JP6586657B2 - 蒸気噴射システム - Google Patents

Description

この発明は、蒸気噴射システムに関するものであり、より詳細には昇華性固体の昇華により生じる蒸気を噴射する蒸気噴射システムに関する。

従来の衛星等の宇宙機のための推進システムの代表的なものとして、コールドガススラスタ、ホットガススラスタ、及びイオンエンジンがある。
コールドガススラスタとしては、例えば、下記非特許文献１の表１７−４、１７−５に記載されているようなものがある。この推進システムは、高圧の窒素ガスを利用するものであるため、耐圧性能の高いタンクや配管、圧力調整器などが必要となる。したがって、この推進システムを宇宙機に搭載することは、宇宙機の重量増加につながる。また、このシステムは、気体状態で燃料を搭載するものであるため、エネルギー密度が低く、噴射を継続するにつれてシステム内での圧力降下が発生し、このため推進システムによって得られる推力も徐々に減少していく。
ホットガススラスタとしては、例えば、下記非特許文献２に記載されているようなものがある。この推進システムは、燃焼器を必要とするものであるため、システム構成が複雑となり、重量も大きくなってしまう。また、このシステムは、燃料として主に有毒なヒドラジンを使用するものであるため、小型衛星のハンドリングの良さに適さない。
イオンエンジンとしては、例えば、下記非特許文献３に記載されているようなものがある。この推進システムでは、キセノンなどの希ガスをイオン化する必要があるため、電力消費量が非常に大きい。また、比推力は高いものの、ごく軽量の電荷を帯びた原子を超高速で噴射するシステムであるため、得られる推力は小さい。さらに、このような噴射システムを構成するには、複雑で重い機構が必要となる。
したがって、これら従来の宇宙機用推進システムを小型衛星の姿勢制御や軌道マヌーバに適用する場合には、搭載スペースや重量、システムの複雑さなどの問題点がある。

以上のような問題点が存在する推進システムと対比すると、小型衛星用の推進システムとしては、気液平衡スラスタが有望である。気液平衡スラスタは、燃料として用いる液体の蒸気圧を利用して蒸気部分のみを噴射することで推力を得るものである。このため、気畜器や燃焼器などが不要となり、システムの軽量化、簡素化を実現することができる等の利点がある。気液平衡の原理を利用する推進システムとして、例えば、下記特許文献１〜３に記載されているような、多孔質金属、フィルタ、ベーンを用いた気液平衡スラスタがある。

特開２００９−２１４６９５号公報 特開２０１１−１８３８４１号公報 特開２０１１−１８３８４０号公報

Space Mission Analysis and Design, Space Technology Library, 1999年, pp692-693 Advanced Space Propulsion Systems, Springer, 2003年, Liquid Propulsion Systems, pp24-26 Advanced Space Propulsion Systems, Springer, 2003年，Ion Thruster, pp80-84

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載されている推進システムにおいては、微小重力下でガス状態の燃料だけを燃料タンクから抽出するために、多孔質金属、フィルタ、ベーンなどの、液体燃料を保持し、気液界面を制御するデバイスによって気液分離を行わなければならず、システムが複雑となり、重量も大きい。また、これらのデバイスを搭載しても、デバイスの制御能力を超えて長秒時に渡るガス噴射を行うと、気化していない液体燃料が噴出し、燃料効率の低下と衛星姿勢の不安定化をもたらすといった問題がある。

そこで、本発明は、小型・軽量で構造が簡単な蒸気噴射システムを提供することを目的の１つとする。
また、本発明は、蒸気となっていない燃料の噴出を防止し、連続噴射性能及び燃料効率の向上や衛星姿勢の安定化をもたらす蒸気噴射システムを提供することを目的の１つとする。

本発明の態様は、蒸気噴射システムであって、昇華性固体を収容し、前記昇華性固体の昇華により生じる蒸気を排出する蒸気排出口を備える容器と、前記蒸気を前記蒸気噴射システムの外部に噴射する開口を備える部材と、前記蒸気排出口と前記開口との間の蒸気流路と、前記蒸気流路に設けられ、前記昇華性固体の通過を阻止し、前記蒸気を通過させるためのフィルタと、を含む蒸気噴射システムを提供するものである。
ここで、「昇華性固体の通過を阻止する」とは、「昇華性固体の通過を完全に阻止する」ことのみを意味するものではなく、「昇華性固体の通過を少なくとも一定程度阻止する」ことを意味する。

