JP7425895B2 - スラスタ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、推進エンジンに係り、特に、電熱スラスタ（小型ロケットエンジン）組立体に関する。

人工衛星のサイズにおける最近の傾向は、非常に小型化された推進システムに向かっている。キューブサット（ＣｕｂｅＳａｔ）は、宇宙研究のための一種の小型化された人工衛星であり、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍの立方体ユニットにより作られている。キューブサットや同様なより小型の人工衛星により、小型の推進システムの需要が高まり、さらに、最近及び今後の打ち上げの大部分はキューブサットの領域となっている。宇宙技術に関する教育ノウハウを増やすことを目指す簡易な工学的な実験から、多様な研究プログラムに合わせた高度に専門化された科学的ミッションまでの領域が、使命となっている。

推進システムを小型化することに関連した課題は、人工衛星の姿勢をどのようにして正確に制御するかである。例えば、研究使命として、地球、太陽、又は天体空間における固定点における人工衛星の機器の正確な目標（決め）が一般的に要求されている。多くの場合、その使命の科学的価値は、人工衛星の正確な制御性や衛星姿勢に関するリアルタイム情報に、決定的に依存している。

機器の目標における明らかな必要性の他に、姿勢制御は、電気エネルギーを生じさせるためのソーラパネルの目標決めを可能とするので人工衛星の操作寿命を長くし、早期に軌道を逸脱させる地球低軌道（ＬＥＯ）上での空気抗力を最小化するための人工衛星の姿勢調整のためのツールとして使用できる。他の用途として、１つのスラスタシステムにより効果的に実行される衝突回避がある。

さらに、姿勢制御や小さな軌道の変更性能を持つ小型の人工衛星を備えたスラスタシステムの増大する需要について、信頼性のある低コストの解を得るための設計や大量生産においては、高性能のマイクロ工学やマイクロエレクトロニクスが必要となっている。

本発明は、上述した課題を解決することができるスラスタ組立体を提供することを目的としている。本発明の目的は、独立請求項に記載された技術事項を特徴とする装置により達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、スラスタ本体及び異なる熱膨張係数を持つバルブ部品を有するスラスタのアイデアに基づいている。

この装置の利点は、小型化及び制御性能において信頼性がある連続生産のための適切なスラスタシステムを提供することである。

本発明の実施形態によるスラスタ組立体を示す。 本発明の第１実施形態によるスラスタの断面図である。 第１実施形態によるスラスタの他の例を示す。 第１実施形態によるスラスタの他の例を示す。 第１実施形態によるスラスタの他の例を示す。 第１実施形態によるスラスタの他の例を示す。 本発明の第２実施形態によるスラスタの開いた状態を示す。 図４に示す実施形態の第１温度における状態を示す。 図４に示す実施形態の第２温度における状態を示す。

図１は、本発明の実施形態によるスラスタ組立体を示している。このクラスタ組立体は、スイッチ１と、スラスタ２と、推進剤タンク３と、主バルブ４と、推進剤経路（推進剤チャネル）５を備えている。スイッチ１は、電気制御システムの一部であってもよく、例えば、光起電性セルのような電源に接続されている。推進剤タンク３は、推進剤を貯蔵し加圧するためのものである。好適な推進剤は、例えば、水、又は、他のガス化できる又はガス状の物質、又は、キセノンのような混合物である。主バルブ４は、推進剤経路５を通る推進剤の流れを制御するように構成され、推進剤経路５は推進剤をスラスタ２に導くものであり、推進剤経路５で、推進剤は加熱されて吐出され、これにより、推進剤経路５は推進力を発生させて、スラスタ組立体及びこれに取り付けられた人工衛星や宇宙船を移動させる。主バルブ４は、さらに、真空中で操作する際の推進剤の漏洩に対する安全を保障している。主バルブ４からの小さなインパルスビットにより、宇宙船を移動させる際の正確な位置決め及び動的制御が可能となる。

推進剤タンク３は、１つ以上の多数の主バルブ４に接続されてもよいし、さらに、主バルブ４は、１つ以上の複数のスラスタ２への推進剤の流れを制御してもよい。スラスタ組立体の実施形態では、推進剤経路５は、主バルブ４に接続されることなく、タンク３に直接接続されてもよい。推進剤は、タンク３内で加圧されるｓことにより、スラスタ２に供給される。この推進剤は、ダイヤフラムや加圧剤を用いた袋状構造物、又は、機械式スプリングを用いて、タンク３内の推進剤を加圧することにより、又は、機械式ポンプなどの他の手段又は推進剤を加圧剤として使用することにより、スラスタに供給される。実施形態において、推進剤経路５の一端は、スラスタ２に固定接続により結合されてもよいし、推進剤経路５は、スラスタ２の一部として作られてもよい。実施形態において、推進剤経路５は、毛細管でもよい。毛細管を使用することにより、推進剤タンク３内の圧力は、他のタイプの経路に比べてより低い圧力に保持される。

