JP2006037824A - 放電プラズマ反応型スラスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒を使用しないスラスタを提供する。
【解決手段】 触媒を実質的に介在させることなく、かつ、高分子化合物を含む物質の放電プラズマを用い、前記化合物の分解反応及び燃焼を生じさせ、該燃焼を促進させるようになったことを特徴とするスラスタを提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ロケット及び人工衛星の姿勢制御を行うためのスラスタに関する。

宇宙機器に使用されている姿勢制御システムの構成要素である推薬を用いたスラスタには、従来使用されている方式として、一液方式と二液方式があり、一液式では触媒による推薬の自己分解性能を利用しており、二液式では燃料と酸化剤が混合することにより化学反応を生じることを利用している。

本発明が好適に適用できる従来公知の一液式スラスタの構造が図４に示されている。
従来のスラスタは図示のように燃焼器１０１、触媒層１０２、細径流路（カピラリチューブ）１０３、推薬弁（電磁弁）１０４、スラスタカバー１０５、及び推薬流路１０６等を備えている。

触媒を利用した図４に示すような従来の一液式スラスタでは、粒子状をした触媒１０２をスラスタの燃焼器１０１内に充填する作業が必要であり、その充填には、詰めた粒子状触媒の均一性、充填量の管理など作業者の技量に大きく依存する。

また、推薬の分解反応熱の数万回以上にわたる繰り返し印加により、触媒が粉砕され、スラスタの噴射ガスとともに燃焼器１０１のノズル出口から触媒粉が放出され、スラスタ性能の低下を誘発する。更に、この微細な触媒粉がスラスタの上流側に逆流し、インジェクタやカピラリチューブ１０３などの細径流路を閉塞することがという致命的な問題を生じる可能性がある。

このため、特願平11-191727号では、ヒドラジンの触媒反応により生じる、高温、高圧の燃焼ガスの発生により生じる触媒粒子の発生に伴う問題点を解消することができるヒドラジンスラスタ構造が提案されている。

特願平１１−１９１７２７号

しかし、上記特願平11-191727号において提案されたスラスタでは触媒を使用する燃焼形態を維持しているため、触媒の管理及びその燃焼の正確な制御が困難であるという問題がある。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、そもそも触媒を使用しないスラスタを提供することを目的とする。より詳細には、電極間の繰り返しパルス放電あるいは定常放電により、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（商標名：テフロン））などの高分子化合物の固体物質を蒸発あるいは昇華させ、放電プラズマを発生させることによって、ヒドラジンなどの推薬を分解させ、推力を発生する機能を備えた宇宙機用スラスタを提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、触媒を実質的に介在させることなく、かつ、高分子化合物または金属固体物質のうちの少なくとも１種類を含む物質の放電プラズマを用いて、推力発生化合物の分解反応及び燃焼を生じさせ、該燃焼を促進させるようになったことを特徴とするスラスタによって達成することができる。

前記推力発生化合物は、好ましくは、ヒドラジンである。

好ましい態様では、前記高分子化合物がＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（商標名：テフロン））である。

本発明の別の好ましい態様では、ヒドラジンを主成分とする推薬の燃焼により宇宙機器の姿勢制御のための推力を発生するスラスタにおいて、ＰＴＦＥを含む放電プラズマを用い、前記推薬の分解反応及び燃焼を生じさせ、該燃焼を促進させるようになったことを特徴とするスラスタが提供される。

本発明の別の特徴によれば、ヒドラジンを主成分とする推薬を加圧して貯蔵装置に保持し、
前記推薬を貯蔵装置から推薬噴射装置に供給制御し、
前記推薬噴射装置から推薬を噴射して微粒化した状態で燃焼室に供給し、
ＰＴＦＥ（商標名：テフロン）を含む固体物質から構成される絶縁材を介して対向配置されるアノードとカソードからなる放電用電源のアノードとカソード間に所定電圧を印加することにより、プラズマ放電を生じさせるることによって前記推薬を着火、燃焼させるようになったことを特徴とする方法が提供される。

好ましくは、さらに、イグナイタ用電源及びイグナイタ電極とを備え前記カソードとの間に微小パルス放電を行うようになっている。

前記推薬は、好ましくは、ガスにより１ないし３ＭＰａの圧力、より好ましくは、２ＭＰａで加圧される。また、前記所定電圧は好ましくは、２ないし４ＫＶより好ましくは約３ＫＶである。

上記本発明によれば、触媒を実質的に使用しないので、触媒粉による性能低下及び細径流路の閉塞等によるスラスタの機能停止を回避することができ、スラスタの高寿命化と全寿命期間における安定したスラスタ性能の確保することができる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限りこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、一例である。

