JP5992722B2 - スラスタ装置及び宇宙機 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒドラジン等の推進薬の分解反応で生じる分解ガスを噴出させて推力を得るスラスタ装置及び当該スラスタ装置を備えた宇宙機に関する。
人工衛星やロケット等の宇宙機には、宇宙空間においての姿勢を制御したり、軌道を変更するために、スラスタが搭載されている。スラスタのうち、ヒドラジン等の推進薬を収容したタンクから、推薬弁及びインジェクタを介して推進薬を触媒層に供給することで、当該触媒層にて分解反応を生じさせ、その分解ガスをノズルから噴出させて推力を得る一液触媒式スラスタがある。
宇宙機おいて姿勢制御及び軌道制御を行うためのスラスタの寿命は宇宙機自体の寿命を決定するほどのものであり、スラスタは宇宙空間という特殊環境においても長期間に亘って故障せず、且つ繰り返しの使用に耐えられることが要求される。
このようなスラスタにおいて、推進薬が推薬弁から極細チューブを通して触媒層に供給された時の分解反応時に生じる触媒の局所的な劣化を防止するとともに、推薬弁の応答性や安全性を向上させる技術が開発されている（特許文献１）。
このようなスラスタにおいて、推進薬が推薬弁から極細チューブを通して触媒層に供給された時の分解反応時に生じる触媒の局所的な劣化を防止するとともに、推薬弁の応答性や安全性を向上させる技術が開発されている（特許文献１）。
しかしながら、上記特許文献１に示す技術により、触媒層自体の耐久性を向上させることは可能であるが、一般にスラスタは、触媒層が分解反応により高温となり、当該触媒層を保持するチャンバからスラスタ全体及び当該スラスタを搭載する宇宙機の構造体にまで熱が伝達されるという問題がある。
例えば、推進薬としてヒドラジンを用い、触媒層としてアルミナ粒子に触媒であるイリジウムを担持させた触媒粒子を用いた一液スラスタにおいては、触媒層は９００℃程度の高温に達するのに対し、推薬弁は１２０℃程度の温度に抑える必要がある。
例えば、推進薬としてヒドラジンを用い、触媒層としてアルミナ粒子に触媒であるイリジウムを担持させた触媒粒子を用いた一液スラスタにおいては、触媒層は９００℃程度の高温に達するのに対し、推薬弁は１２０℃程度の温度に抑える必要がある。
このため、触媒層を保持するチャンバには耐熱性の高いコバルトＮｉ合金を用い、当該チャンバと推薬弁との間を断熱構造としているが、コバルトＮｉ合金は断熱特性に劣っており、推薬弁や宇宙機構造体への入熱を抑えるのが容易でない。また、触媒層の予熱のため及び推薬弁の保温のためにヒータが設けてられているが、チャンバと推薬弁との断熱特性が低いと、その分ヒータによる電力消費が大きくなるという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、触媒層を高温に保持しつつ推薬弁側への断熱性を高めることができ、ヒータの電力消費を節減し、許容温度を超過することによる故障を回避することのできるスラスタ装置及び宇宙機を提供することにある。
上記した目的を達成するために、請求項１のスラスタ装置では、推薬弁から推進薬導入部を介して推進薬を触媒層に導入することで、分解ガスによる推力を発生させるスラスタ装置であって、内部に前記触媒層を保持し、Ｎｉ合金からなるチャンバと、前記推薬弁から前記チャンバへと接続され、Ｎｉ合金からなる前記推進薬導入部と、前記推進薬導入部の一端と一体をなしているＮｉ合金からなる導入管フランジと、前記チャンバと前記推薬弁との間にてＴｉ合金からなる複数の柱部を介してチャンバを支持し、Ｔｉ合金からなる推薬弁フランジと、を備え、前記推薬弁フランジには、前記導入管フランジの形状に沿って凹部が形成され、組み付け時には当該凹部に前記導入管フランジが嵌合されることを特徴としている。
請求項２のスラスタ装置では、請求項１において、前記柱部は３本であることを特徴としている。
請求項３のスラスタ装置では、請求項１又は２において、前記柱部の先端に雌ネジが螺刻されており、雄ネジが螺刻されたＮｉ合金からなるファスナを当該柱部の先端に締結することで、当該柱部と前記チャンバとを接続することを特徴としている。
請求項３のスラスタ装置では、請求項１又は２において、前記柱部の先端に雌ネジが螺刻されており、雄ネジが螺刻されたＮｉ合金からなるファスナを当該柱部の先端に締結することで、当該柱部と前記チャンバとを接続することを特徴としている。
請求項４の宇宙機では、請求項１から３のいずれかに記載のスラスタ装置が、前記推薬弁フランジを介して取り付けられていることを特徴としている。
上記手段を用いる本発明によれば、分解反応により高温となる触媒層を保持するチャンバと、推薬弁から触媒層へと推進薬を導入する推進薬導入部はＮｉ合金とし、推薬弁とチャンバとの間に設けられる支持部材はＴｉ合金とし且つ複数の柱部を介してチャンバを支持することとしている。
