JP2010229852A - Catalyst decomposition type thruster for space vehicle - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst decomposition type thruster for a space vehicle, for actualizing high safety and easy assembly even when using HAN (Hydroxylammonium Nitrate) based liquid propellant for one liquid propulsion system. <P>SOLUTION: The catalyst decomposition type thruster for the space vehicle includes a hollow tank for storing the liquid propellant, a combustor for decomposing the liquid propellant and injecting reactive gas, and a propellant valve for controlling the supply of the liquid propellant from the tank to the combustor. The combustor includes a catalyst layer having a catalyst to be used for decomposing the liquid propellant, a heating device for heating the catalyst layer, and an injector for supplying the liquid propellant to the catalyst layer. Between the injector and the propellant valve, a heat insulating member is provided which has a flow path for the liquid propellant from the propellant valve to the combustor. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタに関する。特に、本発明は、宇宙飛翔体に用いられる一液推進系に好適に使用し得る、触媒分解式スラスタに関する。   The present invention relates to a catalytic decomposition type thruster for space vehicles. In particular, the present invention relates to a catalytic decomposition type thruster that can be suitably used for a one-component propulsion system used in a space vehicle.

宇宙空間において、宇宙機等の宇宙飛翔体の姿勢・軌道を制御する際に用いられる推進系として、従来、液体推進薬を触媒で分解させ、得られた反応ガスを噴射することにより推進力を得る、所謂一液推進系である触媒分解式スラスタが使用されてきた。
宇宙飛翔体用の一液推進系に使用する燃料としては、ヒドラジンを使用することが多い。ヒドラジンは、反応性が高い点で優れた燃料であるといえるが、取り扱いに危険を伴う。このため、近年、ヒドラジンに代わる低毒性の液体推進薬として、硝酸ヒドロキシルアンモニウム(「HAN」)系の液体推進薬が注目されている。
例えば、特開2007−023135号公報には、一液のみで機能を果たす推進剤であるモノプロペラント(一液推進薬)等に用いられる安全性の高い液体酸化剤として、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート(HAN)及びヒドラジニウムナイトレート(HN)を水(H2O)に溶解し、さらに10重量%以下の燃料成分を含む液体酸化剤が開示されており、この液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し高温ガスを発生させる高温ガス発生方法が開示されている。
また、特開2004−340148号公報には、HAN基推進薬を反応器に導入し、推進薬内のHANの少なくとも大部分を解離させるように推進薬を分解し、反応器の出力物を燃焼器に導き、解離HANの解離生成物を推進薬内の未反応燃料と燃焼させるように、反応器の出力物を燃焼器内で燃焼させる方法が開示されている。
As a propulsion system used to control the attitude and orbit of a spacecraft such as a spacecraft in outer space, a propelling force has been conventionally achieved by decomposing a liquid propellant with a catalyst and injecting the resulting reaction gas. Catalytic cracking thrusters, which are so-called one-part propulsion systems, have been used.
Hydrazine is often used as a fuel for a one-component propulsion system for space vehicles. Hydrazine is an excellent fuel because of its high reactivity, but it is dangerous to handle. Therefore, in recent years, hydroxylammonium nitrate (“HAN”)-based liquid propellants have attracted attention as low-toxic liquid propellants that can replace hydrazine.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-023135 discloses hydroxylammonium nitrate as a highly safe liquid oxidizing agent used for a monopropellant (single liquid propellant) that is a propellant that functions only with one liquid. HAN) and hydrazinium nitrate (HN) are dissolved in water (H 2 O), and a liquid oxidizer containing 10% by weight or less of a fuel component is disclosed. A hot gas generation method is disclosed in which liquid fuel is stored separately and mixed or brought into contact immediately before use to ignite and generate hot gas.
Japanese Patent Laid-Open No. 2004-340148 discloses that a HAN group propellant is introduced into a reactor, the propellant is decomposed so as to dissociate at least most of the HAN in the propellant, and the output of the reactor is burned. A method is disclosed in which the output of the reactor is combusted in the combustor such that the dissociated HAN dissociation product is combusted with unreacted fuel in the propellant.

