JP6995278B2

JP6995278B2 - 加圧ガス供給装置とこれを用いた衛星用推進装置

Info

Publication number: JP6995278B2
Application number: JP2018012673A
Authority: JP
Inventors: 良二今井; 和幸東野; 真二五十嵐; 芳樹松浦; 容資笹山; 亜宝郎福地; 昇篠崎
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY; IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY; IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: JP2019132142A

Description

本発明は、液体推進薬を加圧する加圧ガスを発生し供給する加圧ガス供給装置とこれを用いた衛星用推進装置に関する。

液体推進薬を用いる宇宙飛行体（例えば、人工衛星）は、液体推進薬を内部に保有する推薬タンクを有し、液体推進薬を用いて飛行又は姿勢制御を行う。
この場合、液体推進薬には、一液式推進薬として例えば、ヒドラジン、ＨＡＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム）、ＨＡＮ／ＨＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム／硝酸アンモニウム）などが用いられる。

宇宙飛行体が無重力空間を飛行する場合、推薬タンク内の一液式推進薬を使用するためには、適正な燃焼圧力を得られる推進薬供給圧力を確保する必要がある。
一液式推進薬を用いた燃焼手段は、例えば、特許文献１に開示されている。

また、本発明と関連するガス発生手段は、例えば、特許文献２に開示されている。

特許文献１の「単元推進薬の燃焼のための装置および方法」では、推進薬がイオン性の塩と付加的な燃料とを含む。この装置は、イオン性の塩を分解する分解手段と、付加的な燃料とイオン性の塩の分解生成物とを燃焼させる燃焼手段とを備える。この方法では、推進薬が、反応器に導入され分解され、分解生成物が、燃焼器に導びかれ、燃焼器内で燃焼する。

特許文献２の「水素ガス発生装置及び水素ガス発生方法」は、密閉可能な反応容器へ反応材料としての金属を導入し、この反応容器に水供給ポンプにより水を供給し、反応容器の内圧を所定の圧力にまで高める。高圧状態の反応容器へ、アルカリ水溶液供給ポンプによりアルカリ水溶液を供給し、金属とアルカリ水溶液との反応により水素ガスを発生させる。発生した高圧の水素ガスは冷却器、気液分離器を介して蓄圧器へ回収される。水素ガスの圧力は圧力調整弁により所定の圧力に調整される。

特開２００４－３４０１４８号公報特開２００５－２０６４５９号公報

小型衛星又は超小型衛星は大型ロケットで主要な衛星（「主衛星」）と相乗りで打ち上げられることが多い。かかる相乗りを「ピギーバック」と呼ぶ。
相乗り（ピギーバック）の場合、主衛星への悪影響の排除が厳しく求められる。そのため、小型衛星又は超小型衛星には、加圧供給系の搭載が認められないことが多く、液体推進薬（一液式推進薬）を用いた飛行又は姿勢制御ができず、これを必要とする衛星の打上げ機会の確保が困難であった。

また、主衛星であっても、高圧タンクを搭載すると、高圧ガスの漏洩、破裂によりロケットの汚染や破損が生じる可能性があった。

特許文献１の場合、燃料タンク内の単元推進薬（一液式推進薬）を加圧するために高圧の不活性ガスを必要とする。そのため、ガスタンクと燃料タンクが例えば耐圧が１０ＭＰａ以上の高圧タンクとなり、主衛星へ悪影響の可能性があると共に重量が大きくなる。

特許文献２のガス発生手段を適用する場合、蓄圧器が高圧タンクとなり、主衛星へ悪影響の可能性がある。また、多くの機器（冷却器、気液分離器、蓄圧器、圧力調整器）を必要とするため、大型化、複雑化する。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、高圧タンクを用いることなく、液体推進薬を加圧する加圧ガスを安全に発生し供給することができ、かつ軽量化ができる加圧ガス供給装置とこれを用いた衛星用推進装置を提供することにある。

