JP7360988B2

JP7360988B2 - 加圧ガス供給装置とこれを用いた衛星用推進装置

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Publication number: JP7360988B2
Application number: JP2020070755A
Authority: JP
Inventors: 真二五十嵐; 芳樹松浦
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: JP2021166957A

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「ガス発生装置及び低温ガスの発生法」は、地上で無加圧の状態から軌道上でガス発生装置を作動させ、加圧するシステムであり、アジ化ナトリウムなどを使用してガスを発生させている。

特開２００４－３４０１４８号公報特表２００３－５１０２２８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、使用後にガス発生装置内に金属ナトリウムなどが残存し、水分との接触により、発火の懸念があった。また、アジ化ナトリウムは毒性があるため、使用量に制限があった。

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、加圧ガスを発生させる複数のガス発生器と、
前記加圧ガスの圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生器を制御する制御装置と、を備え、
前記ガス発生器は、
ガス吐出口を有する中空タンクと、
熱分解して前記加圧ガスを発生するガス発生液を内部に保有し、加熱により溶融するマイクロカプセルと、
前記中空タンクの内部に充填され、前記マイクロカプセルが分散配合され、前記熱分解を促進する触媒機能を有する粉末触媒と、
前記中空タンクに取り付けられ、前記マイクロカプセルを加熱可能なイグナイタと、を有する、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。

上記本発明の構成によれば、イグナイタにより、一部のマイクロカプセルを加熱、溶融させることで、内部のガス発生液が流出してそのまわりの粉末触媒と接触し、ガス発生液が熱分解して加圧ガスを発生する。またこの熱分解で発生した熱で、残部のマイクロカプセルが加熱されて溶融し、ガス発生液と粉末触媒との接触、熱分解、及び加圧ガスの発生が継続し、中空タンクのガス吐出口からの加圧ガスの吐出が継続する。

また、制御装置により、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ので、中空タンクを薄肉化でき、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実施形態図である。ガス発生器の構成図である。制御装置によるガス発生器の制御例を示す図である。

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、複数のガス発生器１２と制御装置１８を備える。
ガス発生器１２は、この図では３つであるが、２つでも、４つ以上でもよい。

図３は、ガス発生器１２の構成図である。
この図において、ガス発生器１２は、中空タンク１３、マイクロカプセル１４、粉末触媒１５、及び、イグナイタ１６を有する。

中空タンク１３は、ガス吐出口１３ａを有する。中空タンク１３は、後述するガス発生液Ｌに対する耐食性と、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１に耐える耐圧性を有する。中空タンク１３は、例えばステンレス、チタン、又はチタン合金製である。
加圧ガス３の最大圧力Ｐ１は、例えば、２．１ＭＰａ又は１．１５ＭＰａである。

マイクロカプセル１４はその内部にガス発生液Ｌを包含する。
ガス発生液Ｌは、ＨＡＮ（ＮＨ_３ＯＨＮＯ_３）、ＨＮ（Ｈ_４Ｎ_２・ＨＮＯ_３）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、水からなる低毒推進薬であることが好ましい。
ＨＡＮ、ＨＮ、メタノール、水からなる低毒推進薬は、常温で液体である。また、組成の配合率によって高温ガスを発生する特性から、低温ガスを発生する特性まで選択できる。高温ガスの温度は、例えば約８００℃程度であり、低温ガスの温度は、例えば２００～３００℃である。

低温ガスを発生する特性を選択することが特に好ましい。この場合、ガス発生液Ｌは、非爆発物とみなすことができ、取扱い及び輸送に関わるコストを低減できる。

発明者らは、新規に低毒推進薬（ＨＮＰ２２５）を開発した。
低毒推進薬（ＨＮＰ２２５）の組成はＨＡＮ／ＨＮ／メタノール／水の配合物であり、ＵＮＣｌａｓｓ１除外（非爆発物）であることを確認している。また、０．２ニュートン，０．５ニュートン，４．０ニュートンのスラスタを用いた噴射試験を実施しており、安定した性能が得られることを確認済である。

ガス発生液Ｌは、メタノールを含まない低毒推進薬であってもよい。
メタノールを含まないＨＡＮ／ＨＮ系の低毒推進薬は白金族触媒を用いて容易に熱分解が可能で、高温ガスを発生する。

ガス発生液Ｌは、上記の低毒推進薬の他に、毒性のあるヒドラジン等も選択可能である。ヒドラジン等は、白金族触媒を用いて容易に熱分解が可能で、高温ガスを発生する。

マイクロカプセル１４は、熱分解して加圧ガス３を発生するガス発生液Ｌを内部に保有し、加熱により溶融する。
ガス発生液Ｌが、ＨＡＮ、ＨＮ、メタノール、水からなる低毒推進薬である場合、加圧ガス３の成分は、Ｎ_２Ｏ，Ｎ_２，Ｈ_２Ｏである。

ガス発生液Ｌが、ＨＡＮ、ＨＮ、メタノール、水からなる低毒推進薬である場合、低毒推進薬は強酸性である。マイクロカプセル１４は、これらの成分により溶解しないカプセル素材である必要がある。この場合、カプセル素材としては、腸溶性カプセルなど酸性環境に強いカプセル素材、例えば、メタノールと強酸性液に対する耐食性を有する塩化ビニル系、アクリル系の熱可塑性樹脂製であるのがよい。

