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JPH0392585A - Arc jet propulsion apparatus - Google Patents

Arc jet propulsion apparatus

Info

Publication number
JPH0392585A
JPH0392585A JP22634689A JP22634689A JPH0392585A JP H0392585 A JPH0392585 A JP H0392585A JP 22634689 A JP22634689 A JP 22634689A JP 22634689 A JP22634689 A JP 22634689A JP H0392585 A JPH0392585 A JP H0392585A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
arc
cathode
fuel
anode
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP22634689A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Doyle Smith Richard
リチャード ドイル スミス
Clark Knowles Stephen
スチーブン クラーク ノウルズ
Joseph Casady Robert
ロバート ジョセフ カサディ
Wayne Smith William
ウイリアム ウエイン スミス
Allen Simon Mark
マーク アレン シモン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olin Corp
Original Assignee
Olin Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olin Corp filed Critical Olin Corp
Priority to JP22634689A priority Critical patent/JPH0392585A/en
Publication of JPH0392585A publication Critical patent/JPH0392585A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

PURPOSE: To improve efficiency and performance by providing a device for applying voltage to an anode and a cathode and a device for supplying a fuel gas mixture of high molecule fuel and low molecule fuel to an arc in an arc chamber. CONSTITUTION: A power controller 30 is electrically connected between an anode mainbody 12 and a cathode rod 14 to generate a potential difference between a plus on the anode mainbody 12 side and a minus on the cathode rod 14 side and generate an arc 32 traveling a gap 28. The arc 32 is forced along the surface 22 of a throttle 20 to the downstream with the spiral pressure flow of a fuel gas, as shown by an arrow mark 34, carried through the gap 28 outward of a nozzle 24 and stabilized on the surface 26 thereof. The fuel gas is heated in an area of the restriction 20 and an area of arc diffusion from the restriction 20 in a port 36 of the nozzle 24 in the downstream of an outlet to then exhaust superheated gas to the outside of the nozzle 24 and generate thrust.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野1 本発明は一般に宇宙船操縦のための小型推進装置、特に
性能改善上いろいろな特徴の内の任意の1つを採用した
電気熱アークジェット推力@欧に係わる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field 1] The present invention relates generally to small propulsion systems for spacecraft maneuvering, and more particularly to electrothermal arc jet thrust systems employing any one of a variety of performance-improving features. @Related to Europe.

[従来技術と問題点] 周知の如く、電気熱アークジェット推力装置は電気的エ
ネルギをアーク放電より流動する11【進用燃料に対す
る熱伝達にまり熱エネルギに変え、ノズルを通じる加熱
燃利の膨張にまり熱エネルギから指向性のある機械的エ
ネルギに転換するものである。アークジェット推力装置
の構造及び作動についての歴史的側面の説明ならびにこ
の種電気熱式推進のタイプに関連する諸問題のため、1
965年6月NASA技術ノートD−2868にお番プ
6工A/−1”)オ)Ltt (L. E. Wall
ner )及びジエークジ力 ジュニア(J. Czi
ka, Jr. )による宇宙推進のためのアークジエ
ツ]・推力装置と、ホノレマン(Hollman )空
軍!ijl!11966年3月におけル工7 − シ−
へ>1−ツヒ(F. G. Per+yio) AD 
671501ならびに1968年アール・ジ ジ」ーン
(R. G. John)によるHcGraw − t
l i l I出版社に、よる「電気的推進の物理学」
が参照される。又、シ− − 1ル(G. L. )キ
ャン(cann)の米国特許も引用される。
[Prior Art and Problems] As is well known, an electrothermal arc jet thrust device converts electrical energy into thermal energy by flowing through an arc discharge (11) and converts it into thermal energy by heat transfer to the advancing fuel, and expands the heated fuel through a nozzle. It converts concentrated thermal energy into directional mechanical energy. For a description of historical aspects of the construction and operation of arcjet thrusters and the problems associated with this type of electrothermal propulsion, 1.
June 965, NASA Technical Note D-2868
ner) and J. Czi
ka, Jr. ) thrusters for space propulsion by Honorman (Hollman) Air Force! ijl! In March 11966, construction work 7-C
To>1-tsuhi (F.G. Per+yio) AD
671501 and HcGraw-t by R.G. John in 1968.
``Physics of Electric Propulsion'' by l i l i publisher
is referenced. Also cited is the US patent of G.L. CANN.

大抵の電気熱アークジェット推力装訪には共通の特徴と
してノズル本体の形態をとる陽極と円錐形先端部のある
円筒形ロツドの形態をした陰極とが設けられている。ノ
ズル本体には、本体の後方部分における絞り部と前方部
分におけるノズルにより形成されたアーク室が設6プら
れている。I!i極ロツドはノズル本体の長手方向軸線
上にそって整列され、その円錐形先端部は絞り部よりへ
だてられてアーク室の上流端に延び絞り部との間に間隙
を形成している。
A common feature of most electrothermal arc jet thrust devices is an anode in the form of a nozzle body and a cathode in the form of a cylindrical rod with a conical tip. The nozzle body is provided with an arc chamber formed by a constriction in the rear part of the body and a nozzle in the front part. I! The i-pole rod is aligned along the longitudinal axis of the nozzle body, and its conical tip extends beyond the constriction to the upstream end of the arc chamber, forming a gap therebetween.

電弧は先ず絞り部の入口における陰極ロツドと陽極ノズ
ル本体との間に発生する。次にこの電弧は、陰極ロツド
の周りの電弧室内に導入される推進用燃料ガスの加圧さ
れた旋回状の流れにより絞り部を通じ下流側に向けられ
る。電弧が安定しノズルに付着する。推進用燃料ガスが
絞り部の領域で加熱され、絞り部からの出口の下流側の
ノズルの口における電弧拡散の領域で加熱される。過熱
ガスがノズル外に排出され推力を発生する。
An electric arc first occurs between the cathode rod and the anode nozzle body at the entrance of the constriction. The arc is then directed downstream through the constriction by a pressurized swirling flow of propellant gas introduced into the arc chamber around the cathode rod. The electric arc becomes stable and adheres to the nozzle. The propellant gas is heated in the region of the constriction and in the region of arc diffusion at the mouth of the nozzle downstream of the outlet from the constriction. Superheated gas is discharged outside the nozzle and generates thrust.

歴史的に、純粋な推進用燃料典型的にはアンモニア(N
H3)又は水素(日2〉が電気熱式のアークジェット推
力装置に用いられている。最近に至り、本発明の譲受人
により開発されたアークジェット推進装置における推進
用燃料としてヒドラジン(N204)が使用されている
。アンモニア及びヒドラジンなどの如き推進用燃料は宇
宙空間で凍結せずに液体として昨蔵可能であるが、水素
及びヘリウムなどの低温燃料は貯蔵可能ではない。
Historically, pure propellant fuels have typically been ammonia (N
Hydrazine (N204) has been used as a propulsion fuel in an arc jet propulsion system developed by the assignee of the present invention. Propulsion fuels such as ammonia and hydrazine can be stored as liquids in space without freezing, but cryogenic fuels such as hydrogen and helium cannot be stored.

宇宙空間で容易に貯蔵可能な燃料(例えばN口3、N2
114>で達成できるインパルスレベルは800〜10
00(質偵ボンド当たり力・秒ボンド)1bf・sec
 /Ibmで、低温推進用燃料(口2、口eなど)で達
成可能の最大1.500j!br・Sec / J b
一の典型的数値よりかなり但い。
Fuel that can be easily stored in space (e.g. N3, N2
The impulse level that can be achieved with 114> is 800-10
00 (force/second bond per pawn bond) 1bf/sec
/Ibm, the maximum achievable with low temperature propulsion fuel (mouth 2, mouth e, etc.) is 1.500j! br・Sec/J b
However, it is considerably lower than the typical figure.

黙しながら、低温燃料のきわめて低い分子量による性能
上の利点は、この燃剥の有川品の宇宙空問内貯蔵を困難
にしてかつ高価なものにする同じ特性で帳消しにされる
。にも拘らず酋通かかる燃料に係わる困難を受入れるこ
となく低編推進用燃料の使用で達成可能なレベルに近接
できるよう推力性能を改良できるようにすることが望ま
しい。
Silently, the performance advantages of cryogenic fuel's extremely low molecular weight are offset by the same properties that make storage of this burnt-off material difficult and expensive in space. Nevertheless, it would be desirable to be able to improve thrust performance to approach levels achievable with the use of low-volume propulsion fuels without incurring such fuel-related difficulties.

[発明の特徴] 本発明は、上述の必要性を満たすよう構成した改良性能
型のアークジェット推力装置を提供する。
FEATURES OF THE INVENTION The present invention provides an improved performance arcjet thrust device constructed to meet the needs described above.

本発明の基礎となるものは、アークジェット推進性能が
推力装置に用いる推進用tIM利の明確な形成ならびに
推力装置の電弧室内の燃料流の射出及び循環に対する一
段と洗練されたアプローチによる改善かつ向上できると
いう考え方である。
The basis of the present invention is that arcjet propulsion performance can be improved and enhanced through a clear formulation of the propulsion tIM utilization used in thrusters and a more sophisticated approach to the injection and circulation of the fuel flow within the arc chamber of the thruster. This is the idea.

