(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】
(24)【登録日】2023-10-25
(45)【発行日】2023-11-02
(54)【発明の名称】液体推進薬供給装置と衛星用推進装置
(51)【国際特許分類】
F02K 9/46 20060101AFI20231026BHJP
F02K 9/50 20060101ALI20231026BHJP
B64G 1/22 20060101ALI20231026BHJP
B64G 1/40 20060101ALI20231026BHJP
【FI】
F02K9/46
F02K9/50
B64G1/22
B64G1/40 200
(21)【出願番号】P 2020070758
(22)【出願日】2020-04-10
【審査請求日】2023-01-16
(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】100097515
【氏名又は名称】堀田 実
(74)【代理人】
【識別番号】100136700
【氏名又は名称】野村 俊博
(72)【発明者】
【氏名】五十嵐 真二
(72)【発明者】
【氏名】松浦 芳樹
【審査官】藤原 弘
(56)【参考文献】
【文献】特開2015-039925(JP,A)
【文献】特開平07-151015(JP,A)
【文献】特表昭63-502339(JP,A)
【文献】特開2017-140875(JP,A)
【文献】国際公開第2014/125703(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2016/0325620(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2019/0107167(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2017/0335810(US,A1)
【文献】特開2017-180461(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02K 9/46
F02K 9/50
B64G 1/22
B64G 1/40
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
衛星推進用のスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で前記液体推進薬を圧送する推進薬圧送装置を備え、
前記推進薬圧送装置は、
前記液体推進薬の排出管を有し、内部に充填した前記液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクと、
前記排出管から排出された前記液体推進薬を前記圧送圧力まで加圧する電動ポンプと、を有し、
前記金属箔タンクは、重ね合わされ外周縁
全体が互いに溶着された
平板状の2枚の金属箔からなる、液体推進薬供給装置。
【請求項2】
前記推進薬圧送装置は、前記金属箔タンクを囲み該金属箔タンクとの間に加圧媒体を有する加圧ケースを有する、請求項1に記載の液体推進薬供給装置。
【請求項3】
前記加圧媒体は、スポンジ、バネ、又は気体である、請求項2に記載の液体推進薬供給装置。
【請求項4】
ガス室と液室がベローズで仕切られ前記液室に前記液体推進薬を充填可能なベローズタンクと、
前記ガス室に前記供給圧力の加圧ガスを供給する加圧ガス供給装置と、を備えた請求項1に記載の液体推進薬供給装置。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の液体推進薬供給装置と、
前記液体推進薬を反応させて推進ガスを噴射するスラスタと、を備えた衛星用推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ロケットエンジンに係り、さらに詳しくは、ロケットエンジン用の液体推進薬供給装置と衛星用推進装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ロケットエンジン用の液体推進薬として、酸化剤(液体酸素、硝酸など)、燃料(ガソリン、アルコール、液体水素など)、又は酸化剤と燃料の化合物または混合物が、従来から用いられている。
これらの液体推進薬をロケットエンジンに供給する液体推進薬供給装置には、軽量化のために従来は球形、または、円筒形の両端が回転楕円体であるタンクが使用されている。小型化に向けては、ダイヤフラムで液室を押す構成と比較して容積効率が良い円筒形状のベローズタンクを使用することも考えられる。
【0003】
かかるベローズタンクは、例えば、特許文献1に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第2014/125703号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
図1は、特許文献1に開示された従来のベローズタンク1の全体構成図である。この図において、2はハウジング、2aはシェル、2bはポート穴、2cはガスエンドカバー、2dはガス注入口、3はガスプラグ、4はベローズ、5はベローズキャップ、6はガス室、7は液室である。
【0006】
従来のベローズタンクは、例えば、
