SpaceX and Rocket Engine Pintle Injector (2)
Update : 2020.08.23
English Version
第1回目では、ピントルインジェクターとは何かについて解説した。第2回目では、SpaceXが具体的にどの部分でこの技術を使用しているのか、Merlin 1AとMerlin 1Dに適応されたピントルインジェクター技術、SpaceXの特許技術である、アクティブ冷却式ピントルインジェクターについて解説する。
2003年12月にワシントンD.C.のスミソニアン博物館本館前で、イーロンマスク氏が講演を行った。その時に、Falcon1ロケットの実機が展示されたのである。これは貴重な機会であり、恐らく一般人がFalcon1のMerlin1Aロケットエンジン内部を覗ける唯一の機会であった。
画素数的に不鮮明だが、上記に示すのは、ロケット後方からのフラッシュを焚いた撮影画像である。TR-201に比べて、Falcon9のMerlin1D同様、ノズルスロートに対してピントル径が大きい印象を受ける。
中心には銅合金系の金属色が確認でき、固定具等ではないか、ではないかと推測される。
あるいは周囲がユニットになっており、この部分自体がピントルインジェクターの可能性もある。
アクティブ冷却機能の特許申請は2005年にあり、その２年前かつ人目に晒すMerlin1Aには、その機能が搭載されたかどうかは判断できない。（次章で、解説）
References
[1] Topic: SpaceX Falcon 1 rocket and launches
http://www.collectspace.com/ubb/Forum35/HTML/000340.html
[2] The Falcon and the showman
http://www.thespacereview.com/article/70/1
SpaceXは、TRWの頃のピントルインジェクターから何か改良を施しているのだろうか？
実はSpaceXは、特許戦略として、あえて特許を取得を行っていない。実際、SpaceXが取得している特許は、ほとんどない。しかしながら、2004年年9月8日に、TRW元社員で、現SpaceX副社長のTom Muller(Thomas J. Mueller)の名前でSpaceXから特許が出願されている。
Reference
[3] Pintle injector tip with active cooling, US7503511B2
https://patents.google.com/patent/US7503511
これは、「アクティブ冷却式ピントルインジェクター」と解説されており、その技術内容は、ピントル先端からも推進剤を噴出させることで、先端を冷却し一種の熱障壁として機能させようとするものである。先端の半径方向から噴射して、推進剤を混合させるのが、通常のやり方だが、これに加えて先端からも、燃料か酸化剤、どちらかを推進剤リッチに噴射することで、ある種のフィルム冷却を行う。
ピントル内部を流れる推進剤に対して、距離が遠い先端部が、燃焼室内の加熱に晒され、熱的に厳しい箇所になる。従来のピントルインジェクタは、先端に材料が蒸発して熱を奪うアブレータや、耐熱材を施工、あるいは金属材料越しに内部の推進剤が熱を奪う事で、それを達成してきた。
先端に対して、フィルム冷却を行う様に穴を開ければ、シンプルな改良で耐久性を高めることが出来る。それによりメンテナンスや部品交換の手間が省ければ、再使用ロケット開発を掲げるSpaceXの利益と低コスト化に大きく寄与する。
ここからは、筆者の推論であるが、元々TRWが開発し、特許が切れたピントルインジェクターをSpaceXも使用しており、競合他社もそれを採用する可能性を想定したのではないか。すると、シンプルな改良でピントルインジェクターの耐久性を上げる事が出来る本特許技術を他者が考案する可能性を考慮し、特許を取らないよりも先に取得する方がリスクが少ないと踏んだの可能性がある。
上記は、LM DESCENTエンジンから派生したTR-201ロケットエンジンである。Delta系の上段に使用された、ピントルインジェクターを持つ代表的なエンジンである。再使用を考えられておらず、ピントル先端は耐熱材（黒色の部分）が施工されていると見られる。
Reference
[5] Pintle Injector Rocket Engines
https://nssphoenix.wordpress.com/2010/06/08/pintle-injector-rocket-engines/
(本リンク先で、NK-33にピントルインジェクタが使われているという話があるが、これはデマ)
特許を取得しない方針を掲げるSpaceXが、あえて特許を取るという事は、ノリで申請したとは考えづらい。重要な技術と位置付けたか、相応の理由があるように考える。
