JP4460795B2

JP4460795B2 - スラスタ装置

Info

Publication number: JP4460795B2
Application number: JP2001125947A
Authority: JP
Inventors: 悌宇小林; 陽一郎三木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: JP2002317700A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙往還機や人工衛星などに用いられるスラスタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
宇宙往還機や人工衛星などには、例えば図４に示すスラスタ装置５１が用いられることがある。
【０００３】
図４に例示されたスラスタ装置５１は、例えば、軌道変更する際に用いられる複数の大スラスタ５２と、この大スラスタ５２の補助や姿勢変更する際に用いられる複数の小スラスタ５３と、燃料供給手段５４と、酸化剤供給手段５５と、を備えている。
【０００４】
大スラスタ５２は、噴射方向が互いに同軸となるように配されている。大スラスタ５２は、前記燃料供給手段５４から比較的大流量の燃料と、酸化剤供給手段５５から比較的大流量の酸化剤と、が供給されるようになっている。大スラスタ５２は、比較的大流量の燃料と酸化剤と互いに衝突させて燃焼し、比較的大きな推進力を発生する。
【０００５】
複数の小スラスタ５３は、大スラスタ５２と噴射方向が互いに同軸に配されたものや、噴射方向が大スラスタ５２の噴射方向と交差するように配されたものがある。それぞれの小スラスタ５３は、前記燃料供給手段５４から比較的小流量の燃料と、酸化剤供給手段５５から比較的小流量の酸化剤と、が供給されるようになっている。小スラスタ５３は、比較的小流量の燃料と酸化剤と互いに衝突させて燃焼し、比較的小さな推進力を発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述した従来のスラスタ装置５１は、大スラスタ５２と複数の小スラスタ５３とを備えているため、部品点数が増加してコストが高騰する傾向となっていた。また、大スラスタ５２と噴射方向が同軸に配された小スラスタ５３を省略して、大スラスタ５２に供給する燃料と酸化剤の流量を抑制して比較的小さな推力を得てこの大スラスタ５２を姿勢変更を行う際に用いようとすると、噴射される燃料と酸化剤の圧力が低下して、着火しにくくなり燃焼が不安定となることがあった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、部品点数を抑制してコストの高騰を抑制できるとともに、常に安定した燃焼が可能なスラスタ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載のスラスタ装置は、ノズルと接続しかつ装置の外郭を形成する装置本体と、前記装置本体に取付けられかつ前記ノズル内に燃料を供給する燃料供給手段と、前記装置本体に取付けられかつ前記ノズル内に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備えたスラスタ装置において、前記燃料供給手段から供給された燃料を前記ノズル内に導く比較的流路断面積が大きな燃料大径ノズルと、比較的流路断面積が小さな燃料小径ノズルと、前記酸化剤供給手段から供給された酸化剤を前記ノズル内に導く比較的流路断面積が大きな酸化剤大径ノズルと、比較的流路断面積が小さな酸化剤小径ノズルと、を備え、かつ前記大径ノズルと小径ノズルとを用いて前記燃料供給手段及び酸化剤供給手段から供給される燃料及び酸化剤それぞれをノズル内に導く大推力モードと、前記小径ノズルのみを用いて前記燃料供給手段及び酸化剤供給手段から供給される燃料及び酸化剤それぞれをノズル内に導く小推力モードとを、前記装置本体に対して回動することで切り換え可能に設けられた推力変更部材と、前記推力変更部材を回動させる駆動源と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載のスラスタ装置は、請求項１に記載のスラスタ装置において、前記推力変更部材が、断面コ字形に形成され、かつ、前記装置本体との間から前記燃料供給手段から供給された燃料と前記酸化剤供給手段から供給された酸化剤とのうち少なくとも一方の漏れを防止するシール手段と、前記大径ノズルと小径ノズルとは別体でかつ前記燃料と酸化剤とのうち少なくとも一方をノズル内に導く冷却路と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すスラスタ装置１は、宇宙往還機や人工衛星などに用いられ、宇宙往還機や人工衛星が軌道変更する際や姿勢変更する際に用いられる装置である。スラスタ装置１は、例えば、互いに接触すると燃焼する四酸化二窒素（以下ＮＴＯと呼ぶ）を酸化剤としかつモノメチルヒドラジン（以下ＭＭＨと呼ぶ）を燃料としている。