前記蒸気流路の少なくとも一部は、第１の管状部材により構成することができる。

前記蒸気噴射システムは、前記容器内部を加熱するための第１のヒータを更に含むことができる。

前記蒸気噴射システムは、前記容器内部の圧力を測定する圧力センサ及び前記容器内部の温度を測定する第１の温度センサの少なくとも一方を更に含み、前記圧力センサ及び前記第１の温度センサの少なくとも一方からのデータに基づいて前記容器内部の圧力を制御可能とすることができる。

前記容器は、第２の管状部材から構成することができる。

前記部材は、ノズルとすることができる。

前記部材は、前記第１の管状部材とすることができる。

前記容器は第２の管状部材から構成され、前記第１の管状部材及び前記第２の管状部材は一体的に構成されているものとすることができる。

前記蒸気噴射システムは、前記蒸気流路の少なくとも一部を加熱するための第２のヒータを更に含むことができる。

前記蒸気噴射システムは、前記蒸気流路の温度を測定する第２の温度センサを更に含み、前記圧力センサ及び前記第１の温度センサの少なくとも一方、並びに前記第２の温度センサからのデータに基づいて、前記第２のヒータを加熱し、前記蒸気流路の温度を前記容器内部の温度以上とするように制御可能とすることができる。

前記第１のヒータ及び前記第２のヒータは、１つのヒータのそれぞれ一部として構成されているものとすることができる。

前記蒸気噴射システムは、前記第１のヒータのオン／オフ制御により、実質的に前記開口から前記蒸気を噴射させるか否かを制御可能とすることができる。

前記蒸気噴射システムは、前記蒸気流路に設けられたバルブを更に含むことができる。

上記構成を有する本発明によれば、小型・軽量で構造が簡単な蒸気噴射システムが提供される。
また、上記構成を有する本発明によれば、蒸気となっていない燃料の噴出を防止し、連続噴射性能及び燃料効率の向上や衛星姿勢の安定化をもたらす蒸気噴射システムが提供される。
また、上記構成を有する本発明によれば、液体に比べて密度の大きい固体を蒸気の発生源として用いることで、収容容器に高密度に充填可能な蒸気噴射システムが提供される。

本発明の第１の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。この図１を参照して、本発明の第１の実施形態の構成及び動作原理を説明する。

図１に示されるように本実施形態に係る蒸気噴射システム１は、固体貯蔵タンク１０、第１のヒータ１２、圧力センサ１４、第１の温度センサ１５、フィルタ１６、パイプ１８、電磁式バルブ２０、第２のヒータ２２、ノズル２４、第２の温度センサ２５、制御部２６とから主として構成されている。制御部２６は、第１のヒータ１２、圧力センサ１４、第１の温度センサ１５、電磁式バルブ２０、第２のヒータ２２、第２の温度センサ２５と電気的に接続され、圧力センサ１４、第１の温度センサ１５、第２の温度センサ２５からのデータ等に基づいて、第１のヒータ１２、電磁式バルブ２０、第２のヒータ２２の動作を制御する。

固体貯蔵タンク１０は、昇華性固体であるナフタレン３０を収容するための容器であり、固体貯蔵タンク１０の内部には、昇華性固体であるナフタレン３０が収容されている。昇華性固体としては、これに限定されるものではないが、ナフタレンの他に、二フッ化キセノン等を用いることができる。固体貯蔵タンク１０は、ナフタレン３０の昇華により生じる蒸気３２を排出する蒸気排出口１０ａを備える。

蒸気排出口１０ａにはフィルタ１６が取り付けられている。このフィルタ１６は、固体状態のナフタレン３０の通過を阻止し、蒸気３２を通過させる機能を有する。したがって、蒸気排出口１０ａにフィルタ１６を取り付けることによって、固体状態のナフタレン３０が固体貯蔵タンク１０の外部へ漏洩することを防止することができる。つまり、フィルタ１６によって、蒸気３２となっていない昇華性固体であるナフタレン３０の噴出を防止し、昇華性固体であるナフタレン３０と蒸気３２を分離することができる。ここで、フィルタ１６は、固体状態のナフタレン３０の通過を完全に阻止する必要はなく、少量の固体状態のナフタレン３０は通過しても問題はない。本実施形態では、フィルタ１６は、蒸気排出口１０ａに取り付けられているが、蒸気排出口１０ａと電磁式バルブ２０の間の蒸気流路の任意の位置に配置することができる。

