JP2011183841A - 推進薬タンク及びこの推進薬タンクを用いた蒸気噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化を実現し、推進薬を気化させて生じる蒸気ガスのみを外部に供給可能で且つ外部熱エネルギを少なく抑え得る推進薬タンク及びこの推進薬タンクを用いた蒸気噴射装置を提供する。
【解決手段】液状推進薬Ａの一部を気化させて生じる蒸気ガスを外部に供給する推進薬タンク２であり、液状推進薬Ａを収容するタンク本体２１と、タンク本体２１内部で液状推進薬Ａの液面を覆うべく配置されて表面張力を用いてタンク本体２１内部を液状推進薬収容空間ＬＡ及びガス収容空間ＧＡの二つの空間に分離する網状体２３と、タンク本体２１のガス収容空間ＧＡ側のみに配置されて、ガス収容空間ＧＡの温度を液状推進薬収容空間ＬＡよりも高く維持するヒータ２４を備え、タンク本体２１の液状推進薬収容空間ＬＡに推進薬注入口２１Ｆが形成され、ガス収容空間ＧＡにガス排出口２１Ｄが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、人工衛星等の宇宙機に搭載されて、収容した液状の推進薬の一部を気化させて生じる蒸気ガスを外部に供給する推進薬タンク及びこの推進薬タンクから供給される蒸気ガスを噴射することで推力を得る蒸気噴射装置に関するものである。

従来、上記したような推進薬タンクとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

この推進薬タンクは、液状の推進薬を収容するタンク本体と、このタンク本体の内部にほぼ全体にわたって充填された発泡金属と、タンク本体の周囲に配置されたヒータを備えている。タンク本体にはガス排出口が形成されており、タンク本体に収容される液状の推進薬は、発泡金属に浸み込んだ状態で保持されるようになっている。

この推進薬タンクにおいて、ヒータによる加熱によってタンク本体内部の推進薬の一部を気化させるようになっており、この推進薬タンクを用いた蒸気噴射装置では、タンク本体内部で生じる蒸気ガスをガス排出口と接続するスラスタに供給して噴射させることで推力を得るようになっている。

特開2009-214695号公報

ところが、上記した従来の推進薬タンクにおいて、重量の嵩む発泡金属をタンク本体の内部にほぼ全体にわたって充填している都合上、液状の推進薬を浸み込ませた状態で保持することはできるものの、軽量化が望めない。
また、上記した従来の推進薬タンクでは、ヒータによる加熱によって推進薬の一部を気化させるにあたって、発泡金属の全体に熱を伝えなくてはならず、その分だけ、多大な外部熱エネルギが必要になるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、軽量化を実現したうえで、推進薬を気化させて生じる蒸気ガスのみを外部に供給することができると共に、外部熱エネルギを少なく抑えることが可能である推進薬タンク及びこの推進薬タンクを用いた蒸気噴射装置を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、液状の推進薬の一部を気化させて生じる蒸気ガスを外部に供給する推進薬タンクであって、前記液状の推進薬を収容するタンク本体と、このタンク本体の内部において前記液状の推進薬の液面を覆うべく配置されて表面張力を利用して該タンク本体の内部を液状推進薬収容空間及びガス収容空間の二つの空間に分離する網状体を備え、前記タンク本体のガス収容空間における温度は、前記液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持され、前記タンク本体の液状推進薬収容空間には推進薬注入口が形成されていると共に、ガス収容空間にはガス排出口が形成されている構成としたことを特徴としており、この構成の推進薬タンクを前述の従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係る推進薬タンクにおいて、前記タンク本体のガス収容空間側には、該ガス収容空間の温度を前記液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持するヒータ等の加熱手段が配置されている構成としている。

本発明の請求項３に係る推進薬タンクにおいて、前記タンク本体の液状推進薬収容空間には、液状の推進薬を浸み込ませて保持する推進薬保持部材が前記網状体に隣接して設置されている構成としている。

本発明の請求項４に係る推進薬タンクにおいて、前記タンク本体のガス収容空間には、該ガス収容空間で浮遊する液滴を付着させる液滴捕獲部材が配置されている構成としている。

一方、本発明の請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の推進薬タンクから供給される推進薬の蒸気ガスを噴射することで推力を得る蒸気噴射装置であって、前記推進薬タンクと、この推進薬タンクにおけるタンク本体のガス排出口と接続されて、このガス排出口を介して供給される前記タンク本体内部で生じた蒸気ガスを噴射するスラスタを備え、前記タンク本体から前記スラスタまでのガス供給ライン中における蒸気ガスの液化を防ぐべく、該ガス供給ラインの温度を前記タンク本体内部の温度よりも高く設定している構成としている。

