JP2017140875A

JP2017140875A - 推進装置及び宇宙用装置

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Publication number: JP2017140875A
Application number: JP2016022007A
Authority: JP
Inventors: 光信岡田; Mitsunobu Okada; 佐原　宏典; Hironori Sawara; 宏典佐原
Original assignee: Astroscale Japan Inc; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Current assignee: Astroscale Japan Inc; Tokyo Metropolitan Public University Corp
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2017-08-17

Abstract

【課題】液体の推進剤を用いる推進装置において、推進剤から発生するガスにより内圧が上昇した場合において簡易に減圧する仕組みを備えた推進装置及び宇宙用装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の推進装置は、宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、液体の推進剤の内圧が作用する構成部材を備え、構成部材の少なくとも一部が、液体の推進剤を透過させず、推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、推進装置及び宇宙用装置に関する。

人工衛星として、１つの大型衛星に複数のミッションを搭載するのではなく、複数の超小型衛星にミッションを分割して配置することが行われている。超小型衛星によるミッションを実現するには、個々の衛星が自ら推進系を用いて軌道上の位相を調整したり、軌道高度を維持したりする必要がある。しかし、現在その性能を含め安全面や製作コストの面で超小型衛星に見合った推進系は開発途上であり、実際に超小型衛星に推進系が搭載された例は非常に少ない。

超小型衛星向けの推進系には、推進性能はそれほど要求されないものの、超小型衛星への搭載性が良好であることが望まれる。このような推進系として、一液式又は二液式の化学推進系が、推進性能及び搭載性の観点から有望視される（例えば特許文献１参照）。化学推進系の場合には、推進剤の反応（分解反応を含む）により推力が生成される。

特表２００２−５１１３８２号公報

しかしながら、化学推進系の場合、一液式又は二液式のいずれであっても、推進剤の安定性の問題がある。すなわち、タンク内に貯蔵された状態であっても、ごく僅かながら分解等の反応が起こり、ガスが発生することでタンク内圧が上昇する。タンク内圧の上昇によるタンクの破裂を回避するためにタンクを極めて頑丈に製作することも考えられるが、この場合にはタンクが非常に重くなるか極めて高額な製作費を必要とする。また、逃し弁を設け、タンク内圧が一定以上になれば圧を逃がすことも考えられるが、この場合は液体の推進剤も外部へ排出されてしまい、衛星内の汚染に繋がる。このように内圧が上昇した場合に簡易に減圧する仕組みが望まれている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、液体の推進剤を用いる推進装置において、推進剤から発生するガスにより内圧が上昇した場合において簡易に減圧する仕組みを備えた推進装置及び宇宙用装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の推進装置は、宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、液体の推進剤の内圧が作用する構成部材を備え、前記構成部材の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える。

上記構成によれば、液体の推進剤が経時的に分解ないし反応してガスが発生することにより構成部材に作用する内圧が上昇したとしても、液体の推進剤に含まれるガスは構成部材の一部を通過して外部に排出される。これにより、構成部材に作用する内圧が極端に上昇することが抑制される。

好ましくは、前記構成部材の少なくとも一部における、前記推進剤から生じたガスに対するガス透過係数が、１．０×１０^-9ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ以上である。また、好ましくは、前記構成部材の少なくとも一部における、前記推進剤から生じたガスに対するガス透過度が、１．０×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍ以上である。上記ガス透過係数又はガス透過度を満足させるため、好ましくは、構成部材の少なくとも一部は、樹脂により構成される。

上記課題を解決するため、本発明の推進装置は、宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、液体の推進剤を収容するタンクと、前記タンクに収容された推進剤が供給されるスラスタと、前記タンクに接続され、前記タンクに推進剤を供給する推進剤供給系と、を備え、前記推進剤供給系を構成する配管の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える。

上記構成によれば、タンク又は推進剤供給系において液体の推進剤が経時的に分解ないし反応してガスが発生することによりタンク又は推進剤供給系の配管に作用する内圧が上昇したとしても、液体の推進剤に含まれるガスは推進剤供給系を構成する配管の一部を通過して外部に排出される。これにより、タンク又は推進剤供給系の配管に作用する内圧が極端に上昇することが抑制される。

上記課題を解決するため、本発明の推進装置は、宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、液体の推進剤及び押圧ガスを収容し、前記液体の推進剤及び押圧ガスを隔てる隔壁を備えるタンクと、前記タンクに収容された推進剤が供給されるスラスタと、前記タンクに接続され、前記タンクに押圧ガスを供給する押圧ガス供給系と、前記タンクに接続され、前記タンクに推進剤を供給する推進剤供給系と、を備え、前記推進剤供給系を構成する配管の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える。

