(57)【要約】  宇宙飛行体のための液体貯蔵システムは、タンク入口と、タンク出口と、タンク入口とタンク出口との間で連続して互いに連結された複数の液体貯蔵区画と、を含む、少なくとも１つの貯蔵タンクを含む。各液体貯蔵区画は、この液体貯蔵区画の、別の液体貯蔵区画に隣接する端部に多孔性出口を含むエンドプレートを含む。宇宙飛行体のための推進システムは、少なくとも１つのこのような液体貯蔵タンクを含む。宇宙飛行体のスラスターに液体推進薬を提供する方法は、タンク内部の第１の区画から液体推進薬を抜き取るステップと、第１の区画を第２の区画から分離するエンドプレートと関連付けられた多孔性要素を通して第２の区画から第１の区画内へと液体推進薬を流すステップと、を含む。【選択図】図１
2019513608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙飛行体のための液体貯蔵システムであって、前記液体貯蔵システムは、
少なくとも１つの液体貯蔵タンクであって、
タンク入口と、
液体を前記少なくとも１つの液体貯蔵タンク内部から抜き取るためのタンク出口と、
前記タンク入口と前記タンク出口との間で連続して互いに連結された複数の液体貯蔵区画とを含み、前記複数の液体貯蔵区画の各液体貯蔵区画は、
前記液体貯蔵区画の、別の液体貯蔵区画に隣接する端部に多孔性出口を含むエンドプレートを含む、少なくとも１つの液体貯蔵タンク
を備える、液体貯蔵システム。
【請求項２】
前記タンク入口に連結され、前記タンク入口と流体連通する加圧ガス供給源をさらに含む、請求項１に記載の液体貯蔵システム。
【請求項３】
前記加圧ガス供給源は、前記少なくとも１つの液体貯蔵タンクを少なくとも部分的に囲むシェルによって定められる容積を有する、請求項２に記載の液体貯蔵システム。
【請求項４】
前記加圧ガス供給源は、前記液体貯蔵区画に隣接して加圧ガスを収容するタンク、ポンプ、またはガス発生器のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の液体貯蔵システム。
【請求項５】
前記複数の液体貯蔵区画の各液体貯蔵区画内部に１つまたは複数のフィンをさらに含み、前記１つまたは複数のフィンは、前記多孔性出口に少なくとも近接して位置付けられ、前記多孔性出口から離れて前記液体貯蔵区画の内部に向かって延びる、請求項１から４のいずれか一項に記載の液体貯蔵システム。
【請求項６】
各液体貯蔵区画内部の前記１つまたは複数のフィンは、それぞれの前記液体貯蔵区画の外壁から内向きに延びる複数のフィンを含み、前記フィンは、前記液体貯蔵区画の中心に近接して合流し、前記多孔性出口の上に延びる、請求項５に記載の液体貯蔵システム。
【請求項７】
各液体貯蔵区画は、前記多孔性出口の周囲を囲む中実のエンドプレートを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の液体貯蔵システム。
【請求項８】
前記複数の液体貯蔵区画は、連続して少なくとも第２の液体貯蔵区画に接続された少なくとも第１の液体貯蔵区画を含み、前記第１の液体貯蔵区画の前記多孔性出口は、前記第２の液体貯蔵区画の多孔性入口としての機能を果たす、請求項１から４のいずれか一項に記載の液体貯蔵システム。
【請求項９】
前記複数の液体貯蔵区画は、少なくとも１つの、液体貯蔵区画の円筒形スタックを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の液体貯蔵システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの液体貯蔵タンクは、第１の液体貯蔵タンクと、前記第１の液体貯蔵タンクと実質的に同じ構成の、少なくとも第２の液体貯蔵タンクとを含み、前記第１の液体貯蔵タンクの前記タンク出口は、前記第２の液体貯蔵タンクのタンク入口と流体連通する、請求項１から４のいずれか一項に記載の液体貯蔵システム。
【請求項１１】
宇宙飛行体のための推進システムであって、前記推進システムは、
請求項１に記載の液体貯蔵システムと、
前記液体貯蔵システムの前記出口に動作可能に連結された１つまたは複数のスラスターと、
を含む、推進システム。
【請求項１２】
前記エンドプレートは、前記エンドプレートを貫通する、複数の実質的に円形の孔を含む、請求項１１に記載の推進システム。
【請求項１３】
前記複数の液体貯蔵区画のうちの第１の液体貯蔵区画内部に位置付けられた第１の温度センサと、
前記複数の液体貯蔵区画のうちの第２の液体貯蔵区画内部に位置付けられた第２の温度センサと、
前記第１の液体貯蔵区画および前記第２の液体貯蔵区画に隣接して位置付けられた少なくとも１つの熱源と、
を含む、液面計測システムをさらに含む、請求項１１または請求項１２に記載の推進システム。
【請求項１４】
低重力環境において宇宙飛行体のスラスターに液体推進薬を提供する方法であって、前記方法は、