本発明は先行技術には間示されてない若干の異なれる特
徴を包含するものであり、低温燃料の使用に伴う諸問題
をほぼ解決するもアークジェット推力装置を宇宙船操縦
のための経済的かつ確実なJ(Cカ装置たらしめるべく
アークジェット推力装置の性能改善に封ずる約束を与え
るものである。特徴の大半は同一のアークジェット推力
装置に相伴って好適に組込められ著しく改善せる効率及
び性能を実現するも、場合によりこれら諸特徴の一部か
ら得られる利点を他から切り離し異なった推力gi釘に
おいてこれを享受することも可能である。
The present invention incorporates several distinct features not present in the prior art, and which substantially overcomes the problems associated with the use of cryogenic fuels, makes arcjet thrusters economical for spacecraft operations. It also provides a promise to improve the performance of the arc jet thrust device in order to make it a reliable J(C) device.Most of the features can be suitably incorporated into the same arc jet thrust device and can be significantly improved. Although efficiency and performance are achieved, it is sometimes possible to separate the benefits of some of these features from others and enjoy them in different thrust gi nails.

基本的には、上記諸特徴のそれぞれによりアークジェッ
ト推力装置の性能、効率及び若しくは有用性のある寿命
の向上が4qられる。特徴の1つは、アークジェットに
対する比推力増強のための大醋の貯蔵可能推進用燃料の
供給流に小署の第2ガス成分好適には低gAffi料を
添加する点にある。
Fundamentally, each of the above features provides a 4q improvement in the performance, efficiency and/or useful life of the arcjet thruster. One feature is the addition of a small second gas component, preferably a low gAffi agent, to the large storable propulsion fuel feed stream for specific impulse enhancement to the arc jet.

もう1つの特徴とする所は、第1にアーク社の物理的特
性を損失エネルギの量を冷凍流屓失にまで低下させるよ
うこれを修正し、第2に陰極面の熱及び化学的環境をコ
ントロールし熱応力及び化学的a食を最小限におさえ,
それにより陰極の寿命を伸ばすよう小屋のM2ガス状燃
料これまた好適には低温推進用燃料を推進lAMの陰極
を囲むアーク室の領域内に注入する点にある。
Another feature is that, first, the physical properties of the arc have been modified to reduce the amount of energy lost to refrigeration, and second, the thermal and chemical environment of the cathode surface has been modified. control and minimize thermal stress and chemical agitation.
In order to thereby extend the life of the cathode, the cabin M2 gaseous fuel, also preferably a low-temperature propulsion fuel, is injected into the region of the arc chamber surrounding the cathode of the propulsion AM.

更にもう1つの特徴点は、絞り部の境界層におけるtI
NSl!:陰極近くの注入個所との間のかなりの圧力差
を中心アーク域に対する燃料送り分の予熱装置として利
用し推力効率ならびに比推力の増加を図る小量の推進用
M斜の再循環の実施にある。
Yet another characteristic point is the tI in the boundary layer of the constriction part.
NSL! : Implementation of small propulsion M slope recirculation in which the significant pressure difference between the injection point near the cathode and the injection point is used as a preheating device for the fuel feed to the central arc region, increasing thrust efficiency and specific impulse. be.

最後に述べる特徴としては、推進器陽極本体から桿られ
る廃熱の利用により反応器・再生器内の送りガスの#I
J IIIされた分解によるアークジェット性能向上の
ためのJff進用燃料ガス混合物の生成という点があげ
られる。
The last feature to be mentioned is that the feed gas in the reactor/regenerator is
One point is the production of JFF advanced fuel gas mixtures for improved arc jet performance through JIII decomposition.

以上ならびにその他の本発明の利点及び達成は、本発明
の実施例を示す添付図面参照の下にお(jる下記詳細説
明により当業者には明白な事柄である.[実施例] 以下本発明においては全図面を通じて同−1,Qが同じ
又は対応する部品に適用されている。本発明の特徴を含
む推進器の異なれる実施例において、標準又は先行技術
による推進器と同じ部分には同じ参照番号なるも異なれ
る文字が用いられている。
These and other advantages and achievements of the present invention will be apparent to those skilled in the art from the following detailed description, which is given in conjunction with the accompanying drawings which illustrate embodiments of the invention. 1, Q is applied to the same or corresponding parts throughout the drawings. In different embodiments of the propeller incorporating the features of the invention, the same parts are applied to the same parts as in standard or prior art propellers. Reference numbers also use different characters.

第1図において、先行技術による標準の絞りアーク幾何
学形状電気熱アークジェット推進器10の概略図が示さ
れている。周知の如く、アークジェット推進器10にL
&基本的に電導拐よりなる円筒形本体の形態をした陽極
12と円錐形先端16の電導金属よりなるII1%いロ
ツドの形態をした陰極14が設けられている。陽極本体
12には、本体の後方部分において円筒形表面22の形
態をした絞り部20と、前方部分で円錐形表面26の形
慝をし.たノズル24とにより形成したアーク室18が
設けられる。陰極ロツド14がその先端16をアーク室
18の上i端に延ばした状態で絞り部20よりへだでさ
せその間に間gA28を形成して設けられる。
In FIG. 1, a schematic diagram of a standard constricted arc geometry electrothermal arc jet propeller 10 according to the prior art is shown. As is well known, the arcjet propulsion device 10 is
There is provided an anode 12 in the form of a cylindrical body essentially made of conductive metal and a cathode 14 in the form of a II1% rod made of conductive metal with a conical tip 16. The anode body 12 has a constriction 20 in the form of a cylindrical surface 22 at the rear part of the body and a conical surface 26 at the front part. An arc chamber 18 formed by a nozzle 24 is provided. The cathode rod 14 is provided with its tip 16 extending to the upper i end of the arc chamber 18 and extending beyond the constriction part 20 to form a gap gA28 therebetween.

動力コントローラ30が陰極木体12と陽極ロツド14
との間に電気的に接続され、周知の鮫領で陽極本体側1
2プラス陰極ロツド側14マイナスでその間に電位差を
発生せしめ間Fjl28を横切るアーク32を発生させ
るよう作動する。動力コン1・ローラ30はその構成が
当業分?P″C−周知のものであり従ってこれをブロッ
クで囲lνで図示しーCおり、これを細部にわたり説明
するのはアークジェット推進器10の説明をm潔性を増
すことなしに単に複雑性を増加させるだけのものに過ぎ
ない。
The power controller 30 connects the cathode wood body 12 and the anode rod 14.
The anode body side 1 is electrically connected between the
2 plus the cathode rod side 14 minus and act to generate a potential difference therebetween to generate an arc 32 across the gap Fjl 28. Is the configuration of the power controller 1 and roller 30 within the skill of the art? P''C--is well known and is therefore shown in block diagrams lv--and its detailed description merely adds complexity to the description of the arcjet propulsion device 10 without adding to its simplicity. It merely increases the

アーク32が先ず陰極ロッド14の先端16と陽極本体
12との間の絞り部20への入口で発生する。次に、こ
のアーク32は絞り部20の表面22にそい、矢印34
に示すように燃料ガスの圧力のかかった渦巻き状の流れ
により下流に追いやられfi128を通り絞り?JS2
0を介してW進器10のノズルの外方へと流される。ア
ーク32は陽極本体12のノズル24の表面26にて安
定する。
An arc 32 is first generated at the entrance to the constriction 20 between the tip 16 of the cathode rod 14 and the anode body 12. Next, this arc 32 is along the surface 22 of the constriction part 20, and the arrow 34
As shown in the figure, the pressurized spiral flow of fuel gas drives it downstream and passes through fi128 and is throttled. JS2
0 to the outside of the nozzle of the W advancer 10. The arc 32 is stabilized at the surface 26 of the nozzle 24 of the anode body 12.

上記の標準絞りアーク幾何学形状アークジェット推進!
10において、電気アーク32は、絞り部円筒面の平t
テ電極形状と、推進用燃料の接線方向射出により発生す
る誘発渦巻きの半径方向ガスの動的力とにより「絞られ
るJ.燃料ガスは絞り部20領域及び絞り部からの出口
の下流のノズル24の口36におけるアーム拡散の領域
において加熱を受ける。この過熱ガスは次にノズル24
の外部に排出され推力を発生する。アークジェット推進
iioの電気回路が、ノズルロ36の領域でアーク付着
が発生する状態で陰極ロツド14と陽極本体12との間
に完了する。陽極本体12におけるアーク付着の位置は
、アーク拡散領域をノズル24下方に押しよせるばら装
填の流出率により又アーク付着のための電導性領域Wt
5IIl3極本体の利用可/l牲いかんにより決まる。
Standard aperture arc geometry above arcjet propulsion!
10, the electric arc 32 is connected to the flat t of the cylindrical surface of the constriction part.
Due to the electrode shape and the dynamic force of the radial gas in the induced swirl generated by the tangential injection of the propellant fuel, the fuel gas is "throttled" in the region of the throttling section 20 and the nozzle 24 downstream of the exit from the throttling section. The superheated gas is then heated in the region of the arm diffusion at the mouth 36 of the nozzle 24.
is discharged to the outside and generates thrust. The electrical circuit of the arc jet propulsion III is completed between the cathode rod 14 and the anode body 12 with arc deposition occurring in the area of the nozzle rod 36. The location of the arc attachment on the anode body 12 is determined by the flow rate of the bulk charge which forces the arc diffusion area down the nozzle 24 and the conductive area Wt for arc attachment.
Depends on the availability/cost of the 5III3-pole main body.

