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JP2001317406A - Method and device for placing artificial satellite into low earth orbit - Google Patents

Method and device for placing artificial satellite into low earth orbit

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Publication number
JP2001317406A
JP2001317406A JP2001051571A JP2001051571A JP2001317406A JP 2001317406 A JP2001317406 A JP 2001317406A JP 2001051571 A JP2001051571 A JP 2001051571A JP 2001051571 A JP2001051571 A JP 2001051571A JP 2001317406 A JP2001317406 A JP 2001317406A
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JP
Japan
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liquid
air
aircraft
compressed air
lox
Prior art date
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Application number
JP2001051571A
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Japanese (ja)
Inventor
Jason Andrews
ジェイソン・アンドリュース
Dana Andrews
ダナ・アンドリュース
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Andrews Space & Technology Inc
Original Assignee
Andrews Space & Technology Inc
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new means using air liquefaction to supply a rocket oxidizer for placing a recyclable artificial satellite into a low earth orbit in relation to a field of aerospace crafts. SOLUTION: High-pressure air is extracted from the central part of a turbo fan 20 through an extraction valve 32, and fed to a heat exchanger 36 through a turbine 33. Compressed air flows from the heat exchanger 36 to a LOX generator/separator 38 through a turbine 35. The LOX generator/separator 38 expands the coming air, liquefies it, and separates it to LOX and LN2. The LOX and LN2 are primary chemical components of the air. The newly produced LOX flows to an oxidizer tank 42 for storing the LOX through a turbine 41 until it is used for starting a rocket engine of the spacecraft.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、航空宇宙船の分野
に関し、さらに詳しく言えば、再利用可能人工衛星を低
地球軌道に乗せるためのロケット酸化剤を供給するよう
に空気液化を用いる新規な手段に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of aerospace vehicles and, more particularly, to a novel use of air liquefaction to provide rocket oxidants for placing reusable satellites in low earth orbit. About the means.

【0002】[0002]

【従来の技術】ロケットが航空機を離陸させかつ人工衛
星を地球軌道に乗せるように用いられうることは、当該
技術においては知られている。ロケットの最も一般的な
使用形態の1つは、「液体燃料」ロケットである。ジェ
ットおよびロケット推進エンジンにおいては、燃料が酸
化剤と混合し、推力を発生するようにノズルをかいして
エンジンから出る高温ガスを発生するように燃焼する。
すべての燃料は、燃焼するために酸化剤と組み合わされ
なければならない。海面レベルにおいては、周囲の空気
が酸化剤として働くことができるので、分離酸化剤は必
要とされない。しかし、高い高度においては、空気は薄
く、燃料を燃焼させる容易に入手できる酸化剤がない。
したがって、宇宙船がそれ自体の酸化剤を運ぶ必要があ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION It is known in the art that rockets can be used to take off aircraft and place satellites into earth orbit. One of the most common uses of rockets is the "liquid fuel" rocket. In jet and rocket propulsion engines, fuel mixes with oxidants and burns through nozzles to produce thrust, producing hot gas exiting the engine.
All fuels must be combined with oxidants to burn. At sea level, no separate oxidant is needed because the surrounding air can act as an oxidant. However, at high altitudes, the air is thin and there is no readily available oxidant to burn the fuel.
Therefore, the spacecraft needs to carry its own oxidant.

【0003】燃料の一般的形態は液体水素(以下、LH
2という。)であり、また、一般的な酸化剤は液体酸素
(LOX)である。両LH2およびLOXは、非常に低
温に冷却されなければならない。LOXは、まず空気を
圧縮し、次ぎに空気を非常な低温(代表的には、−30
0度F)まで冷却することによって典型的に発生され
る。この極低温ガスは、次いで液体まで凝縮される。空
気は純粋な酸素ではないので、LOXはいくつかの公知
方法の1つを用いて液体空気から分離される。
[0003] The general form of fuel is liquid hydrogen (hereinafter LH).
Two . ), And a common oxidant is liquid oxygen (LOX). Both LH 2 and LOX must be cooled to very low temperatures. LOX first compresses the air and then the air at very low temperatures (typically -30
Typically generated by cooling to 0 degrees F). This cryogenic gas is then condensed to a liquid. Since air is not pure oxygen, LOX is separated from liquid air using one of several known methods.