燃料としてヒドラジンを使用する場合の触媒分解式スラスタとしては、例えば、図1に示すようなものが考えられる。この触媒分解式スラスタ10では、ヒドラジン等の液体推進薬を推進薬タンク(図示せず)に貯蔵しておき、これを推薬弁11の開閉を制御することにより、径の小さい金属製のキャピラリ管12を通して燃焼器13へ送る。燃焼器13は、ヒドラジン等の液体推進薬を触媒分解させる触媒層14を備えている。キャピラリ管12を通って燃焼器13のインジェクタ15へ搬送されてきたヒドラジン等の液体推進薬は、インジェクタ15により、触媒層14に向かって噴出される。
図1に示されている触媒分解式スラスタにおいて、推薬弁11と燃焼器13とを径の小さいキャピラリ管12で接続しているのは、次のような理由による。すなわち、燃焼器13中で液体推進薬を触媒分解させると高温の燃焼ガスを発生するため、燃焼器13の温度が上昇する。この熱が、燃焼器13から推薬弁11まで、液体推進薬供給のための配管を通して伝導すると、高温箇所で液体推進薬の自己分解が起こって爆発する危険性がある。このため、触媒分解式スラスタでは、推薬弁11と燃焼器13との間を熱容量の小さい小径の金属キャピラリ管12を用いて接続して、推薬弁11へ熱が伝わりにくい構造としていたのである。
As the catalytic decomposition type thruster when hydrazine is used as the fuel, for example, the one shown in FIG. 1 can be considered. In the catalytic decomposition type thruster 10, a liquid propellant such as hydrazine is stored in a propellant tank (not shown), and the opening and closing of the propellant valve 11 is controlled to make a metal capillary with a small diameter. Feed to combustor 13 through tube 12. The combustor 13 includes a catalyst layer 14 that catalytically decomposes a liquid propellant such as hydrazine. The liquid propellant such as hydrazine that has been conveyed to the injector 15 of the combustor 13 through the capillary tube 12 is jetted toward the catalyst layer 14 by the injector 15.
In the catalytic decomposition type thruster shown in FIG. 1, the propellant valve 11 and the combustor 13 are connected by the capillary tube 12 having a small diameter for the following reason. That is, when the liquid propellant is catalytically decomposed in the combustor 13, high-temperature combustion gas is generated, so that the temperature of the combustor 13 rises. When this heat is conducted from the combustor 13 to the propellant valve 11 through the pipe for supplying the liquid propellant, there is a risk that the liquid propellant self-decomposes and explodes at a high temperature. For this reason, in the catalytic decomposition type thruster, the propellant valve 11 and the combustor 13 are connected using a small-diameter metal capillary tube 12 having a small heat capacity, so that heat is not easily transmitted to the propellant valve 11. is there.

特開2007−023135号公報JP 2007-023135 A 特開2004−340148号公報JP 2004-340148 A

図1に示すような従来の触媒分解式スラスタ10は、上述のような理由から径の小さい金属キャピラリ管12を採用していたため、様々な問題を有していた。
すなわち、まず、小径(外径が2mm以下)の金属キャピラリ管の両端を、管がつぶれてしまわないようにしながら金属プレートに溶接し、その上で金属プレートを推薬弁と燃焼器13とにそれぞれ接続するのは、極めて煩雑な組立て工程を要するものである。また、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止するために、金属キャピラリ管をらせん状に加工する場合には、らせん状の金属キャピラリ管を保持しておくためのアダプタが必要となり、部品点数が増加することになる。
また、液体推進薬中には、不純物が存在する場合がある。また、推薬弁11が電磁弁である場合に、電磁弁を構成する金属部品同士の摩擦で発生するバリなどの異物が、液体推進薬が推薬弁11を通過する際に混入することがある。これらの不純物や異物は、液体推進薬が小径の金属キャピラリ管12を通過する際に、流路を閉塞する原因となりうる。さらに、触媒分解式スラスタ10が宇宙環境のような無重力状態にある場合、あるいは地上での組立て工程にあるような場合には、触媒層14から脱離した粒径の小さい触媒が逆流して、小径の金属キャピラリ管12を閉塞する可能性がある。
さらに、図1に示すような触媒分解式スラスタにおいて、ヒドラジンに代えてHAN系の液体推進薬を使用する場合には、新たな問題を生ずる。すなわち、HAN系の液体推進薬は、ヒドラジンに比べて、毒性が低い点で優れているものの、反応性は低い。このため、HAN系の液体推進薬を触媒分解させるためには、触媒層14中の触媒を予め加熱しておくことにより、触媒を高温にして活性を高めておく必要がある。このような場合に、触媒層14を予熱するためのヒータを設けると、このヒータからの熱が、燃焼器13から金属キャピラリ管12へ伝導することになる。また、HAN系の液体推進薬は高性能であるため、燃焼ガス発生に伴う燃焼器13の温度上昇が激しく、燃焼器13から金属キャピラリ管12へ流れ込む熱量も、従来に比べて非常に大きなものとなる。その結果、従来の金属キャピラリ管12を使用したシステムでは、推薬弁11がコンポーネントとしての温度限界を逸脱するような高温まで加熱されてしまうおそれがある。一方、金属キャピラリ管12の径をさらに小さくしてこの問題を解決するには限界があり、また燃焼器13へ十分な液体推進薬を供給することも困難になる。さらに、上記のようなキャピラリ管12の閉塞の問題は、径を小さくすれば悪化することは明らかである。
The conventional catalytic decomposition type thruster 10 as shown in FIG. 1 has various problems because it employs the metal capillary tube 12 having a small diameter for the reasons described above.
That is, first, both ends of a metal capillary tube having a small diameter (outer diameter of 2 mm or less) are welded to a metal plate while preventing the tube from being crushed, and then the metal plate is attached to the propellant valve and the combustor 13. Each connection requires an extremely complicated assembly process. In order to prevent heat conduction from the combustor to the propellant valve, when processing the metal capillary tube in a spiral shape, an adapter for holding the spiral metal capillary tube is required. The score will increase.
Further, impurities may be present in the liquid propellant. Further, when the propellant valve 11 is a solenoid valve, foreign matters such as burrs generated by friction between metal parts constituting the solenoid valve may be mixed when the liquid propellant passes through the propellant valve 11. is there. These impurities and foreign matters can cause the liquid propellant to block the flow path when passing through the small-diameter metal capillary tube 12. Further, when the catalytic decomposition type thruster 10 is in a weightless state such as a space environment, or is in an assembly process on the ground, the catalyst having a small particle size detached from the catalyst layer 14 flows backward, There is a possibility of closing the small-diameter metal capillary tube 12.
Further, in the catalytic decomposition type thruster as shown in FIG. 1, when a HAN liquid propellant is used instead of hydrazine, a new problem occurs. That is, although the HAN liquid propellant is superior in terms of low toxicity as compared with hydrazine, the reactivity is low. For this reason, in order to catalytically decompose the HAN-based liquid propellant, it is necessary to heat the catalyst in the catalyst layer 14 in advance to increase the activity of the catalyst at a high temperature. In such a case, if a heater for preheating the catalyst layer 14 is provided, heat from the heater is conducted from the combustor 13 to the metal capillary tube 12. In addition, since the HAN-based liquid propellant has high performance, the temperature of the combustor 13 rises greatly due to the generation of combustion gas, and the amount of heat flowing from the combustor 13 into the metal capillary tube 12 is much larger than before. It becomes. As a result, in the system using the conventional metal capillary tube 12, the propellant valve 11 may be heated to a high temperature that deviates from the temperature limit as a component. On the other hand, there is a limit to solve this problem by further reducing the diameter of the metal capillary tube 12, and it becomes difficult to supply sufficient liquid propellant to the combustor 13. Further, it is obvious that the problem of the blockage of the capillary tube 12 as described above is exacerbated as the diameter is reduced.

