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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024085558
(43)【公開日】2024-06-27
(54)【発明の名称】推進薬供給装置とこれを備えた宇宙飛行体
(51)【国際特許分類】
F02K 9/46 20060101AFI20240620BHJP
F02K 9/56 20060101ALI20240620BHJP
【ＦＩ】
F02K9/46
F02K9/56
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022200133
(22)【出願日】2022-12-15
(71)【出願人】
【識別番号】500302552
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩエアロスペース
(71)【出願人】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100097515
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 実
(74)【代理人】
【識別番号】100136700
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 俊博
(72)【発明者】
【氏名】松浦 芳樹
(72)【発明者】
【氏名】杉村 文隆
(72)【発明者】
【氏名】長田 泰一
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高圧ガスを用いずにメインエンジンとスラスタに液体推進薬を供給することができ、スラスタのみを使用する場合でも容易に制御できる推進薬供給装置を提供する。
【解決手段】推進薬タンク１２、電動ポンプ１４、減圧器１６、圧力保持ライン１８、低圧ライン２０及び制御器３０を備える。推進薬タンクは、推進薬Ｌを保有し大気圧以下の減圧空間において排出する。電動ポンプは、推進薬を供給圧力まで加圧する。減圧器は、供給圧力より低い低圧まで減圧する。圧力保持ラインは、電動ポンプの吐出口１４ｂと減圧器の流入口１６ａとを直接連結する。低圧ラインは、減圧器の流出口１６ｂと電動ポンプの吸引口１４ａとを直接連結する。制御器は、電動ポンプを流量制御又はオンオフ制御し、供給圧力を所定の範囲に維持する。推進薬タンクは、低圧ラインに連結され、メインエンジン５０及びスラスタ６０は、圧力保持ラインにそれぞれ連結される。
【選択図】図１
【解決手段】推進薬タンク１２、電動ポンプ１４、減圧器１６、圧力保持ライン１８、低圧ライン２０及び制御器３０を備える。推進薬タンクは、推進薬Ｌを保有し大気圧以下の減圧空間において排出する。電動ポンプは、推進薬を供給圧力まで加圧する。減圧器は、供給圧力より低い低圧まで減圧する。圧力保持ラインは、電動ポンプの吐出口１４ｂと減圧器の流入口１６ａとを直接連結する。低圧ラインは、減圧器の流出口１６ｂと電動ポンプの吸引口１４ａとを直接連結する。制御器は、電動ポンプを流量制御又はオンオフ制御し、供給圧力を所定の範囲に維持する。推進薬タンクは、低圧ラインに連結され、メインエンジン５０及びスラスタ６０は、圧力保持ラインにそれぞれ連結される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
相対的に大推力を発生するメインエンジンと、相対的に小推力を発生するスラスタとに液体の推進薬を供給する推進薬供給装置であって、
内部に前記推進薬を保有し大気圧以下の減圧空間において前記推進薬を排出可能な中空の推進薬タンクと、
電動ポンプの吐出口と減圧器の流入口とを直接連結し、その間に所定の供給圧力の前記推進薬を保持可能な圧力保持ラインと、
前記減圧器の流出口と前記電動ポンプの吸引口とを直接連結し、その間に前記供給圧力より低い低圧の前記推進薬を保持可能な低圧ラインと、
前記電動ポンプを制御する制御器と、を備え、
前記電動ポンプは、前記低圧ラインの前記推進薬を前記供給圧力まで加圧し、
前記減圧器は、前記圧力保持ラインの前記推進薬を前記低圧まで減圧し、
前記推進薬タンクの排出口は、前記低圧ラインに連結されており、
前記メインエンジン及び前記スラスタの推進薬供給口は、前記圧力保持ラインにそれぞれ連結されている、推進薬供給装置。
内部に前記推進薬を保有し大気圧以下の減圧空間において前記推進薬を排出可能な中空の推進薬タンクと、
電動ポンプの吐出口と減圧器の流入口とを直接連結し、その間に所定の供給圧力の前記推進薬を保持可能な圧力保持ラインと、
前記減圧器の流出口と前記電動ポンプの吸引口とを直接連結し、その間に前記供給圧力より低い低圧の前記推進薬を保持可能な低圧ラインと、
前記電動ポンプを制御する制御器と、を備え、
前記電動ポンプは、前記低圧ラインの前記推進薬を前記供給圧力まで加圧し、
前記減圧器は、前記圧力保持ラインの前記推進薬を前記低圧まで減圧し、
前記推進薬タンクの排出口は、前記低圧ラインに連結されており、
前記メインエンジン及び前記スラスタの推進薬供給口は、前記圧力保持ラインにそれぞれ連結されている、推進薬供給装置。
【請求項2】
前記減圧器は、オリフィス又は固定絞りである、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項3】
