特許 6019123 蒸気噴射装置及び宇宙機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6019123

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】蒸気噴射装置及び宇宙機

(51)【国際特許分類】

   B64G 1/40 20060101AFI20161020BHJP

   F03H 99/00 20090101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   B64G1/40 A

   F03H99/00 A

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-529552(P2014-529552)

(86)(22)【出願日】2013年8月8日

(86)【国際出願番号】JP2013071500

(87)【国際公開番号】WO2014024966

(87)【国際公開日】20140213

【審査請求日】2014年8月20日

(31)【優先権主張番号】特願2012-177919(P2012-177919)

(32)【優先日】2012年8月10日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(73)【特許権者】

【識別番号】500302552

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】泉山 卓

(72)【発明者】

【氏名】森 初男

(72)【発明者】

【氏名】橋本 こずえ

(72)【発明者】

【氏名】長尾 徹

【審査官】 志水 裕司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１８３８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３２１７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３２２２４９８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２４０８０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０９−２４２６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９７５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３０９２９６８（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１４６９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６４Ｇ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体状態の推薬を蒸発させることによって蒸気圧によりガスを噴射して推力を得る蒸気噴射装置において、
箱型形状の筐体と、
該筐体内に配置され前記推薬を保持する空間を形成する推薬保持部と、
前記筐体内に配置され前記推薬保持部と連通孔を有する隔壁によって仕切られた空間を形成するとともに前記ガスを貯蔵するガス貯蔵部と、
前記筐体内に配置され前記推薬保持部及び前記ガス貯蔵部と隔壁によって仕切られた空間を形成するとともに機器類を格納する機器格納部と、
前記筐体に接続され前記ガスを外部に放出するノズルと、
前記筐体内に形成され前記ガス貯蔵部に貯蔵されたガスを前記ノズルに供給するガス流路と、
前記筐体内に配置され少なくとも前記ガス貯蔵部を加熱するヒータと、
を有し、
前記機器類は、電気系統の配線、電気コネクタ、圧力センサ、温度センサ、サーモスタット及び電池のうち少なくとも一つを含み、
前記推薬保持部は、前記ガス貯蔵部と対峙する位置に配置され前記推薬を注入又は排出する注排口と、前記推薬に表面張力を発生させて保持する複数の推薬保持板と、を有する
ことを特徴とする蒸気噴射装置。

【請求項2】

前記ガス貯蔵部は、前記ガスを排出する排気口と、該排気口と前記連通孔との間に配置されたヒートスプレッダと、を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸気噴射装置。

【請求項3】

前記排気口と前記ガス流路とを接続するガス送気管を前記機器格納部内に配設し、該ガス送気管に前記ガスの噴出を制御する弁体を配置した、ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気噴射装置。

【請求項4】

前記ヒータは、前記ヒートスプレッダと隣接した位置に配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気噴射装置。

【請求項5】

液体状態の前記推薬の前記ガス貯蔵部への浸入を抑制するフィルタを前記連通孔に配置した、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気噴射装置。

【請求項6】

前記ヒータは、前記推薬保持部よりも前記ガス貯蔵部の方が高温となるように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気噴射装置。

【請求項7】

前記筐体は、同型形状の増設モジュールと積層可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気噴射装置。

【請求項8】

前記増設モジュールは、前記推薬を収納した増設タンク、バッテリを搭載したバッテリモジュール、監視機器若しくは測定機器を搭載したモニタリングモジュール又は前記蒸気噴射装置若しくは前記増設モジュールに搭載された機器を制御する制御モジュールである、ことを特徴とする請求項７に記載の蒸気噴射装置。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の蒸気噴射装置を備えた宇宙機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸気噴射装置及び宇宙機に関し、特に、宇宙空間で推力を発生させる蒸気噴射装置及びこれを備えた宇宙機に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、小型衛星向けの推進システムとして、気液平衡スラスタを使用した推進システムが開発されている。気液平衡スラスタは、推薬の蒸気圧によってガス噴射を行う蒸気噴射装置であり、液体状態の推薬をタンク内に保持し、姿勢制御や軌道変更等の際に、推薬を蒸発させて気体（ガス）のみをノズルから噴射し、推力を得ることができる。かかる気液平衡スラスタを使用した推進システムでは、気蓄器や燃焼器等が不要であることから、システムの軽量化や小型化を図ることができる。その一方で、安定した推力を得るために、液体状態の推薬をいかに貯蔵するか、液体状態の推薬をいかにガス化するかの観点で改良が望まれていた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

【0003】

例えば、特許文献１に記載された蒸気噴射装置では、タンクの内部に発泡金属部材を設け、液体状態の推薬を発泡金属部材の気泡中に保持している。そして、当該蒸気噴射装置は、タンクを加熱することによって発泡金属部材を介して推薬をガス化している。

