複合サイクルミサイルエンジンシステム

专利摘要:
低感度複合サイクルミサイル１０推進システムは、ミサイル１０の第１のセクション内に含まれる固体燃料１６と、ミサイル１０の第２のセクション内に含まれる液体酸化剤１４とを含む。第１の導管１８は、燃料１６と酸化剤１４とを連通させる第１のバルブ１８ａを有し、第１の導管１８から空間的に隔てられた第２の導管２０は、燃料１６と前記酸化剤１４とを連通させる第２のバルブ２０ａを有する。ミサイル１０およびノズル２４内で生成される燃料リッチなガス３４との燃焼のための大気酸素を供給するためのインレットシステム２２は、燃料１６、液体および固体酸化剤１４ならびに空気の燃焼から生じる燃焼生成物を排出する。
公开号:JP2011508126A
申请号:JP2009536310
申请日:2007-11-09
公开日:2011-03-10
发明作者:ジーベンハール，アダム；ジェイ． ブルマン，メルビン
申请人:アエロジェット ジェネラル コーポレイション；
IPC主号:F02K7-18

专利说明:

[0001] 本発明は、ミサイル用の推進システムに関する。より詳細には、本発明は、低感度ミサイル推進システムにおいて酸化剤および燃料を分離しかつ制御することにより、ミサイルによって飛行中に利用される多数の動作モードのそれぞれにおいて効率的な動作を実現するシステムに関する。]
背景技術

[0002] ミサイルを推進するための従来のロケット推進システムには、所要量の酸化剤の輸送の要求をはじめとする数多くの要因による性能上の限界がある。このために、所与の離陸質量の場合、酸化剤を大気から得るラムジェットやスクラムジェットのようなシステムと比較して、動力飛行の射程が短くなるか、あるいは最大積載量が減少する。ラムジェットおよびスクラムジェットエンジン自体にも限界があり、例えば、低速での推力が不十分であるためにミサイルをラムジェット引継ぎ（takeover）速度に加速するのにかなり質量の大きいロケットまたはタービンブースタが必要となるということがある。さらに、ラムジェット用の酸化剤は大気から得られるため、ラムジェット燃料流量を、飛行期間にわたって大幅に異なり得る適切な燃料／酸化剤比を維持するように飛行中に制御しなければならない。]
[0003] 発射時および比較的低速でのロケット推進システムからより高速でのラムジェット推進システムに移行する可変サイクルエンジンが米国特許第４,６５１,５２３号および５,２２４,３４４号で知られている。米国特許第４,６５１,５２３号には、後端がノズルを形成する形状である、固体推進剤を有するデュアルサイクルエンジンが開示されている。推進剤が燃焼すると、ミサイルはロケット推力によって推進される。推進剤の燃焼により、前方に配置された空気のカバーを後方にスライドさせて圧縮空気を燃焼室に供給し、ラムジェット動作を開始させることが可能となる。米国特許第５,２２４,３４４号には、デュアル燃焼ラムジェット（ＤＣＲ）エンジンのラムジェットパイロットに取って代わるロケットチャンバが開示されている。ロケットエンジン内で燃焼される液体燃料と酸化剤との混合物は、最初はロケット推進によってミサイルを推進する。速度が上昇すると、インレット通路を介して圧縮空気がラムジェット燃焼器に供給されるとともに、さらなる燃料がロケットエンジンに与えられ、燃料リッチな排気が燃焼器に供給される。燃料リッチな排気の燃焼により圧縮空気が加熱および膨張し、ラムジェット動作が可能となる。]
[0004] 今日では、ほとんどのミサイルには、推進に有効に用いられる非常にエネルギー豊富なガス流を発火された際に生成する燃料化学物質と酸化化学物質との均質混合物を含有する固体ロケット推進剤が用いられている。液体二元推進剤ロケットシステムは、上記燃料および酸化剤をこれらがロケットモーター内に噴射されるまで分離するが、偶発的にまたは敵の攻撃によってそれらのタンクがひび割れた場合には漏れおよび火災の危険がある。１つ（または複数の）推進剤の偶発的な発火は、兵器の使用者に重大な危険をもたらし得る。これらの危険には、爆発、火災、またはミサイルの命令されていない飛行もさらには含まれる。米国防省は、兵器の取扱中または計画発射前の任意の時点で発生し得る偶発的な発火に対する感度の低いミサイル推進システムを要求している。危険性が低減されたシステムは、低感度装備品あるいはＩＭと呼ばれる。]
[0005] 固体成分と液体成分とを有するハイブリッドエンジンはＩＭの一種である。燃料が液体で酸化剤が固体である場合、エンジンは逆（reverse）ハイブリッドエンジンと呼ばれる。１つの逆ハイブリッドエンジンが米国特許第３,５５５,８２６号に開示されている。同特許には、電気作動型の機械バルブによって液体燃料が固体酸化剤から分離されたエンジンが開示されている。]
発明が解決しようとする課題

[0006] 推進用の低感度装備品を利用することが可能である効果的な可変サイクルエンジンがなお必要とされている。]
課題を解決するための手段

[0007] 本発明の１つ以上の実施形態の詳細が添付の図面および以下の説明に記載されている。本発明のその他の特徴、目的および利点はこれらの説明および図面ならびに請求項から明らかとなるであろう。]
[0008] 本発明の第１の実施形態によれば、低感度複合サイクルミサイル推進システムは、ミサイルの第１のセクション内に含まれる燃料と、ミサイルの第２のセクション内に含まれる酸化剤とを含み、燃料および酸化剤の一方は飛行中に消費されるまで液体であり、他方は飛行中に消費されるまで固体である。第１の導管は、燃料と酸化剤とを連通させる第１のバルブを有し、第１の導管から空間的に隔てられた第２の導管は、燃料と酸化剤とを連通させる第２のバルブを有する。ロケットノズルは、燃料と酸化剤との燃焼から生じる燃焼生成物を排出する。]
