JP2015077825A - Cryogenic propellant storage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体ロケットの推進系において、宇宙空間や軌道上で極低温推進薬(極低温燃料及び酸化剤LOX)を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置に関するものである。 The present invention relates to a cryogenic propellant storage device used to store cryogenic propellants (cryogenic fuel and oxidizer LOX) in outer space or orbit in a liquid rocket propulsion system.
上記した液体ロケットの推進系には、常温推進薬及び極低温推進薬のいずれかが用いられ、いずれも、断熱材、例えば、発泡断熱材や多層インシュレータで覆うことによって外部からの熱の進入を遮断した金属製のタンクに貯蔵される(例えば、非特許文献1参照)。 Either the room temperature propellant or the cryogenic propellant is used for the propulsion system of the liquid rocket described above, and both of them are covered with a heat insulating material, for example, a foam heat insulating material or a multilayer insulator, so that heat from the outside is covered. It is stored in a blocked metal tank (see, for example, Non-Patent Document 1).
宇宙空間や軌道上において、重量等の制約を受ける都合上完全に近い熱遮断を行うことは困難であり、極低温推進薬の貯蔵タンクの場合には、太陽光で熱されて蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することで、タンク内の圧力が必要以上に上昇するのを抑えるようにしている。 In space and orbit, it is difficult to cut off heat almost completely because of weight restrictions, and in the case of a cryogenic propellant storage tank, it is heated by sunlight and evaporated. By releasing gas regularly into outer space, the pressure inside the tank is prevented from rising more than necessary.
上記したように、従来の推進薬貯蔵タンクでは、極低温推進薬が蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出して、タンク内の圧力上昇を抑えるようにしているので、極低温推進薬が徐々に減ることとなり、したがって、採用し得るのは数時間、もしくは長くても数日間のミッションに限られてしまい、月単位や年単位のミッションには用いることができない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。 As described above, in conventional propellant storage tanks, gas generated by evaporation of cryogenic propellant is periodically released into outer space to suppress pressure rise in the tank, so cryogenic propulsion Drugs will be gradually reduced, and therefore can only be used for missions of several hours or at most days, and cannot be used for monthly or yearly missions. It has been a conventional problem to solve this problem.
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、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系のみならず、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得る極低温推進薬貯蔵装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems, and is adopted not only for a liquid rocket propulsion system that performs a mission for several hours but also for a liquid rocket propulsion system that performs a monthly or yearly mission. An object of the present invention is to provide a cryogenic propellant storage device.
本発明の請求項1に係る発明は、液体ロケットの推進系において極低温推進薬を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置であって、前記極低温推進薬を構成する極低温燃料を収容する燃料タンクと、前記極低温燃料とともに前記極低温推進薬を構成するLOXを収容するLOXタンクと、ガス化媒体が充填されたガス化媒体タンクと、前記極低温燃料及びLOXよりも温度が低い液化媒体が充填された液化媒体タンクと、前記ガス化媒体タンクから前記液化媒体タンクに向けてガス化媒体が流れるガス配管と、前記液化媒体タンクから前記ガス化媒体タンクに向けて液化媒体が流れる液体配管を備え、前記ガス配管の途上には、前記ガス化媒体タンクからのガス化媒体により作動するタービンと、該ガス化媒体を液化して前記液化媒体タンクに送り込むJT弁が配置され、前記液体配管の途上には、前記タービンの作動により該液体配管を流れる前記液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力を高めるポンプが配置され、前記LOXタンク及び前記燃料タンクの各々には、前記液体配管内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体との間で熱交換を行って、前記LOXタンク内で蒸発した酸素及び前記燃料タンク内で蒸発した極低温燃料をそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器がそれぞれ配置され、前記ガス化媒体タンクの近傍における前記ガス配管と前記液体配管との間には、該ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換を行って、前記液体配管を流れる液化媒体をガス化して前記ガス化媒体タンクに導入するガス化用熱交換器が配置されている構成としたことを特徴としており、この構成の極低温推進薬貯蔵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。
The invention according to
本発明の請求項2に係る極低温推進薬貯蔵装置において、前記ガス化媒体タンクと前記LOXタンクとの間、及び、前記ガス化媒体タンクと前記燃料タンクとの間には、ガス化媒体を前記LOXタンク及び前記燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する加圧ガス供給配管がそれぞれ配置されている構成としている。 In the cryogenic propellant storage device according to claim 2 of the present invention, a gasification medium is provided between the gasification medium tank and the LOX tank and between the gasification medium tank and the fuel tank. Pressurized gas supply pipes that supply tank pressurized gas to both the LOX tank and the fuel tank are arranged.