フィルタ１６は、第１の管状部材であるパイプ１８を介してノズル２４と接続されている。したがって、本実施形態においては、蒸気排出口１０ａと、ノズル２４が備える蒸気噴射システム１の外部に蒸気３２を噴射する開口との間の蒸気流路は、第１の管状部材であるパイプ１８により構成されている。第１の管状部材としては、パイプ１８に替えてホース等の他の管状部材を用いることもできる。

パイプ１８には電磁式バルブ２０が設けられている。この電磁式バルブ２０の開閉によって、ノズル２４から蒸気３２を噴射させるか否か、更にはノズル２４からの蒸気３２の噴射量を制御することができる。電磁式バルブ１８が開放されると、ノズル２４から蒸気３２が噴射され、推力を得ることができる。得られる推力は、圧力センサ１４による固体貯蔵タンク１０内部の圧力の測定データから推定値を求めることができる。なお、昇華性固体に毒性がある場合等に外部への漏洩防止をより確実とするために、電磁式バルブを二重のバルブとして構成してもよい。また、蒸気を噴射させるノズルは複数設けてもよく、その場合、蒸気排出口１０ａに主管路が接続され、主管路に接続された複数の分岐管路の下流端にノズルがそれぞれ接続されることになるが、それぞれのノズルに対応するバルブに加えて又は単独で、主管路に全体の蒸気流路を遮断するバルブを設けてもよい。

固体貯蔵タンク１０の外表面には第１のヒータ１２が設けられており、固体貯蔵タンク１０の内部を加熱することができる。第１のヒータ１２は固体貯蔵タンク１０の内表面に設けてもよい。第１のヒータ１２を固体貯蔵タンク１０の内表面に設けると、外表面に設けた場合に比べて効率よく固体貯蔵タンク１０の内部を加熱することができる。

また、固体貯蔵タンク１０には、固体貯蔵タンク１０の内部の圧力を測定する圧力センサ１４及び固体貯蔵タンク１０の内部の温度を測定する第１の温度センサ１５が設けられている。よって、第１のヒータ１２及び圧力センサ１４によって固体貯蔵タンク１０内のナフタレン３０の昇華圧を制御することができる。すなわち、第１のヒータ１２をオンすれば、ナフタレン３０が加熱され、ナフタレン３０の昇華圧は増加し、第１のヒータ１２をオフすれば、ナフタレン３０の温度は下がり、ナフタレン３０の昇華圧は減少するが、圧力センサ１４からのデータをモニタすることにより、ナフタレン３０の昇華圧を制御することができる。圧力センサ１４から得たデータに基づいて、制御部２６によって第１のヒータ１２のオン／オフを制御することによりナフタレン３０の昇華圧を一定に保てば、蒸気噴射により得られる推力レベルを安定させることができる。また、圧力センサ１４から得たデータに基づいて、制御部２６によって第１のヒータ１２のオン／オフを制御することによりナフタレン３０の昇華圧を増加又は減少させると、蒸気噴射により得られる推力レベルを増加又は減少させることができる。上述のように、得られる推力は、圧力センサ１４から得たデータに基づいて推定値を求めることができるから、制御部２６によって推力を制御できる。なお、第１のヒータ１２は、固体貯蔵タンク１０の外表面全面にわたって設けてもよいし、外表面の一部に設けてもよい。また、第１のヒータ１２は、単数のヒータで構成してもよいし、複数のヒータで構成してもよい。

パイプ１８の外表面には第２のヒータ２２が設けられており、蒸気３２の流路であるパイプ１８の内部を加熱することができる。パイプ１８には、制御部２６に電気的に接続された第２の温度センサ２５が設けられており、パイプ１８の内部の温度が測定される。第１の温度センサ１５及び第２の温度センサ２５から得たデータに基づいて制御部２６によって第２のヒータ２２の加熱を行うことにより、パイプ１８の内部の温度を、固体貯蔵タンク１０の内部の温度以上とすることによって、蒸気３２がパイプ１８の内部で固化するのを防止することができる。

第２のヒータ２２は、パイプ１８のみならずノズル２４の外表面にも設けてもよい。また、第２のヒータ２２は、パイプ１８の外表面全面にわたって設けてもよいし、外表面の一部に設けてもよい。また、第２のヒータ２２は、単数のヒータで構成してもよいし、複数のヒータで構成してもよい。