【0004】

また、特許文献２に記載された蒸気噴射装置では、タンクの内部に複数枚の保持板を放射状に配置し、表面張力によって液体状態の推薬を保持板に付着させて保持している。そして、当該蒸気噴射装置は、タンクを加熱することによって推薬をガス化し、タンクの上部に形成されたガス溜まり空間に気化したガスを溜めている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２１４６９５号公報

【特許文献2】特開２０１１−１８３８４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上述した特許文献１に記載された蒸気噴射装置では、タンク全域に発泡金属部材を充填しなければならず、タンクの軽量化を図ることが困難であるという問題や、推薬のガス化に際しタンク全体を加熱しなければならず、多大な熱エネルギーを要するという問題があった。

【0007】

また、上述した特許文献２に記載された蒸気噴射装置では、推薬の貯蔵空間とガス溜まり空間とが隣接して配置されていることから、宇宙機の姿勢制御によって液体状態の推薬がガス溜まり空間に移動してスロッシング現象が発生する可能性があるという問題があった。

【0008】

また、特許文献１及び特許文献２に記載された蒸気噴射装置では、タンクが球形であることから、小型衛星等の宇宙機に接続した際に無駄な空間ができてしまい、宇宙機が大型化してしまうという問題があった。さらに、タンクとスラスタとを配管で接続していることから、柔軟な設計をすることができる一方で、配管の接続作業に時間と労力を要するとともに、配管継手が多く、漏洩点検に時間、労力及び専門知識を要するという問題もあった。

【0009】

本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、気液分離性能の向上、装置の小型化及び簡素化を図ることができる、蒸気噴射装置及び宇宙機を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明によれば、液体状態の推薬を蒸発させることによって蒸気圧によりガスを噴射して推力を得る蒸気噴射装置において、箱型形状の筐体と、該筐体内に配置され前記推薬を保持する空間を形成する推薬保持部と、前記筐体内に配置され前記推薬保持部と連通孔を有する隔壁によって仕切られた空間を形成するとともに前記ガスを貯蔵するガス貯蔵部と、前記筐体内に配置され前記推薬保持部及び前記ガス貯蔵部と隔壁によって仕切られた空間を形成するとともに機器類を格納する機器格納部と、前記筐体に接続され前記ガスを外部に放出するノズルと、前記筐体内に形成され前記ガス貯蔵部に貯蔵されたガスを前記ノズルに供給するガス流路と、前記筐体内に配置され少なくとも前記ガス貯蔵部を加熱するヒータと、を有し、前記機器類は、電気系統の配線、電気コネクタ、圧力センサ、温度センサ、サーモスタット及び電池のうち少なくとも一つを含み、前記推薬保持部は、前記ガス貯蔵部と対峙する位置に配置され前記推薬を注入又は排出する注排口と、前記推薬に表面張力を発生させて保持する複数の推薬保持板と、を有することを特徴とする蒸気噴射装置が提供される。

【0011】

前記ガス貯蔵部は、前記ガスを排出する排気口と、該排気口と前記連通孔との間に配置されたヒートスプレッダと、を有していてもよい。また、前記排気口と前記ガス流路とを接続するガス送気管を前記機器格納部内に配設し、該ガス送気管に前記ガスの噴出を制御する弁体を配置するようにしてもよい。さらに、前記ヒータは、前記ヒートスプレッダと隣接した位置に配置されていてもよい。

【0012】

前記推薬保持部は、前記ガス貯蔵部と対峙する位置に配置され前記推薬を注入又は排出する注排口と、前記推薬に表面張力を発生させて保持する複数の推薬保持板と、を有していてもよい。また、液体状態の前記推薬の前記ガス貯蔵部への浸入を抑制するフィルタを前記連通孔に配置してもよい。また、前記ヒータは、前記推薬保持部よりも前記ガス貯蔵部の方が高温となるように構成されていてもよい。

【0013】

前記筐体は、同型形状の増設モジュールと積層可能に構成されていてもよい。また、前記増設モジュールは、前記推薬を収納した増設タンクであってもよいし、バッテリを搭載したバッテリモジュールであってもよいし、監視機器若しくは測定機器を搭載したモニタリングモジュールであってもよいし、前記蒸気噴射装置若しくは前記増設モジュールに搭載された機器を制御する制御モジュールであってもよい。