また、以下では推薬として現状宇宙機器燃料として一般的なヒドラジンを例に作用などを説明しているが、推薬として本発明を適用されるのは、ヒドラジンに限らない。この他の推薬としては、過酸化水素がある。

図１は本発明の実施例に係るスラスタの全体構成図であり、図２は前記スラスタの放電プラズマ発生部分に関する構成図である。図３は前記実施例におけるヒドラジン分解反応促進時の圧力・温度の時間変化例を示す線図である。図４は従来のスラスタの全体構成図である。

図１において、本発明にかかるスラスタＳは、放電プラズマ発生装置１、放電プラズマ発生装置の電源２、燃焼室（反応室）３、反応ガスの噴射ノズル４、推薬噴射装置５、推薬配管６、推薬供給制御部（本例では、電磁弁）７、推薬貯蔵装置８を備えている。

推薬貯蔵装置８に貯蔵されている推薬は、ガスによる加圧などにより本スラスタＳに供給される。スラスタ燃焼室３への推薬の供給は推薬供給制御部７によって行われ、推薬配管６を通り推薬噴射装置５にて微粒化あるいは気化して燃焼室３に供給される。この状態で、放電プラズマ発生電源２から放電プラズマを供給することにより、燃焼室内の推薬が分解反応を起こし、発生した高温高圧のガスが噴射ノズル４から噴出されることにより、宇宙機の姿勢制御に必要となる推力が発生する。

本例のスラスタの推力は、約１〜２０Ｎ程度または、これより小さい推力を発生することができる。これによって、従来の触媒反応方式の一液スラスタと同等もしくは、それ以上の性能を発揮することができる。

推薬の種類および量はヒドラジンを使った場合、３Ｎ程度の推力を持つスラスタは、約１．５ｇ／ｓの流量である。

装置各要素の大きさは、放電プラズマ発生装置１は１辺が約２０ｍｍの立方体であり、放電プラズマ発生装置の電源２は、約□２００ｍｍ×高さ６０ｍｍ、燃焼室（反応室）３、反応ガスの噴射ノズル４及び推薬噴射装置５は、合わせて約φ１０ｍｍ×長さ１００ｍｍである。推薬供給制御部７は、約φ２０ｍｍ×長さ１００ｍｍであり、推薬配管６、及び推薬貯蔵装置８は、衛星の大きさによって異なる。

図２を参照すると、本発明放電プラズマ発生装置１の概略構成が示されている。図２において、プラズマ発生装置１は、高分子化合物あるいは金属等の固体物質１１アノード１２、カソード１３（ただし、絶縁材を構成する固体物質１１は、アノード１２、カソード１３と一体の場合もある）、イグナイタ電極１４、主放電用電源１５、イグナイタ用電源１６である。ただし、イグナイタ電極１４およびイグナイタ電源１６は設置しない場合もある。

以下運転手順を概略説明すると、
（１）本例における推薬であるヒドラジンは、ガスにより加圧（例：2.0MPa程度）されて推薬貯蔵装置８に貯蔵されている。
（２）推薬供給制御部７は、電磁弁の開／閉により推薬の供給を制御する。この場合、電磁弁を開にする。これによって、加圧された推薬が、推薬配管６を通って、推薬噴射装置５に供給される。
（３）推薬噴射装置５は、微細な穴から推薬を噴射するなどの方法で、噴射される推薬を微粒化（あるいは気化）させる。従って、推薬供給制御部７の電磁弁が開になると同時に、微粒化された推薬が燃焼室（反応室）３に噴射される。
（４）主放電用電源１５により、アノード１２とカソード１３間に約３ｋVの電圧をチャージする。
（５）この状態で、イグナイタ用電源１６により、イグナイタ電極１４とカソード１３の間に微小パルス放電を行うと、テフロン（固体物質１１）あるいは噴射されたヒドラジンなどが小量電離する。
（６）電離した気体により、アノード−カソード間の主放電が誘起され、ＰＴＦＥはさらに昇華、電離され、高エネルギのプラズマが燃焼室３に供給される。
なお固体物質１１がＰＴＦＥである場合、ＰＴＦＥが分解されたＣ、ＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃が電離されたプラズマが生じる。なお、イリジウム(Ir) あるいは、白金等の金属を混合して形成した場合、Irあるいは、白金が電離されたイオンも含まれる。
（７）上記手順（３）によるヒドラジンの噴射と上記手順（６）によるプラズマの供給をタイミングよく行うことで、ヒドラジンは、次の反応式に示す分解反応を起こし、アンモニア、窒素、水素に分解する。この分解反応に伴う発熱により、約1000℃の高温・高圧のガスが発生する。
３Ｎ₂Ｈ₄ → ４（１−χ）ＮＨ₃ ＋ （１＋２χ）Ｎ₂ ＋ ６χＨ₂
ここで、χはヒドラジンの分解率である。なお、ヒドラジン分解による反応熱は約90〜150kJ/molとなる。
（８）発生した高温・高圧のガスは、反応ガスの噴射ノズル４から噴射され、宇宙機の姿勢制御に必要な推力が発生する。

