WO2016158538A1 - 宇宙航行体用の推進薬タンク及び宇宙航行体 - Google Patents

宇宙航行体用の推進薬タンク及び宇宙航行体 Download PDF

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佳太郎 石川
太一 青山
紀世志 杵淵
耕一 沖田
渉 更江
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三菱重工業株式会社
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a propellant tank and a spacecraft for a spacecraft that store liquid phase propellants.
  • a tank that is provided in the upper stage of a rocket and stores fuel is known (for example, see Patent Document 1).
  • the tank is provided with a gas supply and extraction device, and the fuel in the tank is extracted by supplying gas into the tank.
  • a propellant tank that is placed in a zero-gravity or microgravity environment and contains a thruster for artificial satellite thrusters is known (for example, see Patent Document 2).
  • This propellant tank includes a tank main body and a propellant supply pipe that allows the propellant to flow in along the circumferential direction of the inner wall surface of the tank main body. For this reason, the propellant tank can perform gas-liquid separation so that the tank inner wall surface side is in the liquid phase and the tank center side is in the vapor phase.
  • JP 2008-189304 A Japanese Patent No. 4660966
  • the tank receives radiation heat from the sun. For this reason, liquid phase propellants such as liquid hydrogen or liquid oxygen stored in the tank will evaporate when they come into contact with the inner wall of the tank.
  • the propellant since the propellant must be supplied to the rocket engine in a liquid phase state, if the propellant evaporates, the propellant usable in the rocket engine is reduced. In particular, when the spacecraft travels in space, the amount of propellant that evaporates increases, making it difficult to execute a predetermined mission using the propellant.
  • an object of the present invention is to provide a propellant tank for a spacecraft and a spacecraft that can suppress evaporation of a liquid propellant stored in the propellant tank.
  • the propellant tank for a spacecraft is a propellant tank for a spacecraft capable of discharging the propellant stored in the interior toward the engine by being pressurized by the working gas.
  • the tank main body for storing the propellant in a liquid phase state is provided inside the tank main body, and is disposed with a predetermined gap from the inner wall of the tank main body.
  • a holding container capable of holding the propellant in a liquid phase in a microgravity state or a weightless state.
  • the spacecraft of the present invention includes a tank main body for storing a propellant in a liquid phase, and is provided inside the tank main body, and is disposed with a predetermined gap from an inner wall of the tank main body.
  • a propellant tank having a storage portion capable of holding the propellant in a liquid phase when the inside of the tank body is in a microgravity state or a weightless state; and the propellant to discharge the propellant
  • An air reservoir for supplying a working gas for pressurizing the inside of the tank.
  • the floating liquid propellant when the spacecraft navigates in outer space, the floating liquid propellant can be held inside the holding container while the inside of the tank body is in a microgravity state or a weightless state.
  • a gap is formed between the inner wall of the tank main body and the holding housing portion, it is possible to prevent the liquid phase propellant from coming into contact with the inner wall of the tank main body and evaporating.
  • evaporation of a liquid phase propellant can be suppressed, it can suppress that the propellant which can be used decreases, and can use a propellant efficiently.
  • the holding and accommodating portion can pass the propellant in a liquid phase state when being pressurized with the working gas.
  • the inside of the tank main body is pressurized with the working gas, so that the propellant stored inside the holding housing portion is allowed to pass through the holding housing portion. It can be discharged outside the tank body.
  • maintenance accommodating part can be suitably supplied toward an engine.
  • the holding and accommodating portion is configured using a material capable of acting on the surface tension of the propellant in a liquid phase state.
  • the liquid phase propellant can be held inside the holding container by surface tension. For this reason, when the working gas is not pressurized, the liquid phase propellant is held inside the holding housing portion, while when the working gas is pressurized, the liquid phase propellant is placed outside from the holding housing portion. Can be discharged.
  • the material capable of acting on the surface tension of the propellant in the liquid phase include a mesh material having a mesh or a porous sheet material.
  • the holding and accommodating portion is configured using a mesh material having a mesh.
  • the holding and accommodating portion can be configured using a net material, the surface tension can be easily set depending on the number of meshes of the net material.
  • maintenance accommodating part should just be the net
  • the mesh material is preferably a wire mesh.
  • the mesh material can be formed of a wire mesh, even when using cryogenic liquid oxygen or cryogenic liquid hydrogen as the propellant, it retains resistance to the propellant. It can be a housing part.
  • the net member is a net composed of polytetrafluoroethylene.
  • the net material can be constituted by a net (PTFE net) using polytetrafluoroethylene, the case where cryogenic liquid oxygen or cryogenic liquid hydrogen is used as a propellant. Even if it exists, it can be set as the holding
  • the PTFE net is lighter than the wire mesh, the weight of the holding and accommodating portion can be reduced, and an increase in the weight of the spacecraft due to the provision of the holding and accommodating portion can be suppressed.
  • connection member for connecting the inner wall of the tank body and the holding housing portion is further provided, and the connection member is configured using a low heat transfer material.
  • the holding member can be fixed to the inner wall of the tank body while the gap is formed between the holding member and the inner wall of the tank body by the connecting member.
  • the connecting member can be configured using a low heat transfer material, the heat of the tank body can be made difficult to be transmitted to the holding housing portion, and therefore, evaporation of the liquid phase propellant can be further suppressed. Can do.
  • a low heat-transfer material it is a fiber reinforced plastic, for example, and should just have a heat-transfer property lower than the material which comprises a tank main body.
  • a reservoir housing portion provided on the propellant discharge side inside the holding housing portion and capable of holding the propellant in a liquid phase.