【0014】

また、本発明によれば、前記蒸気噴射装置を備えた宇宙機が提供される。

【発明の効果】

【0015】

上述した本発明の蒸気噴射装置及び宇宙機によれば、蒸気噴射装置の推薬保持部、ガス貯蔵部及び機器格納部を一つの筐体内に配置したことにより、装置の小型化を図ることができる。また、ノズルにガスを供給するガス流路を筐体内に形成したことにより、多数の配管を省略することができ、装置の簡素化を図ることができ、配管の接続作業及び漏洩点検作業の労力を軽減することができる。また、推薬保持部とガス貯蔵部とを連通孔を有する隔壁で仕切ったことにより、液体状態の推薬のガス貯蔵部への浸入を抑制することができ、気液分離性能の向上を図ることができる。

【0016】

また、ガス貯蔵部内にヒートスプレッダを配置することにより、液体状態の推薬がガス貯蔵部に浸入した場合であっても、推薬が排気口に浸入する前に蒸発させてガス化することができ、気液分離性能の向上をさらに図ることができる。

【0017】

また、推薬保持部、ガス貯蔵部及び機器格納部を一つの筐体内に配置したことにより、同型形状の増設モジュールと積層可能に構成することができ、増設タンク、バッテリ、カメラ等の監視機器、レーザレーダやジャイロ等の測定機器や種々の制御機器等を容易に追加することができ、利便性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】本発明の第一実施形態に係る蒸気噴射装置を示す平面図である。

【図1B】本発明の第一実施形態に係る蒸気噴射装置を示す側面図である。

【図2A】図１ＢのＵ−Ｕ線に沿う水平断面図である。

【図2B】図１ＢのＤ−Ｄ線に沿う水平断面図である。

【図3A】図２Ａ、図２ＢのＺ−Ｚ線に沿う断面図である。

【図3B】蒸気噴射装置の斜視図である。

【図4A】蒸気噴射装置の下面図である。

【図4B】筐体の温度勾配図である。

【図5】蒸気噴射装置のシステム系統図である。

【図6A】蒸気噴射装置の使用状態の第一例を示す図である。

【図6B】蒸気噴射装置の使用状態の第二例を示す図である。

【図6C】蒸気噴射装置の使用状態の第三例を示す図である。

【図6D】蒸気噴射装置の使用状態の第四例を示す図である。

【図6E】蒸気噴射装置の使用状態の第五例を示す図である。

【図6F】蒸気噴射装置の使用状態の第六例を示す図である。

【図7A】本発明の第二実施形態に係る蒸気噴射装置を示す垂直断面図である。

【図7B】本発明の第三実施形態に係る蒸気噴射装置を示す垂直断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図１Ａ〜図７Ｂを用いて説明する。ここで、図１Ａは本発明の第一実施形態に係る蒸気噴射装置を示す平面図、図１Ｂは側面図である。図２Ａは図１ＢのＵ−Ｕ線に沿う水平断面図、図２ＢはＤ−Ｄ線に沿う水平断面図である。図３Ａは図２Ａ、図２ＢにおけるＺ−Ｚ線に沿う断面図、図３Ｂは蒸気噴射装置の斜視図である。

【0020】

本発明の第一実施形態に係る蒸気噴射装置１は、図１Ａ〜図３Ｂに示したように、液体状態の推薬を蒸発させることによって蒸気圧によりガスを噴射して推力を得る蒸気噴射装置であって、箱型形状の筐体２と、筐体２内に配置され推薬を保持する空間を形成する推薬保持部３と、筐体２内に配置され推薬保持部３と連通孔２ａを有する隔壁２１によって仕切られた空間を形成するとともにガスを貯蔵するガス貯蔵部４と、筐体２内に配置され推薬保持部３及びガス貯蔵部４と隔壁２１，２１′によって仕切られた空間を形成するとともに機器類を格納する機器格納部５と、筐体２に接続されガスを外部に放出するノズル６と、筐体２内に形成されガス貯蔵部４に貯蔵されたガスをノズル６に供給するガス流路７と、筐体２に配置され少なくともガス貯蔵部４を加熱するヒータ８と、を有する。

【0021】

前記筐体２は、例えば、四角形状の底部２２と、底部２２上に配置された略八角形状の本体部２３と、を有している。筐体２は、比強度が高い材料であるアルミニウム合金等により形成されるが、これに限定されるものではない。かかる筐体２の本体部２３の内部には空洞が形成されており、上述したように、推薬保持部３、ガス貯蔵部４及び機器格納部５が配置されている。従来は、個々に配置されていた構成部品を一つの筐体２に収容することにより、蒸気噴射装置１をユニット化することができ、複雑な配管接続作業や漏洩点検作業を省力化することができる。なお、筐体２の構造は、削り出し等の機械加工、鋳造又はこれらの組合せによって製作することができる。