では、この取得特許はSpaceXのロケットエンジンにおいて実際に使用されているのだろうか？SpaceXは民間企業であり、ロケットエンジンに関する具体的な図面や詳細な技術情報も開示されていないが、写真から推測する事は可能である。どうやら、実際にMerlin 1Dロケットエンジンに使用されている様である。
下記の写真は、Falcon9ロケットの1段目の写真を後ろから撮影した写真である。Merlin 1Dロケットエンジンが中央に1基、同心円状に8基搭載されている。
References
[6] SpaceX flawlessly completes first launch to geostationary transfer orbit
https://www.extremetech.com/extreme/172054-spacex-flawlessly-completes-first-launch-to-geostationary-transfer-orbit
[7] Falcon 9 boost as Merlin 1D engine achieves major milestone
https://www.nasaspaceflight.com/2013/03/falcon-9-boost-merlin-1d-engine-achieves-milestone/
当初は3×3の正方形状だったが、後に変更された。この同心円状配置は、着陸時に推力配分調節を行いやすいため変更であると言われている。また、ターボポンプを駆動するためのガスジェネレータ(GG)の排気を中心のエンジンを囲むように同心円状に配置する事で、GG排気の比較的低温ガスで周りの8基のエンジンから熱障壁を作り防護していると考えられる。
因みにFalcon1から同系列のMerlin1シリーズが使用されているが、第1段のロール制御システムは、当初はGG排気口にモータを仕込んで回転させることで、バーニアとして機能を持たせ、システムを単純化を図っていた。Aerojetがタイタンのロケットエンジンや原子力ロケットエンジンNERVAでも使った手法である。
上記の写真に書き込みを示すが、先端のアクティブ冷却口は、合計5箇所あるいは4箇所である事が分かる。中心の物を含めれば5箇所だが、先端部の部品固定具と考えれば、4箇所となる。また、写真の金属色から、熱伝導率が良好な、銅合金をMerlin1Dのピントルインジェクターに使用されている事も判断出来る。
SpaceXは、取得したピントルインジェクタの冷却に関する特許技術を実際にFalcon9で使用している模様だ。
第1回目で、アポロ月着陸船のエンジンで使用されたLMDEは、スロットリング機能を持っていたという話をした。
その後、TRWでは、ピントルインジェクタによるスロットリング手法を更に改良が実施された。推進剤流量制御バルブを排除し、インジェクタ孔の断面積変化のみでスロットリングが可能となった。即ち、ピントルインジェクタをそのままバルブとして機能させ、インジェクタ孔の断面積変化をバルブの開度とするのである。
実際に、TRWではこの仕組みのピントルインジェクタを実装し、フェイスシャットオフ（Face shut off）が可能であるロケットエンジンを開発した。インジェクタ孔の開度は、唯一のバルブとして機能する。これにより、ピントルインジェクタのみで、少なくとも最大供給圧力3000psi（20.69MPa, 約200気圧）の推進剤をせき止める事が可能となった。
これは、SpaceXのFalcon9ロケットに搭載されているMerlin1Dロケットエンジンも同様である。SpaceXでは、TRWと同様、主酸化剤バルブ（MOV）と主燃料バルブ（MFV）を排除し、ピントルインジェクタの動作のみで、これらのバルブ機能を実現した。
Merlinエンジンは、長らく一番であった旧ソ連のNK-33ロケットエンジンを抜き、世界最高の推力重量比を達成しているが、MOVとMFVを削減した分は、その重量低減に寄与している。
そして、これらの技術を用いる事で、Falcon 9の第1段目を打上げ後、回収するという偉業を達成したのである。
In December 2003, Mr. Elon Musk gave a speech in front of the Smithsonian Institution's main building in Washington, D.C. At that time, the actual aircraft of the Falcon 1 rocket was displayed. This was a rare opportunity, and perhaps the only time the public could see the inside of the Falcon 1 Merlin 1A rocket engine.
