JP4222527B2

JP4222527B2 - Propellant feeder for arcjet thrusters

Info

Publication number: JP4222527B2
Application number: JP25664198A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　　寛
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: JP2000087844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アークジェットスラスタに推薬をガス化して供給するアークジェットスラスタ用の推薬供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アークジェットスラスタは、図３に例示するように、人工衛星等の構造体１にブラケット２を介して固定されたスラスタ本体３、本体の一端に設けられたノズル４、本体の内側に軸方向に延びた陰極ロッド５、及び本体に一端が取り付けられ推薬供給装置（図示せず）から推進ガスＧを供給するガス供給管６、等から構成されており、陰極ロッド５とノズル４との間にアーク放電Ａを形成し、このアーク放電Ａにより推進ガスＧを昇温してエンタルピを高め、ノズル４から推薬ガスＧを噴射して推力を発生するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したアークジェットスラスタの推薬には、例えば液体のヒドラジン等（以下、推薬液という）が用いられる。すなわち、推薬供給装置では、推薬タンク内に推薬を液体状態で保有し、ガス圧で推薬液を触媒反応器に供給し、ここでガス化した推薬ガスＧをアークジェットスラスタに供給する。また、アーク放電Ａは、始動初期にはノズル４の最狭部付近から陰極ロッドに向かって強いアークが発生するが、始動がスムースに行われる場合には、短時間（例えば２〜３秒）でノズル内部の圧力が上昇し（例えば２ａｔａから４ａｔａに）、ガス噴出速度が高まりアーク発生位置がノズル４の最狭部より外側に移動する。
【０００４】
しかし、液体状態の推薬（推薬液）に気泡が混入していると、アークジェットスラスタの始動特性が悪化し、電極寿命を著しく低下させる問題点があった。
すなわち、近年の衛星の大型化に伴い、推薬液の搭載量が増大して推薬タンクが大型化しているため、推薬タンク内を真空にしての推薬充填が困難となり、推薬液に微量の気泡が混入することがある。この場合に、アークジェットスラスタに推薬液を供給する管路内に気泡が混入すると、気泡が圧力により縮むためノズル内の圧力上昇に時間がかかり（例えば１０秒以上）、その結果、アーク放電Ａの最狭部付近からの発生時間が長くなり、強いアーク放電により陰極ロッドの損傷が激しくなる問題点があった。
言い換えれば、気泡が混入した推薬液をアークジェットスラスタに供給した場合は、放電始動時に低電圧放電モードから高電圧放電モードへの移行に時間がかかり、その間の放電で電極（陰極ノズル内側）が激しく損耗してしまい、結果としてアークジェットスラスタの寿命が短くなる問題点があった。
【０００５】
本発明はかかる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、アークジェットスラスタに供給する推薬液に含有する気泡を効果的に除去し、推薬液への気泡の混入を防止することができ、これにより、アークジェットスラスタの始動特性を改善してその寿命を延ばすことができるアークジェットスラスタ用の推薬供給装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、推薬タンク（１２）内に推薬液（１１）を保有し、推薬液を触媒反応器（１３）に供給し、ガス化した推薬ガスＧをアークジェットスラスタに供給する推薬供給装置において、推薬タンク（１２）と触媒反応器（１３）との間に、推薬液の表面張力を利用して気泡を捕獲する推薬供給装置の気泡捕獲装置（１４）を備え、前記気泡捕獲装置（１４）は、入口と出口を有する中空容器（１６）と、該中空容器の出口を覆う多孔部材（１８）とからなり、中空容器の内面には、入口から出口まで連通しかつ推薬液の表面張力で推薬液が満たされるウイック（１７）が設けられ、かつ前記多孔部材（１８）は、推薬液の表面張力で気泡の通過を阻む大きさの多数の貫通孔を有する、ことを特徴とするアークジェットスラスタ用の推薬供給装置が提供される。
また、前記ウイック（１７）は、中空容器に設けられた細溝又は金網であり、前記多孔部材（１８）は、金網又は細孔板である、ことが好ましい。
【０００７】
上記本発明の構成によれば、推薬タンク（１２）と触媒反応器（１３）との間に気泡捕獲装置（１４）を備えて、推薬液の表面張力を利用して気泡を捕獲するので、異物の混入なしに推薬のもつ特性（表面張力）により、気泡を捕獲して触媒反応器（１３）への気泡の混入を防止することができる。