タンク内部の第１の区画から液体推進薬を抜き取って、前記第１の区画を、これに隣接する第２の区画から分離するエンドプレート全域に圧力差を誘発するステップと、
誘発された前記圧力差に応じて、前記エンドプレートと関連付けられた多孔性要素を通じて前記第２の区画から前記第１の区画内へと前記液体推進薬を流すステップと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記液体推進薬が前記第２の区画から前記第１の区画内へと流れる際に前記第２の区画を埋め戻すために、前記第２の区画内へとガスを流すステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記液体推進薬が前記第１の区画から抜き取られる際に前記第１の区画を埋め戻すために前記第１の区画内へとガスを流す前に、前記第２の区画から前記液体推進薬を実質的に完全に排出して前記第１の区画内に入れるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の区画を第３の区画から分離する別のエンドプレートと関連付けられた別の多孔性要素を通じて前記第３の区画から前記第２の区画内へと前記液体推進薬を流すステップをさらに含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の区画から前記液体推進薬を抜き取るステップは、前記タンクの出口に連結された弁を開くステップを含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｔａｎｋｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｓｐａｃｅ  Ｖｅｈｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」について２０１６年４月５日に出願された米国特許出願第１５／０９１，４５３号の出願日の利益を主張する。
技術分野
本開示の実施形態は、推進薬または他の液体を人工衛星、打ち上げ用ロケット、および宇宙船内に保持するためのシステムなど、低重力環境において使用されるように特に適合された液体貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
宇宙飛行体内では、液体推進薬が、打ち上げ中に加速下で、および低重力環境において（例えば、宇宙空間内で、地球周辺の軌道において）タンクの動きに応じて、貯蔵タンク内で移動し、スロッシングする傾向があり、このような貯蔵タンクを組み込んだ宇宙飛行体の質量中心を移動させる可能性があり、望ましくない振動、および飛行体制御の問題をもたらす。このスロッシングを低減しようとして、いくつかの従来の液体貯蔵タンクは、スロッシングに対する障害物を提供する構造体をその中に含む。さらに、低重力環境では、液体は、貯蔵タンク内部の任意の場所に位置することがあり、必ずしも貯蔵タンクの出口に位置するわけではない。よって、この構造体は、貯蔵タンク内部の液体によって「湿潤され」得る表面を提供して、表面張力によって液体を出口に向けるように構成されることもできる。
【０００３】
さらに、低重力環境において（例えば、宇宙空間内で、地球周辺の軌道において）タンク内の液体の量を決定するのは困難である。なぜならば、方向付けられたかなりの重力または加速力がなければ、液体が貯蔵タンクの予測可能な側または端部に沈む傾向がないためである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
いくつかの実施形態では、宇宙飛行体のための液体貯蔵システムは、タンク入口と、タンク出口と、タンク入口とタンク出口との間で連続して互いに連結された複数の液体貯蔵区画と、を含む、少なくとも１つの液体貯蔵タンクを含む。タンク出口は、少なくとも１つの貯蔵タンク内部から液体を抜き取るためのものである。複数の液体貯蔵区画の各液体貯蔵区画は、この液体貯蔵区画の、別の液体貯蔵区画に隣接する端部に多孔性出口を含むエンドプレートを含む。
【０００５】
いくつかの実施形態では、宇宙飛行体のための推進システムは、液体貯蔵システムと、液体貯蔵システムの出口に動作可能に連結された１つまたは複数のスラスターと、を含む。液体貯蔵システムは、少なくとも１つの液体貯蔵タンクを含み、この液体貯蔵タンクは、第１の液体貯蔵区画と、第１の液体貯蔵区画および出口に連結された第２の液体貯蔵区画と、第１の液体貯蔵区画と第２の液体貯蔵区画とを分離する多孔性要素を含むエンドプレートと、を含む。多孔性要素は、多孔性要素全域の圧力差に応じて第１の液体貯蔵区画から第２の液体貯蔵区画に液体を通過させるように、および、第２の液体貯蔵区画内の液体が多孔性要素に対してスロッシングした際に液体が第２の液体貯蔵区画から第１の液体貯蔵区画に通過することを実質的に阻止するようにサイズ決めされ、構成された複数の孔を含む。
