃料ガスと前記酸化剤とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット。
【請求項2】
前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、
前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、
前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記酸化剤を前記燃焼室の側壁に向かって供給する複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、
前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記酸化剤を前記燃焼室の側壁に向かって供給する複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
【請求項3】
前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状部材であり、
前記旋回流付与機構は、前記円盤状部材と同軸となるように、環状に配置されている酸化剤供給路を有し、
前記複数の供給口は、前記酸化剤供給路と接続し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている、請求項２に記載のハイブリッドロケット。
前記旋回流付与機構は、前記円盤状部材と同軸となるように、環状に配置されている酸化剤供給路を有し、
前記複数の供給口は、前記酸化剤供給路と接続し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている、請求項２に記載のハイブリッドロケット。
【請求項4】
前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、
前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、
前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記固体燃料と対向して配置される複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、
前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記固体燃料と対向して配置される複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
【請求項5】
前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状の部材であり、
前記複数の供給口が、前記中空部と同軸の仮想円に沿って環状に配置され、
前記複数の供給口は、前記旋回流付与機構を前記固体燃料側から平面視したとき、前記仮想円に沿って湾曲した楕円形である、請求項４に記載のハイブリッドロケット。
前記複数の供給口が、前記中空部と同軸の仮想円に沿って環状に配置され、
前記複数の供給口は、前記旋回流付与機構を前記固体燃料側から平面視したとき、前記仮想円に沿って湾曲した楕円形である、請求項４に記載のハイブリッドロケット。
【請求項6】
前記燃焼室は、前記燃焼領域において内径が拡大した部分を有し、
前記内径が拡大した部分に前記燃焼室と一体に前記旋回流付与機構が設けられており、
前記旋回流付与機構は、前記燃焼室内の側壁に沿って設けられ、前記固体燃料と対向するよう配置される複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
前記内径が拡大した部分に前記燃焼室と一体に前記旋回流付与機構が設けられており、
前記旋回流付与機構は、前記燃焼室内の側壁に沿って設けられ、前記固体燃料と対向するよう配置される複数の供給口を有する、請求項１に記載のハイブリッドロケット。
【請求項7】
前記旋回流付与機構は、前記燃焼室の内壁に沿って前記固体燃料の方向に流れるよう前記酸化剤に旋回流を付与する、請求項１～６のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
【請求項8】
前記酸化剤が液体である、請求項１～７のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
【請求項9】
前記酸化剤がＮ２Ｏである、請求項１～８のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
【請求項10】
前記固体燃料がテトラ－オールグリシジルアジドポリマーを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
【請求項11】
ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、
前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、
前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、
前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、
前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、
前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
【請求項12】
ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、
前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、
前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、
前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、
前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、
前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
【請求項13】
さらに、前記第１の仮想円とは半径の異なる前記中空部と同軸であり前記第１の仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って環状に配置された複数の第２の供給口が設けられている、請求項１２に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
【請求項14】
前記複数の第１の供給口は、前記第１面を平面視したとき、前記第１の仮想円に沿って湾曲した楕円形である請求項１２又は１３に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ハイブリッドロケット及びハイブリッドロケット用インジェクタに関する。
【背景技術】
【0002】
現在、宇宙機に搭載される推進系には化学推進及び電気推進の二つが存在する。化学推進では推力の制御が可能な液体ロケットが採用されることが多く、軌道投入用スラスタとして人工衛星に装備される。しかし、液体ロケットで従来使用されてきた推進剤であるヒドラジン等は、人体に有害であり、液体酸素及び液体水素等は、極低温であり温度調節が必要であるため、取り扱いが困難である。また、これらの推進剤を燃焼室に供給するには加圧機構を搭載する必要があるため、推進系が複雑になり重量が増加する。
【0003】
これらの課題を解決する新たな推進系としてハイブリッドロケットシステムが注目されている。ハイブリッドロケットは、プラスチックなど固体の不活性ポリマーを燃料として使用するため安全性が高い。
【0004】
