(57)【要約】【課題】  高比推力ロケットおよび空気吸入推進システムのための三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムおよびプロセスが提供される。【解決手段】  三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステム（１０）は、パラ水素の形態の液体水素の供給源（１２）と、液体水素が通過する配管システムと、全てが同じ正味の磁気的向きを有するＨ3を形成するように、パラ水素の形態の液体水素を全てが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合させるための注入位置（２７）と、磁気的向きを維持するための連続磁場と、を含む。システム（１０）はさらに、推進薬としての使用のために濃縮された液体Ｈ3分子を貯蔵するための貯蔵タンク（３４）を有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムであって、
パラ水素の形態の液体水素の供給源と、
全てが同じ正味の磁気的向きを有する液体Ｈ3分子を形成するように、パラ水素をそれぞれが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合させる手段と、
連続磁場で液体Ｈ3分子内の磁気的向きを維持する手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記のパラ水素供給源は、パラ水素の形態に水素分子が変化するのに十分長い間、液体の形態に保持されている液体水素を収容するタンクと、液体水素の流れが通過する配管システムと、この配管システムを通して液体水素の流れを循環させるポンプとを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
液体Ｈ3分子を濃縮する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記の濃縮手段は、回転タンクを備えており、この回転タンクは、回転タンクを通る液体水素の移動時間を延ばし、かつ、回転タンクを通るその通路の中心線から液体水素を外す手段を備えることを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記の移動時間延ばしおよび外し手段は、複数の流れバッフルを備えることを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記の結合手段は、気体水素の流れを提供する手段と、この気体水素中の水素分子を解離させかつ個々の水素原子をイオン化する手段と、イオン化された水素原子をそれらの陽子のスピンによって分離する手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記の解離手段は、電気アークを備えており、前記の分離手段は、気体水素の流れの周りに磁気流れ場を生成する手段を備えることを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記の結合手段はさらに、同様のスピンの陽子から成る第一の流れを液体水素の流れの中へ注入する手段と、反対のスピンの陽子から成る第二の流れを排出する手段とを備えることを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項９】
前記の注入手段の下流に配置され、Ｈ3イオンをＨ3分子に変換する手段をさらに備えることを特徴とする請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記の変換手段は、負に帯電されたグリッドであることを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
濃縮された液体Ｈ3分子を貯蔵するための貯蔵タンクと、液体Ｈ3分子をそれらの第三の原子のスピンの方向に配列するための磁場を生成する手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記の液体水素の流れは、配管システムを通過し、前記の磁気的向き維持手段は、配管システムの一部の周りに磁場を生成する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのプロセスであって、
パラ水素の形態の液体水素の供給源を用意し、
全てが同じ正味の磁気的向きを有する液体Ｈ3分子を形成するように、パラ水素を全てが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合させ、
連続磁場で磁気的向きを維持する、
ことを含むことを特徴とするプロセス。
【請求項１４】
前記液体水素の流れを、配管システムを通して回転タンクへ循環させ、この回転タンク内で液体Ｈ3分子を濃縮することをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
【請求項１５】
前記の濃縮ステップは、回転タンクを通る液体水素の流れの移動時間を延ばし、かつ、液体水素の流れが回転タンクを通過する際に中心線から液体水素の流れを外す、手段に、液体水素の流れを通すことを含むことを特徴とする請求項１４記載のプロセス。
【請求項１６】