準アークジエツi−惟  における 標準アークジェット推進機10の次善の性能は少なくと
もその一部が2つの欠点に起因する。第1の欠点は、既
述の如く、宇宙空間進進の7ークジェット用として最も
一般的に考えられ同時に宇宙空闇内で比較的貯蔵が容易
なアンモニア及びとドラジンなどの如き推進用燃料の場
合、この達成できる比推力レベルは制限されている点で
ある。
The suboptimal performance of standard arcjet propulsion machine 10 in quasi-arc jets is due, at least in part, to two deficiencies. The first drawback, as mentioned above, is that propellant fuels such as ammonia and drazine, which are most commonly considered for use in 7-jet jets advancing into space, are also relatively easy to store in the darkness of space. The point is that the level of specific impulse that can be achieved is limited.

従って、予想されるようにその使用により推進機の次善
的性能が得られるのに過ぎない。その他重要な燃料例え
ば低温ガス水素及びヘリウムははるかに高い比推力レベ
ルを達成できるも大ボの推進用燃料を要する使命に対し
ては候補にあげられない貯蔵可能性の問題を起こす。
Therefore, as expected, its use only results in suboptimal performance of the propulsion machine. Other important fuels, such as cold gas hydrogen and helium, can achieve much higher specific impulse levels but pose storageability problems that make them unsuitable candidates for missions requiring large propellant fuels.

第2の欠点とする所は、8時間を超えるR命テストにお
いて4!!準アークジェット推力IfA10はきわめて
a温の陰極温度レベルにお1ノる長時間の作動ならびに
この間における燃料に用いるアンモニア及びヒドラジン
の各等級中の微最不純物より形成されたきわめて反応性
のある種に刻する露出により陰極14がかなり腐食する
点にある。この第2の欠点について更に詳しく述べると
、椋準アークジェット推進機10において燃料ガスが、
陽極本体12及び絞り郡20の軸11Aにそう下流に向
けた速度成分以外にかなりの円周方向速度ベク1ルを与
えるように陰極14の回りのアーク室1モの部分に導入
ざれる。その結果、軸MAと同心名に絞り部20の円筒
而22にほぼ平行にして膨引ノズル24に向けたt4巻
き流が形成される。か力る渦巻き流の形態特徴は、絞り
部壁又ば表面2二近くの外方流領域の高圧に囲まれた中
心核の低月の形成である。この結果得られる半径方向の
圧大こう配は、陰極14と陽極本休12との間に軸力向
に電弧を飛ばす?−ク32を安定させ第1図に示す如く
アークを中央の低尺核に閉じ込める働きを行う。このよ
うなガスの初力学的閉じ込めにより一般にタングステン
など耐火材よりなる陽極本体12の材料の溶解点をはる
かに超えた温度におけるアーク32の作動を容易ならし
める。きわめて大きい半径方向温度こう配が絞り部20
及びノズル24に発生し、プラズマアーク32の中心近
くの温度は絶対瀾度10,000度を超え、全体の平均
濡度は3500’から5000゜Kである。
The second drawback is that in the R life test that exceeds 8 hours, it is 4! ! The quasi-arcjet thrust IfA10 is applied to the extremely reactive species formed by the minute impurities in the grades of ammonia and hydrazine used in the fuel. The cathode 14 is at a point where it corrodes considerably due to exposure to the etchant. To explain this second drawback in more detail, in the Muku quasi-arcjet propulsion device 10, the fuel gas is
It is introduced into the portion of the arc chamber 1 around the cathode 14 so as to give the anode body 12 and the axis 11A of the aperture group 20 a significant circumferential velocity vector in addition to the velocity component directed downstream. As a result, a t4 winding flow is formed concentrically with the axis MA and substantially parallel to the cylindrical body 22 of the throttle section 20 toward the expansion nozzle 24. The morphological characteristic of the forceful swirl flow is the formation of a low moon in the central core surrounded by high pressure in the outer flow region near the constriction wall or surface 22. The resulting large gradient in the radial direction causes an electric arc to fly in the direction of the axial force between the cathode 14 and the anode 12? - It functions to stabilize the arc 32 and confine the arc to the central low core as shown in FIG. This initial mechanical confinement of the gas facilitates operation of the arc 32 at temperatures well above the melting point of the anode body 12 material, which is typically a refractory material such as tungsten. An extremely large radial temperature gradient occurs at the constriction section 20.
and generated in the nozzle 24, the temperature near the center of the plasma arc 32 exceeds 10,000 degrees absolute degree, and the overall average wetness is 3500' to 5000 degrees K.

アーク作動従って推進機性能は熱発生、熱伝達、化学的
・イオン反応及び推進用燃料ガスの特性により強力な影
響を受ける放射プロセスの複雑なバランスにより支配さ
れる。
Arc operation and therefore propulsion performance is governed by a complex balance of heat generation, heat transfer, chemical and ionic reactions, and radiation processes that are strongly influenced by the properties of the propellant gas.

次に述べる本発明の特徴は異なれる推進用燃料混合体又
はアークジェット推進機用の明i!な系統的構成及びア
ーク室内における燃料の制出及び循環の改良に直接係わ
るものであり、上述の標準アークジェット推進8110
の欠点を減らし推y!8!の性能を改良する。
The following features of the invention are characterized by different propulsion fuel mixtures or brightness for arc jet propulsion machines. The standard arc jet propulsion 8110 described above is directly related to the systematic configuration and improvement of fuel production and circulation within the arc chamber.
I recommend reducing the disadvantages of y! 8! improve the performance of

′R 推  加 との  用燃料の 1本発明の第1の
特徴は、普通のばら装填の推進用燃料に高比推力添加剤
を含有させた異なれる燃料混合物の提供によりアークジ
ェット推3i機の竹能向上を計ることに向けられている
。低瀾ガス水素など2次的の低分子量ガス成分の小品を
アンモニアなど大量貯蔵可能の推進用燃料ガスに混合さ
せたものが純粋成分性能パラメータの大吊荷重平均によ
り予測されるよりはるかに高いアークジェット推進機性
能が得られる点立証されている。
A first feature of the present invention is the provision of different fuel mixtures containing high specific impulse additives in ordinary bulk propulsion fuel for the arcjet thruster 3i aircraft. It is aimed at improving bamboo ability. A mixture of a small fraction of a secondary low molecular weight gas component such as low aqueous gas hydrogen with a bulk storage propellant gas such as ammonia has a much higher arc than predicted by the large hanging load average of the pure component performance parameters. It has been proven that jet propulsion aircraft performance can be achieved.

この推進機性能の改良は第2図のグラフにより示されて
おり、本図には30KllIクラスのアークジエット推
進機によるテストにより得られたデータが示されている
。データは、推進機入力動力P対全流層率(m>の異な
れるW1進用燃料混合物に対する比率の函数として比推
力( I so)としてプロツトされる。純粋水索1−
120及び純粋アンモニアN口.送りガスのための実験
データならびに各種N口 :H2混合物が示される。従
って、ff2ffi当3 たり20%水素及び80%アンモニアの大容量混金物が
純粋成分比推力の平均に近い比推力値をアークジエット
推力装置内に作り出すことができる。
This improvement in propulsion performance is illustrated by the graph in Figure 2, which shows data obtained from tests with a 30KllI class Arcjet propulsion machine. The data are plotted as specific impulse (Iso) as a function of the propulsion input power P versus the ratio of total flow bed rate (m>) for different W1 propulsion fuel mixtures.
120 and pure ammonia N. Experimental data for the feed gas as well as various N:H2 mixtures are shown. Thus, a large admixture of 20% hydrogen and 80% ammonia per ff2ffi can produce specific impulse values in the arcjet thrust device that are close to the average of the pure component specific impulses.

このような劇的な効果は一般に水素など低分子泪添加物
がアーク作動物理面に及ぼす1l態特に凍結11失の低
下に帰囚する。イオン化、解離、及び励起分子状態への
エネルギ付者などを含む凍結流網失が燃料ガスが電弧に
接して非常に高い温度に加熱されノズル外部に排気され
る時発生する。
These dramatic effects are generally attributable to the reduction in 1l state, particularly freezing 11 loss, that low molecular weight additives such as hydrogen have on arc operating physics. Freeze flow network loss, including ionization, dissociation, and energization of molecules into excited molecular states, occurs when the fuel gas is heated to a very high temperature in contact with the electric arc and exhausted to the outside of the nozzle.