【0022】

前記推薬保持部３は、例えば、本体部２３の約半分の空間を占めるタンクであり、液体状態の推薬を保持する。推薬には、例えば、液化代替フロンが使用されるが、これに限定されるものではなく、アルコール（メタノール、エタノール）、アルカン（プロパン、ブタン、イソブタン）、無機物質（水）等のように、常温付近で気化するような物質であってもよい。また、比推力（ＩＳＰ）が高く、難燃性であるような物質であってもよい。

【0023】

また、推薬保持部３は、図３Ａに示したように、本体部２３の一部を底部２２付近まで掘り下げた形状を有しており、上部に蓋部材２ｂを配置することにより、密封された空間を形成している。蓋部材２ｂは、ボルト等の締結具によって本体部２３に固定されていてもよいし、溶接や接着剤等の接続手段によって本体部２３に固定されていてもよい。また、蓋部材２ｂと本体部２３との間にシール材が配置されていてもよい。

【0024】

また、推薬保持部３は、図２Ａ、図２Ｂ及び図３Ａに示したように、ガス貯蔵部４と対峙する位置に配置され推薬を注入又は排出する注排口３１と、注排口３１を中心にして放射状に配置された複数の推薬保持板３２と、を有している。注排口３１は、推薬の注入時と残った推薬の排出時にのみ開放され、それ以外の時には密封された状態が保たれている。

【0025】

推薬保持板３２は、推薬に表面張力を発生させる板部材であって、推薬保持部３内に所定の間隔で配置される。ここでは、推薬保持板３２を放射状に配置した場合を図示しているが、かかる配置に限定されるものではない。一般に、無重力空間において、液体は狭い箇所に集まりやすい傾向がある。かかる性質を利用することにより、図２Ａ、図２Ｂにおいて、一点鎖線で示したように、表面張力によって推薬保持板３２に推薬を保持することができ、推薬保持部３内に液体状態の推薬を留めておくことができる。なお、ここでは、推薬保持板３２の放射起点を注排口３１に設定しているが、推薬保持板３２の放射起点と注排口３１の位置とがずれた位置に設定されていてもよく、注排口３１は底部２２に形成されていてもよい。

【0026】

前記ガス貯蔵部４は、例えば、本体部２３の約１／４の空間を占めるタンクであり、推薬の気化ガスを貯蔵する。ガス貯蔵部４は、図３Ａに示したように、本体部２３の一部を底部２２付近まで掘り下げた形状の下部構造部により構成されており、中間部に蓋部材２ｃを配置することにより、機器格納部５から仕切られた空間を形成する隔壁２１′が構成されている。蓋部材２ｃは、ボルト等の締結具によって本体部２３に固定されていてもよいし、溶接や接着剤等の接続手段によって本体部２３に固定されていてもよいし、蓋部材２ｃと本体部２３との間にシール材が配置されていてもよい。また、ガス貯蔵部４は、隣接する推薬保持部３との間に形成された隔壁２１によって仕切られている。

【0027】

なお、図３Ａでは、ガス貯蔵部４の周囲の本体部２３にガス流路７が形成されているため、ガス貯蔵部４は機器格納部５よりも狭い空間により構成されているが、本体部２３の他の部分にガス流路７を形成する十分な空間がある場合には、ガス貯蔵部４は機器格納部５と同等の空間を有していてもよいし、機器格納部５よりも広い空間を有していてもよい。

【0028】

また、ガス貯蔵部４は、図２Ｂ及び図３Ａに示したように、隔壁２１に形成された連通孔２ａを介して推薬保持部３と連通しており、推薬保持部３内で気化したガスは蒸気圧によって推薬保持部３から押し出され、連通孔２ａからガス貯蔵部４に浸入する。連通孔２ａには、液体状態の推薬のガス貯蔵部４への浸入を抑制する網目状のフィルタ４１が挿入されている。かかるフィルタ４１を配置することにより、液体状態の推薬が推薬保持部３からガス貯蔵部４に移動しようとしても、表面張力によって推薬の浸入を抑制することができる。また、フィルタ４１は、推薬保持部３に混入したゴミを回収する機能も有し、ノズル６の目詰まりを抑制することができる。

【0029】

また、ガス貯蔵部４は、ガスを排出する排気口４２と、排気口４２と連通孔２ａとの間に配置されたヒートスプレッダ４３と、を有している。排気口４２は、例えば、蓋部材２ｃ（隔壁２１′）に形成されており、後述するように、ガス貯蔵部４内に貯蔵されたガスは、排気口４２から機器格納部５内に配置されたガス送気管５１を介してガス流路７に供給される。なお、排気口４２は、必ずしも蓋部材２ｃ（隔壁２１′）に形成されている必要はなく、本体部２３の周壁部に形成されていてもよいし、ガス送気管５１を介さずにガス流路７に直にガスを供給できるように形成されていてもよい。