図２は本実施形態によるスラスタの断面図を示している。スラスタ２は、スラスタ本体２１と、バルブコンポーネント２２と、スラスタ本体２１とバルブコンポーネント２２との間の空間２０と、電気的に制御される加熱要素２３と、ノズル２５を有する。空間２０は、推進剤経路５から推進剤を受け取り且つ推進剤がノズル２５から放出される前に推進剤を加熱するために設けられている。

スラスタ本体２１は、第１熱膨張係数の材料により作られた中空ハウジングであり、この材料は、例えば、９ １０^-6 Ｋ^-1の線形熱膨張係数を持つチタニウムであってもよい。バルブコンポーネント２２は、スラスタ本体２１の内側に配置され、半球状の端部を持つ円筒断面のカプセル２２であってもよい。このような形状は、小型の人工衛星を設計する際、微細加工を簡単に行うことができる。本実施形態においては、バルブコンポーネント２２の形状は、ボール形状や直径が変化する針状のものであってもよい。バルブコンポーネント２２は、第２熱膨張係数の材料により作られており、この第２熱膨張係数は上述した第１熱膨張係数と異なる値であり、この材料は、例えば、３ １０^-6 Ｋ^-1の線形熱膨張係数を持つシリコンであってもよい。

本実施形態において、第１熱膨張係数は、第２熱膨張係数よりも大きな値である。他の実施形態において、第１熱膨張係数は、第２熱膨張係数よりも小さな値であってもよい。異なる材料は異なる熱膨張係数を持っており、最も好ましい材料の組合せは、ステンレス鋼と炭化ケイ素のような金属とセラミック、又は、銅又はアルミニウムのような熱膨張係数が大きく異なるような金属、又は、十分な作動温度及び熱膨張係数の差異を持つ材料である。線形熱膨張係数の差異は、予定した温度と作動温度との間の望ましい温度差や、スラスタ寸法や静的設置応力のような他のパラメータにより、選択される。より低い熱膨張係数の差異は、より大きな温度差が必要となる。

電気的に制御される加熱要素２３は、スイッチ１の作動に対応して、第１温度から第２温度までスラスタ２を加熱するように構成されている。例えば、第１温度は典型的には－５～２０℃の宇宙船の規定された本体温度であり、第２温度は６００～１０００℃であり、この第２温度のとき、シール面２４を持つスラスタ２１とバルブコンポーネント２２により生じる熱膨張により、ノズル２５が閉じられる。電気的に制御される加熱要素２３は、例えば、スラスタ本体２１のまわりに巻かれた抵抗ワイヤであってもよく、又は、誘導加熱器や非導電性材料上に選択的に配置された抵抗層のようなスラスタ２を第２温度まで加熱する他の加熱要素であってもよい。例えば、バルブコンポーネントが１０ｍｍの長さで５ １０^-6 Ｋ^-1の熱膨張係数の差異があり且つ第１温度と第２温度が８００℃の差異があると、シール面２４に０．０４ｍｍの隙間が生じ、この隙間により、スラスタ２内の推進剤の流れが許容される。推進剤が第２温度まで加熱されると、圧力が運動エネルギにより増大し、この圧力により、加熱されたガスがノズル２５から排出されたとき、スラスタ組立体が宇宙で移動することができる。電気的に制御される加熱要素２３が温度低下すると、スラスタ２の温度は第１温度まで低下し、シール面２４はノズル２５を再び閉じる。電気的に制御される加熱要素２３は、バルブコンポーネント２２と推進剤の加熱の両方を制御することにより、スラスタの第１電気制御を可能とする。これは、スラスタ２を断続的に駆動するための簡易で効率的な手法である。

