JP5376132B2 - 宇宙飛翔体用触媒分解式スラスタ - Google Patents

Description

本発明は、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタに関する。特に、本発明は、宇宙飛翔体に用いられる一液推進系に好適に使用し得る、触媒分解式スラスタに関する。

宇宙空間において、宇宙機等の宇宙飛翔体の姿勢・軌道を制御する際に用いられる推進系として、従来、液体推進薬を触媒で分解させ、得られた反応ガスを噴射することにより推進力を得る、所謂一液推進系である触媒分解式スラスタが使用されてきた。
宇宙飛翔体用の一液推進系に使用する燃料としては、ヒドラジンを使用することが多い。ヒドラジンは、反応性が高い点で優れた燃料であるといえるが、取り扱いに危険を伴う。このため、近年、ヒドラジンに代わる低毒性の液体推進薬として、硝酸ヒドロキシルアンモニウム（「ＨＡＮ」）系の液体推進薬が注目されている。
例えば、特開２００７−０２３１３５号公報には、一液のみで機能を果たす推進剤であるモノプロペラント（一液推進薬）等に用いられる安全性の高い液体酸化剤として、ヒドロキシルアンモニウムナイトレート（ＨＡＮ）及びヒドラジニウムナイトレート（ＨＮ）を水（Ｈ₂Ｏ）に溶解し、さらに１０重量％以下の燃料成分を含む液体酸化剤が開示されており、この液体酸化剤と、固体燃料又は液体燃料を別々に保管し、使用直前に混合又は接触させて着火し高温ガスを発生させる高温ガス発生方法が開示されている。
また、特開２００４−３４０１４８号公報には、ＨＡＮ基推進薬を反応器に導入し、推進薬内のＨＡＮの少なくとも大部分を解離させるように推進薬を分解し、反応器の出力物を燃焼器に導き、解離ＨＡＮの解離生成物を推進薬内の未反応燃料と燃焼させるように、反応器の出力物を燃焼器内で燃焼させる方法が開示されている。

燃料としてヒドラジンを使用する場合の触媒分解式スラスタとしては、例えば、図１に示すようなものが考えられる。この触媒分解式スラスタ１０では、ヒドラジン等の液体推進薬を推進薬タンク（図示せず）に貯蔵しておき、これを推薬弁１１の開閉を制御することにより、径の小さい金属製のキャピラリ管１２を通して燃焼器１３へ送る。燃焼器１３は、ヒドラジン等の液体推進薬を触媒分解させる触媒層１４を備えている。キャピラリ管１２を通って燃焼器１３のインジェクタ１５へ搬送されてきたヒドラジン等の液体推進薬は、インジェクタ１５により、触媒層１４に向かって噴出される。
図１に示されている触媒分解式スラスタにおいて、推薬弁１１と燃焼器１３とを径の小さいキャピラリ管１２で接続しているのは、次のような理由による。すなわち、燃焼器１３中で液体推進薬を触媒分解させると高温の燃焼ガスを発生するため、燃焼器１３の温度が上昇する。この熱が、燃焼器１３から推薬弁１１まで、液体推進薬供給のための配管を通して伝導すると、高温箇所で液体推進薬の自己分解が起こって爆発する危険性がある。このため、触媒分解式スラスタでは、推薬弁１１と燃焼器１３との間を熱容量の小さい小径の金属キャピラリ管１２を用いて接続して、推薬弁１１へ熱が伝わりにくい構造としていたのである。