【0030】

ヒートスプレッダ４３は、ガス貯蔵部４内に配置された板状部材であって、ヒートスプレッダ４３と隣接した位置に配置されたヒータ８によって加熱されている。図３Ａに示したように、ヒータ８は、ヒートスプレッダ４３の真下の位置に相当する底部２２の外側に配置されており、ヒータ８の熱エネルギーは底部２２を介してヒートスプレッダ４３に伝達される。ヒートスプレッダ４３は、ヒータ８によって推薬の沸点よりも高い温度になるまで加熱される。

【0031】

ヒートスプレッダ４３は、図２Ｂに示したように、排気口４２を囲うような略コ字状に形成されており、連通孔２ａからガス貯蔵部４に浸入したガスはヒートスプレッダ４３を迂回しなければ排気口４２に到達できないように構成されている。したがって、例えば、連通孔２ａから推薬が液体状態のままガス貯蔵部４内に浸入した場合であっても、かかる推薬はヒートスプレッダ４３に接触することとなる。ヒートスプレッダ４３は十分に加熱されていることから、ヒートスプレッダ４３に接触した推薬は容易に蒸発し、ガス化することとなる。すなわち、ヒートスプレッダ４３の作動時には、ガス貯蔵部４内は、実質的に常に推薬が気化したガスによって充満される。このように、ガス貯蔵部４内にヒートスプレッダ４３を配置することにより、液体状態の推薬がガス貯蔵部４に浸入した場合であっても、推薬が排気口４２に浸入する前に蒸発させてガス化することができ、気液分離性能を向上させることができる。なお、ここでは、ヒートスプレッダ４３を略コ字状に形成した場合を図示したが、かかる形状に限定されるものではなく、円弧形状やＶ字形状であってもよい。

【0032】

また、ヒートスプレッダ４３は、金網によって板状に形成されたものであってもよい。このとき、金網の網目は、液体を表面張力によって捕捉することができる程度の大きさであることが好ましい。また、金網によって形成されたヒートスプレッダ４３を複数並列に配置して液体の通過を抑制するようにしてもよい。

【0033】

前記機器格納部５は、例えば、本体部２３の約１／４の空間を占める容器であり、電気系統の配線や温度計等のセンサ類が内部に配置される。機器格納部５は、図３Ａに示したように、本体部２３の一部を底部２２付近まで掘り下げた形状の上部構造部により構成されており、上部に蓋部材２ｄを配置することにより封鎖される。具体的には、機器格納部５は、隔壁２１により推薬保持部３と区画されており、隔壁２１′（蓋部材２ｃ）によりガス貯蔵部４と区画されている。蓋部材２ｄは、ボルト等の締結具によって本体部２３に固定されていてもよいし、溶接や接着剤等の接続手段によって本体部２３に固定されていてもよい。

【0034】

また、図２Ａ及び図３Ａに示したように、排気口４２とガス流路７とを接続するガス送気管５１を機器格納部５内に配設し、ガス送気管５１にガスの噴出を制御する弁体５２を配置するようにしてもよい。ガス送気管５１は、ガス貯蔵部４内に貯蔵されたガスをガス流路７に供給する配管である。また、弁体５２は、いわゆる遮断弁であり、宇宙空間等において蒸気噴射装置１を使用する可能性がある状態では、常に開状態になっており、蒸気噴射装置１に異常が発生した場合、推薬を使い切った場合、蒸気噴射装置１の役目を終えた場合、宇宙空間に到達していない又は離脱した場合等に閉状態に切り替えられる。

【0035】

また、機器格納部５には、例えば、宇宙機等に搭載された電源に接続される電気コネクタ５３、推薬保持部３の圧力を計測する圧力センサ５４、ガス貯蔵部４の温度を計測する温度センサ５５、ヒータ８を制御するサーモスタット５６等の機器が配置される。本実施形態に係る蒸気噴射装置１では、ヒータ８によって飽和蒸気圧を制御することによって複雑な機構を有する調圧弁を省略することができる。例えば、サーモスタット５６の設定温度をスラスタとして必要な蒸気圧を維持できる温度に設定しておき、圧力センサ５４や温度センサ５５により推薬保持部３の圧力やガス貯蔵部４の温度を監視することによって、ヒータ８のオン・オフや出力を制御する。圧力センサ５４及び温度センサ５５は、いずれか一方のみを配置してもよいし、温度や圧力を監視する必要がない場合には省略するようにしてもよい。サーモスタット５６は、ヒータ８の制御装置の一例であり、マイクロコントローラ等に変更してもよい。また、機器格納部５に配置される機器類は上述したものに限定されず、例えば、ノズル６の開閉を行うために各ノズル６に装着された推薬弁への電力供給用の電池を配置してもよい等、必要に応じて任意に選択することができる。なお、図３Ａでは、説明の便宜上、温度センサ５５、サーモスタット５６、配線類等の図は省略している。

