JP4941663B2 - 一液スラスタ - Google Patents

Description

本発明は、ヒドラジンの分解反応で生じる分解ガスを噴出させて推力を得る一液スラスタに関するものである。

上記した一液スラスタは、宇宙空間において人工衛星の姿勢を制御したり、軌道を変更したりするのに用いられ、このような一液スラスタとしては、例えば、ヒドラジンを収容したタンクと、このタンクから電磁弁及びインジェクタを介して供給されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えたものがある。

この一液スラスタでは、アルミナ粒子に触媒であるイリジウムを約３０％担持させて成る粒径１ｍｍ未満の触媒粒子の層を触媒層としており、電磁弁の開弁作動によってタンクからインジェクタを介してチャンバ内にヒドラジンをパルス状に供給すると、ヒドラジンが触媒層と触れて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され、これらの分解ガスをノズルから噴射することで推力を得るものとなっている。ヒドラジンの分解が定常状態のとき、式（１）に示す分解反応が起きる。

３Ｎ２Ｈ４→４（１−ｘ）ＮＨ３＋（２ｘ−１）Ｎ２＋６ｘＨ２
（但し、ｘは０〜１の係数） 式（１）
このような一液スラスタにおいて、人工衛星の姿勢制御時のように間欠的作動を繰返し行う場合には、触媒層の触媒粒子自体が熱膨張と収縮を繰返すうえ、高圧ガスの発生による衝撃を受けるが、とくに触媒層のうちのインジェクタ近傍に位置する部分、即ち、ヒドラジンを直接浴びて急激に反応が起きる部分では、触媒粒子の摩耗や粉砕が発生してしまい、これによる触媒量の減少に伴って空隙が形成されて分解反応の効率が低下するほか、触媒粒子の摩耗や粉砕で生じた微粒子が触媒層の下流部分やノズルスロート部分に堆積して、圧力損失の増加による推力低下を招くといった不具合が生じる可能性があった。

このような不具合の発生を回避するために、触媒粒子の摩耗や粉砕により触媒層に生じる空隙を小さくするべく、触媒層自体を圧縮する押圧機構を備えた一液スラスタや、触媒層を格子状の一体型触媒層とした一液スラスタが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平11-82171号 特開2001-20808号

しかしながら、上記した前者の一液スラスタにおいて、特殊環境で使用することを考慮すると、ばねなどの可動要素を有する押圧機構は、信頼性の面で不利であり、加えて、部品点数が多くなる分だけ、コストの面でも劣る。
一方、後者の一液スラスタにおいて、十分な推力を得るためのヒドラジン分解に必要な
有効面積（触媒粒子との接触面積）を確保するうえで、触媒層を升目が微細な格子状に形成することが不可欠であるが、多量のイリジウムを担持させつつ微細升目の格子状一体型触媒層を形成することは極めて困難であり、現実的ではない。

本発明は、上述した従来の課題に着目してなされたもので、製造し易くそして信頼性及びコストの面で有利であるのは勿論のこと、触媒層における局所的ないし全体的な触媒粒子の崩壊や摩耗を防ぐことができ、その結果、ヒドラジン分解反応の効率低下や推力の低下などの不具合の発生を抑制することが可能な耐久性に優れた一液スラスタを提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えた一液スラスタにおいて、前記触媒層の全体を一体物多孔金属触媒として、前記チャンバのヒドラジン導入部から前記ノズルに向かうにつれて該一体物多孔金属触媒の空隙率が漸次増加するものとした構成としたことを特徴としており、この一液スラスタの構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

この場合、ヒドラジンの分解に対して不活性なアルミナの粒子に触媒としてのイリジウムを約３０％担持させて形成した粒径１ｍｍ未満の触媒粒子を充填して成る構成の触媒層を採用することができる。
このような触媒層を有する一液スラスタでは、ヒドラジン導入部からチャンバ内にヒドラジンを導入すると、ヒドラジンが触媒層と触れて分解反応が起こり、ヒドラジンのパルス噴射が多数繰り返されてチャンバ内が定常状態となった時点では、上記式（１）に示す分解反応が起きて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され、これらの分解ガスをノズルから噴射することで推力を得る。