本発明は、上述した推進装置を備える宇宙用装置である。

本発明によれば、液体の推進剤を用いる推進装置において、推進剤から発生するガスにより内圧が上昇した場合において簡易に減圧することができる。

本実施形態に係る推進装置の構成を示す模式図である。本実施形態に係る推進装置の作用を示す模式図である。本実施形態に係る推進装置の効果を示す模式図である。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る推進装置の構成を示す模式図である。なお、図１に示す図は一液式の推進装置の模式図であって、いくつかの構成要素は省略している。図１に示す推進装置１は、タンク２と、タンク２に接続された推進剤供給系３と、タンク２に接続された押圧ガス供給系４と、タンク２に電磁弁５を介して接続されたスラスタ６とを備える。

タンク２は、推進剤を収容する推進剤収容部２１と、押圧ガスを収容する押圧ガス収容部２２と、推進剤収容部２１及び押圧ガス収容部２２を隔てる隔壁を構成するブラダ２０とを有する。図１に示す例では、ブラダ２０の内側が推進剤収容部２１となっており、ブラダ２０の外側が押圧ガス収容部２２となっているが、逆であってもよい。ブラダ２０は収縮可能に構成されており、押圧ガス収容部２２が膨張すると推進剤収容部２１が収縮するように構成されている。

推進剤供給系３は、タンク２の推進剤収容部２１に接続された配管３０と、配管３０の一端に設けられ、配管３０に推進剤を充填するための推進剤充填ポート３１と、配管３０の途中から分岐した配管の一端に設けられ、配管３０から推進剤を排出するための推進剤排出ポート３２とを備える。推進剤充填ポート３１は推進剤の充填を制御するための弁を備え、推進剤排出ポート３２は推進剤の排出を制御するための弁を備える。

押圧ガス供給系４は、タンク２の押圧ガス収容部２２に接続された配管４０と、配管４０の一端に設けられ、配管４０に押圧ガスを充填するための押圧ガス充填ポート４１と、配管４０の途中から分岐した配管の一端に設けられ、配管４０から押圧ガスを排出するための押圧ガス排出ポート４２とを備える。押圧ガス充填ポート４１は押圧ガスの充填を制御するための弁を備え、押圧ガス排出ポート４２は押圧ガスの排出を制御するための弁を備える。押圧ガスは無害な不活性ガスであれば限定はないが、例えば窒素である。

電磁弁５は、推進剤収容部２１からスラスタ６へ供給する推進剤の量を制御するものである。図１では、電磁弁５を１つのみ図解しているが、複数の電磁弁５を設けてもよい。

スラスタ６は、タンク２の推進剤収容部２１から供給された液体の推進剤を反応させて、所定の推力を発生させる部位である。スラスタ６には、必要に応じて、触媒、噴射機、点火装置、圧力センサ、温度センサ等が設けられる。図１では、１つのスラスタのみが図解されているが、タンク２に電磁弁を介して接続されたスラスタ６を複数設けてもよい。

図１に示す推進装置では、押圧ガス供給系４により供給される押圧ガスの圧力により押圧ガス収容部２２が膨張し、推進剤収容部２１内の推進剤が加圧される。推進剤収容部２１内の加圧された推進剤は、電磁弁５を開放させると、スラスタ６へと供給される。このように、押圧ガスの圧力を調整することによりスラスタ６への推進剤の供給量が調整される。このため、図示はしないが、押圧ガス供給系４の圧力を測定する圧力センサが設けられる。

一液式の推進装置の場合、液体の推進剤としては例えば過酸化水素水が用いられる。過酸化水素水を用いる場合、例えば６０〜７０％の過酸化水素濃度の過酸化水素水を用いる。推進剤として過酸化水素水を用いた場合、スラスタ６の内部に配置された触媒により過酸化水素が連鎖的に分解し、高温のガスを噴出させることにより、その反動で推力を生み出す。触媒としては、例えば過マンガン酸塩、二酸化マンガン、白金、酸化鉄などが用いられる。過酸化水素は、毒性の物質を放出しない点で好ましいが、一液式として他の推進剤、例えばヒドラジンを用いてもよい。

二液式の推進装置を構成する場合には、１つのスラスタ６に接続される、タンク２、推進剤供給系３及び押圧ガス供給系４のセットをもう１つ追加すればよい。１方のセットは燃料をスラスタに供給するためのものであり、他方のセットは酸化剤をスラスタに供給するためのものとなる。二液式の場合、例えば燃料としてエタノールが使用され、酸化剤として過酸化水素水が使用される。この場合、スラスタ６の内部に配置された触媒により過酸化水素が分解して酸素を生成し、生成した酸素とエタノールを燃焼反応させることにより、推力を発生する。推進剤として、過酸化水素水及びエタノールを用いた場合には、毒性の物質を放出しない点で好ましいが、他の推進剤を用いてもよい。本願明細書において、推進剤は燃料及び酸化剤のいずれであってもよい。