ガス発生液Ｌが、メタノールを含まない低毒推進薬である場合、マイクロカプセル１４は、多孔質シリカ球体にガス発生液Ｌを包含するシリカ系マイクロカプセルであってもよい。
シリカ系マイクロカプセルは多孔質シリカ球体に各種液体を包含するこができるがメタノールの揮発は抑制できない。メタノールを含まない組成は安全性（非爆発性）を有したまま、さらに発生ガスのガス温度が低く、ガス発生剤用途としてはより適している。この場合のガス温度は、例えば約２００℃程度である。

粉末触媒１５は、中空タンク１３の内部に充填され、マイクロカプセル１４が分散配合され、ガス発生液Ｌの熱分解を促進する触媒機能を有する。
粉末触媒１５は、例えば、表面に白金族触媒がコーティングされた粉末状又は粒状の多孔質セラミックス（例えば多孔質アルミナ）である。
粉末触媒１５の平均粒径は、数十～数百μｍの粉末状又は数ｍｍ程度の粒状でもよい。比表面積は１０～１００ｍ^２／ｇ程度で、コーティングする金属（白金族触媒）の量（担持量）は数％～３０重量％程度でよい。

イグナイタ１６は、中空タンク１３に取り付けられ、マイクロカプセル１４を加熱可能な着火装置である。
マイクロカプセル１４はイグナイタ１６の発熱により溶融することで、内部のガス発生液Ｌを放出することが望まれる。一方で、通常の取り扱いにおいて容易に内部のガス発生液Ｌが漏出しないことが望まれる。そのため、常温・常圧の保管時は溶融せず、イグナイタ１６の発熱および、周囲のガス発生液Ｌの分解・発熱による熱で溶融する厚みと強度を有する。
イグナイタ近傍が２００～３００℃となることでマイクロカプセル１４から放出されたガス発生液Ｌは周囲の粉末触媒１５により熱分解され、次々に周囲のマイクロカプセル１４を溶解し、ガス発生液Ｌを放出・熱分解を繰り返し、ガス発生が継続する。

マイクロカプセル１４と粉末触媒１５の配合割合を調整することで、ガス発生量、ガス発生速度を調整可能である。

上述したガス発生器１２の構成により、イグナイタ１６により、一部のマイクロカプセル１４を２００～３００℃に加熱することで、一部のマイクロカプセル１４が溶融して内部のガス発生液Ｌが流出する。流出したガス発生液Ｌは、そのまわりの粉末触媒１５と接触し、ガス発生液Ｌが熱分解して加圧ガス３を発生する。
またこの熱分解で発生した熱で、残部のマイクロカプセル１４が連鎖的に加熱されて溶融し、ガス発生液Ｌと粉末触媒１５との接触、熱分解、及び加圧ガス３の発生が継続し、中空タンク１３のガス吐出口１３ａからの加圧ガス３の吐出が継続する。

図３において、ガス発生器１２は、さらにガス発生器１２の内側に設けられたガス分離装置１７を有する。
この例で、ガス分離装置１７は、例えばアルミナ等の多孔質セラミックスからなる内部フィルターである。
内部フィルター１７は、ガス吐出口１３ａと粉末触媒１５との間に設置され、目の細かいメッシュ構造とすることで発生した加圧ガス３を粉末触媒１５及びマイクロカプセル１４から分離する機能を有する。
また、内部フィルター１７は、加圧ガス３の成分（Ｎ_２Ｏ，Ｎ_２，Ｈ_２Ｏ）のうち水蒸気（Ｈ_２Ｏ）を過冷却して除去する機能を有していても良い。

図２において、加圧ガス供給装置１０は、さらに、ガス発生器１２の外側に設けられたガス分離装置１９を備える。
この例でガス分離装置１９は、外部フィルター１９ａと放熱器１９ｂと、を有する。
外部フィルター１９ａは、例えばアルミナ等の多孔質セラミックスからなり、加圧ガス３を粉末触媒１５及びマイクロカプセル１４から分離する。
放熱器１９ｂは、加圧ガス３に含まれる水蒸気を過冷却して凝縮する温度に外部フィルター１９ａを保持する。

上述したガス分離装置１７、１９の構成により、加圧ガス３を粉末触媒１５及びマイクロカプセル１４から分離するとともに、加圧ガス３に含まれる水蒸気を過冷却して除去することができる。
なお、ガス分離装置１７、１９の設置は必須ではなく、一方又は両方を省略してもよい。

図２において、制御装置１８は、加圧ガス３の圧力が所定の圧力範囲を維持するようにガス発生器１２を制御する。
制御装置１８は、コンピュータ（ＰＣ）と通電装置を内蔵する。通電装置は、ガス発生器１２のイグナイタ１６に印加電力を個別に供給する。この印加電力はイグナイタ近傍のマイクロカプセル１４を溶融させるだけの低容量でよい。
制御装置１８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イグナイタ１６の印加（着火）のタイミングを制御する。