【0004】液体燃料ロケットの欠点の1つは、大量の
酸化剤が燃料を燃焼させるために搬送されなければなら
ないことである。LOX−LH2ロケットにおいては、
酸化剤対燃料の比が6対1である。このようにして、代
表的なロケットは、ペイロードの各ポンドについて35
ポンド(15.9kg)を搬送する。LOXの余分の重
量は、航空機の全重量が最大になるとき、離陸のさいに
最大の不利益をもたらす。追加のLOXは、構造および
推進力装置の大部分のサイズを規制する。航空機が離陸
される以前に、酸化剤の重量が低減されるならば、それ
は装置のサイズを非常に低減し、かつ、航空機の運行の
全効率を増加する。
[0004] One of the disadvantages of liquid fuel rockets is that large amounts of oxidizer must be conveyed to burn the fuel. In the LOX-LH 2 rocket,
The oxidant to fuel ratio is 6: 1. Thus, a typical rocket will have 35 lbs for each pound of payload.
Convey pounds (15.9 kg). The extra weight of LOX has the greatest disadvantage during takeoff when the total weight of the aircraft is maximized. The additional LOX controls the structure and the size of most of the propulsion devices. If the weight of the oxidizer is reduced before the aircraft is taken off, it will greatly reduce the size of the equipment and increase the overall efficiency of the operation of the aircraft.

【0005】従来技術においては、宇宙船は航空機が飛
行中に、周囲の空気からLOXを発生することができる
ことが、提案された。この種の装置は、酸化剤の初期供
給なしに航空機を離陸させることができるので、非常に
有利である。このような装置は、あまりにも重く、非効
率的であるので、実行可能ではない。従来装置の大きな
制約は、周囲空気を圧縮しかつ冷却するための機械系統
の重量があまりにも大きくて航空機を軌道に乗せること
ができないということであった。別の従来の装置は、入
口に入る空気を圧縮するために超音速で飛行する航空機
を提案した。しかし、超音速飛行体は、多くの不利益と
欠点とをもっている。それらのうちには、超音速飛行体
が流入する周囲空気の特性を分裂する衝撃波を発生する
ことである。この構成は、空気を冷却し、LOXを発生
することをますます困難にする。
[0005] In the prior art, it was proposed that spacecraft could generate LOX from ambient air while the aircraft was in flight. This type of device is very advantageous because it allows an aircraft to take off without an initial supply of oxidant. Such a device is not feasible because it is too heavy and inefficient. A major limitation of the prior art devices was that the mechanical system for compressing and cooling the surrounding air was too heavy to keep the aircraft in orbit. Another prior device proposed an aircraft flying at supersonic speed to compress the air entering the entrance. However, supersonic vehicles have many disadvantages and disadvantages. Among them is the generation of shock waves that disrupt the characteristics of the surrounding air into which the supersonic vehicle enters. This configuration cools the air and makes it more difficult to generate LOX.

【0006】本発明は、酸化剤の初期荷重なしに航空機
を離陸させる方法および装置を提供することによって、
従来技術の制約を解決している。離陸後、航空機は亜音
速速度、所定の高度で巡航する。宇宙船は、搭載された
液体酸素発生器を搬送する。ロケット・エンジン用液体
水素燃料は、内部タンクに貯蔵される。LOX発生器
は、流入空気を冷却し、気体酸素を液化するように液体
水素燃料を使用する。液体水素は、流入空気を冷却する
ために巨大な熱容量を有している。液体酸素がロケット
・エンジンにおいて酸化剤として働くように要求される
まで、液体酸素はタンクに貯蔵される。
The present invention provides a method and apparatus for taking off an aircraft without an initial load of oxidizer,
Solves the limitations of the prior art. After takeoff, the aircraft cruises at subsonic speeds and at a given altitude. The spacecraft carries an onboard liquid oxygen generator. Liquid hydrogen fuel for rocket engines is stored in an internal tank. LOX generators use liquid hydrogen fuel to cool incoming air and liquefy gaseous oxygen. Liquid hydrogen has a huge heat capacity to cool the incoming air. Liquid oxygen is stored in tanks until liquid oxygen is required to act as an oxidant in the rocket engine.

【0007】[0007]

【発明の概要】本発明は、人工衛星を低地球軌道に乗せ
る方法を含む。本発明の方法は、ターボファン・エンジ
ンおよびロケット・エンジンを含む宇宙船に用いられる
ように目論まれている。宇宙船は、軌道に乗せられるべ
き遊び荷重を搬送する。本発明の方法においては、下記
の工程が用いられる。宇宙船は、従来の航空機のように
滑走路から離陸する。離陸のさいに、宇宙船は、動力と
してターボファン・エンジンを使用する。宇宙船は、所
定の時刻に所定の位置を飛行する。宇宙船は、所定の高
度を亜音速速度で飛行する。ターボファン・エンジンか
らの圧縮空気は、周囲空気から液体酸素を発生するよう
に用いられる。液体酸素は、酸化剤タンクに貯えられ
る。十分な量の液体酸素が発生されたときに、液体酸素
はロケット・エンジン用燃料を燃焼するように酸化剤と
して用いられる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention includes a method for placing a satellite in low earth orbit. The method of the present invention is intended for use on spacecraft including turbofan and rocket engines. The spacecraft carries the idle load to be put into orbit. In the method of the present invention, the following steps are used. The spacecraft takes off from the runway like a conventional aircraft. During takeoff, the spacecraft uses turbofan engines as power. The spacecraft flies over a predetermined position at a predetermined time. The spacecraft flies at a predetermined altitude at subsonic speed. Compressed air from a turbofan engine is used to generate liquid oxygen from ambient air. Liquid oxygen is stored in an oxidizer tank. When a sufficient amount of liquid oxygen has been generated, the liquid oxygen is used as an oxidant to burn rocket engine fuel.

