JP6159641B2

JP6159641B2 - 極低温推進薬貯蔵装置

Info

Publication number: JP6159641B2
Application number: JP2013214519A
Authority: JP
Inventors: 真一郎石崎
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: JP2015077825A

Description

本発明は、液体ロケットの推進系において、宇宙空間や軌道上で極低温推進薬（極低温燃料及び酸化剤ＬＯＸ）を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置に関するものである。

上記した液体ロケットの推進系には、常温推進薬及び極低温推進薬のいずれかが用いられ、いずれも、断熱材、例えば、発泡断熱材や多層インシュレータで覆うことによって外部からの熱の進入を遮断した金属製のタンクに貯蔵される（例えば、非特許文献１参照）。

宇宙空間や軌道上において、重量等の制約を受ける都合上完全に近い熱遮断を行うことは困難であり、極低温推進薬の貯蔵タンクの場合には、太陽光で熱されて蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することで、タンク内の圧力が必要以上に上昇するのを抑えるようにしている。

航空宇宙工学便覧第３版日本航空宇宙学会編第８８４頁

上記したように、従来の推進薬貯蔵タンクでは、極低温推進薬が蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出して、タンク内の圧力上昇を抑えるようにしているので、極低温推進薬が徐々に減ることとなり、したがって、採用し得るのは数時間、もしくは長くても数日間のミッションに限られてしまい、月単位や年単位のミッションには用いることができないという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系のみならず、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得る極低温推進薬貯蔵装置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、液体ロケットの推進系において極低温推進薬を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置であって、前記極低温推進薬を構成する極低温燃料を収容する燃料タンクと、前記極低温燃料とともに前記極低温推進薬を構成するＬＯＸを収容するＬＯＸタンクと、ガス化媒体が充填されたガス化媒体タンクと、前記極低温燃料及びＬＯＸよりも温度が低い液化媒体が充填された液化媒体タンクと、前記ガス化媒体タンクから前記液化媒体タンクに向けてガス化媒体が流れるガス配管と、前記液化媒体タンクから前記ガス化媒体タンクに向けて液化媒体が流れる液体配管を備え、前記ガス配管の途上には、前記ガス化媒体タンクからのガス化媒体により作動するタービンと、該ガス化媒体を液化して前記液化媒体タンクに送り込むＪＴ弁が配置され、前記液体配管の途上には、前記タービンの作動により該液体配管を流れる前記液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力を高めるポンプが配置され、前記ＬＯＸタンク及び前記燃料タンクの各々には、前記液体配管内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体との間で熱交換を行って、前記ＬＯＸタンク内で蒸発した酸素及び前記燃料タンク内で蒸発した極低温燃料をそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器がそれぞれ配置され、前記ガス化媒体タンクの近傍における前記ガス配管と前記液体配管との間には、該ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換を行って、前記液体配管を流れる液化媒体をガス化して前記ガス化媒体タンクに導入するガス化用熱交換器が配置されている構成としたことを特徴としており、この構成の極低温推進薬貯蔵装置を前述の従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係る極低温推進薬貯蔵装置において、前記ガス化媒体タンクと前記ＬＯＸタンクとの間、及び、前記ガス化媒体タンクと前記燃料タンクとの間には、ガス化媒体を前記ＬＯＸタンク及び前記燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する加圧ガス供給配管がそれぞれ配置されている構成としている。

本発明の請求項３に係る極低温推進薬貯蔵装置は、前記ガス化媒体を窒素ガスとし、前記液化媒体を液体窒素とした構成としている。

本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置において、極低温燃料としては、メタンを主成分とする液化天然ガス（ＬＮＧ）を主に用いることを想定しているが、液化媒体を変更することで液体水素（ＬＨ₂）を用いることも可能である。また、燃料タンク、ＬＯＸタンク、ガス化媒体タンク及び液化媒体タンクの各タンクには、アルミニウムやＳＵＳ等の金属を用いることができるが、いずれも特に限定しない。

本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置では、高圧のガス化媒体タンクからのガス化媒体によりガス配管の途上のタービンが作動し、このタービンを作動させたガス化媒体はガス配管の途上のＪＴ弁により液化されて内部圧力の低い液化媒体タンクに送り込まれる。

この際、ガス配管の途上のタービンの作動により、液体配管の途上のポンプが作動して液体配管を流れる液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力が上昇する。

このようにして温度が低く且つ圧力が高められた液体配管内を流れる液化媒体は、ＬＯＸタンク及び燃料タンクの各々に配置された再液化用熱交換器を通過するので、ＬＯＸタンク内で蒸発した酸素及び燃料タンク内で蒸発した極低温燃料は、いずれも温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体に熱を奪われてＬＯＸ及び極低温の液体燃料に戻ることとなる。

そして、ＬＯＸタンク及び燃料タンクの各再液化用熱交換器を通過して熱を得た液化媒体は、ガス化媒体タンクの近傍におけるガス配管と液体配管との間に位置するガス化用熱交換器を通過するので、ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換が行われ、この熱交換によりさらに熱を得た液化媒体は、ガス化してガス化媒体タンクに導入されることとなる。