本発明によれば、アルミニウム系の金属粉と、該金属粉と接触して加圧ガスを発生する液体と、を分離して保有する分離保有タンクと、
前記金属粉と前記液体とを接触させて前記加圧ガスを発生させるガス発生装置と、
前記加圧ガスの発生圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生装置を制御する制御装置と、を備え、
前記分離保有タンクは、前記金属粉と前記液体を仕切り壁で分離して保有する複数のユニットを有し、
前記仕切り壁は、通電により前記金属粉と前記液体を連通する形状に変化する形状記憶合金製であり、
前記ガス発生装置は、前記仕切り壁に個別に通電する通電装置を備える、加圧ガス供給装置が提供される。

また、本発明によれば、上記の加圧ガス供給装置と、
衛星推進用のスラスタに供給する液体推進薬を内部に保有する液室と、該液室を加圧する加圧ガスを内部に保有するためのガス室と、前記液室と前記ガス室を分離する可撓性の隔壁と、を有する燃料タンクと、
前記液室に連通し前記液体推進薬を反応させて推進ガスを噴射するスラスタと、を備えた衛星用推進装置が提供される。

上記本発明によれば、加圧ガスの発生圧力が所定の圧力範囲を維持するようにガス発生装置を制御する制御装置を備えるので、加圧ガスの最大圧力を従来のガスタンクや蓄圧器より低く設定することができる。

具体的には、（１）分離保有タンクを複数のユニットで構成し、各ユニットから発生する加圧ガスの最大圧力を従来のガスタンクや蓄圧器より低く設定する、又は、（２）燃料タンクに供給される加圧ガスの圧力を検出し、この圧力が所定の圧力範囲を維持するようにガス発生装置を制御する。

加圧ガスの発生前、分離保有タンクには、分離して保有する金属粉と液体の充填時のガス圧（好ましくは常圧）のみが作用する。また同様に、加圧ガスの発生前は、燃料タンクには液体推進薬の充填時のガス圧のみが作用する。
従って、分離保有タンクと燃料タンクは、従来のガスタンクや蓄圧器より耐圧が低い低圧タンクとすることができ、高圧タンクを搭載しないので、主衛星への悪影響を防止できる。

主衛星への悪影響とは、作業スケジュールが主衛星と競合することや、高圧タンクの漏洩、破損による主衛星やロケットの汚染や破損などである。

また、加圧ガスの発生後であっても、加圧ガスの最大圧力を所定の圧力範囲で低く設定できるので、分離保有タンク及び燃料タンクを高圧タンクよりも薄肉化でき、軽量化できる。

従って、本発明によれば、高圧タンクを用いることなく、液体推進薬を加圧する加圧ガスを安全に発生し供給することができ、かつ軽量化ができる。

本発明による加圧ガス供給装置を用いた衛星用推進装置の全体構成図である。本発明による加圧ガス供給装置の第１実施形態図である。図２のガス発生装置の説明図である。ガス分離装置の実施形態図である。制御装置によるガス発生装置の制御例を示す図である。本発明による加圧ガス供給装置の第２実施形態図である。水とアルミニウムの反応を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による加圧ガス供給装置１０を用いた衛星用推進装置１００の全体構成図である。
この図において、衛星用推進装置１００は、加圧ガス供給装置１０、燃料タンク２０、及びスラスタ３０を備える。

燃料タンク２０は、気密容器２２、液室２４、ガス室２６、及び、隔壁２８を有する。
気密容器２２は、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１に耐える容器である。液室２４、ガス室２６、及び隔壁２８は、気密容器２２の内側に設けられている。
加圧ガス３の最大圧力Ｐ１は、後述する例では、２．１ＭＰａ又は１．１５ＭＰａである。なお、加圧ガス３の下限圧力Ｐ２は、例えば０．７ＭＰａある。

液室２４は、衛星推進用のスラスタ３０に供給する液体推進薬１を内部に保有する。液体推進薬１は、例えば、ヒドラジン、ＨＡＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム）、ＨＡＮ／ＨＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム／硝酸アンモニウム）などの一液式推進薬であるのがよい。

ガス室２６は、液室２４を加圧する加圧ガス３を内部に保有するための空間（チャンバー）である。ガス室２６の初期圧力（地上における圧力）は、好ましくは常圧（約０．１ＭＰａ）である。

隔壁２８は、可撓性を有する膜、壁、又はディスクであり、液室２４とガス室２６を分離する。

スラスタ３０は、内部に触媒を有し、燃料タンク２０の液室２４から供給される液体推進薬１を反応させて推進ガス２を外部に噴射する。スラスタ３０は、この図では４つであるが、１乃至３でも５以上でもよい。