  • the liquid phase propellant can be held in the reservoir housing portion, the liquid phase propellant can be held on the propellant discharge side in the holding housing portion. For this reason, it is possible to suitably supply the liquid phase propellant to the engine while suppressing the inflow of the gas phase propellant into the engine at the time of ignition of the engine and before the acceleration at the initial stage of ignition is applied. it can. Thereby, in an engine, a propellant can be burned suitably.
  • the reservoir housing part is provided with a relief valve for discharging the propellant that has become a gas phase inside the reservoir housing part.
  • the gas phase propellant can be discharged from the reservoir housing portion via the relief valve. For this reason, it can suppress that a gaseous phase propellant is supplied to an engine.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a part of a rocket as a spacecraft according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing the inside of the fuel tank and the oxidant tank.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a part of a rocket as a spacecraft according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a schematic configuration schematically showing the inside of a fuel tank and an oxidant tank.
  • the propellant tank of the present embodiment is a tank for storing a propellant used in a spacecraft.
  • the propellant include liquid hydrogen (LH 2 ) as a fuel and liquid oxygen (LO 2 ) as an oxidant. ) Applies. That is, the propellant tank is applied to the fuel tank 6 that stores liquid hydrogen and the oxidant tank 7 that stores liquid oxygen.
  • the spacecraft include a flying object such as a rocket, an artificial satellite, a space base, or the like.
  • the rocket 1 includes a frame 5, a fuel tank 6 supported on one side (the upper side in the figure) of the frame 5, and an oxidant tank supported on the other side (the lower side in the figure) of the frame 5. 7, a rocket engine 8 that burns fuel to generate propulsion, and an air accumulator 9.
  • the frame 5 has a truss structure and is provided between the fuel tank 6 and the oxidant tank 7.
  • the frame 5 has one side fixed to the fuel tank 6 and the other side fixed to the oxidant tank 7, and supports the fuel tank 6 and the oxidant tank 7.
  • the fuel tank 6 is, for example, a liquid hydrogen tank that stores cryogenic liquid hydrogen as fuel.
  • the fuel tank 6 can supply liquid hydrogen to the rocket engine 8 by supplying the working gas from the gas accumulator 9 and pressurizing the inside thereof.
  • the oxidant tank 7 is, for example, a liquid oxygen tank that accumulates cryogenic liquid oxygen as an oxidant.
  • the oxidizer tank 7 can supply liquid oxygen toward the rocket engine 8 by supplying the working gas from the gas accumulator 9 and pressurizing the inside thereof.
  • the oxidant tank 7 is disposed to face the fuel tank 6 with the frame 5 interposed therebetween.
  • the rocket engine 8 is provided on the lower side of the oxidant tank 7, that is, on the opposite side of the fuel tank 6 with the oxidant tank 7 interposed therebetween.
  • the rocket engine 8 mixes the liquid hydrogen supplied from the fuel tank 6 and the liquid oxygen supplied from the oxidant tank 7 and burns them to generate a propulsive force.
  • the rocket engine 8 generates propulsive force using the liquid phase fuel and the oxidant.
  • the gas accumulator 9 is formed in a spherical shape with a hollow inside, and accumulates a working gas for pressurizing the inside of the fuel tank 6 and the oxidant tank 7.
  • the gas accumulator 9 is disposed on the lower side of the oxidant tank 7 and is disposed on the outer peripheral side of the oxidant tank 7.
  • the working gas is appropriately supplied from the air reservoir 9 toward the fuel tank 6 and the oxidant tank 7.
  • the inside of the fuel tank 6 is pressurized by the working gas, and the liquid hydrogen accumulated in the fuel tank 6 is supplied toward the rocket engine 8.
  • the working gas is supplied to the oxidant tank 7, the inside of the oxidant tank 7 is pressurized by the working gas, and the liquid oxygen accumulated inside the oxidant tank 7 is supplied toward the rocket engine 8.
  • the liquid hydrogen and liquid oxygen supplied to the rocket engine 8 are mixed and burned in the rocket engine 8 to give a propulsive force to the rocket 1.
  • the liquid hydrogen stored in the fuel tank 6 is stored on the bottom side (the other side) of the fuel tank 6 by the propulsive force (acceleration).
  • the liquid oxygen stored in the oxidant tank 7 is stored on the bottom side (the other side) of the oxidant tank 7 by the driving force (acceleration).
  • the rocket 1 that travels in outer space is not given propulsive force by the rocket engine 8 when the rocket engine 8 is not burned, that is, when the inside of the fuel tank 6 and the oxidant tank is not pressurized by the working gas. .
  • the inside of the fuel tank 6 and the oxidant tank 7 is in a microgravity state or a weightless state.
  • the microgravity state can be generated by a propulsive force provided by a thruster or the like provided on the rocket 1.
  • the liquid hydrogen stored in the fuel tank 6 floats inside the fuel tank 6 in the microgravity state or the weightless state.
  • the liquid oxygen stored in the oxidant tank 7 floats inside the oxidant tank 7.
  • the rocket 1 navigating outer space is given radiant heat from the sun.
  • tanks such as the fuel tank 6 and the oxidant tank 7 are warmed by radiation heat input.
  • liquid phase propellant such as liquid hydrogen and liquid oxygen floats in the tank such as the fuel tank 6 and the oxidant tank 7, the suspended propellant comes into contact with the inner wall of the tank and evaporates.
  • the inside of the fuel tank 6 and the oxidant tank 7 has a structure shown in FIG. In the following description, the description is applied to the fuel tank 6, but it can also be applied to the oxidant tank 7.
