JP4840988B2 - Ram Rocket - Google Patents
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Description
本発明は、外部より導入した空気中に燃料を噴射して生じた混合気を燃焼室で燃焼させることによって飛翔推力を発生するラムロケット(ラムジェットと称することもある。)に関するものである。 The present invention relates to a ram rocket (also referred to as a ram jet) that generates a flying thrust by burning an air-fuel mixture produced by injecting fuel into air introduced from outside in a combustion chamber.
従来、この種のラムロケットとしては、例えば、ダクテッドロケットや液体ラムロケットがある。前者のダクテッドロケットは、円周方向の複数箇所に空気取入口を有する燃焼室と、この燃焼室の前方に位置するガス発生器に充填した固体燃料と、燃焼室の後端に配置したラムロケットノズルを備えており、このダクテッドロケットでは、固体燃料を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスを燃焼室内に供給して、この可燃ガスと空気取入口より導入した空気との混合気を二次燃焼させ、これで生じた燃焼ガスをラムロケットノズルから増速して噴出させることにより推力を発生するものとなっている。 Conventionally, examples of this type of ram rocket include a ducted rocket and a liquid ram rocket. The former ducted rocket includes a combustion chamber having air intakes at a plurality of positions in the circumferential direction, a solid fuel filled in a gas generator located in front of the combustion chamber, and a ram rocket disposed at the rear end of the combustion chamber. In this ducted rocket, fuel rich combustible gas generated by primary combustion of solid fuel is supplied into the combustion chamber, and a mixture of this combustible gas and air introduced from the air intake is secondary. The combustion gas generated by the combustion is accelerated from the ram rocket nozzle and ejected to generate thrust.
後者の液体ラムロケットは、ダクテッドロケットの固体燃料に代えて燃焼室の前方に位置するタンクに液体燃料を充填したものであり、この液体ラムロケットでは、空気取入口より導入した空気中に液体燃料の液滴を噴射して、この液体燃料の液滴と空気との混合気を燃焼室で燃焼させ、これで生じた燃焼ガスをラムロケットノズルから増速して噴出させることにより推力を発生するものとなっている。
しかしながら、上記したラムロケットにおいて、前者のダクテッドロケットでは、固体燃料を一次燃焼させる都合上、燃料中に酸化剤を添加する必要があることから、比推力が低いものとなってしまうという問題があった。 However, in the above-mentioned ram rocket, the former ducted rocket has a problem that the specific thrust is low because it is necessary to add an oxidant to the fuel for the purpose of primary combustion of the solid fuel. It was.
また、後者の液体ラムロケットでは、高い比推力を得ることができるものの、常温の液体燃料を空気と混合して燃焼させることから、燃焼安定性が良いとは言えず、ダクテッドロケットと比べて不着火や吹き消えなどといった不具合が生じ易いという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。 In addition, although the latter liquid ram rocket can obtain a high specific thrust, it cannot be said to have good combustion stability because liquid fuel at room temperature is mixed with air and combusted, and is not as good as a ducted rocket. There is a problem that problems such as ignition and blow-off are likely to occur, and it has been a conventional problem to solve these problems.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、燃焼室内における着火性及び燃焼安定性の向上を実現したうえで、液体ラムロケットと同等ないしそれに近い高比推力を得ることが可能であるラムロケットを提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and achieves high specific thrust equivalent to or close to that of a liquid ram rocket after realizing improvement in ignitability and combustion stability in the combustion chamber. The aim is to provide a ram rocket that is possible.
本発明に係るラムロケットは、燃料と外部から導入した空気とを混合して燃焼させる燃焼室を備えたラムロケットにおいて、固体燃料及び液体燃料を搭載し、固体燃料を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスを燃焼室内に供給して外部からの導入空気と混合して二次燃焼させる固体燃料供給手段と、固体燃料の二次燃焼が開始している燃焼室内に液体燃料の液滴を供給して外部からの導入空気と混合して燃焼させる液体燃料供給手段を設けており、その固体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される燃料リッチな可燃ガスと、液体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される液体燃料の液滴との流量比を1:3としたことを特徴としている。 A ram rocket according to the present invention is a ram rocket provided with a combustion chamber that mixes and burns fuel and air introduced from the outside, and is equipped with a solid fuel and a liquid fuel. A solid fuel supply means for supplying a combustible gas into the combustion chamber and mixing it with externally introduced air to perform secondary combustion, and supplying liquid fuel droplets into the combustion chamber in which secondary combustion of the solid fuel has started Liquid fuel supply means for mixing with externally introduced air and burning the fuel rich combustible gas supplied to the combustion chamber via the solid fuel supply means, and liquid fuel supply means It is characterized in that the flow rate ratio with the liquid fuel droplets supplied to the combustion chamber is 1: 3.
