(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙航行機を作動させるための低温液体または貯蔵可能な液状の燃料を貯蔵するためのタンクであって、搬送媒体として用いる駆動ガスと、タンクシェルを有する再充填可能なリザーバーの形態のガス供給・取り出し装置とを備え、表面張力を利用してフィルタリングすることにより駆動ガスを液体から分離させるようにした前記タンクにおいて、
ほぼ筒状のケーシング（２５）を備えたガス供給・取り出し装置（２）が、タンクの上部領域のタンクシェル（１）に直接配置され、且つタンクシェル（１）と直接結合され、ケーシング（２５）が、該ケーシング（２５）の上部領域の周側に配置されラッパ状に拡大している、バッフルプレート（３０）により覆われる開口部（３）の列と、ケーシング（２５）の下部領域に配置されてラッパ状に拡大している、バッフルプレート（３２）により覆われる少なくとも１つの他の開口部（９）とを備え、且つケーシング（２５）が少なくとも１つの排出部に通じている取り出し管（５）を有し、前記開口部（３，９）のそれぞれが、直列に交互に配置されて該開口部（３，９）内へ突出している板（１０）を備え、且つダブルフィルタ（１２）を介してケーシング（２５）の内部と連通し、ケーシング（２５）の内壁に、ケーシング（２５）の長手軸線に平行に延在する板（２４）が配置され、下部のラッパ状の開口部（９）を覆うために設けられる皿状の水平方向のバッフルプレート（３２）が１個または複数個の穴（３１）を有していることを特徴とするタンク。
【請求項２】
液体水素または液体酸素のような低温液体を収容するために形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
【請求項３】
モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）またはヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）のような貯蔵可能な燃料を収容するために形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク。
【請求項４】
四酸化二窒素（Ｎ２Ｏ４）のような酸素担体を収容するために形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙航行機を作動させるための低温液体または貯蔵可能な液状の燃料を貯蔵するためのタンクであって、搬送媒体として用いる駆動ガスと、タンクシェルを有する再充填可能なリザーバーの形態のガス供給・取り出し装置とを備え、表面張力を利用してフィルタリングすることにより駆動ガスを液体から分離させるようにした前記タンクに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のタンクでは、駆動ガスは、そのなかに含まれている液状成分、すなわち燃料を片側で燃焼室または反応室へ搬送するために用いられ、他の側で酸素担体を燃焼室または反応室へ搬送するために用いられる。駆動ガスとして通常はヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ２）のような不活性ガスが使用される。不活性ガスは加圧して燃料容器または酸素担体容器内へ圧入され、これによって燃料および酸素担体をそれぞれのエンジンに通じているパイプシステムへ圧入させる。この場合重要なことは、搬送媒体として用いられる駆動ガスとエンジン内に貯蔵されている液状成分、すなわち燃料または酸素担体とを完全に且つ確実に分離させることである。というのは、燃料または酸素担体には外部ガス沈殿物が含まれていてはならないからである。
【０００３】
低温液体の場合、特に液化水素の場合、燃料が加熱されると、蒸発作用のために、一般的にはタンク内の圧力は経時的に上昇する。タンクの構造的な一体性を維持するため、発生した過圧は上限値に達したときにタンクから逃がさねばならない。このような問題は、特に、長時間にわたって軌道上を無重力状態で作動しなければならない低温宇宙航行システムにおいて発生する。タンク内にあるガスは宇宙航行機の姿勢制御にも使用されることがある。これは推力を発生させるための変形手段であり、補助駆動システムに比べて低コストであり、姿勢制御にとって十分なものである。この場合冷えたガスは、燃料タンクから１個または複数個の推力ノズルを介して指向されて真空中に放出される。
【０００４】