図1のポート穴2bに制御弁8(例えば流量調節弁又は圧力調節弁)を接続して構成されていた。しかしこれを液体推進薬供給装置の推進薬タンクとして使用するには、以下の問題点があった。
【0007】
(1)ベローズタンク12は内部に蛇腹構造(ベローズ4)を保持しているため、有効推進薬保存量が少ない(例えば100~300cc程度)。
これに対し、衛星側の推進薬搭載量の要求値は3~5リットル程度であり、大きく乖離している。
(2)ベローズタンクは大型化に伴い、重量と容積が著しく増大するため、搭載可能容積に限りのある小型又は超小型の衛星に対して特に悪影響が大きく、推進薬搭載量の増加は困難であった。
【0008】
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、小型又は超小型の衛星に搭載可能に小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値を満たすことができる液体推進薬供給装置と衛星用推進装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明によれば、衛星推進用のスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で前記液体推進薬を圧送する推進薬圧送装置を備え、
前記推進薬圧送装置は、
前記液体推進薬の排出管を有し、内部に充填した前記液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクと、
前記排出管から排出された前記液体推進薬を前記圧送圧力まで加圧する電動ポンプと、を有し、
前記金属箔タンクは、重ね合わされ外周縁全体が互いに溶着された平板状の2枚の金属箔からなる、液体推進薬供給装置が提供される。
【0010】
また本発明によれば、上記の液体推進薬供給装置と、
前記液体推進薬を反応させて推進ガスを噴射するスラスタと、を備えた衛星用推進装置が提供される。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、内部に充填した液体推進薬を大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンクが、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る。
この構成により、金属箔タンクは、ベローズタンクの容量の10倍を超える液体推進薬を内部に充填した場合でも、ベローズタンクより軽量かつ小型にできることが後述する実施例で確認された。
【0012】
また、金属箔タンクの排出管から排出された液体推進薬を圧送圧力まで加圧する電動ポンプを有するので、液体推進薬をスラスタに必要な液体推進薬の供給圧力を超える圧送圧力で圧送して補充することができる。
従って、本発明によれば、小型又は超小型の衛星に搭載可能に液体推進薬供給装置及び衛星用推進装置を小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値を満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】特許文献1に開示された従来のベローズタンクの全体構成図である。
【
図2】本発明による衛星用推進装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
図2は、本発明による衛星用推進装置100の全体構成図である。
【0016】
この図において、衛星用推進装置100は、液体推進薬供給装置10と、衛星推進用のスラスタ30と、を備える。
【0017】
スラスタ30は、内部に触媒を有し、液体推進薬供給装置10から供給される液体推進薬Lを反応させて推進ガスJを外部に噴射する。スラスタ30は、この図では4つであるが、1乃至3でも5以上でもよい。
【0018】
スラスタ30に必要な液体推進薬Lの供給圧力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。
【0019】
この図において、32は推進薬供給元弁、34はフィルターである。
推進薬供給元弁32は、液体推進薬Lの流量を制御可能な流量調節弁であるのがよい。なお、推進薬供給元弁32は、液体推進薬供給装置10とスラスタ30を連通する推進薬供給ライン31を全閉又は全開する開閉弁であってもよい。
フィルター34は、液体推進薬Lに含まれる異物を除去する。
【0020】
液体推進薬供給装置10は、この例において、ベローズタンク12、加圧ガス供給装置14、及び推進薬圧送装置20を備える。
【0021】
ベローズタンク12は、ガス室12aと液室12bがベローズ13で仕切られ、液室12bに液体推進薬Lを充填可能になっている。ガス室12aに加圧ガスGが密封され、液室12bに液体推進薬Lが充填されている。
加圧ガスGは、好ましくはヘリウム等の不活性ガス、又は窒素ガスである。液体推進薬Lは、例えば、酸化剤(液体酸素、硝酸、四酸化二窒素など)、燃料(ヒドラジン、ガソリン、アルコール、液体水素など)である。
【0022】
加圧ガス供給装置14は、ベローズタンク12のガス室12aに加圧ガスGを供給する。加圧ガスGの圧力P2は、液体推進薬Lの供給圧力P1+α(>0)である。αは、ベローズタンク12の作動時におけるガス室12aと液室12bの圧力差である。αは、0.01MPa以下であり、実質的に0であることが好ましい。