図２に示すように、第１温度では、バルブコンポーネント２２はスラスタ本体２１と推進剤経路５との間で圧縮され、バルブコンポーネント２２には、推進剤経路５がバルブコンポーネント２２と接触することによりシール面２４が形成される。スラスタ本体２１と推進剤経路５とは、例えば、レーザ溶接により固定接続されている。図２に示すように、バルブコンポーネント２２の表面は、推進剤経路５と接触している。しかしながら、他の実施形態（例えば、図３Ａ～図３Ｄ参照）においては、バルブコンポーネント２２の表面は、スラスタ本体２１と接触してもよい。接触するとき、ノズル２５は閉じられており、推進剤が排出されるのを防止している。この構造により、推進剤の加熱とバルブ操作が同時に行われるようになっている。バルブコンポーネント２２は、加熱電力がオフとなった後に、より早く温度が低下し、さらに、スラスタ２の反応速度を増大させる。

第２温度まで加熱されたとき、スラスタ本体２１は、バルブコンポーネントよりも膨張し、これにより、シール面２４が推進剤経路５から離れる。バルブコンポーネント２２及び推進剤経路５又はスラスタ本体２１を離し、シール面２４に隙間を形成することにより、ノズル２５が開となる。シール面２４が開放されたとき、バルブコンポーネント２２は、空間２０内を移動することができ、さらに、推進剤の圧力によりノズル２５に向かって押される。実施形態において、バルブコンポーネント２２の先端には、経路２８が形成され、この経路２８により、推進剤の流れは、バルブコンポーネント２２がノズル２５に向かって押されるときにも、制限されることがない。このように、バルブコンポーネントの先端は、ノズル２５に最も近い。

シール面２４は、スラスタ本体２１とバルブコンポーネント２２が第１温度のとき、接触するようになっており、このとき、推進剤がノズル２５に向かって漏洩することが防止される。シール面２４は、スラスタ本体２１とバルブコンポーネント２２が第２温度のとき、離れるようになっており、このとき、推進剤がノズル２５に向かって通過することを許容する。実施形態においては、バルブコンポーネント２２の一端が、スラスタ本体２１と固定接続されており、この固定接続は、例えば、レーザ溶接、又は、バルブコンポーネント２２とスラスタ本体２１とのネジ接続により達成される。バルブコンポーネント２２をスラスタ本体２１に固定することにより、シール面２４を離すために必要な温度差を生じさせることができ、この温度差は、バルブコンポーネント２２がスラスタ本体２１に組立時に挿入されて材料に応力が生じて、温度と力が変化することにより、調整される。バルブコンポーネント２２又はスラスタ本体２１は、バルブコンポーネント２２がスラスタ本体２１に固定接続されているとき、推進剤をノズル２５に向かって流すための上述した経路２８と類似した経路を備えるものであってもよい。このような経路は、固定接続又はその隣に位置するものであってもよい。バルブコンポーネント２２は、より大きな温度膨張を許容する拘束要素の間で自由に浮くものであってもよい。

ノズル２５は、スラスタ本体２１の一部として作られてもよく、さらに、収束発散ノズルのような推進ノズル孔を備えてもよい。収束発散ノズルは、中央が狭い管のような形状であり、さらに、非対称な砂時計のような形状として設けられている。ノズルは、推進剤の熱エネルギーを更なるターボブーストを生じる運動エネルギーに変換することにより、ノズルを通過する高温で加圧された推進剤を推力の方向により高い超音速まで加速するために使用される。断面積が最小となる推進ノズル孔において、推進剤の速度は、局所的に音速となる。収束発散ノズルの断面積は増大しているので、推進剤は膨張し始め、さらに、推進剤の流れは超音速まで増速される。推進剤は、推進ノズル孔から出て行くので、面積が増加することにより、ジュール・トンプソン膨張（Joule-Thompson expansion）が生じ、この膨張により、推進剤は、超音速で、高圧から低圧まで膨張して、質量流れの速度を音速を超えて押し出す。これにより、出力消費を低減し、推力を増加させ、さらに、このシステムを複合推進剤システムと一体化することができ、異なる推進剤を使用することができる。

ノズル２５をスラスタ本体２１の一部として作る場合、ノズル２５がスラスタ本体２１と一体化したときの単一の個体部品となる。この一体化構造により、スラスタの先端を少し変えて冷却ガスシステムとすることができる。これにより、冷却ガスシステムをバルブコンポーネント２２と共に推進剤を加熱してターボブーストを生じさせる高温ガスシステムに変換したとき、スラスタ２の有用な用途が増大する。