図４は、制御装置１８によるガス発生器１２の制御例を示す図である。この図は、上述したガス発生器１２が５つであり、各ガス発生器１２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４（Ａ）は、５つのガス発生器１２のガス発生量が同一の場合である。この場合、最初のガス発生器１２のガス発生により、加圧ガス３の最大圧力Ｐ１が２．１ＭＰａになるように各ガス発生器１２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）はマイクロカプセル１４（ガス発生液Ｌ）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１８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、次のガス発生器１２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４（Ｂ）は、５つのガス発生器１２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ガス発生器１２の容量が設定されている。
この例の場合も、制御装置１８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、次のガス発生器１２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器１２を制御する制御装置１８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。
従来のタンクでは、例えば初期圧を３ＭＰａでスタートし、最後まで燃料を放出すると例えば約０．８ＭＰａで終了する。すると、タンクの設計は、安全係数を考えると例えば４ＭＰａで問題ないタンクの開発が必要となる。一方で、本方式を選択すると、最高圧力を１．５ＭＰａとして、推進薬をある程度消費した後に繰り返しガス発生させることで１．５～０．８ＭＰａの間で運用することができ、タンク設計圧力を例えば２．５ＭＰａに抑えることができる。

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、ガス発生器１２には、粉末触媒１５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、ガス発生器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、地上作業中から軌道上分離までの間、高圧ガスが存在しない状態であるため、高圧ガスに起因する不適合による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、ガス発生器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。

Ｌガス発生液、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、
１０加圧ガス供給装置、１２ガス発生器、１３中空タンク、
１３ａガス吐出口、１４マイクロカプセル、１５粉末触媒、
１６イグナイタ、１７ガス分離装置（内部フィルター）、１８制御装置、
１９ガス分離装置、１９ａ外部フィルター、１９ｂ放熱器、
２０燃料タンク、２２気密容器、２４液室、２６ガス室、
２８隔壁、３０スラスタ、３２推進薬供給元弁、３４フィルター、
１００衛星用推進装置

Claims

加圧ガスを発生させる複数のガス発生器と、
前記加圧ガスの圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生器を制御する制御装置と、を備え、
前記ガス発生器は、
ガス吐出口を有する中空タンクと、
熱分解して前記加圧ガスを発生するガス発生液を内部に保有し、加熱により溶融するマイクロカプセルと、
前記中空タンクの内部に充填され、前記マイクロカプセルが分散配合され、前記熱分解を促進する触媒機能を有する粉末触媒と、
前記中空タンクに取り付けられ、前記マイクロカプセルを加熱可能なイグナイタと、を有し、
前記マイクロカプセルは、
メタノールと強酸性液に対する耐食性を有する熱可塑性樹脂製、又は、
多孔質シリカ球体に前記ガス発生液を包含するシリカ系マイクロカプセルである、加圧ガス供給装置。
粉末触媒は、表面に白金族触媒がコーティングされた粉末状又は粒状の多孔質セラミックスである、請求項１に記載の加圧ガス供給装置。
加圧ガスを発生させる複数のガス発生器と、
前記加圧ガスの圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生器を制御する制御装置と、を備え、
前記ガス発生器は、
ガス吐出口を有する中空タンクと、
熱分解して前記加圧ガスを発生するガス発生液を内部に保有し、加熱により溶融するマイクロカプセルと、
前記中空タンクの内部に充填され、前記マイクロカプセルが分散配合され、前記熱分解を促進する触媒機能を有する粉末触媒と、
前記中空タンクに取り付けられ、前記マイクロカプセルを加熱可能なイグナイタと、を有し、
前記ガス発生液は、
ＨＡＮ、ＨＮ、メタノール、水からなる低毒推進薬、又は、
メタノールを含まない低毒推進薬である、加圧ガス供給装置。
粉末触媒は、表面に白金族触媒がコーティングされた粉末状又は粒状の多孔質セラミックスである、請求項３に記載の加圧ガス供給装置。
加圧ガスを発生させる複数のガス発生器と、
前記加圧ガスの圧力が所定の圧力範囲を維持するように前記ガス発生器を制御する制御装置と、を備え、
前記ガス発生器は、
ガス吐出口を有する中空タンクと、
熱分解して前記加圧ガスを発生するガス発生液を内部に保有し、加熱により溶融するマイクロカプセルと、
前記中空タンクの内部に充填され、前記マイクロカプセルが分散配合され、前記熱分解を促進する触媒機能を有する粉末触媒と、
前記中空タンクに取り付けられ、前記マイクロカプセルを加熱可能なイグナイタと、を有し、
前記ガス発生器の内側又は外側に設けられ、発生した前記加圧ガスを前記粉末触媒及び前記マイクロカプセルから分離するガス分離装置を備える、加圧ガス供給装置。
前記ガス分離装置は、前記加圧ガスを前記粉末触媒及び前記マイクロカプセルから分離するフィルターと、
前記加圧ガスに含まれる水蒸気を過冷却して凝縮する温度に前記フィルターを保持する放熱器と、を有する、請求項５に記載の加圧ガス供給装置。
請求項１乃至６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。