すなわち、入口から導入された推薬液のうち気泡を除く液のみが、表面張力により入口側のウイック（１７）（例えば細溝又は金網）内に入り、そのまま出口側まで導かれ、更に、出口を塞いで設けられた多孔部材（１８）（例えば金網又は細孔板）の貫通孔を通って触媒反応器に供給される。一方、推薬液に含まれる気泡は、気泡表面の表面張力によりウイック（１７）内には入れず、かつ多孔部材（１８）の貫通孔も通過できないため、中空容器（１６）の中央部分にそのまま捕獲される。従って、アークジェットスラスタに供給する推薬液に含有する気泡を効果的に除去し、推薬液への気泡の混入を防止することができ、アークジェットスラスタの始動特性を改善してその寿命を延ばすことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。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。
図１は、本発明のアークジェットスラスタ用の推薬供給装置の全体構成図である。この図において、７ａはアークジェットスラスタ、７ｂは通常のスラスタ、１０ａは加圧ガス注排弁、１０ｂは推薬注排弁、８ｂは遮断弁、８ｃ，８ｄは推薬弁、９は圧力センサ、１１は推薬液、１２は推薬タンク、１３は触媒反応器である。すなわち、この推薬供給装置では、推薬タンク１２内に推薬液１１（例えばヒドラジン液）を保有し、推薬タンク１２に保有された加圧ガスにより推薬液１１を触媒反応器１３に供給し、触媒反応器１３内に充填した反応触媒により推薬液１１をガス化し、その推薬ガスＧをアークジェットスラスタ７ａに供給するようになっている。また、推薬タンク１２には、打ち上げ前に推薬注排弁１０ｂから推薬液１１が注入される。
【０００９】
この図に示すように、アークジェットスラスタ７ａは、例えば複数台が並列に設置され、それぞれに独立して推薬弁８ｃが設けられ、推力を独立して制御できるようになっている。また、推薬弁８ｄを介して推薬液１１を直接供給し、内部で推薬を反応させて推力を発生する通常のスラスタ７ｂも、同様に複数台が並列に設置されている。
【００１０】
本発明の推薬供給装置は、上述した推薬タンク１２と触媒反応器１３との間に、推薬液の表面張力を利用して気泡を捕獲する推薬供給装置の気泡捕獲装置１４が設けられている。なお、この例では、各アークジェットスラスタ７ａに推薬液１１を供給するラインに、アークジェットスラスタ７ａに適した小流量のみを流すようにオリフィス１５がそれぞれ設けられている。このオリフィス１５を設けることにより、アークジェットスラスタ７ａ内で発生する圧力変化をオリフィス１５の細孔で緩和し、気泡捕獲装置１４内の圧力変動を緩和することができる。
【００１１】
図２は、本発明による気泡捕獲装置の構成図である。この図において、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線における断面図である。この図に示すように、気泡捕獲装置１４は、入口１６ａと出口１６ｂを有する中空容器１６と、中空容器１６の出口１６ｂを覆う多孔部材１８とからなる。
中空容器１６の内面には、入口１６ａから出口１６ｂまで連通し、かつ推薬液１１の表面張力で推薬液が満たされるウイック１７が設けられている。このウイック１７は、例えば中空容器１６の内面に加工して設けられた細溝又は内面に沿って設けられた金網であるのがよい。
また、多孔部材１８は、推薬液１１の表面張力で気泡の通過を阻む大きさの多数の貫通孔を有する。この多孔部材１８は、例えば金網又は細孔板であるのがよい。
【００１２】
上述した本発明の構成によれば、推薬タンク１２と触媒反応器１３との間に気泡捕獲装置１４を備えて、推薬液１１の表面張力を利用して気泡を捕獲するので、異物の混入なしに推薬のもつ特性（表面張力）により、気泡を捕獲して触媒反応器１３への気泡の混入を防止することができる。
【００１３】
すなわち、入口１６ａから導入された推薬液１１のうち気泡を除く液のみが、表面張力により入口側のウイック１７（細溝又は金網）内に入り、そのまま出口側まで導かれ、更に、出口１６ｂを塞いで設けられた多孔部材１８（金網又は細孔板）の貫通孔を通って触媒反応器１３に供給される。一方、推薬液１１に含まれる気泡は、気泡表面の表面張力によりウイック１７内には入れず、かつ多孔部材１８の貫通孔も通過できないため、中空容器１６の中央部分にそのまま捕獲される。
従って、アークジェットスラスタに供給する推薬液に含有する気泡を効果的に除去し、推薬液への気泡の混入を防止することができ、アークジェットスラスタの始動特性を改善してその寿命を延ばすことができる。
【００１４】
なお、捕獲された気泡は中空容器１６の中央部分に溜まり、徐々に増加するが、ミッション要求に応じて中空容器１６の大きさを設定することにより、そのまま適用することができる。この場合に、オリフィス１５によりアークジェットスラスタ７ａ内で発生する圧力変化が緩和されて気泡捕獲装置１４に伝搬されるので、圧力変化による気泡の圧縮の影響はほとんどなく、安定して推進液をアークジェットスラスタに供給することができる。