【００１２】
スラスタ装置１は、図１に示すように、装置の外郭を形成する装置本体２と、この装置本体２内に回動自在に設けられた推力変更手段としての推力変更部材３と、装置本体２に接続したノズル４と、燃料供給手段５と、酸化剤供給手段６と、を備えている。
【００１３】
装置本体２は、逆有底筒状に形成されており、図中上側に位置する底部７と、この底部７の周縁から図中の下方に向って伸びた周壁８と、を一体に備えている。装置本体２は、底部７の中央から、周壁８とともに図中の下方に向って伸びた円柱部９を一体に備えている。
【００１４】
推力変更部材３は、円環状に形成されており、中央に設けられた貫通孔１０に装置本体２の円柱部９が通った状態で、装置本体２内に設けられている。推力変更部材３は、ベアリング１１によって装置本体２内に回動自在に支持されている。推力変更部材３は、その外周面１２ａが装置本体２の周壁８の内周面１３ａと密に接しているとともに、内周面１２ｂが装置本体４の円柱部９の外周面１３ｂに密に接している。
【００１５】
推力変更部材３は、その外周面１２ａに周方向に沿って、外歯１４を設けている。この外歯１４には、駆動源１５によって回転駆動される歯車１６が噛合っている。また、装置本体２と推力変更部材３との間には、互いの間を流体密に保つシール手段としてのシール部材１７が複数設けられている。
【００１６】
ノズル４は、円筒状に形成されているとともに、一端部４ａが、装置本体２の周壁８の端部８ａと接続している。ノズル４の内側には、燃料と酸化剤とが燃焼した際に生じる噴煙などが通る通路１８が形成されている。
【００１７】
燃料供給手段５は、装置本体２に取付けられており、図示しない燃料供給源などから燃料が供給される燃料マニホールド２１と、推力変更部材３内に形成された燃料噴射ノズル２２などを備えている。燃料マニホールド２１は、燃料供給源と接続した合流管部２３と、この合流管部２３から分岐した複数の枝管部２４と、を備えている。
【００１８】
燃料噴射ノズル２２は、燃料マニホールド２１の枝管部２４と同数設けられており、それぞれ、一端部２２ａが燃料マニホールド２１の枝管部２４に開口しているとともに、他端部２２ｂが、ノズル４内の通路１８に開口している。
【００１９】
燃料噴射ノズル２２は、図２に示すように、比較的流路断面積の大きな燃料大径ノズル２５と、比較的流路断面積の小さな燃料小径ノズル２６と、を備えている。前述した構成によって、燃料供給手段５は、図示しない燃料供給源から所定の圧力の燃料が供給され、燃料マニホールド２１及び燃料噴射ノズル２２を介してノズル４内に燃料を導いて噴射する。
【００２０】
酸化剤供給手段６は、装置本体２に取付けられており、図示しない酸化剤供給源などから酸化剤が供給される酸化剤マニホールド３１と、推力変更部材３内に形成された酸化剤噴射ノズル３２などを備えている。酸化剤マニホールド３１は、酸化剤供給源と接続した合流管部３３と、この合流管部３３から分岐した複数の枝管部３４と、を備えている。
【００２１】
酸化剤噴射ノズル３２は、酸化剤マニホールド３１の枝管部３４と同数設けられており、それぞれ、一端部３２ａが酸化剤マニホールド３１の枝管部３４に開口しているとともに、他端部３２ｂがノズル４内の通路１８に開口している。
【００２２】
酸化剤噴射ノズル３２は、燃料噴射ノズル２２と同様に、比較的流路断面積の大きな酸化剤大径ノズル３５と、比較的流路断面積の小さな酸化剤小径ノズル３６と、を備えている。前述した構成によって、酸化剤供給手段６は、図示しない酸化剤供給源から所定の圧力の酸化剤が供給され、酸化剤マニホールド３１及び酸化剤噴射ノズル３２を介してノズル４内に酸化剤を導いて噴射する。
【００２３】
燃料大径ノズル２５と酸化剤大径ノズル３５とは、本明細書に記した大径ノズルとなっている。燃料小径ノズル２６と酸化剤小径ノズル３６とは、本明細書に記した小径ノズルとなっている。
