JP2004156476A

JP2004156476A - スラスタ

Info

Publication number: JP2004156476A
Application number: JP2002321168A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Ueno; 文裕上野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】触媒層に生じる空隙の発生を抑える簡易的な構造を提供し、スラスタの信頼性を向上し、長寿命化すること。
【解決手段】スラスタの下流側フィルタ６ｂに、上流側に向けて凸状に形成されたものを用いる。下流側フィルタ６ｂに略中心部分を凸状に形成されたものを用いて分解ガスの抜けをよくする。下流側フィルタ６ｂが略中心部分から放射状に複数のスリットを備えて、変形を柔軟にさせる。下流側フィルタ６ｂの略中心部分を上流側に付勢するコイルスプリング９を備えて、強力に触媒粒７を押し上げる。下流側フィルタ６ｂを金または金を主成分とした合金からなるようにして下流側フィルタ６ｂの延びをよくする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、推薬の触媒反応により発生する分解ガスの噴出を利用して推力を発生させるスラスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、宇宙空間での人工衛星の姿勢制御を行う場合に使用されるスラスタとして触媒分解式１液式ヒドラジンスラスタが提案されている。このスラスタは、ヒドラジン等の推薬を噴射させる噴射器と、噴射器から噴射された推薬を分解して分解ガスを発生させる燃焼室と、燃焼室で発生した分解ガスを噴出させるノズルとからなる。この燃焼室は、上流側フィルタと下流側フィルタとにより仕切られた空間に触媒粒を充填した触媒層を有している。ここで、触媒粒は、スラスタの動作に伴い、熱膨張と収縮の繰り返しと発生する分解ガスの圧力によって粉砕し、損失するため、推薬の触媒反応が不安定となり、所望の推力が得られない等、スラスタの作動が不安定となり、最終的には寿命が短くなる。そのため、従来のスラスタでは、触媒層の空隙の発生を抑えて、スラスタの寿命を延ばすようにしている。
【０００３】
例えば特許文献１に記載されているものがある。このスラスタでは、図６に示すように、下流側フィルタ１０２に伸縮可能な平坦な金網を用い、下流側フィルタ１０２の下流側面をコイルスプリング１０３で付勢し、触媒層１０１に空隙が発生した場合には、コイルスプリング１０３により付勢された下流側フィルタ１０２が上流側に変形して、触媒粒１０４を押し上げ、触媒層１０１に発生した空隙を埋めるようにしている。
【０００４】
また、例えば特許文献２に記載されているものがある。このスラスタでは、燃焼室の上流側および下流側の円形板と外周のベルト状フィルタとで形成された空間に触媒粒を充填し、そのベルト状フィルタの一端を引っ張ることにより、空隙を埋めるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−８２１７１号公報（第３頁、第１図、第２図）
【特許文献２】
米国特許第４３５２７８２号明細書（第２−４欄、第３図、第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１のスラスタでは、下流側フィルタとして平坦な金網を用いているため、下流側フィルタ自身が触媒粒を押し上げる力が弱く、そのため、触媒層に発生した空隙を埋めるためには下流側フィルタを上流側に付勢する付勢手段が不可欠となり、空隙を埋める能力は付勢手段に高く依存している。また、下流側フィルタが平坦であるために、触媒層の略中心部分において触媒粒の損失が激しく、空隙が発生しやすい。更に、触媒粒を充填したとき、初期状態で下流側フィルタが下流側に凸形に変形してしまい、触媒層の略中心部分での触媒粒の損失が著しくなり、スラスタの寿命が低下するという問題点があった。特許文献２のスラスタでは、触媒層の空隙を埋めるための機構が複雑であるために高価であり、また、９００度程度まで上昇する触媒反応の中でこの機構を正常に動作させることが容易ではないため信頼性が低いという問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みて、簡素な構造により触媒層の空隙の発生を効果的に抑えることができ、これにより耐久性を向上させて、長寿命のスラスタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスラスタでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１のスラスタによれば、燃焼室内の触媒粒を保持する下流側フィルタを有し、該燃焼室に推薬を噴射させて発生した分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、下流側フィルタに上流側に向けて凸状に形成されたものを用いるようにした。