本発明の請求項3に係る極低温推進薬貯蔵装置は、前記ガス化媒体を窒素ガスとし、前記液化媒体を液体窒素とした構成としている。 The cryogenic propellant storage device according to claim 3 of the present invention is configured such that the gasification medium is nitrogen gas and the liquefaction medium is liquid nitrogen.
本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置において、極低温燃料としては、メタンを主成分とする液化天然ガス(LNG)を主に用いることを想定しているが、液化媒体を変更することで液体水素(LH2)を用いることも可能である。また、燃料タンク、LOXタンク、ガス化媒体タンク及び液化媒体タンクの各タンクには、アルミニウムやSUS等の金属を用いることができるが、いずれも特に限定しない。 In the cryogenic propellant storage device according to the present invention, it is assumed that liquefied natural gas (LNG) mainly composed of methane is mainly used as the cryogenic fuel, but the liquid can be changed by changing the liquefaction medium. Hydrogen (LH 2 ) can also be used. Moreover, although metals, such as aluminum and SUS, can be used for each tank of a fuel tank, a LOX tank, a gasification medium tank, and a liquefaction medium tank, all are not specifically limited.
本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置では、高圧のガス化媒体タンクからのガス化媒体によりガス配管の途上のタービンが作動し、このタービンを作動させたガス化媒体はガス配管の途上のJT弁により液化されて内部圧力の低い液化媒体タンクに送り込まれる。 In the cryogenic propellant storage device according to the present invention, the turbine in the middle of the gas pipe is operated by the gasification medium from the high-pressure gasification medium tank, and the gasification medium that operates the turbine is JT in the middle of the gas pipe. It is liquefied by a valve and fed into a liquefied medium tank having a low internal pressure.
この際、ガス配管の途上のタービンの作動により、液体配管の途上のポンプが作動して液体配管を流れる液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力が上昇する。 At this time, due to the operation of the turbine in the middle of the gas piping, the pump in the middle of the liquid piping operates to increase the pressure of the liquefied medium having a low temperature from the liquefied medium tank flowing through the liquid piping.
このようにして温度が低く且つ圧力が高められた液体配管内を流れる液化媒体は、LOXタンク及び燃料タンクの各々に配置された再液化用熱交換器を通過するので、LOXタンク内で蒸発した酸素及び燃料タンク内で蒸発した極低温燃料は、いずれも温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体に熱を奪われてLOX及び極低温の液体燃料に戻ることとなる。 The liquefied medium flowing in the liquid pipe whose temperature is low and pressure is increased in this way passes through the reliquefaction heat exchangers arranged in the LOX tank and the fuel tank, and is thus evaporated in the LOX tank. The cryogenic fuel evaporated in the oxygen and fuel tanks is deprived of heat by the liquefied medium whose temperature is low and the pressure is increased, and returns to LOX and the cryogenic liquid fuel.
そして、LOXタンク及び燃料タンクの各再液化用熱交換器を通過して熱を得た液化媒体は、ガス化媒体タンクの近傍におけるガス配管と液体配管との間に位置するガス化用熱交換器を通過するので、ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換が行われ、この熱交換によりさらに熱を得た液化媒体は、ガス化してガス化媒体タンクに導入されることとなる。 The liquefied medium that has obtained heat through the re-liquefaction heat exchangers of the LOX tank and the fuel tank is the heat exchange for gasification located between the gas pipe and the liquid pipe in the vicinity of the gasification medium tank. Because it passes through the vessel, heat exchange is performed with the gasification medium led out from the gas pipe, and the liquefied medium that has obtained further heat through this heat exchange is gasified and introduced into the gasification medium tank. It becomes.