【００２４】
また、燃料噴射ノズル２２のノズル４内に開口した他端部２２ｂと、酸化剤噴射ノズル３２のノズル４内に開口した他端部３２ｂとは、互いに噴射する燃料と酸化剤とがノズル４内の通路１８において衝突するように形成されている。
【００２５】
前述したシール部材１７は、燃料及び酸化剤供給手段５，６の燃料及び酸化剤マニホールド２１，３１の枝管部２４，３４それぞれからノズル４側には設けられていない。このため、燃料及び酸化剤は、それぞれマニホールド２１，３１の枝管部２４，３４から、毛管現象によって、装置本体４の周壁８の内周面１３ａと推力変更部材３の外周面１２ａとの間及び装置本体２の円柱部９の外周面１３ｂと推力変更部材３の内周面１２ｂとの間からノズル４内に染み出すこととなる。
【００２６】
このため、前記ノズル４内において、燃料と酸化剤とを互いに衝突させて燃料させた後、このスラスタ装置１、特にノズル４の熱によって前述したように染み出した燃料及び酸化剤が気化されることとなる。そして、ノズル４が気化する際の潜熱によって冷却されることとなる。
【００２７】
前述した構成によれば、スラスタ装置１は、宇宙往還機や人工衛星の軌道変更を行う際などに、駆動源１５によって推力変更部材３を回動させて、図２（Ａ）に示すように、燃料供給手段５と酸化剤供給手段６が大径ノズル２５，３５と小径２６，３６を用いてノズル４内に燃料及び酸化剤を導いて、比較的大きな推力を発生する。
【００２８】
また、スラスタ装置１は、宇宙往還機や人工衛星の軌道変更を行う際などに、駆動源１５によって推力変更部材３を回動させて、図２（Ｂ）に示すように、燃料供給手段５と酸化剤供給手段６が小径ノズル２６，３６のみを用いてノズル４内に燃料及び酸化剤を導いて、比較的小さな推力を発生する。
【００２９】
このように、スラスタ装置１は、大径ノズル２５，３５と小径ノズル２６，３６との双方を用いて燃料供給手段５及び酸化剤供給手段６から供給される燃料及び酸化剤をノズル４内に導く大推力モードと、小径ノズル２６，３６のみを用いて燃料供給手段５及び酸化剤供給手段６から供給される燃料及び酸化剤をノズル４内に導く小推力モードとが、切り換え可能に構成されている。
【００３０】
また、一般にノズルから噴射される流体の圧力Ｐは以下の式１を満すことが知られている。
【００３１】
【数１】

【００３２】
ただし、ζ：圧力損失係数、ｇ：重力加速度、γ：密度、ｖ：流速、ｗ：流量Ａ：噴射断面積である。
【００３３】
前記大径ノズル２５，３５と小径ノズル２６，３６とは、それぞれの流路断面積が、前記式１にしたがって、大推力モードの時に噴射する流量の燃料及び酸化剤の圧力と、小推力モードの時に噴射する流量の燃料及び酸化剤の圧力とが、互いに等しくなるように形成されている。
【００３４】
本実施形態によれば、スラスタ装置１と噴射方向が同軸に配された姿勢変更用のスラスタを省略しても、スラスタ装置１を小推力モードで駆動することによって、姿勢変更を行う際に用いることが可能となる。したがって、部品点数を抑制することが可能となる。
【００３５】
また、前記スラスタ装置１は、大推力モードでは大径ノズル２５，３５及び小径ノズル２６，３６双方を用い、小推力モードでは小径ノズル２６，３６のみを用いるとともに、大径ノズル２５，３５及び小径ノズル２６，３６の流路断面積が、大推力モードの時に噴射する燃料及び酸化剤の圧力と小推力モードの時に噴射する燃料及び酸化剤の圧力とが等しくなるように形成されているので、小推力モードの際に燃料と酸化剤の流量を抑制してもこれらの燃料と酸化剤の圧力が低下することがない。したがって、小推力モードにおいても常に安定した燃焼を行うことが可能となる。
【００３６】
図２は、第２の実施形態を示し、前述した第１の実施形態と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
本実施形態のスラスタ装置１は、推力変更部材３が、断面形状が上方に開口したコ字形に形成されている。推力変更部材３の外周面１２ａと装置本体２の周壁８の内周面１３ａとの間のシール部材１７が、推力変更部材３の全長に亘って、これらの外周面１２ａと内周面１３ａとの間を流体密に保つように配されている。
【００３８】
このため、本実施形態のスラスタ装置１は、推力変更部材３が冷却路としての冷却管部４１を備えている。図示例において、この冷却管部４１は、一端部４１ａが燃料供給手段５の燃料マニホールド２１の枝管部２４に開口しているとともに、他端部４１ｂがノズル４内の通路１８に開口している。