前記減圧器は、前記電動ポンプの停止時に、加圧された前記推進薬を前記圧力保持ラインから前記低圧ラインに流し、前記圧力保持ラインと前記低圧ラインの圧力を、前記推進薬タンクの前記推進薬と同じ圧力にする、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項4】
前記推進薬タンクは、内部がダイアフラム又はベローズで２室に仕切られた低圧タンクであり、
前記２室の一方に前記推進薬が充填され、他方に大気圧以下の前記減圧空間において前記推進薬を加圧可能な低圧ガスが充填されている、請求項１に記載の推進薬供給装置。
前記２室の一方に前記推進薬が充填され、他方に大気圧以下の前記減圧空間において前記推進薬を加圧可能な低圧ガスが充填されている、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項5】
前記電動ポンプは、吐出流量を可変調節可能な可変流量ポンプであり、
前記制御器は、前記圧力保持ラインの圧力に応じて、前記電動ポンプを流量制御又はオンオフ制御し、前記供給圧力を所定の範囲に維持する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
前記制御器は、前記圧力保持ラインの圧力に応じて、前記電動ポンプを流量制御又はオンオフ制御し、前記供給圧力を所定の範囲に維持する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項6】
前記制御器は、加圧された前記推進薬が前記圧力保持ラインから前記減圧器を通って前記低圧ラインに流れ、前記電動ポンプに戻る循環流れを形成する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項7】
前記圧力保持ラインに設置され、前記推進薬の圧力の脈動を吸収するサブタンクを有する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項8】
前記電動ポンプの吐出口側に設置され、前記推進薬の逆流を防止するチェック弁を有する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項9】
前記減圧器の流入口側に設置され、前記推進薬の流れを遮断可能な制御弁を有する、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項10】
前記推進薬タンクと前記メインエンジン及び前記スラスタを結ぶ前記推進薬の流路が、遮断弁、前記電動ポンプと制御弁、及び主流量調節弁と副流量調節弁の三重のバルブ又はポンプで仕切られ、三重冗長の安全性が確保されている、請求項１に記載の推進薬供給装置。
【請求項11】
前記電動ポンプを起動する際に、圧力計で圧力計測をしながら、所定の圧力に達するまで前記制御弁を閉じたままとすることで、圧力の安定した運転を能動的に実現する、請求項９に記載の推進薬供給装置。
【請求項12】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の推進薬供給装置と、
前記圧力保持ラインに主流量調節弁を介して直結された前記メインエンジンと、
前記圧力保持ラインに副流量調節弁を介して直結された前記スラスタと、を備えた宇宙飛行体。
前記圧力保持ラインに主流量調節弁を介して直結された前記メインエンジンと、
前記圧力保持ラインに副流量調節弁を介して直結された前記スラスタと、を備えた宇宙飛行体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、宇宙飛行体用の推進薬供給装置とこれを備えた宇宙飛行体に関する。
【背景技術】
【0002】
宇宙空間で使用する例えば人工衛星や宇宙機（以下、「宇宙飛行体」）の推進系には、主として推進用に用いられるメインエンジンと、主として姿勢制御に用いられるスラスタとが通常搭載されている。
メインエンジンとスラスタは、通常、同一の液体推進薬（例えば、一液式推進薬、液体酸化剤、液体燃料、以下、「推進薬」）を使用し、メインエンジンは相対的に大流量の推進薬により大推力を発生し、スラスタは相対的に小流量の推進薬により小推力を発生する。
メインエンジンとスラスタは、通常、同一の液体推進薬（例えば、一液式推進薬、液体酸化剤、液体燃料、以下、「推進薬」）を使用し、メインエンジンは相対的に大流量の推進薬により大推力を発生し、スラスタは相対的に小流量の推進薬により小推力を発生する。
【0003】
従来、上述した宇宙飛行体の推進系は、メインエンジンに高圧ガスで大流量の推進薬を供給し、スラスタに小流量の推進薬を分岐して圧送する方式（以下、「高圧圧送式」）を採用している。
この場合、メインエンジンとスラスタは、それぞれ個別にバルブ（流量調節弁又は開閉弁）を有しており、必要に応じて開閉し推力を得るようになっている。
この場合、メインエンジンとスラスタは、それぞれ個別にバルブ（流量調節弁又は開閉弁）を有しており、必要に応じて開閉し推力を得るようになっている。
【0004】
しかし、高圧圧送式の推進系の場合、推進薬を内部に保有する推進薬タンクを加圧するために高圧ガスを内部に保有する気蓄器（以下、「高圧ガス容器」）が不可欠となる。
高圧ガス容器は、高い安全性と信頼性が要求されるため、安全対策や安全審査に多大な手間と経費を要し、かつ重量が大きくなり、高コストとなる。