したがって、本発明は、一液推進系においてHAN系の液体推進薬を使用する場合であっても高い安全性と組立て容易性を得ることのできる、触媒分解式スラスタを提供することを目的とするものである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a catalytic decomposition type thruster that can obtain high safety and easy assembly even when a HAN liquid propellant is used in a single liquid propulsion system. Is.

本発明者らは、従来の金属キャピラリ管に代えて、インジェクタと推薬弁とを熱絶縁性の部材で接続し、この熱絶縁性の部材中に液体推進薬の流路を設けることにより、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止するとともに、閉塞しにくい大きさの液体推進薬の流路を設けることが可能となり、上記課題を解決し得るとの知見に基づき、本発明に至ったものである。   Instead of the conventional metal capillary tube, the present inventors connect the injector and the propellant valve with a heat insulating member, and by providing a liquid propellant flow path in the heat insulating member, While preventing heat conduction from the combustor to the propellant valve, it is possible to provide a liquid propellant flow path with a size that is difficult to block, and based on the knowledge that the above problems can be solved, the present invention has been achieved. It is a thing.

すなわち、本発明は、液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタであって、液体推進薬を収容するための中空のタンクと、液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器と、タンクから燃焼器への液体推進薬の供給を制御する推薬弁とを備え、燃焼器はさらに、液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層と、触媒層を加熱するための加熱装置と、触媒層に対して液体推進薬を供給するインジェクタとを備え、インジェクタと推薬弁との間に、推薬弁から燃焼器への液体推進薬の流路を有する熱絶縁性の部材を設けたことを特徴とする、触媒分解式スラスタを提供する。   That is, the present invention is a catalytic decomposition type thruster for a spacecraft, which obtains a propulsive force by injecting a reaction gas obtained by decomposing a liquid propellant with a catalyst, and is a hollow for containing a liquid propellant. And a propellant valve for controlling the supply of liquid propellant from the tank to the combustor, the combustor further comprising a liquid propellant. A catalyst layer having a catalyst for causing catalyst decomposition, a heating device for heating the catalyst layer, and an injector for supplying a liquid propellant to the catalyst layer are provided, and a thrust is provided between the injector and the propellant valve. There is provided a catalytic decomposition type thruster provided with a thermally insulating member having a liquid propellant flow path from a chemical valve to a combustor.

本発明によれば、インジェクタと推薬弁とが熱絶縁性の部材で接続されているため、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止することができ、液体推進薬の自己分解による爆発の危険性や、推薬弁の温度限界を逸脱することによる故障の可能性を有効に回避することができる。また、熱絶縁性の部材を加工して液体推進薬の流路を設ける際に、液体推進薬中の不純物や混入異物等により閉塞されにくい大きさの流路とすることができる。さらに、熱絶縁性の部材は大きさ、材質ともに取扱いや加工が容易であるため、触媒分解式スラスタの組立ても容易になる。   According to the present invention, since the injector and the propellant valve are connected by the heat insulating member, heat conduction from the combustor to the propellant valve can be prevented, and the explosion caused by the self-decomposition of the liquid propellant And the possibility of failure due to deviation from the temperature limit of the propellant valve can be effectively avoided. Further, when the heat-insulating member is processed to provide the liquid propellant flow path, the flow path can have a size that is difficult to be blocked by impurities in the liquid propellant, mixed foreign matter, or the like. Furthermore, since the heat insulating member is easy to handle and process in both size and material, it is easy to assemble a catalytic decomposition type thruster.

従来の触媒分解式スラスタの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of a conventional catalytic decomposition type thruster. 本発明による触媒分解式スラスタの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the catalytic decomposition type thruster by this invention.

