JPH09184452A - 液体推進剤高密度化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体本体の密度を増加させ且つ液体蒸気圧を
低下させるために推進ビークルのタンク内の低温液体推
進剤を過冷却させる装置及び方法を提供する。 【解決手段】 ビークル推進剤タンク（１）内の低温液
体推進剤（２５）を過冷却することにより、該推進剤を
高密度化させ、蒸気圧を低下させタンク動作圧力を低下
させる一方、同一の体積のタンク内においてビークル推
進剤タンクがより多量の燃料を担持することを可能とす
る。低温推進剤（２５）は、ビークルタンク（１）から
熱交換器（３０）及び圧縮器（１０）の組合わせを使用
する地上の冷却装置へ輸送することによって通常の沸点
温度レベル以下に過冷却させることが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、飛行物体等のビー
クルに設けたタンク内の液体推進剤を高密度化させる装
置及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばスペースシャトル、アトラス／セ
ントール（Ａｔｌａｓ／Ｃｅｎｔａｕｒ）、デルタ（Ｄ
ｅｌｔａ）等の低温液体酸素及び／又は水素を使用する
推進システムは、現在、地上施設の貯蔵タンクから燃料
が充填され、且つ、その後に、環境における熱の漏れ、
伝達ライン、及びタンク壁冷却の結果として液体によっ
て吸収される熱を除去するために、飛行タンク内におい
て冷却させる。液体の密度を増加させ、従ってタンク内
により大きなインパルス質量を格納することが可能であ
り、且つタンク動作圧力及びタンク重量を最小とさせる
ために液体蒸気圧を減少させるために、液体本体を冷却
させることが望ましい。

【０００３】液体本体からの熱の除去は、自然対流メカ
ニズム及び液体表面での蒸発に依存するものであるか
ら、比較的遅いプロセスである。表面蒸発を介しての液
体冷却の度合いは、更に、通気システム流れ抵抗（通気
弁及びライン）及び大気圧力（１４．７ｐｓｉａ）によ
って制限される。冷却時間を改善し且つ最終的な液体本
体の温度を最小とさせるために通気システム流れ抵抗を
減少させることは、比較的大型の通気弁及びライン構成
となり、そのことはビークルのペイロード重量を増大す
ることを表わしている。蒸発によって低温液体を高密度
化させる現在の方法は簡単なものであるが、それは飽和
密度及び１気圧における液体蒸気圧に制限されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、液体本体の密度を増加させ
且つ液体の蒸気圧を低下させるために推進ビークルのタ
ンク内の低温液体推進剤を過冷却させる技術を提供する
ことを目的とする。

【０００５】本発明の別の目的とするところは、推進剤
のより高い密度の状態及びより低いタンク動作圧力を使
用することによって推進ビークル貯蔵タンクの寸法及び
重量を減少させることである。

【０００６】本発明の更に別の目的とするところは、よ
り密度の高い推進剤を使用することによってロケットエ
ンジンの重量を減少させることである。

【０００７】本発明の更に別の目的とするところは、推
進ビークルの重量を減少させ且つペイロードを増加させ
ることである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段】本発明によれば、貯蔵タン
ク及び推進ビークルの寸法及び重量を減少させるため
に、低温液体を通常の沸点以下に更に冷却させる技術が
提供される。本発明によれば、再循環システムが該タン
ク内に位置され且つ冷却装置が地上に位置される。該タ
ンクの上部から暖かい液体が抜き出され且つ再循環シス
テムマニホールド及び転送ラインを介して地上の冷却装
置へ輸送される。その液体は後に地上の液体装置によっ
て冷却され且つ再循環ポンプを使用することによって該
タンクの底部へ再循環される。タンク内の液体全体が所
望のより高い密度及びより低い蒸気圧レベルへ過冷却さ
れるまで、タンクへ流れ込む過冷却された液体はその上
方のより暖かい液体層にとって代わる。液体の密度が増
加するとタンクの寸法がより小型となり且つ蒸気圧がよ
り低くなることはタンクの動作圧力がより低くなる。こ
れら２つの効果、即ちタンクの体積がより小さくなり且
つ動作圧力がより低くなることによって、タンクがより
軽量化し、且つビークル自体も軽量化される。過冷却さ
せたより密度の高い液体は、更に、メイン供給システム
の直径及びロケットエンジン構成要素（ポンプ、弁、ラ
イン）を減少させることを可能とし、そのことは、更
に、全体的なシステム重量を減少させることに貢献す
る。液体本体の冷却は再循環流れによって行なわれるの
で、推進剤本体を高密度化させるのに必要な時間は、ゆ
っくりとした自然対流伝熱プロセスと比較して、著しく
減少させることが可能である。液体推進剤を高密度化さ
せるのに必要な時間が減少されるので、積載動作が一層
短くなり且つ打上げコストが低下される。

