JP4915868B2

JP4915868B2 - ２液スラスタ

Info

Publication number: JP4915868B2
Application number: JP2007258207A
Authority: JP
Inventors: 一郎那賀川
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: JP2009085155A

Description

本発明は、液体酸化剤と液体燃料から燃焼ガスを生成し、これを噴出することで推力を得る２液スラスタに関する。

スラスタは、例えば、人工衛星などに搭載され、宇宙空間において人口衛星などの姿勢制御や軌道変更などを行うための推力を発生させる装置である。スラスタは、例えば、下記の特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１には、液体燃料を用いた１液スラスタが開示されている。この１液スラスタでは、図２に示すように、スラスタ本体２１内に液体燃料であるヒドラジンを噴射するインジェクタ２３が設けられ、スラスタ本体２１内のチャンバ２２内には、触媒２５が充填され、その下流側にはノズル２７が設けられている。この構成により、インジェクタ２３から噴射されたヒドラジンは触媒２５により分解され、発生した分解ガスがノズル２７から噴出され推力が得られる。

特許文献２には、液体燃料と液体酸化剤を用いた２液スラスタが開示されている。この２液スラスタでは、図３に示すように、酸化剤として四酸化二窒素を燃焼室３１に噴射する酸化剤用ノズル３３と、燃料を燃焼室３１に噴射する燃料用ノズル３５とが設けられている。燃焼室３１内で酸化剤と燃料の混合ガスが燃焼させられ、その燃焼ガスがノズル３７から外部へ噴出され推力が得られる。

特許文献３には、液体燃料と液体酸化剤を用いた別の２液スラスタが開示されている。この２液スラスタでは、図４に示すように、燃料タンク４１からヒドラジンなどの液体燃料が供給される触媒室４３が設けられ、触媒室４３の下流には燃焼器４５が設けられる。また、酸化剤タンク４７から燃焼器４５へ酸化剤が供給される。なお、符号４８は、酸化剤タンク４７から燃焼器４５内へ供給される前の酸化剤に燃焼器４５の熱を吸収させる熱交換器を示す。この構成により、触媒室４３の触媒により液体燃料から発生した高温分解ガスと、燃焼器４５でガス化した酸化剤とを燃焼させ、この燃焼ガスをノズル４９から噴射させて推力が得られる。
特開平１１−８２１７１号公報の図３など「一液式ヒドラジンスラスタ」特開昭６３−１４４１８５号公報「二液推進機関」特開平８−７４６６２号公報「推力可変２液式エンジン」特開２００４−３３１４２５号公報「ＨＡＮ／ＨＮベースモノプロペラントとこれを用いた高温ガス発生方法」特開２００７−２３１３５号公報「液体酸化剤、これを用いた推進薬及び高温ガス発生方法」

上述した１液スラスタまたは２液スラスタで使用されるヒドラジンや四酸化二窒素は有毒であるので、これらの取り扱い時には防護服が必要となる。そのため、毒性の低い酸化剤、燃料を用いることが望まれる。
低毒性の酸化剤としては、特許文献４、５に開示されたＨＡＮ系酸化剤がある。ＨＡＮ系酸化剤は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）および水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤と燃料成分とからなる。このような成分を持つＨＡＮ系酸化剤は、毒性が低く、取り扱いが容易であり防護服の必要性を無くすことができる。なお、低毒性の燃料としては炭化水素系燃料がある。

そこで、本発明の目的は、低毒性の酸化剤および燃料としてＨＡＮ系酸化剤および炭化水素系燃料を用いて推進用燃焼ガスを発生させる場合に、高い着火性と燃焼安定性を実現できる２液スラスタを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によると、液体のＨＡＮ系酸化剤と液体の炭化水素系燃料とから燃焼ガスを生成しこれを噴出させることで、推力を発生させる２液スラスタであって、
内部に触媒を収容し、供給されるＨＡＮ系酸化剤を該触媒により発熱分解および燃焼させて１次燃焼ガスを生成する１次燃焼器と、
前記１次燃焼ガスと炭化水素系燃料とが供給され、前記１次燃焼ガスにより前記炭化水素系燃料を燃焼させて２次燃焼ガスを生成する２次燃焼器と、を備え、
前記１次燃焼器の下流側端面は、断面が漸減する先細形状であり、
さらに、前記１次燃焼器の下流端と２次燃焼器の上流端との間に設けられ、前記１次燃焼ガスを前記２次燃焼器内に噴射するノズルと、
前記ノズルを挟んで２次燃焼器の上流側端面に設けられ、２次燃焼器内に噴射された前記１次燃料ガスの流れに対して上流側斜め方向から衝突するように、前記炭化水素系燃料を噴射する複数の噴射口と、を備えることを特徴とする２液スラスタが提供される。