高圧域に不充分なV#間が許容されイオンや解離せる分
子を再結合せしめ若しくは励起状態を弛める。
An insufficient V# interval is allowed in the high pressure region to allow ions and dissociated molecules to recombine or to relax the excited state.

従って、これらのプOt?スにロックされたエネルギは
失われ、推力には使用できない。
Therefore, these puot? Energy locked into the base is lost and cannot be used for thrust.

小農が添加剤又は「種子」成分を若干の方法の内の任意
の方法で大最の燃FIPRに添加できる。1つの方法は
陰極におけるアーク室に対寸る導入の前に行う別々に貯
えた成分を均一な混合体に大最混合することである。も
う1つの方法は貯蔵し次いで均一な混合物としてガスを
使用することである。更に別の方法は別々に貯えた添加
剤を陰極を囲む領域内好適には唯力装置から上流の成分
の大ffi混合よりもアーク作動の変化が非常に劇的で
あり得るような流れの中心アークf!4域内に射出する
方法である。(かかる射出のための装置は次に述べる本
発明の第2及び第3の特徴に係わる〉。更に他の方法は
W1進fsFl極本体からの廃熱を利川せる反応器・再
生器内の大樋燃料送り流の11611された部分的化学
分解による所望の添加剤の生成である。(かかる添加剤
発生のための装置は後段に述べる本発明の第5番目の特
徴に係わるものである)。
Peasant farmers can add additives or "seed" ingredients to the largest fuel FIPR in any of several ways. One method is to mix the separately stored components into a homogeneous mixture prior to their introduction into the arc chamber at the cathode. Another method is to store and then use the gas as a homogeneous mixture. Yet another method is to separately store additives within the region surrounding the cathode, preferably at the center of the flow, where changes in arc operation can be much more dramatic than large mixing of the components upstream from the force device. Arc f! This is a method of injecting into four areas. (A device for such injection is related to the second and third features of the present invention described below). Yet another method is to use a large trough in the reactor/regenerator to utilize the waste heat from the W1 fsFl pole body. 11611 production of the desired additive by partial chemical decomposition of the fuel feed stream (apparatus for such additive generation is related to the fifth aspect of the invention described below).

陰極先端域における燃料劇 本発明の第2及び第3の特徴は、別々に貯えた大量の燃
料及び添加剤を陰極の周りの領域内に躬出するための2
つの異なった装置に係わる。第3図及び第4図は、これ
らそれぞれの特徴を利用した第1及び第2の実施例によ
る改良型性能のアークジェット推進装lflOA及び1
0Bを示す。推力装ff10A.10Bの基本設計なら
びに構成は大体において第1図の標準推進8110と同
様であり、従ってその相違点のみについて以下詳細に述
べる。
Fuel Drop in the Cathode Tip Region The second and third features of the present invention are two methods for discharging separately stored quantities of fuel and additives into the region around the cathode.
It involves two different devices. FIGS. 3 and 4 show improved performance arc jet propulsion systems lflOA and 1 according to the first and second embodiments that utilize these respective characteristics.
Indicates 0B. Thrust device ff10A. The basic design and construction of 10B is generally similar to standard propulsion 8110 of FIG. 1, and therefore only the differences will be discussed in detail below.

第1及び第2の両実施例の場合、推力装置10A.10
Bには、ばらg填の燃FiPRを陰極先端18A,16
Bの上流側のそれぞれめアーク室18A.18B内に注
入するためそれぞれの陽極本体12A.12Bを貫通し
て形成したポート38が含まれている。各ポートの陽極
本体12A.12Bの軸11Aに対する角度は、注入さ
れたばら装填の燃料の流れによりそれぞれのチャンバ1
8A,18B及び絞り部20A,20Bの軸線内これに
沿って渦巻き流が発生するように選ばれている。
In both the first and second embodiments, thrust device 10A. 10
In B, bulk fuel FiPR is attached to the cathode tips 18A, 16.
Each of the upstream arc chambers 18A. 18B for injection into each anode body 12A. A port 38 formed through 12B is included. Anode body 12A for each port. 12B relative to the axis 11A, the angle of the injected bulk fuel to each chamber 1
8A, 18B and the throttle portions 20A, 20B are selected so that a swirling flow is generated within and along the axes thereof.

ポート38は従来アークジェット推力機に設けているよ
うな適宜燃料ガス源(図示省略)にライン〈図示省略)
を介して接続されている。
The port 38 is connected to a line (not shown) to an appropriate fuel gas source (not shown), such as that provided in conventional arc jet thrusters.
connected via.

更に、第3図の第1推進機実浦例には、陰極ロッド14
Aを通じその先端16Aのアーク室i8Aの領域内に更
にアーク32Aの中心域内に向けて推進用燃料添加剤を
割出するための装置が示されている。射出装置は中心を
占める大径の円筒形通路40の形態に実施され、推進機
10Aの陰極ロツド14Aを通じて長手方向に形成ざれ
た複数本の小径端部チャネル42が設けられている。
Furthermore, in the first propulsion unit Saneura example shown in FIG.
A device is shown for indexing propellant fuel additive through A into the region of arc chamber i8A at its tip 16A and further into the central region of arc 32A. The injection device is implemented in the form of a central large diameter cylindrical passage 40 with a plurality of small diameter end channels 42 extending longitudinally through the cathode rod 14A of the thruster 10A.

この喘部チャネル42は外方に拡がって通2840の下
流端部から延びている。チャネル42には陰極先端16
Aの下流n部近くなるもそれより充分上流側にかつ最初
のアーク付着域から充分上流側に出口44が位置して設
けられ、陽極12Aを中間空隙28Aに横切らしめチャ
ネル42を囲みこれを形成する陰極の部分における陰極
先端16Aの高温による変形を防ぐ。又、チャネル42
の出口44を形成する陰極ロツド縁部は適当な半径に滑
らかに丸められ出口44における電弧の付着を防止する
必要が有る。
The pant channel 42 flares outwardly and extends from the downstream end of the passage 2840. Channel 42 has cathode tip 16
An outlet 44 is located near but sufficiently upstream of the downstream n portion of A and sufficiently upstream from the initial arc attachment area to allow the anode 12A to cross the intermediate gap 28A to surround and form the channel 42. This prevents deformation of the cathode tip 16A in the portion of the cathode caused by high temperatures. Also, channel 42
The edges of the cathode rod forming the outlet 44 must be smoothly rounded to a suitable radius to prevent arc buildup at the outlet 44.

第4図に示す第2の推進@鱈の実施例には、陰極ロツド
14Bの外面にそって陰極先端16BにJ3けるアーク
室18Bの領域内更にアーク32Bの中心域内に向け燃
料添加剤を射出するための別の実施例による装置が示さ
れている。躬出装置は陰極ロツド16Bにそって延びロ
ンドの周囲に同心状におかれた中空状の円筒形スリーブ
又は遮蔽体48の形態をしており、陰極ロツドとの間に
環状の流路導管を形成している。遮蔽体48はその上流
端を絶縁リング52により閉ざされ、リング52により
遮蔽休48は陰極ロツド16Bに対し絶縁状にへだてら
れている。この被覆体48には一連の円周方向にM隔の
おかれた開口54がリング52の下流近くに貫通して設
けられ、この構成により環状8I管50を介し適宜供給
源(図示省略〉から推進用燃料添加剤ガスを受ける。被
覆体48の下流端は開口している。被覆体48は適当に
丸めが付けられアーク付着を阻止し、rA極先端16B
から充分上流側に配置しアーク付着域の苛酷な熱ffl
現からの損害を防止せねばならぬ。
In the second propulsion embodiment shown in FIG. 4, fuel additive is injected along the outer surface of the cathode rod 14B to the cathode tip 16B into the area of the arc chamber 18B and into the central area of the arc 32B. An apparatus according to another embodiment is shown. The ejection device is in the form of a hollow cylindrical sleeve or shield 48 extending along the cathode rod 16B and placed concentrically around the rod, with an annular flow conduit therebetween. is forming. The upstream end of the shield 48 is closed by an insulating ring 52, which insulates the shield 48 from the cathode rod 16B. The sheath 48 is provided with a series of circumferentially spaced M-spaced openings 54 extending therethrough near the downstream side of the ring 52 so that a suitable supply source (not shown) can be accessed via an annular 8I tube 50. The downstream end of the cladding 48 is open to receive the propellant additive gas.The cladding 48 is suitably rounded to prevent arc deposition and to prevent rA pole tip 16B.
be placed sufficiently upstream from the arc to avoid the severe heat of the arc attachment area
We must prevent damage from occurring.

wi覆体48は出力コントローラ30Bに接続されコン
トローラを陰極14Bより僅かに大きい電位に維持し被
覆体48と陰極本体12l3との間におけるそれ以上の
電弧発生を遅らせる。然しながら、その電位は被覆体4
8と陰極ロツド14Bとの間における雷弧形成を促進さ
せる8i!高くてはならぬ。
The wi shroud 48 is connected to the output controller 30B to maintain the controller at a slightly greater potential than the cathode 14B to retard further arcing between the shroud 48 and the cathode body 12l3. However, the potential of the coating 4
8i! which promotes lightning arc formation between 8 and the cathode rod 14B! It can't be expensive.