【0023】
上述した構成により、加圧ガス供給装置14により圧力P2の加圧ガスGをベローズタンク12のガス室12aに供給し、ベローズ13を介して液室12bを加圧し、液室12bに充填された液体推進薬Lをスラスタ30に供給することができる。この場合、スラスタ30に供給される液体推進薬Lの圧力は、供給圧力P1である。
スラスタ30に供給された液体推進薬Lは、触媒により反応して推進ガスJを発生し外部に噴射される。
なお、ベローズタンク12の個数は、液室12bの総容量(有効推進薬保存量)が、スラスタ30の1回以上の必要量になるように設定されている。
【0024】
上述したように、ベローズタンク12は内部に蛇腹構造(ベローズ13)を保持しているため、有効推進薬保存量が少ない(例えば100~300cc程度)。
これに対し、衛星側の推進薬搭載量の要求値は、スラスタ30の3回以上の噴射に相当する3~5リットル程度であり、大きく乖離している。
そのため1つのベローズタンク12による液体推進薬Lの保存量は衛星側の要求量の10%以下である。従って、
図2の例のように、ベローズタンク12を3つ設けた場合でも、スラスタ30による推進ガスJの噴射を必要回数の30%以下しか実行できなかった。
【0025】
図2において、推進薬圧送装置20は、スラスタ30に必要な液体推進薬Lの供給圧力P1を超える圧送圧力P3で液体推進薬Lを圧送する。
この図において、推進薬圧送装置20は、金属箔タンク22と電動ポンプ28を有する。
【0026】
図3は、金属箔タンク22の説明図である。この図において、(A)は上面図、(B)は側面図、(C)は液体推進薬Lを充填した状態の側面図である。
この図において、金属箔タンク22は、重ね合わされ外周縁が互いに溶着された2枚の金属箔23からなり、金属箔23の片面に固定された液体推進薬Lの排出管24を有する。排出管24は、例えば配管継手である。
【0027】
なお、金属箔タンク22は、1枚の金属箔23を二つ折りにし、重ね合わされた3方の外周縁を互いに溶着して構成してもよい。また、金属箔タンク22は、3枚以上の金属箔23からなってもよい。
また、排出管24は、複数の金属箔23の中間部分に固定してもよい。
【0028】
金属箔23は、液体推進薬Lに対する耐食性を有するステンレス(SUS316L,SUS304)、チタン、チタン合金の箔であることが好ましい。
金属箔タンク22の容量は、例えば1~3リットルであるのがよい。
金属箔23の厚さは、金属箔タンク22の容量を充填できる限りで軽量化のため薄いことが好ましく、例えば10~100μmであるのがよい。
外周縁の溶着は、例えばレーザー溶接、シーム溶接、等によるのがよい。
【実施例1】
【0029】
上述した金属箔タンク22を製作し試験した。製作条件と試験結果は以下の通りであった。
(1)2枚の金属箔23として厚さ35μmのステンレス箔を用いた。金属箔23の大きさは幅200mm、長さ250mmであり、外周縁をレーザー溶接で接合した。
(2)金属箔タンク22に窒素ガスを充填し、大気圧下において約0.004MPaの充填圧で最大まで膨張することがわかった。
(3)最大膨張時において、約2リットルの液体(水)を充填可能であることを確認した。
(4)大気圧下において金属箔23の弾性により、内部の液体(水)を排出可能であることを確認した。
【0030】
上述した構成により、中空の金属箔タンク22は、内部に充填した液体推進薬Lを金属箔23の弾性により排出可能であることが確認された。
【0031】
図3において、推進薬圧送装置20は、さらに、金属箔タンク22を囲み金属箔タンク22の外面との間に加圧媒体25を有する加圧ケース26を有する
加圧媒体25は、例えば、スポンジ、バネ、又は気体である。
【0032】
図4は、加圧媒体25の説明図である。
図4(A)は、加圧媒体25がスポンジ25Aの場合である。加圧ケース26にスポンジ25Aを詰めておき、その反発力を金属箔タンク22への加圧力として利用する。
図4(B)は、加圧媒体25が圧縮バネ25Bの場合である。加圧ケース26の内面と金属箔タンク22の外面との間に圧縮バネ25Bを備え、加圧ケース26から金属箔タンク22を圧縮バネ25Bで押すようになっている。
図4(C)は、金属箔タンク22の外側が加圧した気体25Cで封入されている。気体は好ましくは不活性ガスである。
【0033】
加圧媒体25は、大気圧以下の減圧空間において、金属箔タンク22に圧力を付加するように設定されている。
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。
この構成により、大気圧以下の減圧空間において、中空の金属箔タンク22に充填された液体推進薬Lを金属箔23の弾性と加圧媒体25の圧力により、確実に排出し、電動ポンプ28に供給することができる。
【0034】
加圧ケース26は、複数の金属箔タンク22を囲むように構成してもよい。
また、加圧ケース26は、大気圧以下の減圧空間において1又は複数の金属箔タンク22を囲む形状を保持することが好ましい。
なお、金属箔タンク22が、衛星が飛行する宇宙空間において、内部に充填した液体推進薬Lを金属箔23の弾性により排出できる限りで、加圧ケース26を省略してもよい。
【0035】