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
図2に、本発明による触媒分解式スラスタの断面模式図を示す。触媒分解式スラスタ1は、液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、触媒分解式スラスタである。この触媒分解式スラスタ1は、液体推進薬を収容するための中空のタンク(図示せず)と、液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器2と、タンクから燃焼器への液体推進薬の供給を制御する推薬弁3とを備えている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the catalytic decomposition type thruster according to the present invention. The catalytic decomposition type thruster 1 is a catalytic decomposition type thruster that obtains a driving force by injecting a reaction gas obtained by decomposing a liquid propellant with a catalyst. This catalytic decomposition type thruster 1 includes a hollow tank (not shown) for containing a liquid propellant, a combustor 2 that decomposes the liquid propellant and injects a reaction gas, and a liquid from the tank to the combustor. And a propellant valve 3 for controlling the supply of the propellant.

a.タンク
本発明で使用するタンクとしては、特に制限はないが、例えば内径50mmの円筒形状のタンクを使用することができる。HAN系液体推進薬が強酸性であることに鑑みて、タンクの材質は、材料適合性試験により適合性が確認されているステンレスやチタン系の材料とするのが望ましい。
タンクは気液分離機構の一例としてピストンを備えており、ピストンがタンクの内部に液体推進薬が充填された区画を形成し、ピストンが作動することにより、液体推進薬が推薬弁3の開閉に従って燃焼器2へ送出されるようにすることができる。タンクがこのような気液分離機構を備えていることは、本発明の触媒分解式スラスタが宇宙飛翔体に用いられる際に重要となる。すなわち、タンクの内部に気液分離機構設けて液体推進薬が充填された区画を形成しておけば、タンクを宇宙環境で使用する場合に、無重力下で液体推進薬がタンクの内壁付近に偏在してしまい、液体推進薬をタンクから排出する際にガスが排出されてしまうのを防ぐことができる。HAN系液体推進薬に対する耐性の観点から、ピストン等の気液分離機構もステンレスや高分子材料製とするのが望ましい。
タンクの内面は、鏡面仕上げとなっている。また、タンクは、安全率を2倍以上(地上試験においては安全率を4倍以上)として、内圧3MPa程度の、宇宙飛翔体の軌道上で想定される圧力にも十分に耐えられるような、耐圧構造としておくのが望ましい。タンクへ液体推進薬を充填する場合には、次のように、宇宙飛翔体における液体推進薬の充填方法として一般的に用いられる所謂真空充填方式を採用することができる。なお、HAN系推進薬は長期保管が可能なので、タンクに充填した状態で液体推進薬を保存することも可能である。
a. Tank The tank used in the present invention is not particularly limited. For example, a cylindrical tank having an inner diameter of 50 mm can be used. In view of the strong acidity of the HAN liquid propellant, it is desirable that the material of the tank be a stainless steel or titanium material that has been confirmed to be compatible by a material compatibility test.
The tank includes a piston as an example of a gas-liquid separation mechanism. The piston forms a compartment filled with liquid propellant inside the tank, and the liquid propellant opens and closes the propellant valve 3 when the piston operates. Accordingly, the fuel can be sent to the combustor 2. The tank having such a gas-liquid separation mechanism is important when the catalytic decomposition type thruster of the present invention is used for a space vehicle. In other words, if a gas-liquid separation mechanism is provided inside the tank to form a section filled with liquid propellant, the liquid propellant is unevenly distributed near the inner wall of the tank under zero gravity when used in a space environment. Therefore, it is possible to prevent the gas from being discharged when the liquid propellant is discharged from the tank. From the viewpoint of resistance to the HAN liquid propellant, it is desirable that the gas-liquid separation mechanism such as the piston is also made of stainless steel or a polymer material.
The inner surface of the tank has a mirror finish. In addition, the tank has a safety factor of 2 times or more (4 times or more in the ground test), and can sufficiently withstand the pressure assumed on the orbit of the spacecraft with an internal pressure of about 3 MPa. It is desirable to have a breakdown voltage structure. When the liquid propellant is filled in the tank, a so-called vacuum filling method generally used as a liquid propellant filling method in the spacecraft can be adopted as follows. Since the HAN propellant can be stored for a long time, the liquid propellant can be stored in a state where the tank is filled.

b.燃焼器
燃焼器2はステンレス合金系であるのが望ましい。燃焼器2の材質は、高温(1000℃以上)の反応ガスおよび強酸性である未反応の液体推進薬に触れても材料適合性があるものを選定すればよい。燃焼器2の形状は、宇宙飛翔体で使用されている一般的な耐圧形状であればよく、例えば円筒形状とすることができる。燃焼器2の構造としては、反応ガスの圧力が1MPa弱の圧力を有することから、これに十分耐えられるような構造とし、さらに安全率2倍以上(地上試験においては安全率4倍以上)を確保するのが望ましい。
燃焼器2により得られるスラスト力としては、15N程度が得られるのが望ましい。得られるスラスト力の大きさは、スラスタ形状を調整することなどにより変更することが可能である。
燃焼器2のノズル4としては、宇宙飛翔体において通常使用されている種類のものを採用することができる。ノズル4については、ノズル4のスロートで反応ガスがチョークすることで、反応ガスの圧力が計測でき、計測結果からスラスタ性能を評価することができる。そして、評価されたスラスタ性能に基づいて、チョークできるノズル系を選定することが可能である。
ノズル4から反応ガスを排出して推進力を得るプロセスは、反応ガスがノズル4のスロートでチョークされ、音速となってスロートを通過し、その後適正に膨張することで推進力が得られる、というものである。
b. Combustor The combustor 2 is preferably a stainless alloy system. The material of the combustor 2 may be selected as long as it is compatible with the high-temperature (1000 ° C. or higher) reaction gas and the strongly acidic unreacted liquid propellant. The shape of the combustor 2 may be a general pressure-resistant shape used in a space vehicle, and may be, for example, a cylindrical shape. The structure of the combustor 2 is such that the pressure of the reaction gas is less than 1 MPa, so that it can sufficiently withstand this, and more than twice the safety factor (more than four times the safety factor in ground tests) It is desirable to ensure.
As the thrust force obtained by the combustor 2, it is desirable to obtain about 15N. The magnitude of the obtained thrust force can be changed by adjusting the thruster shape.
The nozzle 4 of the combustor 2 may be of the type normally used in space vehicles. As for the nozzle 4, the reaction gas is choked at the throat of the nozzle 4, whereby the pressure of the reaction gas can be measured, and the thruster performance can be evaluated from the measurement result. A nozzle system that can be choked can be selected based on the evaluated thruster performance.
The process of obtaining the propulsive force by discharging the reactive gas from the nozzle 4 is that the reactive gas is choked at the throat of the nozzle 4, passes through the throat at the speed of sound, and then expands properly, thereby obtaining the propulsive force. Is.