高圧ガス容器は、高い安全性と信頼性が要求されるため、安全対策や安全審査に多大な手間と経費を要し、かつ重量が大きくなり、高コストとなる。
【0005】
そこで、高圧ガスを用いない宇宙飛行体の推進系として、例えば、特許文献１，２が提案されている。
【0006】
特許文献１の「ターボポンプ式エンジンシステム」は、燃料供給系から延びる燃料供給ラインと、酸化剤供給系から延びる酸化剤供給ラインと、それらの供給ラインにそれぞれ介装された対をなすターボポンプとを備える。ターボポンプは燃料供給ラインおよび酸化剤供給ラインと接続されたガス発生器によって駆動される。燃料供給ラインおよび酸化剤供給ラインの先端は、調量弁が介装された分岐ラインを介して推力用のスラスタに接続される。
【0007】
特許文献２の「推進薬供給装置」は、中空の金属箔タンクと電動ポンプとを有する。金属箔タンクは、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り、推進薬の排出管を有し、内部に充填した推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能である。電動ポンプは、排出管から排出された推進薬を圧送圧力まで加圧する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】実開平６－１８１９８号公報
【特許文献2】特開２０２１－１６７５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述した特許文献１，２の手段を、主として推進用に用いられるメインエンジンと主として姿勢制御に用いられるスラスタとが搭載されている宇宙飛行体の推進系に適用する場合、以下の問題点があった。
【0010】
特許文献１の手段には、以下の問題点があった。
（１）燃焼反応が必要なガス発生器によってターボポンプを駆動するため、構造が複雑となる。また、ターボポンプの始動時に高圧ガスが必要であり、高圧ガスの使用を完全に無くすことはできない。
（２）ターボポンプの最大流量は、メインエンジンとスラスタの両方に必要な最大流量に設定する必要がある。一方、スラスタの必要流量は、ターボポンプよりも大幅に少ない（例えば１／１００以下）。そのため、メインエンジンは使用せず、スラスタのみ使用する場合には、ターボポンプの駆動条件を大きく低減させる必要があり、ターボポンプの制御（例えば、低速運転）が困難となる。
またターボポンプで大流量の推進薬を供給し、スラスタで小流量のみを利用した場合、供給した推進薬の大部分（例えば９０％以上）が無駄となる。
（１）燃焼反応が必要なガス発生器によってターボポンプを駆動するため、構造が複雑となる。また、ターボポンプの始動時に高圧ガスが必要であり、高圧ガスの使用を完全に無くすことはできない。
（２）ターボポンプの最大流量は、メインエンジンとスラスタの両方に必要な最大流量に設定する必要がある。一方、スラスタの必要流量は、ターボポンプよりも大幅に少ない（例えば１／１００以下）。そのため、メインエンジンは使用せず、スラスタのみ使用する場合には、ターボポンプの駆動条件を大きく低減させる必要があり、ターボポンプの制御（例えば、低速運転）が困難となる。
またターボポンプで大流量の推進薬を供給し、スラスタで小流量のみを利用した場合、供給した推進薬の大部分（例えば９０％以上）が無駄となる。
【0011】
特許文献２の手段には、以下の問題点があった。
（３）ベローズタンクのガス室に加圧ガスを供給する加圧ガス供給装置を必要とする。加圧ガスは、推進薬の供給圧力（例えば１ＭＰａ～２ＭＰａ）以上の高圧ガスであり、高圧ガスの使用を完全に無くすことはできない。
（４）仮に、加圧ガス供給装置を省略し、電動ポンプを用いてメインエンジンとスラスタの両方に必要な最大流量を供給可能にした場合、スラスタのみ使用する際に電動ポンプの流量を大きく低減させる必要があり、電動ポンプの制御が困難となる。
（３）ベローズタンクのガス室に加圧ガスを供給する加圧ガス供給装置を必要とする。加圧ガスは、推進薬の供給圧力（例えば１ＭＰａ～２ＭＰａ）以上の高圧ガスであり、高圧ガスの使用を完全に無くすことはできない。
（４）仮に、加圧ガス供給装置を省略し、電動ポンプを用いてメインエンジンとスラスタの両方に必要な最大流量を供給可能にした場合、スラスタのみ使用する際に電動ポンプの流量を大きく低減させる必要があり、電動ポンプの制御が困難となる。
【0012】
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、高圧ガスを用いずにメインエンジンとスラスタに液体推進薬を供給することができ、推薬消費量の少ないスラスタのみを使用する場合でも容易に制御できる推進薬供給装置とこれを備えた宇宙飛行体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明によれば、相対的に大推力を発生するメインエンジンと、相対的に小推力を発生するスラスタとに液体の推進薬を供給する推進薬供給装置であって、
内部に前記推進薬を保有し大気圧以下の減圧空間において前記推進薬を排出可能な中空の推進薬タンクと、
電動ポンプの吐出口と減圧器の流入口とを直接連結し、その間に所定の供給圧力の前記推進薬を保持可能な圧力保持ラインと、
前記減圧器の流出口と前記電動ポンプの吸引口とを直接連結し、その間に前記供給圧力より低い低圧の前記推進薬を保持可能な低圧ラインと、