【０００６】
いくつかの実施形態では、低重力環境において宇宙飛行体のスラスターに液体推進薬を提供する方法は、タンク内部の第１の区画から液体推進薬を抜き取って、第１の区画を、これに隣接する第２の区画から分離するエンドプレート全域に圧力差を誘発するステップと、誘発された圧力差に応じて、エンドプレートと関連付けられた多孔性要素を通して第２の区画から第１の区画内へと液体推進薬を流すステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示による液体貯蔵システムの一実施形態の側面図を示す。
【図２】図１の液体貯蔵システムの区画の一実施形態の部分斜視図を示す。
【図３】図２の区画の一部の部分斜視図を示す。
【図４】本開示による液体貯蔵システムの別の実施形態の斜視図を示す。
【図５】本開示による液体貯蔵システムの別の実施形態の切欠き側面図を示す。
【図６】本開示による液体貯蔵システムの一実施形態の上面図を示す。
【図７】本開示による液体容積測定システムを含む液体貯蔵システムの一実施形態の断面側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の説明は、本開示の実施形態の十分な説明を提供するために、材料の種類、材料の厚み、および加工条件など、具体的な詳細を提供するものである。しかしながら、当業者は、本開示の実施形態がこれらの具体的な詳細を用いずに実施され得ることを、理解するであろう。実際、本開示の実施形態は、業界で用いられる従来の製造技術および材料と共に実施され得る。
【０００９】
以下の詳細な説明では、この一部を形成する添付図面を参照し、添付図面には、実例として、本開示が実施され得る具体的な実施形態が示されている。これらの実施形態を、当業者が本開示を実施することができるよう、十分詳細に説明する。しかしながら、他の実施形態を用いてもよく、構造、材料、または動作の変更を、本開示の範囲から逸脱せずに行うことができる。本明細書に提示する実例は、任意の特定のシステム、装置、構造、またはプロセスの実際の図とすることを意味しておらず、本開示の実施形態を説明するのに用いられる理想的な表示である。さまざまな図面における同様の構造体または部品は、読者の便宜のために、同じかまたは同様の符号を保持し得る；しかしながら、符号の類似性は、それらの構造体または部品のサイズ、組成、構成、または他の特性が必ず同一であることを意味するわけではない。本明細書で提示される図面は、必ずしも一定の比率に縮小して描かれたものではない。
【００１０】
所与のパラメータ、特性、または状態への言及において本明細書で使用される用語「実質的に」は、その所与のパラメータ、特性、または状態が許容可能な製作公差以内など相違度合いが小さい状態で満たされることを、当業者が理解するであろう程度で、意味し、含む。例えば、実質的に満たされたパラメータとは、少なくとも約９０％が満たされているか、少なくとも約９５％が満たされているか、または少なくとも約９９％が満たされていてよい。
【００１１】
本明細書で使用される、「第１の」、「第２の」、「第３の」、「上」、「下」などといった任意の関係を示す用語は、本開示および添付図面を理解する上で、明確化のため、および便宜上、使用されるものであり、文脈上特に明確な指示のない限り、任意の特定の好み、向き、または順序を暗示したり、それに依存したりするものではない。
【００１２】
本開示の実施形態は、宇宙飛行体内など、低重力の適用で使用される液体貯蔵システムを含む。液体貯蔵システムは、その中に貯蔵された液体のスロッシングを阻止および制御するように構成され得、種々の容積および適用に合わせて拡大縮小可能であってよく、液体貯蔵システムの中に貯蔵された液体容積の測定を可能にし得る。液体貯蔵システムは、連続して互いに連結され、かつ多孔性要素（例えば多孔性プレート）によって互いから分離される、複数の区画を含む。
【００１３】
図１は、本開示の一実施形態による液体貯蔵システム１０１のタンク１００の側面図を示す。液体貯蔵タンク１００は、タンク入口１０２と、タンク出口１０４と、タンク入口１０２とタンク出口１０４との間で連続して互いに長手方向に連結された複数の液体貯蔵区画１０６と、を含む。図２および図３は、複数の液体貯蔵区画１０６のうちの単一の区画１０６の一部の詳細図を示す。タンク１００は、例えば、液体推進薬（例えば、従来の宇宙船推進薬）、二元推進薬システムの液体成分、水、液体酸素、液体窒素、または油などの任意の液体を無重力環境に貯蔵するように構成され得る。
【００１４】