[0009] 本発明の第２の実施形態によれば、低感度複合サイクルミサイル推進システムは、ミサイルの第１のセクション内に含まれる燃料と、ミサイルの第２のセクション内に含まれる酸化剤とを含み、燃料および酸化剤の一方は飛行中に消費されるまで液体であり、他方は飛行中に消費されるまで固体である。第１の導管は、燃料と酸化剤とを連通させる第１のバルブを有し、第１の導管から空間的に隔てられた第２の導管は、燃料と酸化剤とを連通させる第２のバルブを有する。第１のバルブおよび第２のバルブの下流にあるロケットノズルは、燃料と酸化剤との燃焼から生じる燃焼生成物を燃アフターバーナ中に排出するのに有効である。閉塞された空気インレットは、ノーズ端および本体端を有し、本体端は燃焼器で終端している。]
図面の簡単な説明

[0010] 図１は、本発明の多数のモードで動作可能なデュアル噴射器ハイブリッド空気増大（air augmented）ロケットモーターによって推進されるミサイルを示している。
図２は、ミッションの様々なサイクルに対応するために燃料流量および燃料／酸化剤比をどのように変化させるかを示している。
図３は、地上静止（ＳＬＳ）からマッハ５に加速する空気増大ロケットのための推力をマッハ数の関数として図示している。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る第１の動作モード中に統合型逆ハイブリッドロケットにより推進されるミサイルを示している。
図５は、第２の動作モード中に空気増大ハイブリッドロケットによって推進される図４のミサイルを示している。
図６は、ラムジェット動作モードで推進される図４のミサイルを示している。
図７は、図４のミサイルを、利用可能な大気外でさらなる推力が必要とされるかあるいは推進が必要とされる場合に適した動作モードにおいて示している。
図８は、図４のミサイルを、旋回用の横方向推力を発生させるのに有効である単元推進剤ロケット動作モードにおいて示している。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る第１の動作モード中に統合型逆ハイブリッドロケットにより推進されるミサイルを示している。
図１０は、ロケットエンジンが空気増大ハイブリッドロケット動作モードにある図９のミサイルを示している。
図１１は、ロケットエンジンがデュアルモードラムジェット動作モードにある図９のミサイルを示している。
図１２は、ロケットエンジンがデュアル噴射器ハイブリッドロケット動作モードにある図９のミサイルを示している。
図１３は、ロケットエンジンが単元推進剤ロケット軌道修正動作モードにある図９のミサイルを示している。
図１４は、上流液体酸化剤バルブを示している。
図１５は、下流液体酸化剤バルブを示している。 各図面における同様の参照符号および名称は同様の要素を示している。] 図１ 図１０ 図１１ 図１２ 図１３ 図１４ 図１５ 図２ 図３ 図４
実施例

[0011] 偶発的な作動に関する危険度が非常に低い高性能ＩＭ推進システムが本明細書に開示される。このＩＭ推進システムの第１の局面は、燃料および酸化剤が意図的に混合され発火されるまで燃焼が不可能となるようにこれらを分離することである。このＩＭ推進システムの第２の局面は、推進の一部に大気酸素を用いることにより、本質的に同システムの感度が低くなり、性能が向上することである。このＩＭ推進システムは、その種々の実施形態において、ロケットブーストまたは支援機能に用いられる燃料と酸化剤とをさらに分離し、危険性を最小限にする。また、燃料および酸化剤の一部は、これらがシステムから漏れたり、火災の危険を生じさせたりすることがないよう固体状態にある。このシステムは、大気圏内またはそれより上層で、ブースト、加速、巡航、最終急加速（final dash）および軌道修正・姿勢制御（ＤＡＣ）モードという要素を含む様々なミッションにわたってこのＩＭ構成とともに動作するように構成されている。]
[0012] ミサイル推進システムにおいて燃料と酸化剤とを分離することにより、性能が向上しかつ不慮の事故および敵の威嚇に対する感度が低減したミサイルの実現が可能となる。この分離によってＩＭ特性がもたらされ、また、分離はハイブリッドロケットおよび空気吸入推進技術を用いることによって達成される。燃料と酸化剤とが一緒にされて発火されたときにのみ燃焼が可能となる。これは偶発的には起こり得ない。燃料に対する酸化剤の比を制御することにより、効率的なロケットおよび空気吸入性能がともに実現される。この推進システムは、以下の最大５つのモードで動作するように構成されている。]
[0013] Ａ．最初のブーストのための統合型逆ハイブリッドロケット、
Ｂ．さらなるブーストのための空気増大ハイブリッドロケット、
Ｃ．さらなる加速および巡航のためのラムジェット／スクラムジェット、
Ｄ．最後の推進のためのデュアル噴射ハイブリッドロケット、および
Ｅ．軌道修正・姿勢制御のための単元推進剤ロケット。
これらのモードのすべては、小型冷液バルブおよび最大で３つの異なる推進剤、すなわち酸化剤リッチな固体、燃料リッチな固体および液体酸化剤によって制御される。]
[0014] 図１は、本発明の多数のモードで動作可能なデュアル噴射器ハイブリッド空気増大エンジン１２によって推進されるミサイル１０を示している。エンジン１２は、ミサイルの１つのセクション内に含まれる液体酸化剤１４を含む。液体酸化剤１４は、反応するまで液体状態に維持が可能な正の酸素バランスを有する任意の適切な化学物質であり得る。液体酸化剤１４に適した化学物質としては、過酸化水素、四酸化二窒素、濃硝酸および、好ましくは、硝酸ヒドロキシルアンモニウム（ＨＡＮ）がある。燃料１６は、ミサイルの別のセクション内に含まれており、末端水酸基ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）などの任意の適した固体燃料である。] 図１