前記の結合ステップは、気体水素の流れを用意し、この気体水素を電気アークに通して水素分子を解離させ、個々の水素原子をイオン化し、このイオン化された水素原子をそれらの陽子のスピンによって磁気的に分離することを含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
【請求項１７】
前記の結合ステップはさらに、同様のスピンの陽子から成る第一の流れを液体水素の流れの中へ注入し、反対のスピンの陽子から成る第二の流れを排出することを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項１８】
前記の維持ステップは、液体水素の流れが通過する配管の一部の周りに磁場を生成することを含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
【請求項１９】
前記の結合された液体水素の流れと第三の水素原子とを負に帯電されたグリッドに通してＨ3+イオンを液体Ｈ3分子に変換し、濃縮された液体Ｈ3分子を貯蔵タンクに貯蔵することをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
【請求項２０】
前記貯蔵タンクに磁場を施して液体Ｈ3分子をそれらの第三の原子のスピンの方向に配列し、貯蔵タンクの貯蔵温度を低下させることをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載のプロセス。
【請求項２１】
第三の原子のスピンの方向に配列された液体Ｈ3分子を含むことを特徴とする推進薬。
【請求項２２】
パラ水素の形態の液体水素の供給源を用意し、
液体水素の流れを流れシステムに通し、
同様のスピンの陽子を有する水素イオンを液体水素の流れの中へ注入し、
陽子のスピンの向きを維持し、
液体水素中のＨ3+イオンを低温で安定な液体Ｈ3分子に変換し、
液体Ｈ3分子を液体Ｈ2から濃縮し、
液体Ｈ3分子を抽出し、推進薬としての使用のために液体Ｈ3分子を貯蔵する、
ことを含むことを特徴とする、推進薬を形成するためのプロセス。
【請求項２３】
気体水素の流れを用意し、この気体水素の流れを電気アークに通して水素分子を解離させ、個々の水素原子をイオン化し、このイオン化された水素原子を陽子のスピンによって分離することによって、前記の同様のスピンの陽子を有する水素イオンを形成することをさらに含むことを特徴とする請求項２２記載のプロセス。
【請求項２４】
前記の分離ステップは、イオン化された水素原子に磁場を掛けることを含むことを特徴とする請求項２３記載のプロセス。
【請求項２５】
反対のスピンの陽子の流れを出口から排出することをさらに含むことを特徴とする請求項２４記載のプロセス。
【請求項２６】
前記の変換ステップは、液体水素の流れを負に帯電されたグリッドに通すことを含み、前記の濃縮ステップは、回転タンクを通る液体水素の移動時間を延ばし、かつ、液体水素が回転タンクを通過する際に中心線から液体水素の流れを外すため、の複数のバッフルを有する回転タンク内に、液体水素の流れを流入させることを含むことを特徴とする請求項２２記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高比推力ロケットおよび空気吸入推進システムのための三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムおよびプロセスに関する。
【０００２】
（関連出願の関連相互参照）
本出願は、ジョンＭ．ハンフリー（Ｊｏｈｎ  Ｍ．  Ｈｕｍｐｈｒｅｙ）らによる現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）三原子水素生成、安定化、および濃縮という名称の２００４年１１月１５日に出願された米国特許出願番号第１０／９８８，６５５号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
宇宙の経済的な探査は、宇宙の実利的な探査の鍵となる一段式ミッションがＬＯＸ／ＬＨ２推進システムの能力を超えているので、比推力（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｍｐｕｌｓｅ）の実質的な増加を必要とする。達成可能なペイロード比（ｐａｙｌｏａｄ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）と必要とされる理想デルタＶ（ｄｅｌｔａ  Ｖ）との間の関係は、所定範囲の比推力値に対して、図１と図２に示されており、いくつかの重要なミッションに対する条件と比較される。図１は、一覧されたミッションに対して達成可能と考えられる０．１の構造比（（非ペイロード構造の重量および残留推進薬重量）／有用推進薬の重量）を使用し、図２は、回収可能な一段式の地球対低地球周回軌道（Ｌｏｗ  Ｅａｒｔｈ  Ｏｒｂｉｔ）（ＬＥＯ）ミッションに対していっそう現実的と考えられる０．２の構造比を使用する。
【０００４】