前記電動ポンプを制御する制御器と、を備え、
前記電動ポンプは、前記低圧ラインの前記推進薬を前記供給圧力まで加圧し、
前記減圧器は、前記圧力保持ラインの前記推進薬を前記低圧まで減圧し、
前記推進薬タンクの排出口は、前記低圧ラインに連結されており、
前記メインエンジン及び前記スラスタの推進薬供給口は、前記圧力保持ラインにそれぞれ連結されている、推進薬供給装置が提供される。
内部に前記推進薬を保有し大気圧以下の減圧空間において前記推進薬を排出可能な中空の推進薬タンクと、
電動ポンプの吐出口と減圧器の流入口とを直接連結し、その間に所定の供給圧力の前記推進薬を保持可能な圧力保持ラインと、
前記減圧器の流出口と前記電動ポンプの吸引口とを直接連結し、その間に前記供給圧力より低い低圧の前記推進薬を保持可能な低圧ラインと、
前記電動ポンプを制御する制御器と、を備え、
前記電動ポンプは、前記低圧ラインの前記推進薬を前記供給圧力まで加圧し、
前記減圧器は、前記圧力保持ラインの前記推進薬を前記低圧まで減圧し、
前記推進薬タンクの排出口は、前記低圧ラインに連結されており、
前記メインエンジン及び前記スラスタの推進薬供給口は、前記圧力保持ラインにそれぞれ連結されている、推進薬供給装置が提供される。
【0014】
また本発明によれば、上記の推進薬供給装置と、
前記圧力保持ラインに主流量調節弁を介して直結された前記メインエンジンと、
前記圧力保持ラインに副流量調節弁を介して直結された複数の前記スラスタと、を備えた宇宙飛行体が提供される。
前記圧力保持ラインに主流量調節弁を介して直結された前記メインエンジンと、
前記圧力保持ラインに副流量調節弁を介して直結された複数の前記スラスタと、を備えた宇宙飛行体が提供される。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、電動ポンプが低圧ラインの推進薬を所定の供給圧力まで加圧するので、圧力保持ラインの圧力を供給圧力に保持することができる。これにより、高圧ガスを用いずに、圧力保持ラインにそれぞれ連結されているメインエンジン及びスラスタの推進薬供給口に供給圧の推進薬を供給することができる。
【0016】
また、減圧器が圧力保持ラインの推進薬を低圧まで減圧するので、低圧ラインの圧力を供給圧力より低い低圧に保持することができる。これにより、圧力保持ラインの余剰の推進薬は減圧器により低圧ラインに流れるので、メインエンジンを使用せず、スラスタのみ使用する場合でも電動ポンプを容易に制御できる。
さらに、推進薬タンクの排出口が低圧ラインに連結されているので、低圧ラインを常に低圧の推進薬で満たすことができる。
さらに、推進薬タンクの排出口が低圧ラインに連結されているので、低圧ラインを常に低圧の推進薬で満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
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。
【0019】
図１は、本発明による推進薬供給装置１０の実施形態図である。
本発明の推進薬供給装置１０は、メインエンジン５０とスラスタ６０に液体の推進薬Ｌを供給する装置である。
推進薬Ｌは、この例では一液式推進薬（例えば、ヒドラジン）である。
本発明の推進薬供給装置１０は、メインエンジン５０とスラスタ６０に液体の推進薬Ｌを供給する装置である。
推進薬Ｌは、この例では一液式推進薬（例えば、ヒドラジン）である。
【0020】
メインエンジン５０とスラスタ６０は、内部に触媒を有しており、同一の推進薬Ｌを反応させて推進ガスＪを外部に噴射するようになっている。
メインエンジン５０は、相対的に大量の推進薬Ｌを消費して相対的に大推力を発生する。スラスタ６０は、相対的に小量の推進薬Ｌを消費して相対的に小推力を発生する。
「相対的に大推力」とは、メインエンジン５０の推力がスラスタ６０と比較してそれより大きいことを意味する。「相対的に小推力」とは、スラスタ６０の推力がメインエンジン５０と比較してそれより小さいことを意味する。「相対的に大量」「相対的に小量」の意味も同様である。
メインエンジン５０は、主として推進用に用いられ、宇宙飛行体の機体に１台又は複数が搭載される。スラスタ６０は、主として姿勢制御に用いられ、宇宙飛行体の機体に複数（例えば４台）が通常搭載される。
メインエンジン５０は、相対的に大量の推進薬Ｌを消費して相対的に大推力を発生する。スラスタ６０は、相対的に小量の推進薬Ｌを消費して相対的に小推力を発生する。
「相対的に大推力」とは、メインエンジン５０の推力がスラスタ６０と比較してそれより大きいことを意味する。「相対的に小推力」とは、スラスタ６０の推力がメインエンジン５０と比較してそれより小さいことを意味する。「相対的に大量」「相対的に小量」の意味も同様である。
メインエンジン５０は、主として推進用に用いられ、宇宙飛行体の機体に１台又は複数が搭載される。スラスタ６０は、主として姿勢制御に用いられ、宇宙飛行体の機体に複数（例えば４台）が通常搭載される。
【0021】
メインエンジン５０の推力（大推力）は例えば約５００Ｎであり、スラスタ６０の推力（小推力）は例えば約４Ｎである。
推進薬Ｌの消費量（「推薬消費量」）は、推力にほぼ比例する。スラスタ６０の推薬消費量は例えば約１８ｃｃ／ｍｉｎであり、推力に比例する場合、メインエンジン５０の推薬消費量は例えば約２２５０ｃｃ／ｍｉｎ（＝１８×５００／４）である。
