JP3646998B2 - 表面張力型推薬タンク - Google Patents

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    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
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    • B64G1/402Propellant tanks; Feeding propellants

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速方向が変化する加速度場においてスラスタに推薬を供給するための表面張力型推薬タンクに関する。
【0002】
【従来の技術】
ロケットエンジンや姿勢制御用のスラスタにおいて、推薬(液体燃料と液体酸化剤)を貯蔵するために、推薬自体の表面張力を利用してガスや気泡がポンプや燃焼器に供給されないようになった表面張力型推薬タンク(以下、単に推薬タンクと呼ぶ)が従来から用いられている。
【0003】
かかる推薬タンクは、図3に例示するように、球形状のタンクシェル1、タンクシェル内面に沿って配置されタンクシェル1に面した側がコの字状に開いたチャンネル2(図3B参照)、チャンネル2のタンクシェル1に面した開口部に溶接等で固定された目の細かいメッシュ3(金網)、推薬aを外部に取り出すサンプ部4、等からなる。また、サンプ部4は、円筒状のサンプ部シェル5、及びサンプ部シェル5内に同心状に配置された複数の円筒メッシュからなるバブルトラップ6から構成されている。なおこの図において、7は推薬aを外部に排出するための排出口、bはタンクシェル1に取付けた加圧口部(図示せず)からタンクシェル1の内部へ供給された加圧ガスである。
【0004】
上述した推薬タンクでは、無重力場或いは加速方向が変化する低加速度場において、メッシュ3の表面に沿って表面張力により推薬自体の膜(表面張力膜)が形成され、この表面張力膜により、加圧ガスbにより加圧された推薬自体は通過できるが、加圧ガスbは通過できないようになっている。従って、無重力場或いは加速方向が変化する低加速度場において、ガスや気泡がポンプや燃焼器に供給されるのを防止しながら、メッシュ3を通過しチャンネル2内に入った推薬aをサンプ部4から排出口7を介して外部のポンプや燃焼器に供給することができる。なお、バブルトラップ6は、チャンネル2内に推薬aと共にガス等が混入した場合に、複数の円筒メッシュによりガス等を捕捉するために設けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した表面張力型推薬タンクをロケットエンジンの例えばメインエンジンに適用する場合には、推薬タンク自体が大きくなるため、逆Gが作用すると、表面張力膜が破れてガスや気泡がポンプ等に供給されることがある問題点がある。すなわち、多段ロケットエンジンにおいて、例えば1段目の固体ロケットから2段目の液体エンジンに切り換える際等に、加速度が下向きの高G(例えば4〜5G)から連続的に上向きの逆G(例えば−0.1G程度)に変化する場合がある。このような加速度の方向が変動する低加速度場で、上述した表面張力型推薬タンクを用いると、逆Gの状態で内部の推薬全体がサンプ部4と反対側に偏り、推薬を外部に供給するために必要な圧力差が大きくなって、表面張力膜が破れ、メッシュを通してガスや気泡がチャンネル内に混入されてしまい、ポンプや燃焼器が正常に作動しなくなるおそれがあった。
【0006】
本発明はかかる新規な問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、加速方向が下向きの高Gから上向きの低Gまで変化する加速度場において、ガスや気泡の供給を防止し、推薬だけを安定して供給することができ、かつ比較的大量の推薬を貯蔵できる表面張力型推薬タンクを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、排出口を有し推薬を内部に収納する中空のタンクシェルと、タンクシェル内を仕切りかつ連通孔を有するバリアと、連通孔を塞いで取付けられたバリアメッシュと、バリアの排出口側にある推薬を搬出口まで移動させる推薬供給装置と、を備え、前記推薬供給装置は、バリアの排出口側にバリア内面に沿って配置されバリア側がコの字状に開いたチャンネルと、チャンネルのバリアに面した開口部に固定されたチャンネルメッシュと、排出口付近に設けられかつ開口を有するサンプ管と、該サンプ管の開口に固定されたサンプメッシュと、チャンネル、サンプ管及び排出口を連通しチャンネル及びサンプ管から排出口まで推薬を流す連通管と、からなることを特徴とする表面張力型推薬タンクが提供される。
0008