特開２００７−０２３１３５号公報 特開２００４−３４０１４８号公報

図１に示すような従来の触媒分解式スラスタ１０は、上述のような理由から径の小さい金属キャピラリ管１２を採用していたため、様々な問題を有していた。
すなわち、まず、小径（外径が２ｍｍ以下）の金属キャピラリ管の両端を、管がつぶれてしまわないようにしながら金属プレートに溶接し、その上で金属プレートを推薬弁と燃焼器１３とにそれぞれ接続するのは、極めて煩雑な組立て工程を要するものである。また、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止するために、金属キャピラリ管をらせん状に加工する場合には、らせん状の金属キャピラリ管を保持しておくためのアダプタが必要となり、部品点数が増加することになる。
また、液体推進薬中には、不純物が存在する場合がある。また、推薬弁１１が電磁弁である場合に、電磁弁を構成する金属部品同士の摩擦で発生するバリなどの異物が、液体推進薬が推薬弁１１を通過する際に混入することがある。これらの不純物や異物は、液体推進薬が小径の金属キャピラリ管１２を通過する際に、流路を閉塞する原因となりうる。さらに、触媒分解式スラスタ１０が宇宙環境のような無重力状態にある場合、あるいは地上での組立て工程にあるような場合には、触媒層１４から脱離した粒径の小さい触媒が逆流して、小径の金属キャピラリ管１２を閉塞する可能性がある。
さらに、図１に示すような触媒分解式スラスタにおいて、ヒドラジンに代えてＨＡＮ系の液体推進薬を使用する場合には、新たな問題を生ずる。すなわち、ＨＡＮ系の液体推進薬は、ヒドラジンに比べて、毒性が低い点で優れているものの、反応性は低い。このため、ＨＡＮ系の液体推進薬を触媒分解させるためには、触媒層１４中の触媒を予め加熱しておくことにより、触媒を高温にして活性を高めておく必要がある。このような場合に、触媒層１４を予熱するためのヒータを設けると、このヒータからの熱が、燃焼器１３から金属キャピラリ管１２へ伝導することになる。また、ＨＡＮ系の液体推進薬は高性能であるため、燃焼ガス発生に伴う燃焼器１３の温度上昇が激しく、燃焼器１３から金属キャピラリ管１２へ流れ込む熱量も、従来に比べて非常に大きなものとなる。その結果、従来の金属キャピラリ管１２を使用したシステムでは、推薬弁１１がコンポーネントとしての温度限界を逸脱するような高温まで加熱されてしまうおそれがある。一方、金属キャピラリ管１２の径をさらに小さくしてこの問題を解決するには限界があり、また燃焼器１３へ十分な液体推進薬を供給することも困難になる。さらに、上記のようなキャピラリ管１２の閉塞の問題は、径を小さくすれば悪化することは明らかである。

したがって、本発明は、一液推進系においてＨＡＮ系の液体推進薬を使用する場合であっても高い安全性と組立て容易性を得ることのできる、触媒分解式スラスタを提供することを目的とするものである。

本発明者らは、従来の金属キャピラリ管に代えて、インジェクタと推薬弁とを熱絶縁性の部材で接続し、この熱絶縁性の部材中に液体推進薬の流路を設けることにより、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止するとともに、閉塞しにくい大きさの液体推進薬の流路を設けることが可能となり、上記課題を解決し得るとの知見に基づき、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明は、液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタであって、液体推進薬を収容するための中空のタンクと、液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器と、タンクから燃焼器への液体推進薬の供給を制御する推薬弁とを備え、燃焼器はさらに、液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層と、触媒層を加熱するための加熱装置と、触媒層に対して液体推進薬を供給するインジェクタとを備え、インジェクタと推薬弁との間に、推薬弁から燃焼器への液体推進薬の流路を有する熱絶縁性の部材を設けたことを特徴とする、触媒分解式スラスタを提供する。

本発明によれば、インジェクタと推薬弁とが熱絶縁性の部材で接続されているため、燃焼器から推薬弁への熱伝導を防止することができ、液体推進薬の自己分解による爆発の危険性や、推薬弁の温度限界を逸脱することによる故障の可能性を有効に回避することができる。また、熱絶縁性の部材を加工して液体推進薬の流路を設ける際に、液体推進薬中の不純物や混入異物等により閉塞されにくい大きさの流路とすることができる。さらに、熱絶縁性の部材は大きさ、材質ともに取扱いや加工が容易であるため、触媒分解式スラスタの組立ても容易になる。

従来の触媒分解式スラスタの断面模式図である。 本発明による触媒分解式スラスタの断面模式図である。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
図２に、本発明による触媒分解式スラスタの断面模式図を示す。触媒分解式スラスタ１は、液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、触媒分解式スラスタである。この触媒分解式スラスタ１は、液体推進薬を収容するための中空のタンク（図示せず）と、液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器２と、タンクから燃焼器への液体推進薬の供給を制御する推薬弁３とを備えている。