[0015] エンジン１２は、２つの独立作動型バルブシステム１８ａ、２０ａ、上流液体酸化剤噴射器１８および下流液体酸化剤噴射器２０を含む。それぞれのバルブは、空間的に離れた導管を通じて液体酸化剤を連通させる。上流および下流は、反応物質の流れ方向に対するバルブの位置を示すために用いられる。図１４は、上流バルブ１８ａと液体酸化剤噴射器１８との組み合わせの分解組立図である。バルブと噴射器との任意の組み合わせを１つの部品に一体化することができるが、典型的にはこれらは別々である。バルブ１８ａを開くことにより、上流液体酸化剤噴射器１８によって液体酸化剤１４を燃料シリンダの中心孔１９内に噴射することが可能となり、液体酸化剤１４はそこで燃料１６と接触する。] 図１４
[0016] 図１５は、下流バルブ２０ａと液体酸化剤噴射器２０との組み合わせの分解組立図である。バルブ２０ａを開くことにより、導管２１を介して液体酸化剤を下流液体酸化剤噴射器２０内に流すことが可能となる。液体酸化剤はガス発生器４６内に噴射され、そこで未燃焼燃料と反応する。] 図１５
[0017] 図１に戻って、燃料１６は中空シリンダの形状であってもよく、上流液体酸化剤噴射器１８は、液体酸化剤１４をこの燃料シリンダの中心孔１９内に噴射する。エンジン１２は、空気インレット２２、主ロケットノズル２４およびアフターバーナ２６をさらに含む。これらのエンジン構成部品の機能は以下に説明する通りである。エンジン１２に加えて、ミサイル１０は、ノーズ２８および前端３０を典型的にはさらに含む。前端３０は、典型的には、誘導システムおよび制御システムならびに弾頭を収容している。] 図１
[0018] 先行技術のハイブリッドロケットモーターに対するハイブリッドエンジン１２の利点は多面的である。このエンジンは、以下により詳細に説明するように、最大５つの動作モードでそれぞれ高性能に動作することができる。これらの利点は、上流１８および下流２０液体酸化剤噴射器の両方を使用することによって達成される。上流液体酸化剤噴射器１８は、先行技術のハイブリッドロケットモーターにおけるものと同様に固体燃料の後退を起こす。この後退速度は、酸化剤流量に比例しておらず、出入口がその当初の幾何学的配置から遠ざかって後退するにつれて変化する。先行技術において、このことは、燃料／酸化剤比の望ましくない変化をもたらす。ロケット動作において、比推力（Ｉｓｐ）（推進剤流量の１ポンド当たりの推力であり、ロケット効率の主な基準）は、化学量論に非常に近い燃料／酸化剤比で最大となる。結果として、先行技術のハイブリッドロケットモーターの効率は最適なものではない。]
[0019] デュアル噴射器ハイブリッドエンジン１２において、下流液体酸化剤噴射器２０は、ロケットおよび空気吸入動作モードの両方において最適な効率が得られるように燃料／酸化剤比を制御する。ロケットモードにおいては、酸化剤１４と共に燃焼する固体燃料粒１６の燃料リッチな生成物が上流液体酸化剤噴射器１８から噴射された結果、さらなる酸化剤が噴射され、ガス発生器４６内で再燃焼する。空気吸入動作モードにおいては、インレットシステム２２によって提供される空気および超音速飛行速度によって生成されるラム圧により、ラムジェット燃焼器２６における燃焼に用いられる主ロケットノズル２４から正味未燃焼燃料が排出される。上流液体酸化剤噴射器１８からの酸化剤流により、ラムジェット動作に必要なこの利用可能な燃料流が生成され、最高ラムジェットＩｓｐが得られる。空気吸入モードの間、下流液体酸化剤噴射器２０からの酸化剤の噴射はほとんど、または全く必要ない。]
[0020] 図２は、ハイブリッドエンジン（図１の１２）がロケットモードおよびラムジェット動作モードの両方において最適な効率を得るために非常に様々な燃料流量および燃料／酸化剤比においてどのように動作され得るか図示している。ラムジェット動作モードにおける最大効率のためには、燃焼に必要な燃料流量は、最小流量の酸化剤で作り出すのがよい。図２に示す正味燃料流量曲線は、ハイブリッド燃料後退プロセスの非線形性により、酸化剤流量とともに急速に上昇している。酸化剤は総燃料流量の一部を消費するため、正味燃料流量はピークに達し、そして、一定量の酸化剤流量が供給された後に減少する。一旦このピークを過ぎると、下流噴射器（図１における２０）を作動させ、ロケットのような動作（高酸化剤／燃料比）のためにさらに高速に燃料を消費するために酸化剤流を増加させる。ラムジェットが９．１×１０２ｋｇ／ｓｅｃ（毎秒０．２ポンド）の正味燃料流量を必要とする場合、この曲線は当該要件を満たす２つの点を有する。第１の点は、０．２３ｋｇ／ｓｅｃ（毎秒０．５ポンド）の低酸化剤流量（参照点２９）、第２の点は、１．４ｋｇ／ｓｅｃ（毎秒３．０ポンド）の高酸化剤流量（参照点３１）にある。第１の点２９は、中程度の加速で動作するのに十分に高いＩｓｐおよび推力でのラムジェット動作モードとなる。第２の点３１は、さらなるロケット推力の寄与を生じさせるガス発生器（図１の４６）における燃料および酸化剤のより高い消費によって発生するさらなる推力での空気増大ロケット（ＡＡＲ）モードとなる。ラムジェット動作の大部分は、さらに低い酸化剤流量で行われることになる。ＡＡＲモードの大部分は、より高い酸化剤流量で行われることになる。このことは、我々のデュアル噴射システムが２つの非常に異なる動作モードをいかに満足させ得るかを示している。] 図１ 図２
