JP5410237B2

JP5410237B2 - ガス発生装置

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Publication number: JP5410237B2
Application number: JP2009243632A
Authority: JP
Inventors: 真二五十嵐; 亜宝郎福地
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP2011089475A

Description

本発明は、ロケット推進機関などに用いられるガス発生装置に関し、とくに、固体燃料と酸化剤を使用するハイブリッド式のガス発生装置に関するものである。

この種のガス発生装置には、代表的なものとしてロケットの点火装置がある。点火装置としては、非特許文献１に記載されているように、ケース内部に、主点火薬と、主点火薬に点火するための一次点火薬を装填したものがあった。主点火薬には、例えば内面燃焼型グレインやペレット状のものがある。このような点火装置は、固体ロケットモータに使用されている。

『増補版航空宇宙工学便覧』丸善株式会社、昭和５８年４月２５日、ｐ．６５０−６５１

しかしながら、上記したような従来の点火装置（ガス発生装置）にあっては、火薬を使用するので製造や取り扱いに多くの規制があると共に、１回しか使用することができないので、用途が限定されているという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、火薬を不要にし得ると共に、複数回の使用が可能であり、用途の拡大を図ることができるガス発生装置を提供することを目的としている。

本発明のガス発生装置は、固体燃料を通気可能な状態で装填したケースと、ケース内部に酸化剤を導入する酸化剤導入手段を備えている。そして、ケースが、酸化剤の導入部と、固体燃料と酸化剤を混合燃焼させるための発熱手段と、固体燃料と酸化剤の混合燃焼により発生した燃焼ガスの放出部を備え、前記ケースが、筒状を成しており、その一端に、酸化剤の導入部を備えると共に、他端に、発熱手段及び燃焼ガスの放出部を備えている構成としており、上記構成をもって課題を解決するための手段としている。

上記構成における固体燃料は、例えばペレット状を成すことで、互いの隙間により通気可能な状態で装填されるものと、多孔質部材や通気孔を有する部材とすることで、それ自体の通気性により通気可能な状態で装填されるものがある。

本発明のガス発生装置は、固体燃料と酸化剤を使用するので、火薬を不要にすることが可能であると共に、酸化剤導入手段や発熱手段を制御することで、複数回の使用が可能となり、これにより用途の拡大を図ることができる。当該ガス発生装置は、例えば、ロケットの点火装置やガス噴射式の推進装置などにも使用することができる。

本発明のガス発生装置の一実施形態を示す断面説明図である。図１に示すガス発生装置における発熱体及び燃料保持板に適用可能な部材を説明する各々正面図（Ａ）〜（Ｃ）である。本発明のガス発生装置の他の実施形態を示す断面説明図である。本発明のガス発生装置のさらに他の実施形態を示す断面説明図である。

以下、図面に基づいて、本発明のガス発生装置の実施形態を説明する。
図１に示すガス発生装置Ａ１は、固体燃料Ｆ１を通気可能な状態で装填したケースＣと、ケースＣの内部に酸化剤（酸化剤ガス）を導入する酸化剤導入手段１を備えている。また、ケースＣは、酸化剤の導入部２と、固体燃料Ｆ１と酸化剤を混合燃焼させるための発熱手段３と、固体燃料Ｆ１と酸化剤の混合燃焼により発生した燃焼ガスの放出部４を備えている。

図示の固体燃料Ｆ１は、ペレット状を成すもので、球形や扁平円柱形などのように、装填状態で互いに隙間を形成し得る粒形状を有している。つまり、この実施形態の固体燃料Ｆ１は、互いの隙間により通気可能な状態で装填されている。この固体燃料Ｆ１には、アクリル樹脂やポリブタジエンゴムなどの樹脂材料を用いることができ、とくに、ペレット状を成すものを用いることで、装填作業時の取り扱いが容易になる。

酸化剤導入手段１は、図示を省略したが、酸化剤のタンク、配管類やバルブ、及び制御器などを備え、ケースＣに対する酸化剤の導入及び停止や、導入量の制御などを行うことができる。酸化剤としては、液化酸素などを使用することができる。

ケースＣは、例えば断面円形の筒状を成しており、その一端（図中で左端）に、配管である酸化剤の導入部２を連続的に備えると共に、他端に、発熱手段３と、ケース開口部である燃焼ガスの放出部４を備えている。

発熱手段３は、ケースＣの他端（放出部４）に装着する発熱体３Ａと、電源３Ｂと、発熱体３Ａと電源３Ｂの間を開閉するスイッチ３Ｃを備えている。この実施形態の発熱体３Ａは、導電性と、通電や燃焼ガスの熱に対する充分な耐熱性と、燃料ガスの透過性を有する部材であって、先述の燃焼ガスの放出部４の一部を構成している。

上記の発熱体３Ａには、図２（Ａ）に示すように、リングＲの内側にメッシュＭを設けた部材Ｂ１、図２（Ｂ）に示すように、リングＲの内側に複数の孔Ｈを有する隔壁Ｖを設けた部材Ｂ２、及び図２（Ｃ）に示すように、リングＲの内側に複数のスリットＳを有する隔壁Ｖを設けた部材Ｂ３などを用いることができる。この実施形態では、これらの部材Ｂ１〜Ｂ３を導電性及び耐熱性を有する材料で形成して発熱体３Ａとする。また、ケースＣと発熱体３Ａとの間には、電気絶縁材を介装するのが望ましい。

さらに、ガス発生装置Ａ１は、ケースＣの内部に、通気性を有し且つケースＣの一端から他端に向けて移動可能な燃料保持板５を備えている。この燃料保持板５は、固体燃料Ｆ１の酸化剤導入側を保持しており、この実施形態では、ペレット状の固体燃料Ｆ１が崩れるのを防止している。