ハイブリッドロケットの種類の一つとして，自燃性を有し燃料過多な燃焼ガスを生成する固体燃料を用いたガスハイブリッドロケットが提案されている。しかし、一般的なガスハイブリッドロケットは、燃焼室を２つ有するため構造重量が増加する傾向にある。しかし、２次燃焼室ではガス化した燃料とガス化した酸化剤によって燃焼するため特性排気速度効率ηＣ＊が高い。
【0005】
特許文献１は、固体燃料を収容する燃料ガス生成室と、酸化剤と燃料ガスを混合して燃焼させるための燃焼室とが一体に形成されているハイブリッドロケットを開示している。この構成では、従来のガスハイブリッドロケットに設けられている２次燃焼室を省くことで軽量化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０２０－７９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１に記載のハイブリッドロケットでは、酸化剤として気体酸素等の気体酸化剤を用いると高い特性排気速度効率が得られる。一方で、酸化剤として液体酸化剤を使用する場合には特性排気速度効率をさらに向上する余地がある。
【0008】
本発明の目的は、特性排気速度効率が向上したハイブリッドロケット及びハイブリッドロケットの特性排気速度効率を向上できるハイブリッドロケット用インジェクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、以下の態様を包含する。
［１］固体燃料を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室と、前記燃焼室と連通するノズルと、前記燃焼室の前記ノズル寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部と接続される酸化剤供給源と、前記酸化剤供給部の先端に位置し、前記燃焼室に供給される酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構と、を備え、前記燃焼領域において、前記固体燃料から生じる燃料ガスと前記酸化剤とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット。
［２］前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記酸化剤を前記燃焼室の側壁に向かって供給する複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［３］前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状部材であり、前記旋回流付与機構は、前記円盤状部材と同軸となるように、環状に配置されている酸化剤供給路を有し、前記複数の供給口は、前記酸化剤供給路と接続し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている、［２］に記載のハイブリッドロケット。
［４］前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記固体燃料と対向して配置される複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［５］前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状の部材であり、前記複数の供給口が、前記中空部と同軸の仮想円に沿って環状に配置され、前記複数の供給口は、前記旋回流付与機構を前記固体燃料側から平面視したとき、前記仮想円に沿って湾曲した楕円形である、［４］に記載のハイブリッドロケット。
［６］前記燃焼室は、前記燃焼領域において内径が拡大した部分を有し、前記内径が拡大した部分に前記燃焼室と一体に前記旋回流付与機構が設けられており、前記旋回流付与機構は、前記燃焼室内の側壁に沿って設けられ、前記固体燃料と対向するよう配置される複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［７］前記旋回流付与機構は、前記燃焼室の内壁に沿って前記固体燃料の方向に流れるよう前記酸化剤に旋回流を付与する、［１］～［６］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［８］前記酸化剤が液体である、［１］～［７］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［９］前記酸化剤がＮ２Ｏである、［１］～［８］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［１０］前記固体燃料がテトラ－オールグリシジルアジドポリマーを含む、［１］～［９］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［１１］ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１２］ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１３］さらに、前記第１の仮想円とは半径の異なる前記中空部と同軸であり前記第１の仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って環状に配置された複数の第２の供給口が設けられている、［１２］に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１４］前記複数の第１の供給口は、前記第１面を平面視したとき、前記第１の仮想円に沿って湾曲した楕円形である［１２］又は［１３］に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１］固体燃料を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室と、前記燃焼室と連通するノズルと、前記燃焼室の前記ノズル寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部と接続される酸化剤供給源と、前記酸化剤供給部の先端に位置し、前記燃焼室に供給される酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構と、を備え、前記燃焼領域において、前記固体燃料から生じる燃料ガスと前記酸化剤とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケット。
［２］前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記酸化剤を前記燃焼室の側壁に向かって供給する複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［３］前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状部材であり、前記旋回流付与機構は、前記円盤状部材と同軸となるように、環状に配置されている酸化剤供給路を有し、前記複数の供給口は、前記酸化剤供給路と接続し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている、［２］に記載のハイブリッドロケット。
［４］前記酸化剤供給部は、前記旋回流付与機構を前記燃焼室内に保持する保持具を備え、前記保持具は、前記酸化剤供給源と前記旋回流付与機構とにわたって設けられた前記酸化剤の流路を有し、前記旋回流付与機構は、前記流路の先端に位置し、前記固体燃料と対向して配置される複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［５］前記旋回流付与機構は、中央に円形の中空部を有する円盤状の部材であり、前記複数の供給口が、前記中空部と同軸の仮想円に沿って環状に配置され、前記複数の供給口は、前記旋回流付与機構を前記固体燃料側から平面視したとき、前記仮想円に沿って湾曲した楕円形である、［４］に記載のハイブリッドロケット。