推進薬Ｌの消費量（「推薬消費量」）は、推力にほぼ比例する。スラスタ６０の推薬消費量は例えば約１８ｃｃ／ｍｉｎであり、推力に比例する場合、メインエンジン５０の推薬消費量は例えば約２２５０ｃｃ／ｍｉｎ（＝１８×５００／４）である。
【0022】
所定の推力（上述した大推力と小推力）を発生するために、メインエンジン５０とスラスタ６０には推進薬Ｌを所定の供給圧力Ｐ１で供給する必要がある。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。
【0023】
メインエンジン５０の上流側には、流量調節弁（主流量調節弁５２）が設けられ、推薬消費量を可変制御して推力（大推力）を遠隔制御するようになっている。同様に、スラスタ６０の上流側には、流量調節弁（副流量調節弁６２）が設けられ、推薬消費量を可変制御して推力（小推力）を遠隔制御するようになっている。なお、スラスタ６０の上流側にさらに流量制御用のオリフィスを設けることが好ましい。
この遠隔制御は、例えば宇宙飛行体１００の上位の制御装置からの指令によるのがよい。
この遠隔制御は、例えば宇宙飛行体１００の上位の制御装置からの指令によるのがよい。
【0024】
図１において、推進薬供給装置１０は、推進薬タンク１２、電動ポンプ１４、減圧器１６、圧力保持ライン１８、低圧ライン２０、及び、制御器３０を備える。
【0025】
推進薬タンク１２は、中空の低圧タンクであり、内部に推進薬Ｌを保有し、大気圧以下の減圧空間において推進薬Ｌを排出可能に構成されている。
この例では、推進薬タンク１２は、内部がダイアフラム１３で２室に仕切られ、２室の一方に推進薬Ｌが充填され、他方に大気圧以下の減圧空間において推進薬Ｌを加圧可能な低圧ガスＧが充填されている。なお、ダイアフラム１３の代わりにベローズを用いてもよい。
宇宙飛行体（例えば衛星）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、１０－５～１０５Ｐａである。１０５Ｐａは大気圧に相当する。
この例では、推進薬タンク１２は、内部がダイアフラム１３で２室に仕切られ、２室の一方に推進薬Ｌが充填され、他方に大気圧以下の減圧空間において推進薬Ｌを加圧可能な低圧ガスＧが充填されている。なお、ダイアフラム１３の代わりにベローズを用いてもよい。
宇宙飛行体（例えば衛星）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、１０－５～１０５Ｐａである。１０５Ｐａは大気圧に相当する。
【0026】
電動ポンプ１４は、推進薬Ｌを所定の供給圧力Ｐ１まで加圧する。供給圧力Ｐ１は、例えば１ＭＰａ～２ＭＰａの範囲である。
電動ポンプ１４は、この例では、ポンプ１５ａと電動機１５ｂからなる。
電動ポンプ１４は、吐出流量を可変調節可能な可変流量ポンプであることが好ましい。
電動ポンプ１４の可変流量範囲は、最大がメインエンジン５０とスラスタ６０の両方を同時に使用する際の必要流量以上であり、最小が１又は複数のスラスタ６０のみを使用する際の必要流量以上であるのがよい。
また、電動ポンプ１４は、その停止時において、吸引口１４ａと吐出口１４ｂの間が完全に遮断され推進薬Ｌが流れないようになっている。
電動ポンプ１４は、この例では、ポンプ１５ａと電動機１５ｂからなる。
電動ポンプ１４は、吐出流量を可変調節可能な可変流量ポンプであることが好ましい。
電動ポンプ１４の可変流量範囲は、最大がメインエンジン５０とスラスタ６０の両方を同時に使用する際の必要流量以上であり、最小が１又は複数のスラスタ６０のみを使用する際の必要流量以上であるのがよい。
また、電動ポンプ１４は、その停止時において、吸引口１４ａと吐出口１４ｂの間が完全に遮断され推進薬Ｌが流れないようになっている。
【0027】
減圧器１６は、供給圧力Ｐ１の推進薬Ｌを供給圧力Ｐ１より低い低圧Ｐ２まで減圧する。低圧Ｐ２は、供給圧力Ｐ１より低い範囲で変動してもよい。
減圧器１６は、この例では、オリフィスであるが、固定絞りであってもよい。また、オリフィス又は固定絞りと並列に定圧弁（又は減圧弁）を備えてもよい。
減圧器１６は、この例では、オリフィスであるが、固定絞りであってもよい。また、オリフィス又は固定絞りと並列に定圧弁（又は減圧弁）を備えてもよい。
【0028】
圧力保持ライン１８は、電動ポンプ１４の吐出口１４ｂと減圧器１６の流入口１６ａとを直接連結し、その間に供給圧力Ｐ１の推進薬Ｌを保持可能に構成されている。
圧力保持ライン１８は、供給圧力Ｐ１の圧力に耐える配管である。また、圧力保持ライン１８は、好ましくは連続した中空管であり、その一端が吐出口１４ｂに接続し、他端が流入口１６ａに接続する。圧力保持ライン１８の内径は、推進薬Ｌの圧力変動を低減するために、可能な範囲で大きくかつ均一に設定されているのがよい。
圧力保持ライン１８は、供給圧力Ｐ１の圧力に耐える配管である。また、圧力保持ライン１８は、好ましくは連続した中空管であり、その一端が吐出口１４ｂに接続し、他端が流入口１６ａに接続する。圧力保持ライン１８の内径は、推進薬Ｌの圧力変動を低減するために、可能な範囲で大きくかつ均一に設定されているのがよい。
【0029】
図１において、圧力保持ライン１８には、圧力計２２、サブタンク２３、チェック弁２５、及び、制御弁２９が設置されている。