この過程で、ガス液体混合物がタンクから真空中へ放出されると、混合比に応じて液体とガスの密度が異なっているために、一定でない水力プロファイルが発生し、宇宙航行機の制御アルゴリズムはミッション（任務）の要求に応じてこの水力の変化を修正しなければならない。さらに、ガス取り出し装置からの液体の噴出は、燃料を宇宙航行機のメインエンジンのために使用できなくなるので望ましいものではない。
【０００５】
気相と液相を確実に分離させるため、従来では宇宙航行中に以下のような方法を採用していた。
・燃料を加熱することにより、燃料タンクから排出される液体を蒸発させる。この方法は、液体を蒸発させるために高いエネルギー量を必要とする。
・補助的に加速させることにより、減圧の時点で燃料がガス排出口にないようにする。これは、補助的な駆動システムを用いて加速に指向性を持たせねばならず、一般的には比較的高コストである。また、減圧の前にミッションプロファイルを適合させる必要がある。
【０００６】
さらに、特許文献１からは、液相と気相を分離させるために相分離を適用することが知られるようになった。この公知の装置では、低加速度の作動状態に対し相分離機が使用され、超伝導を使用して分離が行なわれる。さらに、特許文献２には、ポンプと弁の列とを設けた相分離機が記載されている。最後に、特許文献３に記載されている相分離機では、液体ガス混合物を回転させ、ポリエチレンまたはナイロンから成るダイヤフラムが液体（この場合には水）を分離させるプロペラが使用される。この最後に挙げた公知のシステムは、燃料電池とともに使用するように設けられ、低温液体を分離させるには適していない。さらに、特許文献４および特許文献５から知られるようになった装置は、地上の重力場での使用に限定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４０２７４９４Ａ号明細書
【特許文献２】米国特許第４８４８９８７Ａ号明細書
【特許文献３】米国特許第７０７７８８５Ｂ２号明細書
【特許文献４】米国特許第４４３５１９６Ａ号明細書
【特許文献５】米国特許第４６１７０３１Ａ号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、冒頭で述べた種類のタンクにおいて、低温燃料に対しても、非低温燃料に対しても、弾道飛行段階での低加速度から、宇宙航行システムで生じるような高加速度段階での高加速度に至るまでの種々の加速度で確実な相分離が保証されるように構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、請求項１によれば、この種のタンクにおいて、ほぼ筒状のケーシングを備えたガス供給・取り出し装置が、タンクの上部領域のタンクシェルに直接配置され、且つタンクシェルと直接結合され、ケーシングが、該ケーシングの上部領域の周側に配置されラッパ状に拡大している、バッフルプレートにより覆われる開口部の列と、ケーシングの下部領域に配置されてラッパ状に拡大している、バッフルプレートにより覆われる少なくとも１つの他の開口部とを備え、且つケーシングが少なくとも１つの排出部に通じている取り出し管を有し、前記開口部のそれぞれが、直列に交互に配置されて該開口部内へ突出している板を備え、且つダブルフィルタを介してケーシングの内部と連通し、ケーシングの内壁に、ケーシングの長手軸線に平行に延在する板が配置され、下部のラッパ状の開口部を覆うために設けられる皿状の水平方向のバッフルプレートが１個または複数個の穴を有していることによって解決される。
【発明の効果】
【００１０】
タンクのほうへ拡大し、したがってラッパ状に形成された開口部は、毛細板を取り付けることにより、液体の侵入が十分に阻止されるように形成されている。たとえば比較的大きな液体運動のために液体がガス供給・取り出し装置内へ侵入すると、この液体は毛細板によってリザーバーの内部へ排出され、これによってガスから分離される。本発明によるタンクに設けられるガス供給・取り出し装置の利点は、該ガス供給・取り出し装置がその板によってもっぱら受動的な構成要素によって構成され、とりわけ弁を有していないことである。したがってシステム全体は、たとえばプレアクセレーションに依存していたり、或いは、燃料を蒸発させることによって相分離を行なっているシステムのケースのように補助的な制御を必要としない。よって、本発明によるタンクは、能動的なシステムに比べて構成が著しく簡潔な点、堅牢性が向上している点、コストが低減されている点を特徴としており、加速度を減少させている段階（弾道段階）の間も、加速度飛行段階（オービターまたは移行軌道機において宇宙航行時に発生する）でも、液体を含まないでガスを搬送することが可能になる。