本発明のラムロケットでは、固体燃料を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスは高温なので、まず、固体燃料供給手段によって高温の可燃ガスを燃焼室内に供給するようになせば、着火性が向上することとなり、加えて、この固体燃料を一次燃焼させて生じる高温の可燃ガスの燃焼室内に対する供給は継続さて成されることから、燃焼安定性も向上することとなる。 In the ram rocket according to the present invention, the fuel-rich combustible gas generated by the primary combustion of the solid fuel is high temperature. First, if the high temperature combustible gas is supplied into the combustion chamber by the solid fuel supply means, the ignitability is improved. In addition, since the supply of the high-temperature combustible gas generated by the primary combustion of the solid fuel into the combustion chamber is continued, the combustion stability is also improved.
そして、このようにして固体燃料の二次燃焼が開始している燃焼室内に対して、液体燃料供給手段によって液体燃料の液滴を供給するようになせば、燃料全体に対する酸化剤の割合が少なくなり、その結果、液体ラムロケットと同等ないしそれに近い高比推力が得られることとなる。 If the liquid fuel supply means supplies the liquid fuel droplets to the combustion chamber in which the secondary combustion of the solid fuel has started in this way, the ratio of the oxidant to the entire fuel is small. As a result, a high specific force equivalent to or close to that of a liquid ram rocket can be obtained.
本発明のラムロケットによれば、上記した構成としているので、燃焼室内における着火性及び燃焼安定性の向上をいずれも実現することができると共に、液体ラムロケットと同等ないしそれに近い高比推力を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the ram rocket of the present invention, since it has the above-described configuration, it is possible to improve both ignitability and combustion stability in the combustion chamber, and obtain a high specific thrust equivalent to or close to that of a liquid ram rocket. It has a very good effect that it is possible.
本発明のラムロケットにおいて、液体燃料の液滴の供給量を制御する制御バルブを設けた構成を採用してもよく、この構成を採用した場合には、ラムロケットの飛翔条件に応じた液体燃料の供給量コントロールが可能となる。 In the ram rocket of the present invention, a configuration provided with a control valve for controlling the supply amount of liquid fuel droplets may be adopted. When this configuration is adopted, the liquid fuel according to the flight conditions of the ram rocket The supply amount can be controlled.
また、本発明のラムロケットにおいて、液体燃料を燃焼室内に供給する加圧圧力として固体燃料の一次燃焼圧力を使用可能とした構成としてもよく、この場合には、ターボポンプなどの圧送手段を必要としないものとなる。 In the ram rocket of the present invention, the primary combustion pressure of the solid fuel may be used as the pressurized pressure for supplying the liquid fuel into the combustion chamber. In this case, a pumping means such as a turbo pump is required. It will not be.
本発明のハイブリッドタイプのラムロケットでは、一次燃焼圧力を変化させて、固体燃料の燃焼速度特性に応じて燃料流量を変化させることから、液体燃料の液滴供給量を制御する制御バルブによる流量制御範囲を大きくとるために、圧力感度の高い、すなわち、圧力指数の大きい固体燃料が要求される。 In the hybrid type ram rocket of the present invention, the primary combustion pressure is changed, and the fuel flow rate is changed in accordance with the combustion speed characteristic of the solid fuel. Therefore, the flow rate control by the control valve for controlling the liquid fuel droplet supply amount In order to increase the range, a solid fuel with high pressure sensitivity, that is, a large pressure index is required.
この場合、大きな流量制御範囲をとることができる圧力指数0.7の固体燃料において、流量制御範囲は以下のようにして求められる。 In this case, in the solid fuel having a pressure index of 0.7 capable of taking a large flow rate control range, the flow rate control range is obtained as follows.