c.推薬弁
本発明で使用する推薬弁3としては、宇宙飛翔体に使用するものとして十分に実績のあるものを選定するのが望ましい。例えば、ステンレス系の合金構造であり、ソレノイドにより弁体を駆動してシールするスライディングフィット式もしくはサスペンデッドアーマチャ式のソレノイドバルブを好適に使用することができる。この推薬弁3は、宇宙用飛翔体において、燃焼器2へ液体推進薬を供給する役割を持ち、液体推進薬の供給を制御することで燃焼を制御するものである。
推薬弁3は、具体的には次のように機能する。すなわち、上流にあるタンクから加圧、圧送された液体推進薬は、推薬弁3が閉じていることにより、触媒層5を備える燃焼器2への供給が停止されている。そして、触媒分解式スラスタ1による推力の発生が求められるときにのみ、推薬弁3が開けられ、触媒層5に液体推進薬が供給されて、触媒分解により推力が発生する。このように、推薬弁3は、燃焼を制御する機能を持つ要素である。
本発明で使用する燃焼器2はさらに、液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層5と、触媒層5を加熱するための加熱装置6と、触媒層5に対して液体推進薬を供給するインジェクタ7とを備えている。
c. Propellant Valve As the propellant valve 3 used in the present invention, it is desirable to select a propellant valve that has a sufficient track record for use in space vehicles. For example, a sliding fit type or a suspended armature type solenoid valve that has a stainless alloy structure and drives and seals the valve body by a solenoid can be preferably used. The propellant valve 3 has a role of supplying a liquid propellant to the combustor 2 in the space vehicle, and controls combustion by controlling the supply of the liquid propellant.
Specifically, the propellant valve 3 functions as follows. That is, the liquid propellant pressurized and pumped from the upstream tank is not supplied to the combustor 2 including the catalyst layer 5 because the propellant valve 3 is closed. Only when the generation of thrust by the catalytic decomposition thruster 1 is required, the propellant valve 3 is opened, the liquid propellant is supplied to the catalyst layer 5, and thrust is generated by catalytic decomposition. Thus, the propellant valve 3 is an element having a function of controlling combustion.
The combustor 2 used in the present invention further includes a catalyst layer 5 having a catalyst for catalytically decomposing the liquid propellant, a heating device 6 for heating the catalyst layer 5, and a liquid propellant for the catalyst layer 5. And an injector 7 for supplying the same.

d.触媒層
触媒層5は、燃焼器2の内部において、インジェクタ7から噴出された液体推進薬が触媒層5全体に過不足なく適用されるようにするのが望ましく、インジェクタ7の先端から触媒層5までの距離を最適化して配置することが重要である。例えば、インジェクタ7の先端から約50mmの位置に触媒層5を配置することができる。
触媒層5で分解された液体推進薬の反応ガスは、燃焼室中の触媒層5の下流の領域で完全に分解し、それがノズル4から排出される。燃焼器2中このプロセスに関与する部分の内面には、耐熱材料としてグラファイトを使用する。
触媒層5に使用する触媒としては、例えばS405というイリジウムを担持させたアルミナ担体の触媒を使用することができる。触媒の種類は、宇宙飛翔体の一液推進系に通常使用される触媒であれば、特に制限はない。触媒の寸法及び形状としては、粒径が0.5mm以下程度の粒状のものを使用するのが好適である。触媒層5は、このような触媒がこぼれない程度に細かいメッシュのステンレス系の金網で触媒を挟み込むことにより構成することができる。さらに、触媒層5の保持には、耐熱および耐圧材料としてステンレス合金系の金網を使用するとともに、補強材として炭素繊維およびセラミック材料を使用するのが望ましい。
触媒層5の触媒で分解される液体推進薬としては、例えば、硝酸ヒドロキシアンモニウムに、硝酸アンモニウム、水、メタノールを、質量比95:5:8:21で混合したものを使用することができる。このような組成を有する液体推進薬の比重は1.4であり、凝固点は−68℃である。
触媒層5の触媒でこのようなHAN系の液体推進薬を分解することにより推進力を得るメカニズムは、HAN系液体推進薬が触媒によって分解され、チッ素、水素等に分解され、その際に高温となり、さらにその反応過程において、燃料成分のメタノールが燃焼器2内で燃焼して、ノズルから排出される、とういうものとして説明される。
d. Catalyst Layer The catalyst layer 5 is preferably configured so that the liquid propellant ejected from the injector 7 is applied to the entire catalyst layer 5 without excess or deficiency inside the combustor 2, and from the tip of the injector 7 to the catalyst layer 5. It is important to optimize and arrange the distance. For example, the catalyst layer 5 can be disposed at a position of about 50 mm from the tip of the injector 7.
The reaction gas of the liquid propellant decomposed in the catalyst layer 5 is completely decomposed in a region downstream of the catalyst layer 5 in the combustion chamber, and is discharged from the nozzle 4. Graphite is used as the heat-resistant material on the inner surface of the part involved in this process in the combustor 2.
As a catalyst used for the catalyst layer 5, for example, a catalyst of an alumina carrier supporting iridium such as S405 can be used. The type of the catalyst is not particularly limited as long as it is a catalyst usually used for a one-part propulsion system of a space vehicle. As the size and shape of the catalyst, it is preferable to use particles having a particle size of about 0.5 mm or less. The catalyst layer 5 can be configured by sandwiching the catalyst with a stainless steel wire mesh with a fine mesh to such an extent that such a catalyst does not spill. Further, for holding the catalyst layer 5, it is desirable to use a stainless alloy wire mesh as a heat-resistant and pressure-resistant material and to use carbon fiber and a ceramic material as a reinforcing material.
As a liquid propellant decomposed | disassembled by the catalyst of the catalyst layer 5, what mixed ammonium nitrate, water, and methanol with the mass ratio 95: 5: 8: 21 can be used for hydroxyammonium nitrate, for example. The liquid propellant having such a composition has a specific gravity of 1.4 and a freezing point of −68 ° C.
The mechanism of obtaining a driving force by decomposing such a HAN liquid propellant with the catalyst of the catalyst layer 5 is that the HAN liquid propellant is decomposed by the catalyst and decomposed into nitrogen, hydrogen, etc. It is explained that the fuel component methanol burns in the combustor 2 and is discharged from the nozzle during the reaction process.