【０００９】タンク冷却及び充填動作期間中に、タンク
の上部に位置させた再循環マニホールドは通気システム
としても機能することが可能であるので、通常タンク上
に設けてある通気弁は地上に設けることが可能である。
飛行タンク上ではなく地上に通気弁を配置させること
は、ビークルの重量を更に減少させることとなり、且つ
動作コストを更に低下させる。何故ならば、通気弁は再
使用可能であり且つ容易に交換可能だからである。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、低温液体２５
を収容するビークルタンク１が示されている。液体２５
は、最初に、供給源（不図示）へ接続しているメインの
転送ライン２からビークルタンク１へ流入する。充填・
排出弁１９が開放状態であると、液体はメイン供給ライ
ン１７を介して通過し且つビークルタンク１を冷却し且
つ充填を開始する。暖かいタンクを充填し且つタンクを
冷却させる結果として発生するボイルオフがタンクを過
剰に加圧させるので、ビークルタンク１のローディング
期間中、地上の通気弁５は開放状態である。地上の通気
弁５が開放状態であるので、ビークルタンク１内におい
て発生されるガスは通気ライン１３を介して施設ライン
１４へ流れ、そこで施設内において捕獲するか又は排出
させることが可能である。通気弁をビークルタンク１か
ら取り除き且つそれを地上の施設に設けることによっ
て、ビークルタンク１が接続されるビークルの重量を減
少させることが可能である（ビークルの上昇期間中に圧
力システムの欠陥が発生した場合に飛行中の圧力を解放
させるための緊急安全弁３がビークルタンク１に装着さ
れている。緊急の安全弁３は地上においては使用されて
いない。それは、リフトオフの後にビークルを保護する
ために設けられているに過ぎない）。ビークルタンク１
内の液体のレベルが再循環マニホールドの上方となる
と、再循環ライン４内のガスの流れから液体の流れへの
遷移が発生する。ビークルタンク１内の液体２５は、そ
れが再循環マニホールド２内に入り且つ再循環ライン４
内を輸送されてビークルから地上の冷却装置へ輸送され
ることが可能であるためには、再循環マニホールド２を
カバーせねばならない。次いで、地上の通気弁５を閉
じ、熱交換器１１及び再循環ポンプ７を駆動し、熱交換
器１１を介しての液体の過冷却を開始する。

【００１１】再循環ライン４から熱交換器タンク３０へ
の流れは２つの経路に分割される。一方の経路は熱交換
器タンク３０内の液体浴２６に対するものであり、該タ
ンクは熱交換器１１内の液体を蒸発によって冷却させる
ために使用される。この流れはポンプ分離弁６、熱交換
器流れ制御弁８、計量オリフィス９を介して熱交換器タ
ンク３０へ通過する。モータ４０を具備する圧縮器１０
が熱交換器タンク内の圧力を流体三重点圧力の上約０．
２ｐｓｉａへ低下させ、従って熱交換器タンク３０内に
は液体と蒸気相（固体相はなし）のみが存在する。この
熱交換器浴３０内の低い圧力レベルは、更に、低い浴圧
力へ液体が流れ込む結果として熱交換器タンク３０へ流
入する液体の温度及び浴温度を減少させる。熱交換器タ
ンク３０からの蒸気の排出は、後に、ライン１４によっ
て環境的に適切な捕獲装置（不図示）へ通気され、再循
環されるか又は廃棄されるか、又は安全である場合には
捨て去られる。熱交換器タンク３０の内部の液体レベル
センサ１２は、熱交換器流れ制御弁８を調節するために
使用されており、熱交換器流れ制御弁８は、液体浴２６
内の液体が熱交換器管１１をカバーするように浴２６内
の液体の量を計量する。