  • the fuel tank 6 includes a tank body 11, a holding container 12 provided inside the tank body 11, a reservoir container 13 provided inside the holding container 12, and the tank body 11. And a spacer (connecting member) 14 provided between the holding housing portion 12.
  • the tank body 11 is formed in a cylindrical shape.
  • the tank main body 11 is formed with a plurality of rib portions 11 a on the inner wall for fixing the holding housing portion 12 via the spacers 14.
  • the tank body 11 has a discharge port (not shown) for discharging liquid hydrogen and a gas pressurization port (not shown) for flowing the working gas supplied from the gas accumulator 9.
  • the holding / accommodating portion 12 is provided inside the tank body 11 and is disposed with a predetermined gap from the inner wall of the tank body 11. For this reason, the holding accommodating portion 12 is a bag-shaped accommodating body that is slightly smaller than the tank main body 11. The holding housing portion 12 is fixed by being connected to the inside of the tank main body 11 via the spacer 14.
  • the holding accommodating portion 12 is configured using a metal mesh having a mesh.
  • the wire mesh is resistant to cryogenic liquid hydrogen.
  • the wire mesh holds liquid hydrogen in the inside of the tank body 11 in a microgravity state or weightless state, while the inside of the tank body 11 is applied with a propulsive force (gravity) due to combustion of the rocket engine 8. It has a function of passing liquid hydrogen.
  • the wire mesh holds liquid hydrogen inside when not pressurized with working gas, and has a function of passing liquid hydrogen when pressurized with working gas.
  • the mesh of the wire mesh is set to a suitable mesh depending on the propellant used, the disturbance, the condition of the microgravity state, or the like.
  • a suitable example of the mesh of a wire mesh it is 400 mesh or more.
  • the wire mesh configured in this way is configured so that the surface tension of liquid hydrogen can act.
  • the holding housing portion 12 allows liquid hydrogen to pass when there is no pressure due to the working gas, when the pressure due to the working gas is smaller than the surface tension of liquid hydrogen, or when the propulsive force of the rocket 1 is smaller than the surface tension.
  • the liquid hydrogen can be held inside by being suppressed.
  • the holding container 12 allows the liquid hydrogen to pass and It will be possible to flow outside.
  • the holding and accommodating portion 12 has a uniform mesh number throughout.
  • the holding housing 12 uses a wire net that is light in weight while being configured so that the surface tension of liquid hydrogen can act. That is, since the holding accommodating portion 12 has a uniform number of meshes throughout, a lightweight wire mesh can be used over the entire portion, and thus an increase in weight can be suppressed.
  • the spacer 14 connects the inner wall of the tank body 11 and the holding housing 12 and is provided at a plurality of locations.
  • the spacer 14 is configured by using a low heat transfer material.
  • a low heat transfer material for example, fiber reinforced plastic (FRP: Fiber Reinforced Plastics) is used.
  • FRP Fiber Reinforced Plastics
  • One of the spacers 14 is connected to the rib portion 11 a formed on the inner wall of the tank body 11, and the other is connected to the outer surface of the holding housing portion 12.
  • a predetermined gap is maintained between the inner wall of the tank body 11 and the holding housing portion 12.
  • the reservoir accommodating portion 13 is provided inside the holding accommodating portion 12, and is provided on the discharge port side (lower side in the figure) for discharging liquid hydrogen.
  • the reservoir housing portion 13 is, for example, a cylindrical bag-shaped housing body, and is attached in contact with the inner surface of the holding housing portion 12.
  • the reservoir accommodating portion 13 is also configured using a metal mesh having a mesh, like the holding accommodating portion 12.
  • the wire mesh of the reservoir accommodating portion 13 has a function of holding liquid hydrogen inside when not pressurized with working gas while passing liquid hydrogen when pressurized with working gas.
  • the wire mesh used in the reservoir housing portion 13 may be the same as or different from the wire mesh used in the holding housing portion 12.
  • the reservoir accommodating portion 13 is provided with a relief valve 15 at a portion opposite to the portion where the holding accommodating portion 12 contacts.
  • the relief valve 15 is a valve for discharging gaseous hydrogen generated inside the reservoir housing 13.
  • the relief valve 15 is opened when the inside of the reservoir housing portion 13 becomes a predetermined pressure or higher, and is closed when the inside of the reservoir housing portion 13 is smaller than the predetermined pressure.
  • the rocket 1 that travels in outer space, even if the inside of the fuel tank 6 is in a microgravity state or a weightless state, if it is pressurized by the working gas, it floats inside the holding container 12 of the fuel tank 6.
  • the liquid hydrogen to be passed passes through the holding housing portion 12 by the pressure of the working gas. For this reason, the liquid hydrogen flows through the holding housing portion 12 toward the discharge port.
  • the liquid hydrogen floating inside the reservoir accommodating portion 13 of the fuel tank 6 passes through the reservoir accommodating portion 13 due to the pressure of the working gas and flows toward the discharge port.
  • the holding propellant 12 holds the liquid phase propellant that floats when the inside of the tank body 11 is in a microgravity state or a weightless state. Can be held inside.
  • a gap is formed between the inner wall of the tank body 11 and the holding housing portion 12, it is possible to prevent the liquid phase propellant from coming into contact with the inner wall of the tank body 11 and evaporating. it can.
  • evaporation of a liquid phase propellant can be suppressed, it can suppress that the propellant which can be used decreases, and can use a propellant efficiently.
  • the propellant accommodated inside the holding housing portion 12 is pressurized by pressurizing the inside of the tank body 11 with the working gas. Can be discharged to the outside of the tank body 11 through the holding housing portion 12.