e.加熱装置
加熱装置6としては、特に制限はなく、例えば電熱線をテープ状に加工したテープヒータを使用することができる。このようなヒータは、例えば10Ωの電熱線に24Vの電圧をかけて発熱させるものである。加熱装置6の施工は、テープヒータを使用する場合には、触媒層5付近の燃焼器2の外側に、テープヒータを巻きつけることにより行うことができる。そして、ステンレス製の燃焼器2の熱伝達を利用して、触媒層5を加熱する。
e. Heating device There is no restriction | limiting in particular as the heating device 6, For example, the tape heater which processed the heating wire in tape shape can be used. Such a heater, for example, generates heat by applying a voltage of 24V to a 10Ω heating wire. When the tape heater is used, the heating device 6 can be applied by winding the tape heater around the outside of the combustor 2 near the catalyst layer 5. And the catalyst layer 5 is heated using the heat transfer of the combustor 2 made of stainless steel.

f.インジェクタ
インジェクタ7も、他の要素と同様の理由から、ステンレスなどの材料適合性、高温耐性のある材料で構成するのが望ましい。このインジェクタ7は、触媒層5に対して液体推進薬を供給可能なものであれば、特に制限はないが、好ましくは燃焼器2内で触媒層5の上流に配置される噴霧器である。インジェクタ7から噴霧された液体推進薬が、触媒層5の触媒に均一に噴霧されるようにするためには、スプレーの拡散角度を計測から50°とするのが好適であると考えられる。
インジェクタにより噴霧された液体推進薬の液滴の粒径は、0.1mm〜0.7mm程度であるのが望ましく、さらに望ましくは0.3mm〜0.5mm程度である。触媒層5において粉末状の触媒を保持するために、通常は金属製の網を用いて触媒を両側から挟み込む。このような構造の触媒層5の触媒に対して、液体推進薬を直接噴霧するのは、極めて困難である。一方、上記のような粒径が0.5mm以下程度の粒状の触媒を固定するのに使用する触媒保持用の金網は、通常線径0.2mm程度で40メッシュ程度のものである。したがって、このサイズよりも液滴が大きすぎると、金網を構成する金属線に衝突し、液滴が触媒に到達しにくくなる。反対に、小さ過ぎる液滴は、慣性力が小さく、移動速度が低下するため、液体推進薬が効率良く触媒層5に到達するのが困難になるとともに、表面張力が非常に大きくなるため、金網にはじかれて通過する事が難しくなり、未反応の液体推進薬が大量に形成される原因となる。未反応の液体推進薬の大量の液滴は、大きな塊となり、触媒温度の低下をもたらす一方、突然反応することにより爆発を起こす危険も有する。さらに、微細すぎる液滴は、過敏な反応を示し、触媒を熱する際に同時に温められる触媒保持用の金網にこれが触れた際にも反応を起こし、保持金網を融解させてしまうことにもなる。したがって、触媒保持用の金網を使用するタイプの触媒層5を採用する場合には、噴霧された液体推進薬の液滴の粒径が、金網のメッシュ間隔の70〜120%の大きさとなるようにするのが望ましい。
本発明による触媒分解式スラスタは、上記ピストンに所定の圧力を印加することにより、インジェクタ7が触媒層5に対して液体推進薬を噴霧するものとすることができる。その際、ピストンに印加する圧力は、液体推進薬の粘度等を考慮して、押し圧を0.75MPa以上とするのが望ましい。押し圧が低すぎると液体推進薬は噴霧されずに水流となってしまう。また、押し圧の上限は、宇宙環境での使用の観点から、4MPa程度であるものと考えられる。
さらに、本発明の触媒分解式スラスタは、インジェクタ7と推薬弁3との間に、推薬弁3から燃焼器2への液体推進薬の流路を有する熱絶縁性の部材8を設けたことを特徴とするものである。
f. Injector It is desirable that the injector 7 is also made of a material having material compatibility and high temperature resistance such as stainless steel for the same reason as other elements. The injector 7 is not particularly limited as long as it can supply the liquid propellant to the catalyst layer 5, but is preferably an atomizer disposed upstream of the catalyst layer 5 in the combustor 2. In order for the liquid propellant sprayed from the injector 7 to be sprayed uniformly on the catalyst of the catalyst layer 5, it is considered that the spray diffusion angle is preferably 50 ° from the measurement.
The particle size of the liquid propellant droplet sprayed by the injector is preferably about 0.1 mm to 0.7 mm, and more preferably about 0.3 mm to 0.5 mm. In order to hold the powdered catalyst in the catalyst layer 5, the catalyst is usually sandwiched from both sides using a metal net. It is extremely difficult to spray the liquid propellant directly on the catalyst of the catalyst layer 5 having such a structure. On the other hand, a metal mesh for holding a catalyst used to fix a granular catalyst having a particle size of about 0.5 mm or less as described above is usually about 0.2 mm in wire diameter and about 40 mesh. Therefore, if the droplet is too larger than this size, it will collide with the metal wire constituting the wire mesh, making it difficult for the droplet to reach the catalyst. On the other hand, a droplet that is too small has a small inertial force and a moving speed is lowered, so that it becomes difficult for the liquid propellant to reach the catalyst layer 5 efficiently and the surface tension becomes very large. It becomes difficult to pass through and cause a large amount of unreacted liquid propellant to be formed. Large quantities of unreacted liquid propellant droplets become large lumps, resulting in a decrease in catalyst temperature, while also having the risk of causing an explosion by reacting suddenly. Furthermore, droplets that are too fine exhibit a sensitive reaction, and when the catalyst holding wire mesh that is heated at the same time as the catalyst is heated, it also reacts and melts the holding wire mesh. . Therefore, when the catalyst layer 5 of the type using a metal mesh for holding the catalyst is adopted, the droplet diameter of the sprayed liquid propellant is 70 to 120% of the mesh interval of the metal mesh. It is desirable to make it.