References
[1] Topic: SpaceX Falcon 1 rocket and launches
http://www.collectspace.com/ubb/Forum35/HTML/000340.html
[2] The Falcon and the showman
http://www.thespacereview.com/article/70/1
Reference
[3] Pintle injector tip with active cooling, US7503511B2
https://patents.google.com/patent/US7503511
Reference
[5] Pintle Injector Rocket Engines
https://nssphoenix.wordpress.com/2010/06/08/pintle-injector-rocket-engines/
(There is a story in this link about a pintle injector being used in the NK-33, but this is false.)
References
[6] SpaceX flawlessly completes first launch to geostationary transfer orbit
https://www.extremetech.com/extreme/172054-spacex-flawlessly-completes-first-launch-to-geostationary-transfer-orbit
[7] Falcon 9 boost as Merlin 1D engine achieves major milestone
https://www.nasaspaceflight.com/2013/03/falcon-9-boost-merlin-1d-engine-achieves-milestone/
第1回目では、ピントルインジェクターとは何かについて解説した。第2回目では、SpaceXが具体的にどの部分でこの技術を使用しているのか、Merlin 1AとMerlin 1Dに適応されたピントルインジェクター技術、SpaceXの特許技術である、アクティブ冷却式ピントルインジェクターについて解説する。
【関連記事】
1．Merlin1A ロケットエンジンのピントルインジェクター
Merlin 1A rocket engine pintle injector
イーロンマスクとFalcon1ロケット（2003年12月，ワシントンD.C.）
Merlin1A ノズルスロート側からの撮影画像と拡大図
画素数的に不鮮明だが、上記に示すのは、ロケット後方からのフラッシュを焚いた撮影画像である。TR-201に比べて、Falcon9のMerlin1D同様、ノズルスロートに対してピントル径が大きい印象を受ける。
中心には銅合金系の金属色が確認でき、固定具等ではないか、ではないかと推測される。
あるいは周囲がユニットになっており、この部分自体がピントルインジェクターの可能性もある。
アクティブ冷却機能の特許申請は2005年にあり、その２年前かつ人目に晒すMerlin1Aには、その機能が搭載されたかどうかは判断できない。（次章で、解説）
References
[1] Topic: SpaceX Falcon 1 rocket and launches
http://www.collectspace.com/ubb/Forum35/HTML/000340.html
[2] The Falcon and the showman
http://www.thespacereview.com/article/70/1
2．SpaceXの特許技術：アクティブ冷却式ピントルインジェクター
SpaceX's patented technology: Active cooling pintle injector
SpaceXは、TRWの頃のピントルインジェクターから何か改良を施しているのだろうか？
実はSpaceXは、特許戦略として、あえて特許を取得を行っていない。実際、SpaceXが取得している特許は、ほとんどない。しかしながら、2004年年9月8日に、TRW元社員で、現SpaceX副社長のTom Muller(Thomas J. Mueller)の名前でSpaceXから特許が出願されている。
SpaceXの特許技術：アクティブ冷却式ピントルインジェクタ
Reference
[3] Pintle injector tip with active cooling, US7503511B2
https://patents.google.com/patent/US7503511
これは、「アクティブ冷却式ピントルインジェクター」と解説されており、その技術内容は、ピントル先端からも推進剤を噴出させることで、先端を冷却し一種の熱障壁として機能させようとするものである。先端の半径方向から噴射して、推進剤を混合させるのが、通常のやり方だが、これに加えて先端からも、燃料か酸化剤、どちらかを推進剤リッチに噴射することで、ある種のフィルム冷却を行う。
ピントル内部を流れる推進剤に対して、距離が遠い先端部が、燃焼室内の加熱に晒され、熱的に厳しい箇所になる。従来のピントルインジェクタは、先端に材料が蒸発して熱を奪うアブレータや、耐熱材を施工、あるいは金属材料越しに内部の推進剤が熱を奪う事で、それを達成してきた。
先端に対して、フィルム冷却を行う様に穴を開ければ、シンプルな改良で耐久性を高めることが出来る。それによりメンテナンスや部品交換の手間が省ければ、再使用ロケット開発を掲げるSpaceXの利益と低コスト化に大きく寄与する。
ここからは、筆者の推論であるが、元々TRWが開発し、特許が切れたピントルインジェクターをSpaceXも使用しており、競合他社もそれを採用する可能性を想定したのではないか。すると、シンプルな改良でピントルインジェクターの耐久性を上げる事が出来る本特許技術を他者が考案する可能性を考慮し、特許を取らないよりも先に取得する方がリスクが少ないと踏んだの可能性がある。