まず、ハイブリッドタイプのラムロケットの燃料流量mfは、固体燃料密度をρg、燃焼面積をAb、燃焼速度をrとした場合、
mf=ρgAbr (1)
で表され、この際、燃焼速度rは、燃焼速度定数をa、一次燃焼圧力をP1、圧力指数をn(=0.7)とした場合、
r=a(P1)n (2)
で表されるから、式2を式1に代入すれば、
mf=ρgAba(P1)n (3)
となる。
First, the fuel flow rate mf of the hybrid type ram rocket is as follows: solid fuel density ρ g , combustion area A b , and combustion speed r
mf = ρ g A b r (1)
In this case, the combustion rate r is represented by a case where the combustion rate constant is a, the primary combustion pressure is P 1 , and the pressure index is n (= 0.7),
r = a (P 1 ) n (2)
Therefore, if
mf = ρ g A b a (P 1 ) n (3)
It becomes.
ここで、一次燃焼圧力P1の制御範囲を2MPa〜12MPaとし、一次燃焼圧力P1が12MPaのときの固体燃料の流量(固体燃料を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスの流量)をmf0とすると、任意の一次燃焼圧力P1に対する燃料流量mfは、式(3)から、
mf=mf0(P1/12)n (4)
となる。一次燃焼圧力P1とmf/mf0の関係を図3に示す。
Here, the primary combustion control range of the pressure P 1 and 2MPa~12MPa, mf the flow rate of the solid fuel when the primary combustion pressure P 1 is 12 MPa (flow rate of the fuel-rich combustible gas generated by the primary combustion of the solid fuel) Assuming 0 , the fuel flow rate mf for any primary combustion pressure P 1 is given by equation (3):
mf = mf 0 (P 1/ 12) n (4)
It becomes. Figure 3 shows the relationship between the primary combustion pressure P 1 and mf / mf 0.
図3において、一次燃焼圧力P1が2MPaのときのmf/mf0の値は0.285であり、圧力指数が0.7の固体燃料を使用するラムロケットでは、一次燃焼圧力制御範囲2MPa〜12MPaにおいて、燃料流量を約3.5倍(1/0.285)に変化させることが可能になる。 In FIG. 3, the value of mf / mf 0 when the primary combustion pressure P 1 is 2 MPa is 0.285, and in a ram rocket using a solid fuel with a pressure index of 0.7, the primary combustion pressure control range 2 MPa to At 12 MPa, the fuel flow rate can be changed to about 3.5 times (1 / 0.285).
本発明のハイブリッドタイプのラムロケットでは、燃料流量を7倍に変化させ得る燃料流量制御範囲とすることを目標に設定して、これに必要な固体燃料の燃焼速度特性を検討した。 In the hybrid type ram rocket of the present invention, the target was set to a fuel flow rate control range in which the fuel flow rate can be changed seven times, and the burning rate characteristics of the solid fuel necessary for this were studied.
まず、一次燃焼圧力P1が12MPaのときの固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:1の場合、液体燃料を遮断すると燃料流量は1/2になり、一次燃焼圧力P1が2MPaに変化したときに燃料流量が1/7になるためには、式(4)から、圧力指数が0.7であればよいことになる。 First, the primary combustion pressure P 1 is the ratio of the flow rate of the solid fuel and liquid fuel in the case of 12 MPa 1: 1, the fuel flow rate when blocking the liquid fuel is halved, the primary combustion pressure P 1 is 2MPa In order for the fuel flow rate to become 1/7 when it changes, the pressure index should be 0.7 from equation (4).
次に、このときの一次燃焼圧力P1に対する燃料流量の変化を計算する。流量係数をCD、液体燃料噴射孔総面積をAi、液体燃料密度をρl、二次燃焼室圧力をP2とし、液体燃料タンクが一次燃焼圧力P1によって加圧されるものとしてそのタンク圧力が一次燃焼圧力P1と等しいと仮定した場合、液体燃料mlは、
ml=CDAi(2ρl(P1−P2))1/2 (5)
となる。
Then, calculating the change in fuel flow to the primary combustion pressure P 1 at this time. Assuming that the flow coefficient is C D , the liquid fuel injection hole total area is A i , the liquid fuel density is ρ l , the secondary combustion chamber pressure is P 2 , and the liquid fuel tank is pressurized by the primary combustion pressure P 1 If the tank pressure is assumed to be equal to the primary combustion pressure P 1, the liquid fuel ml of
ml = C D A i (2ρ l (P 1 −P 2 )) 1/2 (5)
It becomes.
