JP2009274505A - 推薬タンク調圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】ブローダウン方式の推薬タンク内に別の高圧タンクから加圧ガスを補充することなく、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる推薬タンク調圧システムを提供する。
【解決手段】内部に液体推薬１と加圧ガス２が直接接触する状態で封入された推薬タンク１２と、スラスタ１４と、推薬排出口とスラスタを連結し推薬をスラスタに供給する推薬供給配管１６と、推薬供給配管の推薬排出口１２ａとスラスタの中間部１６ａとガスポート１２ｂを連通する循環配管１８と、循環配管に設けられ推薬を蒸発させて推薬蒸気３を発生する蒸発器２０と、循環配管の蒸発器とガスポートの間に設けられ推薬蒸気から加圧された分解ガス４を発生するガス発生器２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブローダウン方式の推薬タンク内の圧力を調節する推薬タンク調圧システムに関する。

人工衛星の姿勢制御を行うために、図５に示す推進系が現在提案されているこの推進系は、１個の推薬タンク５１と４個のスラスタ５２を備え、姿勢制御系からの信号に応じて、推薬タンク５１内の液体推進薬（例えばヒドラジン）を４個のスラスタ５２に供給し、分解ガスを外部に噴射するようになっている。
なお、この図で５３は圧力検出器、５４はフィルタ、５５は遠隔操作可能な開閉弁（「遮断弁」と呼ぶ）である。

かかる推進系は、例えば、非特許文献１に開示されている。また、これに用いる推薬タンクは、特許文献１，２に開示されている。さらに、本発明と関連する技術として、非特許文献２が既に開示されている。

特許文献１の「ベーン型表面張力タンク」は、液体補充時にタンク本体内の液体が気体出入口から流出することがないようにすることを目的とする。
この推薬タンクは、図６に示すように、タンク本体６１に液体出入口６９を設けるとともに、該液体出入口６９とは反対側の位置に気体出入口６３を設け、該気体出入口６３に液体出入口６９へ向けて延びるベーン支持棒６５を配設し、該ベーン支持棒６５に、液体出入口６９から気体出入口６３側へ向うに従いタンク本体６１の内壁に対する間隔が広がるベーン６２を複数枚取り付けたベーン型表面張力タンク６７において、基部が前記ベーン支持棒６５に接続され且つ該ベーン支持棒６５を中心としてベーン支持棒６５に対して直交する方向へ広がる邪魔板６６を設けたものである。
この構成により、邪魔板が流入する液体の慣性力を減殺し、タンク本体内の液体が気体出入口から流出するのを防止できる。

特許文献２の「人工衛星用推薬タンク」は、軽量且つ低コストに製作できると共に、微小重力環境下で推薬を安定して排出することのできることを目的とする。
この推薬タンクは、図７に示すように、排出ポート７１を備えたタンクシェル７０の内部に、平面形状円形で断面形状楕円状のトラップ容器７２の周囲に４枚のベーン７３が配設されて成る捕捉構造体７４が、トラップ容器７２を排出ポート７１に隣接させて配設されている。

非特許文献２は、本発明で適用するキャピラリーポンプに関する文献である。

宇宙航空研究開発機構、民生部品・コンポーネント実証衛星「つばさ（ＭＤＳ-１）」、ＡＣＳ／ＲＣＳ（姿勢制御系／推進系）、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉａｔ．ｊａｘａ．ｊｐ／ｒｅｓ／ｅｍｍｇ／ｍｄｓ１／ｃ０４．ｈｔｍｌ＞ 勝田正文他、「宇宙用キャピラリーポンプ（ＣＰＬ）に関する研究」、日本機械学会論文集（Ｂ編）６２巻５９７号（１９９６−５）

特開平８−１１７９９号公報、「ベーン型表面張力タンク」 特開２００２−１３７７９９号公報、「人工衛星用推薬タンク」

上述したように、人工衛星の姿勢制御を行うための従来の推進系は、ブローダウン方式の一液式推進系であり、推薬タンク５１、配管、スラスタ５２、及び弁類で構成される。
ブローダウン方式とは、推薬タンク５１内の推薬（液体推進薬、例えばヒドラジン）が、推薬と共にタンク内に封入された加圧ガスにより押し出され、配管を介してスラスタ５２に供給される方式をいう。