【００１２】上述した冷却剤の流れに対する変更例は、
低い熱交換器浴温度を発生するために冷却される液体と
は異なる液体を使用するものである。一例として、大気
圧以下の圧力において沸騰する液体窒素を使用すると、
同一の圧力において沸騰する液体酸素よりも一層低い浴
温度が得られる。従って、液体酸素を冷却するために液
体窒素を使用すると、液体酸素を冷却用の流体として使
用した場合よりも、より低い液体酸素温度、より高い密
度、且つより低い蒸気圧が得られる。異なる液体を使用
した場合には、冷却剤の流れは熱交換器制御弁８及び流
れ計量オリフィス９を介して冷却剤貯蔵タンク（不図
示）から供給される。

【００１３】再循環ライン４からの液体に対する第二経
路は、ポンプ分離弁６及び再循環ポンプ７を介して熱交
換器コイル１１へ至るものであり、熱交換器コイル１１
は、液体浴２６におけるより低温の沸騰液体によって冷
却される。その冷却された液体は帰還ライン１６を介し
て熱交換器タンク３０から出てメイン供給ライン１７へ
至り、ビークルタンク１の底部へ導入される。タンク内
の矢印で示したビークルタンク１内の液体２５の比較的
高い再循環流れによって現在可能であるよりも一層迅速
に液体２５の冷却が行なわれる。現在のシステムでは、
液体の表面での蒸発によって誘発される自然対流液体運
動に依存するものである。更に、熱交換器タンク３０に
おける圧縮器がビークルタンク１内の蒸発冷却によるよ
りもより低い温度へ冷却させることを可能とするので、
液体２５は、そうでない場合に可能であるよりもより低
い温度とし、従ってより高い密度とさせることが可能で
ある。このことは、ビークルタンク１がより大量の推進
剤を担持することを可能とする。ローディング時間及び
冷却時間はこの推進剤冷却方法によって減少され、それ
はビークルのターンアラウンドにおける節約である。更
に、タンクをより長い期間にわたり満杯且つ低温状態に
維持することによって打ち上げ時間に対する時間的余裕
を拡大することが可能である。

【００１４】ビークルタンク１内の液体が冷却し且つ高
密度化されると、ビークルタンク１へより多くの推進剤
を添加せねばならない。同一の液体が冷却材流体として
使用される場合に圧縮器及び通気ラインを介して失われ
る分を置換させるためにより多くの推進剤も添加されね
ばならない。

【００１５】システムに対してより低温且つより高密度
の液体推進剤を添加するために、供給源からの推進剤が
メイン施設転送ライン２０を介してシステムへ流入す
る。充填・排出弁１９が閉じられ且つ地上の補充弁１８
が開放されて、メイン供給ライン１７によってビークル
タンク１へ流入する前に、推進剤が熱交換器コイル１１
を介して流れ冷却され且つ高密度化されることを可能と
する。

【００１６】エンジンハードウエアを冷却するために再
循環流れの一部を分流させることによって点火の前にエ
ンジン、ポンプ及び弁を冷却するためにオプションとし
てのエンジン冷却ライン５０を使用することが可能であ
る。始動させる前にエンジンを低温の液体温度に維持す
るために、現在のところ、オンボード再循環ポンプ又は
オーバーボードブリードシステムが必要とされている。
再循環ポンプ又はブリードシステムは、長い時間の間動
作し、エンジンの構成要素が点火前に液体温度にあるこ
とを確保する。地上の冷却装置が設けられているので、
再循環ポンプ７はエンジン構成要素を介して流れを再循
環させるために必要な圧力上昇を与えることが可能であ
る。管路を構成し且つメイン供給ライン１７からのやや
冷却した液体をエンジンを介して流すことによって、オ
ンボード再循環ポンプ又はオーバーボードブリードシス
テムを除去することが可能であり、その結果ビークルの
重量及びコストを更に減少させることが可能である。