上記の燃料保持板５には、発熱体３Ａと同様に、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示す各部材Ｂ１〜Ｂ３を使用することができるが、発熱体３Ａと同等の導電性や耐熱性を有していなくても良く、少なくとも酸化剤の透過性があれば良い。

また、燃料保持板５は、例えば、ケースＣの内周面との間に互いに係合する溝と突条を相対的に設けて、ケース軸線方向に案内される構成にしても良いし、ばね等を含む機械的な手段によって固体燃料Ｆ１側へ押圧する構成にしても良い。さらに、燃料保持板５は、加熱手段を備えた構成にし、これにより通過する酸化剤を予熱してその気化を促進するようにしても良い。

上記の構成を備えたガス発生装置Ａ１は、発熱手段３のスイッチ３Ｃをオンにして発熱体３Ａに通電することで、同発熱体３Ａを発熱させ、さらに、酸化剤導入手段１によりケースＣ内部に酸化剤を導入する。酸化剤は、図１中の矢印で示すように、燃料保持板５を通過し、さらにペレット状の固体燃料Ｆ１の隙間を通過して発熱体３Ａに至る。すると、発熱体３Ａの近傍では、その熱により固体燃料Ｆ１が溶融してガス化され、ここに酸化剤が到達して混合燃焼が行われる。これにより、ガス発生装置Ａ１は、図１中の太い矢印で示すように、高温の燃焼ガスを放出することとなる。

また、上記の燃焼時において、燃料保持板５は、酸化剤の圧力により押圧され、固体燃料Ｆ１の消費に伴って移動することで、固体燃料Ｆ１の装填状態を維持しつつ同固体燃料Ｆ１を発熱体３Ａ側へ供給し続ける。

さらに、ガス発生装置Ａ１は、酸化剤導入手段１による酸化剤の導入及び発熱手段３による発熱体３Ａの加熱を停止すれば、消火することができ、また、酸化剤導入手段１及び発熱手段３を作動させれば再点火を行うことができる。

このように、ガス発生装置Ａ１は、樹脂製の固体燃料Ｆ１と酸化剤を使用するので、火薬を不要にすることが可能である。また、酸化剤導入手段１や発熱手段３の制御により複数回使用することができるので、用途の拡大を図ることができ、例えば、固体燃料と酸化剤の使用により推力制御が可能なハイブリッドロケットにおいて、その点火装置としても非常に有用なものとなる。

さらに、ガス発生装置Ａ１は、固体又は液体のロケット推進機関の点火装置や、それ以外の機器類のガス供給源に適用が可能であるほか、燃焼ガスの噴射により推進力を得るガス噴射式の推進装置に適用することもできる。なお、推進装置として使用する場合には、燃焼ガスの放出部４に噴射ノズルを連結する構成にしても良い。

図３は、本発明のガス発生装置の他の実施形態を示す図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示のガス発生装置Ａ２は、樹脂製の多孔質部材から成る固体燃料Ｆ２を備えると共に、発熱手段１３が、セラミックスヒータである発熱体１３Ａとその制御器１３Ｂを備えたものとなっている。この場合、発熱体１３Ａには、図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すような隔壁Ｖを有する部材Ｂ２，Ｂ３を使用することができる。

上記のガス発生装置Ａ２にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ、とくに、多孔質部材から成る固体燃料Ｆ２を使用したので、発熱体１３Ａ近傍対する酸化剤及び固体燃料Ｆ２の供給がより均等になる。また、セラミックスヒータ（発熱体１３Ａ）を含む発熱手段１３を使用したので、耐熱性がさらに向上し、繰り返しの使用により一層適したものとなる。

図４は、本発明のガス発生装置の他の実施形態を示す図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示のガス発生装置Ａ３は、通気孔１０を有する樹脂製の固体燃料Ｆ３を備えている。図示の固体燃料Ｆ３は、ケースＣの軸線方向にわたって連続する複数の通気孔１０を有している。このガス発生装置Ａ３にあっても、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ、とくに、通気孔１０を有する部材から成る固体燃料Ｆ３を使用したので、通気孔１０の数、大きさ及び配置等を選択することで、酸化剤の透過量を自在に設定することができ、装置設計の自由度をより高めることができる。

なお、本発明のガス発生装置は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、例えばロケットに搭載する場合には、そのロケットに搭載する酸化剤を酸化剤導入手段で使用することも可能であり、また、用途に応じて固体燃料の材料や形態を適宜組み合わせたり発熱手段の構成を変更したりすることが可能である。

Ａ１Ａ２Ａ３ガス発生装置。
Ｃケース
Ｆ１Ｆ２Ｆ３固体燃料
１酸化剤導入手段
２導入部
３１３発熱手段
３Ａ１３Ａ発熱体
４放出部
５燃料保持板

Claims

固体燃料を通気可能な状態で装填したケースと、ケース内部に酸化剤を導入する酸化剤導入手段を備え、
ケースが、酸化剤の導入部と、固体燃料と酸化剤を混合燃焼させるための発熱手段と、固体燃料と酸化剤の混合燃焼により発生した燃焼ガスの放出部を備え、
前記ケースが、筒状を成しており、その一端に、酸化剤の導入部を備えると共に、他端に、発熱手段及び燃焼ガスの放出部を備えていることを特徴とするガス発生装置。
ケース内部に、通気性を有し且つケースの一端から他端に向けて移動可能な燃料保持板を備え、この燃料保持板で固体燃料の酸化剤導入側を保持していることを特徴とする請求項１に記載のガス発生装置。
固体燃料が、ペレット状、多孔質部材、及び通気孔を有する部材のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス発生装置。
固体燃料が、樹脂製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス発生装置。
発熱手段が、燃焼ガスを透過させる発熱体を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス発生装置。