In the catalytic decomposition type thruster according to the present invention, the injector 7 can spray the liquid propellant onto the catalyst layer 5 by applying a predetermined pressure to the piston. At that time, it is desirable that the pressure applied to the piston be set to 0.75 MPa or more in consideration of the viscosity of the liquid propellant and the like. If the pressing pressure is too low, the liquid propellant is not sprayed and becomes a water stream. Further, the upper limit of the pressing pressure is considered to be about 4 MPa from the viewpoint of use in the space environment.
Furthermore, the catalytic decomposition type thruster of the present invention is provided with a heat insulating member 8 having a liquid propellant flow path from the propellant valve 3 to the combustor 2 between the injector 7 and the propellant valve 3. It is characterized by this.

g.熱絶縁性部材
本発明で使用する熱絶縁性部材8に使用する材料としては、熱絶縁性に優れ耐熱性の高いポリマーを使用するのが好適である。このような樹脂としては、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレートなどが挙げられる。これらのうち、加工性等の観点から、テフロン(登録商標)等のフッ素樹脂、ユーピレックス(登録商標)等のポリイミド樹脂を使用するのが特に好ましい。
熱絶縁性部材8の形状は、円筒形状とすることができ、その外径は、熱絶縁性部材8が接続するインジェクタ7及び推薬弁3の外径、あるいはこれらがフランジを有するときはフランジの外径と、同程度のものとすればよい。熱絶縁性部材8の厚さは、熱絶縁の観点からは厚いほど良いが、厚すぎると熱絶縁性部材8の内部に設ける液体推進薬の流路が長くなってしまうこと、熱絶縁性部材8の重量が増してしまうことに留意すべきである。例えば、外径が45mm程度の燃焼器2に使用する熱絶縁性部材8としては、外径が40mm程度、厚さが5mm程度のものを好適に使用できる。
熱絶縁性部材8の内部に設ける液体推進薬の流路の径は、特に制限はないが、1mm程度とするのが好適である。流路径が大きいほど流路の閉塞の問題は起きにくくなるが、流路径が大き過ぎると流路の途中で液体推進薬の乾燥が発生するおそれがあることに留意すべきである。
熱絶縁性部材8を設置する場合には、例えば、インジェクタ7側にねじ孔を切っておき、熱絶縁性部材8にねじが通る孔を設けておき、推薬弁3のフランジ側からねじ止めをする方法が考えられる。
g. Thermal insulating member As a material used for the thermal insulating member 8 used in the present invention, it is preferable to use a polymer having excellent thermal insulation and high heat resistance. Examples of such a resin include fluororesin, polyimide resin, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, and polyarylate. Among these, it is particularly preferable to use a fluororesin such as Teflon (registered trademark) or a polyimide resin such as Upilex (registered trademark) from the viewpoint of processability.
The shape of the heat insulating member 8 can be a cylindrical shape, and the outer diameter thereof is the outer diameter of the injector 7 and the propellant valve 3 to which the heat insulating member 8 is connected, or when these have flanges, the flanges. What is necessary is just to be the same as the outer diameter of. The thickness of the heat insulating member 8 is preferably as thick as possible from the viewpoint of heat insulation, but if it is too thick, the flow path of the liquid propellant provided inside the heat insulating member 8 becomes long, and the heat insulating member It should be noted that the weight of 8 increases. For example, as the heat insulating member 8 used for the combustor 2 having an outer diameter of about 45 mm, a member having an outer diameter of about 40 mm and a thickness of about 5 mm can be suitably used.
The diameter of the flow path of the liquid propellant provided inside the heat insulating member 8 is not particularly limited, but is preferably about 1 mm. The larger the channel diameter, the less likely the problem of blockage of the channel occurs, but it should be noted that if the channel diameter is too large, the liquid propellant may be dried in the middle of the channel.
When the heat insulating member 8 is installed, for example, a screw hole is cut on the injector 7 side, a hole through which a screw passes is provided on the heat insulating member 8, and screwed from the flange side of the propellant valve 3. A way to do this is conceivable.

