JP7373453B2

JP7373453B2 - 液体推進薬供給装置と衛星用推進装置

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Publication number: JP7373453B2
Application number: JP2020070758A
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: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2040-04-10
Also published as: JP2021167580A

Description

本発明は、ロケットエンジンに係り、さらに詳しくは、ロケットエンジン用の液体推進薬供給装置と衛星用推進装置に関する。

ロケットエンジン用の液体推進薬として、酸化剤（液体酸素、硝酸など）、燃料（ガソリン、アルコール、液体水素など）、又は酸化剤と燃料の化合物または混合物が、従来から用いられている。
これらの液体推進薬をロケットエンジンに供給する液体推進薬供給装置には、軽量化のために従来は球形、または、円筒形の両端が回転楕円体であるタンクが使用されている。小型化に向けては、ダイヤフラムで液室を押す構成と比較して容積効率が良い円筒形状のベローズタンクを使用することも考えられる。

かかるベローズタンクは、例えば、特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１４／１２５７０３号パンフレット

図１は、特許文献１に開示された従来のベローズタンク１の全体構成図である。この図において、２はハウジング、２ａはシェル、２ｂはポート穴、２ｃはガスエンドカバー、２ｄはガス注入口、３はガスプラグ、４はベローズ、５はベローズキャップ、６はガス室、７は液室である。

従来のベローズタンクは、例えば、図１のポート穴２ｂに制御弁８（例えば流量調節弁又は圧力調節弁）を接続して構成されていた。しかしこれを液体推進薬供給装置の推進薬タンクとして使用するには、以下の問題点があった。

（１）ベローズタンク１２は内部に蛇腹構造（ベローズ４）を保持しているため、有効推進薬保存量が少ない（例えば１００～３００ｃｃ程度）。
これに対し、衛星側の推進薬搭載量の要求値は３～５リットル程度であり、大きく乖離している。
（２）ベローズタンクは大型化に伴い、重量と容積が著しく増大するため、搭載可能容積に限りのある小型又は超小型の衛星に対して特に悪影響が大きく、推進薬搭載量の増加は困難であった。

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、小型又は超小型の衛星に搭載可能に小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値を満たすことができる液体推進薬供給装置と衛星用推進装置を提供することにある。

本発明によれば、衛星推進用のスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で前記液体推進薬を圧送する推進薬圧送装置を備え、
前記推進薬圧送装置は、
前記液体推進薬の排出管を有し、内部に充填した前記液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクと、
前記排出管から排出された前記液体推進薬を前記圧送圧力まで加圧する電動ポンプと、を有し、
前記金属箔タンクは、重ね合わされ外周縁全体が互いに溶着された平板状の２枚の金属箔からなる、液体推進薬供給装置が提供される。

また本発明によれば、上記の液体推進薬供給装置と、
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。

本発明によれば、内部に充填した液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクが、重ね合わされ外周縁が互いに溶着された複数の金属箔からなる。
この構成により、金属箔タンクは、ベローズタンクの容量の１０倍を超える液体推進薬を内部に充填した場合でも、ベローズタンクより軽量かつ小型にできることが後述する実施例で確認された。

また、金属箔タンクの排出管から排出された液体推進薬を圧送圧力まで加圧する電動ポンプを有するので、液体推進薬をスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で圧送して補充することができる。
従って、本発明によれば、小型又は超小型の衛星に搭載可能に液体推進薬供給装置及び衛星用推進装置を小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値を満たすことができる。

特許文献１に開示された従来のベローズタンクの全体構成図である。本発明による衛星用推進装置の全体構成図である。金属箔タンクの説明図である。加圧媒体の説明図である。

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２は、本発明による衛星用推進装置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、液体推進薬供給装置１０と、衛星推進用のスラスタ３０と、を備える。

スラスタ３０は、内部に触媒を有し、液体推進薬供給装置１０から供給される液体推進薬Ｌを反応させて推進ガスＪ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。

スラスタ３０に必要な液体推進薬Ｌの供給圧力Ｐ１は、例えば１ＭＰａ～２ＭＰａの範囲であり、一定であることが好ましいが変動してもよい。

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、液体推進薬Ｌの流量を制御可能な流量調節弁であるのがよい。なお、推進薬供給元弁３２は、液体推進薬供給装置１０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開閉弁であってもよい。
フィルター３４は、液体推進薬Ｌに含まれる異物を除去する。