【0008】本発明は、航空機内で液体酸素を発生する
構造を含む。航空機は、ターボファン・エンジンによっ
て駆動され、液化水素ガス(LH2)を収容する貯蔵タ
ンクを含む。液体酸素を発生する装置は、ターボファン
・エンジンのコンプレッサ段の下流に配置された抽出弁
を含む。抽出弁は、圧縮空気の流れをつくる。この圧縮
空気は、熱交換器へ送られ、冷却される。本発明におい
ては、熱交換器は、航空機の外皮付近に圧縮空気を流す
ダクトからなる。航空機表面における空気の温度は非常
に冷たく、極めて効率的な冷却機構として作用する。冷
却された空気は、凝縮器に送られる。発生器および凝縮
器は冷却された空気を液化する。分離器は液化空気の構
成部分から液体酸素を分離するように用いられる。航空
機の貯蔵タンクは、液体酸素を貯蔵するように用いられ
る。
The present invention includes a structure for generating liquid oxygen in an aircraft. The aircraft includes a storage tank driven by a turbofan engine and containing liquefied hydrogen gas (LH 2 ). The device for generating liquid oxygen includes an extraction valve located downstream of the compressor stage of the turbofan engine. The extraction valve creates a flow of compressed air. This compressed air is sent to a heat exchanger and cooled. In the present invention, the heat exchanger comprises a duct for flowing compressed air near the outer skin of the aircraft. The temperature of the air at the aircraft surface is very cold and acts as a very efficient cooling mechanism. The cooled air is sent to a condenser. The generator and condenser liquefy the cooled air. The separator is used to separate liquid oxygen from the liquefied air component. Aircraft storage tanks are used to store liquid oxygen.

【0009】[0009]

【好適実施例の詳細な説明】人工衛星を低地球軌道に乗
せるさいに用いるための酸化剤を供給するように空気液
化機能を用いる新規な方法および装置が、記載される。
下記の記載においては、説明の便宜上、特別の方法工
程、要素配置および構造ならびにその他の詳細が、本発
明のより深い理解を与えるために述べられる。しかし、
本発明はこれらの特別な詳述なしでも実施されうること
は、当業者であれば明らかであろう。その他の例におい
ては、周知の製造方法および構造が、本発明を不必要に
妨げないように、詳細には記載されていない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A novel method and apparatus for using an air liquefaction function to supply an oxidant for use in placing a satellite in low earth orbit is described.
In the following description, for purposes of explanation, particular method steps, element arrangements and structures, and other details are set forth to provide a further understanding of the invention. But,
It will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known methods and structures have not been described in detail as not to unnecessarily obscure the present invention.

【0010】本発明は、再使用可能宇宙船を所定量のペ
イロード用最少量燃料の使用を要求する仕方で低地球軌
道を達成させる。まず図1において、本発明を採用した
代表的な再使用可能宇宙船10が示される。本発明によ
れば、宇宙船は、慣用の飛行機のように離陸し、着陸す
る。したがって、宇宙船は、翼12、水平安定器13、
垂直安定器14を含む。宇宙船は、少なくとも1つのタ
ーボファン・エンジン20を含む。ターボファン・エン
ジンは、離陸のさいに宇宙船に動力を与えるように用い
られる。ターボファン・エンジンは、図3に関連して後
述するように、変更される。
The present invention allows a reusable spacecraft to achieve low earth orbit in a manner that requires the use of a minimum amount of fuel for a given amount of payload. Referring first to FIG. 1, a representative reusable spacecraft 10 employing the present invention is shown. According to the invention, the spacecraft takes off and landes like a conventional airplane. Therefore, the spacecraft has wings 12, horizontal stabilizers 13,
Includes vertical stabilizer 14. The spacecraft includes at least one turbofan engine 20. Turbofan engines are used to power the spacecraft during takeoff. The turbofan engine is modified as described below in connection with FIG.

