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2021年8月13日金曜日

X-1 X-15のXLR11 ロケットエンジン ターボポンプ, XLR11 Rocket Engine Turbopump Reaction Motors for X-1/X-15 rocket plane

X-1 X-15のXLR11 ロケットエンジン ターボポンプ,
XLR11 Rocket Engine Turbopump Reaction Motors for X-1/X-15 rocket plane





Update:2021.08.13

English Version


人類発の有人音速飛行を達成したX-1、宇宙空間まで到達できる有人ロケット飛行機のX-15には、リアクションモーターズ製XLR11ロケットエンジンが搭載されていた。XLR11ロケットエンジンのターボポンプのカットモデルに関して、記事を掲載する。


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1. Reaction Motors XLR11


Reaction Motors XLR11（正式名称。「XLR-11」と書く文献もあるが、正式名称では、ダッシュは不要）または、LR11は、人類発の有人音速飛行を達成したX-1、宇宙空間まで到達できる有人ロケット飛行機のX-15に搭載されたロケットエンジンである。X-15には、正式なロケットエンジンである、XLR99を搭載までのつなぎとして、XLR11が2機搭載されていた。

LOX／75%アルコールを推進剤としており、アルコールで再生冷却される4つの燃焼室を有している。推力の出力変更は、燃焼室を個別に運転、停止することで行う。推進剤の種類と構成は、V-2ロケットと同等である。

XLR11-RM-1は、エンジンを作動させるために、窒素加圧された。XLR11-RM-3はヘリウム加圧、XLR-11-RM-5は水素加圧である。X-1に搭載された、XLR11-RM-5は、推力26.67kNであり、推進剤供給をターボポンプで行った。D-558-2 ダグラススカイロケットのブースタとしても使用されており、この時の名称は、XLR8-RM-5と呼ばれていた。





X-15に搭載された、XLR11 ロケットエンジン

それぞれのロケットエンジンの左下にターボポンプの排気管が確認できる（左図）



XLR11は、人が乗るロケット航空機に搭載されるロケットエンジンのため、信頼性に配慮した設計となっている。推進剤である、LOX／アルコールは、大きな毒性もなく、比較的扱いやすい。LOX／ケロシンと比べて、比推力は低くなるが、XLR11は、再生冷却流路を持ったロケットエンジンであり、オーバーホールして再使用することを考えると、航空機の整備や運用において、コーキングの心配がない点は利点である。

これは、1960年代までの米国製ロケットエンジンにおいて、航空機用途、再使用が可能、再生冷却方式のロケットエンジンには、ケロシンの使用が避けられている理由と考えられる。X-15が後に搭載した、XLR99ロケットエンジンの推進剤は、LOX/アンモニアという珍しい推進剤組み合わせを採用しているが、この理由は、再使用する前提に立ち、再生冷却流路やインジェクターへのコーキングが無い利点を優先したと筆者は推測する。




X-15に搭載された、XLR11とXLR99




XLR11の再生冷却燃焼室のカットモデル



日本においても、XLR11の展示を見ることができる。かつては、XLR11は、大阪の交通科学博物館で展示されていたが、2014年4月の閉館に伴い、静岡理工科大学・航空資料館に移管された。



大阪交通科学博物館から静岡理工大学へ移管された
XLR11-RM-5ロケットエンジン





2. XLR11ロケットエンジン ターボポンプのカットモデル







XLR11のターボポンプは外観から目視しづらいが、珍しいカットモデルの写真を手に入れたので、上記に記載する。



XLR11ロケットエンジン ターボポンプ 諸元


サイクル：ガス発生サイクル
駆動ガス：過酸化水素（90%）
回転数：12240rpm
燃料流量：132 GPM (gallons per minute), 499.68 L/min
　　　　　305PSI 昇圧, 2.1MPa 昇圧 
酸化剤流量：132 GPM (gallons per minute), 499.68 L/min
　　　　　   275PSI 昇圧, 1.9MPa 昇圧


また、エドワーズ空軍基地に展示されているXLR11ターボポンプの画像を以下に示す。





References

[3] Rocket Power for X-15,
[4] Tag Archives: Reaction Motors XLR11-RM-5
[5] 静岡理工科大学・航空資料館を見に行ってきた,
     https://mataari250r.hatenablog.com/entry/2018/03/03/070000
[6] 静岡航空資料館に行ってきた話　その3【2018/3/7】,
[7] XLR-11 Operating Cycle, 






　　　　








English Version







The X-1, the first manned sonic flight, and the X-15, a manned rocket plane capable of reaching outer space, were powered by Reaction Motors' XLR11 rocket engine, which is a cutaway model of the XLR11 rocket engine turbopump.


