膨張偏向ノズル
膨張偏向ノズルは、プラグノズルやエアロスパイクノズル と同様に、排気ガスと大気の相互作用を通じて高度補正を実現するロケットノズルです。
説明
標準的なベルノズルと外観はほぼ同じですが、スロート部に「センターボディ」または「ピントル」が設けられ、流れを壁面へ向かって偏向させます。排気ガスは、標準的なベルノズルよりも外側へ向かってこのピントルを通過し、出口へ向かう前に膨張します。これにより、ノズルの膨張比を維持しながら、標準設計よりも短いノズルを実現できます。大気境界があるため、大気圧が出口面積比に影響を与え、特定のノズルが許容する幾何学的最大値まで大気補償が得られます。
ノズルは、開モードと閉モードの2つの異なるモードで動作します。閉後流モードでは、排気ガスはノズル出口面積全体を満たします。後流が開モードから閉モードに変化する周囲圧力は設計圧力と呼ばれます。周囲圧力がさらに低下すると、標準的なベルノズルと同様に、ノズルの外側で追加の膨張が発生し、高度補正効果は得られません。開後流モードでは、出口面積は周囲圧力に依存し、排気ガスはノズル全体を満たさず、環状にノズルから排出されます。出口面積は周囲圧力によって制御されるため、面積比は設計圧力まで高度を完全に補正する必要があります。
ピントルが回転軸に沿って動くように設計されていれば、スロート面積を変化させることができます。これにより、チャンバー圧力を維持しながら効果的なスロットリングが可能になります。[ 1 ]
エアロスパイクノズルやプラグノズルと同様に、単一の燃焼室の代わりにモジュラー燃焼室を使用すると、さまざまな燃焼室への流れを絞ることで推力の偏向を実現できます。
開発されたモデル
EDノズルは1960年代から知られており、開発は幾度となく試みられ、静的高温燃焼レベルに達したものもいくつかある。これらには、「Expansion-Deflection 50k」 （ロケットダイン社） [ 2 ]、「Expansion-Deflection 10k」（ロケットダイン社） [ 3 ]、そしてRD-0126 [ 4 ]（CADB社）などがある。ロケットダイン社は、さらに小型の3つ目のEDノズルも開発している。[ 5 ]
ロケットダインは1960年代に関心が高まり始めた時期に研究を進め、当初はED 50kノズルを開発した。このノズルはチャンバー圧力が20.7 bar (2.07 MPa)で推力50,000 lbf (220 kN)を発生し、冷却されていないため一度に数秒間テストすることができた。[ 5 ] ED 10kノズルはチャンバー圧力が15.5 bar (1.55 MPa)で推力10,000 lbf (44 kN)を発生し、冷却された推力チャンバーを備え、高度シミュレーション施設でテストされた。[ 5 ]より小型のEDノズルは9,900 lbf (44 kN)を発生し、高度補正能力のテストにも使用された。これらのテストにより、同等のベルノズルよりも性能が優れていることが確認された。[ 5 ]
Chemical Automatics Design Bureau のED ノズルは完全に冷却され、1998 年に高温燃焼テストに使用されました。その中央本体には燃焼室が収容されており (後述する Astrium の設計とほぼ同じ)、輪郭の改良による長さの短縮に加えて、長さの短縮も実現しています。
ウィックマン宇宙船・推進会社は、EDと組み合わせた固体モーターを開発し、静的試験を行った。[ 6 ]
英国ブリストル大学は最近、 STERNプロジェクトの一環として、気体水素/空気推進剤の試験に成功しました。また、ハイブリッドロケットモーターを用いたEDノズルの飛行中の挙動に関する知見の蓄積にも取り組んでいます。[ 7 ]
潜在的な用途
このノズルの研究は継続中ですが、その利点がすべて発揮される前に実用化される可能性があります。上段として、特に低気圧/低真空環境、特にクローズド・ウェイクモードで使用される場合、EDノズルはベルノズルに比べて軽量化、全長の短縮、そして比推力の向上（エンジンサイクルによる）を実現し、ペイロードの増加を可能にします。ある研究によると、アリアン5のペイロードは、新型ヴィンチエンジン（エキスパンダーサイクルも搭載）と比較して180kg（400ポンド）増加することが示唆されています。このようなノズルは、高度補正機能が開発される前に実用化される可能性があります。[ 8 ]
リアクション・エンジンズ社のスカイロン宇宙機への搭載も検討されています。単段軌道投入（SSTO）ロケットへの搭載は、EDノズルの高度補正能力を最大限に活用し、ペイロードの大幅な増加を可能にします。リアクション・エンジンズ社、エアボーン・エンジニアリング社、ブリストル大学は現在、STERN（静的試験用膨張偏向ロケットノズル）プロジェクト[ 9 ]に参画し、EDノズルの能力評価と技術開発に取り組んでいます。 [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
参考文献
- ^ Schorr, Charles J. (1970年7月). 「膨張偏向ノズルの一定チャンバー圧力による絞り」 . Journal of Spacecraft and Rockets . 7 (7): 843– 847. doi : 10.2514/3.30051 . ISSN 0022-4650 – インターネットアーカイブ経由.
- ^アストロノーティクス 膨張偏向 50k
- ^ Astronautix 膨張偏向 10k
- ^アストロノーティクス RD-0126
- ^ a b c d Sutton, George P. (2006).液体燃料ロケットエンジンの歴史. レストン, VA: アメリカ航空宇宙学会. doi : 10.2514/4.868870 . ISBN 978-1-56347-649-5。
- ^ 「Small Launch Vehicle (SLV) - Wickman Spacecraft & Propulsion Company」。2009年9月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年6月10日閲覧。
- ^世界初のEDノズルハイブリッドがテストされた
- ^ゲッツ, アンドレアス; ハーゲマン, ジェラルド; クレッチマー, ヨアヒム; シュヴァーネ, リチャード (2005年7月10日～13日).先進上段推進コンセプト - 膨張偏向上段. 第41回合同推進会議. アリゾナ州ツーソン: アメリカ航空宇宙学会. doi : 10.2514/6.2005-3752 . ISBN 978-1-62410-063-5。
- ^ Project STERNウェブサイト 2009年1月31日アーカイブWayback Machine
- ^反応エンジン
- ^ 「STERNロケット発射完了」 www.bristol.ac.uk . 2025年3月4日閲覧。
- ^ Airborne Engineering 2008年12月18日アーカイブ- Wayback Machine
さらに読む
- 『ロケット推進要素』第7版、2001年、Wiley-Interscience社、サットン・アンド・ビブラーズ著。本書は、ロケット工学の様々な側面を徹底的に解説し、様々な高度補正ノズルの概要を解説している（75～84ページ）。
- Aerospaceweb.orgこのサイトでは、膨張偏向設計を含むさまざまなタイプのノズルについて説明しています。
- UKRocketman.com STERN プロジェクトと関連プロジェクトの説明。
