JP2014125077A

JP2014125077A - 宇宙機用推進薬供給装置

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Publication number: JP2014125077A
Application number: JP2012282635A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tamura; 昌之田村; Yoshihiro Kishino; 義宏岸野
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】推進薬タンクの小型化を図り、推進薬タンクの質量の低減を実現すると共に、宇宙機全体に占める推進薬タンクの体積の割合を少なく抑え得る宇宙機用推進薬供給装置を提供する。
【解決手段】宇宙機のスラスタＳに液状のヒドラジンＨを供給する宇宙機用推進薬供給装置１であって、ヒドラジンＨ及び液化ガスの気化分ガスＧＧ，液化分ＧＬが分離状態で収容された推進薬タンク２と、推進薬タンク２のヒドラジンＨが収容される推進薬収容部２ｈに接続されて液化ガスの気化分ガスＧＧに押された液状のヒドラジンＨを複数個のスラスタＳ側に送る推進薬送給管４を備え、推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎに収容される液化ガスの液化分ＧＬは、液状のヒドラジンＨが消費されて該ヒドラジンＨの体積が減少することによる推進薬タンク２内の圧力の低下を補うべく蒸発して推進薬タンク２内の圧力を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、宇宙機であるスピン型衛星や３軸型衛星に搭載されて、衛星のスラスタに対して液状の推進薬を供給するのに用いられる宇宙機用推進薬供給装置に関するものである。

従来、上記したような宇宙機用推進薬供給装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

この宇宙機用推進薬供給装置は、液状の推進薬、例えばヒドラジン及び加圧された窒素ガスを収容した推進薬タンクを備えており、ヒドラジン及び窒素ガスは、この推進薬タンクの内部に互いに気液分離された状態で収容されている。

この推進薬タンクのヒドラジン収容部には、推進薬送給管を介して複数個のスラスタが接続されており、この推進薬送給管には、推進薬充填排出弁，フィルタ及び遮断弁が配置されている。
一方、推進薬タンクの窒素ガス収容部には、ガス注排気配管を介して注排気弁が接続されている。

この宇宙機用推進薬供給装置では、推進薬タンク内に加圧された状態で収容された窒素ガスの圧力により、同じく推進薬タンク内に収容されたヒドラジンをタンク外に排出させて、推進薬送給管を介してスラスタ側に送るようになっており、スラスタ側では、併設された電磁弁が開かれてヒドラジンが供給されたスラスタのみが推力を発生するようになっている。

特開平02-216395号公報

上記した従来の宇宙機用推進薬供給装置では、推進薬タンク内に加圧された状態で収容された窒素ガスが膨張することによって、ヒドラジンを推進薬タンク外に排出するようにしているので、推進薬タンク外にヒドラジンをすべて排出するためには、膨張することで圧力が低下する窒素ガスの最終的な圧力を、例えば、０．７ＭＰａ以上に維持する必要がある。

つまり、窒素ガスの最終的な圧力を必要とされる０．７ＭＰａ以上に維持するためには、推進薬タンクの最大作動圧力に基づいて、窒素ガスの初期圧力及び初期体積を大きく設定する必要があり、窒素ガスの初期圧力及び初期体積を大きくする分だけ、これを収容する推進薬タンクが大型化するのに加えて、高い初期圧力に耐えられるように推進薬タンクを製造しなくてはならないことから、推進薬タンク質量が増加してしまうという問題を有しており、こ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、推進薬タンクを小型化及び低圧化することが可能であり、その結果、推進薬タンクの質量の低減を実現することができると共に、宇宙機全体に占める推進薬タンクの体積の割合を少なく抑えることが可能である宇宙機用推進薬供給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、スピン型衛星や３軸型衛星等の宇宙機に搭載されて、その複数個のスラスタに液状の推進薬を供給する宇宙機用推進薬供給装置であって、前記液状の推進薬及びこの推進薬を押圧する推進薬押圧用加圧ガスが収容された推進薬タンクと、前記推進薬タンクの前記推進薬が収容される推進薬収容部に接続されて前記推進薬押圧用加圧ガスに押された液状の推進薬を前記複数個のスラスタ側に送る推進薬送給管を備えた宇宙機用推進薬供給装置において、前記推進薬タンクの前記推進薬押圧用加圧ガスが収容される加圧ガス収容部には、一部を蒸発させて生じる気化分ガスを前記推進薬押圧用加圧ガスとして使用する液化ガスの液化分が前記推進薬押圧用加圧ガスとともに収容され、前記加圧ガス収容部に収容される前記液化ガスの液化分は、前記液状の推進薬が消費されて該推進薬の体積が減少することによる前記推進薬タンク内の圧力の低下を補うべく蒸発して該推進薬タンク内の圧力を、例えば、６〜７気圧（０．７ＭＰａ）程度に維持する構成としたことを特徴としており、この構成の宇宙機用推進薬供給装置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に係る宇宙機用推進薬供給装置は、前記推進薬タンク内において、前記推進薬収容部及び前記加圧ガス収容部が例えばゴム製又は金属製のダイヤフラムにより分離されている構成としている。