ここで、一次燃焼圧力P1が12MPaのときの液体燃料の流量ml0とし、流量係数CDを固定、二次燃焼圧力P2を簡単のため0.5MPaで一定とすると、任意の一次燃焼圧力P1における液体燃料流量mlは、以下の式から求められる。
ml=ml0((P1−0.5)/(12−0.5))1/2 (6)
Here, the primary combustion pressure P 1 is a flow ml 0 of the liquid fuel at the time of 12 MPa, secure the flow coefficient C D, when constant at 0.5MPa for simplicity the secondary combustion pressure P 2, any primary combustion liquid fuel flow ml at a pressure P 1 is determined from the following equation.
ml = ml 0 ((P 1 −0.5) / (12−0.5)) 1/2 (6)
この関係式(6)から、一次燃焼圧力P1と(mf+ml)/(mf0+ml0)の関係は図4に示すようになる。 From this relational expression (6), the relationship between the primary combustion pressure P 1 and (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) is as shown in FIG.
燃料流量の最低値は0.14(=1/7)であり、一次燃焼圧力制御範囲2MPa〜12MPaで燃料流量を7倍に変化させ得ることが判った。 The minimum value of the fuel flow rate is 0.14 (= 1/7), and it has been found that the fuel flow rate can be changed seven times in the primary combustion pressure control range of 2 MPa to 12 MPa.
また、一次燃焼圧力P1が12MPaのときの固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:2の場合、液体燃料を遮断すると燃料流量は1/3になり、一次燃焼圧力P1が2MPaに変化したときに燃料流量が1/7になるためには、式(4)から、圧力指数が0.47であればよいことになる。
The primary combustion pressure P 1 is the ratio of the flow rate of the solid fuel and liquid fuel in the case of 12 MPa 1:
このときの一次燃焼圧力P1と(mf+ml)/(mf0+ml0)の関係は図5に示すようになる。 The relationship between the primary combustion pressure P 1 and (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) at this time is as shown in FIG.
液体燃料バルブを開にした場合の一次燃焼圧力P1が2MPaのときの(mf+ml)/(mf0+ml0)の値は0.38であり、一次燃焼圧力P1が12MPaで液体燃料を遮断したときの(mf+ml)/(mf0+ml0)の値0.33(=1/3)よりも大きく、したがって、0.33〜0.38の燃料流量が出せない問題があるが、これに対しては、液体燃料遮断弁を2個設置し、1個の液体燃料遮断弁を開にした場合に液体燃料噴射孔を半数使用するようになすことにより、解決することができる。1個の液体燃料遮断弁を開にする場合の一次燃焼圧力P1と(mf+ml)/(mf0+ml0)の関係も図5に示すようになる。 The value of (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) when the primary combustion pressure P 1 is 2 MPa when the liquid fuel valve is opened is 0.38, and the liquid fuel is shut off when the primary combustion pressure P 1 is 12 MPa. The value of (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) is larger than 0.33 (= 1/3). Therefore, there is a problem that the fuel flow rate of 0.33 to 0.38 cannot be produced. On the other hand, when two liquid fuel shutoff valves are installed and one liquid fuel shutoff valve is opened, half of the liquid fuel injection holes are used. The relationship between the primary combustion pressure P 1 and (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) when one liquid fuel shut-off valve is opened is also as shown in FIG.
さらに、一次燃焼圧力P1が12MPaのときの固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:3の場合、液体燃料を遮断すると燃料流量は1/4になり、一次燃焼圧力P1が2MPaに変化したときに燃料流量が1/7になるためには、式(4)から、圧力指数が0.31であればよいことになる。 Further, the primary combustion pressure P 1 is the ratio of the flow rate of the solid fuel and liquid fuel in the case of 12 MPa 1: 3, then the fuel flow rate when blocking the liquid fuel becomes 1/4, the primary combustion pressure P 1 is 2MPa In order for the fuel flow rate to become 1/7 when it changes, the pressure index should be 0.31 from equation (4).