また、本発明の好ましい実施例によれば、前記バリアメッシュ、チャンネルメッシュ及びサンプメッシュは、推薬の表面張力によりガスの通過を阻止する膜を形成する細かい目を有する。
0009
更に、前記バリアは、排出口に対向する位置を頂点とし搬出口側に円錐面が傾斜した円錐形状であり、前記連通孔は、タンクシェルに近い部分の円錐面に複数設けられている。また、前記排出口は、タンクシェルの比較的高い加速度の作用する側に設けられ、前記バリアは、排出口から間隔を隔てて配置され、前記連通管は前記排出口から比較的低い逆方向の加速度が作用する側に延びている、ことが好ましい。
【0010】
上記本発明の構成によれば、バリアにより中空のタンクシェル内が仕切られており、かつこのバリアはバリアメッシュで塞がれた連通孔を有しているので、加速方向が例えば下向きから上向きに変化した場合に、バリアの下側にあった推薬をそのままバリア内に保持することができ、推薬供給装置によりバリアの排出口側にある推薬を搬出口まで安定して移動させることができる。また、タンクシェルが大型である場合にも、バリアの位置を排出口に近づけて設けることにより、比較的大量の推薬を貯蔵しても推薬を安定して供給することができる。
【0011】
また、推薬供給装置を、バリアの排出口側にバリア内面に沿って配置されたチャンネルと、チャンネルの開口部に固定されたチャンネルメッシュと、排出口付近に設けられかつ開口を有するサンプ管と、該サンプ管の開口に固定されたサンプメッシュと、チャンネル及びサンプ管から排出口まで推薬を流す連通管と、から構成することにより、逆G(例えば上向きの加速度)が作用している状態において、チャンネルメッシュ及びサンプメッシュによりガスや気泡の供給を防止しながら推薬だけを安定して供給することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図1は、本発明の表面張力型推薬タンク10の全体構成図である。この図において、表面張力型推薬タンク10は、中空のタンクシェル11、連通孔12aを有するバリア12、及び推薬供給装置14からなる。
【0013】
タンクシェル11は、推薬a(例えば四二酸化窒素等の液体酸化剤やモノメチルヒドラジン等の液体燃料)に侵されない材質(例えばチタン、ステンレス鋼、等)からなり、この実施形態では、加速方向(図で上下)に延びた中空円筒形に構成され、球形タンクに比較して同一設置面積で比較的大量の推薬を収容できるようになっている。また、このタンクシェル11は、推薬aを外部に取り出すための排出口11aを有しており、かつこの排出口11aは、タンクシェル11の比較的高い加速度の作用する側(この図で下面)に設けられている。更に、このタンクシェル11内には、図示しない加圧口部から推薬aと反応しない加圧ガスb(例えばヘリウム、窒素、等)が適当な圧力で供給されている。かかる構成により、この図で下向きに比較的高い加速度(例えば4〜5G)が作用する場合でも、排出口11aと外部のポンプ、燃焼器等とを結ぶ流体ラインに設けられた弁の開放により、加圧ガスbの作用により推薬aを外部に供給することができる。
【0014】
バリア12は、タンクシェル11内を仕切っており、かつその連通孔12aを塞いでバリアメッシュ13が取付けられている。バリア12は、図1に示すように、排出口11aに対向する位置を頂点し搬出口側に円錐面が傾斜した円錐形状をしており、かつ排出口11aから適当な間隔を隔てて配置されている。また、バリアメッシュ13は、推薬aの表面張力によりガスの通過を阻止する膜を形成する細かい目を有する。なお、排出口11aとバリア12との間隔は、比較的低い逆向きの加速度(例えば−0.1G程度)が作用した際に、バリアメッシュ13に形成される表面張力による膜(表面張力膜)が破れないように短い長さに設定されている。かかる構成により、加速方向が図1において例えば下向きから上向きに変化した場合に、バリアメッシュ13の表面張力膜により、バリア12の下側にあった推薬aをそのままバリア内に保持することができる。
【0015】
推薬供給装置14は、バリア12の排出口側にある推薬aを搬出口11aまで移動させるようになっている。推薬供給装置14は、この実施形態では、チャンネル15、チャンネルメッシュ16、サンプ管17、サンプメッシュ18、及び連通管19からなる。
チャンネル15は、バリア12の排出口側(図で下側)にバリア内面に沿って配置されており、かつバリア側がコの字状に開いている。チャンネル15は、この図では、2本であるが、1本であっても、3本以上であってもよい。また、各チャンネル15の内端は、連通管19に連通し、外端はそれぞれ閉じている。チャンネルメッシュ16は、チャンネル15のバリア12に面した開口部に固定され、バリアメッシュ13と同様に、推薬aの表面張力によりガスbの通過を阻止する膜を形成する細かい目を有している。
【0016】