図１〜図３を参照すると、タンク１００の区画１０６は、それぞれのエンドプレート１０８によって互いから分離され得る。エンドプレート１０８は、タンク１００の隣接する区画１０６間に連続して流体連通をもたらすように、それぞれの多孔性要素１１０と関連付けられ（例えば、多孔性要素１１０を含むか、または多孔性要素１１０に連結され）得る。よって、多孔性要素１１０は、区画１０６のうちの少なくともいくつかの流体出口としての機能を果たすことができ、また、隣接する区画１０６の流体入口としての機能を果たすことができる。
【００１５】
区画１０６はそれぞれ、一部が側壁１１２によって画定され得、側壁１１２は、図２に示すように実質的に円筒形であってよい。側壁１１２は、タンク１００の区画１０６すべてに共通であってよく、または、区画１０６それぞれが、隣接する区画１０６の側壁１１２に長手方向に連結され（例えば、溶接され、接着され、留められ）た別個の側壁１１２を有し得る。区画１０６は、タンク１００の予想される用途に従ってサイズ決めされ構成され得る。例えば、スロッシングの低減は、各区画１０６の容積を減少させ、特定のサイズ（すなわち、総容積）のタンク１００に、より多い数の区画１０６を設けることによって、得ることができる。一方、重量および製造費は、各区画１０６の容積を増大し、特定のサイズ（容積）のタンク１００に、より少ない数の区画１０６を設けることによって、低減され得る。当業者は、特定の適用に適切な各区画１０６の容積および区画１０６の数を選択することができる。限定ではなく、一例として、タンク１００は、２〜１２個の区画１０６、例えば６〜１０個の区画１０６、を有し得る。しかしながら、本開示は、１つのタンク１００当たり任意の特定の数の区画１０６に制限されず、一部分は、タンク１００およびタンク１００を利用する宇宙船のサイズ（例えば長さ）によって決まり得る。
【００１６】
図２および図３を参照すると、いくつかの実施形態では、区画１０６はそれぞれ、そのエンドプレート１０８に連結され、かつ多孔性要素１１０に近接した場所まで延びる、１つまたは複数のフィン１１４を含み得る。１つまたは複数のフィン１１４は、エンドプレート１０８から離れて（例えば垂直に）、また区画１０６の内部に向かって概ね横向きに延びる、１つまたは複数の実質的に平坦な部材を含み得る。図２および図３に例示するように、１つまたは複数のフィン１１４は、例えばＸ形状で配置され得、フィン１１４の半径方向に内側の端部が多孔性要素１１０およびエンドプレート１０８の中心で合流する。１つまたは複数のフィン１１４は、区画１０６が一部のみ液体で満たされている場合に、横方向への液体スロッシングを阻止する障壁を提供することができる。１つまたは複数のフィン１１４はまた、液体によって湿潤され得る、多孔性要素１１０に隣接する表面を提供して、液体を多孔性要素１１０に向かって引き込み、多孔性要素１１０を通して液体を区画１０６から流出させることができる。さらに、フィン１１４は、部分的に満たされた区画１０６を埋め戻すガスが、区画１０６からその中の液体が実質的に排出される前にその多孔性要素１１０に到達することを阻止し得る。９０°間隔で位置した４つのフィン１１４が描かれているが、別の偶数または奇数のフィン１１４が、均一または異なる間隔で用いられてもよい。さらに、平坦なフィン１１４が描かれているが、平坦でないフィン１１４が用いられてもよく、また、液体スロッシングの傾向をさらに低減するためにフィン１１４と関連付けられる突出部または弓状エッジをエンドプレートの反対側に含むフィン１１４が用いられてもよい。
【００１７】
限定ではなく、一例として、多孔性要素１１０はそれぞれ、エンドプレート１０８の穿孔部分（例えば、中心部分）、エンドプレート１０８に連結された別個の穿孔プレート、またはエンドプレート１０８に連結されたスクリーンであってよい。多孔性要素１１０は、エンドプレート１０８で取り囲まれ得る。いくつかの実施形態では、多孔性要素１１０は、エンドプレート１０８の中心にあってよい。多孔性要素１１０は、内部を通って延びる開口部（例えば、実質的に円形の孔）を有する金属材料（例えば、金属プレート、金属スクリーン）を含み得る。開口部は、例えば、金属プレートを微細加工（例えば電子ビーム穴あけ）することによって、または織布もしくは不織布のスクリーンを提供することによって、形成され得る。
【００１８】
多孔性要素１１０の開口部は、２つの隣接する区画間でエンドプレート１０８全域に圧力差が存在すると、タンク１００内部の液体が１つの区画１０６から隣接する区画１０６へと移動することを可能にするようにサイズ決めおよび構成され得る。さらに、多孔性要素１１０の開口部は、所与の区画１０６内部で液体のみが（すなわち、圧力差の非存在下で）スロッシングした際に液体が多孔性要素１１０を通過することを阻止するように十分に小さくてよい。限定ではなく、一例として、多孔性要素１１０の開口部は、約０．００５インチ（約０．０１２７ｃｍ）〜約０．０１０インチ（約０．０２５４ｃｍ）、例えば約０．００７インチ（約０．０１７７ｃｍ）、のサイズ（例えば、直径、断面範囲）を有し得る。開口部のサイズは、タンク１００内部に貯蔵される液体の粘度および密度を考慮して選択され得る。開口部が中を通って延びる、多孔性要素１１０の金属プレートまたはスクリーンは、約０．０１０インチ（約０．０２５４ｃｍ）〜約０．０２０インチ（約０．０５０８ｃｍ）、例えば約０．０１５インチ（約０．０３８１ｃｍ）など、の厚みを有し得る。多孔性要素１１０の材料は、タンク１００内に貯蔵される液体にさらされた場合に耐腐食性であるように選択され得る。非限定的な例として、多孔性要素１１０の材料は、タンク１００内に貯蔵される液体に応じて、アルミニウム、ステンレス鋼、またはチタンのうちの１つまたは複数を含み得る。例えば、タンク１００が推進薬を貯蔵するのに使用される場合、多孔性要素１１０の材料はチタンであってよい。