図２は、本発明の作用を説明するための模式図である。

推進装置１では、過酸化水素水のような推進剤は、スラスタ６の内部で分解等の反応を起こさせるものであるが、タンク２内に貯蔵された状態であっても、ごく僅かながら分解等の反応が起こり、ガス７が発生することでタンク内圧が上昇する。一液式の推進剤として過酸化水素水を用いた場合には、自己分解により酸素ガスが発生する。ただし、本発明は、推進剤として分解によりガスが発生するタイプのものであれば、推進剤の種類に限定はない。

本実施形態では、タンク内圧の極端な上昇を抑制すべく、推進剤の内圧が作用する構成部材の少なくとも一部、例えば、推進剤供給系３を構成する配管３０が、液体の前記推進剤を遮断し、推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える。なお、以下では、減圧する仕組みを設けた構成部材として配管３０を例に説明するが、配管３０以外のタンク２の一部に減圧する仕組みを設けてもよい。

一般に、ガスの透過量は、配管の表面積、長さ、内外圧力差、ガス種等によって変化する。そこで、推進系の作動に必要な内圧は実現しつつ、推進系構成要素の耐圧又は通常使用圧力を越えないことを実現するために、配管の内外径や長さを事前に適切に選定、設計、製作することで、推進系の内圧をある上限以下、または適切な範囲内に留めることが可能になる。

配管３０の少なくとも一部における、推進剤から生じたガスに対するガス透過度が、好ましくは、１．０×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍ以上である。配管３０からの減圧をより効果的に行うため、上述した減圧する仕組みを配管３０の全てに設けてもよい。

ガス透過度が、１．０×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍ以上であることが好ましい理由は下記の通りである。推進剤として過酸化水素水を用いる場合、１ａｔｍ下の１日（２４ｈ）当たりの過酸化水素水の自然分解によるガス発生量は経験則上、タンク容積（完全に一致しないが推進剤充填量と同程度）の５％程度と想定される。即ち、タンク内に１リットル（１０００ｃｍ³）の推進剤を入れると内圧は１００ｋＰａから１０５ｋＰａに増加（ガス発生量は５０ｃｍ³）する。これによる内圧上昇を起こさないためには、同量のガス透過度が必要とされる。配管径を１／４インチ（６．３５ｍｍ）、長さ１ｍとすれば、配管の表面積は３．９９×１０^-2ｍ²となり、この表面積で２４ｈあたり５０ｃｍ³のガスを透過させることになる。このために必要なガス透過度は１．２５×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍとなることから、ガス透過度が１．０×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍ以上あることが好ましいことがわかる。ただし条件によりガス発生量は５％と固定ではなく、０．１〜１０％の範囲で変わり得る。これはタンクやブラダなど、推進剤が接触している材質やその表面状態、汚染状況に依存する。これらを調整すると大体５％程度となる。

ガス発生量が０．１％程度の場合、配管３０の少なくとも一部における、推進剤から生じたガスに対するガス透過係数が、１．０×１０^-9ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ以上であることが好ましい。ガス発生量が５％程度の場合、配管３０の少なくとも一部における、推進剤から生じたガスに対するガス透過係数が、１．０×１０^-8ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ以上であることが好ましい。上記ガス透過係数又はガス透過度を満足させるための配管３０の材料ないし構造に限定はないが、例えば、高分子材料である樹脂が用いられ、好ましくはフッ素樹脂が用いられ、さらに好ましくはＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）又はＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）が用いられる。ＰＦＡを用いることにより、酸素ガスに対するガス透過係数を４．８×１０^-8ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ程度とすることが可能であり、ＦＥＰを用いることにより、酸素ガスに対するガス透過係数を３．７×１０^-8ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ程度とすることができる。

例えば、配管３０の材料としてＰＦＡ又はＦＥＰを使用する場合、配管３０の外径が１／４インチ以上のものを使用することが望ましい。外径が大きい配管３０を使用すれば、それだけ配管３０の内径を大きくなることから、推進剤との接触面積が大きくなり、高いガス透過量を実現することができる。

また、例えば、配管３０の材料としてＰＦＡ又はＦＥＰを使用する場合、ＰＦＡ配管又はＦＥＰ配管の長さは、５０ｃｍ以上、好ましくは７０ｃｍ以上、さらに好ましくは１ｍ以上である。樹脂配管の長さが長ければそれだけ、ガスを透過させる面積を大きくでき、高いガス透過量を実現することができる。