【００３９】
前述した構成のスラスタ装置１は、燃料供給手段５の燃料マニホールド２１の枝管部２４から冷却管部４１を通って、ノズル４内に供給される燃料が、ノズル４の熱によって気化される。この気化する際の潜熱によって、ノズル４が冷却されることとなる。
【００４０】
本実施形態のスラスタ装置１は、第１の実施形態と同様に、部品点数を抑制できるとともに、小推力モードにおいても常に安定した燃焼を行うことが可能となる。
【００４１】
また、図示した本実施形態のスラスタ装置１は、冷却管部４１が、燃料供給手段５の燃料マニホールド２１の枝管部２４に開口しているが、酸化剤供給手段６の酸化剤マニホールド３１の枝管部３４に開口するように冷却管部４１を形成しても良い。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のスラスタ装置によれば、比較的流路断面積が大きな大径ノズルと、比較的流路断面積が小さな小径ノズルと、を備え、大径及び小径ノズルの双方を用いて噴射ノズル内に燃料と酸化剤とを供給する大推力モードと、小径ノズルのみを用いて噴射ノズル内に燃料と酸化剤とを供給する小推力モードと、が切り換え可能となっている。
【００４３】
このため、前記スラスタ装置を小推力モードで駆動することによって、このスラスタ装置と噴射方向が同軸に配された姿勢制御用のスラスタを省略しても、本発明のスラスタ装置を姿勢制御に用いることが可能となる。したがって、部品点数を抑制することが可能となる。
【００４４】
また、前記スラスタ装置は、大推力モードでは大径及び小径ノズル双方を用い、小推力モードでは小径ノズルのみを用いるので、姿勢制御する際に燃料と酸化剤の流量を抑制してもこれらの燃料と酸化剤の圧力が低下することがない。したがって、小推力モードにおいても常に安定した燃焼を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のスラスタ装置を示す断面図。
【図２】図１中のｉｉ−ｉｉ線に沿う断面図。
【図３】この発明の第２の実施形態のスラスタ装置を示す断面図。
【図４】従来のスラスタ装置の構成を示す概念図。
【符号の説明】
１…スラスタ装置
２…装置本体
３…推力変更部材（推力変更手段）
４…ノズル
５…燃料供給手段
６…酸化剤供給手段
１７…シール部材（シール手段）
２５…燃料大径ノズル（大径ノズル）
２６…燃料小径ノズル（小径ノズル）
３５…酸化剤大径ノズル（大径ノズル）
３６…酸化剤小径ノズル（小径ノズル）
４１…冷却管部（冷却路）

Claims

ノズルと接続しかつ装置の外郭を形成する装置本体と、
前記装置本体に取付けられかつ前記ノズル内に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記装置本体に取付けられかつ前記ノズル内に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
を備えたスラスタ装置において、
前記燃料供給手段から供給された燃料を前記ノズル内に導く比較的流路断面積が大きな燃料大径ノズルと、
比較的流路断面積が小さな燃料小径ノズルと、
前記酸化剤供給手段から供給された酸化剤を前記ノズル内に導く比較的流路断面積が大きな酸化剤大径ノズルと、
比較的流路断面積が小さな酸化剤小径ノズルと、
を備え、
かつ前記大径ノズルと小径ノズルとを用いて前記燃料供給手段及び酸化剤供給手段から供給される燃料及び酸化剤それぞれをノズル内に導く大推力モードと、前記小径ノズルのみを用いて前記燃料供給手段及び酸化剤供給手段から供給される燃料及び酸化剤それぞれをノズル内に導く小推力モードとを、前記装置本体に対して回動することで切り換え可能に設けられた推力変更部材と、
前記推力変更部材を回動させる駆動源と、
を備えたことを特徴とするスラスタ装置。
前記推力変更部材が、断面コ字形に形成され、
かつ前記装置本体との間から前記燃料供給手段から供給された燃料と前記酸化剤供給手段から供給された酸化剤とのうち少なくとも一方の漏れを防止するシール手段と、
前記大径ノズルと小径ノズルとは別体でかつ前記燃料と酸化剤とのうち少なくとも一方をノズル内に導く冷却路と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のスラスタ装置。