JP4585994B2 - 燃料タンク - Google Patents

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Description

本発明は、搬送媒体として用いる噴射ガスと、少なくとも１つの燃料取り出し装置とを備え、燃料取り出し装置がそれぞれ少なくとも１つの捕集容器とタンク排出部とを有し、表面張力を利用して燃料を噴射ガスから分離させるようにした燃料タンク、特に宇宙空間飛行体を駆動させるアグレッシブな液体を保管するためのタンクであって、燃料取り出し装置が、再充填可能なリザーバーの形態で燃料タンクの底部に配置され、且つ搬送管を介して燃料タンクの内部と連通している前記燃料タンクに関するものである。
衛星または宇宙ステーションのような宇宙空間飛行体の場合、宇宙空間での姿勢制御に用いられる推進装置に対しても、またアポジ（遠地点）飛行を行なうための推進装置に対しても、主に液体燃料が使用される。液体燃料はこのために適した容器に入れられ、通常は噴射ガスを使用して容器から推進装置の燃焼室または反応室へ搬送される。噴射ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）或いは窒素（Ｎ２）のような不活性ガスが慣用される。この種の不活性ガスは加圧して燃料容器内へ圧入され、これによって燃料を推進装置に通じているパイプラインシステムのなかへ圧入させる。この場合、点火の際に液体燃料のなかに異物のガスが沈積していてはならないので、搬送媒体として用いられる噴射ガスと推進装置に到達する燃料とを完全に確実に分離させることが重要である。このような原理をベースにしたタンクは特許文献１から知られるようになった。
また、特許文献２からは、燃料を排出する際の排出管を多数の穴により捕集容器と連通させるようにした燃料タンクが知られている。
液体とガスを互いに分離させる標準的な方法は、特定の圧力差になるまでガスの通過を遮断するフィルタを使用することである。燃料搬送量が少ない小型の衛星の場合、特定の状況のもとではこの種の比較的高価なフィルタを設けずに済む。この種のタンクに対し頻繁に課せられる特殊な要求は、特に充填度に関する制限が望ましくない場合に、衛星に組み込んだ状態で、或いは、発射基地へ搬送するために、すでに充填した燃料タンクを水平状態で搬送できるようにすることである。搬送中に発生する力は、動力学的作用のために重力による力の何倍にも達することがある。このため、従来より公知のこの種のタンクでは、タンク充填度を小充填度側へ限定してタンク排出部を常に液体に浸漬させた状態にするか、或いは、タンク排出部を非常に狭い管路によって限定するかのいずれかの処置が取られる。しかしながら、後者の場合、狭い管路は燃料取り出しの際に比較的高い圧力レベルを生じさせる。その際の最大許容圧力損失は通常予め設定される。
この種のタンクに対する他の要求は、この種のタンクを備えている衛星を、タンク排出部に対し横方向に指向させて搬送できるようにすることである。このような要求は、特に、中央の担持構造の側部に水平状態で装着されている小型の複数個の衛星を搬送する際に発生する。ロケット発射時に発生する高い動力学的荷重のために、露出しているフィルタおよび開口部は通常保持力を喪失し、すなわち噴射ガスが排出部へ侵入するのを阻止できなくなる。もし燃料タンクを満杯にせずに、フィルタ、開口部のような敏感な部材が燃料から突出していれば、機能しなくなる。噴射ガスは、高荷重が作用した場合、フィルタおよび開口部を通じてタンク排出部へ達するので、推進装置も機能しなくなることがある。それ故、タンクを水平方向に指向させてロケットを発射させることは、冒頭で述べた種類のタンクでは不可能である。
独国特許発明第１００４０７５５Ｃ２号明細書 米国特許第５２９３８９５号明細書
本発明の課題は、冒頭で述べた種類の燃料タンクにおいて、燃料タンクを一時的に水平に指向させた後も、またタンク充填度が低い場合にも、燃料が安定して燃料管のなかで保持され、したがって燃料タンク内にある捕集容器の、気泡のない充填または再充填が常に保証されているように構成することである。
上記の課題は、本発明によれば、タンク排出部が排出管を捕集容器と連通させている穴を備え、穴に対向している領域が溝を備えていることにより解決される。
本発明による燃料タンクの製造コストは、従来のタンクに比べて実質的に高くならず、地上およびロケット発射時の操作上の順応性をかなりの程度向上させることができる。また、本発明による燃料タンクは、フィルタなしで気泡を発生させない確実な搬送が可能であるように構成されている。
毛細吸引作用を利用して充填を改善させるため、捕集容器の内部空間は燃料タンクの対称軸線に対し垂直な面に対し鋭角を持って構成されている。