電気的に制御される加熱要素２３は、絶縁体２６により絶縁され、この絶縁体２６は、加熱要素２３のまわりのグラスファイバーや他の非導電性材料であり、この絶縁体２６により、加熱要素２３自体及びスラスタ本体２１から絶縁される。スラスタ本体２１及び絶縁され電気的に制御される加熱要素２３は、スリーブ２９により取り囲まれ、このスリーブ２９により、電気的に制御される加熱要素２３が所定の位置に保持され、さらに、スラスタ本体２１と加熱要素２３から放射された熱がスラスタ本体２１に向けて反射させる。スリーブ２９は、スラスタ２の外層であり、スラスタ本体２１と同じ又は異なる材料により作られている。加熱要素２３は、熱膨張係数と同様にその特定の温度によりノズル部分に影響を与えるものであってもよく、この特定の温度は、スラスタ２の上流側部分における温度と異なっていてもよい。

図３Ａ乃至図３Ｄは、スラスタ本体２１、バルブコンポーネント２２、空間２０、シール面２４、ノズル２５をどのように設計し得るかを示す他の例である。図３Ａ乃至図３Ｄにおけるバルブコンポーネント２２のシール面２４は、スラスタ本体２１と接触する面である。これらの例は、上述した実施形態と同様であり、スラスタ本体２１は、バルブコンポーネント２２の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有している。例えば、図３Ａと図３Ｂの例においては、バルブコンポーネント２２は、スラスタ本体２１の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有し、図３Ｃと図３Ｄの例においては、バルブコンポーネント２２は、スラスタ本体２１の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有している。図３Ｃと図３Ｄの例では、熱膨張により、バルブコンポーネント２２は、スラスタ本体２１より長くなり、シール面２４を離すようになる。図３Ａと図３Ｃに示すように、シール面２４はノズル２５に近い位置にあり、図３Ｂと図３Ｄに示すように、シール面２４は推進剤経路５に近い位置にある。

図４及び図５Ａは、他の実施形態によるスラスタ２の開いた状態の図面である。シール面２４を接触させたり離したりする原理は、図２で示した実施形態と類似している。同じである。しかしながら、他の実施形態においては、スラスタ２の全体が、薄板状のセラミックの薄板状部として作られててもよいし、又は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の一部として作られてもよい。薄板及びＭＥＭＳリソグラフィーの技術により、原材料の単一ブロックから作ることができるようになり、それにより、最終製品における組立体や継ぎ目の数を減少させることができる。この技術により、スラスタをより小型化されたナノ技術による構造物とすることができる。これにより、ノズル２５、バルブコンポーネント２２及び加熱要素２３を同じシステム内で一体化する３つの部品の一体化が可能となる。この実施形態において、バルブコンポーネント２２は、スラスタ本体２１よりも高い熱膨張係数を持つバルブストリップ（細長い一片）２２－２として配置されるものであってもよい。実施形態において、薄板状の構造体とすることにより、推進剤経路５とノズル２５をスラスタ本体２１と同じ部分として直接的に作ることができる。推進剤経路５をスラスタ本体２１と同じ部分として作ることにより、スラスタ２全体の製造可能性が改善される。

バルブストリップ２２－２は、チタニウム又は銅チタニウムのバイメタルのような１又は複数の材料から作ってもよい。バルブストリップ２２－２は、単一の機能材料の構造体として製作されてもよい。バルブストリップ２２－２は、少なくとも１つの孔２７又は流れを可能とする他の特徴、及び、面を備えている。この面は、図５Ａに示すように、スラスタ２が第１温度のとき、ノズル２５の入口とスラスタ本体２１と接触してシール面２４を形成し、一方、図５Ｂに示すように、スラスタ２が第２温度まで加熱されたとき、ノズル２５を開くようになっている。バルブストリップ２２－２の両端は、スラスタ本体２１により、バルブストリップ２２－２がスラスタ本体２１の内側にシフトしないように、拘束されている。これは、例えば、スラスタ本体２１内のノッチ又は両端間の溶接のような固体接続の特徴により達成される。

第１温度のとき、バルブストリップ２２－２は、真っすぐで、ノズル２５に最も近い空間２０と同じ幅を備え、ノズル２５に向かう側面は、スラスタ本体の壁に接触している。このとき、孔２７とシール面２４又はこれらの両方が壁によりブロックされているので、シール面２４が接触されるようになっている。バルブストリップ２２－２の熱膨張係数はスラスタ本体２１よりも高いので、又は、バイメタルのストリップの場合には、ノズル２５に向いた側面の熱膨張係数はスラスタ本体２１よりも低いので、バルブストリップ２２－２は空間２０に向かって内側に曲がる。この曲がりにより、シール面２４が開放されノズル２５を開き、推進剤が壁によりもはやブロックされていない孔２７を通って流れる。