【0036】

また、機器格納部５は、推薬保持部３やガス貯蔵部４と隔離された空間を形成していることから、本体部２３の外部に配置されているノズル６やヒータ８に接続される配線を挿通する開口部５７が形成されていてもよい。なお、機器格納部５に配置される部品の種類によっては、開口部５７を気密に封鎖するシール材を配置するようにしてもよい。

【0037】

前記ノズル６は、推薬が気化したガスを蒸気噴射装置１の外部に放出する部品であり、例えば、内蔵された電磁弁により開閉制御可能に構成されている。図１Ａ及び図１Ｂに示したように、ノズル６は筐体２の四隅に配置されているが、かかる配置に限定されるものではない。例えば、ノズル６は、筐体２の四隅の一部にのみ配置されていてもよいし、筐体２の辺部に沿って配置されていてもよい。また、ここでは、ノズル６が筐体２の底部２２に対して垂直に接続された場合を図示しているが、底部２２に対して傾斜した状態で接続するようにしてもよい。さらに、図示しないが、ガス流路７と連通する配管を介してノズル６を筐体２に接続し、筐体２から離隔した位置にノズル６を配置するようにしてもよい。

【0038】

前記ガス流路７は、筐体２に形成されたマニホールドである。ガス流路７は、一端がガス送気管５１に接続されており、他端が各ノズル６に接続されている。このように、筐体２にガス流路７を形成することによって、ノズル６にガスを供給する配管の本数を低減することができ、配管の接続作業や漏洩点検作業の労力を軽減することができる。

【0039】

前記ヒータ８は、推薬に熱エネルギーを与えて蒸発を促す部品である。ここで、図４Ａ、図４Ｂは蒸気噴射装置の詳細を示す図であり、図４Ａは下面図、図４Ｂは筐体の温度勾配図、である。図４Ａに示したように、筐体２の底部２２の下面には、複数のヒータ８ａ，８ｂ，８ｃが配置されている。例えば、ヒータ８ａは、ヒートスプレッダ４３に対応する位置に配置されており、ヒータ８ｂ，８ｃは、ガス流路７の末端部に沿った位置に配置されている。ヒータ８ａは、ガス貯蔵部４のガスが所定の蒸気圧を維持するようにガス貯蔵部４を加熱するとともに、液体状態の推薬が浸入しないようにヒートスプレッダ４３を加熱する機能を有する。また、ヒータ８ｂ，８ｃは、ノズル６に供給されるガスが液化しないようにガス流路７を加熱する機能を有する。なお、推薬保持部３内の推薬は、ヒータ８の加熱による筐体２の熱伝導により温められて徐々にガス化し、ガス貯蔵部４に供給される。

【0040】

また、図４Ｂに示したように、ヒータ８（ヒータ８ａ，８ｂ，８ｃ）は、推薬保持部３よりもガス貯蔵部４の方が高温となるように制御される。図４Ｂにおいて、縦軸は温度（℃）、横軸は筐体２の位置、を示しており、Ｐｗは隔壁２１の位置、Ｔｓは推薬の沸点を示している。ヒータ８（ヒータ８ａ，８ｂ，８ｃ）を制御することにより、隔壁２１の位置Ｐｗで推薬が蒸発するように沸点Ｔｓに達するようにするとともに、ガス貯蔵部４を沸点Ｔｓよりも高温となるように、推薬保持部３を沸点Ｔｓよりも低温となるようにしている。このように温度勾配をつけることにより、液体状態の推薬のガス貯蔵部４への浸入を効果的に抑制することができる。

【0041】

ここで、蒸気噴射装置１のシステム系統図について説明する。図５は、図１に示した蒸気噴射装置のシステム系統図である。図５に示したように、蒸気噴射装置１は、上流側から、液体状態の推薬を保持する推薬保持部３と、気化した推薬のガスを貯蔵するガス貯蔵部４と、ガスを外部に放出して推力を得るノズル６と、を有しており、ガス貯蔵部４とノズル６とはガス流路７により接続されている。また、推薬保持部３には注排口３１が配置されており、推薬保持部３とガス貯蔵部４との間にはフィルタ４１が配置されており、ガス貯蔵部４内にはヒートスプレッダ４３が配置されており、ガス貯蔵部４の下流側には弁体５２が配置されている。また、ガス貯蔵部４、ヒートスプレッダ４３及びガス流路７を加熱するヒータ８が配置されている。