本発明の請求３に係る宇宙機用推進薬供給装置は、前記推進薬タンクの前記加圧ガス収容部側に配置されて、該加圧ガス収容部内を加熱するヒータ等の加熱手段と、前記液状の推進薬の体積が減少して前記推進薬タンク内の圧力が低下する毎に前記加熱手段を作動させて、前記加圧ガス収容部内における液化ガスの液化分を蒸発させて該推進薬タンク内の圧力を維持する制御部を備えている構成としている。

本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置において、推進薬タンクには、アルミニウムやＳＵＳやＴｉ等の材料を用いることができる。
また、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置において、この推進薬タンクに収容される液状の推進薬としては、一液式スラスタ用のヒドラジンや過酸化水素が用いられる。

一方、一部を蒸発させて生じる気化分ガスを推進薬押圧用加圧ガスとして使用する液化ガスには、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推進薬タンク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、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置において、加熱手段を用いる場合には、加熱手段を推進薬タンクの外部に配置してもよいし、推進薬タンクの内部に配置してもよいが、絶縁処理を必要としない推進薬タンクの外部に配置することが望ましい。
この際、加熱手段に代えて衛星内部の輻射熱を利用してもよく、この場合には、タンク内液化ガスを一定圧力に保つ温度に衛星内部の温度を維持する必要がある。
このように、衛星内部の輻射熱を利用する場合には、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。

本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置において、推進薬収容部内の液状の推進薬は、加圧ガス収容部内の推進薬押圧用加圧ガス、すなわち、加圧ガス収容部内の液化ガスの液化分が蒸発することで生じる気化分ガスの圧力によって、推進薬送給管を介してスラスタ側に送られる。

この際、液状の推進薬が消費されてその体積が減少することによって推進薬タンク内の圧力が低下するが、加圧ガス収容部に収容される液化ガスの液化分が蒸発して、推進薬タンク内の圧力を上昇させるので、推進薬収容部内の液状の推進薬をスラスタ側に送るのに必要な加圧ガス収容部内の圧力、例えば、０．７ＭＰａ以上の圧力が常に確保されることとなる。

このように、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置では、加圧ガス収容部内において液化ガスの液化分を蒸発させることによって、液状の推進薬の消費による推進薬タンク内の圧力低下を補うようにしているので、液化ガスを液体で管理し得る分だけ推進薬押圧用加圧ガスの初期圧力及び初期体積を大きく設定しなくても済み、その結果、推進薬タンクの小型化が図られるのに加えて、高い初期圧力に耐えられるような構造を推進薬タンクに採用する必要がないことから、推進薬タンク質量の増加が抑えられることとなる。

また、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置では、推進薬タンク内において、液状の推進薬と推進薬押圧用加圧ガスとをダイヤフラムで気液分離するように成せば、推進薬タンクからは、液状の推進薬のみがスラスタ側に供給されることとなる。

さらに、加圧ガス収容部内の圧力が許容値を下回った時点において、制御部が、この加圧ガス収容部内の圧力低下情報を取得して、加圧ガス収容部内の圧力を許容値以上に上昇させるべくヒータ等の加熱手段を作動させて液化ガスの液化分の蒸発を促進させる制御を行うので、加圧ガス収容部内の圧力が推進薬収容部内の液状の推進薬をスラスタ側に送るのに必要な値以上に確実に維持されることとなる。

本発明の請求項１に係る宇宙機用推進薬供給装置では、上記した構成としているので、推進薬タンクの小型化及び低圧化を実現したうえで、推進薬タンクの質量を低減させることができると共に、宇宙機全体に占める推進薬タンクの体積の割合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に係る宇宙機用推進薬供給装置では、上記した構成としているので、液状の推進薬と推進薬押圧用加圧ガスとを確実に気液分離することができ、その結果、推進薬タンクから液状の推進薬のみをスラスタ側に供給することが可能である。