【００１５】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、気泡捕獲装置１４に捕獲された気泡を排出するために、中空容器１６の中央部分から通常のスラスタ７ｂに推薬液を供給するラインを設けてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明のアークジェットスラスタ用の推薬供給装置は、アークジェットスラスタに供給する推薬液に含有する気泡を効果的に除去し、推薬液への気泡の混入を防止することができ、これにより、アークジェットスラスタの始動特性を改善してその寿命を延ばすことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアークジェットスラスタ用の推薬供給装置の全体構成図である。
【図２】本発明による気泡捕獲装置の構成図である。
【図３】従来のアークジェットスラスタの構造図である。
【符号の説明】
１構造体
２ブラケット
３スラスタ本体
４ノズル
５陰極ロッド
６ガス供給管
７ａアークジェットスラスタ
７ｂスラスタ
８ｂ遮断弁
８ｃ，８ｄ推薬弁
９圧力センサ
１０ａ加圧ガス注排弁
１０ｂ推薬注排弁
１１推薬液
１２推薬タンク
１３触媒反応器
１４気泡捕獲装置
１５オリフィス
１６中空容器
１７ウイック（細溝又は金網）
１８多孔部材（金網又は細孔板）
Ａアーク放電
Ｇ推進ガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a propellant supply device for an arc jet thruster that gasifies and supplies a propellant to an arc jet thruster.
[0002]
[Prior art]
As illustrated in FIG. 3, the arc jet thruster includes a thruster body 3 fixed to a structure 1 such as an artificial satellite via a bracket 2, a nozzle 4 provided at one end of the body, and an axial direction inside the body. The cathode rod 5 extends, and a gas supply pipe 6 that is attached at one end to the main body and supplies a propellant gas G from a propellant supply device (not shown). The arc discharge A is formed in the arc, and the propellant gas G is heated by the arc discharge A to increase the enthalpy, and the propellant gas G is injected from the nozzle 4 to generate thrust.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
For the propellant of the arc jet thruster described above, for example, liquid hydrazine or the like (hereinafter referred to as propellant liquid) is used. That is, in the propellant supply device, the propellant is held in a liquid state in the propellant tank, the propellant liquid is supplied to the catalytic reactor with gas pressure, and the gasified propellant gas G is supplied to the arc jet thruster. To do. Further, the arc discharge A generates a strong arc from the vicinity of the narrowest part of the nozzle 4 toward the cathode rod in the initial stage of the start, but when the start is performed smoothly, it takes a short time (for example, 2 to 3 seconds). As a result, the pressure inside the nozzle rises (for example, from 2ata to 4ata), the gas ejection speed increases, and the arc generation position moves outside the narrowest portion of the nozzle 4.