第3図および第4図の両実施例において、添加ガスの第
2の流れがアーク室18A,18B内に注入さ.れ、ば
ら装填の燃料射出により作り出される渦巻き流のパター
ンによりそれぞれの絞り部2OA.20Bの軸方向弧形
域内に吸引される。
In both the embodiments of FIGS. 3 and 4, a second stream of additive gas is injected into the arc chambers 18A, 18B. The swirling flow pattern created by the bulk fuel injection causes each constriction 2OA. 20B into the axially arcuate area.

l@極先端設J1により陰極14A,14Bのかなりの
冷却が促進され、それにより陰極の寿命が伸びる。更に
、両方の陰極先端設計を用いてi!iitjA陰極の化
学的環境に条件を課しそれぞれの陰極14A,14Bと
推進用燃料ガス又は派生的ガス状不純物との間における
化学反応を防止若しくは著しく低滅することができる。
The l@pole tip J1 facilitates significant cooling of the cathodes 14A, 14B, thereby extending the life of the cathodes. Furthermore, using both cathode tip designs i! Conditions can be imposed on the chemical environment of the iitjA cathodes to prevent or significantly reduce chemical reactions between the respective cathodes 14A, 14B and propellant gases or derivative gaseous impurities.

最後に、この両方の陰極先端設計は後記するように境界
層再W環を促進させるのに用いられる。
Finally, both cathode tip designs are used to promote boundary layer re-W ringing as described below.

境界層再循環 本発明の第4の特徴とする所は、燃料ガスの環状外方の
渦巻き流の一部を絞り部から第3図及び第4図の陰極先
端設計のいずれか一つを介して中心アーク域に再循環さ
せるための装置に係わっている。第5図には、この特徴
を利用した第3実施例による改良型性能のアークジェッ
ト推進機が1QCに示されている。この推進装1110
Cの基本設計及び構成部材は大体において第3図の第1
の推進装置例10Aと同じであり、従って両者間の相違
についてのみ詳しく次に述べる。
Boundary Layer Recirculation A fourth feature of the present invention is to redirect a portion of the annular outer spiral flow of fuel gas from the constriction through one of the cathode tip designs of FIGS. 3 and 4. It involves a device for recirculating the gas to the central arc area. In FIG. 5, an improved performance arc jet propulsion machine according to a third embodiment utilizing this feature is shown at 1QC. This propulsion device 1110
The basic design and component parts of C are roughly as shown in Figure 1 in Figure 3.
is the same as propulsion device example 10A, and therefore only the differences between the two will be described in detail below.

再WJ環装置はほぼU字形をした少なくとも1対の戻り
路56の形態をしている。それぞれ通路56のベース部
分は軸11Aに平行に延びるように陽極本体12C内に
形成されている。脚部分60が、各通路56のそれぞれ
の上流及び下流の端部(絞り部20C及び陰極ロツド1
4Gの上流端に相当する位置におかれる)において陽極
本体12C内に形成され、軸MAに関し大体半径方向に
延びている.,脚部分60の内の上流側の1つには内側
部62と外側7II64が形成され、内側部は軸I!A
に対し陽極本体12Cのノズル24Gの方に傾いている
。戻り通路56を通ずる推進用燃料の再循環は絞り部2
0cにおける渦巻き流の急激な半径方向圧力こう配によ
り駆動される。絞り部における与えられた軸方向位置に
おける壁から中心の圧力比は2対1と大きくできる。
The re-WJ ring arrangement is in the form of at least one pair of return passages 56 that are generally U-shaped. A base portion of each passage 56 is formed within the anode body 12C so as to extend parallel to the axis 11A. The leg portions 60 are connected to the respective upstream and downstream ends of each passage 56 (the constriction portion 20C and the cathode rod 1).
4G) in the anode body 12C, and extends generally in the radial direction with respect to the axis MA. , an upstream one of the leg portions 60 is formed with an inner part 62 and an outer part 7II64, and the inner part has an axis I! A
In contrast, it is tilted toward the nozzle 24G of the anode main body 12C. Recirculation of the propellant fuel through the return passage 56 is achieved through the constriction 2.
Driven by the sharp radial pressure gradient of the swirling flow at 0c. The wall-to-center pressure ratio at a given axial location in the constriction can be as high as 2:1.

従って、第3の推進装置例10Cの境界層再循環設計の
場合、低温の外側の流れから小串のtIA剥ガスが開口
66を介し絞り部の円筒形壁又は表面22cに形成され
た戻り通路上流脚部分60の内S部分62に除かれる。
Thus, in the case of the boundary layer recirculation design of third propulsion device example 10C, the skewer's tIA stripped gas from the cold outer stream is passed through opening 66 upstream of the return passage formed in the cylindrical wall or surface 22c of the constriction. The inner S portion 62 of the leg portion 60 is removed.

この除かれるガス流は陽極本体12c内の戻り通路56
を経て陰極ロツド14Cに送られ中心アーク域内に注入
される。第5図は第3図における陰極劇出設計に閏達し
た境界層再循環設計の戻り路56を示し、この構成では
端部チャンネル42Gを設けた中心通路40cが第3図
の第1の推進機実施例10Aにおける如く利用されるが
、第5図の再循ffi設計の戻り路56は第4図におけ
る陰極射出設計の被覆体48に閏連して簡単に使用がで
きる点理解されねばならぬ。
This removed gas flow is connected to a return passage 56 within the anode body 12c.
It is then sent to the cathode rod 14C and injected into the central arc region. FIG. 5 shows the return path 56 of the boundary layer recirculation design that has reached the cathode extraction design of FIG. Although utilized as in machine embodiment 10A, it should be understood that the return path 56 of the recirculating ffi design of FIG. No.

戻り路上流脚部分60への開口62にお6プる電弧付着
を遅らすため、開口66を含む推進装置10cの陽極本
休12cの環状部68を環状の誘電体のスベーサ70に
より陽極及び陰極の電位から電気的に絶縁し動力コント
ローラ30Cに独立的に接続しE記部分を中間の或る電
位に維持する。
In order to delay the adhesion of the electric arc to the opening 62 to the return path leg portion 60, the annular portion 68 of the anode main hole 12c of the propulsion device 10c, including the opening 66, is connected to the anode and cathode by an annular dielectric spacer 70. It is electrically insulated from the potential and independently connected to the power controller 30C to maintain the portion E at a certain intermediate potential.

tS温誘電体が絶縁スベーサ70としての使用に適切で
ある。代りに陽極本体部分68を第5図にボづように高
温誘電体材料より製作することもできる。スベーサ70
及び環状陽極本体部分68の材料は硼素窒化物、アルミ
ナ、石英その他適宜高温絶縁材で良い。
A tS temperature dielectric is suitable for use as the insulation spacer 70. Alternatively, the anode body portion 68 can be made from a high temperature dielectric material as shown in FIG. Subesa 70
The material of the annular anode body portion 68 may be boron nitride, alumina, quartz, or other suitable high temperature insulating material.

絞り部20Gを通る通過時、外方の渦巻き流が主として
アーク32Gの安定及び閉じ込めの働きを行い、絞り部
の表面22cを保護する。渦巻き流中のガスも又絞り部
20Cを通過する際アーク32Gとの接触及び絞り面2
2Gとの接触によりかなりの加熱を受番ブる。境界層再
循環設計にJ3いて、中心アーク域への供給分が最初に
絞り部20Cを通過する際効果的に予備加熱を受1ノ電
弧32Cを安定させる。中心アーク域への予備加熱送り
の使用によりアーク中により高い温度が達成可能となり
従ってより高い比推力の推進装置が容易となる。
During passage through the constriction 20G, the outward swirling flow primarily serves to stabilize and confine the arc 32G, protecting the constriction surface 22c. When the gas in the swirling flow also passes through the constriction section 20C, it comes into contact with the arc 32G and the constriction surface 2.
Contact with 2G causes considerable heating. In the boundary layer recirculation design J3, when the feed to the center arc region first passes through the constriction section 20C it effectively preheats and stabilizes the arc 32C. The use of a preheat feed to the central arc region allows higher temperatures to be achieved in the arc, thus facilitating higher specific impulse thrusters.

このように再循環される全流由の一部分はvlmベース
で20%と高く推力装置の設計や動力レベルいかんに依
存する。このような再循環レベルは流れのアーク部分に
予備加熱を施した推進燃料を完全に供給することができ
る。本発明の第1特徴に圓連して前に述べたように再循
環流を添加ガスに組合わせても良い。
The portion of the total flow that is recycled in this way can be as high as 20% on a vlm basis, depending on thruster design and power level. Such a level of recirculation can provide a complete supply of preheated propellant to the arc portion of the flow. In conjunction with the first aspect of the invention, a recycle stream may be combined with the additive gas as previously described.