上記の実施形態では、別個に加熱制御される第１のヒータ１２及び第２のヒータ２２を設けたが、第１のヒータ１２及び第２のヒータ２２を、１つのヒータのそれぞれ一部として構成することによって、パイプ１８の内部の温度を固体貯蔵タンク１０の内部の温度と同じ温度にするようにしてもよい。この場合、第１の温度センサ１５及び第２の温度センサ２５のいずれか一方は省略することができる。したがって、この構成によれば、蒸気噴射システムの構成をより小型化、構造の簡単化、軽量化することができる。

固体貯蔵タンク１０の内部の圧力が昇華性固体の飽和昇華圧に達している場合の固体貯蔵タンク１０の内部の温度は、圧力センサ１４から得られる固体貯蔵タンク１０の内部の圧力から、ナフタレンの昇華圧曲線に基づいて算出することができる。また、固体貯蔵タンク１０の内部の圧力が昇華性固体の飽和昇華圧に達している場合の固体貯蔵タンク１０の内部の圧力は、第１の温度センサ１５から得られる固体貯蔵タンク１０の内部の温度からナフタレンの昇華圧曲線に基づいて算出することができる。したがって、圧力センサ１４及び第１の温度センサ１５のいずれか一方は省略することができる。長時間噴射を行ったり、頻繁に噴射を行うといったような、固体貯蔵タンク１０の内部の圧力が昇華性固体の飽和昇華圧に達しない状態で噴射を行う場合は、昇華圧曲線に基づく圧力−温度間の換算値と実際の値の間でずれが生じるので、圧力センサ１４及び第１の温度センサ１５の両方を設けることが好ましい。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。本実施形態において、第２の管状部材であるパイプ１０’及び開口１０ａ’以外の蒸気噴射システム２の構成は図１と同様であり、図２において図１と対応する部分には同一符号を付し、第１の実施形態と同様の部分の説明は省略する。

図２に示されるように、本発明の第２の実施形態に係る蒸気噴射システム２は、昇華性固体を収容する容器を、第１の実施形態における固体貯蔵タンク１０に替えて、第２の管状部材であるパイプ１０’とするものである。パイプ１０’の一方の端部は閉じられており、ナフタレン３０の昇華により生じる蒸気３２はパイプ１０’の他方の端部の開口１０ａ’から排出され、開口１０ａ’が蒸気排出口となる。パイプ１０’の開口１０ａ’にはフィルタ１６が取り付けられ、固体状態のナフタレン３０がパイプ１０’の外部へ漏洩することを防止することができる。

ここで、フィルタ１６をパイプ内部に収め、パイプ１０’とパイプ１８を一体的に構成されたものとすると、蒸気噴射システムをより小型化、構造の簡単化、軽量化することができる。

このように、本実施形態によれば、昇華性固体を収容する容器を管状部材であるパイプとすることによって、蒸気噴射システムの小型化、構造の簡単化、軽量化を達成することができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。本実施形態において、蒸気噴射システム３の構成は図１と同様であり、図３において図１と対応する部分には同一符号を付し、第１の実施形態と同様の部分の説明は省略する。

図３に示されるように、本発明の第３の実施形態に係る蒸気噴射システム３は、第１の実施形態における電磁式バルブ１８を使用しないものである。

ナフタレンの昇華圧は非常に小さいので、電磁式バルブ１８を使用せずに固体貯蔵タンク１０が蒸気噴射システム３の外部と連通していても、固体貯蔵タンク１０に収容されているナフタレン３０が加熱されていなければ、ノズル２４から放出される蒸気３２はわずかである（例えば、ナフタレンの昇華圧は、−３０℃の宇宙空間において推定昇華圧は０．１Ｐａ未満）。これに対して、固体貯蔵タンク１０に収容されているナフタレン３０が加熱されると、ナフタレン３０の昇華圧が大きくなり（例えば、ナフタレンの昇華圧は、４０℃において４４．５Ｐａ）、ノズル２４から蒸気３２が噴射される。したがって、本実施形態においては、制御部２６による第１のヒータ１２のオン／オフ制御によって、実質的にノズル２４から蒸気３２を噴射させるか否かを制御する。

このように、本実施形態によれば、バルブを使用しないため、蒸気噴射システムの更なる小型化、構造の簡単化、軽量化を達成することができる。

なお、本実施形態では、フィルタ１６は、蒸気排出口１０ａに取り付けられているが、蒸気排出口１０ａと、ノズル２４の蒸気３２を蒸気噴射システム３の外部に噴射する開口との間の蒸気流路の任意の位置に配置することができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る蒸気噴射システムの断面模式図である。本実施形態において、蒸気噴射システム４の構成は図２と同様であり、図４において図２と対応する部分には同一符号を付し、第２の実施形態と同様の部分の説明は省略する。