【００１１】
本発明によるタンクでは、ガス供給・取り出し装置のケーシングの下部領域にはラッパ状の開口部のみが設けられているにすぎないので、特に簡潔な構成が達成され、したがってタンクの取り付け性、重量、後の保守に関し最適化が達成される。保守に関しては、宇宙航行機を再使用する場合、本発明によるタンクは特にこれに適しているので、重要な特徴である。
【００１２】
さらに、本発明によるタンクの利点は、ガス供給・取り出し装置とタンクシェルとの間での熱的結合に優れている点にある。主に駆動ガスが存在している上部タンクドームの領域での温度は、低温液体燃料の温度に比べて特に高く、タンクシェルはタンク内への熱伝導により特に好適に加熱される。本発明にしたがってガス供給・取り出し装置が直接上部タンクカバーと結合されていることにより、この配置構成は、タンクシェルの排出領域において熱交換器として作用し、したがって、特にタンク内の圧縮ガスが減圧の際に急速に冷却されるときに、温度条件を一定に維持する用を成す。このことは、とりわけ、圧縮ガスで作動する姿勢制御システムに対し好ましい影響を与える。特にこの効果は、ガス温度が液体に対し距離をおいて一般的にはかなり上昇する低温燃料において著しい。
【００１３】
さらに、本発明に従ってガス供給・取り出し装置を直接タンクのタンクカバーと結合させることにより、このようにしてガス供給・取り出し装置を非常に後の時点でもまだタンクに取り付けることができるという利点もある。したがって、たとえば構造強度を証明するための振動テストのような必要な検証テストを、タンクカバーと一緒に構成要素として実施することができ、タンクカバーのみを固定させて振動させればよい。構成要素レベルのこのようなテストは、タンク全体の構造的一体性を検証しなければならないシステムとは異なり、かなりのコスト節減をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ガス供給・取り出し装置を内部に組み込んだオービタータンクの上部部分の断面図である。
【図２】ａとｂはともに、高加速度段階での図１のタンク内での液体の位置を説明する図である。
【図３】ａとｂはともに、低加速度段階での図１のタンク内での液体の位置を説明する図である。
【図４】ａ，ｂ，ｃはともに、タンク内での液体の位置を示した、水平方向に離着陸する宇宙航行機のタンクの断面図である。
【図５】図１の配置構成におけるガス供給・取り出し装置の断面図で、ａはｂの線Ｃ−Ｃによる断面図、ｂはａの線Ａ−Ａによる断面図、ｃはａの線Ｂ−Ｂによる断面図である。
【図６】ガス供給・取り出し装置の変形実施態様を示す断面図で、ａはｂの線Ｃ−Ｃによる断面図、ｂはａの線Ａ−Ａによる断面図、ｃはａの線Ｂ−Ｂによる断面図である。
【図７】図５の配置構成の分解詳細図である。
【図８】図５の線Ｃ−Ｃに対応して示した配置構成における、加速度段階での多段液体分離過程を説明する図である。
【図９】図５の線Ｃ−Ｃに対応して示した配置構成における、加速度段階での液体排出過程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に図示したタンクシェル１は、湾曲した形状を持つ燃料タンクの上部領域であり、湾曲した形状は通常宇宙航行機で使用される。タンクシェル１の上部部分には、ガス供給・取り出し装置２が設けられている。ガス供給・取り出し装置２の上部領域にある、すなわちタンクシェル１のタンクカバー６の付近にあるラッパ状の開口部３は、燃料タンクの内部とガス供給・取り出し装置２の内部とを連通させる連通部を形成している。貫通部４はガス供給・取り出し装置２をタンクの外部にあるパイプシステム５（端部のみを示した）と連通させている。ここに図示した実施形態の場合には、タンク６を貫通させて貫通部４を形成させているが、貫通部４は補助的な連通管を使用してタンクシェル１の任意の箇所に設けてもよい。ガス供給・取り出し装置２の上部部分に設けられている、すなわち燃料タンク内部の真上に設けられているラッパ状の開口部３以外にも、他の開口部９がガス供給・取り出し装置２の下部領域に設けられている。
【００１６】