［６］前記燃焼室は、前記燃焼領域において内径が拡大した部分を有し、前記内径が拡大した部分に前記燃焼室と一体に前記旋回流付与機構が設けられており、前記旋回流付与機構は、前記燃焼室内の側壁に沿って設けられ、前記固体燃料と対向するよう配置される複数の供給口を有する、［１］に記載のハイブリッドロケット。
［７］前記旋回流付与機構は、前記燃焼室の内壁に沿って前記固体燃料の方向に流れるよう前記酸化剤に旋回流を付与する、［１］～［６］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［８］前記酸化剤が液体である、［１］～［７］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［９］前記酸化剤がＮ２Ｏである、［１］～［８］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［１０］前記固体燃料がテトラ－オールグリシジルアジドポリマーを含む、［１］～［９］のいずれか一項に記載のハイブリッドロケット。
［１１］ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１２］ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１３］さらに、前記第１の仮想円とは半径の異なる前記中空部と同軸であり前記第１の仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って環状に配置された複数の第２の供給口が設けられている、［１２］に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
［１４］前記複数の第１の供給口は、前記第１面を平面視したとき、前記第１の仮想円に沿って湾曲した楕円形である［１２］又は［１３］に記載のハイブリッドロケット用インジェクタ。
【発明の効果】
【0010】
上記態様によれば、特性排気速度効率が向上したハイブリッドロケット及びハイブリッドロケットの特性排気速度効率を向上できるハイブリッドロケット用インジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一態様におけるハイブリッドロケットの模式断面図である。
【図2】本発明の一態様における旋回流付与機構の平面図及び側面図である。
【図3】本発明の一態様における保持具の平面図及び断面図である。
【図4】本発明の他の態様における旋回流付与機構の平面図及び側面図である。
【図5】本発明の他の態様における旋回流付与機構の斜視図である。
【図6】本発明の他の態様における旋回流付与機構の斜視図である。
【図7】本発明のさらに他の態様における旋回流付与機構の平面図及び断面図である。
【図8】本発明のさらに他の態様におけるハイブリッドロケットの模式断面図である。
【図9】本発明のさらに他の態様における燃焼室と酸化剤供給部の斜視図である。
【図11】実施例１における固体燃料燃焼時の燃焼室内の圧力、酸化剤供給源室内圧力及び推力と燃焼時間との関係を表すグラフである。
【図12】比較例１における固体燃料燃焼時の燃焼室内の圧力、酸化剤供給源室内圧力及び推力と燃焼時間との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図を参照しながら、本発明の一態様におけるハイブリッドロケット及びハイブリッドロケット用インジェクタについて説明する。以下の複数の実施形態では、好ましい例や条件を共有してもよい。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数、量、位置及び形状等について変更、省略及び置換等してもよい。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてあることがある。
【0013】
本発明の一態様は、固体燃料を収容する収容部と燃焼領域とを有する燃焼室と、前記燃焼室と連通するノズルと、前記燃焼室の前記ノズル寄りに位置し、前記燃焼領域と連通する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部と接続される酸化剤供給源と、前記酸化剤供給部の先端に位置し、前記燃焼室に供給される酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構と、を備え、前記燃焼領域において、前記固体燃料から生じる燃料ガスと前記酸化剤とを混合し燃焼させる、ハイブリッドロケットである。
【0014】
〈第１の実施形態〉
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて図１を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるハイブリッドロケットの模式断面図である。ハイブリッドロケット１は、機体２と、燃焼室３と、固体燃料４と、酸化剤６が収容されている酸化剤供給源５と、酸化剤供給管７と、バルブ８と、ノズル９と、酸化剤供給部１０と、酸化剤供給源加圧装置１１とを有する。
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて図１を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるハイブリッドロケットの模式断面図である。ハイブリッドロケット１は、機体２と、燃焼室３と、固体燃料４と、酸化剤６が収容されている酸化剤供給源５と、酸化剤供給管７と、バルブ８と、ノズル９と、酸化剤供給部１０と、酸化剤供給源加圧装置１１とを有する。
【0015】
機体２の内部には、燃焼室３が設けられている。燃焼室３は、固体燃料４を収容する収容部と、燃焼領域を有している。固体燃料４の端面と、燃焼室３の内壁に囲まれた空間が燃焼領域である。燃焼領域内に酸化剤６が供給され、燃料ガスと酸化剤６との混合及び燃焼が生じる。すなわち、燃料ガスが発生する空間と酸化剤６と燃料ガスを混合し燃焼させる空間は、共通している。
【0016】
機体２には、固体燃料４を着火するための点火装置（不図示）が備えられている。燃焼室３は、酸化剤供給部１０を介してノズル９と連通している。燃焼室３において燃料ガス及び酸化剤６が混合及び燃焼して生じた高温及び高圧のガスをノズル９から噴出することで、ハイブリッドロケットの推力を得ることができる。
【0017】
酸化剤供給源５は、酸化剤供給管７と接続している。酸化剤供給管７には、酸化剤供給源５からの酸化剤６の供給を制御するためのバルブ８が設けられている。酸化剤供給源５には、酸化剤供給源５内を加圧するための酸化剤供給源加圧装置１１を有している。酸化剤供給源加圧装置１１により酸化剤供給源５内を加圧することにより、酸化剤６の供給量を調整することができる。
【0018】
図１においては、酸化剤供給源５は、酸化剤供給源５内を加圧するための酸化剤供給源加圧装置１１を有しているが、本実施形態はこれに限定されない。酸化剤６として高い蒸気圧を有している液体酸化剤（例えば、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）等）を用いる場合には、酸化剤供給源加圧装置１１を設けなくてもよい。
【0019】
酸化剤供給部１０は、燃焼室３のノズル９寄りに位置し、燃焼領域と連通している。本実施形態の酸化剤供給部１０は、旋回流付与機構２１を燃焼室３内に保持する保持具２２を備える。酸化剤供給部１０の先端には、燃焼室３に供給される酸化剤６に旋回流を付与する旋回流付与機構２１が配置されている。
【0020】
次に、各構成について詳細に説明する。
機体２は、少なくとも外壁、中間層及び内壁がこの順に厚さ方向に積層されている構成である。機体２の外壁は、機械的強度を保ち、かつ燃焼室３の圧力に耐えるため、アルミニウム等の金属により形成される。中間層は、燃焼火炎からの断熱が可能な燃料カートリッジとする目的でガラス繊維強化プラスチック（Ｇｌｒａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，ＧＦＲＰともいう）、フェノール樹脂等又はその複合材料等により形成されている。内壁は、耐熱性を有する高分子化合物で形成されており、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ，ＥＰＤＭゴムともいう）等の高分子材料が挙げられる。