上記したように、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置では、ガス化媒体及び液化媒体を循環させるだけで、極低温燃料が蒸発することでタンク内に生じるガスを再液化し得ることとなり、すなわち、極低温燃料が蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することなく、タンク内の圧力上昇を抑え得ることとなり、したがって、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系だけでなく、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得ることとなる。 As described above, in the cryogenic propellant storage device according to the present invention, the gas generated in the tank can be re-liquefied by evaporating the cryogenic fuel simply by circulating the gasification medium and the liquefaction medium. In other words, the gas generated by evaporating the cryogenic fuel is not released regularly into outer space, and the pressure rise in the tank can be suppressed. Therefore, not only the propulsion system of a liquid rocket that performs a mission for several hours. It can also be used in propulsion systems for liquid rockets that carry out monthly and yearly missions.
また、ガス化媒体タンクとLOXタンクとの間、及び、ガス化媒体タンクと燃料タンクとの間に、加圧ガス供給配管をそれぞれ配置して、ガス化媒体をLOXタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給するようになせば、極低温燃料の使用時(ロケットエンジン燃焼時)のタンク内圧力の低下を迅速に補い得る加圧が可能となることとなり、コンパクトで効率的な推進薬供給システムの構築が実現することとなる。 Also, pressurized gas supply pipes are arranged between the gasification medium tank and the LOX tank and between the gasification medium tank and the fuel tank, respectively, so that the gasification medium is placed in both the LOX tank and the fuel tank. In contrast, if it is supplied as tank pressurization gas, pressurization that can quickly compensate for the drop in tank pressure when using cryogenic fuel (during rocket engine combustion) becomes possible, making it compact and efficient. A simple propellant supply system will be realized.
さらに、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素とすることで、窒素と同様に冷媒として使用され得る極低温のヘリウムと比べて取扱い性に優れると共に、このヘリウムの枯渇問題にも対応し得ることとなり、加えて、上記のように、ガス化媒体をLOXタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、大量に必要となるガス化媒体の窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得るので、収納性が大幅に向上することとなる。 Furthermore, by using nitrogen gas as the gasification medium and liquid nitrogen as the liquefaction medium, it is easier to handle than cryogenic helium, which can be used as a refrigerant in the same way as nitrogen, and also responds to this helium depletion problem. In addition, as described above, when supplying the gasification medium as tank pressurization gas to both the LOX tank and the fuel tank, a large amount of nitrogen gas as the gasification medium is required. Since it can be mounted on a liquid rocket as liquid nitrogen, the storage property is greatly improved.
本発明の請求項1に係る極低温推進薬貯蔵装置では、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系のみならず、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用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。
In the cryogenic propellant storage device according to
また、本発明の請求項2に係る極低温推進薬貯蔵装置では、コンパクトで効率的な推進薬供給システムを実現することでき、本発明の請求項3に係る極低温推進薬貯蔵装置では、冷媒の取扱い性及び入手性が良く、加えて、窒素ガスをLOXタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得る分だけ収納性の向上をも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。 In the cryogenic propellant storage device according to claim 2 of the present invention, a compact and efficient propellant supply system can be realized. In the cryogenic propellant storage device according to claim 3 of the present invention, the refrigerant In addition, when nitrogen gas is supplied as tank pressurization gas to both the LOX tank and the fuel tank, the amount of nitrogen gas that can be mounted on a liquid rocket as liquid nitrogen A very excellent effect that it is possible to improve the storage property is also brought about.
以下、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置の一実施例を示している。
Hereinafter, a cryogenic propellant storage device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a cryogenic propellant storage device according to the present invention.