上記したように、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置では、ガス化媒体及び液化媒体を循環させるだけで、極低温燃料が蒸発することでタンク内に生じるガスを再液化し得ることとなり、すなわち、極低温燃料が蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することなく、タンク内の圧力上昇を抑え得ることとなり、したがって、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系だけでなく、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得ることとなる。

また、ガス化媒体タンクとＬＯＸタンクとの間、及び、ガス化媒体タンクと燃料タンクとの間に、加圧ガス供給配管をそれぞれ配置して、ガス化媒体をＬＯＸタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給するようになせば、極低温燃料の使用時（ロケットエンジン燃焼時）のタンク内圧力の低下を迅速に補い得る加圧が可能となることとなり、コンパクトで効率的な推進薬供給システムの構築が実現することとなる。

さらに、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素とすることで、窒素と同様に冷媒として使用され得る極低温のヘリウムと比べて取扱い性に優れると共に、このヘリウムの枯渇問題にも対応し得ることとなり、加えて、上記のように、ガス化媒体をＬＯＸタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、大量に必要となるガス化媒体の窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得るので、収納性が大幅に向上することとなる。

本発明の請求項１に係る極低温推進薬貯蔵装置では、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系のみならず、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

また、本発明の請求項２に係る極低温推進薬貯蔵装置では、コンパクトで効率的な推進薬供給システムを実現することでき、本発明の請求項３に係る極低温推進薬貯蔵装置では、冷媒の取扱い性及び入手性が良く、加えて、窒素ガスをＬＯＸタンク及び燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得る分だけ収納性の向上をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例による極低温推進薬貯蔵装置の概略システム説明図である。

以下、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る極低温推進薬貯蔵装置の一実施例を示している。

図１に示すように、液体ロケットの推進系において極低温推進薬を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置１は、極低温推進薬を構成する極低温燃料である液化天然ガス（ＬＮＧ）を収容する推進薬タンク２と、液化天然ガスとともに極低温推進薬を構成する酸化剤としてのＬＯＸを収容するＬＯＸタンク３と、ガス化媒体としての窒素ガスが充填されたＧＮ₂タンク４と、液化天然ガス及びＬＯＸよりも温度が低い液化媒体としての液体窒素が充填されたＬＮ₂タンク５と、ＧＮ₂タンク４からＬＮ₂タンク５に向けて窒素ガスが流れるガス配管６と、ＬＮ₂タンク５からＧＮ₂タンク４に向けて液体窒素が流れる液体配管７を備えている。

この場合、ガス配管６の途上には、高圧のＧＮ₂タンク４からの窒素ガスにより作動するタービン８と、窒素ガスを液化して低圧のＬＮ₂タンク５に送り込むＪＴ弁（ジュールトムソン弁）１５が配置され、一方、液体配管７の途上には、タービン８の作動により液体配管７を流れる温度の低い液体窒素の圧力を高めるポンプ９が配置されている。

また、ＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の各々には、液体配管７内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液体窒素との間で熱交換を行って、ＬＯＸタンク３内で蒸発した酸素及び燃料タンク２内で蒸発した液化天然ガスをそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器１０，１１がそれぞれ配置されている。

さらに、ＧＮ₂タンク４の近傍におけるガス配管６と液体配管７との間には、このガス配管６から図示しない開閉弁を介して導出される窒素ガスとの間で熱交換を行って、液体配管７を流れる液体窒素をガス化してＧＮ₂タンク４に導入するガス化用熱交換器１２が配置されている。

さらにまた、ＧＮ₂タンク４とＬＯＸタンク３との間、及び、ＧＮ₂タンク４と燃料タンク２との間には、ＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の双方に対して窒素ガスをタンク加圧ガスとして供給してタンク内圧力を所定の圧力に維持する加圧ガス供給配管１３，１４がそれぞれ配置されており、この実施例において、燃料タンク２及びＬＯＸタンク３の各タンク内圧力は、いずれも推進薬保持に必要な一定の圧力に維持されている。

なお、図１における符号１６は流量調整弁、符号１７，１８は圧力調整弁、符号１９は液体窒素充填ラインであり、この極低温推進薬貯蔵装置１の各タンク及び各配管の適宜位置には図示しない圧力センサが配置されている。

この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置１では、高圧のＧＮ₂タンク４からの窒素ガスによりガス配管６の途上のタービン８が作動し、このタービン８を作動させた窒素ガスはガス配管６の途上のＪＴ弁１５により液化されて内部圧力の低いＬＮ₂タンク５に送り込まれる。

この際、ガス配管６の途上のタービン８の作動により、液体配管７の途上のポンプ９が作動して液体配管７を流れるＬＮ₂タンク５からの温度の低い液体窒素の圧力が上昇する。

このようにして温度が低く且つ圧力が高められた液体配管７内を流れる液体窒素は、ＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の各々に配置された再液化用熱交換器１０，１１を通過するので、ＬＯＸタンク３内で蒸発した酸素及び燃料タンク２内で蒸発した液化天然ガスは、いずれも温度が低く且つ圧力が高められた液体窒素に、白抜き矢印に示すように、熱を奪われてＬＯＸ及び液化天然ガスに戻ることとなる。