【００１７】液体本体の冷却及び高密度化プロセス期間
中に、ビークルタンク１はヘリウム等の非凝縮性ガス２
２でエンジン予備加圧レベルへ加圧される。再循環マニ
ホールドインレット２においてやや冷却された液体を供
給し、再循環ポンプにおいて正味正の吸引圧力を与え、
且つタンク内に正の圧力を与えるために、ビークルタン
ク１を加圧させる。加圧化においてビークルタンク１内
の液体２５を補充することによって他の２つの利点を得
ることが可能である。それらの利点のうちの１つは、圧
力によってタンク体積が増加するためにより多くの液体
質量をローディング即ち積載するために付加的なタンク
体積が得られる。

【００１８】液体推進剤２５を冷却しながら１乃至２時
間の間加圧化でビークルタンク１を補充することの別の
利点は、例えば最後の２，３分の期間中に加圧されるス
ペースシャトル等の現在の打ち上げビークルにおいて現
在なされているよりもより多くのヘリウム加圧ガスをビ
ークルタンク１の不足量内へ貯蔵させることが可能であ
るということである。より長い時間期間にわたり加圧化
で液体を補充することによって、ヘリウムガスは液体自
身の温度近くへ冷却することが可能であり、その結果よ
り高密度のガスを同一の体積内にローディングさせるこ
とが可能となる。液体酸素と共により多くのヘリウムガ
スを有することの利点は、上昇期間中にタンクを加圧さ
せるために必要とされるガス状酸素はより少なく、エン
ジンのシャットダウンにおいてガス質量はより軽量とな
り且つより多くの液体がインパルス推進剤として使用可
能となることである。より軽量のガス質量及び付加的な
液体インパルス推進剤の両方は付加的なペイロード能力
を与えることとなる。

【００１９】液体水素と共にヘリウムを使用することは
より低いガス質量となるものではないが、不足量ガスは
非凝縮性のヘリウムガスで飽和されているので、不足量
ガスはエンジンのスタート及びリフトオフの過渡的状態
においてより安定なものとなるので尚且つ有益的なもの
である。

【００２０】過冷却した液体酸素及び水素は通常の沸点
の液体よりもより密度が高いので、エンジンターボポン
プはより小型のものとすることが可能であるが、又はよ
り低速で動作することが可能であり、そのことは装置の
寿命を増加させる。従って、過冷却させたより密度の高
い推進剤の場合にはエンジン構成要素の寸法を減少させ
ることが可能であるので、更なるビークルの重量を減少
させることが可能である。

【００２１】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に基づく推進剤高密度化シ
ステムを示した概略図。

【符号の説明】

１ ビークルタンク ２ 再循環マニホールド ３ 安全弁 ４ 再循環ライン ５ 通気弁 ６ ポンプ分離弁 ７ 再循環弁 ８ 熱交換器流れ制御弁 ９ 計量オリフィス １０ 圧縮器 １１ 熱交換器 １２ 液体レベルセンサ １３ 通気ライン １４ 施設ライン ２０ 施設転送ライン ２５ 低温液体 ２６ 液体浴 ３０ 熱交換器タンク ４０ モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブ ピイ． ペトリヤ アメリカ合衆国， カリフォルニア 92720， アービン， エントラーダ ウ エスト 33 (72)発明者 マーチン イー． ロザーノ アメリカ合衆国， カリフォルニア 90603， ウィティアー， ラフォルジュ ストリート 15122