この図において、３２は推進薬供給元弁、３４はフィルターである。
推進薬供給元弁３２は、液室２４とスラスタ３０を連通する推進薬供給ライン３１を全閉又は全開する。なお、推進薬供給元弁３２は、液体推進薬１の流量を制御可能な流量調整弁であってもよい。
フィルター３４は、液体推進薬１に含まれる異物を除去する。

図２は、本発明による加圧ガス供給装置１０の第１実施形態図である。
この図において、加圧ガス供給装置１０は、分離保有タンク１２、ガス発生装置１４、及び制御装置１６を備える。

分離保有タンク１２は、アルミニウム系の金属粉４と、金属粉４と接触して加圧ガス３を発生する液体５と、を分離して保有する。
金属粉４は、アルミニウム又はアルミニウム合金である。また、液体５は、水又はＨＡＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム）である。

図７は、水とアルミニウムの反応を示す模式図である。
アルミニウム系の金属粉４を使用して、アルミニウム成分を水と反応させて水酸化物に変化させ、同時に発生する水素ガスによって容易に高圧を得ることができる。

反応式は、式（１）である。
２Ａｌ＋６Ｈ_２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）_３＋３Ｈ_２・・・（１）

すなわち、水（Ｈ_２Ｏ）とアルミニウム（Ａｌ）の反応では、水素（Ｈ_２）及び水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）が生成されることが知られており、理論的な水素生成量により体積が元の１０００倍以上となり、加圧ガス源として利用できる。
なお発生した水酸化物（Ａｌ（ＯＨ）_３）は、固形分として水中に浮遊する。この水酸化物が水とアルミの間にあるとガス発生を阻害する可能性がある。

図２において、分離保有タンク１２は、金属粉４と液体５を仕切り壁６で分離して保有する複数（この図で３つ）のタンクユニット（以下、ユニット１２ａ）を有する。仕切り壁６は、例えば、通電により金属粉４と液体５を連通する形状に変化する形状記憶合金製である。

ガス発生装置１４は、金属粉４と液体５とを接触させて加圧ガス３を発生させる機能を有する。この例ではガス発生装置１４は、仕切り壁６に個別に通電する複数（この図で３つ）の通電装置１４ａを備える。

図３は、図２のガス発生装置１４の説明図である。この図において、（Ａ）は作動前、（Ｂ）は作動時である。

図３（Ａ）の作動前において、分離保有タンク１２の金属粉４と液体５は仕切り壁６で分離されている。金属粉４と液体５の充填は、地上において実施する。
分離保有タンク１２は、燃料タンク２０と同様に、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１に耐える低圧容器である。加圧ガス３の最大圧力Ｐ１は、後述する例では、２．１ＭＰａ又は１．１５ＭＰａである。
金属粉４（アルミニウム又はアルミニウム合金）と液体５（水又はＨＡＮ）は、低温（例えば９０℃以下）において、それぞれ固体と液体である。従って、地上において分離保有タンク１２の内圧は、実質的に金属粉４と液体５の充填時のガス圧である。このガスは、例えば不活性ガスであり、充填時の圧力は好ましくは常圧（約０．１ＭＰａ）である。

図３（Ｂ）の作動時において、ガス発生装置１４により、仕切り壁６に通電すると、仕切り壁６が金属粉４と液体５を連通する形状に変化し、金属粉４と液体５とを接触させて加圧ガス３を発生する。例えば、形状記憶合金製の仕切り壁６に通電することで、仕切り壁６が引っ張られて、破断し、金属粉４と液体５が連通する。
なお、作動時において、分離保有タンク１２は、加熱装置１３により加熱されており、上述した反応に適した温度（例えば６０℃）に保持されていることが好ましい。

図２において、制御装置１６は、加圧ガス３の発生圧力が所定の圧力範囲を維持するようにガス発生装置１４を制御する。所定の圧力範囲は、下限圧力Ｐ２から最大圧力Ｐ１までである。
制御装置１６による制御の具体例は後述する。