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１に図示した燃料タンクは、ＭＭＨ、Ｎ ２ Ｏ ４ 、ヒドラジン等の貯蔵性のあるアグレッシブな燃料（液体燃料）を収容し保管するための表面張力タンクである。この燃料タンクはタンク底部に配置される燃料取り出し装置を備えている。燃料取り出し装置は、表面張力を利用して燃料を噴射ガスから分離させるようにした装置である。タンク壁２に沿って４つの誘導壁１が案内されており、これらの誘導壁１は燃料タンクの底部に設けた捕集容器３に開口している。この捕集容器３から排出管４を介して燃料を噴射ガスにより燃焼室または反応室（図示せず）へ排出させることができる。噴射ガスとしては、通常のごとく、燃料をそれぞれの推進装置に通じているパイプラインシステム（図示せず）内へ圧入させるヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）等の不活性ガスを使用する。
図２と図３に図示したように、タンク排出部４に設けた捕集容器３の下部部分９は回転部分として実施されており、これにより特に製造コストを低く抑えることができる。中央に配置された排出管１０を起点として３つの管路１１が設けられ、これらの管路１１はそれぞれほぼ２ｍｍの径を持ち、片側で捕集容器の内部空間１２を排出管１０と連通させている。連通管路１１を重力加速度と逆の方向に上向きにしても水平状態での充填が可能である。連通管路または開口管路１１は、燃料タンクを最初に充填する際に、充填の間に噴射ガスの気泡が封じ込まれないように適当に配置されている。
捕集容器３の内部空間１２は、その形状に関し、燃料タンクの対称軸線または縦軸線１３に対し垂直な面に対し鋭角１５を成すように構成されており、これにより、燃料タンクをたとえばわずかな充填度で水平状態で搬送した後に水平位置から鉛直位置へ回転させても、また無重力状態でも、毛細管作用により再び自動的に完全に且つ気泡なしに充満する。補助的に片側に溝１４を切ると迅速な充填が支援され、その結果燃料タンクは無重力状態の下で毛細管作用により極めて迅速に充満する。捕集容器内部空間１２が鋭角１５で構成されているので、吸引毛細管作用で充填過程がかなり改善される。
タンクへの燃料の充填はほとんどの場合タンクを鉛直方向へ向けて行われ、すなわちこの場合タンクの縦軸線１３は重力の方向に平行に延びている。この場合、タンク排出部４全体と捕集容器３とは燃料で完全に充填されている。この状態から燃料タンクをタンク横軸線のまわりに傾動させて、３つの開口部１１を重力加速度の作用方向とは逆の方向へ指向させると、燃料タンクはわずかなタンク充填度でも水平状態で搬送させることができる。図４に図示した配置の場合、充填された図１の燃料タンクは搬送のためにたとえば人工衛星に組み込まれて発射基地で水平状態で保管されている。この場合、充填されたタンクのタンク排出部４は、図で矢印で示した重力加速度ｇの方向に対し垂直に方向付けられており、その結果燃料５は、特にわずかな充填度の燃料は、もはや排出部４を取り囲まずに、そのレベルは排出部４の下方に間隔ｈの位置にある。
排出部に複数個の管路１１を設けると、燃料排出中のタンク排出部４における圧力損失を、従来公知のこの種のタンクに比べてかなり低減させることができる。排出部をこのように改良すると、水平搬送および水平発射に関する適用範囲が拡大するとともに、最大許容圧力損失に関しより大量の貯留が可能であり、地上でのタンクの迅速な充填、放出が可能になる。
本発明による燃料タンクの斜視図である。 図１の燃料タンクのタンク排出部領域の詳細図である。 図２の線Ａ−Ａによる断面図である。 図１の燃料タンクの縦軸線付近の鉛直断面図で、発射用に水平位置で配置された場合の図である。
符号の説明
１ 誘導壁
２ タンク壁
３ 捕集容器
４ 排出部
５ 燃料
９ 下部部分
１０ 排出管
１１ 管路
１２ 捕集容器の内部空間
１３ タンク縦軸線
１４ 溝
１５ 鋭角

Claims (2)

  1. 液体燃料のための押出媒体として用いる噴射ガスと、少なくとも１つの燃料取り出し装置とを備える、宇宙空間飛行体を駆動させる液体燃料を保管するための燃料タンクにして、
    上記燃料取り出し装置が、それぞれ少なくとも１つの捕集容器とタンク排出部とを有し、再充填可能なリザーバーの形態で燃料タンクの底部に配置され、搬送管を介して燃料タンクの内部と連通されており、また
    上記燃料取り出し装置では表面張力を利用して液体燃料の噴射ガスからの分離が行われる
    前記燃料タンクにおいて、
    タンク排出部が排出管（１０）を捕集容器（３）と連通させている穴（１１）を備え、穴（１１）に対向している領域が溝（１４）を備えていることを特徴とする燃料タンク。
  2. 捕集容器（３）の内部空間（１２）が燃料タンクの対称軸線（１３）に対し垂直な面に対し鋭角（１５）を持って構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料タンク。
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