上記構成では、ＨＡＮ系酸化剤は、１次燃焼器で触媒により発熱分解および燃焼させられて、高温の１次燃焼ガスとなった後、２次燃焼器で炭化水素系燃料を燃焼させるので、安定してかつ効率よく炭化水素系燃料を燃焼させることができる。従って、ＨＡＮ系酸化剤と炭化水素系燃料との組み合わせを用いる場合に、高い着火性と燃焼安定性を実現することができる。
また、有毒なヒドラジン、四酸化二窒素を用いず、毒性の低いＨＡＮ系酸化剤および炭化水素系燃料を用いるので、低毒化が図られる。
さらに、上記構成では、高温の１次燃焼ガスがノズルにより２次燃焼器に噴出されるので、高温の１次燃焼ガスを２次燃焼器内の炭化水素系燃料に効果的に衝突混合させることができる。これにより、一層高い着火性と燃焼安定性を実現することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記１次燃焼器は、供給される前記ＨＡＮ系酸化剤を発熱分解させてガスを生成する触媒室と、この触媒室の下流側に設けられ前記触媒室で生成された前記ガスを燃焼させて前記１次燃焼ガスを生成する燃焼室と、を有する。

上記構成では、前記１次燃焼器は、供給される前記ＨＡＮ系酸化剤を発熱分解させてガスを生成する触媒室と、この触媒室の下流側に設けられ前記触媒室で生成された前記ガスを燃焼させて前記１次燃焼ガスを生成する燃焼室と、を有するので、この燃焼室において、触媒室で生成された前記ガスを確実に燃焼させて１次燃焼ガスを生成することができる。

上述した本発明によると、低毒性の酸化剤と燃料としてＨＡＮ系酸化剤と炭化水素系燃料を用いて推進用燃焼ガスを発生させる場合に、高い着火性と燃焼安定性を実現できる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態による２液スラスタ１０の構成を示す断面図である。本実施形態による２液スラスタ１０は液体のＨＡＮ系酸化剤と液体の炭化水素系燃料とから燃焼ガスを生成しこれを噴出させることで、推力を発生させるものである。

本実施形態では、ＨＡＮ系酸化剤は、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）、ヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）および水を含むＨＡＮ／ＨＮ混合系の酸化剤である。例えば、ＨＡＮ系酸化剤の組成は、ＨＡＮの含有量が４０〜６０重量％であり、ＨＮの含有量が２０〜３０重量％であり、さらに水（Ｈ_２Ｏ）を含む。

２液スラスタ１０は、図１に示すように１次燃焼器３と２次燃焼器５を備える。

１次燃焼器３は、内部に触媒７を収容し、供給されるＨＡＮ系酸化剤を、触媒７により、発熱分解させ、さらに燃焼反応させて、高温の１次燃焼ガスを生成する。ＨＡＮ系酸化剤は、酸化剤タンク（図示せず）に貯蔵されている。この酸化剤タンクは、流量制御弁などのバルブ（図示せず）を介して１次燃焼器３に接続されたされており、酸化剤タンクから上記バルブおよび噴射口８を通して１次燃焼器３内に噴射される。
１次燃焼器３は、その内部に触媒室１１と燃焼室１２とを有する。触媒室１２は、その内部に収納された触媒７により、供給されるＨＡＮ系酸化剤を発熱分解させて高温ガスを生成する。触媒室１２は、例えば、網状部材９と１次燃焼器３の内壁により区画される。このような触媒室１１内に、触媒７が充填される。なお、網状部材９の目の細かさは、粒状の触媒７が通過できないようになっている。一方、燃焼室（燃焼空間）１２は、触媒室１１の下流側に設けられる。この燃焼室１２において、触媒室１１からの高温ガスが燃焼（燃焼反応）することで、１次燃焼ガスが生成される。
また、１次燃焼器３の下流側には、高温の１次燃焼ガスを２次燃焼器５に噴出するノズル１３が設けられている。

２次燃焼器５は、上記高温の１次燃焼ガスと炭化水素系燃料とが供給され、高温の１次燃焼ガスにより炭化水素系燃料を燃焼させて２次燃焼ガスを生成する。炭化水素系燃料は、燃料タンク（図示せず）に貯蔵されている。この燃料タンクは流量制御弁などのバルブ（図示せず）を介して２次燃焼器５に接続されており、燃料タンクからの炭化水素系燃料が上記バルブおよび噴射口１５を通して２次燃焼器５内に噴射される。図１の例では、ノズル１３から噴出される１次燃焼ガスの流れに斜め方向から炭化水素系燃料を噴出するように噴射口１５が配置される。これにより、炭化水素系燃を１次燃焼ガスに衝突混合させることができる。