機体２は、少なくとも外壁、中間層及び内壁がこの順に厚さ方向に積層されている構成である。機体２の外壁は、機械的強度を保ち、かつ燃焼室３の圧力に耐えるため、アルミニウム等の金属により形成される。中間層は、燃焼火炎からの断熱が可能な燃料カートリッジとする目的でガラス繊維強化プラスチック（Ｇｌｒａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ，ＧＦＲＰともいう）、フェノール樹脂等又はその複合材料等により形成されている。内壁は、耐熱性を有する高分子化合物で形成されており、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ Ｄｉｅｎｅ Ｒｕｂｂｅｒ，ＥＰＤＭゴムともいう）等の高分子材料が挙げられる。
【0021】
燃焼室３は、機体２の内壁により囲まれた空間である。燃焼室３は、旋回流付与機構２１及び保持具２２の中空部を介してノズル９と接続している。燃焼室３は、固体燃料４を収容している収容部３Ａと燃焼領域３Ｂとを有する。燃焼領域３Ｂは、収容部３Ａとノズル９との間に位置する。燃焼領域３Ｂは、固体燃料４から生じる燃料ガスと酸化剤６とが燃焼する領域である。
【0022】
固体燃料４は、特に限定されないが、テトラ－オールグリシジルアジドポリマー（ｔｅｔｒａ－ｏｌ Ｇｌｙｃｉｄｙｌ Ａｚｉｄｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ，ｔｅｔｒａ－ｏｌ ＧＡＰともいう）を含むことが好ましい。
【0023】
酸化剤供給源５は、耐腐食性を有する材料により形成されており、例えばアルミニウムやステンレス等が挙げられる。
【0024】
酸化剤供給源加圧装置１１は、バルブ８の開栓後、酸化剤供給源５内を加圧することにより、酸化剤６を酸化剤供給管７を介して燃焼室３に供給し、燃焼室３内を加圧する。酸化剤供給源加圧装置１１は、例えば可動式の隔壁を有するピストン、アキュムレータ等が挙げられる。
【0025】
酸化剤供給源５に収容される酸化剤６は、液体酸化剤でも気体酸化剤でもよいが、収容体積が小さいことから液体酸化剤であることが好ましい。液体酸化剤としては、亜酸化窒素、液体酸素、過酸化水素、硝酸ヒドロキシルアミン水溶液等が挙げられる。気体酸化剤としては、酸素等が挙げられる。常温で高い飽和蒸気圧を有するため、酸化剤供給源加圧装置１１を省略できることから、酸化剤６としては亜酸化窒素であることが好ましい。
【0026】
酸化剤供給管７は、酸化剤供給源５と、後述する保持具２２の酸化剤流路とを接続している。酸化剤供給管７は、酸化剤供給源５の材料として列挙されている耐腐食性を有する材料により形成されている。バルブ８は、燃焼室３の圧力調節手段であり、酸化剤供給管７を開閉し、酸化剤６の供給を制御する。
【0027】
図２は、本実施形態における旋回流付与機構２１の平面図及び側面図である。旋回流付与機構２１は、燃焼室３に面する第１面１００Ａと、保持具２２と対向する第２面１００Ｂを有する。旋回流付与機構２１は、第１面１００Ａと前記第２面１００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部１０４を有する円盤状部材１００である。第２面１００Ｂには、酸化剤供給路１０１と、前記複数の供給口１０２が設けられている。酸化剤供給路１０１は、中空部１０４の外側に位置し、円盤状部材１００と同軸となるように環状に配置されている。複数の供給口１０２は、酸化剤供給路１０１と接続しており、酸化剤供給路１０１の先端に位置する。複数の供給口１０２は、酸化剤６に旋回流を付与しながら燃焼室３の側壁に向かって供給するよう円盤状部材１００の外周に沿って設けられている。旋回流付与機構２１は、保持具２２とボルト等により接続されるための孔１０３を有していてもよい。
【0028】
円盤状部材１００の直径は、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から円盤状部材１００が設けられる位置における燃焼室３の内径に対し６０～９０％であることが好ましく、８０～９０％であることがより好ましい。
【0029】
複数の供給口１０２の数は特に限定されないが、一例として２～１６個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から６～１０個であることが好ましい。
【0030】
円盤状部材１００の中空部の直径は、十分な燃料ガス流路確保の観点から円盤状部材１００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0031】
図３は、本実施形態における保持具２２の平面図及びＣ－Ｃ断面における断面図である。保持具２２は、旋回流付与機構２１とノズル９の間に配置され、旋回流付与機構２１を燃焼室３内に保持する。保持具２２は、酸化剤供給管７と接続する酸化剤の流路１１１を有する。流路１１１は、酸化剤供給源５と前記旋回流付与機構２１とにわたって設けられ、酸化剤供給路１０１と接続している。保持具２２は、略円筒形状であり、中空部１１２を有する。旋回流付与機構２１の中空部１０４と保持具２２の中空部１１２の形状は一致している。保持具２２は、ノズル９と隣接している。燃焼領域３Ｂで燃料ガスと酸化剤６との燃焼により生じるガスは、中空部１０４と中空部１１２を通過してノズル９から排気される。
【0032】
ノズル９としては、ラバール・ノズル等が挙げられるが、それ以外の形状であってもよい。ノズル９は、燃焼領域３Ｂで燃料ガスと酸化剤６との燃焼により生じたガスが排出されるため、２０００℃以上となる。そのため、ノズル９は、グラファイト又はカーボン複合材等の耐熱材料により構成される。
【0033】
図示略の点火装置は、固体燃料４を着火する。固体燃料４にとしてＧＡＰを用いる場合は、２５０℃以上、圧力を７００ｋＰａ以上とすると着火する。よってＧＡＰを用いる場合の点火装置は、燃焼室３内を２５０℃以上、圧力を７００ｋＰａ以上とする機構を有する。点火装置の構成については、特に限定されず、例えばアルミレスの固体推進薬を利用した点火装置等を使用することができる。
【0034】
点火装置は、燃焼停止した固体燃料４を再着火できる機構を有することが好ましい。具体的には、一度目の燃焼時には点火機構は作動せず、着火条件となるよう加圧及び昇温する構成により着火する。燃焼停止した固体燃料４を再着火する場合には、点火機構を用いて点火する。なお、加圧及び昇温する構成は特に限定されないが、例えばガストーチ等を使用することができる。
【0035】
次に、本実施形態におけるハイブリッドロケット１の推進システムについて説明する。ハイブリッドロケット１は、まず点火装置により固体燃料４に点火する。着火した固体燃料４が燃焼し、燃料ガスが燃焼室３の燃焼領域３Ｂに発生する。
【0036】
次いで、酸化剤供給源加圧装置１１により酸化剤供給源５内が加圧され、酸化剤供給源５から酸化剤供給管７に酸化剤６が導出される。酸化剤６は、酸化剤供給管７から流路１１１を経由して酸化剤供給部１０の旋回流付与機構２１に到達する。
【0037】
酸化剤６は、酸化剤供給路１０１を通過し、複数の供給口１０２から燃焼室３の側壁３Ｃに向かって排出される。排出された酸化剤６は、燃焼室３の側壁３Ｃに沿って旋回しながらノズル９側から固体燃料４に向かって移動する。酸化剤６は、燃焼領域３Ｂで発生している燃料ガスと混合し燃焼する。燃焼により発生したガスは、旋回流付与機構２１の中空部１０４と保持具２２の中空部１１２を通過してノズル９から外部へと排気されて推力を得る。
【0038】