このように、高温化する触媒層側は耐熱性の高いＮｉ合金で構成し、比較的低温に保つ必要のある推薬弁との間には熱伝導率が低く断熱性の高いＴｉ合金で構成された支持部材を介在させることで、触媒層から推薬弁への断熱性を確保することができる。さらに当該支持部材は柱部でチャンバを支持する構成であることで、推薬弁側へ熱伝達する領域を最小限に抑えることができ、断熱性を向上させることができる。
このように、高温化する触媒層側は耐熱性の高いＮｉ合金で構成し、比較的低温に保つ必要のある推薬弁との間には熱伝導率が低く断熱性の高いＴｉ合金で構成された支持部材を介在させることで、触媒層から推薬弁への断熱性を確保することができる。さらに当該支持部材は柱部でチャンバを支持する構成であることで、推薬弁側へ熱伝達する領域を最小限に抑えることができ、断熱性を向上させることができる。
こうして触媒層の高温化を許容しつつ推薬弁側への断熱性を高めることができることで、触媒層を予熱するため及び推薬弁を保温するためのヒータ電力を節減でき、支持部材を介して当該スラスタ装置が取り付けられる宇宙機への入熱量も抑制することができる。これらのことからスラスタ装置及び宇宙機の許容温度を超過することによる故障を回避することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１には本発明の一実施形態に係るスラスタ装置の全体斜視図が、図２（ａ）（ｂ）にはスラスタ装置の拡大分解斜視図及び拡大分解側面図がそれぞれ示されており、以下これらの図に基づき説明する。
図１に示すスラスタ１は、姿勢制御及び軌道制御のために宇宙機に複数搭載されている一液触媒式スラスタである。
図１には本発明の一実施形態に係るスラスタ装置の全体斜視図が、図２（ａ）（ｂ）にはスラスタ装置の拡大分解斜視図及び拡大分解側面図がそれぞれ示されており、以下これらの図に基づき説明する。
図１に示すスラスタ１は、姿勢制御及び軌道制御のために宇宙機に複数搭載されている一液触媒式スラスタである。
スラスタ１は、ヒドラジン（推進薬）を収容したタンク２から推薬弁４にヒドラジンが供給される。推薬弁４は電磁弁であり、出口部分には導入管６（推進薬導入部）の一端が接続されている。導入管６の他端はインジェクタを構成し、チャンバ８と接続されている。
チャンバ８は内部に触媒層を保持している。図示しないが、触媒層は例えばアルミナ粒子に触媒であるイリジウムを担持させた触媒粒子がメッシュ材により保持されている。円筒状をなしているチャンバ８の先端には、チャンバ８の軸方向に対して垂直方向に開口したノズル１０が設けられている。また、チャンバ８はノズル１０の一部を突出させた状態でカバー１２により覆われている。
チャンバ８は内部に触媒層を保持している。図示しないが、触媒層は例えばアルミナ粒子に触媒であるイリジウムを担持させた触媒粒子がメッシュ材により保持されている。円筒状をなしているチャンバ８の先端には、チャンバ８の軸方向に対して垂直方向に開口したノズル１０が設けられている。また、チャンバ８はノズル１０の一部を突出させた状態でカバー１２により覆われている。
さらに、スラスタ１は推薬弁４とチャンバ８との間に支持部材２０を備えている。当該支持部材２０は、推薬弁４に取り付けられる推薬弁フランジ２２、チャンバ８と一体をなしているチャンバフランジ２４、導入管６の一端と一体をなしている導入管フランジ２６とから構成されている。
以下、当該支持部材２０について詳しく説明する。
以下、当該支持部材２０について詳しく説明する。
図２、３に示す推薬弁フランジ２２は、軽量化のため外縁が切り欠かれた略六芒星形状をなしており、推薬弁先端に取り付けられている。当該推薬弁フランジ２２の３箇所の光芒先端部分には、図示しないボルト及びナットにより宇宙機に取り付けられるための機体取付孔２８ａ、２８ｂ、２８ｃが穿設されている。また、当該推薬弁フランジ２２には、各機体取付孔２８ａ、２８ｂ、２８ｃの内側位置にて、チャンバ８側へと延びた柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが形成されている。当該各柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの一端と推薬弁フランジ２２とは溶接により取り付けられている一方、柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの他端には雌ネジ３２ａ、３２ｂ、３２ｃが螺刻されている。
チャンバフランジ２４は、チャンバ８の一側端部において一体をなした円盤状をなしており、周縁に３箇所ヒータセンサ（図示しない）を配置するための円弧状の切欠部を有している。当該チャンバフランジ２４には、推薬弁フランジ２２の各柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃと対応して３箇所に貫通孔３４ａ、３４ｂ、３４ｃが穿設されている。当該貫通孔３４ａ、３４ｂ、３４ｃには、雄ネジの螺刻されたファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃが挿入され、対応する柱部他端の雌ネジ３２ａ、３２ｂ、３２ｃと締結することで、チャンバフランジ２４が当該柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して推薬弁フランジ２２に支持されるよう構成されている。