ガス透過性を有する配管３０として、樹脂を使用することが好ましいが、上記ガス透過係数又はガス透過度を達成できれば、金属やセラミックス等の他の材料で実現してもよい。例えば、配管３０の一部を微細な多孔質構造とすることにより、液体を遮断し、ガスを透過させる構成を実現してもよい。

ガス透過性を有する配管３０は、液体中に溶融しているガスも外部に放出させる。なお、液体は非常に大きな表面張力を有するため、ガス透過性材料の透過性程度では液体は透過しない。

図３は、配管３０の一部をガス透過性とした実施例と、ガス透過性の配管を使用しなかった比較例のタンク内圧のシミュレーション結果を示す。図３において、実施例のグラフをＧ１で示し、比較例のグラフをＧ２で示している。

図３に示すシミュレーションの条件は、（１）初期のタンク内圧を４００ｋＰａＧとし、（２）ガスを減圧する仕組みがなければタンク内圧が６ｋＰａ／ｄａｙで上昇するものとし、（３）実施例において１／４インチのＰＦＡ配管１ｍを配管３０の一部に使用し、（４）ＰＦＡ配管からのガスの透過はＰＦＡ配管の全表面から均等に透過するものとした。

図３に示すように、ガス透過性の配管を使用した実施例は、タンク内圧が初期のものと比べて大幅に上昇することを抑制することができている。また、ガス透過性の配管を使用しなかった比較例では、タンク内圧が初期のものと比べて３倍以上に増加することがわかる。

以上のように、本実施形態に係る推進装置によれば、タンク２又は推進剤供給系３において液体の推進剤が経時的に分解ないし反応してガスが発生することによりタンク２又は推進剤供給系３の配管に作用する内圧が上昇したとしても、液体の推進剤に含まれるガスは推進剤供給系３を構成する配管３０の一部を通して外部に排出される。これにより、タンク２又は推進剤供給系３の配管３０に作用する内圧が極端に上昇することが抑制される。

上述した推進装置は、宇宙空間で使用される宇宙用装置に搭載される。宇宙用装置の用途に限定はなく、例えば超小型衛星自身であっても、超小型衛星に接着して超小型衛星の軌道を修正する装置であってもよい。また、宇宙に存在する使用済み又は破損した超小型衛星やロケットに接着して、これらの軌道を変えて廃棄するデブリ除去装置であってもよい。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…推進装置
２…タンク
３…推進剤供給系
４…押圧ガス供給系
５…電磁弁
６…スラスタ
７…ガス
２０…ブラダ
２１…推進剤収容部
２２…押圧ガス収容部
３０…配管
３１…推進剤充填ポート
３２…推進剤排出ポート
４０…配管
４１…押圧ガス充填ポート
４２…押圧ガス排出ポート

Claims

宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、
液体の推進剤の内圧が作用する構成部材を備え、
前記構成部材の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える、
推進装置。
前記構成部材の少なくとも一部における、前記推進剤から生じたガスに対するガス透過係数が、１．０×１０^-9ｃｍ³・ｃｍ／ｃｍ²・ｓ・ａｔｍ以上である、
請求項１記載の推進装置。
前記構成部材の少なくとも一部における、前記推進剤から生じたガスに対するガス透過度が、１．０×１０³ｃｍ³／ｍ²・２４ｈ・ａｔｍ以上である、
請求項１又は２に記載の推進装置。
前記構成部材の少なくとも一部は、樹脂により構成される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の推進装置。
宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、
液体の推進剤を収容するタンクと、
前記タンクに収容された前記推進剤が供給されるスラスタと、
前記タンクに接続され、前記タンクに前記推進剤を供給する推進剤供給系と、
を備え、
前記推進剤供給系を構成する配管の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える、
推進装置。
宇宙空間において推力を発生させる推進装置であって、
液体の推進剤及び押圧ガスを収容し、前記液体の推進剤及び押圧ガスを隔てる隔壁を備えるタンクと、
前記タンクに収容された前記推進剤が供給されるスラスタと、
前記タンクに接続され、前記タンクに前記押圧ガスを供給する押圧ガス供給系と、
前記タンクに接続され、前記タンクに前記推進剤を供給する推進剤供給系と、
を備え、
前記推進剤供給系を構成する配管の少なくとも一部が、液体の前記推進剤を遮断し、前記推進剤から生じたガスを透過させる材料ないし構造を備える、
推進装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の推進装置を備える、
宇宙用装置。