本発明の請求項６に係る蒸気噴射装置は、前記タンク本体のガス収容空間の温度及び圧力を取得して、前記網状体の液膜を保ち得る圧力に基づいて前記ガス排出口からのガス排出時における該ガス収容空間の圧力低下の許容値を設定し、この圧力低下が許される範囲内において前記ガス排出口からガスを排出するパルスon時間を算出してスラスタを作動させる制御部を備えている構成としている。

本発明に係る推進薬タンクでは、タンク本体の内部に配置した網状体に表面張力による液膜が形成されることで、タンク本体の内部が液状推進薬収容空間及びガス収容空間の二つの空間に分離されるうえ、二つの空間のうちのガス収容空間の温度が液状推進薬収容空間の温度よりも高くなるように維持されているので、液状推進薬収容空間及びガス収容空間が互いに逆転することなく、タンク本体の内部が液体層及びガス層にほぼ完全に分けられ、したがって、気化させた推進薬の蒸気ガスのみを外部に供給し得ることとなる。
そして、発泡金属をタンク本体の内部にほぼ全体にわたって充填する必要がないので、軽量化が図られることとなる。

本発明に係る推進薬タンクにおいて、タンク本体には、アルミニウムやＳＵＳ等を用いることができる。網状体には、ＳＵＳやチタニウム等を用いることができ、網目の大きさは、衛星の様々なフェーズにおいて表面張力による液膜が形成される大きさであれば特に限定しない。なお、網状体には、通常のメッシュタイプや焼結金属タイプ等のほか、平板に微細な孔を多数穿ったものも含むものとする。

また、本発明に係る推進薬タンクにおいて、このタンク本体に収容される液状の推進薬としては、熱を加えなくても気化し易いものであれば特に限定しない。例えば、液化ガスであるイソブタンや、ＨＦＣ−１３４ａ等の代替フロンを用いることができるが、不燃性で且つ無毒であってタンク本体や網状体を腐食させる虞のないＨＦＣ−１３４ａを採用することが望ましい。

さらに、本発明に係る推進薬タンクにおいて、タンク本体のガス収容空間の温度を液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持するためには、ヒータ等の加熱手段を用いるほかに、太陽の輻射熱を利用することができる。

ヒータ等の加熱手段を用いる場合には、加熱手段をタンク本体の外部に配置してもよいし、タンク本体の内部に配置してもよいが、絶縁処理を必要としないタンク本体の外部に配置することが望ましい。
このように、ヒータ等の加熱手段を用いる場合には、タンク本体のガス収容空間の温度を液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持することができるので、液状推進薬収容空間及びガス収容空間が逆転する事態が生じるのを確実に阻止し得ることとなる。

一方、太陽の輻射熱を利用する場合には、太陽光がタンク本体のガス収容空間側に当たるように、望ましくは常に当たるように、宇宙機の姿勢や反射パネルの向きを制御する。
太陽の輻射熱を利用する場合には、ヒータ等の加熱手段を搭載する必要がない分だけ、軽量化が図られることとなる。
なお、ガス収容空間の温度は、タンク本体のガス収容空間側に設置する温度センサで計測される温度であり、液状推薬空間の温度は、タンク本体の液状推薬収容空間側に設置する温度センサで計測される温度、すなわち、液状推薬の温度である。そして、ガス供給ラインの温度は、配管の温度であり、この配管の温度をタンク本体内部の温度よりも高く設定する手段としては、タンク本体の場合と同様に、ヒータ等の加熱手段を用いることができるほか、太陽の輻射熱を利用することができる。

さらにまた、本発明に係る推進薬タンクにおいて、タンク本体の液状推進薬収容空間に設置する推進薬保持部材としては、軽量で且つ熱伝導性に優れた材質、例えば、ニッケルから成る発泡金属を採用することができ、このような発泡金属を網状体に隣接して設置するようになせば、液状の推進薬のスロッシングを抑制し得ると共に、推進薬への入熱性が向上することとなる。

さらにまた、本発明に係る推進薬タンクにおいて、ガス収容空間に設置する液滴捕獲部材としては、軽量な金属、例えば、アルミ製の平板を用いることができ、本発明に係る推進薬タンクをスピン型衛星に搭載する場合には、上記平板を推進薬タンクの軸心（スピン軸）周りに適宜間隔をおいて複数枚配置するようになせば、ガス収容空間で浮遊する液滴を確実に捕獲し得ることとなる。
なお、本発明に係る推進薬タンクにおいて、推進薬保持部材及び液滴捕獲部材は、いずれも必ず備えられている必要はない。