この発明により、触媒粒を充填するとその充填圧力により下流側フィルタが下流側に変形し、その反力として下流側フィルタ自身が触媒粒を押し上げるので、バネのような付勢手段を別に設けることなく、触媒層に空隙が発生することを防止することができる。また、スラスタの動作に伴い触媒粒が損失し空隙が発生した場合にも、下流側フィルタ自身が自己の変形を上流側に回復させるために、付勢手段を用いなくても触媒粒を押し上げることができる。
【０００９】
請求項２のスラスタによれば、前記下流側フィルタは、略中心部分を凸状に形成されるようにした。この発明により、触媒層の略中心部分で大量に発生する分解ガスが下流に抜けやすくなり、触媒層の略中心部分の分解ガスの圧力が周辺部分に比べて高い状態を回避できるため、触媒層の略中心部分で発生しやすい触媒粒の損失が抑えられる。また、触媒粒の損失により空隙が発生した場合には、下流側のフィルタの略中心部分が触媒粒を上流側に押し上げるので触媒層の略中心部分に発生しやすい空隙を効果的に埋めることができる。
【００１０】
請求項３のスラスタによれば、前記下流側フィルタは、略中心部分から放射状に複数のスリットを備えるようにした。この発明により、下流側フィルタの変形量を大きくすることができ、多くの触媒粒を充填することが可能となる。また、下流側フィルタの変形の回復量も大きいため、触媒粒の損失により触媒層に空隙が発生した場合に触媒粒を上流側に押し上げ空隙を埋める能力を高くすることができる。
【００１１】
請求項４のスラスタによれば、前記下流側フィルタの略中心部分を上流側に付勢する付勢手段を備えるようにした。この発明により、触媒層に充填された触媒粒が損失した場合に、下流側フィルタの上流方向への回復を助勢し、触媒層の中央付近に生じやすい空隙を埋めることができる。また、下流側フィルタの上流方向への回復が終わっても、下流側フィルタを更に上流側に変形させて触媒粒を押し上げ、空隙を埋めることができる
【００１２】
請求項５のスラスタによれば、前記下流側フィルタは、金または金を主成分とした合金からなるようにした。この発明により、下流側フィルタが延性、展性に優れるため、破断することなく柔軟に上流側に延びて、触媒粒を押し上げて、空隙を埋めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。図１および図２は本発明の実施の形態によるスラスタを示すものである。図１はスラスタの側断面図、図２は下流側フィルタの斜視図である。
【００１４】
図１において符号１はスラスタ本体である。スラスタ本体１は、無色透明液体のヒドラジン等の推薬を噴射させる円筒形の噴射器２と、噴射器２の下流側に固着されて噴射器２から噴射された推薬を分解して高温高圧の分解ガスを発生させる円筒形の燃焼室３と、燃焼室３の下流側に固着されて燃焼室３で発生した分解ガスを加速して外部に噴出させるノズル４とからなる。
【００１５】
燃焼室３は、上流側から、噴射器２から噴射された推薬の濃度を適切な濃度にさせるための空間５と、推薬を分解して分解ガスを発生させるための触媒粒７を充填させた触媒層６と、発生した分解ガスをノズル４から噴出させる前に一時的に充満させるチャンバ８とからなる。なお、図示しないが、空間５を設けずに触媒粒７を燃焼室３の最上流部にまで充填させる場合もある。
【００１６】
触媒層６は、推薬の噴出方向に向けてその上流側に上流側フィルタ６ａと、その下流側に下流側フィルタ６ｂを備え、上流側フィルタ６ａと下流側フィルタ６ｂにより仕切られた空間に触媒粒７を充填するようにしてある。触媒粒７には、アルミナ等の金属の表面にイリジウム金属を付着させた０．５〜０．７ｍｍ径程度の粒状のものが用いられる。
【００１７】
上流側フィルタ６ａは、耐熱性を備え、触媒粒７が通過不能である程度の多数の空孔等を持つ平坦な多孔質部材からなり、例えば、金網などが用いられる。そして、その周縁が燃焼室３の壁面に固着される。一方、下流側フィルタ６ｂは、金または金を主成分とした合金からなり、その周縁が燃焼室３の壁面に固着される。金は、延性、展性に優れ、また、耐熱性を備える金属であるため、下流側フィルタ６ｂ自身が伸縮可能となっている。
【００１８】