[0021] 空気増大ロケット（ＡＡＲ）は、適切に設計された場合、単独で作動するロケットによって生成されるものよりも一層大きい推力（増大）を発生させるためにエンジンに誘導される空気流を用いることになる。この公知の推進システムは、また、ダクテッドロケット、エゼクタラムジェット（ＥＲＪ）およびＡＡＲなどと様々に呼ばれてきた。知られているように、空気増大は、インレット気流に作用する主ロケット噴流のエゼクタによる空気吸引（ejector pumping）により、ゼロ速度においてでさえ正であり得る。図３は、地上静止からマッハ５および高高度へのＡＡＲ試験からのデータを図示している。増大は、マッハ１．５の飛行速度を超過するまでは低い。これは、低超音速における低ラム圧によるものである。マッハ１．５を超えては、増大は急激に上昇し、１００％の超過、すなわちロケット単独での推力の２倍になり得る。] 図３
[0022] 図１においてラムジェット燃焼器２６は実質的に空であり、ＡＡＲモード用のアフターバーナおよびラムジェットモードの主燃焼器としてのみ機能していることに注目されたい。ラムジェット引継ぎへのブーストを得るため、ラムジェット燃焼器には、最初に固体推進剤が充填され得る。この構成は、統合型ロケットラムジェットあるいはＩＲＲシステムと呼ばれる。先行技術のＩＲＲシステムの１つの限界は、より高いロケット圧に耐えるためにラムジェット燃焼器の壁厚を大きくし、ミサイルをラムジェット引継ぎ速度に加速するのに十分なブースタ推進剤を提供するためにラムジェット燃焼器を長くする必要があるということである。図４を参照すると、ラムジェット燃焼器２６を概ねそのまま用いることができる。少量のブースト推進剤３２をラムジェット燃焼器に流し込み、燃焼器の内部表面をコーティングする。しかし、注型ブースト推進剤３２は、ミサイルをラムジェット引継ぎにブーストするのには不十分であり、したがって、我々はこれを「部分ブースタ」と呼ぶ。このブースト推進剤３２が燃え尽きた後、ミサイルは、低超音速度（約マッハ１．５）でのみ移動する。約マッハ２．５〜３のラムジェット引継ぎへの残りのブーストは、ＡＡＲモードによって行われる。先行技術のＩＲＲブースタより優れた我々の部分ブースタのもう１つの特徴は、燃料と酸化剤との均質混合物およびそれに付随する危険性を有する従来のロケット推進剤を使用しないということである。我々の部分ブースタ推進剤は、ほとんどが、我々のデュアル噴射器ハイブリッドロケットガス発生器４６からの燃料リッチな高温ガス３４なしには燃焼を維持することができない結合剤を含む酸化剤である。したがって、我々の部分ブースタは、固体ブースト推進剤３２が酸化剤リッチであり、噴射された燃料リッチなガス３４推進剤が部分ＩＲＲブースタモードの際には燃料リッチである、「逆ハイブリッド」である。部分ブースタのための１つの代表的な酸化剤は、過塩素酸アンモニウムであり、１つの代表的な結合剤は、末端水酸基ポリブタジエン（ＨＴＰＢ）などのヒドロキシル官能性液体である。] 図１ 図４
[0023] この推進システムは、最大５つのモードで動作するように構成されている。第１の実施形態は亜音速燃焼システムを示し、第２の実施形態は超音速燃焼動作により適している。]
[0024] 図４は、第１の実施形態に係る統合型逆ハイブリッドロケット（ＩＲＨＲ）動作モードにおけるモーター１２を示している。このモードは、第２のモードである空気増大ハイブリッドロケットモードが効率的に作動され得る速度にミサイル１０を最初に加速するために用いられる。推進システムは、前方液体酸化剤噴射器制御バルブ１８ａを開くことによって始動され、液体酸化剤１４は、固体燃料１６上に噴霧される。発火は、小型火工起爆管や酸化剤流に曝される触媒などの多くの従来手段のいずれかによって行われる。一旦発火されると、ハイブリッドガス発生器４６における燃料の燃焼により、埋没した後方液体酸化剤噴射器２０上を通過して主ロケットノズル２４に入る非常に燃料リッチな高温排気ガス３４が生成され、主ロケットノズル２４においてこれらのガスは低超音速度に加速され、酸化剤リッチなブースト推進剤３２が最初に充填されたラムジェット燃焼器２６に入る。燃料リッチな高温排気ガス３４と酸化剤リッチなブースト推進剤３２との接触により、表面から引きはがされた酸化剤の塊の流れは燃料リッチなガスと混合および反応し、出入口における圧力ひいては複合サイクルエンジンの推力が著しく増加する。この動作モード中、空気インレット２２は未燃焼の酸化剤リッチなブースト推進剤３２によって閉塞されるので、この動作モードは、技術的には、アエロジェット−ジェネラルコーポレイション（Aerojet-General Corporation）（カリフォルニア州サクラメント）のＬＯＸ増大熱核ロケット（「地球外ＬＯＸ増大ＮＴＲ推進を用いた画期的な月周囲空間輸送システム構造(A Revolutionary Lunar Space Transportation System Architecture Using Extraterrestrial LOX-Augmented NTR Propulsion)」、ＡＩＡＡ合同推進会議、１９９４年６月２７日〜２９日）または推力増大ロケット（米国特許第６,５６８,１７１号に開示される）のような再燃焼ロケットである。再燃焼ロケット従来技術において、主ロケットに対して１００％を超える推力増加が容易に実現される。これにより、最初のブーストのための高ミサイル加速が実現される。同じ正味推力での従来のＩＲＲと比べると、ラム燃焼器における圧力は、有効喉部面積がより大きいため、部分ブースタの方が低い。これにより、ラムジェット燃焼器２６の重量が減少する。] 図４