研究に使用されるミッションパラメータでは、４６０秒の比推力および０．１の構造比と共にＬＯＸ／ＬＨ２を使用する一段式ロケットは、静止衛星配置および回収に対して約６％のペイロード比と、使い捨てＬＥＯまたは回収可能ＬＥＯ対月周回軌道シャトルに対して約３％のペイロード比とを達成する。このようなＬＯＸ／ＬＨ２ロケットは、回収可能な火星を越えるインジェクションミッションに対して何ら有用なペイロードを達成できない。しかしながら、４６０秒から６００秒への比推力の増加によって、上述のミッションに対して６％／３％／０％から１５％／１０％／３％へとペイロード比がそれぞれ増加し、９００秒への比推力の増加によって、かなり大きな３０％／２６％／１８％へとペイロード比が増加する。図２に示すように、全てのより深淵な宇宙ミッションに不可欠な回収可能な一段式対軌道周回ミッションでは、ＬＯＸ／ＬＨ２は、有用なペイロードを達成するのにかなり及ばない。しかしながら、７５０秒から９００秒の比推力値なら、１２％と２０％の間のペイロード比を達成できるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子状水素が長年、ロケット推進剤の化学者の架空の目標であった。原子状水素は、２０００秒を超える理論比推力を有するとはいえ、原子状水素の生成および貯蔵は、なお克服される必要がある。三原子水素は、原子状水素による性能向上の利点のうちの大きな部分を達成する可能性のある方法を提供する。第三の水素原子の結合エネルギーによって、三原子水素のエネルギー放出は、原子状水素のエネルギー放出の最高で１／３となり得る。しかしながら、比推力は、Ｔ／Ｍ（推進剤気体よどみ点温度／分子量）の平方根に比例するので、三原子水素は、およそ１０００秒の比推力の可能性を有するはずである。
【０００６】
宇宙の経済的な探査は、少なくとも６００秒、より好ましくは７５０秒またはそれを上回る比推力を有する高スラストの推進システムの発明および商業化を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明の目的は、三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのプロセスを提供することである。
【０００９】
上述した目的は、本発明のシステムおよびプロセスによって達成される。
【００１０】
本発明に従うと、三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムは概略、パラ水素（互いに逆向きの陽子スピンを有する）の形態の液体水素の供給源と、全てが同じ正味の磁気的向き（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を有するＨ3を形成するように、パラ水素を全てが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合させる手段と、連続磁場で磁気的向きを維持する手段と、を備える。
【００１１】
さらに本発明に従うと、三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのプロセスは概略、パラ水素（互いに逆向きの陽子スピンを有する）の形態の液体水素の供給源を用意し、全てが同じ正味の磁気的向きを有するＨ3を形成するように、パラ水素を全てが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合させ、連続磁場で磁気的向きを維持する、ことを含む。
【００１２】
本発明の現場三原子水素生成、安定化、および濃縮のシステムおよびプロセスの他の詳細、およびそれに付随する他の目的および利点は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、高比推力ロケットおよび空気吸入推進システムのための三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムおよびプロセスと、このようなシステムおよびプロセスによって形成された推進薬とに関する。
【００１４】
図３は、三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステム１０を示す。システム１０は、二つの水素原子内の陽子のスピンが互いに逆方向であるパラ水素に水素分子が転換するのに十分長い間、液体の形態に保持されている液体水素のタンク１２を含む。ポンプ１４が、液体水素を、配管または流れシステムを通して、回転タンク１６へ、そしてそこを通して、循環させる。渦流分離がより一般的であるとはいえ、本発明は、分離プロセスの際に磁場に関する流れ崩壊を最小限に抑えるのに遠心分離の方法を用いる。半径方向加速度は、半径×（回転速度（ラジアン／秒））2に等しい。
【００１５】
回転タンク１６は好ましくは、回転タンク１６を通る液体水素の移動時間を延ばし、かつ、より重要なことには、回転タンク１６を通るその通路の中心線から液体水素の流れを十分外すため、の複数のバッフル１８を有する。回転タンク１６の設計、例えば大きさおよび回転速度は、Ｈ2とＨ3の間の密度差に依存する。回転タンク１６は、液体の三原子水素と二原子水素との間の実質的な密度差の結果として、液体の三原子水素と二原子水素との遠心分離を提供する。三原子水素は、より密度が高いので、周縁部に抽出され得る。当業技術内で知られる任意の適切な手段が、タンク１６を回転させるのに使用され得る。
【００１６】
気体水素の流れ２０が、不均一な磁気流れ場（ｎｏｎ−ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｌｏｗ  ｆｉｅｌｄ）２４に入る前に、ＲＦ発振器などといったＲＦ場解離装置内の電気アーク２２を通過する。ＲＦ発振器を用いる気体解離およびイオン化が、ときに好ましいが、それは、この方法が、どのような電極からの物質も導入しないからである。しかしながら、いくつかの場合には、発振ＲＦ場が、流れ分離磁場に干渉することがある。このような場合には、簡単な電気放電が、好ましい方法として使用され得る。使用される電圧は、磁場が一つの陽子スピンを選択できるように、水素をイオン化しかつ解離させるのに十分高いものとする必要がある。