このときの一次燃焼圧力P1と(mf+ml)/(mf0+ml0)の関係は図6に示すようになる。図6には、液体燃料遮断弁を3個設置した場合の一次燃焼圧力P1と(mf+ml)/(mf0+ml0)の関係も示している。 The relationship between the primary combustion pressure P 1 and (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) at this time is as shown in FIG. FIG. 6 also shows the relationship between the primary combustion pressure P 1 and (mf + ml) / (mf 0 + ml 0 ) when three liquid fuel shut-off valves are installed.
上記したように、固体燃料と液体燃料の流量の比率を1:3にすると、圧力指数が0.3程度でよいという結果が得られたので、本発明のラムロケットにおいて、固体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される燃料リッチな可燃ガスと、液体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される液体燃料の液滴との流量比を1:3とした構成とすることが望ましく、この構成を採用すると、固体燃料に特別な組成のものを用いる必要がなく、従前の固体ロケットの推進薬に使用されているAP系コンポジットを採用し得る。 As described above, when the ratio of the flow rate of the solid fuel to the liquid fuel is 1: 3, the result that the pressure index is about 0.3 is obtained. Therefore, in the ram rocket of the present invention, the solid fuel supply means is It is desirable that the flow ratio of the fuel-rich combustible gas supplied to the combustion chamber via the liquid fuel droplets supplied to the combustion chamber via the liquid fuel supply means is 1: 3. When this configuration is adopted, it is not necessary to use a solid fuel having a special composition, and an AP-based composite used in a conventional solid rocket propellant can be adopted.
この際、二次燃焼の着火性及び燃焼安定性を考慮すると、金属粒子を含有させたほうが有利であると考えられ、この金属粒子の候補としては、燃焼熱が高く且つ希少金属でないB,Mg,Al,Si,P,Ca,Ti,Zrが挙げられる。 At this time, it is considered that it is more advantageous to include metal particles in view of the ignition quality and combustion stability of the secondary combustion, and the candidates for the metal particles include B, Mg, which has high combustion heat and is not a rare metal. , Al, Si, P, Ca, Ti, Zr.
表1に示すように、Mg,Al,Si,Caは、酸化物の沸点よりも元の金属の沸点が低いため、気相燃焼すると考えられ、とくに、Pは沸点自体が非常に低いため、一次燃焼室内で気化すると考えられる。一方、B,Ti,Zrは、酸化物の沸点よりも元の金属の沸点が高いため、表面燃焼すると考えられる。 As shown in Table 1, Mg, Al, Si, and Ca are considered to undergo gas phase combustion since the boiling point of the original metal is lower than the boiling point of the oxide, and in particular, P has a very low boiling point itself. It is thought that it vaporizes in the primary combustion chamber. On the other hand, B, Ti, and Zr are considered to undergo surface combustion because the boiling point of the original metal is higher than the boiling point of the oxide.
二次燃焼の着火性及び燃焼安定性を向上させるうえで、燃焼場に高温の金属粒子を撒き散らすことは、着火源を密に存在させることができて有利であることから、気化せずに粒子の状態を維持して粒子表面で燃焼するB,Ti,Zrの方が、Mg,Al,Si,Caよりも固体燃料組成として適していると考えられる。 In order to improve the ignitability and combustion stability of secondary combustion, it is advantageous to disperse high-temperature metal particles in the combustion field because it is advantageous because the ignition source can be present closely. It is considered that B, Ti, and Zr that maintain the particle state and burn on the particle surface are more suitable as a solid fuel composition than Mg, Al, Si, and Ca.
そこで、B,Ti,Zrについて、NASAが開発した化学平衡計算プログラムCEA400を用いてハイブリッドタイプのラムロケットの理論Isp性能を計算して性能検討を行った。その検討組成を表2に示す。 Therefore, for B, Ti, and Zr, the theoretical Isp performance of the hybrid type ram rocket was calculated using the chemical equilibrium calculation program CEA400 developed by NASA, and the performance was examined. The studied composition is shown in Table 2.