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビークル液体推進剤タンクにおいて液体
   を高密度化させる装置において、 液体推進剤を収容するビークルタンク、 前記液体推進剤を冷却させる熱交換器、 前記タンクから液体推進剤を除去するために前記タンク
   内に設けられた再循環マニホールド、 液体推進剤を冷却すべき前記熱交換器へ輸送させるため
   に前記ビークルタンク内の再循環マニホールドを前記熱
   交換器へ接続させている再循環ライン、 冷却させた液体推進剤を前記ビークルタンクへ輸送させ
   該タンク内の推進剤の温度を低下させるために前記熱交
   換器を前記ビークルタンクへ接続させている帰還ライ
   ン、を有することを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記熱交換器が、液
   体冷却剤を保持する熱交換器タンク、前記液体冷却剤に
   浸漬されている前記熱交換器タンク内の熱交換器コイ
   ル、を有しており、前記再循環ラインが前記熱交換器タ
   ンクへ液体推進剤を供給するための第一部分と前記熱交
   換器へ液体推進剤を輸送するための第二部分とに分割さ
   れており、前記液体冷却剤の蒸気圧及び温度を低下させ
   その際に前記熱交換器コイル内の液体推進剤を冷却させ
   るために圧縮器が前記熱交換器へ取付けられており、前
   記冷却された液体推進剤を前記ビークルタンクへ帰還さ
   せるために前記帰還ラインが前記熱交換器コイルへ接続
   されている、ことを特徴とする装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、液体推進剤供給源か
   ら前記ビークルタンクを充填し、補充し且つ排除させる
   ためにメイン供給ラインが前記ビークルタンクへ接続さ
   れていることを特徴とする装置。
4. 【請求項４】 請求項２において、前記液体推進剤をポ
   ンプ動作させるために再循環ポンプが前記再循環ライン
   へ接続されていることを特徴とする装置。
5. 【請求項５】 請求項１において、通気用に緊急通気弁
   が前記ビークルタンクへ取付けられていることを特徴と
   する装置。
6. 【請求項６】 請求項２において、前記ビークルタンク
   を通気させるために地上に設けた通気弁が前記再循環ラ
   インへ接続されていることを特徴とする装置。
7. 【請求項７】 請求項２において、前記ビークルタンク
   が上部及び底部を有しており、前記再循環マニホールド
   が前記ビークルタンクの上部近くに位置されており、且
   つ前記帰還ラインが前記ビークルタンク内の液体推進剤
   を循環させるために前記ビークルタンクの底部近くに位
   置されていることを特徴とする装置。
8. 【請求項８】 請求項２において、前記熱交換器コイル
   を液体推進剤内に浸漬させた状態を維持するために液体
   レベルセンサが熱交換器流れ制御弁を制御することを特
   徴とする装置。
9. 【請求項９】 請求項１において、前記熱交換器が、液
   体冷却剤を保持するための熱交換器タンクと、前記液体
   推進剤を冷却させるために前記熱交換器コイル内の液体
   推進剤よりも低い沸点を有する前記熱交換器コイル周り
   の冷却剤内に浸漬されている前記熱交換器タンク内の熱
   交換器コイルと、前記熱交換器コイル周りの冷却剤を冷
   却させるように前記液体冷却剤蒸気圧及び温度を低下さ
   せるために前記熱交換器タンクに取付けた圧縮器とを有
   しており、前記冷却した液体推進剤を前記ビークルタン
   クへ帰還させるために前記帰還ラインが前記熱交換器コ
   イルへ接続されていることを特徴とする装置。
10. 【請求項１０】 ビークル液体推進剤タンク内の液体を
    高密度化させる方法において、 ビークルタンク内に液体推進剤を格納し、 再循環ラインを介して前記タンクから熱交換器へ前記液
    体推進剤を移動させ、 前記熱交換器において前記液体推進剤を冷却し、 メイン供給ラインを介して前記熱交換器から前記ビーク
    ルタンクへ前記冷却させた液体推進剤を移動させ、その
    際に前記ビークルタンク内の液体推進剤を冷却させる、
    上記各ステップを有することを特徴とする方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、 前記熱交換器へ液体冷却剤浴を導入し、 前記冷却剤浴内に浸漬させた熱交換器コイルを介して液
    体推進剤を通過させ、 圧縮器によって前記熱交換器内の蒸気圧を低下させ、そ
    の際に前記熱交換器内の液体冷却剤を蒸発冷却させる、
    上記各ステップを有することを特徴とする方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記再循環ライ
    ンから前記液体推進剤を通気させるステップを有するこ
    とを特徴とする方法。
13. 【請求項１３】 請求項１０において、前記熱交換器コ
    イルを介して前記液体推進剤をポンプ動作させるステッ
    プを有することを特徴とする方法。