  • maintenance accommodating part 12 can be suitably supplied toward the rocket engine 8 at the time of use of a propellant.
  • the liquid phase propellant can be held inside the holding housing portion 12 by surface tension. For this reason, while the inside of the tank body 11 is in a microgravity state or a non-gravity state, while holding the liquid phase propellant in the holding housing portion 12 when the working gas is not pressurized, when the working gas is pressurized, The liquid phase propellant can be discharged from the inside of the holding housing portion 12 to the outside.
  • the holding housing portion 12 can be configured using a wire mesh having a mesh, the surface tension can be easily set by the number of meshes of the wire mesh.
  • accommodating accommodating part 12 can be comprised using a metal mesh, even if it is a case where cryogenic liquid oxygen or cryogenic liquid hydrogen is used as a propellant, the holding
  • the holding housing portion 12 can be fixed to the inner wall of the tank body 11 while forming a gap between the holding housing portion 12 and the inner wall of the tank body 11 by the spacer 14. it can.
  • the spacer 14 can be configured using a low heat transfer material, it is possible to make it difficult for the heat of the tank body 11 to be transmitted to the holding housing portion 12, thereby further suppressing evaporation of the propellant in the liquid phase. can do.
  • the liquid phase propellant can be held in the reservoir accommodating portion 13, the liquid phase propellant is placed on the propellant discharge side in the holding accommodating portion 12. Can be held.
  • the gas phase propellant rocket engine The liquid phase propellant can be suitably supplied to the rocket engine 8 while suppressing the inflow to the rocket engine 8.
  • a propellant can be combusted suitably.
  • the gas phase propellant is discharged from the reservoir accommodating portion 13 through the relief valve 15. can do. For this reason, supply of the propellant in the gas phase to the rocket engine 8 can be suppressed.
  • the holding housing portion 12 and the reservoir housing portion 13 are configured using a wire mesh.
  • a net PTFE network configured using polytetrafluoroethylene instead of the wire mesh is used.
  • the material is not limited to a net material such as a wire net and a PTFE net, and any material that can act on the surface tension of a propellant in a liquid phase may be used.
  • a porous sheet material may be used.
  • the holding housing portion 12 may be a wire mesh having at least a part of a mesh, a part of which may be a wire mesh, or the whole of which may be a wire mesh.
  • the holding accommodating portion 12 may have a uniform number of meshes or may be non-uniform.

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Abstract