タンクに対する特殊な要求に応じては、ガス供給・取り出し装置２の上部部分に設けた開口部３の数量は、１個と、ここで説明している実施形態の場合のように４個との間で変更することができる。開口部３，９の位置は、種々のミッション（任務）段階の大部分にわたって少なくとも一方の開口部３または９が液体７によって完全に取り囲まれないように選定されている。なお、タンク１における開口部３の位置は必要に応じて最適な位置に選定してよく、また短時間であればすべてのラッパ状の開口部３，９を覆ってもよい。これらの段階の間、システムの内部は液体７で充填されており、他方排出量に相当するガスが抜かれる。
【００１７】
種々のミッション段階の間に液体７が存在しうるタンク内の場所が図２と図３に図示されている。ミッション段階には以下のような種類がある。
・高加速度を伴う段階（図２）：この段階には、図面に図示していないメインエンジンが点火して、加速度が矢印８の方向に発生するミッション段階が含まれている。この場合、液体は、図２のａに図示したように、タンクの下部領域にある。これに対し、図２のｂに図示したようにタンクが回転すると、液体はタンクの外縁領域に堆積し、ガス供給・取り出し装置２に対し接続していない。
・当初は、すなわち地上でのミッション開始時には、タンクは液体７で十分に充填されており、よってガス供給・取り出し装置２も液体７で十分に充填されている。最初の主点火の間にリザーバーは空になる。燃料取り出し段階により、ガスが装置によってタンク内に導入されることによって液体の代わりにガスが充填される。リザーバーのサイズは、最初の点火が終了したら下部開口部９が液体と接続しないように選定されている。このときシステム内には液体がほとんどない。
・たとえば衛星を放出する間の、低下速度を伴う弾道飛行段階（図３）：このとき液体はタンク内でカオス的運動状態にあり、散発的にラッパ状の開口部３と９を湿らす。
【００１８】
ミッション計画によっては、１つのタンク内に複数個のガス供給・取り出し装置を設けてよい。図４のａに、水平方向に離着陸する宇宙航行機用のタンク３４が例示してある。なお、この図では、前記の図と同じ部材には同じ符号が付した。この場合液体は、図４のｂとｃに図示したように、地上での段階と飛行中の段階とではタンク３４内の異なる領域にある。複数のガス供給・取り出し装置はミッションプロファイルに応じて配分されている。ここに図示した実施形態のケースでは、２個のガス供給・取り出し装置２は、ガスがいずれか一方のガス供給・取り出し装置によって吸引され、図面に図示していない消費装置に供給できるように、導管３５によって互いに連結されている。なお、連結されるガス供給・取り出し装置２の個数は基本的には任意である。
【００１９】
上記図のそれぞれのガス供給・取り出し装置２は、図５に図示したように、ケーシング２５と該ケーシングに配置されるラッパ状の開口部３，９とを備えた多段構造を有している。ラッパ状の開口部３，９の内部には、皿状のカバー３０，３２によって覆われているが、板１０の列が設けられている。これらの板１０は、ラッパ状の開口部３，９と鋭角を成すように互いに相前後して配置されている。液体７は、毛細管状に処理されるように、板１０とラッパ状の開口部３，９とで形成される隅角部１１に多く堆積している。それぞれ１つのダブルフィルタスリーブ１２はラッパの首部を形成しており、その構成が図７に詳細に図示してある。この場合、２つのフィルタ１３はそれぞれ２つの穴付き板１４によって画成される。さらに２つのスリーブ１５と１６があり、そのうち内側のスリーブ１６は穴を備え、フィルタ１３と穴付き板１４とが組み合わされている。ラッパの首部に液体が侵入すると、フィルタ１３と穴付き板１４との間の領域が湿潤し、または、スリーブ１５と穴付きスリーブ１６との間の領域が湿潤して、固体構造が完全に湿潤し、ダブルフィルタスリーブ１２の内部領域に気泡を閉じ込める。
【００２０】
液体の侵入は、両フィルタ１３のいわゆるバブルポイント圧力によって減少する。このバブルポイント圧力とは、気泡をダブルフィルタスリーブ１２の内部領域から除去するために流動が得なければならないような圧力である。したがって、比較的大量の液体の侵入が効果的に抑えられる。必要とするバブルポイント圧力は、液体ガス混合物の流速に依存している。
【００２１】
ダブルフィルタスリーブ１２の背後には湿潤遮断部１７が設けられている。湿潤遮断部１７は、溶接エッジから成ることができ、或いは択一的に、ラッパ首部管壁１８に対し鉛直方向に突出するリングディスクから成ることができる。
【００２２】