ａ．タンク
本発明で使用するタンクとしては、特に制限はないが、例えば内径５０ｍｍの円筒形状のタンクを使用することができる。ＨＡＮ系液体推進薬が強酸性であることに鑑みて、タンクの材質は、材料適合性試験により適合性が確認されているステンレスやチタン系の材料とするのが望ましい。
タンクは気液分離機構の一例としてピストンを備えており、ピストンがタンクの内部に液体推進薬が充填された区画を形成し、ピストンが作動することにより、液体推進薬が推薬弁３の開閉に従って燃焼器２へ送出されるようにすることができる。タンクがこのような気液分離機構を備えていることは、本発明の触媒分解式スラスタが宇宙飛翔体に用いられる際に重要となる。すなわち、タンクの内部に気液分離機構設けて液体推進薬が充填された区画を形成しておけば、タンクを宇宙環境で使用する場合に、無重力下で液体推進薬がタンクの内壁付近に偏在してしまい、液体推進薬をタンクから排出する際にガスが排出されてしまうのを防ぐことができる。ＨＡＮ系液体推進薬に対する耐性の観点から、ピストン等の気液分離機構もステンレスや高分子材料製とするのが望ましい。
タンクの内面は、鏡面仕上げとなっている。また、タンクは、安全率を２倍以上（地上試験においては安全率を４倍以上）として、内圧３ＭＰａ程度の、宇宙飛翔体の軌道上で想定される圧力にも十分に耐えられるような、耐圧構造としておくのが望ましい。タンクへ液体推進薬を充填する場合には、次のように、宇宙飛翔体における液体推進薬の充填方法として一般的に用いられる所謂真空充填方式を採用することができる。なお、ＨＡＮ系推進薬は長期保管が可能なので、タンクに充填した状態で液体推進薬を保存することも可能である。

ｂ．燃焼器
燃焼器２はステンレス合金系であるのが望ましい。燃焼器２の材質は、高温（１０００℃以上）の反応ガスおよび強酸性である未反応の液体推進薬に触れても材料適合性があるものを選定すればよい。燃焼器２の形状は、宇宙飛翔体で使用されている一般的な耐圧形状であればよく、例えば円筒形状とすることができる。燃焼器２の構造としては、反応ガスの圧力が１ＭＰａ弱の圧力を有することから、これに十分耐えられるような構造とし、さらに安全率２倍以上（地上試験においては安全率４倍以上）を確保するのが望ましい。
燃焼器２により得られるスラスト力としては、１５Ｎ程度が得られるのが望ましい。得られるスラスト力の大きさは、スラスタ形状を調整することなどにより変更することが可能である。
燃焼器２のノズル４としては、宇宙飛翔体において通常使用されている種類のものを採用することができる。ノズル４については、ノズル４のスロートで反応ガスがチョークすることで、反応ガスの圧力が計測でき、計測結果からスラスタ性能を評価することができる。そして、評価されたスラスタ性能に基づいて、チョークできるノズル系を選定することが可能である。
ノズル４から反応ガスを排出して推進力を得るプロセスは、反応ガスがノズル４のスロートでチョークされ、音速となってスロートを通過し、その後適正に膨張することで推進力が得られる、というものである。

ｃ．推薬弁
本発明で使用する推薬弁３としては、宇宙飛翔体に使用するものとして十分に実績のあるものを選定するのが望ましい。例えば、ステンレス系の合金構造であり、ソレノイドにより弁体を駆動してシールするスライディングフィット式もしくはサスペンデッドアーマチャ式のソレノイドバルブを好適に使用することができる。この推薬弁３は、宇宙用飛翔体において、燃焼器２へ液体推進薬を供給する役割を持ち、液体推進薬の供給を制御することで燃焼を制御するものである。
推薬弁３は、具体的には次のように機能する。すなわち、上流にあるタンクから加圧、圧送された液体推進薬は、推薬弁３が閉じていることにより、触媒層５を備える燃焼器２への供給が停止されている。そして、触媒分解式スラスタ１による推力の発生が求められるときにのみ、推薬弁３が開けられ、触媒層５に液体推進薬が供給されて、触媒分解により推力が発生する。このように、推薬弁３は、燃焼を制御する機能を持つ要素である。
本発明で使用する燃焼器２はさらに、液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層５と、触媒層５を加熱するための加熱装置６と、触媒層５に対して液体推進薬を供給するインジェクタ７とを備えている。