【0011】図1に再び戻って、本発明の好適実施例の
宇宙船は、2段クラフトである。宇宙船の第2段は、少
なくとも1つのロケット・エンジン16を含む。第2段
は、人工衛星または地球軌道に乗せられるべきその他の
ペイロードをも含む。ロケット・エンジンは、ペイロー
ドを軌道に入れるための動力を供給するように離陸後に
使われる。ロケット・エンジンは、酸化剤として液体酸
素(LOX)を用いる液体燃料形式のものである。宇宙
船は、図1には示されてはいないその他の要素をも含
む。これらの要素のうちには、ロケット・エンジン16
用燃料を保持する燃料タンク18がある。離陸のさいに
は、燃料タンクがほぼ満タンにされる。宇宙船は、酸化
剤タンク19を有し、それは宇宙船が離陸する時点では
ほぼ空になる。燃料タンク18および酸化剤タンクは、
適当なポンプ(図示せず)によってロケット・エンジン
16に接続される。
Referring again to FIG. 1, the spacecraft of the preferred embodiment of the present invention is a two-stage craft. The second stage of the spacecraft includes at least one rocket engine 16. The second stage also contains satellites or other payloads to be placed in earth orbit. The rocket engine is used after takeoff to provide power to put the payload into orbit. Rocket engines are of the liquid fuel type, using liquid oxygen (LOX) as the oxidant. The spacecraft also includes other elements not shown in FIG. Among these elements are the rocket engine 16
There is a fuel tank 18 for holding fuel for use. At takeoff, the fuel tank is almost full. The spacecraft has an oxidizer tank 19, which is almost empty when the spacecraft takes off. The fuel tank 18 and the oxidizer tank are
Connected to rocket engine 16 by a suitable pump (not shown).

【0012】図1に再びもどって、宇宙船10として示
されている形態は説明および参照の目的のみであること
を、理解されたい。図1は、本発明と共に利用されうる
乗物の形式に限定されることを意味してはいない。特
に、本発明は、異なる翼および胴体形態ならびに飛行制
御表面の異なる構成と共に用いられうる。唯一の制限
は、宇宙船が完全ペイロードと共に離陸しかつ巡航させ
るのに十分な揚力をもった翼をもたなければならないこ
とである。本発明の好適実施例は、離陸および初期段階
の飛行任務期間中に推力を与えるようにターボファン・
エンジンを使用する。
Returning to FIG. 1, it should be understood that the configuration shown as spacecraft 10 is for illustration and reference purposes only. FIG. 1 is not meant to be limited to the types of vehicles that can be used with the present invention. In particular, the present invention can be used with different wing and fuselage configurations and different configurations of flight control surfaces. The only limitation is that the spacecraft must have wings with sufficient lift to take off and cruise with the full payload. The preferred embodiment of the present invention provides a turbofan engine to provide thrust during takeoff and early flight missions.
Use the engine.

【0013】次ぎに図2において、本発明の方法を用い
た宇宙船の代表的な飛行任務概観図が示されている。代
表的な飛行任務は、多数の異なる要素または段階に分解
されうる。種種の飛行任務は、図2の番号を付けた菱形
によって表示される。図2は、本発明の方法の好適実施
例において含まれる飛行任務の代表的な段階を示す。こ
れらの段階は、本発明の方法に用いられる工程に対応す
る。
Referring now to FIG. 2, a representative flight mission overview of a spacecraft using the method of the present invention is shown. A typical flight mission can be broken down into a number of different elements or stages. The various flight missions are indicated by the numbered diamonds in FIG. FIG. 2 illustrates the typical stages of a flight mission included in a preferred embodiment of the method of the present invention. These steps correspond to the steps used in the method of the invention.

【0014】飛行任務段階1においては、宇宙船は正規
の飛行機のように滑走路から離陸する。離陸動力は、タ
ーボファン・エンジン20によって供給される。宇宙船
の離陸の時点において、宇宙船はロケット・エンジン用
の液体燃料のみならずそのペイロードを搬送しつつあ
る。しかし、宇宙船はロケット・エンジン用酸化剤を搬
送しない。酸化剤は、後に述べるように、飛行任務の第
3段階中に発生される。離陸重量において酸化剤を含ま
ないことによって、宇宙船は大きなペイロードを揚げる
ことができ、かつ、その大ペイロードを地球軌道に運ぶ
ことができる。
[0014] In flight mission phase 1, the spacecraft takes off from the runway like a regular airplane. Takeoff power is provided by a turbofan engine 20. At the time of the spacecraft's takeoff, the spacecraft is carrying not only liquid fuel for rocket engines, but also its payload. However, the spacecraft does not carry rocket engine oxidizers. The oxidant is generated during the third phase of the flight mission, as described below. The absence of oxidizer in the takeoff weight allows the spacecraft to lift large payloads and carry the large payloads to Earth orbit.