【0042】

そして、本実施形態に係る蒸気噴射装置１では、上述したシステム系統図に示した各構成部品が全て一つの筐体２に集約された状態で配置されている。したがって、従来は分離した状態で配置された各構成部品をユニット化することができ、装置の小型化及び簡素化を図ることができる。

【0043】

次に、上述した蒸気噴射装置１の使用方法について説明する。ここで、図６Ａ〜図６Ｆは、図１に示した蒸気噴射装置の使用状態を示す図であり、図６Ａは第一例、図６Ｂは第二例、図６Ｃは第三例、図６Ｄは第四例、図６Ｅは第五例、図６Ｆは第六例、を示している。

【0044】

図６Ａに示した使用状態の第一例は、一つの蒸気噴射装置１を小型衛星等の宇宙機１０の一面に配置したものである。宇宙機１０は、例えば、一辺が１０ｃｍ程度〜数ｍ程度の大きさを有する立方体又は直方体の形状を有しており、その一面に蒸気噴射装置１の底部２２が接続される。

【0045】

図６Ｂに示した使用状態の第二例は、一対の蒸気噴射装置１を小型衛星等の宇宙機１０の一面に配置したものである。宇宙機１０は、例えば、一辺が数十ｃｍ以上の大きさを有する立方体又は直方体の形状を有しており、その一面に形成された台座１１上に蒸気噴射装置１が接続される。台座１１は、例えば、蒸気噴射装置１が互いに外側を向くように傾斜している。なお、台座１１を省略して、蒸気噴射装置１に配置されるノズル６の据付角度を調整することにより、所望の方向に蒸気を噴射できるようにしてもよい。

【0046】

また、宇宙機１０は、不規則な運動をしているスペースデブリを捕獲して減速させることによって軌道上から除去するスペースデブリ除去装置であってもよい。スペースデブリ除去装置は、例えば、スペースデブリに接近するための推進装置と、スペースデブリに接続するための接続装置と、宇宙空間に導電性テザー１２を伸展させてスペースデブリを減速させる減速装置と、外面に配置された太陽電池パネル１３と、を有している。スペースデブリ除去装置は、導電性テザー１２を使用することによって、導電性テザー１２に流れる電流と磁場との関係から、導電性テザー１２にローレンツ力が作用するという原理を用いて、導電性テザー１２を地球に向かって引っ張る力を発生させることにより、スペースデブリを減速させる。なお、図６Ｂに示した太陽電池パネル１３の搭載方法は、単なる一例であり、かかる構成に限定されるものではなく、例えば、太陽電池パドルとして宇宙機１０に搭載されていてもよい。

【0047】

図６Ｃに示した使用状態の第三例は、一対の蒸気噴射装置１をスペースデブリ除去装置等の宇宙機１０の一面に対峙するように配置したものである。蒸気噴射装置１は、例えば、筐体２の四隅のうち、内側の二箇所にのみノズル６が配置される。例えば、宇宙機１０がスペースデブリ除去装置の場合、蒸気噴射装置１は、導電性テザー１２を放出する開口部１４を挟む位置に配置される。なお、蒸気噴射装置１におけるノズル６の配置は任意であり、例えば、筐体２の四隅のうち一箇所にのみ配置されていてもよいし、二箇所にのみ配置されていてもよいし、三箇所又は四箇所全てに配置されていてもよい。

【0048】

図６Ｄに示した使用状態の第四例は、四つの蒸気噴射装置１をスペースデブリ除去装置等の宇宙機１０の一面の対角線上に配置したものである。蒸気噴射装置１は、例えば、筐体２の四隅のうち、開口部１４に最も近い箇所にのみノズル６が配置される。なお、蒸気噴射装置１におけるノズル６の配置及び個数は任意であり、例えば、開口部１４から最も離れた箇所にのみノズル６が配置されていてもよいし、筐体２の四隅のうち最も離れた箇所を除く三箇所に配置されていてもよいし、四箇所全てに配置されていてもよい。

【0049】

図６Ｅに示した使用状態の第五例は、蒸気噴射装置１の本体部２３上に小型衛星等の宇宙機１０を配置したものである。第五例の使用状態は、宇宙機１０の外形が、蒸気噴射装置１の本体部２３と同じ又はそれよりも小さい形状を有する場合やノズル６と干渉しない形状を有する場合に適用することができる。

【0050】

図６Ｆに示した使用状態の第六例は、小型衛星等の宇宙機１０の一面に側方に拡張した拡張部１５を形成し、この拡張部１５に複数の蒸気噴射装置１を配置したものである。拡張部１５は、外周全体が拡張された円形状又は多角形状のフランジ部材であってもよいし、蒸気噴射装置１の支持に必要な部分だけ拡張されたブーム部材であってもよい。