燃料分解反応器・再生器 本発明の第5の特徴とする所は、燃料を陰極の{ff置
におけるアーク室に循環させる苗にその一部に反応し再
生を行うための装置に係わる。この特徴を実施した改良
性能アークジェット推進機の第4実施例を第6図及び第
7図に示す。
Fuel Decomposition Reactor/Regenerator A fifth feature of the present invention relates to an apparatus for regenerating a seedling by circulating fuel into an arc chamber at a cathode position by reacting with a part of the seedling. A fourth embodiment of an improved performance arcjet propulsion device implementing this feature is shown in FIGS. 6 and 7.

反応及び再生装置は、全体として軸線Aと平行に延びる
よう陽極本体12D内部に形成された複数本の再生通路
72の形態をしている。これら再生通路72は第7図に
示すように円周方向に互いにへだてられ、再生送り通路
72f’が幀1!ilAから半径方向に再生戻り通路7
2rより遠くに位置している。送り通路72fはその下
流端を戻り通路72「の上流端に接続している。このよ
うな接続部はノズル24Dの前端近くの陽極本体12D
内に位置している。既述の如く、推進装置100に対り
る燃料送り全最の内の一部はアーク室18Dへの注入前
にこれら通路に向番プられる。
The reaction and regeneration device is in the form of a plurality of regeneration passages 72 formed within the anode body 12D to extend generally parallel to the axis A. These regeneration passages 72 are separated from each other in the circumferential direction as shown in FIG. Regeneration return passage 7 radially from ilA
It is located further away than 2r. The feed passageway 72f connects its downstream end to the upstream end of the return passageway 72''. Such connection connects the anode body 12D near the forward end of the nozzle 24D.
Located within. As previously mentioned, a portion of the total fuel supply to propulsion system 100 is directed into these passageways prior to injection into arc chamber 18D.

内側戻り通路72「から推進用燃料供給分は陽極本体1
2D内に形成され陰極ロツド14Dに平行に延びかつ上
流端を戻り通路に接続した流通路74に向けられる。燃
料供給分は流路74を介してその下流端でかつll!極
先端16D近くに位置する躬出ポート76に送られる。
The propulsion fuel is supplied from the inner return passage 72 to the anode main body 1.
2D, extending parallel to cathode rod 14D and connected at its upstream end to a return passageway. The fuel supply is supplied via flow path 74 at its downstream end and ll! It is sent to an outlet port 76 located near the pole tip 16D.

通路72を通過する際燃料送りガスは絶対温瓜1 60
0度までの温度に熱せられる。
When passing through the passage 72, the fuel feed gas has an absolute temperature of 160
It can be heated to temperatures down to 0 degrees.

再生通路72は第3図及び第4図の陰極割出設計のいず
れか一つの様式に関連して一部分解された燃料供給分を
その効果が最大である所の中心アーク域内に割出するた
め利用することができる。
Regeneration passage 72 is used in conjunction with any one of the cathode indexing designs of FIGS. 3 and 4 to index the partially disassembled fuel supply into the central arc region where its effectiveness is greatest. can be used.

かかる応用面の場合、必ずしも燃料支給の全徹の流れを
再生通路72に通す必匪は焦く、全最の内陰極射出に向
けられる分吊のみ通すオプションが与えられる。
In such applications, it is not necessarily necessary to pass the entire flow of the fuel supply through the regeneration passage 72, and the option is provided to pass only the full flow directed to the inner cathode injection.

このアーク室18Dへの射出以前に燃料供給分を再生通
路72に通す点での利点は3つある。叩ら、第1には低
分子量成分を形成ずる燃料送りガスの制即された分解が
促進される点である。再生通路72内における残留時間
は平衡解離の発生には通常余りにも短かいけれど、「高
比推力添加剤との燃料混合」というタイトルで上記に述
べた如く十分な母の低分子は戒分が劇的な推力機性能向
上を引き起こすのに発生される。
There are three advantages in passing the fuel supply through the regeneration passage 72 before being injected into the arc chamber 18D. First, controlled decomposition of the fuel feed gas to form low molecular weight components is promoted. Although the residence time in the regeneration passageway 72 is typically too short for equilibrium dissociation to occur, sufficient parent small molecules are present as discussed above under the heading "Fuel Mixing with High Specific Impulse Additives". Generated to cause dramatic thruster performance improvements.

純粋なアンモニア送りガスの特殊なケースが効果を説明
するのに役立つ。絶対温度1600度K及び1から2大
気圧(アークジェット推進機に対する典型的な送り圧力
)におけるN口.の平衡解離が完了するがかかる完全な
解離は再生通路滞留時間のυ1限によりありそうにもな
い。黙しながら、アークジェット推進機内の部分的な吸
熱を伴うアンモニアの解離は推進装置性能を純粋なNH
送りよりも劇的に向上させるのに十分な量の二原子及び
一原子の水素(H2と口)を作り出すことがでぎる。か
かる解離は均質ガス相反作用であり、又は再生通路壁若
しくは通路に詰めた基質に用いた接触反応剤によりこれ
を促進できる。周知のように、N口3解離は陽極本体製
作に適せる耐火金属のレニウムにより接触反応を起こす
。推進用1!5Fl解離の程度Uアークジェット運転条
件(7ス8i黴率、動力、電流)、陽極及び再生通路形
態(従って、通路におけるR留時間〉ならびに触媒及び
基質の使用についての賢明な設計により隨急にコントロ
ールできる。
The special case of pure ammonia feed gas helps explain the effect. N port at an absolute temperature of 1600 degrees K and a pressure of 1 to 2 atmospheres (typical feed pressure for arc jet propulsion machines). Equilibrium dissociation of is completed, but such complete dissociation is unlikely due to the υ1 limit on the regeneration path residence time. Silently, the dissociation of ammonia with partial endotherms in the arcjet propulsion engine reduces propulsion performance to pure NH.
It is possible to create sufficient amounts of diatomic and monatomic hydrogen (H2 and H2) to dramatically improve the feed rate. Such dissociation is a homogeneous gas reciprocal action or can be promoted by a catalytic agent applied to the regeneration channel walls or to the substrate packed in the channel. As is well known, the N-port 3 dissociation causes a catalytic reaction with rhenium, which is a refractory metal suitable for manufacturing the anode body. Propulsion 1!5Fl degree of dissociation U arcjet operating conditions (7s8i mold rate, power, current), anode and regeneration passage morphology (and therefore R residence time in the passages) and judicious design of catalyst and substrate usage can be quickly controlled.

第2に、燃料送りガスの予備加熱により絞り部においで
より高温の全懸平均温度従ってより高い比准カレベルが
促進される。第3の点として、陽極本体の冷却により推
進機材料に苅する熱応力が低下し従って推進装置の寿命
が伸びる。陽極本体の冷却により陽極外面からの熱放銅
が減じ推力装荷・宇宙船全体に閏する熱的管理が簡単化
された。
Second, preheating of the fuel feed gas promotes a higher overall average temperature and therefore a higher specific power level at the throttle. Third, cooling the anode body reduces thermal stress on the propulsion material and thus extends the life of the propulsion device. Cooling the anode body reduces heat dissipation from the anode's outer surface, simplifying thermal management of the thrust loading and the entire spacecraft.

アークジェット推進機に典型的なばら装填の燃料の流a
率及び熱伝達率に対し、再生通路72を流れる推進用燃
料ガスはノズル24dのアーク付着域においてアーク3
2Dにより陽極本休12D内に溜まった廃熱の一部だけ
を除くことができる。
Bulk fuel flow a typical for arcjet propulsion machines
The propulsion fuel gas flowing through the regeneration passage 72 has an arc 3 in the arc attachment area of the nozzle 24d.
2D allows only a part of the waste heat accumulated in the anode main hole 12D to be removed.

従って、通路形態の設計に当たり、FJA極本体が半径
方向に冷却されるrJJ極外面に対する十分な熱伝導を
可能ならしめるのに十分通路間の半径方向伝導路が幅広
に構成するよう留息せねばならぬ。通路72を通る不適
当へ伝導路により絞り部200及びノズル24Dのそれ
ぞれの表面22D及び26Dにおいてタングステンの溶
解編度近い若しくはそれすら超えるような温度が引き起
こされることがある。
Therefore, in designing the passage configuration, care must be taken to ensure that the radial conduction path between the passages is wide enough to allow sufficient heat transfer to the rJJ pole outer surface where the FJA pole body is radially cooled. No. Improper conduction paths through passageway 72 can cause temperatures at surfaces 22D and 26D of constriction 200 and nozzle 24D, respectively, that approach or even exceed the melting temperature of tungsten.