【0015】図2に再び戻って、第2段階は、「巡航お
よび道草」段階として言及される。この段階は、飛行任
務計画において非常に多くの融通性を与え、宇宙船を種
種の異なる形式の飛行任務で飛行させられる。第2段階
中に宇宙船は、所定の位置まで飛行できる。このこと
は、宇宙船が、最初の離陸地点から離れた地点において
人工衛星を軌道に乗せることができるようにする。例え
ば、航空機は離陸することができ、ロケット・エンジン
が始動する前に、大洋を超えた遠方の地点へ移動でき
る。この形式の飛行任務は、危険なペイロードが飛行さ
れつつあるときに有用になる。また、宇宙船が、推進前
の特別の時刻まで、道草または待機できる。このこと
は、最終的な軌道のタイミングを特別に調整されるよう
にする。
Returning to FIG. 2, the second stage is referred to as the "cruise and trail" stage. This stage provides a great deal of flexibility in flight mission planning, allowing the spacecraft to fly in a variety of different types of flight missions. During the second phase, the spacecraft can fly to a predetermined position. This allows the spacecraft to orbit the satellite at a point away from the initial takeoff point. For example, an aircraft can take off and travel far beyond the ocean before the rocket engine starts. This type of flight mission is useful when dangerous payloads are being flown. Also, the spacecraft can walk or wait until a special time before propulsion. This allows the timing of the final trajectory to be specially adjusted.

【0016】さらに、人工衛星が異なる位置から発進さ
れるとき、異なる形式の地球軌道が容易に得られること
が知られている。例えば、宇宙船が赤道付近から発進さ
れた場合に、赤道直下の軌道は最も容易に達成される。
これは、地球の回転速度の利点を有する。宇宙船が高高
度から発進された場合には、極地の軌道は最も容易に達
成される。したがって、本発明の巡航および道草工程
は、異なる形式の軌道および飛行任務を達成させられる
ようにする。本発明のこの特徴は、固定位置から発進す
るロケットを使う従来技術では得られない。
It is further known that different types of earth orbits are easily obtained when satellites are launched from different locations. For example, if the spacecraft is launched near the equator, the orbit just below the equator is most easily achieved.
This has the advantage of earth rotation speed. Polar trajectories are most easily achieved when the spacecraft is launched from a high altitude. Accordingly, the cruise and trail processes of the present invention allow different types of orbit and flight missions to be achieved. This feature of the invention is not available in the prior art using a rocket launching from a fixed position.

【0017】再び図2に戻って、飛行任務の第3段階に
おいては、宇宙船は搭載LOX発生器を用いて酸化剤を
発生する。LOX発生器の特別な構造および動作は、図
3を参照して以下に記載される。本発明の好適実施例に
おいては、宇宙船は亜音速速度で飛行される。圧縮空気
がターボファン・エンジンから吸引される。この空気
は、LOXを発生するようにロケット燃料タンクに貯蔵
されたLH2を用いて冷却される。発生されたLOX
は、宇宙船の酸化剤タンクに貯えられる。
Returning to FIG. 2, in the third stage of the flight mission, the spacecraft generates oxidizer using an on-board LOX generator. The specific structure and operation of the LOX generator will be described below with reference to FIG. In a preferred embodiment of the present invention, the spacecraft flies at subsonic speed. Compressed air is drawn from the turbofan engine. This air is cooled using LH 2 stored in a rocket fuel tank to generate LOX. LOX generated
Are stored in a spacecraft oxidizer tank.

【0018】第3飛行任務期間中、宇宙船は亜音速速度
で移動する。超音速飛行は、最も効率的であるので、本
発明の好適実施例において使われる。飛行機が超音速で
飛行する場合に、飛行機は衝撃波を発生する。これらの
衝撃波は、周囲の空気の流れを乱すので、好ましくな
く、その特性を変える。亜音速飛行では、空気は衝撃波
によって乱されない。本発明の好適実施例は亜音速飛行
を利用するけれども、本発明の装置は超音速速度で使用
されるように変更されうることは、当業者であれば理解
されるであろう。
During the third flight mission, the spacecraft moves at subsonic speed. Supersonic flight is used in the preferred embodiment of the present invention because it is the most efficient. When an airplane flies at supersonic speeds, it generates shock waves. These shock waves, which disturb the flow of the surrounding air, are undesirable and change their properties. In subsonic flight, the air is not disturbed by shock waves. Although the preferred embodiment of the present invention utilizes subsonic flight, those skilled in the art will appreciate that the apparatus of the present invention may be modified to be used at supersonic speeds.

【0019】十分な量のLOXが発生された後に、ロケ
ット・エンジンが飛行任務段階4で始動される。これ
は、宇宙船を大気上外の軌道に乗せ、そして、飛行任務
段階5において宇宙船の第2段が離れ、飛行任務段階6
aにおいて軌道まで継続する。飛行任務段階6bにおい
て第1段が大気に再突入し、ターボファン・エンジンが
再起動され、宇宙船は飛行任務段階7において従来の飛
行機のように正常に着陸する。
After a sufficient amount of LOX has been generated, the rocket engine is started in flight mission phase 4. This places the spacecraft in orbit above and outside the atmosphere, and in flight mission phase 5 the second stage of the spacecraft leaves and flight mission phase 6
Continue to orbit at a. In flight mission phase 6b, the first stage re-enters the atmosphere, the turbofan engine is restarted, and the spacecraft normally lands in flight mission phase 7 like a conventional airplane.