この方式の推進系システムは、推薬タンク内の圧力を調節する調圧機構をもたないため、図８に示すように、タンク内の加圧ガスは推薬の消費(作動経過)に伴いタンク内で膨張して圧力が下がる。
そのため、ブローダウン方式の特徴として初期の加圧圧力は高いが、作動時間の経過につれて低圧となり、スラスタの性能、効率、および安定性が低下する問題点があった。

また、この問題を解決するために、別の高圧タンクに加圧ガスを貯蔵して推薬タンクに補充し、推薬タンク内の圧力を調節する調圧機構を備えると、推進系システムの重量が過大となり、かつ圧力制御が必要であり、制御系が複雑になる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ブローダウン方式の推薬タンク内に別の高圧タンクから加圧ガスを補充することなく、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる推薬タンク調圧システムを提供することにある。

本発明によれば、推薬排出口とガスポートを有し内部に液体推薬と加圧ガスが直接接触する状態で封入された推薬タンクと、
前記推薬から分解ガスを発生して推進力を発生するスラスタと、
前記推薬排出口とスラスタを連結し、加圧ガスにより押し出された推薬をスラスタに供給する推薬供給配管と、
該推薬供給配管の推薬排出口とスラスタの中間部と前記ガスポートを連通する循環配管と、
該循環配管に設けられ前記推薬を蒸発させて推薬蒸気を発生する蒸発器と、
前記循環配管の蒸発器とガスポートの間に設けられ前記推薬蒸気から加圧された分解ガスを発生するガス発生器とを備えた、ことを特徴とする推薬タンク調圧システムが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記蒸発器は、液体推薬室と推薬蒸気室とを有する蒸発器本体と、該蒸発器本体を加熱する加熱器とからなり、
前記ガス発生器は、推薬蒸気を分解して加圧された分解ガスを発生させる触媒粒からなる触媒層を内部に有する。

また、前記蒸発器は、液体推薬室と推薬蒸気室の界面に液体推薬と推薬蒸気を連通しかつ表面張力によりその混合を防止するウイック又は細孔を有する、ことが好ましい。

また、推薬タンク内の圧力を検出する圧力検出器と、
検出された圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記加熱器を制御する圧力制御器とを備える、ことが好ましい。

上記本発明の構成によれば、循環配管に設けられた蒸発器により推薬を蒸発させて推薬蒸気を発生し、ガス発生器により推薬蒸気から加圧された分解ガスを発生するので、発生した分解ガスを循環配管とガスポートを介して推薬タンク内に供給することができ、推薬の消費に伴う圧力低下を防止することができる。
従って、ブローダウン方式の推薬タンク内に別の高圧タンクから加圧ガスを補充することなく、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる。

また、ガス発生器で発生する分解ガスの流量は、蒸発器で発生する推薬蒸気の流量に比例するので、例えば蒸発器本体を加熱する加熱器をＯＮ／ＯＦＦするだけで、特別な圧力制御なしに、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる。

さらに、圧力検出器と圧力制御器を備え、検出された圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記加熱器を制御することにより、簡単な圧力制御により、推薬タンク内の圧力を所定の圧力範囲に維持し、スラスタの性能、効率、および安定性を高く維持することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の推薬タンク調圧システムの第１実施形態図である。
この図において、本発明の推薬タンク調圧システムは、推薬タンク１２、スラスタ１４、推薬供給配管１６、循環配管１８、蒸発器２０、およびガス発生器２２を備える。

推薬タンク１２は、推薬排出口１２ａとガスポート１２ｂを有する気密容器であり、内部に液体推薬１と加圧ガス２が直接接触する状態で封入されている。
推薬排出口１２ａは、タンク内の液体推薬１と直接連通し、ガスポート１２ｂは、タンク内の加圧ガス２と直接連通するように構成されている。
推薬タンク１２の具体的構造は、特許文献１、２に開示された周知の構造でもよく、液体推薬１と加圧ガス２が直接接触する限りでその他の構造であってもよい。

液体推薬１は、例えば、スラスタに用いられる周知の液体推進薬、例えばヒドラジンである。加圧ガス２は、液体推薬１と直接反応しない不活性ガス、例えば、ヘリウム、アルゴン等である。

本発明において、推薬タンク１２は、ブローダウン方式であり、推薬タンク１２内の液体推薬１は加圧ガス２と共にタンク内に封入され、加圧ガスを補充する別の高圧タンクは軽量化のため、設けられていない。