作動ガスにより内部が加圧されることで、内部に溜められる液体水素及び液体酸素等の推進薬を、ロケットエンジンへ向けて排出する宇宙航行体用の燃料タンク６及び酸化剤タンク等の推進薬タンクであって、液相状態の推進薬を、内部に溜めるタンク本体１１と、タンク本体１１の内部に設けられ、タンク本体１１の内壁と所定の隙間を空けて配置されると共に、タンク本体１１の内部が微小重力状態または無重力状態において、液相状態の推進薬を内部に保持可能な保持収容部１２と、を備える。

Description

宇宙航行体用の推進薬タンク及び宇宙航行体
　本発明は、液相の推進薬を溜める宇宙航行体用の推進薬タンク及び宇宙航行体に関するものである。
　従来、ロケット上段に設けられ、燃料を貯蔵するタンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。このタンクには、ガス供給および取り出し装置が設けられており、タンク内にガスを供給することで、タンク内の燃料を取り出している。
　また、無重力または微小重力環境に配置され、人工衛星のスラスタの推薬を収容する推薬タンクが知られている（例えば、特許文献２参照）。この推薬タンクは、タンク本体と、タンク本体の内壁面の円周方向に沿って推薬を旋回させるように流入させる推薬供給管とを備えている。このため、推薬タンクは、タンク内壁面側が液相、タンク中心側が蒸気相となるように気液分離を行うことができる。
特開２００８－１８９３０４号公報 特許第４６６０９６６号公報
　ところで、宇宙空間において、タンクには、太陽からの輻射入熱が与えられる。このため、タンクの内部に溜められた液体水素または液体酸素等の液相の推進薬が、タンクの内壁に接触すると蒸発してしまう。ここで、ロケットエンジンには、液相の状態で、推進薬を供給しなければならないことから、推進薬が蒸発してしまうと、ロケットエンジンにおいて使用可能な推進薬が減ってしまうことになる。特に、宇宙航行体の宇宙空間内の航行期間が長くなる場合には、蒸発する推進薬の量が多くなってしまうと、推進薬を用いた所定のミッションの実行が困難となってしまう。
　そこで、本発明は、推進薬タンクに溜められる液相の推進薬の蒸発を抑制することができる宇宙航行体用の推進薬タンク及び宇宙航行体を提供することを課題とする。
　本発明の宇宙航行体用の推進薬タンクは、作動ガスにより内部が加圧されることで、内部に溜められる推進薬を、エンジンへ向けて排出可能な宇宙航行体用の推進薬タンクであって、液相状態の前記推進薬を、内部に溜めるタンク本体と、前記タンク本体の内部に設けられ、前記タンク本体の内壁と所定の隙間を空けて配置されると共に、前記タンク本体の内部が微小重力状態または無重力状態において、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能な保持収容部と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明の宇宙航行体は、液相状態の推進薬を、内部に溜めるタンク本体と、前記タンク本体の内部に設けられ、前記タンク本体の内壁と所定の隙間を空けて配置されると共に、前記タンク本体の内部が微小重力状態または無重力状態において、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能な収容部と、を有する推進薬タンクと、前記推進薬を排出すべく、前記推進薬タンクの内部を加圧する作動ガスを供給する気蓄器と、を備えることを特徴とする。
　この構成によれば、宇宙航行体が宇宙空間において航行する場合、タンク本体の内部が微小重力状態または無重力状態において、浮遊する液相の推進薬を保持収容部の内部に保持することができる。このとき、タンク本体の内壁と保持収容部との間には隙間が形成されるため、液相の推進薬が、タンク本体の内壁に接触して、蒸発することを抑制することができる。これにより、液相の推進薬の蒸発を抑制することができるため、使用可能な推進薬が減少してしまうことを抑制することができ、推進薬を効率良く使用することができる。
　また、前記保持収容部は、前記作動ガスによる加圧時において、液相状態の前記推進薬を通過させることができる。
　この構成によれば、推進薬をエンジンへ向けて排出する場合、作動ガスによりタンク本体の内部を加圧することで、保持収容部の内部に収容された推進薬を、保持収容部を通過させてタンク本体の外部へ排出させることができる。これにより、推進薬の使用時において、保持収容部の内部に収容された推進薬を、エンジンへ向けて好適に供給することができる。
　また、前記保持収容部は、液相状態の前記推進薬の表面張力が作用可能な材料を用いて構成されることが好ましい。
　この構成によれば、液相の推進薬を、表面張力により保持収容部の内部に保持することができる。このため、作動ガスの非加圧時において、保持収容部の内部に液相の推進薬を保持する一方で、作動ガスの加圧時において、保持収容部の内部から液相の推進薬を外部へ排出することができる。なお、液相状態の推進薬の表面張力が作用可能な材料としては、例えば、メッシュを有する網材、または多孔のシート材等がある。
　また、前記保持収容部は、メッシュを有する網材を用いて構成されることが好ましい。
　この構成によれば、網材を用いて保持収容部を構成することができるため、網材のメッシュ数などにより、表面張力を容易に設定することが可能となる。なお、保持収容部は、少なくとも一部がメッシュを有する網材であればよい。つまり、保持収容部は、一部が網材であってもよいし、全部が網材であってもよい。また、保持収容部は、そのメッシュ数が均一であってもよいし、不均一であってもよい。
　また、前記網材は、金網であることが好ましい。
　この構成によれば、網材を金網で構成することができるため、推進薬として、極低温の液体酸素、または極低温の液体水素を用いた場合であっても、推進薬に対する耐性を有する保持収容部にすることができる。
　また、前記網材は、ポリテトラフルオロエチレンを用いて構成されるネットであることが好ましい。
　この構成によれば、網材をポリテトラフルオロエチレンを用いたネット（ＰＴＦＥネット）で構成することができるため、推進薬として、極低温の液体酸素、または極低温の液体水素を用いた場合であっても、推進薬に対する耐性を有する保持収容部にすることができる。また、ＰＴＦＥネットは、金網に比して軽量であるため、保持収容部の軽量化を図ることができ、保持収容部を設けることによる宇宙航行体の重量の増大を抑制することができる。
　また、前記タンク本体の内壁と前記保持収容部とを連結する連結部材をさらに備え、前記連結部材は、低伝熱材料を用いて構成されることが好ましい。