[0004]
However, if bubbles are mixed in the propellant in the liquid state (propellant liquid), the starting characteristics of the arc jet thruster deteriorate and there is a problem that the electrode life is significantly reduced.
In other words, with the recent increase in size of satellites, the amount of propellant liquid mounted has increased and the size of the propellant tank has increased. May be mixed in. In this case, if bubbles are mixed in the pipeline for supplying the propellant liquid to the arc jet thruster, the bubbles are shrunk by pressure, so that it takes time to increase the pressure in the nozzle (for example, 10 seconds or more). As a result, arc discharge A The generation time from the vicinity of the narrowest part of the electrode becomes longer, and there is a problem that the cathode rod is severely damaged by strong arc discharge.
In other words, when propellant liquid containing bubbles is supplied to the arc jet thruster, it takes time to shift from the low-voltage discharge mode to the high-voltage discharge mode at the start of discharge, and the electrode (inside the cathode nozzle) is discharged during that time. As a result, the life of the arc jet thruster is shortened.
[0005]
The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is to effectively remove bubbles contained in the propellant liquid supplied to the arc jet thruster and prevent the bubbles from being mixed into the propellant liquid. It is an object of the present invention to provide a propellant supply device for an arc jet thruster that can improve the life of the arc jet thruster.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the propellant liquid (11) is held in the propellant tank (12), the propellant liquid is supplied to the catalytic reactor (13), and the gasified propellant gas G is supplied to the arc jet thruster. In the propellant supply device, a bubble trapping device (14) of the propellant supply device that captures bubbles using the surface tension of the propellant liquid is provided between the propellant tank (12) and the catalytic reactor (13). The bubble capturing device (14) includes a hollow container (16) having an inlet and an outlet, and a porous member (18) covering the outlet of the hollow container, and the inner surface of the hollow container communicates from the inlet to the outlet. In addition, a wick (17) that is filled with the propellant solution by the surface tension of the propellant solution is provided, and the porous member (18) has a large number of through-holes that prevent passage of bubbles by the surface tension of the propellant solution. For arcjet thrusters Supply apparatus is provided.
Moreover, it is preferable that the said wick (17) is a fine groove or a wire mesh provided in the hollow container, and the said porous member (18) is a wire mesh or a pore board.
[0007]
According to the above configuration of the present invention, the bubble capturing device (14) is provided between the propellant tank (12) and the catalytic reactor (13), and bubbles are captured using the surface tension of the propellant liquid. Due to the characteristic (surface tension) of the propellant without mixing of foreign substances, it is possible to capture the bubbles and prevent the bubbles from being mixed into the catalytic reactor (13).