【0051】

続いて、本発明の他の実施形態に係る蒸気噴射装置１について、図７Ａ、図７Ｂを参照しつつ説明する。ここで、図７Ａ、図７Ｂは、本発明の他の実施形態に係る蒸気噴射装置を示す垂直断面図であり、図７Ａは第二実施形態、図７Ｂは第三実施形態、を示している。なお、図１Ａ〜図５に示した第一実施形態に係る蒸気噴射装置１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。

【0052】

図７Ａ及び図７Ｂに示した実施形態は、筐体２が同型形状の増設モジュール１００と積層可能に構成されているものである。図７Ａに示した第二実施形態に係る蒸気噴射装置１は、増設モジュール１００として、推薬を収納した増設タンク１０１と、バッテリ１０２ａを搭載したバッテリモジュール１０２と、を積層したものである。また、図７Ｂに示した第三実施形態に係る蒸気噴射装置１は、増設モジュール１００として、カメラ１０３ａを搭載したモニタリングモジュール１０３を積層したものである。

【0053】

図７Ａに示した増設タンク１０１は、例えば、筐体２と同じ高さ（厚さ）を有していてもよいし、必要な推薬の分量に応じた高さ（厚さ）を有していてもよい。このように、増設タンク１０１を積層する場合には、筐体２の底部と増設タンク１０１の上部に推薬保持部３と増設タンク１０１とを連通させる流体コネクタ１０１ａが配置される。

【0054】

図７Ａに示したバッテリモジュール１０２は、例えば、筐体２と同じ高さ（厚さ）を有していてもよいし、必要なバッテリ１０２ａの分量に応じた高さ（厚さ）を有していてもよい。このように、バッテリモジュール１０２を積層する場合には、筐体２の底部とバッテリモジュール１０２の上部に電気的に接続可能な電気コネクタ１０２ｂが配置される。また、筐体２とバッテリモジュール１０２との間に他の増設モジュール１００（例えば、増設タンク１０１）が介在する場合には、中間に配置される増設モジュール１００にも中継地点を構成する電気コネクタ１０２ｂが配置される。

【0055】

図７Ｂに示したモニタリングモジュール１０３は、外方に延出されたフランジ部１０３ｂにＣＣＤカメラ等のカメラ１０３ａが埋設されており、モジュール内に制御部１０３ｃが配置されている。モニタリングモジュール１０３は、カメラ１０３ａの撮像画像によって個々のノズル６の開閉を制御するための情報を得たり、かかる情報を得ると同時にノズル６の開閉を制御したりすることができる。カメラ１０３ａは、監視機器の一例に過ぎず、静止画情報を取得できる機器であってもよいし、動画情報を取得できる機器であってもよい。また、モニタリングモジュール１０３には、対象物との相対的な位置関係を認識可能なレーザレーダや自己の姿勢を検出可能なジャイロ等のような計測機器を、カメラ１０３ａに替えて又は一緒に搭載させるようにしてもよい。

【0056】

本実施形態では、推薬保持部３、ガス貯蔵部４及び機器格納部５を一つの筐体２内に配置したことにより、同型形状の増設モジュール１００と積層可能に構成することができ、増設タンク１０１、バッテリモジュール１０２、モニタリングモジュール１０３等の増設モジュール１００を容易に積層することができ、蒸気噴射装置１の性能アップや機能追加を容易に行うことができ、利便性を向上させることができる。

【0057】

なお、増設モジュール１００は、上述した増設タンク１０１、バッテリモジュール１０２及びモニタリングモジュール１０３に限定されるものではなく、追加したい機能に応じて筐体２と同型形状の箱型形状とすることにより任意のモジュール（例えば、蒸気噴射装置１の弁駆動回路、蒸気噴射装置１や増設モジュール１００に搭載された機器等の制御回路を内蔵した制御モジュール、ジャイロ等を備えた姿勢制御モジュール等）を積層することができる。

【0058】

本発明は上述した実施形態に限定されず、例えば、推薬保持部３、ガス貯蔵部４及び機器格納部５の配置は上下方向又は左右方向に形成された三層構造であってもよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0059】

１ 蒸気噴射装置
２ 筐体
２ａ 連通孔
３ 推薬保持部
４ ガス貯蔵部
５ 機器格納部
６ ノズル
７ ガス流路
８，８ａ，８ｂ，８ｃ ヒータ
２１，２１′ 隔壁
３１ 注排口
３２ 推薬保持板
４１ フィルタ
４２ 排気口
４３ ヒートスプレッダ
５１ ガス送気管
５２ 弁体
１００ 増設モジュール
１０１ 増設タンク
１０２ バッテリモジュール
１０３ モニタリングモジュール

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図7A】

【図7B】