　この構成によれば、連結部材により、保持収容部とタンク本体の内壁との間に隙間を形成しつつ、タンク本体の内壁に保持収容部を固定することができる。このとき、連結部材を、低伝熱材料を用いて構成することができるため、タンク本体の熱を保持収容部に伝え難くすることができるため、液相の推進薬の蒸発をより抑制することができる。なお、低伝熱材料としては、例えば、繊維強化プラスチックであり、タンク本体を構成する材料よりも伝熱性が低いものであればよい。
　また、前記保持収容部の内部において、前記推進薬の排出側に設けられ、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能なリザーバ収容部を、さらに備えることが好ましい。
　この構成によれば、液相の推進薬をリザーバ収容部の内部に保持することができるため、保持収容部内の推進薬の排出側に、液相の推進薬を保持することができる。このため、エンジンの着火時および着火初期の加速度が印加される前の段階において、気相の推進薬のエンジンへの流入を抑制しつつ、液相の推進薬をエンジンに好適に供給することができる。これにより、エンジンでは、推進薬を好適に燃焼させることができる。
　また、前記リザーバ収容部には、前記リザーバ収容部の内部で気相となった前記推進薬を排出するリリーフ弁が設けられていることが好ましい。
　この構成によれば、リザーバ収容部の内部において推進薬が気相となった場合であっても、リリーフ弁を介して気相の推進薬をリザーバ収容部から排出することができる。このため、気相の推進薬がエンジンへ供給されることを抑制することができる。
図１は、本実施例に係る宇宙航行体としてのロケットの一部を模式的に表した概略構成図である。 図２は、燃料タンク及び酸化剤タンクの内部を模式的に表した概略構成図である。
　以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
　図１は、本実施例に係る宇宙航行体としてのロケットの一部を模式的に表した概略構成図であり、図２は、燃料タンク及び酸化剤タンクの内部を模式的に表した概略構成図である。本実施例の推進薬タンクは、宇宙航行体で使用される推進薬を溜めるタンクであり、推進薬としては、例えば、燃料としての液体水素（ＬＨ２）及び酸化剤としての液体酸素（ＬＯ２）が適用される。つまり、推進薬タンクは、液体水素を溜める燃料タンク６、及び液体酸素を溜める酸化剤タンク７に適用される。ここで、宇宙航行体としては、ロケット等の飛翔体、人工衛星または宇宙基地等があるが、本実施例では、ロケット１に適用して説明する。先ず、図１を参照して、燃料タンク６及び酸化剤タンク７が設けられるロケット１について説明する。
　図１に示すように、ロケット１は、フレーム５と、フレーム５の一方側（図示上側）に支持される燃料タンク６と、フレーム５の他方側（図示下側）に支持される酸化剤タンク７と、燃料を燃焼させて推進力を発生させるロケットエンジン８と、気蓄器９とを備えている。
　フレーム５は、トラス構造となっており、燃料タンク６と酸化剤タンク７との間に設けられている。そして、フレーム５は、その一方側が燃料タンク６に固定され、その他方側が酸化剤タンク７に固定されており、燃料タンク６と酸化剤タンク７とを支持している。
　燃料タンク６は、例えば、燃料として極低温の液体水素を溜める液体水素タンクとなっている。燃料タンク６は、気蓄器９から作動ガスが供給されて内部が加圧されることで、ロケットエンジン８へ向けて液体水素を供給可能となっている。
　酸化剤タンク７は、例えば、酸化剤として極低温の液体酸素を溜める液体酸素タンクとなっている。酸化剤タンク７は、気蓄器９から作動ガスが供給されて内部が加圧されることで、ロケットエンジン８へ向けて液体酸素を供給可能となっている。この酸化剤タンク７は、フレーム５を挟んで、燃料タンク６に対向して配置されている。
　ロケットエンジン８は、酸化剤タンク７の下方側、つまり、酸化剤タンク７を挟んで、燃料タンク６の反対側に設けられている。ロケットエンジン８は、燃料タンク６から供給された液体水素及び酸化剤タンク７から供給された液体酸素を混合して燃焼させることで、推進力を発生させる。このように、ロケットエンジン８は、液相状態の燃料および酸化剤を用いて、推進力を発生させている。
　気蓄器９は、内部が中空となる球状に形成されており、燃料タンク６及び酸化剤タンク７の内部を加圧するための作動ガスを蓄圧している。気蓄機９は、酸化剤タンク７の下方側に配置されると共に、酸化剤タンク７の外周側に配置されている。
　このように、宇宙空間を航行するロケット１は、ロケットエンジン８を燃焼させる場合、気蓄器９から燃料タンク６及び酸化剤タンク７へ向けて作動ガスが適宜供給される。作動ガスが燃料タンク６に供給されると、作動ガスにより燃料タンク６の内部が加圧され、燃料タンク６の内部に溜まった液体水素がロケットエンジン８へ向けて供給される。同様に、作動ガスが酸化剤タンク７に供給されると、作動ガスにより酸化剤タンク７の内部が加圧され、酸化剤タンク７の内部に溜まった液体酸素がロケットエンジン８へ向けて供給される。そして、ロケットエンジン８に供給された液体水素及び液体酸素は、ロケットエンジン８において混合され燃焼が行われることで、ロケット１に推進力が与えられる。なお、推進力が与えられたロケット１において、燃料タンク６に溜められた液体水素は、推進力（加速）によって、燃料タンク６の底部側（他方側）に溜まる。同様に、酸化剤タンク７に溜められた液体酸素は、推進力（加速）によって、酸化剤タンク７の底部側（他方側）に溜まる。
　一方で、宇宙空間を航行するロケット１は、ロケットエンジン８を燃焼させない場合、つまり、作動ガスにより燃料タンク６及び酸化剤タンクの内部が加圧されない場合、ロケットエンジン８による推進力が与えられない。このため、燃料タンク６及び酸化剤タンク７の内部は、微小重力状態または無重力状態となる。なお、微小重力状態は、ロケット１に設けられるスラスタ等によって与えられる推進力により発生させることができる。微小重力状態または無重力状態において、燃料タンク６に溜められた液体水素は、燃料タンク６の内部において浮遊する。同様に、酸化剤タンク７に溜められた液体酸素は、酸化剤タンク７の内部において浮遊する。
　ここで、宇宙空間を航行するロケット１には、太陽からの輻射入熱が与えられる。このため、燃料タンク６及び酸化剤タンク７等のタンクは、輻射入熱により温められる。このとき、燃料タンク６及び酸化剤タンク７等のタンクにおいて、液体水素及び液体酸素等の液相の推進薬が浮遊すると、浮遊した推進薬は、タンク内壁に接触して蒸発してしまう。このため、燃料タンク６及び酸化剤タンク７の内部は、図２に示す構成となっている。なお、以下では、燃料タンク６に適用して説明するが、酸化剤タンク７でも適用可能となっている。