電気的に制御される加熱要素２３は、スラスタ本体２１内に設けられた抵抗素子を備え、この抵抗素子は、例えば、スラスタ本体２１上に選択的にメッキされるようなものであってもよい。電気的に制御される加熱要素２３は、その代わりとして、スラスタ本体２１の外側に設けるようにしてもよい。

上述した実施形態によるスラスタにおいては、制限された部品数及び小型化が実現される。スラスタ２は、長さが５ｍｍより短いものが可能となる。実施形態において、スラスタ２の全部を組立てるのに、２つの部品が必要となる。部品の数を減らすことにより、可能性のある故障の原因の数も減少し、これにより、製品の信頼性が高まり、さらに、システムの組立時間や重量を低減することができる。また、連続して生産する際の製造可能性を高め、さらに、製造における部品の品質や再現性を高めることができる。さらに、最大の推力のものまで拡張できる拡張性があり、大きなレンジの推力のレベルのための共通の基礎設計を提供できる。

Claims (13)

1. 電源に接続されたスイッチ（１）と、
   スラスタ（２）と、
   推進剤を貯蔵し且つ加圧する推進剤タンク（３）と、
   推進剤をスラスタ（２）に導く推進剤経路（５）と、を有し、
   前記スラスタ（２）は、
   前記推進剤経路から推進剤を受け取る空間（２０）と、
   電気的に制御される加熱要素（２３）と、
   第１熱膨張係数を持つスラスタ本体（２１）と、
   第１熱膨張係数とは異なる値の第２熱膨張係数を持ち前記スラスタ本体（２１）内に配置されたバルブコンポーネント（２２）と、を備える、スラスタ組立体であって、
   スラスタ組立体は、さらに、
   前記スラスタ本体（２１）と単一の個体部品として一体化している収束発散ノズル（２５）であって、この収束発散ノズルは推進剤ノズル孔を備えた前記収束発散ノズル（２５）を有し、
   前記バルブコンポーネント（２２）は、第１温度で前記収束発散ノズル（２５）を閉じるシール面（２４）を備え、
   前記電気的に制御される加熱要素（２３）は、前記スイッチ（１）の作動に対応して、第２温度まで前記スラスタ（２）を加熱し、この第２温度で、前記スラスタ（２）の熱膨張により前記収束発散ノズル（２５）を開くことを特徴とするスラスタ組立体。
2. 前記バルブコンポーネント（２２）の一端は、前記スラスタ本体（２１）に固定接続されている、請求項１に記載のスラスタ組立体。
3. 前記バルブコンポーネント（２２）は、円筒部分を持つカプセル（２２－１）である、請求項１に記載のスラスタ組立体。
4. 前記スラスタ本体（２１）は、前記バルブコンポーネント（２２）よりも高い熱膨張率を持つ、請求項１乃至３の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
5. 前記スラスタ本体（２１）は、薄板状のセラミック又はＭＥＭＳを持つ薄板状の構造体を備えた、請求項１に記載のスラスタ組立体。
6. 前記バルブコンポーネント（２２）は、少なくとも１つの孔を備えたバルブストリップ（２２－２）である、請求項５に記載のスラスタ組立体。
7. 前記バルブストリップ（２２－２）は、前記スラスタ本体（２１）よりも高い熱膨張係数を持ち、さらに、前記バルブストリップ（２２－２）の両端は、前記第２温度まで加熱されたとき、前記バルブストリップ（２２－２）が熱膨張により内側に曲がるように、前記スラスタ本体（２１）に固定接続されている、請求項６に記載のスラスタ組立体。
8. 前記薄板状の構造体にすることにより、前記推進剤経路（５）は、前記スラスタ本体（２１）と同じ部分で作られることが可能となる、請求項５乃至７の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
9. 前記シール面（２４）は、前記スラスタ本体（２１）と接触する前記バルブコンポーネント（２２）の面、又は、前記推進剤経路（５）と接触する前記バルブコンポーネント（２２）の面である、請求項１乃至８の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
10. 前記スラスタ本体（２１）は、スリーブ（２９）により取り囲まれている、請求項１乃至９の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
11. さらに、前記スラスタ（２）への推進剤の流れを制御する主バルブ（４）を有する、請求項１乃至１０の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
12. 前記電気的に制御される加熱要素（２３）は、前記スラスタ本体（２１）のまわりに巻かれた又は前記スラスタ本体（２１）の内側に設けられ抵抗ワイヤである、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のスラスタ組立体。
13. 前記スラスタ（２）は、長さが５ｍｍよりも短い、請求項１乃至１２の何れか１項に記載のスラスタ組立体。

Images