図４に示されるように、本発明の第４の実施形態に係る蒸気噴射システム４は、第３の実施形態と同様に、第２の実施形態における電磁式バルブ１８を使用しないものであり、更にノズル２４を省略している。

本実施形態においては、小型化、構造の簡単化、軽量化のために、ノズル２４を省略しており、蒸気３２を蒸気噴射システム４の外部に噴射する開口を備える部材を第１の管状部材であるパイプ１８で兼ねている。

第３の実施形態と同様に、本実施形態においては、制御部による第１のヒータ１２のオン／オフ制御によって、実質的にパイプ１８から蒸気３２を噴射させるか否かを制御する。

このように、本実施形態によれば、昇華性固体を収容する容器を管状部材であるパイプとし、バルブ及びノズルを使用しないため、蒸気噴射システムの更なる小型化、構造の簡単化、軽量化を達成することができる。

上記実施形態では、蒸気噴射システムとして、推進システムを例として説明したが、推進システム以外の蒸気噴射システムにも本発明は適用することができ、小型・軽量で構造が簡単な、連続噴射性能の高い蒸気噴射システムを実現することができる。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１ 第１の実施形態に係る蒸気噴射システム
２ 第２の実施形態に係る蒸気噴射システム
３ 第３の実施形態に係る蒸気噴射システム
４ 第４の実施形態に係る蒸気噴射システム
１０ 固体貯蔵タンク
１０’ パイプ
１０ａ 蒸気排出口
１０ａ’開口
１２ 第１のヒータ
１４ 圧力センサ
１５ 第１の温度センサ
１６ フィルタ
１８ パイプ
２０ 電磁式バルブ
２２ 第２のヒータ
２４ ノズル
２５ 第２の温度センサ
２６ 制御部
３０ 昇華性固体（ナフタレン）
３２ 蒸気

Claims (12)

1. 蒸気噴射システムであって、
   昇華性固体を収容し、前記昇華性固体の昇華により生じる蒸気を排出する蒸気排出口を備える容器と、
   前記蒸気を前記蒸気噴射システムの外部に噴射する開口を備える部材と、
   前記蒸気排出口と前記開口との間の蒸気流路と、
   前記蒸気流路に設けられ、前記昇華性固体の通過を阻止し、前記蒸気を通過させるためのフィルタと、
   前記容器内部の圧力を測定する圧力センサ及び前記容器内部の温度を測定する第１の温度センサの少なくとも一方と、
   前記蒸気流路の少なくとも一部を加熱するための第２のヒータと、
   前記蒸気流路の温度を測定する第２の温度センサと、
   を含み、
   前記圧力センサ及び前記第１の温度センサの少なくとも一方、並びに前記第２の温度センサからのデータに基づいて、前記第２のヒータを加熱し、前記蒸気流路の温度を前記容器内部の温度以上とするように制御可能な蒸気噴射システム。
2. 前記圧力センサ及び前記第１の温度センサの少なくとも一方からのデータに基づいて前記容器内部の圧力を制御可能な請求項１に記載の蒸気噴射システム。
3. 前記容器は第２の管状部材から構成される請求項１又は２に記載の蒸気噴射システム。
4. 前記蒸気流路の少なくとも一部は第１の管状部材により構成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気噴射システム。
5. 前記蒸気流路は第１の管状部材により構成される請求項３に記載の蒸気噴射システム。
6. 前記部材はノズルである請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気噴射システム。
7. 前記部材は前記第１の管状部材である請求項４又は５に記載の蒸気噴射システム。
8. 前記容器は第２の管状部材から構成され、前記第１の管状部材及び前記第２の管状部材は一体的に構成されている請求項７に記載の蒸気噴射システム。
9. 前記第２のヒータは、前記蒸気流路のほぼ全部を加熱する請求項１〜８のいずれか１項に記載の蒸気噴射システム。
10. 前記容器内部を加熱するための第１のヒータを更に含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の蒸気噴射システム。
11. 前記第１のヒータのオン／オフ制御により、実質的に前記開口から前記蒸気を噴射させるか否かを制御可能な請求項１０に記載の蒸気噴射システム。
12. 前記蒸気流路に設けられたバルブを更に含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蒸気噴射システム。

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