一方、本発明に係る蒸気噴射装置において、気蓄器や燃焼器を必要としないので、その分だけ、システムの軽量化及び簡素化を実現し得る。
また、本発明に係る蒸気噴射装置において、制御部が、推進薬タンクのガス排出口からのガス排出時における該ガス収容空間の圧力低下の許容値を設定し、この圧力低下が許される範囲内でガス排出口からガスを排出するパルスon時間を算出してスラスタを作動させるので、推進薬タンクからは、気化した推進薬の蒸気ガスのみが供給されることとなる。
なお、本発明に係る蒸気噴射装置において、上記した制御部による制御を手動によって行うようにしても何ら差し支えない。

本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置は、微小重力環境下で飛翔するスピン型衛星や３軸型衛星に搭載することができる。

本発明の請求項１に係る推進薬タンクでは、上記した構成としているので、軽量化を実現したうえで、推進薬を気化させて生じる蒸気ガスのみを外部に供給することができ、加えて、推進薬を気化させるのに必要な外部熱エネルギを少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明の請求項２に係る推進薬タンクでは、上記した構成としているので、タンク本体のガス収容空間の温度を液状推進薬収容空間の温度よりも確実に高く維持することができ、その結果、液状推進薬収容空間及びガス収容空間が逆転するといった事態が生じるのを皆無とすることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

さらに、本発明の請求項３に係る推進薬タンクでは、上記した構成としているので、液状の推進薬のスロッシングを抑制することができると共に、推進薬への入熱性の向上を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

さらにまた、本発明の請求項４に係る推進薬タンクでは、上記した構成としているので、液滴がガス収容空間に侵入して浮遊するようなことが発生したとしても、この液滴を確実に捕獲することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

一方、本発明の請求項５に係る蒸気噴射装置では、上記した構成としているので、システム全体の軽量化及び簡素化を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項６に係る蒸気噴射装置では、上記した構成としているので、網状体における液膜がブレイクして液状の推進薬が供給されるのを阻止することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例による推進薬タンク及び蒸気噴射装置の概略システム説明図である。 図１に示した推進薬タンクのタンク本体内部に配置される構成要素の斜視説明図である。 図１における蒸気噴射装置の制御に用いるタンクのガス収容空間の温度とパルスon時間との関係を示すグラフである。 図１における蒸気噴射装置の制御要領を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は、本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置をスピン型衛星に搭載する場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この蒸気噴射装置１は、推進薬タンク２と、複数個のスラスタ３と、制御部４とから主として構成されている。
推進薬タンク２は、液状の推進薬Ａを収容する円筒状を成すタンク本体２１を備えている。このタンク本体２１は、アルミニウムから成り、その軸心Ｌはスピン型衛星のスピン軸上に位置していて、スピン型衛星の打ち上げ姿勢において上側になる軸心Ｌ上の図示上端部にはガス排出口２１Ｄが形成され、同じく軸心Ｌ上の図示下端部には推進薬注入口２１Ｆが形成されている。

また、推進薬タンク２は、図２にも示すように、タンク本体２１の内部において液状の推進薬Ａの液面を覆うべく支持部材２２を介して固定された網状体２３を備えている。この網状体２３は、ＳＵＳ製の網から成り、表面張力を利用することで、タンク本体２１の内部を推進薬注入口２１Ｆが位置する液状推進薬収容空間ＬＡと、ガス排出口２１Ｄが位置するガス収容空間ＧＡとの二つの空間に分離するものとしてある。この網状体２３の網目は、スピン型衛星の様々なフェーズにおいて表面張力による液膜が形成されて、液状推進薬Ａを液状推進薬収容空間ＬＡ内に保持し得る大きさとしてある。

さらに、推進薬タンク２は、タンク本体２１のガス収容空間ＧＡ側の外部に配置された加熱手段としてのヒータ２４を備えており、このヒータ２４は、ガス収容空間ＧＡ内を加熱するものとなっている。このように、ヒータ２４でガス収容空間ＧＡ内を加熱して、ガス収容空間ＧＡの方が液状推進薬収容空間ＬＡよりも必ず高温となるようにすることで、ガス収容空間ＧＡと液状推進薬収容空間ＬＡとが逆転するのを防いでいる。
なお、ガス収容空間ＧＡの温度は、後述する温度センサ８で計測され、液状推薬空間ＬＡの温度、すなわち、液状推薬Ａの温度は、図示しない推薬用温度センサで計測される。