That is, only the liquid excluding bubbles among the propellant liquid introduced from the inlet enters the wick (17) (for example, a narrow groove or a wire mesh) on the inlet side due to surface tension, and is led as it is to the outlet side. The catalyst is supplied to the catalytic reactor through a through-hole of a porous member (18) (for example, a wire mesh or a pore plate) provided in a closed state. On the other hand, the bubbles contained in the propellant liquid do not enter the wick (17) due to the surface tension of the bubbles, and cannot pass through the through holes of the porous member (18). Be captured. Therefore, it is possible to effectively remove bubbles contained in the propellant liquid supplied to the arc jet thruster and prevent bubbles from being mixed into the propellant liquid, improving the starting characteristics of the arc jet thruster and extending its life. Can do.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a propellant supply device for an arc jet thruster according to the present invention. In this figure, 7a is an arc jet thruster, 7b is a normal thruster, 10a is a pressurized gas injection / discharge valve, 10b is a propellant injection / discharge valve, 8b is a shut-off valve, 8c and 8d are propellant valves, and 9 is a pressure sensor. , 11 is a propellant solution, 12 is a propellant tank, and 13 is a catalytic reactor. That is, in this propellant supply device, the propellant liquid 11 (for example, hydrazine liquid) is held in the propellant tank 12, and the propellant liquid 11 is supplied to the catalytic reactor 13 by the pressurized gas held in the propellant tank 12. The propellant liquid 11 is gasified by the reaction catalyst filled in the catalyst reactor 13, and the propellant gas G is supplied to the arc jet thruster 7a. The propellant liquid 11 is injected into the propellant tank 12 from the propellant injection / discharge valve 10b before launch.
[0009]
As shown in this figure, for example, a plurality of arc jet thrusters 7a are installed in parallel, and propellant valves 8c are provided independently of each other, so that the thrust can be controlled independently. Similarly, a plurality of normal thrusters 7b that supply the propellant solution 11 directly through the propellant valve 8d and react the propellant inside to generate thrust are similarly installed in parallel.
[0010]
The propellant supply device of the present invention is provided with a bubble trapping device 14 of a propellant supply device that traps bubbles using the surface tension of the propellant liquid between the propellant tank 12 and the catalytic reactor 13 described above. ing. In this example, orifices 15 are provided in the lines for supplying the propellant liquid 11 to each arc jet thruster 7a so that only a small flow rate suitable for the arc jet thruster 7a is allowed to flow. By providing this orifice 15, the pressure change generated in the arc jet thruster 7a can be relaxed by the pores of the orifice 15, and the pressure fluctuation in the bubble trapping device 14 can be mitigated.
[0011]
FIG. 2 is a block diagram of a bubble trapping device according to the present invention. In this figure, (A) is a longitudinal sectional view, and (B) is a sectional view taken along line AA. As shown in this figure, the bubble capturing device 14 includes a hollow container 16 having an inlet 16 a and an outlet 16 b and a porous member 18 covering the outlet 16 b of the hollow container 16.
A wick 17 that communicates from the inlet 16 a to the outlet 16 b and is filled with the propellant liquid by the surface tension of the propellant liquid 11 is provided on the inner surface of the hollow container 16. The wick 17 may be, for example, a fine groove formed by machining the inner surface of the hollow container 16 or a wire mesh provided along the inner surface.
Further, the porous member 18 has a large number of through-holes having a size that prevents passage of bubbles by the surface tension of the propellant liquid 11. The porous member 18 may be, for example, a wire mesh or a pore plate.
[0012]
According to the configuration of the present invention described above, the bubble trapping device 14 is provided between the propellant tank 12 and the catalytic reactor 13, and bubbles are captured using the surface tension of the propellant solution 11. Nonetheless, the characteristics (surface tension) of the propellant can capture the bubbles and prevent the bubbles from entering the catalytic reactor 13.
[0013]
That is, only the liquid excluding bubbles in the propellant liquid 11 introduced from the inlet 16a enters the wick 17 (thin groove or wire mesh) on the inlet side due to surface tension and is led to the outlet side as it is. It is supplied to the catalytic reactor 13 through a through-hole of a porous member 18 (a metal mesh or a pore plate) provided in a closed state. On the other hand, the bubbles contained in the propellant liquid 11 are not trapped in the wick 17 due to the surface tension of the bubble surface and cannot pass through the through hole of the porous member 18, so that they are trapped as they are in the central portion of the hollow container 16.