液体推進薬供給装置１０は、この例において、ベローズタンク１２、加圧ガス供給装置１４、及び推進薬圧送装置２０を備える。

ベローズタンク１２は、ガス室１２ａと液室１２ｂがベローズ１３で仕切られ、液室１２ｂに液体推進薬Ｌを充填可能になっている。ガス室１２ａに加圧ガスＧが密封され、液室１２ｂに液体推進薬Ｌが充填されている。
加圧ガスＧは、好ましくはヘリウム等の不活性ガス、又は窒素ガスである。液体推進薬Ｌは、例えば、酸化剤（液体酸素、硝酸、四酸化二窒素など）、燃料（ヒドラジン、ガソリン、アルコール、液体水素など）である。

加圧ガス供給装置１４は、ベローズタンク１２のガス室１２ａに加圧ガスＧを供給する。加圧ガスＧの圧力Ｐ２は、液体推進薬Ｌの供給圧力Ｐ１＋α（＞０）である。αは、ベローズタンク１２の作動時におけるガス室１２ａと液室１２ｂの圧力差である。αは、０．０１ＭＰａ以下であり、実質的に０であることが好ましい。

上述した構成により、加圧ガス供給装置１４により圧力Ｐ２の加圧ガスＧをベローズタンク１２のガス室１２ａに供給し、ベローズ１３を介して液室１２ｂを加圧し、液室１２ｂに充填された液体推進薬Ｌをスラスタ３０に供給することができる。この場合、スラスタ３０に供給される液体推進薬Ｌの圧力は、供給圧力Ｐ１である。
スラスタ３０に供給された液体推進薬Ｌは、触媒により反応して推進ガスＪを発生し外部に噴射される。
なお、ベローズタンク１２の個数は、液室１２ｂの総容量（有効推進薬保存量）が、スラスタ３０の１回以上の必要量になるように設定されている。

上述したように、ベローズタンク１２は内部に蛇腹構造（ベローズ１３）を保持しているため、有効推進薬保存量が少ない（例えば１００～３００ｃｃ程度）。
これに対し、衛星側の推進薬搭載量の要求値は、スラスタ３０の３回以上の噴射に相当する３～５リットル程度であり、大きく乖離している。
そのため１つのベローズタンク１２による液体推進薬Ｌの保存量は衛星側の要求量の１０％以下である。従って、図２の例のように、ベローズタンク１２を３つ設けた場合でも、スラスタ３０による推進ガスＪの噴射を必要回数の３０％以下しか実行できなかった。

図２において、推進薬圧送装置２０は、スラスタ３０に必要な液体推進薬Ｌの供給圧力Ｐ１を超える圧送圧力Ｐ３で液体推進薬Ｌを圧送する。
この図において、推進薬圧送装置２０は、金属箔タンク２２と電動ポンプ２８を有する。

図３は、金属箔タンク２２の説明図である。この図において、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は液体推進薬Ｌを充填した状態の側面図である。
この図において、金属箔タンク２２は、重ね合わされ外周縁が互いに溶着された２枚の金属箔２３からなり、金属箔２３の片面に固定された液体推進薬Ｌの排出管２４を有する。排出管２４は、例えば配管継手である。

なお、金属箔タンク２２は、１枚の金属箔２３を二つ折りにし、重ね合わされた３方の外周縁を互いに溶着して構成してもよい。また、金属箔タンク２２は、３枚以上の金属箔２３からなってもよい。
また、排出管２４は、複数の金属箔２３の中間部分に固定してもよい。

金属箔２３は、液体推進薬Ｌに対する耐食性を有するステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３０４）、チタン、チタン合金の箔であることが好ましい。
金属箔タンク２２の容量は、例えば１～３リットルであるのがよい。
金属箔２３の厚さは、金属箔タンク２２の容量を充填できる限りで軽量化のため薄いことが好ましく、例えば１０～１００μｍであるのがよい。
外周縁の溶着は、例えばレーザー溶接、シーム溶接、等によるのがよい。

上述した金属箔タンク２２を製作し試験した。製作条件と試験結果は以下の通りであった。
（１）２枚の金属箔２３として厚さ３５μｍのステンレス箔を用いた。金属箔２３の大きさは幅２００ｍｍ、長さ２５０ｍｍであり、外周縁をレーザー溶接で接合した。
（２）金属箔タンク２２に窒素ガスを充填し、大気圧下において約０．００４ＭＰａの充填圧で最大まで膨張することがわかった。
（３）最大膨張時において、約２リットルの液体（水）を充填可能であることを確認した。
（４）大気圧下において金属箔２３の弾性により、内部の液体（水）を排出可能であることを確認した。