【００１９】
再び図１を参照すると、液体貯蔵タンク１００は、入口１０２に近接して、また出口１０４に近接して、エンドキャップ１１６をさらに含み得る。タンク１００の内部がタンク１００の外部に対して加圧される実施形態では、エンドキャップ１１６は、図１に示すように丸みを帯びていてよい。タンク１００内部に大きな圧力がない他の実施形態では、エンドキャップ１１６は、実質的に平坦などの、別の形状を有し得る。
【００２０】
入口１０２は、液体が出口１０４を通ってタンク１００から抜き取られる際にガスでタンク１００を加圧および埋め戻しするための圧力調整システム１１８などの、加圧ガス供給源と流体連通していてよい。例えば、圧力調整システム１１８は、圧縮ガスを収容する別個のタンク、ガスを加圧するポンプ、またはバッファタンクおよび調整器と組み合わせられたガス発生器を含み得る。圧力調整システム１１８は、出口１０４における、またはそこから下流の弁が開いた際に液体をタンク１００から流出させるように、タンク１００内で十分な圧力を維持するためにガスを提供し得る。圧力調整システム１１８は、実質的に一定の圧力をタンク１００に提供するように構成され得るか、または、可変圧力（例えば、液体がタンク１００から抜き取られる際に変化する圧力）をタンク１００に提供するように構成され得る。タンク１００が推進薬を貯蔵するのに使用される実施形態では、１つまたは複数のスラスター１２０が、タンク１００の出口１０４と流体連通していてよい。弁１２１は、液体がタンク１００から１つまたは複数のスラスター１２０へと流れることを選択的に可能にするために出口１０４と動作可能に連結され得る。
【００２１】
本開示による液体貯蔵システム１０１は、タンク１００、圧力調整システム１１８、および／またはスラスター１２０のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施形態では、液体貯蔵システム１０１は、連続して互いに連結された複数のタンク１００を含み得る。例えば、第１のタンク１００の出口１０４は、第２のタンク１００の入口１０２と流体連通する。追加のタンク１００が、追加の貯蔵容量を提供するため、このように連続して互いに連結され得る。したがって、液体貯蔵システム１０１は、追加の液体貯蔵が比較的容易に、また低コストで提供され得る点で、モジュール式である。
【００２２】
二元推進薬システムでは、第１の液体成分が、１つまたは複数のタンク１００に貯蔵され得、第２の液体成分が、１つまたは複数の追加のタンク１００に貯蔵され得る。第１および第２の液体成分は、燃焼のため、タンク１００のそれぞれの出口１０４の下流で（例えば、スラスター１２０で、またはスラスター１２０と連通するマニホールドで）組み合わせられ得る。
【００２３】
液体貯蔵システム１０１の動作を示すため、図１を参照するが、図１では、液体１２２を実質的に完全に充填されている第１の区画１０６Ａと、第１の区画１０６Ａに隣接し、そこから上流にある第２の区画１０６Ｂであって、液体１２２で部分的にのみ満たされている、第２の区画１０６Ｂと、第２の区画１０６Ｂに隣接し、そこから上流にある、第３の区画１０６Ｃであって、その中に実質的に液体１２２がない（例えば、液体１２２がまったくないか、または残存量の液体１２２のみがある）第３の区画１０６Ｃと、が示されている。いくらかの残存液体１２２が、第３の区画１０６Ｃ内部にとどまり得る。液体貯蔵システム１０１のタンク１００は、最初は、推進薬、水、液体酸素、液体窒素、または油などの液体１２２を少なくとも部分的に充填され得る。液体は、出口１０４から抜き取られ得る。液体が出口１０４から抜き取られると、出口１０４に最も近い区画１０６内の圧力が低減され得、出口１０４に最も近い区画１０６と隣接する区画１０６との間のエンドプレート１０８および多孔性要素１１０全域に圧力差を生じる。したがって、液体は、隣接する区画１０６から出口１０４に最も近い区画１０６へと、多孔性要素１１０を通って流れ込む。このような圧力差、および区画１０６からの液体の抜き取りは、タンク１００の中を通って連続して継続する。ガス（例えば、圧力調整システム１１８からの加圧ガス）は、入口１０２からタンク１００を埋め戻すのに使用され得る。多孔性要素１１０全域の圧力差は、入口１０２から出口１０４への方向に多孔性要素１１０を通る液体の流れを生じ得る。