このように、酸化剤供給部１０から燃焼室３に供給される酸化剤６に旋回流付与機構２１によって旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６とが混合し燃焼している状態で燃焼室３に滞留する時間を増加できると考えられる。また、旋回流付与機構２１により酸化剤６に旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６との燃焼火炎が固体燃料４に近づき、固体燃料４の表面への熱の流入量が増加し、固体燃料４の燃焼速度が増加すると考えられる。その結果、推力を向上することができる。また、旋回流を付与することにより酸化剤と燃焼ガスの燃焼室内滞留時間が長くなるため、ハイブリッドロケット１の特性排気速度効率を向上することができる。
【0039】
次に、ハイブリッドロケット１の推進力を停止するには、酸化剤供給源加圧装置１１の動作を停止させ、バルブ８を閉じることにより、酸化剤６の燃焼室３への供給を減ずる又は停止することで行うことができる。その結果、燃料ガスと酸化剤６との混合及び燃焼が停止する。
【0040】
なお、酸化剤６として高い蒸気圧を有している液体酸化剤、例えばＮ２Ｏを用いる場合には、バルブ８を閉じることにより、酸化剤６の燃焼室３への供給を減ずる又は停止することができる。
【0041】
ハイブリッドロケット１の推進力を再度得る場合には、以下の操作を行う。まず、点火装置により固体燃料４に再着火する。以降の工程は、上述のハイブリッドロケット１の推進力を得るための操作と同じである。
【0042】
〈第２の実施形態〉
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、旋回流付与機構の形状が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、旋回流付与機構の形状が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
【0043】
図４は、本実施形態における旋回流付与機構３１の平面図及びＤ－Ｄ断面における断面図である。図５及び図６は、本実施形態における旋回流付与機構３１の斜視図である。旋回流付与機構３１は、燃焼室３に面する第１面２００Ａと、保持具２２と対向する第２面２００Ｂを有する。旋回流付与機構３１は、第１面２００Ａと前記第２面２００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部２０４を有する円盤状部材２００である。第１面２００Ａには、中空部２０４の外側に位置し、中空部２０４と同軸の仮想円に沿って環状に配置された複数の供給口２０２が固体燃料４と対向して配置されている。
【0044】
複数の供給口２０２は、第１面２００Ａを平面視したとき、仮想円に沿って湾曲した楕円形である。さらに、この仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って配列されている複数の供給口２０２が設けられていてもよい。円盤状部材２００の第２面には、複数の供給口２０２と接続し、中空部２０４と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路２０１が設けられている。複数の供給口２０２は、酸化剤供給路２０１を介して保持具２２の酸化剤の流路１１１と接続している。旋回流付与機構３１は、保持具２２とボルト等により接続されるための孔２０３を有していてもよい。
【0045】
供給口２０２は、図５の破線で示すように第１面２００Ａと第２面２００Ｂとを連通している。より具体的には、供給口２０２は、第１面２００Ａの開口と、第２面２００Ｂの開口とが第１面２００Ａを平面視したときにずれて配置されている。例えば、図５では、第１面２００Ａの開口と第２面２００Ｂの開口とは、開口２つ分ずれて配置されている。これにより、酸化剤供給路２０１から流入する酸化剤に旋回流が付与され、供給口２０２の第１面２００Ａから燃焼室３へ酸化剤が供給される。
【0046】
円盤状部材２００の直径は、円盤状部材２００が設けられる位置における燃焼室３の内径とほぼ同一である。複数の供給口２０２の数は特に限定されないが、一例として４～２０個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から８～２０個であることが好ましい。
【0047】
複数の供給口２０２のアスペクト比は、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から０．１２～０．９１であることが好ましい。ここで、供給口２０２のアスペクト比とは、第１面２００Ａにおける供給口２０２長軸の長さに対する短軸の長さの比を表す。なお、本願において供給口２０２は湾曲しているため、長軸は前記仮想円に沿って湾曲しているものとして長さを算出する。
【0048】
中空部２０４の直径は、ノズルスロートの観点から円盤状部材２００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0049】
次に、本実施形態におけるハイブリッドロケットの推進システムについて説明する。ハイブリッドロケットの固体燃料４への点火から、酸化剤６が酸化剤供給管７を通過し流路１１１へ到達するまでは、第１の実施形態と同一である。その後、酸化剤６は、流路１１１を経由して酸化剤供給部１０の旋回流付与機構３１に到達する。
【0050】
本実施形態のハイブリッドロケットにおいて、酸化剤６は、酸化剤供給路２０１を通過し、複数の供給口２０２から燃焼室３内の固体燃料４に向かって排出される。排出された酸化剤６は、複数の供給口２０２の形状により燃焼室３の側壁３Ｃに沿って旋回しながらノズル９側から固体燃料４に向かって移動する。酸化剤６は、燃焼領域３Ｂで発生している燃料ガスと混合し燃焼する。燃焼により発生したガスは、旋回流付与機構３１の中空部２０４と保持具２２の中空部１１２を通過してノズル９から外部へと排気されて推力を得る。
【0051】
このように、酸化剤供給部１０から燃焼室３に供給される酸化剤６に旋回流付与機構３１によって旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６とが混合し燃焼している状態で燃焼室３に滞留する時間を増加できると考えられる。また、旋回流付与機構３１から供給される酸化剤６に旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６との燃焼火炎を固体燃料４が近づき、固体燃料４の表面への熱の流入量が増加し、固体燃料４の燃焼速度が増加すると考えられる。その結果、ハイブリッドロケットの特性排気速度効率を向上することができる。
【0052】
〈第３の実施形態〉
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、旋回流付与機構の形状が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、旋回流付与機構の形状が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
【0053】
図７は、本実施形態における旋回流付与機構４１の平面図及びＥ－Ｅ断面における断面図である。旋回流付与機構４１は、燃焼室３に面する第１面３００Ａと、保持具２２と対向する第２面３００Ｂを有する。旋回流付与機構４１は、第１面３００Ａと前記第２面３００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部３０４を有する円盤状部材３００である。第１面３００Ａには、中空部３０４の外側に位置し、中空部３０４と同軸の仮想円に沿って環状に配置された複数の供給口３０２が固体燃料４と対向して配置されている。
【0054】
複数の供給口３０２は、前記仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って配列されている複数の供給口３０２が設けられていてもよい。第２面３００Ｂには、複数の供給口３０２と接続し、中空部３０４と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路３０１が設けられている。複数の供給口３０２は、酸化剤供給路３０１を介して保持具２２の酸化剤の流路１１１と接続している。旋回流付与機構４１は、保持具２２とボルト等により接続されるための孔３０３を有していてもよい。