【0020】次ぎに図3において、本発明で酸化剤を発
生する装置を示す概略構成が示される。ターボファン・
エンジンは、参照番号20で総体的に示される。ターボ
ファン・エンジン20は、入口ダクト22、高バイパス
・ファン24、コンプレッサ段26、バーナ段28、タ
ービンおよびノズル段29を含む。周囲空気は、入口ダ
クト22およびファン24をかいして入り、2つの部分
に分けられる。空気流の大部分は、バイパス・ダクト2
7に入る。空気の残りの部分は、コンプレッサ段26を
通過する。最も近代的なジェット・エンジンにおいて
は、バイパス比は6対1である。すなわち、6部の空気
が、コンプレッサ段26に入る空気の各部に対してバイ
パス・ダクト27を通過する。
Next, FIG. 3 shows a schematic configuration showing an apparatus for generating an oxidizing agent in the present invention. Turbo fan
The engine is indicated generally by the reference numeral 20. Turbofan engine 20 includes an inlet duct 22, a high bypass fan 24, a compressor stage 26, a burner stage 28, a turbine and nozzle stage 29. Ambient air enters through an inlet duct 22 and a fan 24 and is split into two parts. Most of the airflow is in the bypass duct 2
Enter 7. The remainder of the air passes through compressor stage 26. In most modern jet engines, the bypass ratio is 6: 1. That is, six parts of air pass through the bypass duct 27 for each part of the air entering the compressor stage 26.

【0021】コンプレッサ26の目的は、バーナにおけ
る燃焼のための流入空気を圧縮することである。このよ
うにして、コンプレッサ26の下流の空気は、高圧にな
る。コンプレッサを出る空気の通常20%は燃料バーナ
28に直接噴射され、80%はタービン段29前の下流
で混合されるようにバーナを迂回する。本発明において
は、バーナを迂回する高圧空気は、ターボファンの中心
部から抽出弁32を通って抽出され、タービン33を通
り熱交換器36へ送られる。図3は、概略形体で熱交換
器を示す。
The purpose of the compressor 26 is to compress the incoming air for combustion in the burner. In this way, the air downstream of the compressor 26 has a high pressure. Typically 20% of the air leaving the compressor is injected directly into the fuel burner 28, with 80% bypassing the burner for mixing downstream before the turbine stage 29. In the present invention, the high pressure air bypassing the burner is extracted from the center of the turbofan through the extraction valve 32 and sent to the heat exchanger 36 through the turbine 33. FIG. 3 shows the heat exchanger in schematic form.

【0022】本発明の好適実施例は、2段の熱交換器を
使用する。第1段では、抽出弁32からの圧縮空気が、
宇宙船の外皮の次ぎにダクト(図3においては図示され
ていない)を通過される。宇宙船が高高度で飛行してい
るとき、宇宙船は非常に冷たく、代表的には−30度F
付近の温度になる。ダクトは、宇宙船の胴体のみならず
翼の外皮付近を通過する。熱交換器の第2段において
は、液体窒素(LN2)および液体水素が流入空気をさ
らに冷却するために用いられる。LN2は−320度F
の温度になり、また、液体水素は−320度Fの温度に
なる。LN2は後述するように発生される。
The preferred embodiment of the present invention uses a two-stage heat exchanger. In the first stage, the compressed air from the extraction valve 32
It passes through a duct (not shown in FIG. 3) next to the spacecraft hull. When the spacecraft is flying at high altitude, the spacecraft is very cold, typically -30 degrees Fahrenheit.
It will be near the temperature. The duct passes near the outer skin of the wing as well as the spacecraft's fuselage. In the second stage of the heat exchanger, liquid nitrogen (LN2) and liquid hydrogen are used to further cool the incoming air. LN2 is -320 degrees F
, And the temperature of liquid hydrogen is -320 ° F. LN2 is generated as described below.

【0023】熱交換器36から(−265度F付近に冷
却されている)圧縮空気が、タービン35を通ってLO
X発生器/分離器38へ流れる。LOX発生器/分離器
38は、流入空気を膨脹し、液化し、それをLOXとL
2とに分離する。LOXとLN2は、空気の一次化学構
成成分である。新たにつくられたLOXは、宇宙船のロ
ケット・エンジンを始動するように用いられるまで、貯
蔵される酸化剤タンク42へタービン41をかいして流
れる。
Compressed air (cooled to around -265 ° F.) from heat exchanger 36 passes through turbine 35
Flow to X generator / separator 38. The LOX generator / separator 38 expands and liquefies the incoming air and converts it to LOX and L
It is separated into a N 2. LOX and LN 2 is a primary chemical constituent of air. The newly created LOX flows through a turbine 41 to a stored oxidizer tank 42 until it is used to start a spacecraft rocket engine.