最近のコンポジット推進薬のバインダの主流はHTPBであるが、このHTPBにボロン粒子を混ぜると発泡して混和成形することができないので、理論計算では、比較のため統一してCTPBとした。金属粒子の含有量と過塩素酸アンモニウム(AP)の含有量は、これまでの実績で金属粒子を最も多く含有することができた金属30wt%、AP40wt%を想定した。また、液体燃料については、航空機エンジン用燃料として使用されているJP−4を検討対象とし、飛翔条件を高度0km、速度マッハ2に想定した。
The mainstream binder of recent composite propellants is HTPB, but if boron particles are mixed with this HTPB, it cannot be foamed and kneaded, so in the theoretical calculation, CTPB was unified for comparison. The content of metal particles and the content of ammonium perchlorate (AP) were assumed to be 30 wt% metal and 40 wt% AP that could contain the most metal particles in the past results. As for the liquid fuel, JP-4, which is used as a fuel for aircraft engines, was studied, and the flight conditions were assumed to be
CEA400のロケット性能計算結果における地上での最適開口比をIspmixとすると、ハイブリッドタイプのラムロケットとしてのIspは、以下のようにして求められる。
まず、推力をFn、燃料流量をmf、重力加速度をgとすると、
Isp=Fn/mf・g (7)
で表され、この際、ノズルでの発生推力をFg、空気流量をma、流入空気流速をvとすると、
Fn=Fg−ma・v (8)
で表されるから、
Ispmix=Fg/(mf+ma)・g (9)
となり、ここで、式8,9を式7に代入すれば、
Isp=(Ispmix(mf+ma)・g−ma・v)/ mf ・g
= Ispmix(1+A/F)− (A/F・v)/g (10)
となる。ただし、ma/mf=A/F
When the optimum aperture ratio on the ground in the rocket performance calculation result of CEA400 is Isp mix , Isp as a hybrid type ram rocket is obtained as follows.
First, if the thrust is Fn, the fuel flow rate is mf, and the gravitational acceleration is g,
Isp = Fn / mf · g (7)
In this case, assuming that the thrust generated at the nozzle is Fg, the air flow rate is ma, and the inflow air flow velocity is v,
Fn = Fg−ma · v (8)
Is represented by
Isp mix = Fg / (mf + ma) · g (9)
Here, if
Isp = (Isp mix (mf + ma) · g−ma · v) / mf · g
= Isp mix (1 + A / F) − (A / F · v) / g (10)
It becomes. However, ma / mf = A / F
そこで、液体燃料がなく、固体燃料だけの場合のA/Fに対するIspの理論性能の計算結果を図7に示す。この図7から判るように、質量当たりの燃焼熱の大きいB含有燃料が最もIsp値が高く、次いで、Ti含有燃料、Zr含有燃料の順にIsp値が高い。A/F=15では、B含有燃料とTi、Zr含有燃料との間に、Isp200s以上の差がある。 Therefore, FIG. 7 shows the calculation result of the theoretical performance of Isp with respect to A / F when there is no liquid fuel but only solid fuel. As can be seen from FIG. 7, the B-containing fuel having the highest combustion heat per mass has the highest Isp value, and then the Isp value is higher in the order of Ti-containing fuel and Zr-containing fuel. At A / F = 15, there is a difference of Isp200s or more between the B-containing fuel and the Ti, Zr-containing fuel.
固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:1の場合と、固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:3の場合とのA/Fに対するIspの理論性能の計算結果を図8及び図9にそれぞれ示す。 FIG. 8 and FIG. 8 show the calculation results of the theoretical performance of Isp with respect to A / F when the ratio of the flow rate of the solid fuel and the liquid fuel is 1: 1 and when the ratio of the flow rate of the solid fuel and the liquid fuel is 1: 3. 9 respectively.
図8及び図9から、固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:1の場合では、A/F=15においてB含有燃料とTi、Zr含有燃料とのIsp値の差が100s以下であり、固体燃料と液体燃料の流量の比率が1:3の場合では、A/F=15においてB含有燃料とTi、Zr含有燃料とのIsp値の差がほとんどなくなっていることが判る。 8 and 9, when the ratio of the flow rates of the solid fuel and the liquid fuel is 1: 1, the difference in Isp value between the B-containing fuel and the Ti, Zr-containing fuel is 100 s or less at A / F = 15. When the ratio of the flow rates of the solid fuel and the liquid fuel is 1: 3, it can be seen that there is almost no difference in the Isp value between the B-containing fuel and the Ti, Zr-containing fuel at A / F = 15.