以上のとおり、放電プラズマ発生の作動原理は、イグナイタ用電源からの電気的な誘起により、主放電用電源に蓄えられた電気エネルギが、アノードとカソード間で開放され、その電気的エネルギにより高分子化合物あるいは金属等の固体物質の一部が蒸発あるいは昇華し、解離、電離する。電離した領域内では、正の電荷をもったイオン（放電プラズマイオン）と負の電荷をもった電子（放電プラズマ電子）が存在し、電離した領域内に発生する熱及び磁場の影響により拡散する。電離した領域が周囲に存在する推薬と干渉することにより、推薬を励起させ、推薬の分解反応を促進させるものである。

かかる構造において、固体物質として、ＰＴＦＥ（商標名：テフロン）に微量のイリジウム粉末を混ぜたものを使い、ヒドラジン蒸気のなかで放電プラズマを発生させたところ、反応容器内部の圧力と温度が図３のように明らかに上昇する。このデータは、本方法によって、ヒドラジンの分解反応が生起される。

この反応を、推薬噴射パルスと放電プラズマ発生を同期させることにより、スラスタメカニズムにより必要な推力として取り出すことができる。また、推薬噴射を連続的に行えば、推力を連続的に得ることができることは容易に理解できる。これは、従来のスラスタに求めていた機能を、本発明によっても達成できる。

以上記載の如く本発明によれば、粒子状の触媒層のない状態で、推薬の分解反応を行うことができる。本発明の推力制御は、極めて安定的、かつ制御性が良好であるので、ロケット等の宇宙機器の姿勢制御等に有効に活用することが見込まれる。

本発明の実施例に係るスラスタの全体構成図である。 本発明の実施例における電極構造の概念図である。 前記実施例における推薬反応試験結果の例を示す図である。 従来のスラスタ構造図である。

符号の説明

Ｓ スラスタ
１ 放電プラズマ発生装置
２ 放電プラズマ発生装置の電源
３ 燃焼室（反応室）
４ 反応ガスの噴射ノズル
５ 推薬噴射装置
６ 推薬配管
７ 推薬供給制御部（例：電磁弁）
８ 推薬貯蔵装置
１１ 高分子化合物あるいは金属等の固体物質

Claims (10)

1. 触媒を実質的に介在させることなく、かつ、高分子化合物または金属固体物質のうちの少なくとも１種類を含む物質の放電プラズマを用いて、推力発生化合物の分解反応及び燃焼を生じさせ、該燃焼を促進させるようになったことを特徴とするスラスタ。
2. 前記推力発生化合物がヒドラジンであることを特徴とする請求項１に記載のスラスタ。
3. 前記高分子化合物がＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）であることを特徴とする請求項１ないし２に記載のスラスタ。
4. 前記金属がイリジウムであることを特徴とする請求項１ないし３に記載のスラスタ。
5. 前記金属が白金であることを特徴とする請求項１ないし４に記載のスラスタ。
6. ヒドラジンを主成分とする推薬の燃焼により宇宙機器の姿勢制御のための推力を発生するスラスタにおいて、ＰＴＦＥを含む放電プラズマを用い、前記推薬の分解反応及び燃焼を生じさせ、該燃焼を促進させるようになったことを特徴とするスラスタ。
7. ヒドラジンを主成分とする推薬を加圧して貯蔵装置に保持し、
   前記推薬を貯蔵装置から推薬噴射装置に供給制御し、
   前記推薬噴射装置から推薬を噴射して微粒化した状態で燃焼室に供給し、
   ＰＴＦＥを含む固体物質から構成される絶縁材を介して対向配置されるアノードとカソードからなる放電用電源のアノードとカソード間に所定電圧を印加することにより、プラズマ放電を生じさせるることによって前記推薬を着火、燃焼させるようになったことを特徴とする方法。
8. さらに、イグナイタ用電源及びイグナイタ電極とを備え前記カソードとの間に微小パルス放電を行うようになったことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記推薬がガスにより１ないし３ＭＰａの圧力で加圧されていることを特徴とする請求項７ないし８に記載の方法。
10. 前記所定電圧が２ないし４ＫＶであることを特徴とする請求項７ないし９に記載の方法。

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