燃料器の下流側にはノズル１７が設けられ、２次燃焼器５により生成された２次燃焼ガスを膨張させて噴射し、推力を発生させる。

次に、上述した２液スラスタ１０の作用について説明する。まず、噴射口８から１次燃焼器３内にＨＡＮ系酸化剤が噴射される。このＨＡＮ系酸化剤が、触媒室１１を通過する間に触媒７により分解発熱させられ、これにより、高温ガスが生成される。この高温ガスが、燃焼室１２で燃焼することで、１次燃焼ガスが生成される。
さらに、高温の１次燃焼ガスはノズル１３から２次燃焼器５内へ噴射される。一方、炭化水素系燃料が２次燃焼器５内へ噴射される。この時、炭化水素系燃料は、噴射された１次燃焼ガスの流れに斜め方向から衝突するように噴射される。これにより、炭化水素系燃料が高温の１次燃焼ガスによって安定して着火、燃焼させられる。

［表１］は、本実施形態による２液スラスタ１０の理論性能と従来のスラスタの理論性能とを比較した表である。

［表１］において、「従来１液」の列は、ヒドラジンを用いた従来の１液スラスタの場合であり、「従来２液」の列は、ヒドラジンと四酸化二窒素を用いた従来の２液スラスタ１０の場合であり、「低毒１液」の列は、ＨＡＮ系酸化剤を用いた１液スラスタの場合であり、「低毒２液」は、本発明の実施形態による２液スラスタ１０の場合である。なお、［表１］において、ＪＥＴ−Ａは、一般的に使用されている炭化水素系燃料である。
［表１］から分かるように、本実施形態による２液スラスタ１０では、酸化剤、燃料が低毒であるだけでなく、十分に高い理論性能を得ることができる。特に、本実施形態による２液スラスタ１０は、低毒１液の場合と比較すると、理論性能が大幅に向上していることが分かる。

上述した本発明の実施形態による２液スラスタ１０では、ＨＡＮ系酸化剤は、１次燃焼器３で触媒７により発熱分解させられたのち燃焼して高温の１次燃焼ガスとなった後、２次燃焼器５で炭化水素系燃料を燃焼させるので、安定してかつ効率よく炭化水素系燃料を燃焼させることができる。従って、ＨＡＮ系酸化剤と炭化水素系燃料との組み合わせを用いる場合に、高い着火性と燃焼安定性を実現することができる。また、有毒なヒドラジン、四酸化二窒素を用いず、毒性の低いＨＡＮ系酸化剤および炭化水素系燃料を用いるので、低毒化が図られる。
また、１次燃焼器３は、供給されるＨＡＮ系酸化剤を発熱分解させて高温ガスを生成する触媒室１１と、この触媒室１１の下流側に設けられ触媒室１１で生成された高温ガスを燃焼させて１次燃焼ガスを生成する燃焼室１２と、を有するので、この燃焼室１２において、触媒室１１で生成された高温ガスを確実に燃焼させて１次燃焼ガスを生成することができる。
さらに、高温の１次燃焼ガスがノズル１３により２次燃焼器５に噴出されるので、高温の１次燃焼ガスを炭化水素系燃料に効果的に衝突混合させることができる。これにより、一層高い着火性と燃焼安定性を実現することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態による２液スラスタの構成を示す断面図である。特許文献１の１液スラスタの構成を示す断面図である。特許文献２の２液スラスタの構成を示す断面図である。特許文献３の２液スラスタの構成を示す断面図である。

符号の説明

３１次燃焼器、５２次燃焼器、７触媒、
８噴射口、９網状部材、１０２液スラスタ、
１１触媒室、１２燃焼室１２、１３ノズル、
１５噴射口、１７ノズル

Claims

液体のＨＡＮ系酸化剤と液体の炭化水素系燃料とから燃焼ガスを生成しこれを噴出させることで、推力を発生させる２液スラスタであって、
内部に触媒を収容し、供給されるＨＡＮ系酸化剤を該触媒により発熱分解および燃焼させて１次燃焼ガスを生成する１次燃焼器と、
前記１次燃焼ガスと炭化水素系燃料とが供給され、前記１次燃焼ガスにより前記炭化水素系燃料を燃焼させて２次燃焼ガスを生成する２次燃焼器と、を備え、
前記１次燃焼器の下流側端面は、断面が漸減する先細形状であり、
さらに、前記１次燃焼器の下流端と２次燃焼器の上流端との間に設けられ、前記１次燃焼ガスを前記２次燃焼器内に噴射するノズルと、
前記ノズルを挟んで２次燃焼器の上流側端面に設けられ、２次燃焼器内に噴射された前記１次燃料ガスの流れに対して上流側斜め方向から衝突するように、前記炭化水素系燃料を噴射する複数の噴射口と、を備えることを特徴とする２液スラスタ。
前記１次燃焼器は、供給される前記ＨＡＮ系酸化剤を発熱分解させてガスを生成する触媒室と、
この触媒室の下流側に設けられ、前記触媒室で生成された前記ガスを燃焼させて前記１次燃焼ガスを生成する燃焼室と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の２液スラスタ。