また図２に示すように、下流側フィルタ６ｂは、略中心部分１２が凸状に形成された薄板であり、略椀形となっている。そして、下流側フィルタ６ｂには、その略中心部分１２から周縁部分１３に向けて放射状に複数のスリット１１が設けられる。スリット１１の幅は、触媒粒７は通過不能であるが、この触媒粒７が触媒反応の際に砕けて微粉となったものは通過できる程度となっている。このように下流側フィルタ６ｂに複数のスリット１１が設けられると、下流側フィルタ６ｂはその略中心部分１２と周縁部分１３とが複数の薄板梁１４により連結された構造となっている。
【００１９】
図１に戻り、下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を上流側に付勢する状態で耐熱性材料からなるコイルスプリング９が介装され、触媒粒７を圧縮できるようになっている。コイルスプリング９の一端は、燃焼室３の壁面に固定され、他端が下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を押し上げられる（上流側へ向けて付勢する）ように台形円錐形に形成されている。
【００２０】
以上のように構成したことにより、触媒層６に触媒粒７が充填されると、その充填圧力により、下流側フィルタ６ｂは上流側に向けて略中心部分１２を凸形に形成した形状が下流側に向けて若干押し潰されるように変形する。この時、下流側フィルタに平坦な金網を用いた場合のように触媒粒の充填圧力により下流側に凸形となるように変形することはなく、上流側に向けて凸形に形成された形状は維持される。
【００２１】
そして、下流側フィルタ６ｂが凸形に形成されることにより、平坦な場合に比べて変形を回復させる能力が高く、下流側フィルタ６ｂ自身が触媒粒７を上流側に押し上げるように作用する。更に、コイルスプリング９が下流側フィルタ６ｂの変形の回復を助勢するので、強力に触媒粒７を上流側に押し上げ、スラスタの動作前から触媒層６の空隙の発生を防止するようになっている。すなわち、触媒層６に触媒粒７を密に充填した状態を容易に維持できる。
【００２２】
次に、このスラスタの動作を説明すると、噴射器２から推薬が間欠的に燃焼室３に噴射され、この推薬が拡散されて上流側フィルタ６ａを通過して触媒層６に流入し、触媒粒７と接触して触媒反応により高温高圧の分解ガスに分解される。触媒反応により発生した分解ガスは、下流側フィルタ６ｂを通り抜け、チャンバ８を通ってノズル４から外部へ噴出される。この噴出により生じる反力として所望の推力が得られる。
【００２３】
スラスタの間欠作動に伴い、触媒粒７は、熱膨張及び収縮の繰り返しと発生する分解ガスの圧力とによって粉砕し、損失する。特に、触媒層６の略中心部分において触媒粒７が激しく損失しやすい。そして、粉砕した触媒粒７は、分解ガスと共に下流側フィルタ６ｂを通過して、ノズル４から外部に放出される。
【００２４】
このように触媒粒７が損失した場合には、その損失に合わせて下流側フィルタ６ｂの変形が回復するとともにコイルスプリング９の作用が加わることで触媒粒７を上流側に押し上げるので、触媒層６に発生した空隙を埋めることができる。すなわち、下流側フィルタ６ｂを上流側に向けて凸形に形成したことにより、下流側フィルタ６ｂ自身が触媒粒７を上流側に押し上げる能力を持ち、下流側フィルタに平坦な金網を用いた場合に比べて押し上げる能力が高いので、触媒層７の空隙の発生を容易かつ確実に抑えることができる。
【００２５】
従って、触媒層６内での触媒粒７の移動が規制される結果、推薬の触媒反応の際に触媒粒７が触媒層６内で激しく振動や移動し触媒粒７同士が衝突するなどして触媒粒７の損失が激しく増幅されることが防止される。
【００２６】
また、下流側フィルタ６ｂは、複数の薄板梁１４が板バネとして機能するため触媒粒７が充填された時から下流方向への変形量が大きく、その変形分だけ上流方向への回復量も大きいので、下流側フィルタに平坦な金網を用いた場合に比べて、触媒層６に発生した空隙を埋める能力が高くなっている。
【００２７】
更に、コイルスプリング９が下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を上流側に付勢して触媒粒７を上流側に向けて押し上げているため、下流側フィルタ６ｂの変形が上流側に回復する能力を強力に助勢し、触媒層６の空隙の発生を効果的に抑えるようになっている。
【００２８】