したがって、ハイブリッドタイプのラムロケットにおいて、理論性能上はB含有燃料,Ti含有燃料及びZr含有燃料のいずれの燃料もほぼ同等であることから、どの組成を採用するかは、二次燃焼着火性、二次燃焼安定性、二次燃焼室断熱材の損傷状況などから決定することが必要である。 Therefore, in the hybrid type ram rocket, in terms of theoretical performance, any of the B-containing fuel, Ti-containing fuel and Zr-containing fuel is almost equivalent, so which composition is used depends on the secondary combustion ignitability, It is necessary to determine from the secondary combustion stability and the damage status of the secondary combustion chamber insulation.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.
図1及び図2は、本発明の一実施例によるラムロケットを示す。 1 and 2 show a ram rocket according to an embodiment of the present invention.
図1及び図2に示すように、このラムロケット1は、ブースタ推進薬2を装填した燃焼室3を有し、この燃焼室3の後端部にはブースタノズル4とラムロケットノズル5とが分離継手6を介して同心状に設けてあり、ブースタノズル4には、ブースタ推進薬用点火装置7が設けてある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
燃焼室3の前端側の外周には円周方向の複数箇所に配設した空気取入口8を備えており、空気取入口8を閉塞するポートカバー9をポートカバー解除機構10によって解除するようになっている。
この場合、燃焼室3の前方には、固体燃料16を充填したガス発生室17が設けてある。このガス発生室17には、固体燃料16に点火する固体燃料用の点火装置18を備えていると共に、このガス発生室17と一体で設けた固体燃料供給手段としてのガス噴射ノズル19を備えており、このガス噴射ノズル19は、隔壁20を貫通して燃焼室3内に突出するようにしてある。
In this case, a
また、燃焼室3のさらに前方には、液体燃料11を充填した燃料タンク12と、液体燃料11の流量を制御する流量制御バルブ13と、液体燃料11を空気取入口8に導く液体燃料供給手段としての導管14を備えており、燃料タンク12内の液体燃料11は、固体燃料16の一次燃焼により生じた燃焼圧力によって導管14を介して燃焼室3内(空気取入口8)に供給されるようになっいてる。
Further, in front of the
この実施例において、ガス噴射ノズル19を介して燃焼室3に供給される固体燃料16を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスと、導管14を介して燃焼室3に供給される液体燃料の液滴との流量比が1:3となるようにしており、固体燃料16には、B,Ti,Zrのうちのいずれかの金属粒子を含有させたAP系コンポジットを用いている。
In this embodiment, the fuel-rich combustible gas generated by primary combustion of the
このような構成のラムロケット1において、ブースタ推進薬用点火装置7によりブースタ推進薬2に点火することによって、燃焼室3内でブースタ推進薬2が燃焼し、この燃焼ガスをブースタノズル4から噴射することによって発進し、ラム圧による作動に必要な設定マッハ数に達するまで加速する。
In the
続いて、速度が設定マッハ数に到達してブースタ推進薬2の燃焼が終了した時点において、図2に示すように、分離継手6の部分でブースタノズル4が分離すると共に、ポートカバー解除機構10により空気取入口8のポートカバー9が除去される。
Subsequently, when the speed reaches the set Mach number and the combustion of the
これに合わせて、まず、固体燃料16の点火が固体燃料用の点火装置18によってなされ、この固体燃料16を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスが、ガス噴射ノズル19を介して燃焼室3内に供給され、空気取入口8より導入した外部からの空気と混合して二次燃焼し、この燃焼室3内での混合気の燃焼により生じた推力発生用の燃焼ガスがラムロケットノズル5から増速して噴出して推力を得る。
In accordance with this, first, the
このとき、固体燃料16を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスは高温なので、燃焼室3内における着火性が向上することとなる。
At this time, since the fuel-rich combustible gas generated by primary combustion of the
そして、上記のようにして固体燃料16の二次燃焼が開始している燃焼室3内(空気取入口8)に対して、導管14によって液体燃料11の液滴が供給され、この液体燃料11の液滴と空気取入口8より導入した外部空気との混合気が固体燃料16の二次燃焼で生じた燃焼ガスに点火されて燃焼し、この燃焼ガスをラムロケットノズル5から増速して噴出させてさらに推力を得る。