この例では４台のスラスタ１４が、並列に設けられている。各スラスタ１４は、推薬を分解する分解触媒を内蔵しており、推薬から分解ガスを発生して推進力を発生するようになっている。

推薬供給配管１６は、推薬タンク１２の推薬排出口１２ａとスラスタ１４を連結し、加圧ガス２により押し出された推薬１をスラスタ１４に供給する。
この例において、推薬供給配管１６には、圧力検出器３２、フィルタ３４、および遮断弁３６が上流側から順に設けられ、遮断弁３６から４本に分岐し、各スラスタ１４に並列に接続されている。
なお、推薬供給配管１６および圧力検出器３２、フィルタ３４、遮断弁３６は、この構成に限られず、図５のように、２つの遮断弁３６を設けてもよく、その他の構成でもよい。

循環配管１８は、推薬供給配管１６の推薬排出口１２ａとスラスタ１４の中間部１６ａと推薬タンク１２のガスポート１２ｂを連通する。循環配管１８の途中に、蒸発器２０とガス発生器２２が設けられるので、循環配管１８は３分割され、それぞれ異なる内径であってもよい。

蒸発器２０は、中間部１６ａに近い循環配管１８に設けられ、推薬１（液体推薬）を蒸発させて推薬蒸気３を発生し、ガス発生器２２に供給する。
この例において、蒸発器２０は、液体推薬室２０ａと推薬蒸気室２０ｂとを有する蒸発器本体２０ｃと、蒸発器本体２０ｃを加熱する加熱器２０ｄとからなる。加熱器２０ｄは、電気ヒータであるのが好ましいが、ガス発生器２２の予熱を利用してもよい。

蒸発器２０ｃは、液体推薬室２０ａと推薬蒸気室２０ｂの界面に液体推薬１と推薬蒸気３を連通しかつ表面張力によりその混合を防止するウイック又は細孔２１を有する。このウイック又は細孔２１により、液体推薬１の表面張力により液体推薬１がそのままガス発生器２２に供給されるのを防止し、推薬１（液体推薬）が蒸発した推薬蒸気３の流量で、ガス発生器２２で発生する分解ガス４の流量を制御することができる。

ガス発生器２２は、循環配管１８の蒸発器２０とガスポート１２ｂの間に設けられる。
この例において、ガス発生器２２は、推薬蒸気３を分解して加圧された分解ガス４を発生させる触媒粒からなる触媒層２２ａを内部に有し、蒸発器２０から供給される推薬蒸気３から加圧された分解ガス４を発生し、ガスポート１２ｂを介して推薬タンク１２に供給する。

図２は、図１の推薬タンク調圧システムの模式的性能図である。
上述した本発明の構成によれば、循環配管１８に設けられた蒸発器２０により推薬１（液体推薬）を蒸発させて推薬蒸気３を発生し、ガス発生器２２により推薬蒸気３から加圧された分解ガス４を発生するので、発生した分解ガス４を循環配管１８とガスポート１２ｂを介して推薬タンク１２内に供給することができ、図２に示すように、スラスタ１４の作動経過に伴い低下した圧力を回復して、推薬１の消費に伴う圧力低下を防止することができる。
従って、ブローダウン方式の推薬タンク内に別の高圧タンクから加圧ガスを補充することなく、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる。

また、ガス発生器２２で発生する分解ガス４の流量は、蒸発器２０で発生する推薬蒸気３の流量に比例するので、例えば蒸発器本体を加熱する加熱器２０ｄをＯＮ／ＯＦＦするだけで、特別な圧力制御なしに、推薬の消費に伴う推薬タンク内の圧力の低下を抑制して、スラスタの性能、効率、および安定性を高めることができる。

図３は、本発明の推薬タンク調圧システムの第２実施形態図である。
この例において、本発明の推薬タンク調圧システムは、さらに、圧力検出器２４と圧力制御器２６を備える。
圧力検出器２４は、この例では、推薬タンク１２に取付けられ、推薬タンク１２内の圧力を検出し、検出信号を圧力制御器２６に出力する。圧力検出器２４の取付位置は、この例に限定されず、推薬タンク１２内の圧力を検出できる限りで、図１と同じ位置でもよい。
圧力制御器２６は、圧力検出器２４で検出された圧力が所定の圧力範囲を維持するように加熱器２０ｄを制御する。
その他の構成は、図１と同様である。