[0025] 図５は、ラムジェット引継ぎへのさらなるブーストを実現する空気増大ハイブリッドロケット（ＡＡＨＲ）動作モードにおけるエンジン１２を示している。推進システムは、ＩＲＨＲ固体酸化剤が燃え尽きるとこのモードに移行し、空気インレット２２の出入口は、ＩＲＨＲ推進剤が後退する際に高温ガスに曝される消耗膜などの任意の従来手段によって開放される。これにより、空気流をロケットノズルの下流で燃焼生成物と混合することが可能となる。ＡＡＨＲ酸化剤がなければ、推力は所望のレベルの何分の１かに低減する。約マッハ１．５以上の速度において、インレット空気流および空気増大は上昇し始めるが、依然として低い。失われた推力を回復するために、後方液体酸化剤噴射器制御バルブ２０ａを開き、液体酸化剤１４をハイブリッドガス発生器４６の後端内に噴霧する。ＩＲＨＲ動作中、これらの後方噴射器のストラットはハイブリッド燃料の後退によって露出している。酸化剤の大量追加およびハイブリッド燃料リッチな排気ガス３４のより完全な燃焼により、燃料／酸化剤比およびチャンバ圧は、効率的な高推力ロケット動作により適した値となる。] 図５
[0026] 後方液体酸化剤噴射器２０のストラットは、最初は固体燃料１６の出入口表面付近に酸化剤を噴射するように設計されている。これにより、低ＡＡＨＲモード中に主プルーム境界上の未燃焼燃料が減少し、インレットの不始動をもたらすインレット気流に対する早期熱閉塞が回避される。利用可能な正味燃料の大半は噴流内に封じ込められ、ダクト面積がさらなる熱放出を可能にするのに十分に増加した十分な混合距離の後方でのみ空気との燃焼に利用可能となる。固体燃料１６の表面がさらに後退すると、この設計により、主噴流境界上の利用可能な燃料量を受動的に増加することが可能となる。]
[0027] ハイブリッドロケット噴流プルームに分散した残りの燃料３５の量は、ラムジェット燃焼器２６におけるインレット空気流３７との燃焼に十分となるように制御される。主ロケット噴流は流入空気を吸引し、流入空気は拡散し、次いで、先行技術のエゼクタラムジェットにおいて通常行われるように再燃焼される。速度が増加するにつれて空気流が増加すると、後方液体酸化剤噴射器２０からの酸化剤流量は前方液体酸化剤噴射器１８の流量に合わせて低減し、全推進剤流量およびその混合比を制御して有効Ｉｓｐ［（推力−抗力）／推進剤流量］を最大にするか、あるいは残りのＡＡＨＲ加速における推力を最大にする。一般に、これにより、全酸化剤流量が連続的に減少する。]
[0028] 図６は、ラムジェット（ＲＪ）動作モードにおけるロケットエンジン１２を示している。推進システムは、ラムジェット動作がミッションのために最も有効な推進となったときにＲＪモードに移行する。ＲＪ動作モードにおいて、後方液体酸化剤噴射器２０からの酸化剤流は、オフであるか、あるいは低レベルにある。所要のラムジェット推力のための燃料流量は、前方液体酸化剤噴射器１８の酸化剤１４の流量によって制御される。ラムジェットの燃料流量は、ミサイル高度、速度および推力要求（加速または巡航）に依存する。最大正味燃料流量対最小正味燃料流量は、１０：１を超え得る。先行技術のラムジェットミサイルとは異なり、ＡＡＨＲからＲＪへの移行は、連続的かつ非臨界的である。空気インレット２２の出入口は、ＡＡＨＲモードが開始したときに開放され、ラムジェット固体燃料１６は、ＡＡＨＲモードの終了までに十分に発火される。燃焼器２６の形態は、超音速燃焼（スクラムジェット）または急加速モードで動作する能力をはじめとする多くの利点を有する、末広がりの熱的にチョーキングされた構成である。約マッハ６未満にとどまりかつ感知し得る大気内にとどまるように設計されたミサイルには、機械的な喉部（図示せず）が使用され得る。] 図６
[0029] 図７は、エンジン１２を有するミサイル１０を、動作が使用可能な大気外で行われる場合、または大気圏内でさらなる推力が必要とされる場合に適したモードであるデュアル噴射器ハイブリッドロケット（ＤＩＨＲ）動作モードにおいて示している。このモードは、ミッション中にさらなる推力が必要とされるたびに適用されるデュアル噴射器ハイブリッドロケットエンジンを用いたＡＡＨＲモードと同様である。このさらなる推力は、従来のラムジェットミサイルがあまりにも急速にエネルギーを失い得る終盤での機動作戦、またはラムジェットまたはスクラムジェット動作が維持できなくなる大気圏からの飛び出しの際に非常に有利である。これらの図面に示される末広がりの燃焼器２６の形態は、燃焼器内への空気流が最少である高高度においてこのようなモードでの使用に効率的である。ほぼ真空の状態では、機械的あるいは第２の喉部は、超音速主噴流が再収縮形態に衝突する際に形成される衝撃によってエンジン性能を低下させるであろう。] 図７
[0030] 図８は、エンジン１２を有するミサイル１０を単元推進剤軌道修正ロケット（ＭＰＤＲ）動作モードにおいて示している。このモードは、空力学的制御が有効でない大気圏外迎撃ミサイルを衝突破壊するためのミサイルの操舵に用いられる。この制御された横方向推力は、ミサイル１０の本体の重心（ＣＧ）付近に埋め込まれた小型外周スラスタ３６を用いることによって生成される。燃料リッチなハイブリッドガスを用いることができるが、高温ガスによるバルブ動作不良（hot gas valving）を避けるためには、小型ＤＡＣ液体制御バルブ３９ａによって制御される各外周スラスタ３６へと流れる単元推進剤酸化剤１４を用い、酸素リッチなロケット噴流を生成する。各外周スラスタ３６は、使用される推進剤に合わせて構成された統合型発火システムを有する。ミサイル本体および目標追尾装置を計画された迎撃点に向けたままにしておくといった多くの理由から姿勢制御が必要とされる。姿勢制御は、数多くの技術によって実現され得る。主エンジンが依然として推力を発生させている場合、噴流偏向装置を用いて、軌道修正用推力に起因するモーメントを無効化するか、あるいは迎撃の最終段階中に輸送手段を再び方向付けることができる。あるいは、同じ目的で、さらに小型のスラスタがミサイル本体の前方または後方に配置される。この構成の主な利点は、主要推進システムがＭＰＤＲと統合され、別個のシステムが不要となることにある。推進システムの複雑性がこれによって低減されるだけでなく、共通の推進剤システムを使用することでミッションの自由度が高くなる。] 図８