【Related Articles】






1. Reaction Motors XLR11


Reaction Motors XLR11 (some references refer to it as "XLR-11", but the official name does not require a dash) or LR11 was the rocket engine installed in the X-1, the first manned sonic flight, and the X-15, a manned rocket plane capable of reaching outer space. The X-15 was equipped with two XLR11s as a stopgap until the XLR99, the official rocket engine, could be installed.

It uses LOX/75% alcohol as propellant, and has four combustion chambers regenerated and cooled by alcohol. The thrust output is changed by operating and shutting down the combustion chambers individually. The propellant type and configuration are the same as those of the V-2 rocket.

The XLR11-RM-1 was nitrogen pressurized to operate the engine, XLR11-RM-3 was helium pressurized, and XLR-11-RM-5 was hydrogen pressurized. The XLR11-RM-5 on X-1 had a thrust of 26.67 kN, and propellant was supplied by a turbopump. The XLR11-RM-5 was also used as a booster for the Douglas Skyrocket, and was called the XLR8-RM-5 at that time.






XLR11 rocket engine installed on the X-15.

The turbopump exhaust pipe can be seen on the lower left of each rocket engine (left)



The XLR11 is designed with reliability in mind, as it is a rocket engine that will be installed in a human rocket aircraft. The propellant, LOX/alcohol, is not highly toxic and is relatively easy to handle; although the specific impulse is lower than that of LOX/kerosin, the XLR11 is a rocket engine with a regenerative cooling channel, which is an advantage in aircraft maintenance and operation, considering that it can be overhauled and reused without worrying about coking. The XLR11 is a rocket engine with regenerative cooling channels.

This may be the reason why kerosene was not used for reusable, regenerative cooling rocket engines for aircraft applications until the 1960s. The reason for the use of kerosene in the XLR99 rocket engine, which was later installed in the X-15, is that it was designed to be reused, and the advantage of no coking of the regenerative cooling channels and injectors was given priority.





XLR11 and XLR99 on the X-15




Cutaway model of regenerative cooled combustion chamber XLR11


In Japan, the XLR11 can be seen on display. The XLR11 used to be on display at the Transportation Museum in Osaka, but was transferred to the Shizuoka University of Science and Technology Aviation Museum when the museum closed in April 2014.



XLR11-RM-5 rocket engine transferred from Osaka Transportation Museum to Science to Shizuoka University of Science and Technology




2. Cutaway model of XLR11 rocket engine turbo pump







The XLR11 turbopump is difficult to visualize from the outside, but have obtained a photo of a rare cutaway model, which is described above.




XLR11 Rocket Engine Turbo Pump Specifications


Cycle: Gas Generation Cycle
Gas: Hydrogen Peroxide (90%)
Rotation Speed: 12240 rpm
Fuel Flow: 132 GPM (gallons per minute), 499.68 L/min
　　　　　305 PSI pressure increase, 2.1 MPa pressure increase 
Oxidizer flow rate: 132 GPM (gallons per minute), 499.68 L/min
　　　　　   275 PSI pressure increase, 1.9 MPa pressure increase



Also shown below is an image of the XLR11 turbopump on display at Edwards Air Force Base.





References

[3] Rocket Power for X-15,
[4] Tag Archives: Reaction Motors XLR11-RM-5
[5] 静岡理工科大学・航空資料館を見に行ってきた,
     https://mataari250r.hatenablog.com/entry/2018/03/03/070000
[6] 静岡航空資料館に行ってきた話　その3【2018/3/7】,
[7] XLR-11 Operating Cycle, 

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