ｄ．触媒層
触媒層５は、燃焼器２の内部において、インジェクタ７から噴出された液体推進薬が触媒層５全体に過不足なく適用されるようにするのが望ましく、インジェクタ７の先端から触媒層５までの距離を最適化して配置することが重要である。例えば、インジェクタ７の先端から約５０ｍｍの位置に触媒層５を配置することができる。
触媒層５で分解された液体推進薬の反応ガスは、燃焼室中の触媒層５の下流の領域で完全に分解し、それがノズル４から排出される。燃焼器２中このプロセスに関与する部分の内面には、耐熱材料としてグラファイトを使用する。
触媒層５に使用する触媒としては、例えばＳ４０５というイリジウムを担持させたアルミナ担体の触媒を使用することができる。触媒の種類は、宇宙飛翔体の一液推進系に通常使用される触媒であれば、特に制限はない。触媒の寸法及び形状としては、粒径が０．５ｍｍ以下程度の粒状のものを使用するのが好適である。触媒層５は、このような触媒がこぼれない程度に細かいメッシュのステンレス系の金網で触媒を挟み込むことにより構成することができる。さらに、触媒層５の保持には、耐熱および耐圧材料としてステンレス合金系の金網を使用するとともに、補強材として炭素繊維およびセラミック材料を使用するのが望ましい。
触媒層５の触媒で分解される液体推進薬としては、例えば、硝酸ヒドロキシアンモニウムに、硝酸アンモニウム、水、メタノールを、質量比９５：５：８：２１で混合したものを使用することができる。このような組成を有する液体推進薬の比重は１．４であり、凝固点は−６８℃である。
触媒層５の触媒でこのようなＨＡＮ系の液体推進薬を分解することにより推進力を得るメカニズムは、ＨＡＮ系液体推進薬が触媒によって分解され、チッ素、水素等に分解され、その際に高温となり、さらにその反応過程において、燃料成分のメタノールが燃焼器２内で燃焼して、ノズルから排出される、とういうものとして説明される。

ｅ．加熱装置
加熱装置６としては、特に制限はなく、例えば電熱線をテープ状に加工したテープヒータを使用することができる。このようなヒータは、例えば１０Ωの電熱線に２４Ｖの電圧をかけて発熱させるものである。加熱装置６の施工は、テープヒータを使用する場合には、触媒層５付近の燃焼器２の外側に、テープヒータを巻きつけることにより行うことができる。そして、ステンレス製の燃焼器２の熱伝達を利用して、触媒層５を加熱する。

ｆ．インジェクタ
インジェクタ７も、他の要素と同様の理由から、ステンレスなどの材料適合性、高温耐性のある材料で構成するのが望ましい。このインジェクタ７は、触媒層５に対して液体推進薬を供給可能なものであれば、特に制限はないが、好ましくは燃焼器２内で触媒層５の上流に配置される噴霧器である。インジェクタ７から噴霧された液体推進薬が、触媒層５の触媒に均一に噴霧されるようにするためには、スプレーの拡散角度を計測から５０°とするのが好適であると考えられる。
インジェクタにより噴霧された液体推進薬の液滴の粒径は、０．１ｍｍ〜０．７ｍｍ程度であるのが望ましく、さらに望ましくは０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。触媒層５において粉末状の触媒を保持するために、通常は金属製の網を用いて触媒を両側から挟み込む。このような構造の触媒層５の触媒に対して、液体推進薬を直接噴霧するのは、極めて困難である。一方、上記のような粒径が０．５ｍｍ以下程度の粒状の触媒を固定するのに使用する触媒保持用の金網は、通常線径０．２ｍｍ程度で４０メッシュ程度のものである。したがって、このサイズよりも液滴が大きすぎると、金網を構成する金属線に衝突し、液滴が触媒に到達しにくくなる。反対に、小さ過ぎる液滴は、慣性力が小さく、移動速度が低下するため、液体推進薬が効率良く触媒層５に到達するのが困難になるとともに、表面張力が非常に大きくなるため、金網にはじかれて通過する事が難しくなり、未反応の液体推進薬が大量に形成される原因となる。未反応の液体推進薬の大量の液滴は、大きな塊となり、触媒温度の低下をもたらす一方、突然反応することにより爆発を起こす危険も有する。さらに、微細すぎる液滴は、過敏な反応を示し、触媒を熱する際に同時に温められる触媒保持用の金網にこれが触れた際にも反応を起こし、保持金網を融解させてしまうことにもなる。したがって、触媒保持用の金網を使用するタイプの触媒層５を採用する場合には、噴霧された液体推進薬の液滴の粒径が、金網のメッシュ間隔の７０〜１２０％の大きさとなるようにするのが望ましい。
本発明による触媒分解式スラスタは、上記ピストンに所定の圧力を印加することにより、インジェクタ７が触媒層５に対して液体推進薬を噴霧するものとすることができる。その際、ピストンに印加する圧力は、液体推進薬の粘度等を考慮して、押し圧を０．７５ＭＰａ以上とするのが望ましい。押し圧が低すぎると液体推進薬は噴霧されずに水流となってしまう。また、押し圧の上限は、宇宙環境での使用の観点から、４ＭＰａ程度であるものと考えられる。
さらに、本発明の触媒分解式スラスタは、インジェクタ７と推薬弁３との間に、推薬弁３から燃焼器２への液体推進薬の流路を有する熱絶縁性の部材８を設けたことを特徴とするものである。