図1に示すように、液体ロケットの推進系において極低温推進薬を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置1は、極低温推進薬を構成する極低温燃料である液化天然ガス(LNG)を収容する推進薬タンク2と、液化天然ガスとともに極低温推進薬を構成する酸化剤としてのLOXを収容するLOXタンク3と、ガス化媒体としての窒素ガスが充填されたGN2タンク4と、液化天然ガス及びLOXよりも温度が低い液化媒体としての液体窒素が充填されたLN2タンク5と、GN2タンク4からLN2タンク5に向けて窒素ガスが流れるガス配管6と、LN2タンク5からGN2タンク4に向けて液体窒素が流れる液体配管7を備えている。
As shown in FIG. 1, a cryogenic
この場合、ガス配管6の途上には、高圧のGN2タンク4からの窒素ガスにより作動するタービン8と、窒素ガスを液化して低圧のLN2タンク5に送り込むJT弁(ジュールトムソン弁)15が配置され、一方、液体配管7の途上には、タービン8の作動により液体配管7を流れる温度の低い液体窒素の圧力を高めるポンプ9が配置されている。
In this case, in the middle of the
また、LOXタンク3及び燃料タンク2の各々には、液体配管7内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液体窒素との間で熱交換を行って、LOXタンク3内で蒸発した酸素及び燃料タンク2内で蒸発した液化天然ガスをそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器10,11がそれぞれ配置されている。
Further, in each of the LOX tank 3 and the fuel tank 2, heat exchange is performed with liquid nitrogen whose temperature flowing through the
さらに、GN2タンク4の近傍におけるガス配管6と液体配管7との間には、このガス配管6から図示しない開閉弁を介して導出される窒素ガスとの間で熱交換を行って、液体配管7を流れる液体窒素をガス化してGN2タンク4に導入するガス化用熱交換器12が配置されている。
Further, heat exchange is performed between the
さらにまた、GN2タンク4とLOXタンク3との間、及び、GN2タンク4と燃料タンク2との間には、LOXタンク3及び燃料タンク2の双方に対して窒素ガスをタンク加圧ガスとして供給してタンク内圧力を所定の圧力に維持する加圧ガス供給配管13,14がそれぞれ配置されており、この実施例において、燃料タンク2及びLOXタンク3の各タンク内圧力は、いずれも推進薬保持に必要な一定の圧力に維持されている。
Furthermore, between the GN 2 tank 4 and the LOX tank 3, and between the GN 2 tank 4 and the fuel tank 2, nitrogen gas is supplied to both the LOX tank 3 and the fuel tank 2 as tank pressurized gas. The pressurized
なお、図1における符号16は流量調整弁、符号17,18は圧力調整弁、符号19は液体窒素充填ラインであり、この極低温推進薬貯蔵装置1の各タンク及び各配管の適宜位置には図示しない圧力センサが配置されている。
In FIG. 1,
この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置1では、高圧のGN2タンク4からの窒素ガスによりガス配管6の途上のタービン8が作動し、このタービン8を作動させた窒素ガスはガス配管6の途上のJT弁15により液化されて内部圧力の低いLN2タンク5に送り込まれる。
In the cryogenic
この際、ガス配管6の途上のタービン8の作動により、液体配管7の途上のポンプ9が作動して液体配管7を流れるLN2タンク5からの温度の低い液体窒素の圧力が上昇する。
At this time, due to the operation of the turbine 8 in the middle of the
このようにして温度が低く且つ圧力が高められた液体配管7内を流れる液体窒素は、LOXタンク3及び燃料タンク2の各々に配置された再液化用熱交換器10,11を通過するので、LOXタンク3内で蒸発した酸素及び燃料タンク2内で蒸発した液化天然ガスは、いずれも温度が低く且つ圧力が高められた液体窒素に、白抜き矢印に示すように、熱を奪われてLOX及び液化天然ガスに戻ることとなる。
Since the liquid nitrogen flowing in the
そして、LOXタンク3及び燃料タンク2の各再液化用熱交換器10,11を通過して熱を得た液体窒素は、GN2タンク4の近傍におけるガス配管6と液体配管7との間に位置するガス化用熱交換器12を通過するので、白抜き矢印に示すように、ガス配管6から導出される窒素ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換によりさらに熱を得た液体窒素は、ガス化してGN2タンク4に導入されることとなる。
The liquid nitrogen obtained through the
上記したように、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置1では、窒素ガス及び液体窒素を循環させるだけで、液化天然ガスが蒸発することで推進薬タンク2内に生じるガスを再液化し得ることとなり、すなわち、液化天然ガスが蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することなく、燃料タンク2内の圧力上昇を抑え得ることとなり、したがって、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系だけでなく、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得ることとなる。
As described above, in the cryogenic
また、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置1では、GN2タンク4とLOXタンク3との間、及び、GN2タンク4と燃料タンク2との間に、加圧ガス供給配管13,14をそれぞれ配置して、窒素ガスをLOXタンク3及び燃料タンク2の双方に対してタンク加圧ガスとして供給するようにしているので、液化天然ガスの使用時(ロケットエンジン燃焼時)のタンク内圧力の低下を迅速に補い得ることとなり、コンパクトで効率的な推進薬供給システムの構築が実現することとなる。
In the cryogenic
さらに、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置1では、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素としているので、窒素と同様に冷媒として使用される極低温のヘリウムと比べて取扱い性に優れていると共に、このヘリウムの枯渇問題にも対応し得ることとなるうえ、上記のように、窒素ガスをLOXタンク3及び燃料タンク2の双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、大量に必要となる窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得る分だけ、収納性が大幅に向上することとなる。