Then, droplets of the
つまり、固体燃料16の二次燃焼が開始している燃焼室3内に、導管14を介して液体燃料11の液滴を供給して、外部からの導入空気と混合して燃焼させるようにすると、燃料全体に対する酸化剤の割合が少なくなり、その結果、液体ラムロケットと同等ないしそれに近い高比推力が得られることとなる。
That is, when the droplets of the
また、固体燃料16を一次燃焼させて生じる高温の可燃ガスの燃焼室3内に対する供給は、ガス噴射ノズル19を介して継続して成されることから、空気と液体燃料11の液滴との混合気に対して点火を行ったあとも、この混合気はそれ自体の燃焼エネルギだけでなく、ガス噴射ノズル19から噴出する燃焼ガスによっても燃焼が良好に持続されるものとなり、高高度飛翔を設計基準とした場合のように燃焼室3内のガス流速が大きくかつ圧力が低いときであっても、吹き消えなどが生じることなく混合気の燃焼は良好に持続されることとなる。
In addition, the supply of the high-temperature combustible gas generated by the primary combustion of the
上記したラムロケット1では、液体燃料11の液滴の供給量を制御する流量制御バルブ13を設けているので、ラムロケット1の飛翔条件に応じた液体燃料11の供給量コントロールが可能となる。
In the
また、上記したラムロケット1において、固体燃料16の一次燃焼により生じた燃焼圧力によって、燃料タンク12内の液体燃料11を導管14を介して燃焼室3内(空気取入口8)に供給するようにしているので、液体燃料11は高い圧力で押圧されることとなり、燃料タンク12内の液体燃料11はターボポンプを必要とすることなく空気取入口8まで圧送されることとなる。
Further, in the
さらに、上記したラムロケット1において、ガス噴射ノズル19を介して燃焼室3に供給される燃料リッチな可燃ガスと、導管14を介して燃焼室3に供給される液体燃料の液滴との流量比を1:3としているので、固体燃料16として特殊な組成の燃料(例えば、GAPのような高エネルギバインダ系燃料)を用いる必要がなく、従前の固体ロケットの推進薬に採用されるAP系コンポジットを用いることができる。
Further, in the
さらにまた、上記したラムロケット1において、固体燃料16として、燃焼熱が高く且つ希少金属でないB,Ti,Zrのうちのいずれかの金属粒子を含有させたAP系コンポジットを用い得るので、Ispの理論性能にはほとんど差がないB含有燃料,Ti含有燃料及びZr含有燃料を、二次燃焼着火性、二次燃焼安定性、二次燃焼室断熱材の損傷状況などに応じて適宜選択し得ることとなる。
Furthermore, in the
1 ラムロケット
3 燃焼室
11 液体燃料
13 流量制御バルブ
14 導管(液体燃料供給手段)
16 固体燃料
19 ガス噴射ノズル(固体燃料供給手段)
DESCRIPTION OF
16
Claims (3)
固体燃料及び液体燃料を搭載し、固体燃料を一次燃焼させて生じる燃料リッチな可燃ガスを燃焼室内に供給して外部からの導入空気と混合して二次燃焼させる固体燃料供給手段と、固体燃料の二次燃焼が開始している燃焼室内に液体燃料の液滴を供給して外部からの導入空気と混合して燃焼させる液体燃料供給手段を設けており、
上記固体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される燃料リッチな可燃ガスと、液体燃料供給手段を介して燃焼室に供給される液体燃料の液滴との流量比を1:3としていることを特徴とするラムロケット。 In a ram rocket with a combustion chamber that mixes and burns fuel and air introduced from the outside,
A solid fuel supply means for mounting a solid fuel and a liquid fuel, supplying a fuel-rich combustible gas generated by primary combustion of the solid fuel into the combustion chamber, mixing it with externally introduced air, and performing secondary combustion; and solid fuel Liquid fuel supply means for supplying liquid fuel droplets into the combustion chamber in which the secondary combustion is started and mixing with externally introduced air to burn is provided ,
The flow ratio between the fuel-rich combustible gas supplied to the combustion chamber via the solid fuel supply means and the liquid fuel droplets supplied to the combustion chamber via the liquid fuel supply means is 1: 3. Ram rocket characterized by.
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