【0055】
円盤状部材３００の直径は、円盤状部材３００が設けられる位置における燃焼室３の内径とほぼ同一である。複数の供給口３０２の数は特に限定されないが、一例として１２～１４４個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から７２～１４４個であることが好ましい。
【0056】
複数の供給口３０２の直径は、酸化剤流量を制御しているバルブ８の直径（言い換えればオリフィス直径）の観点から０．２８～１．１ｍｍであることが好ましい。
【0057】
中空部３０４の直径は、ノズルスロート直径の観点から円盤状部材２００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0058】
次に、本実施形態におけるハイブリッドロケットの推進システムについて説明する。ハイブリッドロケットの固体燃料４への点火から、酸化剤６が酸化剤供給管７を通過し流路１１１へ到達するまでは、第１の実施形態と同一である。その後、酸化剤６は、流路１１１を経由して酸化剤供給部１０の旋回流付与機構４１に到達する。
【0059】
本実施形態のハイブリッドロケットにおいて、酸化剤６は、酸化剤供給路３０１を通過し、供給口３０２から固体燃料４に向かって排出される。排出された酸化剤６は、シャワー状に排出され、燃焼室３の側壁３Ｃに沿って旋回しながらノズル９側から固体燃料４に向かって移動する。酸化剤６は、燃焼室３で発生している燃料ガスと混合し燃焼する。燃焼により発生したガスは、旋回流付与機構４１と保持具２２の中空部を通過して固体燃料４側からノズル９へと排気される。
【0060】
このように、旋回流付与機構３１から供給される酸化剤６に旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６とが混合し燃焼している状態で燃焼室３に滞留する時間を増加できると考えられる。また、旋回流付与機構３１から供給される酸化剤６に旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６との燃焼火炎を固体燃料４が近づき、固体燃料４の表面への熱の流入量が増加し、固体燃料４の燃焼速度が増加すると考えられる。その結果、ハイブリッドロケットの特性排気速度効率を向上することができる。
【0061】
〈第４の実施形態〉
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、燃焼室と旋回流付与機構が一体に形成されている点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
以下に本実施形態のハイブリッドロケットについて説明する。本実施形態のハイブリッドロケットは、燃焼室と旋回流付与機構が一体に形成されている点が第１の実施形態と異なり、その他の構成は第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態において第１実施形態と共通の構成については、第１の実施形態と同じ符号を用いて説明し、詳細な説明を省略する。
【0062】
図８は、本実施形態におけるハイブリッドロケット１の模式断面図である。ハイブリッドロケット１’は、機体２’と燃焼室３’と、固体燃料４と、酸化剤６が収容されている酸化剤供給源５と、酸化剤供給管７と、バルブ８と、ノズル９と、酸化剤供給部１０’と、酸化剤供給源加圧装置１１とを有する。
【0063】
本実施形態において、燃焼室３’と酸化剤供給部１０’とは一体に形成されている。図９は、燃焼室３’と酸化剤供給部１０’の斜視図である。図１０は、図９のＥ－Ｅ断面で切断したときの燃焼室３’と酸化剤供給部１０’の斜視図である。
【0064】
燃焼室３’は、燃焼領域３Ｂ’において径が拡大した部分を有する。本実施形態において、径が拡大した部分が酸化剤供給部１０’である。酸化剤供給部１０’は、傾斜面４０３を有する拡径部であり、旋回流付与機構４０１を有している。酸化剤供給管７は、酸化剤供給源５と、旋回流付与機構４０１とを接続している。
【0065】
旋回流付与機構４０１は、酸化剤６の流路である。旋回流付与機構４０１の先端には、固体燃料４と対向するように燃焼室３’の側壁３Ｃ’に沿って周方向に複数の供給口４０２が設けられている。複数の供給口４０２から排出された酸化剤６は、傾斜面４０３によって旋回流が付与され、燃焼室３’の側壁３Ｃ’に沿って固体燃料４に向かって移動する。
【0066】
酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から、酸化剤６の流路は、燃焼室３の固体燃料４からノズル９方向への軸方向に対し傾斜し、拡供給口４０２と接続する複数の第２の流路を有していてもよい。第２の流路の傾斜角は、前記軸方向に対し、例えば１～８９°であってもよい。
【0067】
複数の供給口４０２の数は特に限定されないが、一例として２～１６個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から８～１０個であることが好ましい。
【0068】
次に、本実施形態におけるハイブリッドロケット１’の推進システムについて説明する。ハイブリッドロケット１’の固体燃料４への点火から、酸化剤６が酸化剤供給管７を通過するまでは、第１の実施形態と同一である。その後、酸化剤６は、旋回流付与機構４０１に到達する。
【0069】
本実施形態のハイブリッドロケット１’において、酸化剤６は、旋回流付与機構４０１の流路を通過し、供給口４０２から燃焼室３’内の固体燃料４に向かって排出される。排出された酸化剤６は、旋回流付与機構４０１により燃焼室３’の側壁３Ｃ’に沿って旋回しながらノズル９側から固体燃料４に向かって移動する。酸化剤６は、燃焼領域３Ｂ’で発生している燃料ガスと混合し燃焼する。燃焼により発生したガスは、旋回流付与機構４０１を通過してノズル９から外部へと排気されて推力を得る。
【0070】
このように、酸化剤供給部１０’から燃焼室３’に供給される酸化剤６に旋回流付与機構４０１によって旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６とが混合し燃焼している状態で燃焼室３’に滞留する時間を増加できると考えられる。また、旋回流付与機構４０１により酸化剤６に旋回流を付与することで、燃焼ガスと酸化剤６との燃焼火炎を固体燃料４が近づき、固体燃料４の表面への熱の流入量が増加し、固体燃料４の燃焼速度が増加すると考えられる。その結果、ハイブリッドロケット１’の特性排気速度効率を向上することができる。
【0071】
〈第５の実施形態〉
本発明のもう一つ態様として、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタが挙げられる。具体的には、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタである。
本発明のもう一つ態様として、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタが挙げられる。具体的には、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路の先端に位置し、前記円盤状部材の外周に沿って設けられている複数の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタである。
【0072】
本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタは、第１の実施形態に記載の旋回流付与機構である。つまり、図２に示される旋回流付与機構２１が本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタである。なお、以下の説明においてハイブリットロケットの構成については、図１に示すハイブリッドロケットの符号を参照する。
【0073】