図2において、電動ポンプ28は、金属箔タンク22の排出管24から排出された液体推進薬Lを圧送圧力P3まで加圧する。
またこの図において、推進薬供給ライン31には、推進薬供給元弁32とベローズタンク12の間に合流点Aが設けられ、合流点Aと電動ポンプ28の吐出口とを結ぶ推進薬補充ライン31aには、逆止弁29が設置されている。
【0036】
この構成により、推進薬供給ライン31の圧力が圧送圧力P3より低いときに、電動ポンプ28により液体推進薬Lを圧送圧力P3で合流点Aに圧送し、推進薬供給ライン31を介してベローズタンク12の液室12bに供給することができる。
【0037】
電動ポンプ28は、ベローズタンク12の液室12bの総容量を1時間程度で充填できる超小型高出力電動ポンプであることが好ましい。
かかる超小型高出力電動ポンプは、推進薬供給元弁32やフィルター34と同等程度の大きさであり、液体推進薬供給装置10及び衛星用推進装置100の小型化に寄与する。
例えば、ベローズタンク12の液室12bの総容量が300cc~900ccである場合、スラスタ側で必要となる流量を実現できる範囲の電動ポンプ28を用いることとなり、電動ポンプ28の必要流量は5~15cc/minであり、航空宇宙用途の超小型ギアポンプを用いることができる。
【0038】
推進薬圧送装置20の作動は、推進薬供給ライン31の圧力が圧送圧力P3より低いときに実施する。
例えば、ベローズタンク12の液室12bの液体推進薬Lが減少しており、推進薬供給元弁32が全閉しているときに、推進薬圧送装置20を作動させて、液室12bに液体推進薬Lを供給するのがよい。
液室12bに液体推進薬Lを供給することにより、ベローズ13を介してガス室12aの加圧ガスGは加圧ガス供給装置14に押し戻される。
【0039】
上述した本発明の構成によれば、金属箔タンク22は1つあたり、500~2000cc程度とし、これを複数設けることで、衛星の要求(例えば、3000~5000cc)に応じて高い拡張性で推進薬搭載量を調整することができる。
また、電動ポンプ28(例えば、超小型高出力電動ポンプ)は、衛星の電力使用状況に応じて数時間かけて充填することも、1時間以内に充填することも可能であり、衛星の運用自由度を阻害しない。
また、1~2つの金属箔タンク22を1ユニットとして、衛星内の任意の箇所に分散配置することも可能であり、衛星の容積効率が向上する。
さらに、将来的に衛星間で自律的に液体推進薬Lを補充する際には、金属箔タンク22は高圧でないため、金属箔タンク22ごと交換したり、金属箔タンク22に外部から液体推進薬Lを追加充填することが容易である。
また、電動ポンプ28は作動させない状態では遮断弁相当の機能があり、安全性が高いシステムとなる。
【0040】
上述した本発明の実施形態によれば、内部に充填した液体推進薬Lを大気圧以下の減圧空間において排出可能な中空の金属箔タンク22が、重ね合わされ外周縁が互いに溶着された複数の金属箔23からなる。
この構成により、金属箔タンク22は、ベローズタンク12の容量の10倍を超える液体推進薬Lを内部に充填した場合でも、ベローズタンク12より軽量かつ小型にできることが実施例で確認された。
【0041】
また、金属箔タンク22の排出管24から排出された液体推進薬Lを圧送圧力P3まで加圧する電動ポンプ28を有するので、液体推進薬Lをスラスタ30に必要な液体推進薬Lの供給圧力P1を超える圧送圧力P3で圧送して補充することができる。
従って、本発明によれば、小型又は超小型の衛星に搭載可能に液体推進薬供給装置10及び衛星用推進装置100を小型化でき、かつ衛星側の推進薬搭載量の要求値(例えば3~5リットル程度)を満たすことができる。
【0042】
上述した実施形態において、液体推進薬供給装置10のベローズタンク12と加圧ガス供給装置14を省略してもよい。
この場合、液体推進薬供給装置10は、推進薬圧送装置20のみで構成され、推進薬圧送装置20から、推進薬供給元弁32とフィルター34を介してスラスタ30に液体推進薬Lを圧送することができる。圧送された液体推進薬Lは、触媒により反応して推進ガスJとして外部に噴射される。
【0043】
例えば、消費推進薬量が、1つのスラスタ30で約18cc/min、4つのスラスタ30で約72cc/minである場合に、約80cc/min以上の電動ポンプ28を用いることで、ベローズタンク12と加圧ガス供給装置14を省略することができる。
【0044】
なお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】
【0045】
A 合流点、G 加圧ガス、J 推進ガス、L 液体推進薬、
P1 供給圧力、P2 加圧ガスの圧力、P3 圧送圧力、
1 ベローズタンク、2 ハウジング、2a シェル、2b ポート穴、
2c ガスエンドカバー、2d ガス注入口、3 ガスプラグ、
4 ベローズ、5 ベローズキャップ、6 ガス室、7 液室、
8 制御弁、10 液体推進薬供給装置、12 ベローズタンク、
12a ガス室、12b 液室、13 ベローズ、
14 加圧ガス供給装置、20 推進薬圧送装置、
22 金属箔タンク、23 金属箔、24 排出管、
25 加圧媒体、26 加圧ケース、28 電動ポンプ、29 逆止弁、
30 スラスタ、31 推進薬供給ライン、31a 推進薬補充ライン、
32 推進薬供給元弁、34 フィルター、100 衛星用推進装置