【0024】上述したように、LOX発生器はまたLN
2をもつくる。LN2は、熱交換器36へ戻され、タービ
ン33からの流入圧縮空気を予備冷却するように用いら
れる。窒素が熱交換器を通過した後、窒素は気体にな
る。この気体窒素は、加圧下でエンジンのバーナ部へ逆
噴射される。そこで、気体窒素は燃焼生成物を混合さ
れ、タービンに入る。
As mentioned above, the LOX generator also has a LN
Bring two . LN 2 is returned to heat exchanger 36 and used to pre-cool the incoming compressed air from turbine 33. After the nitrogen passes through the heat exchanger, the nitrogen becomes a gas. The gaseous nitrogen is injected back into the burner of the engine under pressure. There, the gaseous nitrogen mixes the combustion products and enters the turbine.

【0025】図3に再び戻って、本発明は、ターボファ
ン・エンジン20の運転効率を上げるために、空気液化
工程からLH2の使用をつくる。LH2が空気熱交換器内
で用いられた後に、LH2は加熱され、気体に膨脹す
る。この気体水素(GH2)がタービン45を通過し、タ
ーボファン・エンジンへ向けられる。そこで気体水素
は、エンジンのバーナ段27へ誘導される。GH2燃料
は、20%の残り空気と混合して燃焼し、ターボファン
・エンジンを駆動する。このようにして、使用された水
素は損失されず、ターボファン・エンジン20および宇
宙船全体の全運転効率が向上される。図4は、本発明の
構成の詳細構造を示す。その構造の要素は、概略形式で
示される。
Returning again to FIG. 3, the present invention makes use of LH 2 from the air liquefaction process to increase the operating efficiency of turbofan engine 20. After LH 2 is used in an air heat exchanger, LH 2 is heated and expands into a gas. This gaseous hydrogen (GH 2 ) passes through turbine 45 and is directed to a turbofan engine. The gaseous hydrogen is then directed to the burner stage 27 of the engine. GH 2 fuel is mixed with 20% of the remaining air combusted to drive the turbofan engine. In this way, the hydrogen used is not lost and the overall operating efficiency of the turbofan engine 20 and the entire spacecraft is improved. FIG. 4 shows a detailed structure of the configuration of the present invention. The elements of the structure are shown in schematic form.

【0026】本発明の記載は、人工衛星を低地球軌道に
乗せる手段についての特別の方法工程、構造、構成につ
いてなされた。上述した記載は、説明のためのみであ
り、本発明の全体の精神および範囲から逸脱せずに様様
な変更および修正が本発明になされうることは、当業者
であれば理解されるであろう。本発明の完全な範囲は、
特許請求の範囲にのみ確定されかつ限定される。
The description of the invention has been made with reference to specific method steps, structures, and arrangements for placing a satellite in low earth orbit. It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description is illustrative only, and that various changes and modifications may be made to the invention without departing from the spirit and scope of the invention. . The full scope of the invention is:
It is defined and limited only by the claims.

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

【図1】本発明を採用した代表的な再使用可能宇宙船を
示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a typical reusable spacecraft employing the present invention.

【図2】本発明の方法を採用した宇宙船の代表的な飛行
任務計画大綱の線図である。
FIG. 2 is a diagram of a typical flight mission plan outline for a spacecraft employing the method of the present invention.

【図3】本発明の液体酸素発生装置の概略線図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a liquid oxygen generator of the present invention.

【図4】本発明の液体酸素発生装置のさらに詳細な概略
線図である。
FIG. 4 is a more detailed schematic diagram of the liquid oxygen generator of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダナ・アンドリュース アメリカ合衆国ワシントン州98134 シア トル,ファースト・アベニュー・サウス 900,スイート 402 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing the front page (72) Inventor Dana Andrews 98134 Seattle, Washington, USA, First Avenue South 900, Suite 402