【００２４】
本明細書で使用される用語「上流」は、入口１０２から出口１０４へとタンク１００を通るバルク流体流の計画された方向とは反対の方向を指す。本明細書で使用される用語「下流」は、入口１０２から出口１０４へとタンク１００を通るバルク流体流の計画された方向を指す。
【００２５】
圧力が第１の区画１０６Ａ内で低減されると、第２の区画１０６Ｂからの液体１２２は、第１の区画１０６Ａと第２の区画１０６Ｂとの間の多孔性要素１１０を通って第１の区画１０６Ａに向かって流れることができる。第２の区画１０６Ｂ内の液体１２２の容積は、液体１２２が第２の区画１０６Ｂから多孔性要素１１０を通って第１の区画１０６Ａに流れ込むと、低減し得る。第２の区画１０６Ｂ内の液体１２２は、第２の区画１０６Ｂの側壁１１２、多孔性要素１１０、およびフィン１１４（図２および図３）を湿潤させ得る。したがって、液体１２２は、第２の区画１０６Ｂの側壁１１２およびフィン１１４に沿って多孔性要素１１０に向かって流れがちとなり得る。第３の区画１０６Ｃからのガスは、第２の区画１０６Ｂに流れ込むことができ、第２の区画１０６Ｂ内のガスの容積は、増大し得る。第２の区画１０６Ｂが実質的に空になる（例えば、第２の区画１０６Ｂ内に液体１２２が残っていないか、または残存量の液体１２２のみが残っている）と、ガスは、第２の区画１０６Ｂから第１の区画１０６Ａへ流れ込み始めることができる。
【００２６】
前述したプロセスは、区画１０６のそれぞれ、およびタンク１００全体から液体１２２が実質的に完全に排出されるまで、タンク１００の区画１０６の中を通って連続して継続し得る。
【００２７】
液体１２２が実質的に排出されている区画１０６内に残った、見込まれる残存液体１２２のほかに、タンク１００内部でスロッシングを受ける液体１２２の容積は、単一の区画１０６の容積に実質的に限られ得る。よって、本開示の実施形態は、先の既知の液体貯蔵タンクと比べてスロッシングをより効果的に制御し、低減することができる。したがって、液体の貯蔵を含む宇宙飛行体の制御は、本開示による液体貯蔵システム１０１を使用することにより改善され得る。
【００２８】
図４を参照すると、液体貯蔵システム２０１は、互いに隣接して配置され、かつ連続して互いに流体連結された、一群の液体貯蔵タンク２００を含み得る。タンク２００はそれぞれ、実質的に、タンク１００を参照して前述したように構成され得る。したがって、タンク２００はそれぞれ、入口２０２と、出口２０４と、連続して互いに長手方向に連結され、かつそれぞれのエンドプレート２０８および多孔性要素２１０によって分離された複数の液体貯蔵区画２０６と、側壁２１２と、エンドキャップ２１６と、を含み得る。区画２０６はそれぞれ、１つまたは複数のフィン２１４を含み得る（そのうちの１つが図４に破線で示されている）。液体貯蔵システム２０１は、システム入口２２４と、システム出口２２６と、を含み得る。圧力調整システム２１８が、システム入口２２４と流体連通していてよく、システム入口２２４は、液体貯蔵システム２０１の最も上流でタンク２００の入口２０２と流体連通していてよい。システム出口２２６は、液体貯蔵システム２０１内の最も下流でタンク２００の出口２０４と流体連通していてよい。システム出口２２６は、例えば１つまたは複数のスラスターとさらに選択的に流体連通していてよい。
【００２９】
液体貯蔵システム２０１は、タンク２００を互いに、また支持構造体（例えば宇宙飛行体）に固定するために、上方構造部品２３０および下方構造部品２３２をさらに含み得る。（液体貯蔵システム２０１の出口に最も近いタンク２００以外の）各タンク２００の出口２０４は、コネクタパイプ２３４を通って、続いて下流にあるタンク２００の入口２０２と流体連通していてよい。図４の視点から見ると、コネクタパイプ２３４は、タンク２００の下部にある、タンク２００に垂直な各出口２０４から、上方へ、かつ、タンク２００に対して平行に、および下流のタンク２００の上部にある入口２０２までタンク２００に垂直に、流体を向けることができる。あるいは、タンク２００は、ジグザグパターンで互いに流体接続され得る。このような実施形態では、各タンク２００の出口２０４は、続いて下流にあるタンク２００の入口２０２に隣接してよく、液体が、タンク２００のうちの１つでは下向きに、続いて下流にあるタンク２００では上向きに、さらに続いて下流にあるタンク２００では下向きに、などで、システム出口２２６から抜き取られるときに液体貯蔵システム２０１内部で液体の大きな流れを生じる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、液体貯蔵システム２０１は、液体燃料と液体酸化剤とを組み合わせて燃焼させるシステムなどの、二元推進薬システムの液体成分を貯蔵するように構成され得る。