ラッパ状の開口部３，９は、ここに図示した実施形態のケースでは、ケーシング２５の筒状に実施された内側領域１９に開口している。内側領域１９は侵入してくる液体残量を捕獲する。これとは択一的に、体積を大きくするため、内側領域１９は他の幾何学的形状または可変な直径を有していてもよい。たとえば筒形状の代わりに、球状の内側領域または正方形の丸型でもよい。内側領域１９の下部部分には、内側領域１９の下面２２とともに隙間２１を形成する板２０が設けられている。
【００２３】
内側領域１９は毛細板２３と２４の列を備えている。毛細板２３，２４はラッパ状の開口部３，９を通じて侵入してくる液体残量をリザーバー領域へ逃がし、すなわち内側領域１９へ逃がす。毛細板２３，２４はラッパ状の開口部３の付近で幅狭に形成されているにすぎず、この付近では多量の液体が集積することができないようになっている。さらに、より多量の液体がラッパ状の開口部９の付近に存在しないようにするため、毛細板は内側領域の底部前方で終わっており、或いは、底部２２の付近に集積する液体を毛細板２３，２４の内部に逃がすため、下面２２まで幅狭に延在している。毛細板２３，２４はケーシング２５の内面に装着されている。毛細充填挙動を最適化するため、これらの毛細板２３，２４は交互により短く、より長く形成されている。
【００２４】
ケーシング２５の中央領域には毛細板２４は設けられておらず、その結果この領域には優先的にガスがある。ガス供給・取り出し装置２の上端２６には、図５のｂの断面図Ａ−Ａからわかるように、螺旋状の他の分離室２７が設けられている。分離室２７は、フィルタ要素２８が螺旋状に装着されるように構成されている。このような湾曲構成により、ガス内に含まれている残液がフィルタ要素２８に堆積する。ここでは星状に配置されている毛細板２４の１つの毛細板２９は、分離室２７から押し出された残液が再びリザーバー領域１９に供給されるように延設されている。それ故、相の分離は十分毛細状に行なわれる。
【００２５】
ガス供給・取り出し装置２はタンクカバー６と固着されており、その結果熱接触が形成される。少なくとも、低温液で作動するタンクにおいては、タンクカバー６が液体７に比べて熱いので、ガス供給・取り出し装置２は液体７に比べて高い温度を有している。よってガス供給・取り出し装置２は受動的な熱交換器のごとく作用し、流出する圧縮ガスの温度を均一にさせる用を成している。
【００２６】
ガス供給・取り出し管５は、分離させたガスをガス供給・取り出し装置から、よって燃料タンクから排出させる。この場合、内側領域２６の上部部分は次のように実施されていてもよく、すなわち図６に図示したように、ガス供給・取り出し管５が遠心器として作用するフィルタ要素２８から側方へ出て、タンクを通って下方へ案内されるように実施されていてもよい。またガス供給・取り出し管５は、図５に図示した実施形態とは択一的に、内側領域１９から側方へ案内されていてもよい。図８には、両ラッパ状の開口部のうちの一方の開口部が液体によって負荷されている場合の流動状態と、たとえば両ラッパ状の開口部３，９のうちの一方の開口部３において液体がガスから分離されている状態とが概略的に図示されている。
【００２７】
本発明による配置構成によれば、リザーバー領域２５の毛細板２３の領域が液体で完全に充填されるまでの間、確実な相分離が可能になる。それ故、リザーバー２５のサイズは、弾道段階にとって十分であるように選定されている。下部のラッパ状の開口部９を介してリザーバー２５を空にすることは、加速度をもたらすことで可能である。この場合、下部の皿状のカバー３２は、１個または複数個の穴３１を有するように実施されている。これにより、空にしている間に液体が皿状のカバー３２に集積することが阻止される。最後に、図９には、下部のラッパ状の開口部９によってシステムを空にする態様が概略的に図示されている。矢印３３は加速度の方向を表わしている。
【符号の説明】
【００２８】
１          タンクシェル
２          ガス供給・取り出し装置
３          開口部
５          ガス供給・取り出し管（取り出し管）
９          開口部
１０        板
１２        ダブルフィルタスリーブ（ダブルフィルタ）
１４        穴付き板
２４        毛細板
２５        ケーシング
２９        毛細板
３０        カバー（バッフルプレート）
３１        穴
３２        カバー（バッフルプレート）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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