図2は図1の表面張力型推薬タンクを逆さまにした部分図であり、加速方向が図1において下向きから上向きに変化した場合を模式的に示している。この図に示すように、上述した構成により、加速方向が下向きから上向きに変化した場合に、バリアメッシュ13の表面張力膜により、バリア12の下側にあった推薬aをそのままバリア内に保持することができ、かつ推薬aの供給が継続してガスbがバリア12の搬出口11aに入ってきた場合でも、チャンネルメッシュ16の表面張力膜によりガスや気泡がチャンネル15内に入るのを防止することができる。
【0017】
図1及び図2において、サンプ管17は、排出口11aの付近に設けられており、かつ開口17aを有し、このサンプ管17の開口17aにサンプメッシュ18が固定されている。このサンプメッシュ18も、バリアメッシュ13と同様に、推薬aの表面張力によりガスbの通過を阻止する膜を形成する細かい目を有している。更に、連通管19は、排出口11aから比較的低い逆方向の加速度が作用する側に延びて、チャンネル15の内端、サンプ管17の内端及び排出口11aを水密に連通しており、チャンネル15及びサンプ管17から排出口11aまで推薬aを流すようになっている。かかる構成により、図1で下向きに比較的高い加速度(例えば4〜5G)が作用する場合でも、内部の推薬aをサンプ管17を通して全量外部に供給することができ、かつ図2で下向きに作用する比較的低い逆向きの加速度(例えば−0.1G程度)が作用した際にも、内部の推薬aをチャンネル15を通して全量外部に供給することができる。
【0018】
図2に示す状態において、サンプメッシュ18に形成される表面張力膜が破れないためには、この表面張力膜が耐える圧力差ΔPCAPが、推薬aのヘッド差ΔP、チャンネルメッシュ16の通過圧損ΔP、連通管19の摩擦圧損ΔP、及び動圧ΔPの総和よりも大きいこと、すなわち以下の関係式を満たす必要である。
【0019】
ΔPCAP>ΔP+ΔP+ΔP+ΔP...式1
この関係は、チャンネルメッシュ16及びサンプメッシュ18に用いるメッシュ(金網)の目の選定により、容易に満たすことができる。なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0020】
【発明の効果】
上述したように、本発明の表面張力型推薬タンクは、加速方向が下向きの高Gから上向きの低Gまで変化する加速度場において、ガスや気泡の供給を防止し、推薬だけを安定して供給することができ、かつ比較的大量の推薬を貯蔵できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の表面張力型推薬タンク10の全体構成図である。
【図2】 図1の表面張力型推薬タンクを逆さまにした部分図であり、加速方向が図1において下向きから上向きに変化した場合を模式的に示している。
【図3】 従来の表面張力型推薬タンクの構成図である。
【符号の説明】
1 タンクシェル
2 チャンネル
3 メッシュ
4 サンプ部
5 サンプ部シェル
6 バブルトラップ
7 排出口
10 表面張力型推薬タンク
11 タンクシェル
11a 搬出口
12 バリア
12a 連通孔
13 バリアメッシュ
14 推薬供給装置
15 チャンネル
16 チャンネルメッシュ
17 サンプ管
18 サンプメッシュ
19 連通管
a 推薬
b ガス

Claims (4)

  1. 排出口を有し推薬を内部に収納する中空のタンクシェルと、タンクシェル内を仕切りかつ連通孔を有するバリアと、連通孔を塞いで取付けられたバリアメッシュと、バリアの排出口側にある推薬を搬出口まで移動させる推薬供給装置と、を備え
    前記推薬供給装置は、バリアの排出口側にバリア内面に沿って配置されバリア側がコの字状に開いたチャンネルと、チャンネルのバリアに面した開口部に固定されたチャンネルメッシュと、排出口付近に設けられかつ開口を有するサンプ管と、該サンプ管の開口に固定されたサンプメッシュと、チャンネル、サンプ管及び排出口を連通しチャンネル及びサンプ管から排出口まで推薬を流す連通管と、からなることを特徴とする表面張力型推薬タンク。
  2. 前記バリアメッシュ、チャンネルメッシュ及びサンプメッシュは、推薬の表面張力によりガスの通過を阻止する膜を形成する細かい目を有する、ことを特徴とする請求項に記載の表面張力型推薬タンク。
  3. 前記バリアは、排出口に対向する位置を頂点とし搬出口側に円錐面が傾斜した円錐形状であり、前記連通孔は、タンクシェルに近い部分の円錐面に複数設けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の表面張力型推薬タンク。
  4. 前記排出口は、タンクシェルの比較的高い加速度の作用する側に設けられ、前記バリアは、排出口から間隔を隔てて配置され、前記連通管は前記排出口から比較的低い逆方向の加速度が作用する側に延びている、ことを特徴とする請求項1乃至3に記載の表面張力型推薬タンク。
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