図２において、加圧ガス供給装置１０は、さらに、発生した加圧ガス３を金属粉４及び液体５から分離するガス分離装置１８を備える。

図４は、ガス分離装置１８の実施形態図である。この図において、ガス分離装置１８は、気密容器１８ａ、スターラー１８ｂ、及び回転磁界発生装置１８ｃを有する。

気密容器１８ａは、発生した加圧ガス３を内部に保有する中空空洞１９ａと、加圧ガス３の流入口１９ｂ及び吐出口１９ｃを有する。
中空空洞１９ａは、好ましくは中空円筒形である。流入口１９ｂは、中空空洞１９ａの側面に設けられ、中空空洞１９ａの内部に旋回流を形成するように、中心からオフセットにして設けられている。また、吐出口１９ｃは、中空空洞１９ａの旋回流の中心から加圧ガス３を外部に排出するように、中心軸に沿って設けられている。

スターラー１８ｂは、中空空洞１９ａの底面に近接して位置する磁石（又は磁性部材）であり、中空空洞１９ａの内部で水平に旋回し、内部に旋回流を形成するようになっている。
回転磁界発生装置１８ｃは、中空空洞１９ａの内部に水平に旋回する回転磁界を発生させ、この回転磁界によりスターラー１８ｂを水平に旋回する。

上述した構成により、気密容器１８ａの内部（中空空洞１９ａ）において、加圧ガス３とこれに同伴された金属粉４及び液体５とが水平に旋回するので、遠心力により金属粉４及び液体５が加圧ガス３から分離して中空空洞１９ａの外側に移動する。従って、ガス分離装置１８により、発生した加圧ガス３を金属粉４及び液体５から分離することができる。

なお、ガス分離装置１８の構成は、上述した例に限定されず、その他の形態、例えば、サイクロン、遠心分離器、等であってもよい。

図５は、制御装置１６によるガス発生装置１４の制御例を示す図である。この図は、上述した分離保有タンク１２が５つのユニット１２ａを有し、各ユニット１２ａから順に加圧ガス３を発生させた場合を示している。
この図において、横軸は推薬消費率（最大１．０）、縦軸の左は、加圧ガス３の発生圧力（ＭＰａ）、縦軸の右は、ガス発生率（最大１．０）である。
加圧ガス３の発生圧力（ＭＰａ）は、この例ではガス室２６の圧力である。

図５（Ａ）は、５つのユニット１２ａのガス発生量が同一の場合である。この場合、最初のユニット１２ａのガス発生により、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１が２．１ＭＰａになるように各ユニット１２ａが設定されている。
加圧部の空隙容積（すなわち、ガス室２６の容積）は液体推進薬１の消費に伴って増加していくので、１回ごとの反応ガスの発生量が同じでも、各段階のピーク圧は順次下がっていく。
この例において、制御装置１６は、加圧ガス３の発生圧力を圧力検出器２１で検出し検出圧力が下限圧力Ｐ２まで下がったときに、次のユニット１２ａからガスを発生させることで、所定の圧力範囲を維持する。

図５（Ｂ）は、５つのユニット１２ａのガス発生量が異なる場合である。この場合、毎回同じ圧力範囲となるように、最初のガス発生量を抑え、順次ガス発生量を増加させるように各ユニット１２ａの容量が設定されている。
この例の場合も、制御装置１６は、加圧ガス３の発生圧力が下限圧力Ｐ２まで下がったときに、次のユニット１２ａからガスを発生させることで、所定の圧力範囲を維持する。

上述した本発明の第１実施形態によれば、加圧ガス３の発生圧力が所定の圧力範囲（Ｐ１－Ｐ２）を維持するようにガス発生装置１４を制御する制御装置１６を備えるので、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１を従来のガスタンクや蓄圧器より低く設定することができる。

図６は、本発明による加圧ガス供給装置１０の第２実施形態図である。
この図において、分離保有タンク１２は、金属粉４を保有する金属粉タンク１７ａと、液体５を保有する液体タンク１７ｂと、逆止弁１７ｃと、を有する。逆止弁１７ｃは、金属粉タンク１７ａと液体タンク１７ｂとを連通しかつ金属粉タンク１７ａから液体タンク１７ｂへの流体（金属粉４と液体５の混合物）の逆流を防止する。