さらに、本発明の請求項３に係る宇宙機用推進薬供給装置では、上記した構成としているので、加圧ガス収容部内の圧力を必要な値以上に確実に維持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。

本発明の一実施例による宇宙機用推進薬供給装置を含めた宇宙機の推進薬供給系統を示す概略システム説明図である。

以下、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置をスピン型衛星に搭載した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この宇宙機用推進薬供給装置１は、宇宙機であるスピン型衛星のスラスタＳに液状の推進薬を供給する推進薬供給装置であって、液状の推進薬であるヒドラジンＨ及び一部を蒸発させて生じる気化分ガスＧＧを推進薬押圧用加圧ガスとして使用するＨＦＣ−１３４Ａ（液化ガス）の液化分ＧＬを収容した推進薬タンク２を備えており、この推進薬タンク２の内部において、ヒドラジンＨは、ゴム製のダイヤフラム３を介して気化分ガスＧＧ及び液化分ＧＬに対して分離された状態で収容されている。

この推進薬タンク２のヒドラジンＨが収容される推進薬収容部２ｈには、推進薬送給管４を介して複数個のスラスタＳが接続されており、この推進薬送給管４には、推進薬充填排出弁５，圧力センサ６，フィルタ７及び遮断弁８が配置されている。
一方、推進薬タンク２の気化分ガスＧＧ及び液化分ＧＬが収容される加圧ガス収容部２ｎには、注排気配管９を介して注排気弁１０が接続されている。

この宇宙機用推進薬供給装置１では、推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎ内に収容されたＨＦＣ−１３４Ａの気化分ガスＧＧの圧力により、同じく推進薬タンク２の推進薬収容部２ｈ内に収容されたヒドラジンＨを推進薬タンク２外に排出させて、推進薬送給管４を介してスラスタＳ側に供給するようになっており、スラスタＳでは、併設された電磁弁ＳＢが開かれてヒドラジンＨが供給されたスラスタＳのみが推力を発生するようになっている。

推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎに収容されたＨＦＣ−１３４Ａの液化分ＧＬは、液状のヒドラジンＨが消費されて該ヒドラジンＨの体積が減少することによる推進薬タンク２内の圧力の低下を補うべく蒸発して、この蒸発して生じる気化分ガスＧＧにより、推進薬タンク２内の圧力を、例えば、６〜７気圧程度に維持するようになっている。

この場合、この宇宙機用推進薬供給装置１は、推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎ側における外部に配置された加熱手段としてのヒータ１１と、ヒドラジンＨの体積が減少して推進薬タンク２内の圧力が低下する毎に圧力センサ６からの圧力信号を取得してヒータ１１を作動させる制御部１２を備えている。

つまり、液状のヒドラジンＨが消費されて該ヒドラジンＨの体積が減少することで推進薬タンク２内の圧力が許容値、例えば、０．７ＭＰａに達すると、この時点において、圧力センサ６からの圧力信号を制御部１２が取得してヒータ１１を作動させ、加圧ガス収容部２ｎ内におけるＨＦＣ−１３４Ａの液化分ＧＬを蒸発させて推進薬タンク２内の圧力を維持するようになっている。

この実施例による宇宙機用推進薬供給装置１において、推進薬収容部２ｈ内のヒドラジンＨは、加圧ガス収容部２ｎ内の推進薬押圧用加圧ガス、すなわち、加圧ガス収容部２ｎ内のＨＦＣ−１３４Ａの液化分ＧＬが蒸発することで生じる気化分ガスＧＧの圧力によって、推進薬送給管４を介してスラスタＳ側に送られる。

この際、ヒドラジンＨが消費されてその体積が減少することによって推進薬タンク２内の圧力が低下するが、加圧ガス収容部２ｎ内の圧力が許容値に達した時点において、制御部１２が、圧力センサ６からの圧力信号を取得してヒータ１１を作動させ、加圧ガス収容部２ｎに収容されるＨＦＣ−１３４Ａの液化分ＧＬを蒸発させて、加圧ガス収容部２ｎ内の圧力を許容値以上に上昇させるべく制御を行う。