　図２に示すように、燃料タンク６は、タンク本体１１と、タンク本体１１の内部に設けられる保持収容部１２と、保持収容部１２の内部に設けられるリザーバ収容部１３と、タンク本体１１と保持収容部１２との間に設けられるスペーサ（連結部材）１４とを有している。
　タンク本体１１は、円筒形状に形成されている。タンク本体１１には、その内壁にスペーサ１４を介して保持収容部１２を固定するためのリブ部１１ａが複数形成されている。また、タンク本体１１には、液体水素を排出するための図示しない排出口と、気蓄器９から供給される作動ガスを流入させるための図示しないガス加圧口とが形成されている。
　保持収容部１２は、タンク本体１１の内部に設けられ、タンク本体１１の内壁と所定の隙間を空けて配置されている。このため、保持収容部１２は、タンク本体１１よりも一回り小さい袋状の収容体となっている。この保持収容部１２は、スペーサ１４を介して、タンク本体１１の内部に連結されることで固定される。
　保持収容部１２は、メッシュを有する金網を用いて構成されている。金網は、極低温の液体水素に耐性を有するものである。この金網は、タンク本体１１の内部が微小重力状態または無重力状態において、液体水素を内部に保持する一方で、タンク本体１１の内部がロケットエンジン８の燃焼による推進力（重力）の付与時において、液体水素を通過する機能を有するものとなっている。また、この金網は、作動ガスによる非加圧時において、液体水素を内部に保持する一方で、作動ガスによる加圧時において、液体水素を通過する機能を有するものとなっている。なお、金網のメッシュは、使用する推進薬、外乱、または微小重力状態の条件等によって好適なメッシュに設定される。ここで、金網のメッシュの好適な一例としては、４００メッシュ以上である。
　このように構成される金網は、液体水素の表面張力が作用可能な構成となる。つまり、保持収容部１２は、作動ガスによる圧力がない場合、作動ガスによる圧力が液体水素の表面張力よりも小さい場合、またはロケット１の推進力が表面張力よりも小さい場合、液体水素の通過を抑制して、液体水素を内部に保持可能となる。一方で、保持収容部１２は、作動ガスの圧力が液体水素の表面張力よりも大きい場合、またはロケット１の推進力が表面張力よりも大きい場合、液体水素の通過を許容して、液体水素を外部へ流出可能となる。
　また、保持収容部１２は、全体に亘って均一なメッシュ数になっている。このとき、保持収容部１２は、液体水素の表面張力が作用可能な構成としつつ、その重量が軽くなるような金網を用いている。つまり、保持収容部１２は、全体に亘って均一なメッシュ数とすることで、全体に亘って軽量な金網を用いることができるため、重量の増大を抑制することができる。
　スペーサ１４は、タンク本体１１の内壁と保持収容部１２とを連結するものであり、複数個所に設けられている。スペーサ１４は、低伝熱材料を用いて構成されており、低伝熱材料としては、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）が用いられる。なお、低伝熱材料に限らず、チタン合金等を用いてもよい。このスペーサ１４は、一方がタンク本体１１の内壁に形成されるリブ部１１ａに連結され、他方が保持収容部１２の外面に連結される。また、このスペーサ１４が設けられることで、タンク本体１１の内壁と保持収容部１２との間は、所定の隙間が維持される。
　リザーバ収容部１３は、保持収容部１２の内部に設けられ、液体水素を排出する排出口側（図示下側）に設けられている。リザーバ収容部１３は、例えば、円筒形となる袋状の収容体となっており、保持収容部１２の内面に接して取り付けられている。
　リザーバ収容部１３も、保持収容部１２と同様に、メッシュを有する金網を用いて構成されている。つまり、リザーバ収容部１３の金網は、作動ガスによる非加圧時において、液体水素を内部に保持する一方で、作動ガスによる加圧時において、液体水素を通過する機能を有するものとなっている。なお、リザーバ収容部１３で用いられる金網は、保持収容部１２で用いられる金網と同様のものであってもよいし、異なるものであってもよい。
　このリザーバ収容部１３には、保持収容部１２が接する部位とは反対側の部位に、リリーフ弁１５が設けられている。リリーフ弁１５は、リザーバ収容部１３の内部で発生した気相状態の水素を排出するためのバルブである。リリーフ弁１５は、リザーバ収容部１３の内部が所定圧力以上になると開弁する一方で、リザーバ収容部１３の内部が所定圧力よりも小さいと閉弁する。
　宇宙空間を航行するロケット１において、燃料タンク６の内部が微小重力状態または無重力状態であり、作動ガスにより加圧されない場合、燃料タンク６の保持収容部１２の内部に浮遊する液体水素は、表面張力によって保持収容部１２の通過が抑制される。このため、液体水素は、保持収容部１２の内部に保持される。同様に、燃料タンク６のリザーバ収容部１３の内部に浮遊する液体水素は、表面張力によってリザーバ収容部１３の通過が抑制される。
　一方で、宇宙空間を航行するロケット１において、燃料タンク６の内部が微小重力状態または無重力状態であっても、作動ガスにより加圧される場合、燃料タンク６の保持収容部１２の内部に浮遊する液体水素は、作動ガスの圧力によって保持収容部１２を通過する。このため、液体水素は、保持収容部１２を通過して、排出口へ向けて流れる。同様に、燃料タンク６のリザーバ収容部１３の内部に浮遊する液体水素は、作動ガスの圧力によってリザーバ収容部１３を通過し、排出口へ向けて流れる。
　続いて、保持収容部１２及びリザーバ収容部１３で使用される金網の選定方法について説明する。地上において、金網を選定するための実験を行う場合、取り扱いが容易な液体窒素（ＬＮ２）が用いられる。このとき、液体窒素と液体水素及び液体酸素とは、その表面張力が異なっている。このため、液体窒素で得られた試験結果に対して、液体水素及び液体酸素の表面張力の差異または温度等を考慮して補正を行うことにより、液体水素及び液体酸素に適したメッシュ数及び線径となる金網を選定することが可能となる。
　以上のように、本実施例の構成によれば、ロケット１が宇宙空間において航行する場合、タンク本体１１の内部が微小重力状態または無重力状態において、浮遊する液相の推進薬を保持収容部１２の内部に保持することができる。このとき、タンク本体１１の内壁と保持収容部１２との間には隙間が形成されるため、液相の推進薬が、タンク本体１１の内壁に接触して、蒸発することを抑制することができる。これにより、液相の推進薬の蒸発を抑制することができるため、使用可能な推進薬が減少してしまうことを抑制することができ、推進薬を効率良く使用することができる。