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】周囲空気から液体要素を発生する方法であ
って、航空機を採用し、該航空機が少なくとも1つのタ
ーボファン・エンジンを含み、前記航空機を亜音速速
度、所定の高度で飛行させること、周囲空気から液体要
素を発生させること、ただし該液体要素は液体酸素およ
び液体窒素群の1種またはそれ以上からなり、液体要素
を隔離すること、ならびに各液体要素を前記航空機のタ
ンクに別々に貯蔵することからなる方法。
1. A method for generating a liquid component from ambient air, comprising employing an aircraft, the aircraft including at least one turbofan engine, and causing the aircraft to fly at subsonic speed, a predetermined altitude. Generating liquid components from the ambient air, wherein the liquid components consist of one or more of the group of liquid oxygen and liquid nitrogen, isolating the liquid components, and separately placing each liquid component in the aircraft tank. A method consisting of storing.
【請求項2】前記航空機が宇宙船である、請求項1に記
載の方法。
2. The method of claim 1, wherein said aircraft is a spacecraft.
【請求項3】周囲空気から液体窒素を発生すること、お
よび該液体窒素を前記宇宙船のタンクに貯蔵することか
らさらになる、請求項1に記載の方法。
3. The method of claim 1, further comprising generating liquid nitrogen from ambient air and storing the liquid nitrogen in the spacecraft tank.
【請求項4】前記ターボファン・エンジンのコンプレッ
サから下流で圧縮空気を引き出すこと、液体水素、液体
酸素、液体窒素からなる群から1またはそれを超える形
式の冷却剤を用いて前記圧縮空気を冷却しかつ液化する
こと、ただし各形式の冷却剤は前記宇宙船のタンクに貯
蔵された工程において用いられ、ならびに液化圧縮空気
から液体酸素を分離することからさらになる、請求項1
に記載の方法。
4. A method for extracting compressed air downstream from a compressor of the turbofan engine, wherein the compressed air is cooled using one or more types of coolants from the group consisting of liquid hydrogen, liquid oxygen, and liquid nitrogen. And liquefying, wherein each type of coolant is used in a process stored in the spacecraft tank and further comprises separating liquid oxygen from liquefied compressed air.
The method described in.
【請求項5】前記発生工程は、前記ターボファン・エン
ジンのコンプレッサから下流で圧縮空気を引き出すこ
と、熱交換器と、および液体水素、液体酸素、液体窒素
からなる群から少なくとも1つの液体要素とを用いて前
記圧縮空気を冷却しかつ液化すること、ただし各液体要
素は前記航空機のタンクに別々に貯蔵され、液体酸素お
よび液体窒素からなる群から少なくとも1つの液体要素
を前記液化圧縮空気から分離することからなる、請求項
1に記載の方法。
5. The method according to claim 1, wherein said generating step comprises extracting compressed air downstream from a compressor of said turbofan engine, a heat exchanger, and at least one liquid element from the group consisting of liquid hydrogen, liquid oxygen, and liquid nitrogen. Cooling and liquefaction of said compressed air using, wherein each liquid component is separately stored in a tank of said aircraft and separating at least one liquid component from the group consisting of liquid oxygen and liquid nitrogen from said liquefied compressed air The method of claim 1 comprising:
【請求項6】航空機を亜音速速度で飛行させること、前
記航空機のターボファン・エンジンのコンプレッサ段か
ら下流で空気を引き出し、かつ該圧縮空気を前記航空機
に受け入れること、前記圧縮空気を熱交換器に通過させ
て圧縮空気を液化させるのに十分に冷却すること、前記
液化空気から液体酸素(LOX)を分離することからな
る、酸化剤を発生する方法。
6. Flying an aircraft at subsonic speed; extracting air downstream from a compressor stage of a turbofan engine of the aircraft; and receiving the compressed air into the aircraft; And cooling the compressed air sufficiently to liquefy the compressed air, and separating liquid oxygen (LOX) from the liquefied air.
【請求項7】航空機を亜音速速度で飛行させること、周
囲の空気を前記航空機に受け入れること、前記空気を液
化させるのに十分に該空気を冷却すること、液体酸素
(LOX)および液体窒素(LN2)からなる群から少
なくとも1つの液体要素を前記液化空気から分離するこ
とからなる、冷却剤を発生する方法。
7. Flying an aircraft at subsonic speed; receiving ambient air into said aircraft; cooling said air sufficiently to liquefy said air; liquid oxygen (LOX) and liquid nitrogen ( LN 2 ). A method for generating a coolant, comprising separating at least one liquid component from the group consisting of LN 2 ) from said liquefied air.
【請求項8】少なくとも1つのターボファン・エンジン
を含む運行航空機に液体酸素(LOX)および液体窒素
(LN2)からなる群から1またはそれを超える液体要
素をつくり出す装置であって、前記液体要素の1つは液
化水素ガス(LH2)であり、前記ターボファン・エン
ジンのコンプレッサ段の下流に配置された抽出弁と、前
記抽出弁に流体連通していて前記LH2を用いる熱交換
器と、該熱交換器に流体連通している貯蔵タンクとから
なる装置。
8. An apparatus for producing one or more liquid components from the group consisting of liquid oxygen (LOX) and liquid nitrogen (LN 2 ) in a service aircraft including at least one turbofan engine, said liquid component comprising: One is liquefied hydrogen gas (LH 2 ), an extraction valve located downstream of the compressor stage of the turbofan engine, and a heat exchanger in fluid communication with the extraction valve and using the LH 2. A storage tank in fluid communication with the heat exchanger.
【請求項9】前記熱交換器は、前記航空機の外皮付近の
圧縮空気流を通し、該圧縮空気流を冷却する複数のダク
トからなる、請求項8に記載の装置。
9. The apparatus of claim 8, wherein said heat exchanger comprises a plurality of ducts for passing a flow of compressed air near a skin of said aircraft and cooling said flow of compressed air.
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