導入管フランジ２６は、軽量化のため各辺が円弧状に切り欠かれた略正三角形状をなしている。上記推薬弁フランジ２２には当該導入管フランジ２６の形状に沿って凹部３８が形成されており、組み付け時には当該凹部３８に導入管フランジ２６が嵌合する。当該導入管フランジ２６及び推薬弁フランジ２２の凹部３８の各頂点部分には、両フランジを貫通する貫通孔４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂ（１箇所図示せず）が穿設されている。組み付け時にはこれらの貫通孔４０ａ、４０ｂ、４２ａ、４２ｂにボルト４４ａ、４４ｂを挿入し他方をナット４６ａ、４６ｂで締結することで導入管フランジ２６を推薬弁フランジ２２とともに推薬弁４に固定する。推薬弁フランジ２２の凹部３８には中央部に導入孔４８が穿設されており、当該導入孔４８から導入管６へと推進薬が流通する。また導入管フランジ２６には、導入管６を支持する導入管支持板５０が取り付けられている。当該導入管支持板５０は側面視において波形状をなし、先端部において導入管６と接続されて当該導入管６を支持している。
このように構成された支持部材２０における各部材の材質はＮｉ（ニッケル）合金（例えばコバルトＮｉ合金、）とＴｉ（チタニウム）合金とに分かれている。高温となる触媒層を保持しているチャンバ８及びチャンバフランジ２４、当該チャンバフランジ２４を締結する各ファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、触媒層にヒドラジンを導入する導入管６及び導入管フランジ２６、は耐熱性の高いＮｉ合金により構成されている。一方、触媒層よりも比較的低温に保つ必要のある推薬弁４に取り付けられる推薬弁フランジ２２及び柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは熱伝導率が低く断熱性の高いＴｉ合金により構成されている。なお、推薬弁フランジ２２と導入管６とを締結するボルト４４ａ、４４ｂ及びナット４６ａ、４６ｂは、例えばステンレスで構成されている。
以上のように構成されたスラスタ１は、推薬弁４が開弁することでタンク２からのヒドラジンが導入管６へと供給され、チャンバ８内の触媒層へとヒドラジンが噴射される。触媒層に推進薬が添加されると分解反応が生じ、分解ガスがノズル１０から噴出されることで推力が生じる。
触媒層は分解反応により９００℃程度の高温となり、その熱は触媒層を保持しているチャンバ８から導入管６及び導入管フランジ２６、各ファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ等に伝達されるが、これらの各部材はＮｉ合金であることでこの熱を許容できる。
触媒層は分解反応により９００℃程度の高温となり、その熱は触媒層を保持しているチャンバ８から導入管６及び導入管フランジ２６、各ファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ等に伝達されるが、これらの各部材はＮｉ合金であることでこの熱を許容できる。
一方、チャンバ８と接続されている柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、Ｔｉ合金であり熱伝導性が低いことから推薬弁フランジ２２や推薬弁４への熱の伝達を遮ることができる。また、柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃとチャンバフランジ２４とは異種金属であることから溶接による接続は困難であるのに対し、本実施形態では、低温側となる柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃ側に雌ネジ３２ａ、３２ｂ、３２ｃが形成され、高温側となるチャンバフランジ２４側から雄ネジであるファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃが締結されている。例えばファスナをＴｉ合金とすると熱による伸縮により破損する可能性があるのに対し、耐熱性の高いＮｉ合金からなるファスナ３６ａ、３６ｂ、３６ｃを雄ネジとして柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃに締結させることで、高温状態を許容しつつ強固に接続することができる。
また、チャンバ８は３本の柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃのみで支持していることから、チャンバ８を安定的に支持しつつ、推薬弁４へ熱伝達する領域を最小限に抑えて断熱性を向上させることができる。
このように、高温化する触媒層側は耐熱性の高いＮｉ合金で構成し、比較的低温に保つ必要のある推薬弁４側にはＴｉ合金の支持部材２０を介在させ、３本の柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃによりチャンバ８を支持することで、触媒層から推薬弁４への断熱性を確保することができる。