TR-201のピントルインジェクタの拡大図
上記は、LM DESCENTエンジンから派生したTR-201ロケットエンジンである。Delta系の上段に使用された、ピントルインジェクターを持つ代表的なエンジンである。再使用を考えられておらず、ピントル先端は耐熱材（黒色の部分）が施工されていると見られる。
Reference
[5] Pintle Injector Rocket Engines
https://nssphoenix.wordpress.com/2010/06/08/pintle-injector-rocket-engines/
(本リンク先で、NK-33にピントルインジェクタが使われているという話があるが、これはデマ)
特許を取得しない方針を掲げるSpaceXが、あえて特許を取るという事は、ノリで申請したとは考えづらい。重要な技術と位置付けたか、相応の理由があるように考える。
3．Merlin1D ロケットエンジンのピントルインジェクター
Merlin 1D rocket engine pintle injector
下記の写真は、Falcon9ロケットの1段目の写真を後ろから撮影した写真である。Merlin 1Dロケットエンジンが中央に1基、同心円状に8基搭載されている。
Falcon9のMerlin1Dロケットエンジンと内部に見えるピントルインジェクター
Falcon9初期のエンジン配置（右）と、現在のエンジン配置（左）
References
[6] SpaceX flawlessly completes first launch to geostationary transfer orbit
https://www.extremetech.com/extreme/172054-spacex-flawlessly-completes-first-launch-to-geostationary-transfer-orbit
[7] Falcon 9 boost as Merlin 1D engine achieves major milestone
https://www.nasaspaceflight.com/2013/03/falcon-9-boost-merlin-1d-engine-achieves-milestone/
当初は3×3の正方形状だったが、後に変更された。この同心円状配置は、着陸時に推力配分調節を行いやすいため変更であると言われている。また、ターボポンプを駆動するためのガスジェネレータ(GG)の排気を中心のエンジンを囲むように同心円状に配置する事で、GG排気の比較的低温ガスで周りの8基のエンジンから熱障壁を作り防護していると考えられる。
因みにFalcon1から同系列のMerlin1シリーズが使用されているが、第1段のロール制御システムは、当初はGG排気口にモータを仕込んで回転させることで、バーニアとして機能を持たせ、システムを単純化を図っていた。Aerojetがタイタンのロケットエンジンや原子力ロケットエンジンNERVAでも使った手法である。
上記の写真に書き込みを示すが、先端のアクティブ冷却口は、合計5箇所あるいは4箇所である事が分かる。中心の物を含めれば5箇所だが、先端部の部品固定具と考えれば、4箇所となる。また、写真の金属色から、熱伝導率が良好な、銅合金をMerlin1Dのピントルインジェクターに使用されている事も判断出来る。
SpaceXは、取得したピントルインジェクタの冷却に関する特許技術を実際にFalcon9で使用している模様だ。
4．Merlin 1Dは、更に進んだスロットリング機能を使用
Merlin 1D has advanced throttle function with pintle injector
第1回目で、アポロ月着陸船のエンジンで使用されたLMDEは、スロットリング機能を持っていたという話をした。
その後、TRWでは、ピントルインジェクタによるスロットリング手法を更に改良が実施された。推進剤流量制御バルブを排除し、インジェクタ孔の断面積変化のみでスロットリングが可能となった。即ち、ピントルインジェクタをそのままバルブとして機能させ、インジェクタ孔の断面積変化をバルブの開度とするのである。
実際に、TRWではこの仕組みのピントルインジェクタを実装し、フェイスシャットオフ（Face shut off）が可能であるロケットエンジンを開発した。インジェクタ孔の開度は、唯一のバルブとして機能する。これにより、ピントルインジェクタのみで、少なくとも最大供給圧力3000psi（20.69MPa, 約200気圧）の推進剤をせき止める事が可能となった。
これは、SpaceXのFalcon9ロケットに搭載されているMerlin1Dロケットエンジンも同様である。SpaceXでは、TRWと同様、主酸化剤バルブ（MOV）と主燃料バルブ（MFV）を排除し、ピントルインジェクタの動作のみで、これらのバルブ機能を実現した。
Merlinエンジンは、長らく一番であった旧ソ連のNK-33ロケットエンジンを抜き、世界最高の推力重量比を達成しているが、MOVとMFVを削減した分は、その重量低減に寄与している。
そして、これらの技術を用いる事で、Falcon 9の第1段目を打上げ後、回収するという偉業を達成したのである。
The first article explained what a pintle injector is. In the second article, I will explain where exactly SpaceX is using this technology, the pintle injector technology adapted for the Merlin 1A and Merlin 1D, and SpaceX's patented active cooled pintle injector technology.
1．Merlin 1A rocket engine pintle injector