【００１７】
電気アーク２２は、水素分子を解離させかつ個々の水素原子をイオン化させる。不均一な磁気流れ場２４は、イオン化されかつ解離された水素原子をそれらの陽子のスピンによって分離する。
【００１８】
このように、同様のスピンの陽子から成る第一の水素の流れ２６が生成され、次いで、通路２７を介して液体水素の流れの中へ注入される。反対のスピンの陽子から成る第二の水素の流れ２８は、出口３０を通して単に排出される。図３に示すように、陽子のスピンの向きは、回転タンク１６への通路２７を通る連続磁場によって維持され得る。本発明の好ましい実施態様において、連続磁場は、液体水素配管の周りの低温冷却された電気コイルを通るＤＣ電流によって、または同等の方法によって、生成され得る。配管の周りのワイヤから成るコイルを通るＤＣ電流により生成される磁場は、三原子イオンの向きを維持する連続磁場を生成する。所望ならば、他の方法も使用できる。
【００１９】
水素イオンを液体水素の流れの中に分散させる目的は、水素イオンを、水素分子との衝突を通して冷却し、次いで、水素イオンと液体水素分子との会合を促進してＨ3+を形成することにある。注入されたＨ+イオンと新たに形成されたＨ3+イオンとの間の自然な反発によって、この冷却プロセスの際に、類似のイオンとの相互作用が抑えられる。
【００２０】
注入位置（通路２７）の下流において、液体水素の流れは、負に帯電されたグリッド３２を通過する。負に帯電したグリッド３２は、Ｈ3+イオンに液体Ｈ2との熱平衡に到達させるのに、Ｈ+注入位置（通路２７）の下流の十分遠くに配置される。負に帯電したグリッド３２の目的は、Ｈ3+イオンを、この流れの低温で安定な液体Ｈ3分子へと変換することにある。
【００２１】
本発明の鍵となる特徴は、液体Ｈ3分子全てが同じ正味の磁気的向きを有する液体Ｈ3分子を形成するように、第三の水素原子全てが同じ陽子スピンを有する第三の水素原子と結合されるパラ水素の使用にあり、この磁気的向きは、連続磁場で維持されている。このように生成された液体Ｈ3分子は全て、逆向きのスピンを有する二つの水素原子（すなわち、パラ水素）と、全てが磁場により維持された同じスピンの向きを有する一つの水素原子とから成るので、結果として得られた液体Ｈ3分子は、磁気的に反発するはずであり、従って、ランダムに配向した磁気モーメントを有するＨ3分子の混合物より安定なはずである。本発明のプロセスは、ロケット一元推進薬として、またはロケットまたは空気吸入推進用途における発熱燃料としての使用のための液体水素温度で長期の安定性を示すＨ3分子を生成するのに使用される。
【００２２】
回転タンク１６は、液体Ｈ3と液体Ｈ2との密度差に基づいて液体Ｈ3を液体Ｈ2から濃縮する。これは、回転タンク１６が一種の遠心分離機として機能するからである。濃縮された液体Ｈ3は、それを徐々に抜き出すことにより、タンク１６の周縁部から抽出され、推進薬としての使用のために貯蔵タンク３４内に貯蔵される。貯蔵タンク３４も好ましくは、その周りに連続磁場を有する。連続磁場は、タンク３４の周りにワイヤ３６から成るコイルを巻きつけかつワイヤ３６を通してＤＣ電流を維持することにより生成されることができ、分子をその第三の原子のスピンの方向に配列し、長期間のＨ3の安定性を維持する。貯蔵温度の低下によってさらに、長期間のＨ3の安定性が向上する。
【００２３】
液体水素（Ｈ2）は、約２０Ｋで沸騰する。Ｈ3の温度を０Ｋ近くに保持することは、直接的に、また、共通の第三の陽子スピン構成とＨ3分子の磁場維持とを支持することで、その半減期を増加させるのに望ましい。液体水素を生成する同じ冷凍システムが、必要とされる温度を維持するのに使用され得る。
【００２４】
熱分解が、液体Ｈ3を推進薬として使用するための基準となる方法である。ロケットの一元推進薬として使用する場合、液体Ｈ3は、加熱された圧力室に注入されることができ、そこで、Ｈ3分子の分解とＨ2分子の改質とが、低分子量排気生成物の高温流を生成することなる。ラムジェットおよびスクラムジェットなどの高性能空気吸入用途で使用する場合、Ｈ3分子のＨ2＋Ｈへの分解と、空気を用いた加熱されたＨ原子の高速燃焼とによって、より高い比推力と、現在は達成するのが困難な条件下での持続した燃焼とが容易になる。
【００２５】
本発明は、三原子水素の生成、濃縮、貯蔵および最終の推進分解を通して、宇宙空間推進および高性能空気吸入推進用途のための、より高い比推力推進薬の必要に応えるプロセスおよびシステムを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】デルタＶ対ペイロード比および０．１の構造比に対するＩｓｐを示すグラフである。
【図２】デルタＶ対ペイロード比および０．２の構造比に対するＩｓｐを示すグラフである。
【図３】三原子水素を生成、安定化、および濃縮するためのシステムの概略図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…システム
１２…タンク
１４…ポンプ
１６…回転タンク
１８…バッフル
２０…気体水素の流れ
２２…電気アーク
２４…磁気流れ場
２６…第一の水素の流れ
２７…通路
２８…第二の水素の流れ
３０…出口
３２…グリッド
３４…貯蔵タンク
３６…ワイヤ
【図１】
2006143575.tif 000003
【図２】
2006143575.tif 000004
【図３】
2006143575.tif 000005