このように、高温化する触媒層側は耐熱性の高いＮｉ合金で構成し、比較的低温に保つ必要のある推薬弁４側にはＴｉ合金の支持部材２０を介在させ、３本の柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃによりチャンバ８を支持することで、触媒層から推薬弁４への断熱性を確保することができる。
こうして触媒層の高温化を許容しつつ推薬弁４側への断熱性を高めることができることで、触媒層を予熱するため及び推薬弁４を保温するためのヒータ電力を節減でき、支持部材２０を介して当該スラスタ１が取り付けられる宇宙機への入熱量も抑制することができる。これらのことからスラスタ１及び宇宙機の許容温度を超過することによる故障を回避することができる。
以上で本発明に係るスラスタ装置及び宇宙機の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、支持部材２０は３本の柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃによりチャンバ８を支持しているが、柱部の数はこれに限られるものではなく、４本以上の柱部としても構わない。
上記実施形態では、支持部材２０は３本の柱部３０ａ、３０ｂ、３０ｃによりチャンバ８を支持しているが、柱部の数はこれに限られるものではなく、４本以上の柱部としても構わない。
また、上記実施形態の推薬弁フランジ２２、チャンバフランジ２４、及び導入管フランジ２６の形状はこれに限られるものではなく、他の形状をなしていてもよい。
また、上記実施形態のノズル１０は、チャンバ８の軸方向に対して垂直方向に開口しているが、ノズル１０の向きはこれに限られるものではなく、例えば軸方向に開口したものであっても構わない。
また、上記実施形態のノズル１０は、チャンバ８の軸方向に対して垂直方向に開口しているが、ノズル１０の向きはこれに限られるものではなく、例えば軸方向に開口したものであっても構わない。
また、上記実施形態では、推進薬としてヒドラジン、触媒層としてアルミナ粒子にイリジウムを担持させたものを用いているが、推進薬及び触媒層はこれに限られるものではない。
１ スラスタ
２ タンク
４ 推薬弁
６ 導入管（推進薬導入部）
８ チャンバ
１０ ノズル
２０ 支持部材
２２ 推薬弁フランジ
２４ チャンバフランジ
２６ 導入管フランジ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 柱部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 雌ネジ
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 貫通孔
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ ファスナ
２ タンク
４ 推薬弁
６ 導入管（推進薬導入部）
８ チャンバ
１０ ノズル
２０ 支持部材
２２ 推薬弁フランジ
２４ チャンバフランジ
２６ 導入管フランジ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 柱部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 雌ネジ
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 貫通孔
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ ファスナ
Claims (4)
- 推薬弁から推進薬導入部を介して推進薬を触媒層に導入することで、分解ガスによる推力を発生させるスラスタ装置であって、
内部に前記触媒層を保持し、Ｎｉ合金からなるチャンバと、
前記推薬弁から前記チャンバへと接続され、Ｎｉ合金からなる前記推進薬導入部と、
前記推進薬導入部の一端と一体をなしているＮｉ合金からなる導入管フランジと、
前記チャンバと前記推薬弁との間にてＴｉ合金からなる複数の柱部を介してチャンバを支持し、Ｔｉ合金からなる推薬弁フランジと、
を備え、
前記推薬弁フランジには、前記導入管フランジの形状に沿って凹部が形成され、組み付け時には当該凹部に前記導入管フランジが嵌合されることを特徴とするスラスタ装置。 - 前記柱部は３本であることを特徴とする請求項１記載のスラスタ装置。
- 前記柱部の先端に雌ネジが螺刻されており、雄ネジが螺刻されたＮｉ合金からなるファスナを当該柱部の先端に締結することで、当該柱部と前記チャンバとを接続することを特徴とする請求項１又は２記載のスラスタ装置。
- 請求項１から３のいずれかに記載のスラスタ装置が、前記推薬弁フランジを介して取り付けられていることを特徴とする宇宙機。
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