また、下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を上流に向けて凸形に形成することで、触媒粒７が損失しやすい触媒層６の略中心部分を下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２が上流側に向けて押し上げるので、効果的に空隙を埋めることができる。更に、下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を上流に向けて凸形に形成することで触媒層６の略中心部分と下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２との距離が近づき、発生した分解ガスが下流側フィルタ６ｂを通って下流に抜けやすくなっている。そのため、触媒層６の略中心部分において高温高圧の分解ガスが大量に発生しても下流側に抜けやすいことから、周辺部分に比べて高温かつ高圧になることが抑えられる。その結果、触媒層６の略中心部分で触媒粒７が激しく損失することが防止され、また、分解ガスの圧力損失が少なくなることからスラスタの推進能力を向上させることができる。
【００２９】
そして、触媒粒７の損失が更に進行して下流側フィルタ６ｂの下流側への変形が回復するに至った場合でも、コイルスプリング９が下流側フィルタ６ｂの略中心部分１２を更に上流側に付勢しつづけるので、下流側フィルタ６ｂが上流側に変形することで触媒粒７を上流側に押し上げる。そのため、空隙の発生を更に抑えることができる。特に、薄板梁１４は、その長手方向に延ばされやすい形状であるため、下流側フィルタに金網を用いた場合に比べて上流側への変形量が大きくなり、触媒層６に発生する空隙を長期間にわたって埋めることができる。
【００３０】
また、下流側フィルタ６ｂが金または金を主成分とした合金からなるため、延性、展性に優れ、コイルスプリング９で上流側に付勢しても、下流側フィルタ６ｂが破断することなく柔軟に延び（特に下流側フィルタ６ｂの薄板梁１４が柔軟に引き延ばされ）、触媒粒７を押し上げることが可能となっている。この結果、下流側フィルタ６ｂが破断等することなく空隙を埋めるため、スラスタの信頼性を向上させ、寿命を延ばすことができる。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
下流側フィルタ６ｂは、金または金を主成分とした合金からなるのみならず、金以外の他の金属、例えばプラチナや銀のように延性、展性の高い金属を用いることも可能である。また、金属に限らず、多孔質のカーボンやセラミックス等を用いることも可能である。また、全体を金等のみで構成しないで、例えば、図２で示すような領域Ｘだけ金で構成することも可能である。
【００３２】
また、コイルスプリング９は、図示のような台形円錐形のみならず円柱形としてもよい。コイルスプリングに限らず、板バネや皿バネを用いることも可能である。更に、下流側フィルタ６ｂを下流側から付勢するのみならず、上流側から引っ張り上げるようにすることも可能である。また、コイルスプリング９等の付勢手段を設けない場合も考えられる。この場合は、下流側フィルタ６ｂ自身の回復力のみを用いて触媒粒７を上流側へ押し上げることになる。
【００３３】
図３から図５は、下流側フィルタの他の形態を示す概略図である。図３に示す下流側フィルタ１５は、略中心部分１５ａから周縁部分１５ｂに向かって複数の渦巻き状のスリット１５ｃを備えるものであり、また、図４に示す下流側フィルタ１６は、略中心部分１６ａから周縁部分１６ｂに向かって放射状に配置された複数の空孔列１６ｃを持つパンチプレス板を用いたものである。図３及び図４に示す下流側フィルタ１５，１６のいずれも略中心部分１５ａ，１６ａを上流側に向けて凸状とした略椀形に形成されている。
【００３４】
また、下流側フィルタ６ｂの形状は、略椀形のみならず、半球形、円錐形、台形円錐形、三角錐形などにしてもよい。略中心部分１２を凸状に形成するに限らず、略中心部分以外の部分を凸状に形成する場合や、凸状に形成した部分を複数持つようにすることも可能である。更に、図５に示すように、下流側フィルタ１７の周辺部分１７ｂを円形状に凸状にして、略中心部分１７ａは下流側に凸状にすることにより、コイルスプリング１８と下流側フィルタ１７とがずれないようにする場合もある。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１に係る発明によれば、下流側フィルタとして上流側に向けて凸状に形成されたものを用いたことにより、触媒粒を充填すると下流側フィルタが下流側に変形し、その反力として触媒粒を押し上げるので、容易かつ確実に触媒粒を密な状態で充填することができ、触媒層の空隙の発生を防止することができる。また、スラスタの動作に伴い触媒粒が損失し空隙が発生した場合には、下流側フィルタ自身の変形が上流側に回復して触媒層の空隙を埋めることができる。これにより、バネ等の付勢手段を設けずに簡単な構成で触媒粒の振動を抑制し、触媒粒の損失を低く抑えることができ、スラスタの寿命を延ばすことができる。
【００３６】