圧力計２２は、圧力保持ライン１８の圧力を検出して制御器３０にデータを出力する。制御器３０は、例えば、コンピュータ（ＰＣ）であり、電動ポンプ１４を制御する。
この制御は、例えば、圧力計２２で検出された圧力保持ライン１８の圧力に応じて、電動ポンプ１４を流量制御又はオンオフ制御し、供給圧力Ｐ１を所定の範囲に維持する。なお、宇宙飛行体の上位の制御装置からの指令により、電動ポンプ１４の吐出流量を可変制御してもよい。
圧力計２２は、圧力保持ライン１８の圧力を検出して制御器３０にデータを出力する。制御器３０は、例えば、コンピュータ（ＰＣ）であり、電動ポンプ１４を制御する。
この制御は、例えば、圧力計２２で検出された圧力保持ライン１８の圧力に応じて、電動ポンプ１４を流量制御又はオンオフ制御し、供給圧力Ｐ１を所定の範囲に維持する。なお、宇宙飛行体の上位の制御装置からの指令により、電動ポンプ１４の吐出流量を可変制御してもよい。
【0030】
図１において、サブタンク２３は、例えばアキュムレータであり、圧力保持ライン１８に設置され、推進薬Ｌの圧力の脈動を吸収する機能を有する。
チェック弁２５は、電動ポンプ１４の吐出口側（この例で吐出口１４ｂの近傍）に設置され、吐出口１４ｂから吸引口１４ａへの推進薬Ｌの逆流を防止する機能を有する。
制御弁２９は、例えば電磁弁であり、減圧器１６の流入口側（この例で流入口１６ａの近傍）に設置され、圧力保持ライン１８の流れを遮断可能になっている。
制御弁２９の開閉制御は、制御器３０、又は宇宙飛行体の上位の制御装置からの指令により、実施する。
チェック弁２５は、電動ポンプ１４の吐出口側（この例で吐出口１４ｂの近傍）に設置され、吐出口１４ｂから吸引口１４ａへの推進薬Ｌの逆流を防止する機能を有する。
制御弁２９は、例えば電磁弁であり、減圧器１６の流入口側（この例で流入口１６ａの近傍）に設置され、圧力保持ライン１８の流れを遮断可能になっている。
制御弁２９の開閉制御は、制御器３０、又は宇宙飛行体の上位の制御装置からの指令により、実施する。
【0031】
低圧ライン２０は、減圧器１６の流出口１６ｂと電動ポンプ１４の吸引口１４ａとを直接連結し、その間に供給圧力Ｐ１より低い低圧Ｐ２の推進薬Ｌを保持可能に構成されている。
低圧ライン２０の内径は、電動ポンプ１４の最大吐出流量を低い圧損で流せるように、可能な範囲で大きくかつ均一に設定されているのがよい。
低圧ライン２０の内径は、電動ポンプ１４の最大吐出流量を低い圧損で流せるように、可能な範囲で大きくかつ均一に設定されているのがよい。
【0032】
図１において、推進薬タンク１２の排出口１２ａは、推薬補給管２４により低圧ライン２０に連結されている。また、推薬補給管２４には、遮断弁２６が設けられ推薬補給管２４の流れを開閉できるようになっている。
この構成により、遮断弁２６が開いているとき、低圧ライン２０と推進薬タンク１２の推進薬Ｌは推薬補給管２４を介して連通しており、低圧ライン２０の圧力（低圧Ｐ２）は推進薬タンク１２の推進薬Ｌの圧力と同じに保持される。
この構成により、遮断弁２６が開いているとき、低圧ライン２０と推進薬タンク１２の推進薬Ｌは推薬補給管２４を介して連通しており、低圧ライン２０の圧力（低圧Ｐ２）は推進薬タンク１２の推進薬Ｌの圧力と同じに保持される。
【0033】
図１において、メインエンジン５０の主流量調節弁５２は、メイン供給管２７により圧力保持ライン１８に連結（好ましくは直結）されている。メイン供給管２７の内径は、メインエンジン５０の推薬消費量に適した大きさ（大径）に設定されている。
同様に、スラスタ６０の副流量調節弁６２は、スラスタ供給管２８により圧力保持ライン１８に連結（好ましくは直結）されている。スラスタ供給管２８の内径は、スラスタ６０の推薬消費量に適した大きさ（小径）に設定されている。
同様に、スラスタ６０の副流量調節弁６２は、スラスタ供給管２８により圧力保持ライン１８に連結（好ましくは直結）されている。スラスタ供給管２８の内径は、スラスタ６０の推薬消費量に適した大きさ（小径）に設定されている。
【0034】
図２は、上述した推進薬供給装置１０を備えた宇宙飛行体１００の全体構成図である。
【0035】
この図において、宇宙飛行体１００は、推進薬供給装置１０とメインエンジン５０とスラスタ６０とを備える。
メインエンジン５０は、圧力保持ライン１８に主流量調節弁５２を介して直結されている。
スラスタ６０は、圧力保持ライン１８に副流量調節弁６２を介して直結されている。
メインエンジン５０は、圧力保持ライン１８に主流量調節弁５２を介して直結されている。
スラスタ６０は、圧力保持ライン１８に副流量調節弁６２を介して直結されている。
【0036】
メインエンジン５０は、この例では宇宙飛行体１００の機体に１台が搭載されているが、複数を搭載してもよい。
スラスタ６０は、この例では宇宙飛行体１００の機体に４台が搭載されているが、４台に限られず、１～３台、又は５台以上でもよい。
また、メインエンジン５０及びスラスタ６０の宇宙飛行体１００の機体への搭載位置は任意である。
スラスタ６０は、この例では宇宙飛行体１００の機体に４台が搭載されているが、４台に限られず、１～３台、又は５台以上でもよい。
また、メインエンジン５０及びスラスタ６０の宇宙飛行体１００の機体への搭載位置は任意である。
【0037】
図３は、推進薬供給装置１０の使用方法の説明図である。この図において、（Ａ）は電動ポンプ１４の始動前、（Ｂ）は電動ポンプ１４の始動後を示している。
【0038】