この場合、推進薬タンク２は、タンク本体２１の液状推進薬収容空間ＬＡにおいて、液状の推進薬Ａを浸み込ませて保持する発泡金属（推進薬保持部材）２５を備えており、この発泡金属２５は、網状体２３に隣接して設置されている。

また、この推進薬タンク２は、タンク本体２１のガス収容空間ＧＡで浮遊する液滴を付着させる平板（液滴捕獲部材）２６を複数枚備えている。これらの平板２６は、タンク本体２１の軸心Ｌ周りに４５°の間隔をおいて配置されて、支持部材２２にそれぞれ固定されている。

この蒸気噴射装置１において、複数個のスラスタ３は、推進薬タンク２のタンク本体２１におけるガス排出口２１Ｄと配管５を介して接続されており、このガス供給ラインである配管５上には、注排液バルブ６及び圧力計７が接続されているほか、図示しない配管用温度計が接続されている。この際、例えば、ヒータなどの加熱手段によって配管５の温度をタンク本体２１よりも必ず高くなるように設定することで、ガス排出口２１Ｄから排出された蒸気ガスが配管５内で液化するのを防止するようにしている。

一方、蒸気噴射装置１の制御部４は、推進薬タンク２のタンク本体２１に配置したガス収容空間用の温度センサ８及び圧力計７と電気的に接続していると共に、複数個のスラスタ３と電気的に接続している。なお、図１における符号９は、推進薬注入口２１Ｆと接続する注排液バルブである。

この実施例において、制御部４は、図３におけるタンク本体２１のガス収容空間ＧＡの温度とパルスon時間との関係を示すグラフに基づいて、以下に示す制御を行うようになっている。
この制御部４による制御は、ガス収容空間ＧＡの温度及び圧力に基づいてパルスon時間を制限するオープン制御であり、図４に示すように、まず、ステップＳ１で推進薬タンク２のタンク本体２１におけるガス収容空間ＧＡの温度及び圧力を温度センサ８及び圧力計７により取得する。ガス収容空間ＧＡの温度が上がると、図３に示すように、ガス収容空間ＧＡの圧力が上昇するのと同時にガス排出口２１Ｄからのガス排出流量が増すので、ステップＳ２においてガス収容空間ＧＡの圧力に基づいてガス排出口２１Ｄからのガス排出流量を計算する。

このように、ガス排出口２１Ｄからのガス排出流量が増すと、パルスon時間を小さくする必要性が生じる。そこで、ステップＳ３において網状体２３の液膜を保ち得る圧力（網状体２３のブレイク圧）に基づいて、ガス排出口２１Ｄからのガス排出時におけるガス収容空間ＧＡの圧力低下の許容値を設定する。具体的には、パルスonによる圧力低下許容値を網状体２３のブレイク圧よりも小さい範囲内に設定する。

そして、ステップＳ４において上記圧力低下が許される範囲内でガス排出口２１Ｄからガスを排出するパルスon時間を算出して、ステップＳ５においてスラスタ３を作動させる。

上記したように、この実施例に係る推進薬タンク２では、タンク本体２１の内部に配置した網状体２３に表面張力による液膜が形成されることで、タンク本体２１の内部が液状推進薬収容空間ＬＡ及びガス収容空間ＧＡの二つの空間に分離され、加えて、二つの空間のうちのガス収容空間ＧＡのみがヒータ２４で加熱されて液状推進薬収容空間ＬＡよりも確実に温度が高くなるようにしているので、タンク本体２１の内部が液体層とガス層とにほぼ完全に分けられるだけでなく、両層が逆転することも阻止されることとなり、したがって、推進薬Ａを気化させて生じる蒸気ガスのみをスラスタ３側に供給し得ることとなる。
この際、従来のように、発泡金属をタンク本体の内部にほぼ全体にわたって充填する必要がないので、大幅な軽量化が図られることとなる。

また、この実施例に係る推進薬タンク２では、発泡金属２５を網状体２３に隣接して設置するようにしているので、液状の推進薬Ａのスロッシングを抑制し得ると共に、推進薬Ａへの入熱性が向上することとなる。

さらに、この実施例に係る推進薬タンク２では、ガス収容空間ＧＡにおいて８枚の平板２６をタンク本体２１の軸心Ｌ周りに４５°の間隔をおいて配置しているので、液滴がガス収容空間ＧＡに侵入して浮遊するといった事態が生じたとしても、軸心Ｌ周りに回転する８枚の平板２６に液滴が付着することで、この液滴を確実に捕獲し得ることとなる。