　また、本実施例の構成によれば、推進薬をロケットエンジン８へ向けて排出する場合、作動ガスによりタンク本体１１の内部を加圧することで、保持収容部１２の内部に収容された推進薬を、保持収容部１２を通過させてタンク本体１１の外部へ排出させることができる。これにより、推進薬の使用時において、保持収容部１２の内部に収容された推進薬を、ロケットエンジン８へ向けて好適に供給することができる。
　また、本実施例の構成によれば、液相の推進薬を、表面張力により保持収容部１２の内部に保持することができる。このため、タンク本体１１の内部が微小重力状態または無重力状態において、作動ガスの非加圧時に、保持収容部１２の内部に液相の推進薬を保持する一方で、作動ガスの加圧時に、保持収容部１２の内部から液相の推進薬を外部へ排出することができる。
　また、本実施例の構成によれば、メッシュを有する金網を用いて保持収容部１２を構成することができるため、金網のメッシュ数などにより、表面張力を容易に設定することが可能となる。また、金網を用いて保持収容部１２を構成することができるため、推進薬として、極低温の液体酸素、または極低温の液体水素を用いた場合であっても、保持収容部１２を、推進薬に対する耐性を有する構成にすることができる。
　また、本実施例の構成によれば、スペーサ１４により、保持収容部１２とタンク本体１１の内壁との間に隙間を形成しつつ、タンク本体１１の内壁に保持収容部１２を固定することができる。このとき、スペーサ１４を、低伝熱材料を用いて構成することができるため、タンク本体１１の熱を保持収容部１２に伝え難くすることができるため、液相の推進薬の蒸発をより抑制することができる。
　また、本実施例の構成によれば、液相の推進薬をリザーバ収容部１３の内部に保持することができるため、保持収容部１２内の推進薬の排出側に、液相の推進薬を保持することができる。このため、ロケットエンジン８の着火時および着火初期の加速度（推進力）が印加される前の段階において、作動ガスによりタンク本体１１の内部が加圧された場合、気相の推進薬のロケットエンジン８への流入を抑制しつつ、液相の推進薬をロケットエンジン８に好適に供給することができる。これにより、ロケットエンジン８では、推進薬を好適に燃焼させることができる。
　また、本実施例の構成によれば、リザーバ収容部１３の内部において推進薬が気相となった場合であっても、リリーフ弁１５を介して気相の推進薬をリザーバ収容部１３から排出することができる。このため、気相の推進薬がロケットエンジン８へ供給されることを抑制することができる。
　なお、本実施例では、金網を用いて保持収容部１２及びリザーバ収容部１３を構成したが、この構成に限らない、金網に代えて、ポリテトラフルオロエチレンを用いて構成されるネット（ＰＴＦＥネット）により保持収容部１２及びリザーバ収容部１３を構成してもよい。また、金網及びＰＴＦＥネット等の網材に限らず、液相状態の推進薬の表面張力が作用可能な材料であればいずれであってもよく、例えば、多孔のシート材を用いてもよい。
　また、本実施例において、保持収容部１２は、少なくとも一部がメッシュを有する金網であればよく、一部が金網であってもよいし、全部が金網であってもよい。また、保持収容部１２は、そのメッシュ数が均一であってもよいし、不均一であってもよい。
１　ロケット
５　フレーム
６　燃料タンク
７　酸化剤タンク
８　ロケットエンジン
９　気蓄器
１１　タンク本体
１１ａ　リブ部
１２　保持収容部
１３　リザーバ収容部
１４　スペーサ
１５　リリーフ弁

Claims (10)

  1. 　作動ガスにより内部が加圧されることで、内部に溜められる推進薬を、エンジンへ向けて排出可能な宇宙航行体用の推進薬タンクであって、
    　液相状態の前記推進薬を、内部に溜めるタンク本体と、
    　前記タンク本体の内部に設けられ、前記タンク本体の内壁と所定の隙間を空けて配置されると共に、前記タンク本体の内部が微小重力状態または無重力状態において、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能な保持収容部と、を備えることを特徴とする宇宙航行体用の推進薬タンク。
  2. 　前記保持収容部は、前記作動ガスによる加圧時において、液相状態の前記推進薬を通過させることを特徴とする請求項１に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  3. 　前記保持収容部は、液相状態の前記推進薬の表面張力が作用可能な材料を用いて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  4. 　前記保持収容部は、メッシュを有する網材を用いて構成されることを特徴とする請求項３に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  5. 　前記網材は、金網であることを特徴とする請求項４に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  6. 　前記網材は、ポリテトラフルオロエチレンを用いて構成されるネットであることを特徴とする請求項４に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  7. 　前記タンク本体の内壁と前記保持収容部とを連結する連結部材を、さらに備え、
    　前記連結部材は、低伝熱材料を用いて構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  8. 　前記保持収容部の内部において、前記推進薬の排出側に設けられ、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能なリザーバ収容部を、さらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  9. 　前記リザーバ収容部には、前記リザーバ収容部の内部で気相となった前記推進薬を排出するためのリリーフ弁が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の宇宙航行体用の推進薬タンク。
  10. 　液相状態の推進薬を、内部に溜めるタンク本体と、前記タンク本体の内部に設けられ、前記タンク本体の内壁と所定の隙間を空けて配置されると共に、前記タンク本体の内部が微小重力状態または無重力状態において、液相状態の前記推進薬を内部に保持可能な収容部と、を有する推進薬タンクと、
    　前記推進薬を排出すべく、前記推進薬タンクの内部を加圧する作動ガスを供給する気蓄器と、を備えることを特徴とする宇宙航行体。
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