図３（Ａ）において、宇宙飛行体１００の打ち上げ時には、電動ポンプ１４は停止し、遮断弁２６、制御弁２９、主流量調節弁５２、及び、副流量調節弁６２は全て全閉状態であり、推進薬タンク１２の推進薬Ｌは低圧ガスＧで加圧されている。低圧ガスＧの圧力は、大気圧以下の減圧空間において推進薬Ｌを加圧可能な圧力であり、推進薬供給装置１０の使用時の真空に近い圧力を想定して高圧ガスに該当しない低圧（例えば、大気圧の１～５倍）に予め設定されている。
【0039】
従って、推進薬タンク１２とメインエンジン５０及びスラスタ６０を結ぶ推進薬Ｌの流路は、遮断弁２６、電動ポンプ１４と制御弁２９、及び主流量調節弁５２と副流量調節弁６２の三重のバルブ又はポンプで仕切られており、三重冗長の安全性が確保されている。
【0040】
この状態において、電動ポンプ１４は停止し、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０は空のまま密閉されている。圧力保持ライン１８と低圧ライン２０の圧力は打ち上げ時の大気圧が保持される可能性がある。そのため、電動ポンプ１４の始動前に、制御弁２９と主流量調節弁５２又は副流量調節弁６２を一旦開き、内部を宇宙空間の真空に近い圧力にすることが好ましい。
【0041】
次いで、主流量調節弁５２と副流量調節弁６２が全て全閉のまま、宇宙空間において遮断弁２６と制御弁２９を開く。これにより、図に破線の矢印で示すように、推進薬タンク１２の推進薬Ｌが低圧ライン２０に流入し、さらに減圧器１６を通って圧力保持ライン１８にも流入して、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０の全体が推進薬タンク１２で満たされる。この段階において、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０は、低圧ガスＧよりも低い圧力になる。また、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０は、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力となる。
【0042】
この状態で、電動ポンプ１４を起動すると、図３（Ｂ）において、図に実線の矢印で示すように、電動ポンプ１４で加圧された圧力保持ライン１８の推進薬Ｌが減圧器１６を通って低圧ライン２０に流れ、電動ポンプ１４に戻る循環流れが発生する。
すなわち、制御器３０は、加圧された推進薬Ｌが圧力保持ライン１８から減圧器１６を通って低圧ライン２０に流れ、電動ポンプ１４に戻る循環流れを形成する。
この状態において、圧力保持ライン１８の圧力は供給圧力Ｐ１となり、低圧ライン２０の圧力は、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力（低圧ガスＧより低い圧力）となる。
すなわち、制御器３０は、加圧された推進薬Ｌが圧力保持ライン１８から減圧器１６を通って低圧ライン２０に流れ、電動ポンプ１４に戻る循環流れを形成する。
この状態において、圧力保持ライン１８の圧力は供給圧力Ｐ１となり、低圧ライン２０の圧力は、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力（低圧ガスＧより低い圧力）となる。
【0043】
電動ポンプ１４の起動時に、制御器３０は、圧力計２２で検出された圧力に応じて、電動ポンプ１４を流量制御又はオンオフ制御し、吐出流量を可能な範囲で最少に設定しかつ供給圧力Ｐ１を所定の範囲に維持する。電動ポンプ１４の起動は、主流量調節弁５２と副流量調節弁６２が全閉している状態で実施するのがよい。
なお、電動ポンプ１４を起動する際に、圧力計２２で圧力計測をしながら、所定の圧力に達するまで制御弁２９を閉じたままとすることで、圧力の安定した運転を能動的に実現することができる。
なお、電動ポンプ１４を起動する際に、圧力計２２で圧力計測をしながら、所定の圧力に達するまで制御弁２９を閉じたままとすることで、圧力の安定した運転を能動的に実現することができる。
【0044】
次いで、主流量調節弁５２又は副流量調節弁６２を開いて、メインエンジン５０又はスラスタ６０に推進薬Ｌを供給して推進ガスＪを噴射する。この際、制御器３０は、電動ポンプ１４の吐出流量をメインエンジン５０及びスラスタ６０の推薬消費量以上に設定し、供給圧力Ｐ１を所定の範囲に維持する。また、余剰の推進薬Ｌは、減圧器１６で減圧されて低圧ライン２０に戻される。また、メインエンジン５０又はスラスタ６０による推進ガスＪの噴射中、サブタンク２３（例えばアキュムレータ）により、圧力保持ライン１８の圧力脈動が低減される。
なお、電動ポンプ１４の起動と、メインエンジン５０又はスラスタ６０への推進薬Ｌの供給を実質的に同時に実施してもよい。
なお、電動ポンプ１４の起動と、メインエンジン５０又はスラスタ６０への推進薬Ｌの供給を実質的に同時に実施してもよい。
【0045】
メインエンジン５０及びスラスタ６０を同時に使用する場合、電動ポンプ１４の吐出流量は大流量となるが、流量制御又はオンオフ制御する吐出流量と推薬消費量の差は、減圧器１６に適合する少量に抑えることができる。
【0046】
メインエンジン５０を使用せずスラスタ６０のみを使用する場合、電動ポンプ１４の吐出流量は小流量であり、吐出流量と推薬消費量の差は、減圧器１６に適合する少量となる。