[0031] 図９〜図１２は、本発明の第２の実施形態を示している。この構成は上述の第１の実施形態と共通する特徴を有するので、同様の参照符号は同様の特徴を示す。この第２の実施形態は、超音速燃焼ラムジェット（スクラムジェット）モードを利用したより高速の動作に好適である。大気圏において最大マッハ６以上の速度で動作するため、本実施形態では、デュアル燃焼ラムジェット（ＤＣＲ）と同様のインレットおよび超音速燃焼器を使用する。ハイブリッドガス発生器は逆にされ、ＤＭＲＪ燃焼器の周囲に環状形として収められている。] 図１０ 図１１ 図１２ 図９
[0032] 図９は、第２の実施形態に係るエンジン１２によって推進されるミサイル１０を、ミッションを開始するために用いられるであろう部分ＩＲＨＲ動作モードにおいて示している。ハイブリッドエンジン１２は、液体酸化剤１４および固体燃料１６を含む。中央ロケットチャンバ３８は、下流液体酸化剤噴射器４０を含む。上流液体酸化剤噴射器４２が液体酸化剤１４と固体燃料１６との間に配置されている。ノーズ端４３から本体端４５に延びる空気インレット２２が、中心線スクラムジェット燃焼器４８で終端している。空気インレット２２は、最初は空気インレットカバー４４によって閉塞されている。] 図９
[0033] 推進システムは、上流液体酸化剤噴射器４２の制御バルブを開くことによって始動され、液体酸化剤１４は、ガスの発生および流動用の多数の出入口を有する環状ハイブリッドガス発生器４６内に噴霧される。発火は前述と同様である。一旦発火されると、環状ハイブリッドガス発生器４６における燃料の燃焼により、前方へかつインレットのストラットを通って中央ロケットチャンバ３８および中央ロケットノズル４７内へと流れる非常に燃料リッチな高温排気ガス３４が発生し、中央ロケットノズル４７においてガスは低超音速度に加速され、酸化剤リッチなブースト推進剤５０が最初に充填された中心線スクラムジェット燃焼器４８に入る。酸化剤リッチなブースト推進剤５０の後方部分５１は、燃焼器２６内で消耗喉部を形成する。燃料リッチな高温ガス３４と酸化剤リッチなブースト推進剤５０との接触により、表面から引きはがされた酸化剤の塊の流れは燃料リッチなガス３４と混合および反応し、出入口における圧力ひいては複合サイクルエンジンの推力が著しく増加する。]
[0034] 図１０は、ロケットエンジン１２がＡＡＨＲ動作モードにあるときのミサイル１０を示している。推進システムは、ＩＲＨＲモード固体ブースト推進剤酸化剤（図９の５０）が燃え尽きるとＡＡＨＲモードに移行し、空気インレットカバー（図９の４４）を外すことにより空気インレット２２が開放される。主ロケットは、先行技術のエゼクタラムジェットとして機能する。第１の実施形態においてのように下流液体酸化剤噴射器４０のカバーが外される代わりに、このスクラムジェットの実施形態は、燃料リッチな排気ガス３４が中央ロケットチャンバ３８内で名目上１８０度の回転を完了した後に中央ロケットチャンバ３８に配置される下流液体酸化剤噴射器を含む。これによりインレットのストラットに対する熱応力が低減される。下流液体酸化剤噴射器４０は、チャンバの壁から中央に向かって液体酸化剤１４を噴射するように配置される。上流バルブ４２ａは、液体酸化剤１４の所要の流量を提供するのに有効な量だけ開放されている。] 図１０ 図９
[0035] この手法により、ＡＡＨＲモード中のプルーム境界４９上の未燃焼の燃料も減少する。より高速において酸化剤流が減少すると、燃料リッチなプルームコア５７はより大きくなるとともに、この燃料を燃焼用空気に曝すために必要な距離が短くなり、その結果、速度が増加するにつれて燃焼がより早くなる。]
[0036] 図１１は、エンジン１２がＤＭＲＪ動作モードにあるミサイル１０を示している。推進システムは、下流液体酸化剤噴射器４０をオフにすることにより第１の実施形態と同様にこのモードに移行する。スクラムジェット動作は、速度および燃料流の条件によって超音速状態が燃焼器４８の中心線５３上で持続できるようになると達成される。マッハ５〜６を超える速度では、スクラムジェット動作は亜音速燃焼モードよりも熱力学的に優れている。この移行は、能動的な制御なしで自然に発生する。] 図１１
[0037] 図１２は、エンジン１２がデュアル噴射器ハイブリッドロケット（ＤＩＨＲ）動作モードにあるミサイル１０を示している。この動作モードは第１の実施形態と同様であり、下流液体酸化剤噴射器４０を再度オンにしてデュアル噴射ハイブリッドロケット機能に復帰することによって達成される。] 図１２
[0038] 図１３は、ロケットエンジン１２がＭＰＤＲモードにあるミサイル１０を示している。この概念は、外周スラスタ３６がスクラム燃焼器４８の周囲の環状空間に収められていることを除き、前の実施形態と同様である。姿勢制御付加機能は、第１の実施形態と同様である。] 図１３
[0039] 本発明の１つ以上の実施形態について説明してきた。しかし、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変形が可能であることが理解される。例えば、本発明の原理を逸脱することなく、単一の懸垂（chin）インレットなどの異なる種類のインレットを用いることができる。したがって、以下の請求項の範囲には他の実施形態が含まれる。]