上述した構成により、中空の金属箔タンク２２は、内部に充填した液体推進薬Ｌを金属箔２３の弾性により排出可能であることが確認された。

図３において、推進薬圧送装置２０は、さらに、金属箔タンク２２を囲み金属箔タンク２２の外面との間に加圧媒体２５を有する加圧ケース２６を有する
加圧媒体２５は、例えば、スポンジ、バネ、又は気体である。

図４は、加圧媒体２５の説明図である。
図４（Ａ）は、加圧媒体２５がスポンジ２５Ａの場合である。加圧ケース２６にスポンジ２５Ａを詰めておき、その反発力を金属箔タンク２２への加圧力として利用する。
図４（Ｂ）は、加圧媒体２５が圧縮バネ２５Ｂの場合である。加圧ケース２６の内面と金属箔タンク２２の外面との間に圧縮バネ２５Ｂを備え、加圧ケース２６から金属箔タンク２２を圧縮バネ２５Ｂで押すようになっている。
図４（Ｃ）は、金属箔タンク２２の外側が加圧した気体２５Ｃで封入されている。気体は好ましくは不活性ガスである。

加圧媒体２５は、大気圧以下の減圧空間において、金属箔タンク２２に圧力を付加するように設定されている。
衛星が飛行する宇宙空間は、大気圧以下の減圧空間であり、その圧力は、例えば、１０^－５～１０^５Ｐａである。１０^５Ｐａは大気圧に相当する。
この構成により、大気圧以下の減圧空間において、中空の金属箔タンク２２に充填された液体推進薬Ｌを金属箔２３の弾性と加圧媒体２５の圧力により、確実に排出し、電動ポンプ２８に供給することができる。

加圧ケース２６は、複数の金属箔タンク２２を囲むように構成してもよい。
また、加圧ケース２６は、大気圧以下の減圧空間において１又は複数の金属箔タンク２２を囲む形状を保持することが好ましい。
なお、金属箔タンク２２が、衛星が飛行する宇宙空間において、内部に充填した液体推進薬Ｌを金属箔２３の弾性により排出できる限りで、加圧ケース２６を省略してもよい。

図２において、電動ポンプ２８は、金属箔タンク２２の排出管２４から排出された液体推進薬Ｌを圧送圧力Ｐ３まで加圧する。
またこの図において、推進薬供給ライン３１には、推進薬供給元弁３２とベローズタンク１２の間に合流点Ａが設けられ、合流点Ａと電動ポンプ２８の吐出口とを結ぶ推進薬補充ライン３１ａには、逆止弁２９が設置されている。

この構成により、推進薬供給ライン３１の圧力が圧送圧力Ｐ３より低いときに、電動ポンプ２８により液体推進薬Ｌを圧送圧力Ｐ３で合流点Ａに圧送し、推進薬供給ライン３１を介してベローズタンク１２の液室１２ｂに供給することができる。

電動ポンプ２８は、ベローズタンク１２の液室１２ｂの総容量を１時間程度で充填できる超小型高出力電動ポンプであることが好ましい。
かかる超小型高出力電動ポンプは、推進薬供給元弁３２やフィルター３４と同等程度の大きさであり、液体推進薬供給装置１０及び衛星用推進装置１００の小型化に寄与する。
例えば、ベローズタンク１２の液室１２ｂの総容量が３００ｃｃ～９００ｃｃである場合、スラスタ側で必要となる流量を実現できる範囲の電動ポンプ２８を用いることとなり、電動ポンプ２８の必要流量は５～１５ｃｃ／ｍｉｎであり、航空宇宙用途の超小型ギアポンプを用いることができる。

推進薬圧送装置２０の作動は、推進薬供給ライン３１の圧力が圧送圧力Ｐ３より低いときに実施する。
例えば、ベローズタンク１２の液室１２ｂの液体推進薬Ｌが減少しており、推進薬供給元弁３２が全閉しているときに、推進薬圧送装置２０を作動させて、液室１２ｂに液体推進薬Ｌを供給するのがよい。
液室１２ｂに液体推進薬Ｌを供給することにより、ベローズ１３を介してガス室１２ａの加圧ガスＧは加圧ガス供給装置１４に押し戻される。