従って、メインエンジン５０を使用せず、スラスタ６０のみ使用する場合でも電動ポンプ１４を容易に制御できる。
従って、メインエンジン５０を使用せず、スラスタ６０のみ使用する場合でも電動ポンプ１４を容易に制御できる。
【0047】
推進ガスＪの噴射に伴い低圧ライン２０の推進薬Ｌが減少し、低圧ライン２０の圧力が低下すると、推進薬タンク１２の推進薬Ｌが低圧ライン２０に流入して補充される。
【0048】
主流量調節弁５２及び副流量調節弁６２を全閉して、推進ガスＪの噴射を終了すると、制御器３０は、圧力計２２で検出された圧力に応じて、電動ポンプ１４を流量制御又はオンオフ制御し、電動ポンプ１４の吐出流量を低減又はゼロにする。
次いで、制御弁２９を開いたまま電動ポンプ１４を停止すると、圧力保持ライン１８に残った加圧された推進薬Ｌは減圧器１６を通って低圧ライン２０に流れ、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０の圧力は、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力（低圧ガスＧよりも低い圧力）となる。
次いで、制御弁２９を開いたまま電動ポンプ１４を停止すると、圧力保持ライン１８に残った加圧された推進薬Ｌは減圧器１６を通って低圧ライン２０に流れ、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０の圧力は、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力（低圧ガスＧよりも低い圧力）となる。
【0049】
すなわち、減圧器１６は、電動ポンプ１４の停止時に、加圧された推進薬Ｌを圧力保持ライン１８から低圧ライン２０に流し、圧力保持ライン１８と低圧ライン２０の圧力を、推進薬タンク１２の推進薬Ｌと同じ圧力にする機能を有する。
なお、電動ポンプ１４の停止前に、制御弁２９を閉じ、圧力保持ライン１８の圧力を保持してもよい。
なお、電動ポンプ１４の停止前に、制御弁２９を閉じ、圧力保持ライン１８の圧力を保持してもよい。
【0050】
この状態から、再度、電動ポンプ１４を起動してメインエンジン５０又はスラスタ６０から推進ガスＪを噴射することができる。
【0051】
上述した本発明の実施形態によれば、電動ポンプ１４が低圧ライン２０の推進薬Ｌを所定の供給圧力Ｐ１まで加圧するので、圧力保持ライン１８の圧力を供給圧力Ｐ１に保持することができる。これにより、高圧ガスを用いずに、圧力保持ライン１８にそれぞれ連結されているメインエンジン５０及びスラスタ６０の推進薬供給口に供給圧力Ｐ１の推進薬Ｌを供給することができる。
【0052】
また、減圧器１６が圧力保持ライン１８の推進薬Ｌを低圧Ｐ２まで減圧するので、低圧ライン２０の圧力を供給圧力Ｐ１より低い低圧に保持することができる。これにより、圧力保持ライン１８の余剰の推進薬Ｌは減圧器１６により低圧ライン２０に流れるので、メインエンジン５０を使用せず、スラスタ６０のみ使用する場合でも電動ポンプ１４を容易に制御できる。
さらに、推進薬タンク１２の排出口１２ａが低圧ライン２０に直接連結されているので、低圧ライン２０を常に低圧の推進薬Ｌで満たすことができる。
さらに、推進薬タンク１２の排出口１２ａが低圧ライン２０に直接連結されているので、低圧ライン２０を常に低圧の推進薬Ｌで満たすことができる。
【0053】
特に、メインエンジン５０を使用せず、推薬消費量の少ないスラスタ６０のみを使用する場合に、制御器３０は、電動ポンプ１４の吐出流量をスラスタ６０の推薬消費量以上に設定し、供給圧力Ｐ１を所定の範囲に維持する。また、余剰の推進薬Ｌは、電動ポンプ１４の吐出流量とスラスタ６０の推薬消費量の差の少量であり、減圧器１６で減圧されて低圧ライン２０に戻される。
【0054】
なお推進薬Ｌは、上述した一液式推進薬に限定されず、液体酸化剤と液体燃料であってもよい。この場合、液体酸化剤と液体燃料のそれぞれに上述した推進薬供給装置１０を別個に設ける必要がある。
【0055】
また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。
【符号の説明】
【0056】
Ｇ 低圧ガス、Ｊ 推進ガス、Ｌ 推進薬、Ｐ１ 供給圧力、Ｐ２ 低圧、
１０ 推進薬供給装置、１２ 推進薬タンク、１２ａ 排出口、
１３ ダイアフラム（又はベローズ）、１４ 電動ポンプ、
１４ａ 吸引口、１４ｂ 吐出口、１６ 減圧器（オリフィス又は固定絞り）、
１６ａ 流入口、１６ｂ 流出口、１８ 圧力保持ライン、２０ 低圧ライン、
２２ 圧力計、２３ サブタンク（アキュムレータ）、２４ 推薬補給管、
２６ 遮断弁、２７ メイン供給管、２８ スラスタ供給管、２９ 制御弁、
５０ メインエンジン、５２ 主流量調節弁、６０ スラスタ、６２ 副流量調節弁、
１００ 宇宙飛行体
１０ 推進薬供給装置、１２ 推進薬タンク、１２ａ 排出口、
１３ ダイアフラム（又はベローズ）、１４ 電動ポンプ、
１４ａ 吸引口、１４ｂ 吐出口、１６ 減圧器（オリフィス又は固定絞り）、
１６ａ 流入口、１６ｂ 流出口、１８ 圧力保持ライン、２０ 低圧ライン、
２２ 圧力計、２３ サブタンク（アキュムレータ）、２４ 推薬補給管、
２６ 遮断弁、２７ メイン供給管、２８ スラスタ供給管、２９ 制御弁、
５０ メインエンジン、５２ 主流量調節弁、６０ スラスタ、６２ 副流量調節弁、
１００ 宇宙飛行体
【図1】
【図2】
【図3】