权利要求:

請求項1
低感度複合サイクルミサイル１０推進システムであって、前記ミサイル１０の第１のセクション内に含まれる燃料１６と、前記ミサイル１０の第２のセクション内に含まれる酸化剤１４であって、前記燃料１６および前記酸化剤１４の一方は前記ミサイル１０の飛行中に消費されるまで液体であり、前記燃料１６および前記酸化剤１４の他方は飛行中に消費されるまで固体である、酸化剤１４と、前記燃料１６と前記酸化剤１４とを連通させる第１のバルブ１８ａを有する第１の導管１８と、前記燃料１６と前記酸化剤１４とを連通させる第２のバルブ２０ａを有する、前記第１の導管１８から空間的に隔てられた第２の導管２０と、前記燃料１６と前記酸化剤１４との燃焼から生じる燃焼生成物を排出するためのロケットノズル２４と、を特徴とするミサイル１０推進システム。
請求項2
前記酸化剤１４が液体であり、前記燃料１６が固体であることを特徴とする、請求項１に記載のミサイル１０推進システム。
請求項3
前記第１のバルブ１８ａは、反応物質１４、１６の流れ方向に対して前記第２のバルブ２０ａの上流にあり、前記第１のバルブ１８ａおよび前記第２のバルブ２０ａは両方とも前記ロケットノズル２４の上流にあることを特徴とする、請求項２に記載のミサイル１０推進システム。
請求項4
空気インレット２２が、前記ロケットノズル２４の下流で空気が前記燃焼生成物と混合することを可能にしていることを特徴とする、請求項３に記載のミサイル１０推進システム。
請求項5
アフターバーナ２６が前記空気インレット２２の下流にあることを特徴とする、請求項４に記載のミサイル１０推進システム。
請求項6
前記燃料１６は中空シリンダの形状であり、前記第１のバルブ１８ａは、前記シリンダの中心孔１９内への前記酸化剤１４の噴射を可能にしていることを特徴とする、請求項５に記載のミサイル１０推進システム。
請求項7
前記第２のバルブ２０ａは、前記燃焼生成物中への前記酸化剤１４噴射を可能にしていることを特徴とする、請求項６に記載のミサイル１０推進システム。
請求項8
前記アフターバーナ２６の内部表面は、酸化剤リッチな固体推進剤３２でコーティングされていることを特徴とする、請求項７に記載のミサイル１０推進システム。
請求項9
複数の外周スラスタ３６が前記ミサイル１０の重心に近接して配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のミサイル１０推進システム。
請求項10
前記外周スラスタ３６は前記酸化剤１４と連通していることを特徴とする、請求項９に記載のミサイル１０推進システム。
請求項11
ミサイル１０用の低感度複合サイクル推進システムを動作させるための方法であって、前記ミサイル１０の第１のセクション内に含まれる燃料１６と、前記ミサイル１０の第２のセクション内に含まれる酸化剤１４であって、前記燃料１６および前記酸化剤１４の一方は消費されるまで液体であり、前記燃料１６および前記酸化剤１４の他方は消費されるまで固体である、酸化剤１４とを有する前記推進システムを準備する工程と、前記ミサイル１０の飛行中、第１のバルブ１８ａおよび第２のバルブ２０ａを、前記第１のバルブ１８ａを反応物質１４、１６の流れ方向に対して前記第２のバルブ２０ａの上流にして、前記酸化剤１４と前記燃料１６の空間的に別個の部分との間に定置する工程と、ロケットノズル２４を前記第２のバルブ２０ａの下流に配置する工程と、閉塞された空気インレット２２が前記ロケットノズル２４と前記アフターバーナ２６との間に配置された状態で、アフターバーナ２６を前記ロケットノズル２４の下流に配置する工程と、を特徴とする方法。
請求項12
最初の加速中、前記第１のバルブ１８ａは開かれ、前記酸化剤１４と前記燃料１６とが混合物を形成することを可能にし、前記混合物は発火され、発火により、前記ロケットノズル２４から放出される高温排気ガス３４が生成され、推力が発生することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
請求項13
前記高温排気ガス３４を前記アフターバーナ２６の内部表面をコーティングしている酸化剤リッチな固体推進剤３２と反応させ、さらなる推力を発生させることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
請求項14
前記推進システムは、前記第２のバルブ２０ａを開き、前記空気インレット２２の閉塞を解除することにより、さらなるブーストを発生させてラムジェット引継ぎ（takeover）を達成することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
請求項15
前記酸化剤リッチな固体推進剤３２の燃焼、消耗膜の燃焼、またはこれらの組み合わせにより、前記空気インレット２２の閉塞が解除されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
請求項16
前記第２のバルブ２０ａを徐々に閉じ、その内部を通過する酸化剤１４の流れを、有効Ｉｓｐを最大化するのに有効な速度で減少させることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
請求項17
前記推進システムはラムジェット２６を利用し、前記第１のバルブ１８ａは、所望の燃料流量を実現するように前記酸化剤１４の流量を設定することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
請求項18