このとき、触媒層の全域にわたって高い機械的強度を有する一体物多孔金属触媒が位置しているので、全体において触媒粒子同士の衝突による崩壊や摩耗は一切生じないこととなり、したがって、触媒層に空間ができることが回避されることとなる。

また、この構成を有する一液スラスタでは、チャンバのノズル側に比較して、チャンバのヒドラジン導入部側において高い触媒作用が得られることとなる。
本発明の一液スラスタにおいて、触媒として機能する一体物多孔金属には、イリジウム又は白金を用いることができ、イリジウム又は白金から成る金属を多孔質化した一体物（多孔質の塊）とするには、図２（ａ）に示すように、メッシュ状に形成した金属１０Ａを重ね合わせて拡散接合することで一体物多孔金属１０としたり、図２（ｂ）に示すように、メタルフォーム１０Ｂを重ね合わせて一体物多孔金属１０としたり、図２（ｃ）に示すように、粉末状にした金属１０Ｃを焼結することで一体物多孔金属１０としたり、図２（ｄ）に示すように、ファイバ状の金属１０Ｄを焼結することで一体物多孔金属１０としたりする手法を適宜採用することができる。

本発明の請求項１に係る一液スラスタでは、触媒層の全域にわたって位置する一体物多孔金属触媒が高い機械的強度を有しているので、ヒドラジン導入部からチャンバ内に導入されたヒドラジンが一体物多孔金属触媒を通過する際には、この触媒層に急激反応が生じることはなく、その結果、触媒層に局所的ないし全体的な触媒粒子の崩壊や摩耗が発生するのを回避することができ、全域にわたって空間ができるのを回避することができる。

つまり、製造し易くそして信頼性及びコストの面での優位性を保ちつつ、ヒドラジン分解反応の効率が低下したり、推力が低下したりするなどの不具合の発生を抑えることが可能であり、長寿命化をも実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

さらに、本発明の請求項１に係る一液スラスタでは、チャンバのヒドラジン導入部側において、チャンバのノズル側よりも高い触媒作用を得ることができる。

以下、本発明に係る一液スラスタを図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、一液スラスタの一参考形態を示している。
図１に示すように、この一液スラスタ１は、ヒドラジンを収容したタンク２と、インジェクタ（ヒドラジン導入部）３を具備し且つこのインジェクタ３を通してタンク２から供給されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層４を充填したチャンバ５と、このチャンバ５で生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズル６とから主として成っており、チャンバ５のタンク２側に位置する支持棒３ａとともにインジェクタ３を構成するフィードチューブ３ｂと、タンク２との間には、電磁弁７が配置してある。

チャンバ５において、インジェクタ３に隣接して配置したヒドラジン分散用の上流側メッシュ８とノズル６寄りの部分に配置した下流側メッシュ９との間の空間を触媒層収容部５Ａとしていて、この触媒層収容部５Ａに収容された触媒層４のうちの上流側メッシュ８近傍部分を一体物多孔金属触媒１０としており、一方、下流側メッシュ９とノズル６との間の空間は、分解ガスチャンバ５Ｂとしてある。

この場合、触媒層４は、アルミナ粒子に触媒であるイリジウムを約３０％担持させて成る粒径１ｍｍ程度の触媒粒子の充填層としており、一方、一体物多孔金属触媒１０は、図２(ａ)に示すように、メッシュ状に形成した金属（この実施形態ではイリジウム）１０Ａを重ね合わせて拡散接合してなっている。
この一液スラスタ１では、タンク２から供給されるヒドラジンを電磁弁７の開弁作動によってインジェクタ３及び上流側メッシュ８を介してチャンバ５内にパルス状に導入すると、ヒドラジンは触媒層収容部５Ａにおける一体物多孔金属触媒１０を経由して触媒層４と触れて分解反応が起きて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され（上記式（１）参照）、分解ガスチャンバ５Ｂで高圧に保持されたこれらの分解ガスをノズル６から噴射することで推力を得るものとなっている。