そして、ＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の各再液化用熱交換器１０，１１を通過して熱を得た液体窒素は、ＧＮ₂タンク４の近傍におけるガス配管６と液体配管７との間に位置するガス化用熱交換器１２を通過するので、白抜き矢印に示すように、ガス配管６から導出される窒素ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換によりさらに熱を得た液体窒素は、ガス化してＧＮ₂タンク４に導入されることとなる。

上記したように、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置１では、窒素ガス及び液体窒素を循環させるだけで、液化天然ガスが蒸発することで推進薬タンク２内に生じるガスを再液化し得ることとなり、すなわち、液化天然ガスが蒸発して生じるガスを定期的に宇宙空間に放出することなく、燃料タンク２内の圧力上昇を抑え得ることとなり、したがって、数時間のミッションを行う液体ロケットの推進系だけでなく、月単位や年単位のミッションを行う液体ロケットの推進系にも採用し得ることとなる。

また、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置１では、ＧＮ₂タンク４とＬＯＸタンク３との間、及び、ＧＮ₂タンク４と燃料タンク２との間に、加圧ガス供給配管１３，１４をそれぞれ配置して、窒素ガスをＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の双方に対してタンク加圧ガスとして供給するようにしているので、液化天然ガスの使用時（ロケットエンジン燃焼時）のタンク内圧力の低下を迅速に補い得ることとなり、コンパクトで効率的な推進薬供給システムの構築が実現することとなる。

さらに、この実施例に係る極低温推進薬貯蔵装置１では、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素としているので、窒素と同様に冷媒として使用される極低温のヘリウムと比べて取扱い性に優れていると共に、このヘリウムの枯渇問題にも対応し得ることとなるうえ、上記のように、窒素ガスをＬＯＸタンク３及び燃料タンク２の双方に対してタンク加圧ガスとして供給する場合には、大量に必要となる窒素ガスを液体窒素として液体ロケットに搭載し得る分だけ、収納性が大幅に向上することとなる。

上記した実施例の極低温推進薬貯蔵装置１では、ガス化媒体を窒素ガスとし、液化媒体を液体窒素としているが、これに限定されるものではなく、冷媒としてヘリウムを用いてもよく、この場合には、極低温推進薬として液体水素を用いることができる。

１極低温推進薬貯蔵装置
２燃料（液化天然ガス）タンク
３ＬＯＸタンク
４ＧＮ₂タンク（ガス化媒体タンク）
５ＬＮ₂タンク（液化媒体タンク）
６ガス配管
７液体配管
８タービン
９ポンプ
１０，１１再液化用熱交換器
１２ガス化用熱交換器
１５ＪＴ弁

Claims

液体ロケットの推進系において極低温推進薬を貯蔵するのに用いられる極低温推進薬貯蔵装置であって、
前記極低温推進薬を構成する極低温燃料を収容する燃料タンクと、
前記極低温燃料とともに極低温推進薬を構成するＬＯＸを収容するＬＯＸタンクと、
ガス化媒体が充填されたガス化媒体タンクと、
前記極低温燃料及びＬＯＸよりも温度が低い液化媒体が充填された液化媒体タンクと、
前記ガス化媒体タンクから前記液化媒体タンクに向けてガス化媒体が流れるガス配管と、
前記液化媒体タンクから前記ガス化媒体タンクに向けて液化媒体が流れる液体配管を備え、
前記ガス配管の途上には、前記ガス化媒体タンクからのガス化媒体により作動するタービンと、該ガス化媒体を液化して前記液化媒体タンクに送り込むＪＴ弁が配置され、
前記液体配管の途上には、前記タービンの作動により該液体配管を流れる前記液化媒体タンクからの温度の低い液化媒体の圧力を高めるポンプが配置され、
前記ＬＯＸタンク及び前記燃料タンクの各々には、前記液体配管内を流れる温度が低く且つ圧力が高められた液化媒体との間で熱交換を行って、前記ＬＯＸタンク内で蒸発した酸素及び前記燃料タンク内で蒸発した極低温燃料をそれぞれ液体に戻す再液化用熱交換器がそれぞれ配置され、
前記ガス化媒体タンクの近傍における前記ガス配管と前記液体配管との間には、該ガス配管から導出されるガス化媒体との間で熱交換を行って、前記液体配管を流れる液化媒体をガス化して前記ガス化媒体タンクに導入するガス化用熱交換器が配置されている
ことを特徴とする極低温推進薬貯蔵装置。
前記ガス化媒体タンクと前記ＬＯＸタンクとの間、及び、前記ガス化媒体タンクと前記燃料タンクとの間には、ガス化媒体を前記ＬＯＸタンク及び前記燃料タンクの双方に対してタンク加圧ガスとして供給する加圧ガス供給配管がそれぞれ配置されている請求項１に記載の極低温推進薬貯蔵装置。
前記ガス化媒体を窒素ガスとし、前記液化媒体を液体窒素とした請求項１又は２に記載の極低温推進薬貯蔵装置。