ハイブリッドロケット用インジェクタ２１は、第１面１００Ａと第２面１００Ｂとを有する。ハイブリッドロケット用インジェクタ２１は、第１面１００Ａと第２面１００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部１０４を有する円盤状部材１００である。ハイブリッドロケット用インジェクタ２１は、第１面１００Ａが燃焼室３側、第２面１００Ｂがノズル９側となるようにハイブリッドロケット１に実装される。第２面１００Ｂには、酸化剤供給路１０１と、複数の供給口１０２が設けられている。酸化剤供給路１０１は、中空部１０４の外側に位置し、円盤状部材１００と同軸となるように環状に配置されている。複数の供給口１０２は、酸化剤供給路１０１と接続しており、酸化剤供給路１０１の先端に位置する。複数の供給口１０２は、酸化剤６に旋回流を付与しながら燃焼室３の側壁３Ｃに向かって供給するよう円盤状部材１００の外周に沿って設けられている。ハイブリッドロケット用インジェクタ２１は、ハイブリッドロケット１に実装するための保持具２２とボルト等により接続されるための孔１０３を有していてもよい。
【0074】
円盤状部材１００の直径は、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から、円盤状部材１００が設けられる位置における燃焼室３の内径に対し６０～９０％であることが好ましく、８０～９０％であることがより好ましい。
【0075】
複数の供給口１０２の数は特に限定されないが、一例として２～１６個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から６～１０個であることが好ましい。
【0076】
円盤状部材１００の中空部１０４の直径は、十分な燃料ガス流路確保の観点から円盤状部材１００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0077】
第１の実施形態で説明した通り、本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタ２１をハイブリッドロケット１に実装することで、ハイブリッドロケット１の特性排気速度効率を向上することができる。
【0078】
〈第６の実施形態〉
本発明のもう一つ態様は、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタである。
本発明のもう一つ態様は、ハイブリッドロケットの燃焼室に供給する酸化剤に旋回流を付与するインジェクタであって、前記インジェクタは、前記燃焼室に面する第１面と、前記第１面と反対側の第２面と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、中央に位置する円形の中空部とを有する円盤状部材であり、前記中空部の外側に位置し、前記第２面に前記中空部と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路と、前記酸化剤供給路と接続し、前記第１面に前記中空部と同軸の第１の仮想円に沿って環状に配置された複数の第１の供給口と、を備えるハイブリッドロケット用インジェクタである。
【0079】
本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタは、第２の実施形態に記載の旋回流付与機構である。つまり、図４～６に示される旋回流付与機構３１が本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタである。なお、以下の説明においてハイブリットロケットの構成については、図１に示すハイブリッドロケットの符号を参照する。
【0080】
ハイブリッドロケット用インジェクタ３１は、第１面２００Ａと第２面２００Ｂとを有する。ハイブリッドロケット用インジェクタ３１は、第１面２００Ａと第２面２００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部２０４を有する円盤状部材２００である。ハイブリッドロケット用インジェクタ３１は、第１面２００Ａが燃焼室３側、第２面２００Ｂがノズル９側となるようにハイブリッドロケット１に実装される。第１面２００Ａには、中空部２０４の外側に位置し、中空部２０４と同軸の仮想円に沿って環状に配置された複数の供給口２０２が配置されている。
【0081】
複数の供給口２０２は、第１面２００Ａを平面視したとき、仮想円に沿って湾曲した楕円形である。さらに、この仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って配列されている複数の供給口２０２が設けられていてもよい。円盤状部材２００の第２面２００Ｂには、複数の供給口２０２と接続し、中空部２０４と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路２０１が設けられている。ハイブリッドロケット用インジェクタ３１は、ハイブリッドロケット１に実装するための保持具２２とボルト等により接続されるための孔２０３を有していてもよい。
【0082】
供給口２０２は、図５の破線で示すように第１面２００Ａと第２面２００Ｂとを連通している。より具体的には、供給口２０２は、第１面２００Ａの開口と、第２面２００Ｂの開口とが第１面２００Ａを平面視したときにずれて配置されている。例えば、図５では、第１面２００Ａの開口と第２面２００Ｂの開口とは、開口２つ分ずれて配置されている。これにより、酸化剤供給路２０１から流入する酸化剤に旋回流が付与され、供給口２０２の第１面２００Ａから実装されるハイブリッドロケットの燃焼室３へ酸化剤が供給される。
【0083】
円盤状部材２００の直径は、実装されるハイブリッドロケット用インジェクタの円盤状部材２００が設けられる位置における燃焼室３の内径とほぼ同一である。複数の供給口２０２の数は特に限定されないが、一例として４～２０個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から４～２０個であることが好ましい。
【0084】
複数の供給口２０２のアスペクト比は、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から０．１２～０．９１であることが好ましい。
【0085】
円盤状部材２００の中空部２０４の直径は、ノズルスロートの観点から円盤状部材２００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0086】
第２の実施形態で説明した通り、本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタ３１をハイブリッドロケット１に実装することで、ハイブリッドロケット１の特性排気速度効率を向上することができる。
【0087】
〈第７の実施形態〉
本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタは、第５の実施形態の変形例であり、第３の実施形態に記載の旋回流付与機構である。つまり、図７に示される旋回流付与機構４１が本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタである。なお、以下の説明においてハイブリットロケットの構成については、図１に示すハイブリッドロケットの符号を参照する。
本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタは、第５の実施形態の変形例であり、第３の実施形態に記載の旋回流付与機構である。つまり、図７に示される旋回流付与機構４１が本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタである。なお、以下の説明においてハイブリットロケットの構成については、図１に示すハイブリッドロケットの符号を参照する。
【0088】