Elon Musk and a Falcon 1 rocket, Washington, D.C., December 2003.
Merlin1A Photo and enlarged view from the nozzle throat side
Compared with TR-201, it seems to have a larger diameter of the focal point for the nozzle throat as well as Merlin 1D of Falcon 9. The center of the nozzle throat has a metallic color of copper alloy, which may be a fixture. Alternatively, the periphery of the unit may be a pintle injector itself.
The patent application for active cooling was filed in 2005, and it is impossible to determine whether Merlin 1A, which is two years earlier and more visible to the public, had the active cooling function or not. (Explained in the next section.)
References
[1] Topic: SpaceX Falcon 1 rocket and launches
http://www.collectspace.com/ubb/Forum35/HTML/000340.html
[2] The Falcon and the showman
http://www.thespacereview.com/article/70/1
2．SpaceX's patented technology: Active cooling pintle injector
Has SpaceX made any improvements from the pintle injectors of the TRW days?
In fact, SpaceX does not dare to obtain patents as part of its patent strategy. In fact, SpaceX has acquired very few patents. However, on September 8, 2004, a patent application was filed by SpaceX in the name of Tom Muller (Thomas J. Mueller), a former TRW employee and current SpaceX vice president.
SpaceX's patented technology: Active cooled pintle injector
Reference
[3] Pintle injector tip with active cooling, US7503511B2
https://patents.google.com/patent/US7503511
This is described as an "actively cooled pintle injector," and the technology is designed to act as a kind of thermal barrier by cooling the tip by injecting propellant also from the tip of the pintle. In addition to the usual propellant mixing in the radial direction of the tip, the propellant is blended with the propellant in the radial direction of the tip, and the propellant rich propellant, either fuel or oxidizer, is injected from the tip as well, providing a kind of film cooling.
The tip, which is farther away from the propellant flowing inside the pintle, is exposed to the heat in the combustion chamber and becomes a thermally demanding point. Conventional pintle injectors have achieved this by installing an ablator at the tip that absorbs heat from the material, heat resistant materials, or by absorbing heat from the propellant inside through the metal material.
By drilling a hole in the tip to perform film cooling, a simple improvement can increase durability. If it saves maintenance and parts replacement, it will contribute greatly to the profit and cost reduction of SpaceX, which is committed to the development of reusable rockets.