上述した本発明の構成によれば、金属箔タンク２２は１つあたり、５００～２０００ｃｃ程度とし、これを複数設けることで、衛星の要求（例えば、３０００～５０００ｃｃ）に応じて高い拡張性で推進薬搭載量を調整することができる。
また、電動ポンプ２８（例えば、超小型高出力電動ポンプ）は、衛星の電力使用状況に応じて数時間かけて充填することも、１時間以内に充填することも可能であり、衛星の運用自由度を阻害しない。
また、１～２つの金属箔タンク２２を１ユニットとして、衛星内の任意の箇所に分散配置することも可能であり、衛星の容積効率が向上する。
さらに、将来的に衛星間で自律的に液体推進薬Ｌを補充する際には、金属箔タンク２２は高圧でないため、金属箔タンク２２ごと交換したり、金属箔タンク２２に外部から液体推進薬Ｌを追加充填することが容易である。
また、電動ポンプ２８は作動させない状態では遮断弁相当の機能があり、安全性が高いシステムとなる。

上述した本発明の実施形態によれば、内部に充填した液体推進薬Ｌを大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンク２２が、重ね合わされ外周縁が互いに溶着された複数の金属箔２３からなる。
この構成により、金属箔タンク２２は、ベローズタンク１２の容量の１０倍を超える液体推進薬Ｌを内部に充填した場合でも、ベローズタンク１２より軽量かつ小型にできることが実施例で確認された。

また、金属箔タンク２２の排出管２４から排出された液体推進薬Ｌを圧送圧力Ｐ３まで加圧する電動ポンプ２８を有するので、液体推進薬Ｌをスラスタ３０に必要な液体推進薬Ｌの供給圧力Ｐ１を超える圧送圧力Ｐ３で圧送して補充することができる。
従って、本発明によれば、小型又は超小型の衛星に搭載可能に液体推進薬供給装置１０及び衛星用推進装置１００を小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値（例えば３～５リットル程度）を満たすことができる。

上述した実施形態において、液体推進薬供給装置１０のベローズタンク１２と加圧ガス供給装置１４を省略してもよい。
この場合、液体推進薬供給装置１０は、推進薬圧送装置２０のみで構成され、推進薬圧送装置２０から、推進薬供給元弁３２とフィルター３４を介してスラスタ３０に液体推進薬Ｌを圧送することができる。圧送された液体推進薬Ｌは、触媒により反応して推進ガスＪとして外部に噴射される。

例えば、消費推進薬量が、１つのスラスタ３０で約１８ｃｃ／ｍｉｎ、４つのスラスタ３０で約７２ｃｃ／ｍｉｎである場合に、約８０ｃｃ／ｍｉｎ以上の電動ポンプ２８を用いることで、ベローズタンク１２と加圧ガス供給装置１４を省略することができる。

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。

Ａ合流点、Ｇ加圧ガス、Ｊ推進ガス、Ｌ液体推進薬、
Ｐ１供給圧力、Ｐ２加圧ガスの圧力、Ｐ３圧送圧力、
１ベローズタンク、２ハウジング、２ａシェル、２ｂポート穴、
２ｃガスエンドカバー、２ｄガス注入口、３ガスプラグ、
４ベローズ、５ベローズキャップ、６ガス室、７液室、
８制御弁、１０液体推進薬供給装置、１２ベローズタンク、
１２ａガス室、１２ｂ液室、１３ベローズ、
１４加圧ガス供給装置、２０推進薬圧送装置、
２２金属箔タンク、２３金属箔、２４排出管、
２５加圧媒体、２６加圧ケース、２８電動ポンプ、２９逆止弁、
３０スラスタ、３１推進薬供給ライン、３１ａ推進薬補充ライン、
３２推進薬供給元弁、３４フィルター、１００衛星用推進装置

Claims

衛星推進用のスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で前記液体推進薬を圧送する推進薬圧送装置を備え、
前記推進薬圧送装置は、
前記液体推進薬の排出管を有し、内部に充填した前記液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクと、
前記排出管から排出された前記液体推進薬を前記圧送圧力まで加圧する電動ポンプと、を有し、
前記金属箔タンクは、重ね合わされ外周縁全体が互いに溶着された平板状の２枚の金属箔からなる、液体推進薬供給装置。
前記推進薬圧送装置は、前記金属箔タンクを囲み該金属箔タンクとの間に加圧媒体を有する加圧ケースを有する、請求項１に記載の液体推進薬供給装置。
前記加圧媒体は、スポンジ、バネ、又は気体である、請求項２に記載の液体推進薬供給装置。
ガス室と液室がベローズで仕切られ前記液室に前記液体推進薬を充填可能なベローズタンクと、
前記ガス室に前記供給圧力の加圧ガスを供給する加圧ガス供給装置と、を備えた請求項１に記載の液体推進薬供給装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体推進薬供給装置と、
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。