前記第２のバルブ２０ａを開き、これによりさらなる推力を発生させることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
請求項19
前記ミサイル１０の重心に近接して埋め込まれた外周スラスタ３６を作動させ、前記ミサイル１０を操舵することを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
請求項20
低感度複合サイクルミサイル１０推進システムであって、前記ミサイル１０の第１のセクション内に含まれる燃料１６と、前記ミサイル１０の第２のセクション内に含まれる酸化剤１４であって、前記燃料１６および前記酸化剤１４の一方は前記ミサイル１０の飛行中に消費されるまで液体であり、前記燃料１６および前記酸化剤１４の他方は飛行中に消費されるまで固体である、酸化剤１４と、前記燃料１６と前記酸化剤１４とを連通させる第１のバルブ４２ａを有する第１の導管４２と、前記燃料１６と前記酸化剤１４とを連通させる第２のバルブ４２ａを有する、前記第１の導管４２から空間的に隔てられた第２の導管４０と、前記燃料１６と前記酸化剤１４との燃焼から生じる燃焼生成物３４を燃焼器４８中に排出するのに有効である、前記第１のバルブ４２ａおよび前記第２のバルブ４０ａの下流にあるロケットノズル２４と、ノーズ端４３および本体端４５を有し、前記本体端４５が前記燃焼器４８で終端している、閉塞された空気インレット２２と、を特徴とするミサイル１０推進システム。
請求項21
前記空気インレット２２の前記ノーズ端４３は空気インレットカバー４４によって閉塞され、前記空気インレット２２の前記本体端４５は前記燃焼器４８の内部表面をコーティングしている酸化剤リッチな固体推進剤５０によって閉塞されていることを特徴とする、請求項２０に記載の推進システム。
請求項22
前記酸化剤リッチな固体推進剤５０は、前記燃焼器４８内で消耗喉部５１をさらに形成することを特徴とする、請求項２１に記載の推進システム。
請求項23
前記第１のバルブ４２ａと前記第２のバルブ４０ａとの間の導管が、前記燃焼生成物３４の流れ方向を約１８０°変更するのに有効であることを特徴とする、請求項２０に記載の推進システム。
請求項24
ミサイル１０用の低感度複合サイクル推進システムを動作させるための方法であって、前記ミサイル１０の第１のセクション内に含まれる燃料１６と、前記ミサイル１０の第２のセクション内に含まれる酸化剤１４であって、前記燃料１６および前記酸化剤１４の一方は消費されるまで液体であり、前記燃料１６および前記酸化剤１４の他方は消費されるまで固体である、酸化剤１４とを有する前記推進システムを準備する工程と、前記ミサイル１０の飛行中、第１のバルブ４２ａおよび第２のバルブ４０ａを、前記第１のバルブ４２ａを反応物質１４、１６の流れに対して前記第２のバルブ４０ａの上流にして、前記酸化剤１４と前記燃料１６の空間的に別個の部分との間に定置する工程と、ロケットノズル２４を前記第２のバルブ４０ａの下流に配置する工程と、空気インレット２２が前記ロケットノズル２４と前記燃焼器４８との間に配置され、前記空気インレット２２のノーズ端４３が空気インレットカバー４４によって閉塞され、前記空気インレット２２の本体端４５が前記燃焼器４８の内部表面をコーティングしている酸化剤リッチな固体推進剤５０によって閉塞された状態で、燃焼器４８を前記ロケットノズル２４の下流に配置する工程と、を特徴とする方法。
請求項25
最初の加速中、前記第１のバルブ４２ａは開かれ、前記酸化剤１４と前記燃料１６とが混合物を形成することを可能にし、前記混合物は発火され、発火により、前記ロケットノズル２４から放出される高温排気ガス３４が生成され、推力が発生することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
請求項26
前記高温排気ガス３４を前記アフターバーナ４８の内部表面をコーティングしている酸化剤リッチな固体推進剤５０と反応させ、さらなる推力を発生させることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
請求項27
前記推進システムは、前記第２のバルブ４０ａを開き、前記空気インレット２２の閉塞を解除することにより、さらなるブーストを発生させてラムジェット引継ぎを達成することを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
請求項28
前記第２のバルブ４０ａを徐々に閉じ、その内部を通過する酸化剤１４の流れを、有効Ｉｓｐを最大化するのに有効な速度で減少させることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。
請求項29
前記推進システムはラムジェットを利用し、前記第１のバルブ４２ａは、所望の燃料流量を実現するように前記酸化剤１４の流量を設定することを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
請求項30
前記推進システムはスクラムジェットを利用し、前記第１のバルブ４２ａは、所望の燃料流量を実現するように前記酸化剤１４の流量を設定することを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
請求項31
前記第２のバルブ４０ａを開き、これによりさらなる推力を発生させることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
請求項32
前記ミサイル１０の重心に近接して埋め込まれた外周スラスタ３６を作動させ、前記ミサイル１０を操舵することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。