この例において、ガス発生装置１４は、逆止弁１７ｃを通して液体５を金属粉タンク１７ａに供給する液体供給装置１５を有する。液体供給装置１５は、例えば液体タンク１７ｂの内部で移動可能なピストン１５ａと、これを移動する直動アクチュエータ１５ｂとを有する。

制御装置１６は、燃料タンク２０に供給される加圧ガス３の圧力を圧力検出器２１で検出し、この圧力（発生圧力）が所定の圧力範囲を維持するようにガス発生装置１４（この例で液体供給装置１５）を制御する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

上述した本発明の第２実施形態によれば、加圧ガス３の発生圧力が所定の圧力範囲（Ｐ１－Ｐ２）を維持するようにガス発生装置１４を制御する制御装置１６を備えるので、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１を従来のガスタンクや蓄圧器より低く設定することができる。

また、上述した本発明の実施形態によれば、加圧ガス３の発生前、分離保有タンク１２には、分離して保有する金属粉４と液体５の充填時のガス圧（好ましくは常圧）のみが作用する。また同様に、加圧ガス３の発生前は、燃料タンク２０には液体推進薬１の充填時のガス圧のみが作用する。
従って、分離保有タンク１２と燃料タンク２０は、従来のガスタンクや蓄圧器より耐圧が低い低圧タンクとすることができ、高圧タンク（例えば耐圧が１０ＭＰａ以上）を搭載しないので、主衛星への悪影響を防止できる。

また、加圧ガス３の発生後であっても、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１を所定の圧力範囲（Ｐ１－Ｐ２）で低く設定できるので、分離保有タンク１２及び燃料タンク２０を高圧タンクよりも薄肉化でき、軽量化できる。

従って、本発明によれば、高圧タンクを用いることなく、液体推進薬１を加圧する加圧ガス３を安全に発生させることができ、かつ軽量化ができる。

なお本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ｐ１最大圧力、Ｐ２下限圧力、１液体推進薬、２推進ガス、３加圧ガス、
４金属粉（アルミニウム又はアルミニウム合金）、５液体（水又はＨＡＮ）、
１０加圧ガス供給装置、１１液体供給装置、１２分離保有タンク、
１２ａユニット（タンクユニット）、１３加熱装置、１４ガス発生装置、
１４ａ通電装置、１５液体供給装置、１５ａピストン、
１５ｂ直動アクチュエータ、１６制御装置、１７ａ金属粉タンク、
１７ｂ液体タンク、１７ｃ逆止弁、１８ガス分離装置、１８ａ気密容器、
１８ｂスターラー、１８ｃ回転磁界発生装置、１９ａ中空空洞、
１９ｂ流入口、１９ｃ吐出口、２０燃料タンク、２１圧力検出器、
２２気密容器、２４液室、２６ガス室、２８隔壁、３０スラスタ、
３１推進薬供給ライン、３２推進薬供給元弁、３４フィルター、
１００衛星用推進装置

Claims

アルミニウム系の金属粉と、該金属粉と接触して加圧ガスを発生する液体と、を分離して保有する分離保有タンクと、
前記金属粉と前記液体とを接触させて前記加圧ガスを発生させるガス発生装置と、
前記加圧ガスの発生圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生装置を制御する制御装置と、を備え、
前記分離保有タンクは、前記金属粉と前記液体を仕切り壁で分離して保有する複数のユニットを有し、
前記仕切り壁は、通電により前記金属粉と前記液体を連通する形状に変化する形状記憶合金製であり、
前記ガス発生装置は、前記仕切り壁に個別に通電する通電装置を備える、加圧ガス供給装置。
前記金属粉は、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、
前記液体は、水又はＨＡＮ（硝酸ヒドラジンアンモニウム）である、請求項１に記載の加圧ガス供給装置。
発生した前記加圧ガスを前記金属粉及び前記液体から分離するガス分離装置を備える、請求項１に記載の加圧ガス供給装置。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加圧ガス供給装置と、
衛星推進用のスラスタに供給する液体推進薬を内部に保有する液室と、該液室を加圧する前記加圧ガスを内部に保有するためのガス室と、前記液室と前記ガス室を分離する可撓性の隔壁と、を有する燃料タンクと、
前記液室に連通し前記液体推進薬を反応させて推進ガスを噴射するスラスタと、を備えた衛星用推進装置。