このような実施形態では、システム２０１のタンク２００の第１のグループ（例えば、タンク２００の第１の半分）が、二元推進薬の第１の液体成分を収容するように構成され得、タンク２００の第２の異なるグループ（例えば、タンク２００の第２の半分）が、二元推進薬の第２の液体成分を収容するように構成され得る。よって、液体貯蔵システム２０１は、２つのシステム入口２２４および２つのシステム出口２２６（二元推進薬の第１および第２の流体成分のそれぞれについて１つのシステム入口２２４および１つのシステム出口２２６）を含み得る。二元推進薬の第１および第２の液体成分は、２つのシステム出口２２６において、またはそこから下流で、例えば２つのシステム出口２２６と流体連通するスラスターにおいて、燃焼のために組み合わせられ得る。いくつかの実施形態では、液体貯蔵システムは、三元推進薬（tripropellant）システムの３つの液体成分を貯蔵するように構成され得る。
【００３１】
図５を参照すると、液体貯蔵タンク３００は、液体貯蔵システム３０１を形成するのに使用され得る。例えば、液体貯蔵システム３０１は、円形パターンに配置された２０個の液体貯蔵タンク３００を含み得、１つの中心液体貯蔵タンク３００、中心液体貯蔵タンク３００に隣接し、かつその周辺にある、６個の中間液体貯蔵タンク３００、および６個の中間液体貯蔵タンク３００に隣接し、かつその周辺にある、１３個の外側液体貯蔵タンク３００がある。いくつかの実施形態では、液体貯蔵タンク３００は、加圧ガス供給源として作用する圧力容器３０２内部に位置付けられるか、または、前述したような圧力調整システムに連結され得る。液体貯蔵タンク３００は、前述したタンク１００、２００と同様であってよく、また、前述したように連続して互いに動作可能に連結され得る。
【００３２】
図６を参照すると、液体貯蔵システム４０１は、圧力容器４４０内部に位置付けられた１つまたは複数の液体貯蔵タンク４００を含み得る。タンク４００は、前述したタンク１００、２００、３００と同様であってよく、また、それぞれの入口４０２と、出口４０４と、連続して互いに連結された区画４０６と、を含み得る。区画４０６は、それぞれの多孔性要素４１０と関連付けられたそれぞれのエンドプレート４０８によって互いから分離され得る。液体貯蔵タンク４００は、タンク４００の連続する出口と入口との間に流体連通をもたらすコネクタパイプ４３４などによって、互いに動作可能に連結され得る。
【００３３】
最も上流のタンク４００は、圧力容器４４０の内部と流体連通するタンク入口４０２を含み得る。最も下流のタンク４００は、タンク４００内部から圧力容器４４０の外部まで、例えばスラスターまたは他の推進要素まで液体を提供するように構成されたタンク出口４０４を含み得る。よって、最も下流のタンク４００のタンク出口４０４は、システム出口４４４として機能し得る。３つのタンク４００のみが、明確にするため、および説明しやすくするために、図６に示されているが、本開示はそのように制限されず、任意の数のタンク４００が、特定の適用に応じて圧力容器４４０内部に位置付けられ得る。
【００３４】
動作中、タンク４００は、液体（例えば推進薬）を少なくとも部分的に充填されてよく、圧力容器４４０の内部容積は、液体がシステム出口４４４を通って除去される際にタンク４００を埋め戻すためにガス（例えば、窒素、ヘリウム、貯蔵された液体に対する他の不活性ガス、および／または貯蔵された液体から蒸発した蒸気）で加圧され得る。液体貯蔵システム４０１は、いわゆる「ブローダウン」システムであってよく、このシステムでは、圧力容器４４０からタンク４００に提供された圧力は、液体がタンク４００から抜き取られる際に低下する。液体がシステム出口４４４を通って液体貯蔵システム４０１から抜き取られると、圧力容器４４０内部からの加圧ガスがタンク４００を埋め戻し、タンク４００および圧力容器４４０内部の圧力レベルが低下する。タンク４００が液体で実質的に満たされている場合に圧力容器４４０に提供される初期圧力レベルは、少なくとも一部では、タンク４００と、そのタンク４００を取り囲む圧力容器４４０と、の相対容積に基づいて選択され得る。初期圧力レベルは、システム出口４４４を通じてタンク４００から液体を実質的に完全に押し出すために圧力容器４４０およびタンク４００内部に十分な最終圧力レベルを生じるように選択され得る。限定ではなく、一例として、タンク４００およびコネクタパイプ４３４の内部容積は、圧力容器４４０の総内部容積の約３／４であってよい。所定の初期圧力レベルは、約８００ｐｓｉ（約５，５１６ｋＰａ）となるように選択され得る。このような例では、圧力容器４４０およびタンク４００内部の最終圧力レベル（すなわち、タンク４００内の液体の最終部分がシステム出口４４４を通って実質的に完全に抜き取られるときの）は、例えば、最初に圧力容器４４０内部にある加圧ガスがタンク４００を埋め戻すために膨張した結果として、約２００ｐｓｉ（約１，３７９ｋＰａ）であってよい。