Therefore, it is possible to effectively remove bubbles contained in the propellant liquid supplied to the arc jet thruster and prevent bubbles from being mixed into the propellant liquid, improving the starting characteristics of the arc jet thruster and extending its life. Can do.
[0014]
The trapped bubbles accumulate in the central portion of the hollow container 16 and gradually increase, but can be applied as they are by setting the size of the hollow container 16 according to the mission requirements. In this case, since the pressure change generated in the arc jet thruster 7a is relaxed by the orifice 15 and propagated to the bubble trapping device 14, there is almost no influence of bubble compression due to the pressure change, and the propellant is stably arced. Can be supplied to a jet thruster.
[0015]
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, a line for supplying the propellant solution from the central portion of the hollow container 16 to the normal thruster 7b may be provided in order to discharge the bubbles captured by the bubble capturing device 14.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, the propellant supply device for an arc jet thruster of the present invention can effectively remove bubbles contained in the propellant liquid supplied to the arc jet thruster and prevent the bubbles from being mixed into the propellant liquid. Thus, it has excellent effects such as improving the starting characteristics of the arc jet thruster and extending its life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a propellant supply device for an arc jet thruster according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a bubble trapping device according to the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram of a conventional arc jet thruster.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Structure 2 Bracket 3 Thruster main body 4 Nozzle 5 Cathode rod 6 Gas supply pipe 7a Arc jet thruster 7b Thruster 8b Shut-off valve 8c, 8d Propellant valve 9 Pressure sensor 10a Pressurized gas injection valve 10b Propellant injection valve 11 Chemical solution 12 Propellant tank 13 Catalytic reactor 14 Bubble capture device 15 Orifice 16 Hollow container 17 Wick (narrow groove or wire mesh)
18 Porous material (wire mesh or pore plate)
A Arc discharge G Propulsion gas

Claims

推薬タンク（１２）内に推薬液（１１）を保有し、推薬液を触媒反応器（１３）に供給し、ガス化した推薬ガスＧをアークジェットスラスタに供給する推薬供給装置において、推薬タンク（１２）と触媒反応器（１３）との間に、推薬液の表面張力を利用して気泡を捕獲する推薬供給装置の気泡捕獲装置（１４）を備え、
前記気泡捕獲装置（１４）は、入口と出口を有する中空容器（１６）と、該中空容器の出口を覆う多孔部材（１８）とからなり、中空容器の内面には、入口から出口まで連通しかつ推薬液の表面張力で推薬液が満たされるウイック（１７）が設けられ、かつ前記多孔部材（１８）は、推薬液の表面張力で気泡の通過を阻む大きさの多数の貫通孔を有する、ことを特徴とするアークジェットスラスタ用の推薬供給装置。In the propellant supply device that holds the propellant liquid (11) in the propellant tank (12), supplies the propellant liquid to the catalytic reactor (13), and supplies the gasified propellant gas G to the arc jet thruster. Between the propellant tank (12) and the catalyst reactor (13), a bubble capture device (14) of a propellant supply device that captures bubbles using the surface tension of the propellant liquid is provided .
The bubble capturing device (14) includes a hollow container (16) having an inlet and an outlet and a porous member (18) covering the outlet of the hollow container, and communicates from the inlet to the outlet on the inner surface of the hollow container. The wick (17) filled with the propellant liquid with the surface tension of the propellant liquid is provided, and the porous member (18) has a large number of through-holes having a size that prevents passage of bubbles by the surface tension of the propellant liquid. A propellant supply device for an arc jet thruster.

前記ウイック（１７）は、中空容器に設けられた細溝又は金網であり、前記多孔部材（１８）は、金網又は細孔板である、ことを特徴とする請求項１に記載のアークジェットスラスタ用の推薬供給装置。The arc jet thruster according to claim 1 , wherein the wick (17) is a narrow groove or a wire mesh provided in a hollow container, and the porous member (18) is a wire mesh or a pore plate. Propellant supply device.