図2に示されているような構造を有する本発明による触媒分解式スラスタを作製し、熱絶縁性部材8による熱絶縁の効果を確認するための実験を行った。熱絶縁性部材8としては、外径40mm、厚さ5mmの、テフロン(登録商標)製のものを使用した。この熱絶縁性部材8の中心部分に、直径1mmの液体推進薬の流路を設け、さらに外周付近の3箇所にねじ止め用の孔を開けておいた。ステンレス製のインジェクタ7側にねじ孔を切っておき、同じくステンレス製の推薬弁3のフランジ側から熱絶縁性部材8を通してねじ止めをした。
熱絶縁性部材8の性能は、加熱装置6で触媒層5を250℃になるまで加熱し、その温度を維持している間、推薬弁3のフランジの温度の経時変化をモニターすることにより評価した。比較のため、熱絶縁性部材8を介さずにインジェクタ7と推薬弁3とを接続した触媒分解式スラスタを作製し、同様の実験を行った。結果を表1に示す。
A catalytic decomposition type thruster according to the present invention having a structure as shown in FIG. 2 was produced, and an experiment for confirming the effect of thermal insulation by the thermal insulation member 8 was conducted. As the heat insulating member 8, a Teflon (registered trademark) member having an outer diameter of 40 mm and a thickness of 5 mm was used. A liquid propellant flow channel having a diameter of 1 mm was provided in the central portion of the heat insulating member 8, and holes for screwing were formed at three locations near the outer periphery. A screw hole was cut in the stainless steel injector 7 side and screwed through the heat insulating member 8 from the flange side of the stainless steel propellant valve 3.
The performance of the heat insulating member 8 is obtained by heating the catalyst layer 5 to 250 ° C. with the heating device 6 and monitoring the change over time in the flange temperature of the propellant valve 3 while maintaining the temperature. evaluated. For comparison, a catalytic decomposition type thruster in which the injector 7 and the propellant valve 3 were connected without using the heat insulating member 8 was produced, and the same experiment was performed. The results are shown in Table 1.

Figure 2010229852
Figure 2010229852

表1から、熱絶縁性部材を採用する本発明の触媒分解式スラスタの場合、長時間経過しても推薬弁の温度は50℃程度であるのに対し、熱絶縁性部材を使用しない場合には、短時間で推薬弁の温度は80℃をはるかに超えてしまうことがわかる。推薬弁の内部構造の耐熱性は70℃程度で設計されるのが通常であり、本発明の有効性が確認された。   From Table 1, in the case of the catalytic decomposition type thruster of the present invention that employs a heat insulating member, the temperature of the propellant valve is about 50 ° C. even when a long time elapses, whereas the heat insulating member is not used. It can be seen that the temperature of the propellant valve far exceeds 80 ° C. in a short time. The heat resistance of the internal structure of the propellant valve is usually designed at about 70 ° C., confirming the effectiveness of the present invention.

1 スラスタ
2 燃焼器
3 推薬弁
4 ノズル
5 触媒層
6 加熱装置
7 インジェクタ
8 熱絶縁性部材
1 Thruster 2 Combustor 3 Propellant valve 4 Nozzle 5 Catalyst layer 6 Heating device 7 Injector 8 Thermal insulating member

Claims (1)

液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタであって、当該触媒分解式スラスタは、
前記液体推進薬を収容するための中空のタンクと、
前記液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器と、
前記タンクから前記燃焼器への前記液体推進薬の供給を制御する推薬弁と、
を備え、
前記燃焼器はさらに、
前記液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層と、
前記触媒層を加熱するための加熱装置と、
前記触媒層に対して前記液体推進薬を供給するインジェクタと、
を備え、前記インジェクタと前記推薬弁との間に、前記推薬弁から前記燃焼器への前記液体推進薬の流路を有する熱絶縁性の部材を設けたことを特徴とする、前記触媒分解式スラスタ。
A catalyst-decomposable thruster for space vehicles, which obtains propulsive force by injecting a reaction gas obtained by decomposing a liquid propellant with a catalyst,
A hollow tank for containing the liquid propellant;
A combustor that decomposes the liquid propellant and injects a reactive gas;
A propellant valve for controlling the supply of the liquid propellant from the tank to the combustor;
With
The combustor further includes
A catalyst layer having a catalyst for catalytically decomposing the liquid propellant;
A heating device for heating the catalyst layer;
An injector for supplying the liquid propellant to the catalyst layer;
The catalyst is characterized in that a thermal insulating member having a flow path of the liquid propellant from the propellant valve to the combustor is provided between the injector and the propellant valve. Decomposable thruster.
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