My theory is that SpaceX is using the pintle injector originally developed by TRW and for which the patent has expired, and that SpaceX assumed that its competitors might use it as well. Then, considering the possibility that other companies might come up with this patented technology, which can increase the durability of the pintle injector with a simple improvement, they may have thought that it would be less risky to obtain the patent first, rather than not obtaining it.
Enlarged view of the TR-201 pintle injector
The above is TR-201 rocket engine derived from LM DESCENT engine; it is a typical engine with pintle injector used for upper stage of Delta series. It is not considered to be reused. It seems that heat resistant material (black part) was applied to the tip of pintle.
Reference
[5] Pintle Injector Rocket Engines
https://nssphoenix.wordpress.com/2010/06/08/pintle-injector-rocket-engines/
(There is a story in this link about a pintle injector being used in the NK-33, but this is false.)
It is hard to think that SpaceX, which has a policy of not acquiring patents, dared to apply for a patent on the spur of the moment. I think there is a good reason to regard it as an important technology.
3．Merlin 1D rocket engine pintle injector
As SpaceX is a private company, there are no specific drawings or detailed technical information about the engine, but it can be assumed from the photos that this is the case. It seems that this engine is actually being used in a Merlin 1D rocket engine.
The following photograph is a back view of the first stage of the Falcon 9 rocket, with one Merlin 1D rocket engine in the center and eight in concentric circles.
The Falcon9's Merlin 1D rocket engine and the pintle injectors seen inside
Early Falcon 9 engine layout (right) and current engine layout (left)
References
[6] SpaceX flawlessly completes first launch to geostationary transfer orbit
https://www.extremetech.com/extreme/172054-spacex-flawlessly-completes-first-launch-to-geostationary-transfer-orbit
[7] Falcon 9 boost as Merlin 1D engine achieves major milestone
https://www.nasaspaceflight.com/2013/03/falcon-9-boost-merlin-1d-engine-achieves-milestone/
Initially, it was a 3 x 3 square shape, but this was later changed. It is said that this concentric circle arrangement was changed to make it easier to adjust thrust distribution during landing. In addition, by arranging the gas generator (GG) exhaust for driving the turbopump in concentric circles around the central engine, it is thought that the relatively low temperature gas from the GG exhaust creates a thermal barrier against the surrounding eight engines.
The roll control system of the first stage was originally designed to simplify the system by rotating a motor in the GG exhaust port to function as a vernier engine. It is a technique used in the engine and nuclear rocket engine NERVA.
In the photo above, you can see that there are 5 or 4 active cooling ports at the tip. But if you consider it as a fixture of the tip, there are 4 places. From the metal color of the photo, it can be judged that the copper alloy is used for the Merlin1D pintle injector, which has good thermal conductivity.
SpaceX seems to be using their patented technology for cooling the pintle injector in Falcon9.
4．Merlin 1D has advanced throttle function with pintle injector
In the first article, I mentioned that the LMDE used in the engines of the Apollo lunar module had a throttling function.
Since then, TRW has made further improvements to the throttling method of the pintle injector. The propellant flow control valve has been eliminated and the throttling is now possible only by changing the cross-sectional area of the injector holes. In other words, the pintle injector works as a valve as it is, and the change in the cross-sectional area of the injector holes is used as the valve's opening degree.
TRW has developed a rocket engine with a pintle injector and a face shutoff function. The opening of the injector hole acts as the only valve. This enables the pintle injector to shut off the propellant with a maximum feed pressure of at least 3000 psi (20.69 MPa, about 200 bar).
The Merlin 1D rocket engine on SpaceX's Falcon 9 rocket is similarly equipped with a pintle injector, eliminating the main oxidizer valve (MOV) and the main fuel valve (MFV) as on the TRW. The Merlin engine achieves the world's highest thrust-to-weight ratio, surpassing the former Soviet Union's NK-33 rocket engine, which has long been the best, but the reduction in MOV and MFVs contributes to its weight reduction.
And by using these technologies, the first stage of Falcon 9 was recovered after launch, a feat that was accomplished.
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