ハイブリッドロケット用インジェクタ４１は、第１面３００Ａと第２面３００Ｂとを有する。ハイブリッドロケット用インジェクタ４１は、第１面３００Ａと第２面３００Ｂとを貫通し、中央に位置する円形の中空部３０４を有する円盤状部材３００である。ハイブリッドロケット用インジェクタ４１は、第１面３００Ａが燃焼室３側、第２面３００Ｂがノズル９側となるようにハイブリッドロケット１に実装される。円盤状部材３００の第１面３００Ａには、中空部３０４の外側に位置し、中空部３０４と同軸の仮想円に沿って環状に配置された複数の供給口３０２が配置されている。
【0089】
複数の供給口３０２は、前記仮想円とは半径の異なる第２の仮想円に沿って配列されている複数の供給口３０２が設けられていてもよい。第２面３００Ｂには、複数の供給口３０２と接続し、中空部３０４と同軸となるように環状に配置された酸化剤供給路３０１が設けられている。ハイブリッドロケット用インジェクタ４１は、ハイブリッドロケット１に実装するための保持具２２とボルト等により接続されるための孔３０３を有していてもよい。
【0090】
円盤状部材３００の直径は、実装されるハイブリッドロケットの円盤状部材３００が設けられる位置における燃焼室３の内径とほぼ同一である。複数の供給口３０２の数は特に限定されないが、一例として１２～１４４個が挙げられ、酸化剤６に旋回流を付与しやすいという観点から７２～１４４個であることが好ましい。
【0091】
複数の供給口３０２の直径は、酸化剤流量を制御しているオリフィス直径の観点から０．２８～１．１であることが好ましい。
【0092】
中空部３０４の直径は、ノズルスロート直径の観点から円盤状部材３００の直径に対し１４～５０％であることが好ましく、２０～５０％であることがより好ましい。
【0093】
第３の実施形態で説明した通り、本実施形態のハイブリッドロケット用インジェクタ４１をハイブリッドロケット１に実装することで、ハイブリッドロケット１の特性排気速度効率を向上することができる。
【実施例0094】
以下、実施例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。
【0095】
（特性排気速度効率）
特性排気速度効率ηＣ＊（％）は、下記式（１）により算出される。
ηＣ＊＝Ｃｅｘ ＊／Ｃｔｈ ＊×１００・・・（１）
特性排気速度効率ηＣ＊（％）は、下記式（１）により算出される。
ηＣ＊＝Ｃｅｘ ＊／Ｃｔｈ ＊×１００・・・（１）
【0096】
Ｃｅｘ
＊は、実験によって決定される値であり、下記式（２）から算出される。式（２）中、ＰＣは燃焼室圧力、Ａｔはノズル断面積、ｍｏｘは酸化剤質量流量、ｍｆは燃料質量流量である。
Ｃｅｘ ＊＝Ｐｃ（燃焼圧力）×Ａｔ（ノズル断面積）／（ｍｏｘ＋ｍｆ）・・・（２）
Ｃｅｘ ＊＝Ｐｃ（燃焼圧力）×Ａｔ（ノズル断面積）／（ｍｏｘ＋ｍｆ）・・・（２）
【0097】
Ｃｔｈ
＊は、ＮＡＳＡ－ＣＥＡプログラム（熱化学平衡計算プログラム）によって算出される値であり、下記式（３）で表される。
【0098】
【数1】
【0099】
式（３）中、γは比熱比、Ｒｏは普遍ガス定数、Ｔｃは断熱火炎温度、Ｍｃは燃焼生成ガスの平均分子量である。Ｃｔｈ
＊の値は、ノズルなどの値に依存せず燃焼室内部での燃料と酸化剤との化学反応過程に依存する値である。ηＣ＊は、式（１）に示す通りＣｅｘ
＊とＣｔｈ
＊の比であり、燃焼の完結性を示す。ηＣ＊が低いと、燃料と酸化剤との化学反応が完全に行われず不完全燃焼の状態で排出されている可能性を示す。
【0100】
（実施例１）
＜ハイブリッドロケットの燃焼試験＞
図１に示すハイブリッドロケットを以下の方法により作製した。内径８５ｍｍ、長さ２３５ｍｍのステンレス製の機体内に、固体燃料として長さが４５ｍｍのテトラ－オールグリシジルアジドポリマーを充填した。ハイブリッドロケットには、図２に示す旋回流付与機構と、図３に示す保持具を実装した。旋回流付与機構の円盤状部材直径は７５ｍｍ、供給口の数は８個、中空部の直径は４５ｍｍとした。
＜ハイブリッドロケットの燃焼試験＞
図１に示すハイブリッドロケットを以下の方法により作製した。内径８５ｍｍ、長さ２３５ｍｍのステンレス製の機体内に、固体燃料として長さが４５ｍｍのテトラ－オールグリシジルアジドポリマーを充填した。ハイブリッドロケットには、図２に示す旋回流付与機構と、図３に示す保持具を実装した。旋回流付与機構の円盤状部材直径は７５ｍｍ、供給口の数は８個、中空部の直径は４５ｍｍとした。
【0101】
アルミレスの固体推進薬を用いた点火装置を用い、点火装置の圧力を約１ＭＰａ、理論断熱火炎温度を２０００℃に設定して固体燃料を着火した。固体燃料の自己発熱分解により燃料ガスが発生した後、酸化剤としてＮ２Ｏを燃焼室に導入することにより、燃焼室内の圧力が２ＭＰａとなるよう制御した。
【0102】
(比較例１)
図１に示すハイブリッドロケットから旋回流付与機構及び保持具を除いた構成のハイブリッドロケットを作製した。旋回流付与機構及び保持具を除いた以外の構成は、実施例１のハイブリッドロケットと同一とし、燃焼条件も同一とした。
図１に示すハイブリッドロケットから旋回流付与機構及び保持具を除いた構成のハイブリッドロケットを作製した。旋回流付与機構及び保持具を除いた以外の構成は、実施例１のハイブリッドロケットと同一とし、燃焼条件も同一とした。
【0103】
実施例１及び比較例１における固体燃料燃焼時の燃焼室内の圧力、酸化剤供給源室内圧力及び推力と燃焼時間との関係を表すグラフをそれぞれ図１１及び１２に示す。図１１及び１２に示すように、燃焼室の圧力の急激な上昇が確認されず、酸化剤供給源の圧力低下と共に燃焼室の圧力が低下していることから正常燃焼をしたと判断される。表１に実施例１及び比較例１の実験結果を示す。なお、表１中、Ｏ／Ｆは燃焼領域におけるガス化した固体燃料に対する酸化剤の質量比、ＧＧ燃焼速度はガスジェネレータの燃焼速度を示す。
【0104】
【表1】
【0105】
表１に示す通り、比較例１の燃焼効率ηＣ＊が７４．０％であったのに対し、実施例の特性排気速度効率ηＣ＊が８０．５％であった。つまり、酸化剤に旋回流を付与する旋回流付与機構をハイブリッドロケットに設けることでηＣ＊が向上することがわかった。
【0106】
酸化剤に旋回流を付与したことでηＣ＊が上昇した要因として燃焼室内部での燃焼ガスの滞留時間が増加し、酸化剤と燃料の混合が促進したことが考えられる。比較例１では酸化剤に旋回流を付与せず、燃焼室側壁に対し直角に酸化剤を供給したため酸化剤の燃焼室内滞留時間が短くなり燃焼完結性が低かったと考えられる。一方、実施例１では、酸化剤に旋回流を付与し、固体燃料方向へ供給した。従って、ノズルから排出されるまでの燃焼ガスの滞留時間が増加し特性排気速度効率が向上したと考えられる。
【0107】
なお、ガスジェネレータの燃焼速度は、予めストランドバーナー試験を実施することで燃焼速度を予測し実施例１及び比較例１を実施した。ストランドバーナー試験で得られた燃焼速度ｒｂを、以下の式（４）で示す。
ｒｂ＝６．５７ＰＣ ０．６１ ・・・（４）
ｒｂ＝６．５７ＰＣ ０．６１ ・・・（４）
【0108】
上記の式（４）におけるＰＣ［ＭＰａ］は、燃焼室圧力である。式（４）における燃焼速度と、実施例１及び比較例１で得られた燃焼速度を表２に示す。
【0109】
【表2】
【0110】
比較例１の燃焼速度は、ストランドバーナー試験で得られた燃焼速度とおおよそ一致した。一方で、実施例１の燃焼速度は、ストランドバーナー試験結果と比較して約２ｍｍ／ｓ上昇した。この結果から、旋回流又は燃料方向への酸化剤の噴射が燃焼火炎を固体燃料側に漸近させ、固体燃料表面への熱の流入量が増加し固体燃料の燃焼速度が増加した可能性が考えられる。
【符号の説明】
【0111】
１，１’…ハイブリッドロケット、２，２’…機体、３，３’…燃焼室、４…固体燃料、５…酸化剤供給源、６…酸化剤、７…酸化剤供給管、８…バルブ、９…ノズル、１０，１０’…酸化剤供給部、１１…酸化剤供給源加圧装置、２１…ハイブリッドロケット用インジェクタ（旋回流付与機構）、２２…保持具、３１…ハイブリッドロケット用インジェクタ（旋回流付与機構）、４１…ハイブリッドロケット用インジェクタ（旋回流付与機構）。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】