【００３５】
液体貯蔵システム５０１の実施形態の断面側面図を図７に示す。液体貯蔵システム５０１は、前述した液体貯蔵システム１０１、２０１、３０１、４０１のうちのいずれかと同様であってよく、タンク入口５０２と、タンク出口５０４と、連続して互いに連結され、それぞれのエンドプレート５０８および関連付けられた多孔性要素５１０によって分離された複数の液体貯蔵区画５０６と、を含む、少なくとも１つの液体貯蔵タンク５００を含む。液体貯蔵システム５０１は、それぞれの区画５０６と関連付けられた温度センサ５５２および少なくとも１つの熱源５５４を含む液面計測システム５５０をさらに含み得る。温度センサ５５２は、例えば、サーミスタまたは熱電対であってよい。温度センサ５５２は、タンク５００の共通する側（例えば、図７の視点から見て右側）に沿ってそれぞれの区画５０６内部に位置付けられ得る。少なくとも１つの熱源５５４は、例えば、タンク５００の、温度センサ５５２とは反対側で、タンク５００の外部または内部に沿って位置付けられたストリップヒータまたは細長い熱流板であってよい。
【００３６】
動作中、タンク５００内部の液面を測定することが望ましい場合、液面計測システム５５０は、熱を発生するように熱源５５４を起動させることによって機能することができ、温度センサ５５２は、熱源５５４から発生した熱に対する熱応答を測定することができる。実例として、部分的に満たされた区画５０６Ａが、いくらかの液体５２２を含み得る。部分的に満たされた区画５０６Ａから上流の区画５０６は、ガスを実質的に完全に充填されていてよく、また、その中に液体が実質的になくてよい。部分的に満たされた区画５０６Ａから下流の区画５０６は、液体を実質的に完全に充填されていてよい。熱応答は、異なる熱伝達率により、ガスを実質的に完全に充填された区画５０６と、液体で部分的に満たされた区画５０６と、実質的に完全に充填された区画５０６とでは異なる。区画５０６それぞれの内部の異なる質量は、熱源５５４を起動させた際に温度センサ５５２で温度変化を観察することにより測定可能である、その熱伝達率に影響を及ぼし得る。例えば、ガスを実質的に完全に充填された区画５０６内の温度センサ５５２は、その相対的に最高の熱伝達率により、熱源５５４の起動後、相対的に最も速い温度上昇を経験し得る。液体を実質的に完全に充填された区画５０６内の温度センサ５５２は、その相対的に最低の熱伝達率により、熱源５５４の起動後、相対的に最も遅い温度上昇を経験し得る。部分的に満たされた区画５０６Ａ内の温度センサ５５２は、その中間的な熱伝達率により、熱源５５４の起動後、中間的な温度上昇を経験し得る。
【００３７】
このように、タンク５００内部の液面は、区画５０６のうちの１つの少なくともおおよその容積の精度で測定され得る。いくつかの実施形態では、測定の精度は、部分的に満たされた区画５０６Ａの熱応答を、残りの区画５０６の熱応答と比較することによって、向上させることができる。例えば、部分的に満たされた区画５０６Ａの熱応答が、液体で実質的に満たされた区画５０６の熱応答に相対的に近い場合、部分的に満たされた区画５０６Ａ内部の液体の容積は、液体で半分超が満たされていると推定され得る。同様に、部分的に満たされた区画５０６Ａの熱応答が、ガスで実質的に満たされた区画５０６の熱応答に相対的に近い場合、部分的に満たされた区画５０６Ａ内部の液体の容積は、液体で半分足らずが満たされていると推定され得る。測定の精度のさらなる向上は、既知の比率の液体とガスが区画５０６内部にある場合に区画５０６のそれぞれの熱応答を測定することなどによって、区画５０６の熱応答を較正することによって得られる。
【００３８】
前述し、添付図面に例示した本開示の実施形態は、これらの実施形態が本開示の実施形態の単なる例にすぎないので、本発明の範囲を制限するものではない。本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的等価物によって包含される。任意の等価な実施形態が、本開示の範囲内に存在する。実際、説明した要素の他の組み合わせおよび改変など、本明細書において図示および説明したものに加え、本開示のさまざまな改変が、説明から当業者には明らかとなるであろう。このような実施形態、組み合わせ、および改変も、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的等価物の範囲内に含まれる。
【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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【国際調査報告】
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