そして、この実施例に係る蒸気噴射装置１では、気蓄器や燃焼器を必要としないので、その分だけ、システムの軽量化及び簡素化を実現し得ることとなり、加えて、制御部４が、推進薬タンク２のガス排出口２１Ｄからの液滴の流出を阻止するべくガス排出パルスon時間を制御するので、推進薬タンク２からは、推進薬Ａが気化することで生じた蒸気ガスのみがスラスタ３側に供給されることとなる。

上記した実施例では、本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置をスピン型衛星に搭載する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本発明に係る推進薬タンク及び蒸気噴射装置を３軸型衛星に搭載することが可能である。

また、上記した実施例では、タンク本体２１のガス収容空間ＧＡの温度が液状推進薬収容空間ＬＡよりも高く維持する手段として、タンク本体２１のガス収容空間ＧＡ側の外部に加熱手段としてのヒータ２４を配置した構成としているが、これに限定されるものではなく、他の構成として、例えば、ヒータ２４をタンク本体２１のガス収容空間ＧＡ内に配置したり、加熱手段としてヒータ２４以外の熱源を用いたりすることができる。

このほか、ガス収容空間ＧＡの温度を液状推進薬収容空間ＬＡよりも高める手法として、太陽の輻射熱を利用することができ、このように、太陽の輻射熱を利用する場合には、太陽光がタンク本体２１のガス収容空間ＧＡ側に当たるように、望ましくは常に当たるように、宇宙機の姿勢や反射パネルの向きを制御する。

さらに、上記した実施例では、タンク本体２１の内部に、推進薬保持部材である発泡金属２５や液滴捕獲部材である平板２６を配置した構成としているが、これに限定されるものではなく、発泡金属２５や平板２６は、必ずしもタンク本体２１に装備されている必要はない。

１ 蒸気噴射装置
２ 推進薬タンク
３ スラスタ
４ 制御部
２１ タンク本体
２１Ｄ ガス排出口
２１Ｆ 推進薬注入口
２３ 網状体
２４ ヒータ（加熱手段）
２５ 発泡金属（推進薬保持部材）
２６ 平板（液滴捕獲部材）
Ａ 液状の推進薬
ＧＡ ガス収容空間
ＬＡ 液状推進薬収容空間

Claims (6)

1. 液状の推進薬の一部を気化させて生じる蒸気ガスを外部に供給する推進薬タンクであって、
   前記液状の推進薬を収容するタンク本体と、
   このタンク本体の内部において前記液状の推進薬の液面を覆うべく配置されて表面張力を利用して該タンク本体の内部を液状推進薬収容空間及びガス収容空間の二つの空間に分離する網状体を備え、
   前記タンク本体のガス収容空間における温度は、前記液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持され、
   前記タンク本体の液状推進薬収容空間には推進薬注入口が形成されていると共に、ガス収容空間にはガス排出口が形成されている
   ことを特徴とする推進薬タンク。
2. 前記タンク本体のガス収容空間側には、該ガス収容空間の温度を前記液状推進薬収容空間の温度よりも高く維持する加熱手段が配置されている請求項１に記載の推進薬タンク。
3. 前記タンク本体の液状推進薬収容空間には、液状の推進薬を浸み込ませて保持する推進薬保持部材が前記網状体に隣接して設置されている請求項１又は２に記載の推進薬タンク。
4. 前記タンク本体のガス収容空間には、該ガス収容空間で浮遊する液滴を付着させる液滴捕獲部材が配置されている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の推進薬タンク。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の推進薬タンクから供給される推進薬の蒸気ガスを噴射することで推力を得る蒸気噴射装置であって、
   前記推進薬タンクと、
   この推進薬タンクにおけるタンク本体のガス排出口と接続されて、このガス排出口を介して供給される前記タンク本体内部で生じたガスを噴射するスラスタを備え、
   前記タンク本体から前記スラスタまでのガス供給ラインの温度を前記タンク本体内部の温度よりも高く設定してある
   ことを特徴とする蒸気噴射装置。
6. 前記タンク本体のガス収容空間の温度及び圧力を取得して、前記網状体の液膜を保ち得る圧力に基づいて前記ガス排出口からのガス排出時における該ガス収容空間の圧力低下の許容値を設定し、この圧力低下が許される範囲内において前記ガス排出口からガスを排出するパルスon時間を算出してスラスタを作動させる制御部を備えている請求項５に記載の蒸気噴射装置。

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