図４は、図３の推薬タンク調圧システムの模式的性能図である。
上述したように、圧力検出器２４と圧力制御器２６を備え、検出された圧力が所定の圧力範囲を維持するように加熱器２０ｄを制御することにより、簡単な圧力制御により、推薬タンク１２内の圧力を所定の圧力範囲に維持し、スラスタの性能、効率、および安定性を高く維持することができる。

上述したように、本発明は、従来のブローダウン方式の推進系の構成に加えて、推薬タンク１２の外側に推薬分解触媒を用いたガス発生器２２及びこのガス発生器２２に推薬蒸気３を供給するための蒸発器２０を設け、推薬排出口１２ａ、蒸発器２０、ガス発生器２２、及びガスポート１２ｂを循環配管１８で接続する。
蒸発器２０により蒸発した推薬蒸気３はガス発生器２２に供給され、推薬１をタンク１２から押し出すための加圧された分解ガス４となる。加圧された分解ガス４が供給されるため推薬消費に伴う圧力低下が生じない。

従って、推薬１の供給圧力を常に高い圧力に保つことができることから、スラスタ１４を安定的かつ効率よく作動させることが可能となり、推薬消費量を節約することが可能となる。
例えば、推薬量１８０ｋｇ搭載の地球周回衛星の場合で、試算によると約１５ｋｇの節約が可能となる。また性能が安定することから、推薬１の供給圧力に変化に対するスラスタ１４の性能を検証するための手間が省ける。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の推薬タンク調圧システムの第１実施形態図である。 図１の推薬タンク調圧システムの模式的性能図である。 本発明の推薬タンク調圧システムの第２実施形態図である。 図３の推薬タンク調圧システムの模式的性能図である。 非特許文献１の推進系の模式図である。 特許文献１の「ベーン型表面張力タンク」の模式図である。 特許文献２の「人工衛星用推薬タンク」の模式図である。 従来の推進系の模式的性能図である。

符号の説明

１ 液体推薬、２ 加圧ガス、３ 推薬蒸気、４ 分解ガス、
１２ 推薬タンク、１２ａ 推薬排出口、１２ｂ ガスポート、
１４ スラスタ、１６ 推薬供給配管、１６ａ 中間部、
１８ 循環配管、２０ 蒸発器、２０ａ 液体推薬室、
２０ｂ 推薬蒸気室、２０ｃ 蒸発器本体、２０ｄ 加熱器、
２１ ウイック又は細孔、２２ ガス発生器、２２ａ 触媒層、
３２ 圧力検出器、３４ フィルタ、３６ 遮断弁

Claims (4)

1. 推薬排出口とガスポートを有し内部に液体推薬と加圧ガスが直接接触する状態で封入された推薬タンクと、
   前記推薬から分解ガスを発生して推進力を発生するスラスタと、
   前記推薬排出口とスラスタを連結し、加圧ガスにより押し出された推薬をスラスタに供給する推薬供給配管と、
   該推薬供給配管の推薬排出口とスラスタの中間部と前記ガスポートを連通する循環配管と、
   該循環配管に設けられ前記推薬を蒸発させて推薬蒸気を発生する蒸発器と、
   前記循環配管の蒸発器とガスポートの間に設けられ前記推薬蒸気から加圧された分解ガスを発生するガス発生器とを備えた、ことを特徴とする推薬タンク調圧システム。
2. 前記蒸発器は、液体推薬室と推薬蒸気室とを有する蒸発器本体と、該蒸発器本体を加熱する加熱器とからなり、
   前記ガス発生器は、推薬蒸気を分解して加圧された分解ガスを発生させる触媒からなる触媒層を内部に有する、ことを特徴とする請求項１に記載の推薬タンク調圧システム。
3. 前記蒸発器は、液体推薬室と推薬蒸気室の界面に液体推薬と推薬蒸気を連通しかつ表面張力によりその混合を防止するウイック又は細孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の推薬タンク調圧システム。
4. 推薬タンク内の圧力を検出する圧力検出器と、
   検出された圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記加熱器を制御する圧力制御器とを備える、ことを特徴とする請求項２、３に記載の推薬タンク調圧システム。

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