したがって、推進薬収容部２ｈ内のヒドラジンＨをスラスタＳ側に送るのに必要な加圧ガス収容部２ｎ内の圧力が常に確保されることとなる。

このように、この実施例による宇宙機用推進薬供給装置１では、加圧ガス収容部２ｎ内においてＨＦＣ−１３４Ａの液化分ＧＬを蒸発させることによって、ヒドラジンＨの消費による推進薬タンク２内の圧力低下を補うようにしているので、ＨＦＣ−１３４Ａを液体で管理し得る分だけ推進薬押圧用加圧ガスの初期圧力及び初期体積を大きく設定しなくても済み、その結果、推進薬タンク２の小型化が図られるのに加えて、推進薬タンク２の低圧化も図られることとなって、タンク質量の増加が抑えられることとなる。

また、この実施例による宇宙機用推進薬供給装置１では、推進薬タンク２内において、液状のヒドラジンＨをゴム製のダイヤフラム３を介してＨＦＣ−１３４Ａの気化分ガスＧＧ及び液化分ＧＬから分離するようにしているので、推進薬タンク２からは、液状のヒドラジンＨのみがスラスタＳ側に供給されることとなる。

上記した実施例では、本発明に係る宇宙機用推進薬供給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、本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置を、例えば、３軸型衛星に搭載することも可能である。

また、上記した実施例では、推進薬タンク２に収容される液状の推進薬として、一液式スラスタ用のヒドラジンＨを用いた場合を示したが、これに限定されるものではなく、液状の推進薬として、例えば、過酸化水素を用いてもよい。

さらに、上記した実施例では、液状の推進薬を押圧する推進薬押圧用加圧ガスとして、液化ガスであるＨＦＣ−１３４Ａを用いた場合を示したが、これに限定されるものではなく、推進薬押圧用加圧ガスとして、例えば、液化ガスであるイソブタンを用いてもよい。

さらにまた、上記した実施例では、推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎ側における外部に加熱手段としてのヒータ１１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１１を推進薬タンク２の加圧ガス収容部２ｎ内に配置したり、加熱手段としてヒータ１１以外の熱源を用いたりすることができる。

なお、加熱手段に代えて衛星内部の輻射熱を利用してもよく、この場合には、推進薬タンク２内の液化ガスを一定圧力に保つ温度に衛星内部の温度を維持する必要がある。
このように、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。

本発明に係る宇宙機用推進薬供給装置の構成は、上記した実施例の宇宙機用推進薬供給装置１の構成に限定されるものではない。

１宇宙機用推進薬供給装置
２推進薬タンク
２ｈ推進薬収容部
２ｎ加圧ガス収容部
３ダイヤフラム
４推進薬送給管
１１ヒータ（加熱手段）
１２制御部
ＧＧ液化ガスの気化分ガス
ＧＬ液化ガスの液化分
Ｈヒドラジン（液状の推進薬）
Ｓスラスタ

Claims

宇宙機の複数個のスラスタに液状の推進薬を供給する宇宙機用推進薬供給装置であって、
前記液状の推進薬及びこの推進薬を押圧する推進薬押圧用加圧ガスが収容された推進薬タンクと、
前記推進薬タンクの前記推進薬が収容される推進薬収容部に接続されて前記推進薬押圧用加圧ガスに押された液状の推進薬を前記複数個のスラスタ側に送る推進薬送給管を備えた宇宙機用推進薬供給装置において、
前記推進薬タンクの前記推進薬押圧用加圧ガスが収容される加圧ガス収容部には、一部を蒸発させて生じる気化分ガスを前記推進薬押圧用加圧ガスとして使用する液化ガスの液化分が前記推進薬押圧用加圧ガスとともに収容され、
前記加圧ガス収容部に収容される前記液化ガスの液化分は、前記液状の推進薬が消費されて該推進薬の体積が減少することによる前記推進薬タンク内の圧力の低下を補うべく蒸発して該推進薬タンク内の圧力を維持する
ことを特徴とする宇宙機用推進薬供給装置。
前記推進薬タンク内において、前記推進薬収容部及び前記加圧ガス収容部がダイヤフラムにより分離されている請求項１に記載の宇宙機用推進薬供給装置。
前記推進薬タンクの前記加圧ガス収容部側に配置されて、該加圧ガス収容部内を加熱する加熱手段と、
前記液状の推進薬の体積が減少して前記推進薬タンク内の圧力が低下する毎に前記加熱手段を作動させて、前記加圧ガス収容部内における液化ガスの液化分を蒸発させて該推進薬タンク内の圧力を維持する制御部を備えている請求項１又は２に記載の宇宙機用推進薬供給装置。