4. 本発明及びこれに伴う多くの利点については上述の説明
により理解され、本発明の趣旨及び範囲を離脱若しくは
その実質的利点のすべてをぎせいにすることなく各種の
変更を様態、#I造及び部品の構成に加えることができ
る点は明白な事柄であり、本文に述べた形態は単にその
好適又は代表的実施例に過ぎないものである。
4. The present invention and its many advantages may be understood from the foregoing description, and various changes may be made in the form, structure, and structure without departing from the spirit and scope of the invention or detracting from all of its substantial advantages. It is obvious that additions can be made to the configuration of the parts, and the configurations described herein are merely preferred or representative embodiments thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は標準型先行技術によるアークジェット推進機の
陰極ロツド及び陽極ノズル本体を示す概略軸方向断面図
、 第2図は本発明の第1特徴による異なれる推進用燃14
混合物のための推進機入力動力対全吊流M率の比率の函
数としての比推力の関係を示すグラフ、 第3図は本発明の第2特徴による第1タイプの推進用燃
料割出構成を有する改良性能のアークジェット推進機の
第1実琉例を示す概略的軸方向断面図、 第4図は本発明の第3特徴による第2タイプの推進用燃
料剣出橘成を有する改良t!!能のアークジェット推進
機の第2実施例を示す概略的伯方向断面図、 第5図は本発明の第4特徴による第1タイプの推進用燃
料射出と循環構成を有する改良性能のアークジェット推
進機の第3実施例を示す概略的軸方向断而図、 第6図は本発明の第5特徴による第2タイプの推進用燃
料射出と循環構成を有する改良性能のアークジェット推
進機の第4実施例を示す概略的軸方向断面図、 第7図は16図の116−6にそってとった推進機の第
4実施例を示す断面図である。 10・・・・・・アークジェット推進装置、12・・・
・・・陽極、14・・・・・・陰極、16・・・・・・
円錐端、18・・・・・・アーク室、20・・・・・・
絞り部、22・・・・・・円筒面、24・・・・・・ノ
ズル、30・・・電力コントローラ、32・・・・・・
アーク、34・・・・・・燃料ガスの′渦巻流、A・・
・・・・軸線、38・・・・・・ポート、40・・・・
・・大径中心通路、42・・・小径端部チVネル、48
・・・・・・中空円筒形スリーブ、50・・・・・・環
状導管、56・・・・・・1対の戻り通路、58・・・
・・・ベース部、60・・・・・・脚部分、68・・・
・・・環状部分、66・・・・・・開口、70・・・・
・・環状スベーサ、72・・・・・・再生通路。
FIG. 1 is a schematic axial sectional view showing the cathode rod and anode nozzle body of a standard prior art arc jet propulsion machine; FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship of specific impulse as a function of the ratio of propulsion input power to total suspended flow M rate for a mixture; FIG. FIG. 4 is a schematic axial cross-sectional view showing a first practical example of an arc jet propulsion machine having improved performance, and FIG. 4 is an improved t! ! FIG. 5 is a schematic cross-sectional view in the vertical direction showing a second embodiment of an arc jet propulsion device according to the present invention; FIG. FIG. 6 is a schematic axial cross-sectional view of a third embodiment of the machine; FIG. Schematic axial sectional view showing the embodiment. FIG. 7 is a sectional view showing the fourth embodiment of the propulsion device taken along line 116-6 in FIG. 16. 10... Arc jet propulsion device, 12...
...Anode, 14...Cathode, 16...
Conical end, 18...Arc chamber, 20...
Throttle part, 22...Cylindrical surface, 24...Nozzle, 30...Power controller, 32...
Arc, 34...'spiral flow of fuel gas, A...
...Axis line, 38...Port, 40...
...Large diameter center passage, 42...Small diameter end channel V channel, 48
. . . Hollow cylindrical sleeve, 50 . . . Annular conduit, 56 . . . Pair of return passages, 58 .
・・・Base part, 60... Leg part, 68...
...Annular portion, 66...Opening, 70...
...Annular smoother, 72...Regeneration passage.