Furthermore, in the cryogenic
上記した実施例の極低温推進薬貯蔵装置1では、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素としているが、これに限定されるものではなく、冷媒としてヘリウムを用いてもよく、この場合には、極低温推進薬として液体水素を用いることができる。
In the cryogenic
1 極低温推進薬貯蔵装置
2 燃料(液化天然ガス)タンク
3 LOXタンク
4 GN2タンク(ガス化媒体タンク)
5 LN2タンク(液化媒体タンク)
6 ガス配管
7 液体配管
8 タービン
9 ポンプ
10,11 再液化用熱交換器
12 ガス化用熱交換器
15 JT弁
1 Cryogenic propellant storage device 2 Fuel (liquefied natural gas) tank 3
5 LN 2 tank (liquefaction medium tank)
6 Gas piping 7 Liquid piping 8
Claims (3)
前記極低温推進薬を構成する極低温燃料を収容する燃料タンクと、
前記極低温燃料とともに極低温推進薬を構成するLOXを収容するLOXタンクと、
ガス化媒体が充填されたガス化媒体タンクと、
前記極低温燃料及びLOXよりも温度が低い液化媒体が充填された液化媒体タンクと、
前記ガス化媒体タンクから前記液化媒体タンクに向けてガス化媒体が流れるガス配管と、
前記液化媒体タンクから前記ガス化媒体タンクに向けて液化媒体が流れる液体配管を備え、
前記ガス配管の途上には、前記ガス化媒体タンクからのガス化媒体により作動するタービンと、該ガス化媒体を液化して前記液化媒体タンクに送り込むJT弁が配置され、
前記液体配管の途上には、前記タービンの作動により該液体配管を流れる前記液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力を高めるポンプが配置され、
前記LOXタンク及び前記燃料タンクの各々には、前記液体配管内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体との間で熱交換を行って、前記LOXタンク内で蒸発した酸素及び前記燃料タンク内で蒸発した極低温燃料をそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器がそれぞれ配置され、
前記ガス化媒体タンクの近傍における前記ガス配管と前記液体配管との間には、該ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換を行って、前記液体配管を流れる液化媒体をガス化して前記ガス化媒体タンクに導入するガス化用熱交換器が配置されている
ことを特徴とする極低温推進薬貯蔵装置。 A cryogenic propellant storage device used to store cryogenic propellants in a liquid rocket propulsion system,
A fuel tank containing a cryogenic fuel constituting the cryogenic propellant;
A LOX tank containing LOX that constitutes a cryogenic propellant together with the cryogenic fuel;
A gasification medium tank filled with the gasification medium;
A liquefied medium tank filled with the cryogenic fuel and a liquefied medium having a temperature lower than that of LOX;
A gas pipe through which the gasification medium flows from the gasification medium tank toward the liquefaction medium tank;
A liquid pipe through which the liquefied medium flows from the liquefied medium tank toward the gasified medium tank;
In the middle of the gas pipe, a turbine that is operated by the gasification medium from the gasification medium tank, and a JT valve that liquefies the gasification medium and sends it to the liquefaction medium tank are disposed.
In the middle of the liquid pipe, a pump for increasing the pressure of the low-temperature liquefied medium from the liquefied medium tank flowing through the liquid pipe by the operation of the turbine is disposed,
In each of the LOX tank and the fuel tank, oxygen exchanged in the LOX tank and the fuel are performed by exchanging heat with a liquefied medium having a low temperature and a high pressure flowing in the liquid pipe. Re-liquefaction heat exchangers that return the cryogenic fuel evaporated in the tank to liquid respectively are arranged,
Between the gas pipe and the liquid pipe in the vicinity of the gasification medium tank, heat exchange is performed with the gasification medium derived from the gas pipe, and the liquefaction medium flowing through the liquid pipe is gasified. A cryogenic propellant storage device, wherein a heat exchanger for gasification that is converted into gas and introduced into the gasification medium tank is disposed.
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