インジェクタ３を通してチャンバ５内に導入されたヒドラジンが、一体物多孔金属触媒１０を通過する際には、この一体物多孔金属触媒１０が高い機械的強度を有しているので、仮に触媒層４のインジェクタ３近傍に局所的な急激反応が生じたとしても崩壊や摩耗は生じないこととなり、触媒層４に空間ができるのが回避されることとなる。
つまり、この一液スラスタ１では、製造し易くそして信頼性及びコストの面での優位性を保ちながら、ヒドラジン分解反応の効率が低下したり、触媒粒子の崩壊や摩耗で生じた微粒子が触媒層の下流部分やノズルスロート部分に堆積して推力が低下したりするのを抑え得ることとなるうえ、長寿命化をも実現できる。

図３は本発明に係る一液スラスタの一実施形態を示しており、図３に示すように、この一液スラスタ１１が、先の参考形態による一液スラスタ１と相違するところは、触媒層４の全体を一体物多孔金属触媒１０とし、そして、全体を一体物多孔金属触媒１０とした触媒層４において、チャンバ５のインジェクタ３からノズル６に向かうにつれて一体物多孔金属触媒１０の空隙率が漸次増加するようにした点にあり、他の構成は、先の参考形態による一液スラスタ１と同じである。

具体的には、空隙率の互いに異なる三種類の一体物多孔金属触媒１０を揃えて、チャンバ５のインジェクタ３側に空隙率の最も小さい一体物多孔金属触媒１０Ｓを配置し、これよりも空隙率の大きい一体物多孔金属触媒１０Ｍ及び空隙率の最も大きい一体物多孔金属触媒１０Ｌを順次隣接させて配置することで、一体物多孔金属触媒１０の空隙率がチャンバ５のインジェクタ３からノズル６に向かうにつれて漸次増加するようにしている。

この実施形態に係る一液スラスタ１１では、触媒層４の全体を一体物多孔金属触媒１０としているので、触媒層４の全域にわたって触媒粒子同士の衝突による崩壊や摩耗は一切生じないので、触媒層４に空間ができることはまったくなく、この際、チャンバ５のインジェクタ３側に空隙率の最も小さい一体物多孔金属触媒１０Ｓを配置すると共に、これよりも空隙率の大きい一体物多孔金属触媒１０Ｍ及び空隙率の最も大きい一体物多孔金属触媒１０Ｌを順次隣接させて配置するようにしているので、チャンバ５のノズル６側に比較して、チャンバ５のインジェクタ３側において高い触媒作用が得られることとなる。

なお、この実施形態に係る一液スラスタ１１では、チャンバ５のインジェクタ３からノズル６に向かうにつれて一体物多孔金属触媒１０を三段階に分けて、その空隙率が漸次増加するようにしているが、これに限定されるものではなく、チャンバ５のインジェクタ３からノズル６に向かうにつれて一体物多孔金属触媒１０を二段階や四段階以上に分けて、空隙率が漸次増加するようにしてもよい。

また、上記した実施形態に係る一液スラスタ１，１１では、インジェクタ３を構成する一本のフィードチューブ３ｂの先端からヒドラジンを拡散供給するようにしているが、これに限定されるものではなく、フィードチューブ３ｂの先端にシャワーヘッドを装着してヒドラジンを複数個所から分けて供給するようにしてもよい。
なお、本発明に係る一液スラスタの構成は、上記した実施形態の構成に限定されるものではない。

本発明に係る一液スラスタの一参考形態を示す断面説明図である。 図１の一液スラスタに用いる一体物多孔金属触媒の種類及び製法の概略説明図（ａ）〜（ｄ）である。 本発明に係る一液スラスタの一実施形態を示す断面説明図である。

符号の説明

１１ 一液スラスタ
３ インジェクタ（ヒドラジン導入部）
３ａ 支持棒
３ｂ フィードチューブ（インジェクタ）
４ 触媒層
５ チャンバ
６ ノズル
１０ 一体物多孔金属触媒
１０Ｓ，１０Ｍ，１０Ｌ 空隙率の互いに異なる一体物多孔金属触媒

Claims (1)

1. ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、
   このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えた一液スラスタにおいて、
   前記触媒層の全体を一体物多孔金属触媒として、前記チャンバのヒドラジン導入部から前記ノズルに向かうにつれて該一体物多孔金属触媒の空隙率が漸次増加するものとした
   ことを特徴とする一液スラスタ。

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