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)アークジェット推進装置にして、 (イ)環状の絞り部と、直列状に配置せる環状のノズル
とが設けられ、相伴つてアーク室を形成する表面をそれ
ぞれ有し、少なくとも前記ノズルは電気的に伝導体で陽
極を構成する本体と、(ロ)前記絞り部の近くにおかれ
かつ該絞り部より上流にへだてられた先端を有し、前記
アーク室とほぼ同一面内に延びる空隙により前記陽極か
らへだてられる陰極を構成するよう電気的に伝導体の細
長い部材と、 (ハ)前記アーク室内で前記陰極から前記陽極に対し電
弧を発生せしめ、前記室を流れる推進用燃料ガスの熱に
よる加熱と前記ノズルを通ずる燃料ガスの膨張を作り出
すよう前記陽極と陰極とに電圧をかけるための装置と、 (ニ)第1の比推力を有する高分子量燃料と前記第1比
推力より大きい第2の比推力を有する低分子量燃料とよ
りなる燃料ガス混合物を前記アーク室内の前記アークに
供給するための装置とを有するアークジェット推進装置
(1) An arc jet propulsion device, comprising (a) an annular constriction portion and an annular nozzle arranged in series, each having a surface forming an arc chamber, and at least the nozzle is electrically (b) a gap extending in substantially the same plane as the arc chamber; (c) generating an electric arc from the cathode to the anode in the arc chamber by the heat of the propulsion fuel gas flowing through the chamber; (d) a high molecular weight fuel having a first specific impulse and a second specific impulse greater than the first specific impulse; an apparatus for supplying a fuel gas mixture comprising a low molecular weight fuel having a specific impulse to the arc within the arc chamber.
(2)前記低分子量燃料は低温推進用燃料ガスである特
許請求の範囲第1項によるアークジェット推進装置。
(2) The arc jet propulsion device according to claim 1, wherein the low molecular weight fuel is a low temperature propulsion fuel gas.
(3)(イ)環状の絞り部と、直列状に配置せる環状の
ノズルとが設けられ、相伴つてアーク室を形成する表面
をそれぞれ有し、少なくとも前記ノズルは電気的に伝導
体で陽極を形成する本体と、(ロ)前記絞り部の近くに
おかれかつ該絞り部より上流にへだてられた先端を有し
、前記アーク室とほぼ同一面内に延びる空隙により前記
陽極からへだてられる陽極を構成するよう電気的に伝導
体よりなる細長い部材と、 (ハ)前記アーク室内で前記陰極から前記陽極に対し電
弧を発生せしめ、前記室を流れる推進用燃料ガスの熱に
よる加熱と前記ノズルを通ずる燃料ガスの膨張を作り出
すよう前記陽極と陰極とに電圧をかけるための装置と、 (ニ)別々に供給された第1比推力を有するばら装填の
推進用燃料と該第1比推力より大きい第2比推力を有す
る推進用燃料添加剤とを前記陰極の前記先端の領域内の
前記アーク室内に別々に射出するための装置とを有する
アークジェット推進装置。
(3) (a) An annular constriction portion and an annular nozzle arranged in series are provided, each having a surface that together forms an arc chamber, and at least the nozzle has an anode formed of an electrically conductive material. (b) an anode having a distal end located near the constriction and separated upstream from the constriction, and separated from the anode by a gap extending substantially in the same plane as the arc chamber; (c) generating an electric arc from the cathode to the anode in the arc chamber, heating the propellant gas flowing through the chamber through the nozzle; (d) a bulk charge of propulsion fuel having a separately supplied first specific impulse and a first specific impulse greater than the first specific impulse; an arc jet propulsion device comprising: a propellant fuel additive having a specific impulse of 2; and a device for separately injecting a propellant fuel additive into the arc chamber in the region of the tip of the cathode.
(4)ばら装填の推進用燃料が高分子量燃料であり、燃
料添加剤が低分子量燃料である特許請求の範囲第3項に
よるアークジェット推進装置。
(4) The arc jet propulsion system according to claim 3, wherein the bulk propulsion fuel is a high molecular weight fuel and the fuel additive is a low molecular weight fuel.
(5)前記射出装置が前記本体を貫いて延びかつ前記陰
極先端の領域における前記アーク室内にばら装填の燃料
を射出するため前記陰極の前記先端の上流近くで前記ア
ーク室内に開口する少なくとも一つのポートを形成する
装置を含む特許請求の範囲第3項によるアークジェット
推進装置。
(5) at least one injection device extending through the body and opening into the arc chamber upstream of the tip of the cathode for injecting a bulk charge of fuel into the arc chamber in the region of the cathode tip; 4. An arc jet propulsion device according to claim 3, including a device for forming a port.
(6)射出されたばら装填の燃料が前記アーク室内で渦
巻き流を作り出すように前記ポートが前記本体の中心軸
線に対し斜めの角度で延びる特許請求の範囲第5項によ
るアークジェット推進装置。
6. An arc jet propulsion system according to claim 5, wherein the port extends at an oblique angle to the central axis of the body so that the injected bulk fuel creates a swirling flow within the arc chamber.
(7)(イ)環状の絞り部と、直列状に配置せる環状の
ノズルとが設けられ、相伴つてアーク室を形成する表面
をそれぞれ有し、少なくとも前記ノズルは電気的に伝導
体で陽極を構成する本体と、(ロ)前記絞り部の近くに
おかれかつ該絞り部より上流にへだてられた先端を有し
、前記アーク室とほぼ同一面内に延びる空隙により前記
陽極からへだてられる陰極を構成するよう電気的に伝導
体の細長い部材と、 (ハ)前記アーク室内で前記陰極から前記陽極に対し電
弧を発生せしめ、前記室を流れる推進用燃料ガスの熱に
よる加熱と前記ノズルを通ずる燃料ガスの膨張を作り出
すよう前記陽極と陰極とに電圧をかけるための装置と、 (ニ)別々に供給されたばら装填の推進用燃料と推進用
燃料添加剤を前記陰極の前記先端の領域における前記ア
ーク室内に別々に射出するための装置とを有し、 (ホ)該射出装置は前記陰極と該陰極の先端を通ずる通
路を形成する装置を含み、前記陰極を通じ推進用燃料添
加剤を前記陰極先端の領域にある前記アーク室内に、更
に前記陰極と陽極との間に形成されたアークの中心域内
に射出するアークジェット推進装置。
(7) (a) An annular constriction portion and an annular nozzle arranged in series are provided, each having a surface that together forms an arc chamber, and at least the nozzle has an anode formed of an electrically conductive material. (b) a cathode having a distal end disposed near the constriction portion and extending upstream from the constriction portion, and separated from the anode by a gap extending substantially in the same plane as the arc chamber; (c) generating an electric arc from the cathode to the anode in the arc chamber, heating the propulsion fuel gas flowing through the chamber with heat and the fuel passing through the nozzle; (d) applying a separately supplied bulk charge of propellant fuel and propellant additive to said anode and cathode in the region of said tip of said cathode; (e) The injection device includes a device for forming a passage through the cathode and the tip of the cathode, and the injection device includes a device for forming a passage through the cathode and the tip of the cathode, and injects the propellant fuel additive into the cathode through the cathode. An arc jet propulsion device for injecting into the arc chamber in the region of the tip and further into the central region of the arc formed between the cathode and the anode.
(8)前記通路は、前記陰極を通じ長手方向に形成され
た細長い中心部分と、該中央部分に接続され前記陰極を
通じ前記先端の上流で該陰極近くに形成された複数の外
方に張り開かれた端部を有する特許請求の範囲第7項に
よるアークジェット推進装置。
(8) The passageway includes an elongated central portion formed longitudinally through the cathode and a plurality of outwardly flared central portions connected to the central portion and formed through the cathode and upstream of the tip and near the cathode. 8. An arc jet propulsion device according to claim 7, having a rounded end.
(9)(イ)環状の絞り部を形成する装置と、直列状に
配置され相伴つてアーク室を形成するそれぞれの表面を
有する環状のノズルとを設け、少なくとも該ノズルが陽
極を構成するため電気的に伝導体であり、 (ロ)前記絞り部から上流にへだてられ絞り部近くにお
かれた先端を有し、電気的に伝導体で全体として前記ア
ーク室と同じ拡がりを有する空隙により前記陽極からへ
だてられた陰極を構成する細長い部材と、 (ハ)前記陽極と陰極に電圧をかけ、前記室を通じて流
れる推進用燃料ガスの熱による加熱と前記ノズルを通ず
るガスの膨張を作り出す電弧を前記アーク室内の前記陰
極から前記陽極に向け発生せしめるための装置と、 (ニ)推進用燃料ガスの外方境界層部分を前記絞り部よ
り前記陰極先端の領域における前記アーク室内へかつ前
記陰極と陽極の間に形成された電弧の中心域内へ再循環
せしめるための装置とを有するアークジェット推進装置
(9) (a) A device for forming an annular constriction portion and an annular nozzle arranged in series and each having a surface that together form an arc chamber are provided, and at least the nozzle constitutes an anode and is electrically connected to the anode. (b) has a tip extending upstream from the constriction portion and placed near the constriction portion, and is electrically conductive and has the same extent as the arc chamber as a whole; (c) applying a voltage to the anode and the cathode to generate an electric arc that heats the propellant gas flowing through the chamber and expands the gas passing through the nozzle; a device for generating gas from the cathode in the chamber toward the anode; an arc jet propulsion device having a device for recirculating into the central region of the electric arc formed therebetween.
(10)前記再循環装置は前記本体の前記絞り部と前記
陰極との間に延びる少なくとも1つの戻り通路を含む特
許請求の範囲第9項によるアークジェット推進装置。
10. The arc jet propulsion device according to claim 9, wherein the recirculation device includes at least one return passageway extending between the constriction portion of the body and the cathode.
(11)前記通路は全体としてU字型の形態をしており
、ベース部分と、該ベース部分のそれぞれの上流及び下
流端に位置する1対の脚部分とを含む特許請求の範囲第
10項によるアークジェット推進装置。
(11) The passageway is generally U-shaped and includes a base portion and a pair of leg portions located at respective upstream and downstream ends of the base portion. arcjet propulsion device.
(12)前記本体は前記通路上流脚部分を含有する前記
本体の環状部分を前記陽極及び陰極の電位から電気的に
隔離させるための装置を含む特許請求の範囲第11項に
よるアークジェット推進装置。
12. The arc jet propulsion device according to claim 11, wherein the body includes a device for electrically isolating an annular portion of the body containing the upstream leg portion of the passage from the potentials of the anode and cathode.
(13)前記隔離装置は前記本体の前記環状部分の対向
する上流及び下流の端部上におかれた1対の環状の誘電
体のスペーサである特許請求の範囲第12項によるアー
クジェット推進装置。
(13) The arc jet propulsion device according to claim 12, wherein the isolation device is a pair of annular dielectric spacers placed on opposite upstream and downstream ends of the annular portion of the body. .
(14)前記本体の前記環状部分は、前記部分を前記陽
極及び陰極の電位から電気的に隔離するため誘電体より
なる特許請求の範囲第11項によるアークジェット推進
装置。
(14) The arc jet propulsion device according to claim 11, wherein the annular portion of the main body is made of a dielectric material to electrically isolate the portion from the potentials of the anode and cathode.
(15)別々に供給されたばら装填の推進用燃料と推進
用燃料添加剤を前記陰極の前記先端の領域にある前記ア
ーク室内に別々に射出するための装置を有する特許請求
の範囲第9項によるアークジェット推進装置。
(15) Apparatus for separately injecting separately supplied bulk charges of propellant fuel and propellant additive into the arc chamber in the region of the tip of the cathode. arcjet propulsion device.
(16)ばら装填推進用燃料は高分子量燃料であり、推
進用燃料添加剤は低分子量燃料である特許請求の範囲第
15項によるアークジェット推進装置。
(16) The arc jet propulsion system according to claim 15, wherein the bulk propulsion fuel is a high molecular weight fuel and the propulsion fuel additive is a low molecular weight fuel.
(17)前記射出装置は、前記本体を貫通して延びかつ
前記陰極の前記先端の上流近くの前記アーク室内に開口
し前記陰極先端の領域内の前記アーク室内へばら装填の
推進用燃料を射出するための少なくとも1つのポートを
形成する装置を含む特許請求の範囲第15項によるアー
クジェット推進装置。
(17) the injection device extends through the body and opens into the arc chamber near upstream of the tip of the cathode, and injects a bulk charge of propellant fuel into the arc chamber in the region of the cathode tip; 16. An arc jet propulsion device according to claim 15, including means for forming at least one port for.
(18)前記ポートは、射出されたばら装填の燃料が前
記アーク室内で渦巻き流を作り出すよう前記本体の中心
軸線に対し傾斜せる角度で延びる特許請求の範囲第17
項によるアークジェット推進装置。
(18) The port extends at an angle relative to the central axis of the body so that the injected bulk fuel creates a swirling flow within the arc chamber.
Arcjet propulsion device according to section.
(19)前記射出装置は、前記陰極及びその先端を通じ
る通路を形成する装置を含み、前記陰極を通して推進用
燃料添加剤を前記陰極先端の領域における前記アーク室
内にかつ前記陰極と陽極との間に形成されたアークの中
心域内に射出する特許請求の範囲第15項によるアーク
ジェット推進装置。
(19) The injection device includes a device for forming a passage through the cathode and its tip, through which the propellant fuel additive is introduced into the arc chamber in the region of the cathode tip and between the cathode and the anode. 16. The arc jet propulsion device according to claim 15, wherein the arc jet propulsion device injects light into the central region of an arc formed in the arc jet.
(20)前記射出装置は、前記陰極の外面にそつて推進
用燃料添加剤を前記陰極先端における領域においてかつ
前記陰極と陽極との間に形成されたアークの中心域内に
射出するための装置を含む特許請求の範囲第15項によ
るアークジェット推進装置。
(20) The injection device includes a device for injecting a propellant fuel additive along the outer surface of the cathode into a region at the tip of the cathode and into a central region of an arc formed between the cathode and the anode. An arc jet propulsion device according to claim 15.
(21)推進用燃料添加剤射出装置は前記陰極の周りに
同心状におかれ、該陰極から外方にへだてられかつ該陰
極にそつて延びる中空状の被覆体を含み該被覆体と陰極
との間に環状流導管が形成される特許請求の範囲第20
項によるアークジェット推進装置。
(21) The propellant fuel additive injection device includes a hollow cladding disposed concentrically around the cathode, extending outward from the cathode and extending along the cathode, and connecting the cladding with the cathode. Claim 20, wherein an annular flow conduit is formed between the
Arcjet propulsion device according to section.
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