請求項２に係る発明によれば、下流側フィルタに略中心部分を凸状に形成されたものを用いたことにより、触媒層の略中心部分と下流側フィルタの略中心部分との距離が近づき、触媒層の略中心部分で大量に発生する分解ガスが下流に抜けやすくなる。触媒層の略中心部分の分解ガスの圧力が周辺部分と比べて高くならないので触媒粒が激しく損失することが抑えられる。また、発生した分解ガスの圧力が損失することがなく下流に抜けるため、スラスタの推進能力を向上させることができる。更に、触媒粒の損失により触媒層の略中心部分に空隙が発生した場合には、下流側のフィルタの略中心部分が触媒粒を上流側に押し上げ、触媒層の略中心部分で発生やすい空隙を効果的に埋めることができる。これにより、触媒粒の損失をより一層効率よく抑えることができる。
【００３７】
請求項３に係る発明によれば、下流側フィルタが略中心部分から放射状に複数のスリットを備えるようにしたことにより、下流側フィルタの変形量を大きくすることができ、その分だけ上流方向への回復量も大きいので触媒層に発生した空隙を埋める能力を長時間維持することができる。これにより、スラスタの寿命をより一層延ばすことができる。
【００３８】
請求項４に係る発明によれば、下流側フィルタの略中心部分を上流側に付勢する付勢手段を備えるようにしたことにより、下流側フィルタの変形が上流側に回復する能力を強力に助勢し、触媒層の略中心部分で発生しやすい空隙を効果的に抑えることができる。また、下流側フィルタの変形が回復し終わっても、付勢手段が下流側フィルタの略中心部分を上流側に付勢するので下流側フィルタが上流側に変形して触媒層で発生した空隙を更に埋めることができる。これにより、部品点数の少ない構造で長期にわたって触媒粒の損失を低く抑えることができ、スラスタの長寿命化を実現できる。
【００３９】
請求項５に係る発明によれば、下流側フィルタを金または金を主成分とした合金からなるようにしたことにより、下流側フィルタの延性、展性が優れ、コイルスプリングにより付勢されても、下流側フィルタが破断することなく柔軟に延びて、触媒粒を押し上げることが可能となる。これにより、触媒層に発生した空隙を効果的に埋めることができ、また、下流側フィルタが破断等することなく空隙を埋めることが可能なため、スラスタの信頼性を向上させ、寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスラスタの概略構成を示す側断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る下流側フィルタの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る下流側フィルタの正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る下流側フィルタの正面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るスラスタの下流側フィルタ部分の側断面図である。
【図６】従来のスラスタの概略構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
１スラスタ本体
２噴射器
３燃焼室
４ノズル
５空間
６触媒層
６ａ上流側フィルタ、６ｂ下流側フィルタ
７触媒粒
８チャンバ
９コイルスプリング
１１スリット
１２略中心部分
１３周縁部分
１４薄板梁
１５下流側フィルタ
１５ａ略中心部分
１５ｂ周縁部分
１５ｃスリット
１６下流側フィルタ
１６ａ略中心部分
１６ｂ周縁部分
１６ｃ空孔列
１７下流側フィルタ
１７ａ略中心部分
１７ｂ周辺部分
１８コイルスプリング
１０１触媒層
１０２下流側フィルタ
１０３コイルスプリング
１０４触媒粒

Claims

燃焼室内の触媒粒を保持する下流側フィルタを有し、該燃焼室に推薬を噴射させて発生した分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、
前記下流側フィルタとして上流側に向けて凸状に形成されたものを用いることを特徴とするスラスタ。
前記下流側フィルタは、略中心部分を凸状に形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のスラスタ。
前記下流側フィルタは、略中心部分から放射状に複数のスリットを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスラスタ。
前記下流側フィルタの略中心部分を上流側に付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のうちいずれか一項に記載のスラスタ。
前記下流側フィルタは、金または金を主成分とした合金により作成されることを特徴とする請求項１から請求項４に記載のうちいずれか一項に記載のスラスタ。