ｇ．熱絶縁性部材
本発明で使用する熱絶縁性部材８に使用する材料としては、熱絶縁性に優れ耐熱性の高いポリマーを使用するのが好適である。このような樹脂としては、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレートなどが挙げられる。これらのうち、加工性等の観点から、テフロン（登録商標）等のフッ素樹脂、ユーピレックス（登録商標）等のポリイミド樹脂を使用するのが特に好ましい。
熱絶縁性部材８の形状は、円筒形状とすることができ、その外径は、熱絶縁性部材８が接続するインジェクタ７及び推薬弁３の外径、あるいはこれらがフランジを有するときはフランジの外径と、同程度のものとすればよい。熱絶縁性部材８の厚さは、熱絶縁の観点からは厚いほど良いが、厚すぎると熱絶縁性部材８の内部に設ける液体推進薬の流路が長くなってしまうこと、熱絶縁性部材８の重量が増してしまうことに留意すべきである。例えば、外径が４５ｍｍ程度の燃焼器２に使用する熱絶縁性部材８としては、外径が４０ｍｍ程度、厚さが５ｍｍ程度のものを好適に使用できる。
熱絶縁性部材８の内部に設ける液体推進薬の流路の径は、特に制限はないが、１ｍｍ程度とするのが好適である。流路径が大きいほど流路の閉塞の問題は起きにくくなるが、流路径が大き過ぎると流路の途中で液体推進薬の乾燥が発生するおそれがあることに留意すべきである。
熱絶縁性部材８を設置する場合には、例えば、インジェクタ７側にねじ孔を切っておき、熱絶縁性部材８にねじが通る孔を設けておき、推薬弁３のフランジ側からねじ止めをする方法が考えられる。

図２に示されているような構造を有する本発明による触媒分解式スラスタを作製し、熱絶縁性部材８による熱絶縁の効果を確認するための実験を行った。熱絶縁性部材８としては、外径４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの、テフロン（登録商標）製のものを使用した。この熱絶縁性部材８の中心部分に、直径１ｍｍの液体推進薬の流路を設け、さらに外周付近の３箇所にねじ止め用の孔を開けておいた。ステンレス製のインジェクタ７側にねじ孔を切っておき、同じくステンレス製の推薬弁３のフランジ側から熱絶縁性部材８を通してねじ止めをした。
熱絶縁性部材８の性能は、加熱装置６で触媒層５を２５０℃になるまで加熱し、その温度を維持している間、推薬弁３のフランジの温度の経時変化をモニターすることにより評価した。比較のため、熱絶縁性部材８を介さずにインジェクタ７と推薬弁３とを接続した触媒分解式スラスタを作製し、同様の実験を行った。結果を表１に示す。

表１から、熱絶縁性部材を採用する本発明の触媒分解式スラスタの場合、長時間経過しても推薬弁の温度は５０℃程度であるのに対し、熱絶縁性部材を使用しない場合には、短時間で推薬弁の温度は８０℃をはるかに超えてしまうことがわかる。推薬弁の内部構造の耐熱性は７０℃程度で設計されるのが通常であり、本発明の有効性が確認された。

１ スラスタ
２ 燃焼器
３ 推薬弁
４ ノズル
５ 触媒層
６ 加熱装置
７ インジェクタ
８ 熱絶縁性部材

Claims (2)

1. 液体推進薬を触媒で分解させて得られる反応ガスを噴射して推進力を得る、宇宙飛翔体用の触媒分解式スラスタであって、当該触媒分解式スラスタは、
   前記液体推進薬を収容するための中空のタンクと、
   前記液体推進薬を分解させ、反応ガスを噴射する燃焼器と、
   前記タンクから前記燃焼器への前記液体推進薬の供給を制御する推薬弁と、
   を備え、
   前記燃焼器はさらに、
   前記液体推進薬を触媒分解させるための触媒を有する触媒層と、
   前記触媒層を加熱するための加熱装置と、
   前記触媒層に対して前記液体推進薬を供給するインジェクタと、
   を備え、前記インジェクタと前記推薬弁との間に、前記推薬弁から前記燃焼器への前記液体推進薬の流路であって熱絶縁性の部材からなるものを設けたことを特徴とする、前記触媒分解式スラスタ。
2. 前記熱絶縁性の部材がフッ素樹脂を含むものであることを特徴とする、請求項１に記載の触媒分解式スラスタ。

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