(57)【要約】【課題】スラスタの噴射器が触媒層に与える作動負荷と、推薬の分解熱が推薬に与える熱負荷を低減する。【解決手段】噴射管１１を通して推薬を燃焼室３内に噴射し、触媒反応により発生する分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、噴射管１１の先端に噴射管フィルタ１３を備える。燃焼室３内に推薬を分解させる触媒粒９を保持するための上流側フィルタ７を有し、上流側フィルタ７が噴射管フィルタ１３と接触する位置に設けられる。上流側フィルタ７の一部に下流側に向けた凸形が形成され、噴射管フィルタ１３をその凸部に接触させる。噴射管フィルタ１３及び上流側フィルタ７の少なくとも一方に金網が用いられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射管を通して推薬を燃焼室内に噴射し、触媒反応により発生する分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、前記噴射管の先端に噴射管フィルタを備えることを特徴とするスラスタ。
【請求項２】
前記燃焼室内に前記推薬を分解させる触媒粒を保持するための上流側フィルタを有し、該上流側フィルタが前記噴射管フィルタと接触する位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のスラスタ。
【請求項３】
前記上流側フィルタの一部に下流側に向けた凸形が形成され、前記噴射管フィルタを該凸部に接触させることを特徴とする請求項２に記載のスラスタ。
【請求項４】
前記噴射管フィルタ及び前記上流側フィルタの少なくとも一方に金網が用いられることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスラスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、推薬の触媒反応により発生する分解ガスの噴出を利用して推力を発生させるスラスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、宇宙空間での人工衛星の姿勢制御を行う場合に使用されるスラスタとして触媒分解式１液式ヒドラジンスラスタが提案されている。このスラスタは、ヒドラジン等の推薬を噴射させる噴射器と、噴射器から噴射された推薬を分解して分解ガスを発生させる燃焼室と、燃焼室で発生した分解ガスを噴出させるノズルとからなる。このようなスラスタにおける噴射器には、例えば非特許文献１に記載されているように、ヘッドスペース型と噴射器挿入型などが存在する。
【０００３】
ヘッドスペース型とは、噴射器から１本の噴射管が燃焼室の上流側に連結され、燃焼室の上流側の壁に一つの噴射口が設けられる構造となっている。噴射口周辺には、噴射口から噴射された推薬が充満するヘッドスペースと呼ばれる空間が設けられおり、推薬はこのヘッドスペースを通過して触媒層に達する構造となっている。また、噴射器挿入型とは、噴射器から複数の噴射管が燃焼室の上流側の壁を貫通して内部にまで挿入され、燃焼室には触媒粒が隙間なく充填される構造となっている。そのため、複数の噴射管が触媒層中に埋もれる状態となっている。
【０００４】
【非特許文献１】
サクヘム（Ｒ．Ｌ．ＳＡＣＫＨＥＩＭ）著、「標準化された一液式推薬ロケットエンジン設計概念の発展（ＥＶＯＬＵＴＩＯＮ  ＯＦ  Ａ  ＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＥＤ  ＭＯＮＯＰＲＰＰＥＬＬＡＮＴ  ＲＯＣＫＥＴ  ＥＮＧＩＮＥ  ＤＥＳＩＧＮ  ＣＯＮＣＥＰＴ）」、（米国）、米国航空宇宙学会／自動車技術者協会  第１０回推進会議（ＡＩＡＡ［Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ］  ／  ＳＡＥ［Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ］  １０ｔｈ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、１９７４年１０月、ＡＩＡＡ  Ｐａｐｅｒ  Ｎｏ．７４−１１３３、ｐ．５−６、Ｆｉｇ５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のスラスタでは、触媒層に与える作動負荷が大きいためにスラスタの寿命が低下する、あるいは推薬の分解熱が噴射器内の推薬に与える熱負荷が大きいためにスラスタの信頼性が低下するという問題点があった。すなわち、ヘッドスペース型では、燃焼室の噴射口付近にヘッドスペースが設けられているため、噴射口から噴射された推薬の流速が減速されずにそのままヘッドスペースを通り抜けて触媒粒に衝突する場合やヘッドスペースに溜まった推薬がまとめて触媒層に投入される場合など、作動負荷が大きくなることにより触媒粒が激しく損失して、スラスタの寿命が短くなるという問題点があった。また、噴射器挿入型では、触媒層で発生する推薬の分解熱が噴射管を通して噴射器に伝わりやすいため、噴射器内の推薬の気化が進んで触媒反応が不十分となり、スラスタの動作が不安定になる。一方、これを防止するには複雑な熱対策を施す必要があり、製造コストの点で不利であるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記のような実情に鑑みて、触媒粒に与える作動負荷を低減して触媒層の損失を低く抑えてスラスタの長寿命化を図ることを目的とし、また、推薬に与える熱負荷を低減して、スラスタの信頼性を高めるとともに製造コストを低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスラスタでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１の発明では、噴射管を通して推薬を燃焼室内に噴射し、触媒反応により発生する分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、噴射管の先端に噴射管フィルタを備えるようにした。この発明により、噴射管から推薬が噴射される際に、噴射管フィルタが障害となり推薬の流速を減速させので、触媒層への推薬の流入が緩やかになり、推薬が急に投入されて激しく触媒反応（分解反応）が生じるのを抑え、触媒粒の損失を抑えることができる。
【０００８】
請求項２の発明では、燃焼室内に推薬を分解させる触媒粒を保持するための上流側フィルタを有し、上流側フィルタが噴射管フィルタと接触する位置に設けるようにする。この発明により、触媒層と噴射管との接続が上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触部分のみとなるので触媒層で発生した分解熱が上流側フィルタと噴射管フィルタを介して噴射管に伝達されるようになり、噴射器への熱伝達を抑制した状態となる。また、噴射管フィルタと上流側フィルタとが接触するので、推薬が噴射管から直接触媒層に流入するようになり、触媒層より上流に形成されるヘッドスペースに推薬が留まることを防止できる。
【０００９】
請求項３の発明では、上流側フィルタの一部に下流側に向けた凸形が形成され、噴射管フィルタをその凸部に接触させるようにする。この発明により、上流側フィルタの凸部を通して推薬が触媒層の奥に流入しやすくなり、推薬が触媒層全体に速く拡がることにより触媒反応を良好にすることができる。また、上流側フィルタの凸形が回復しようとする力により、上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触を良好に維持することができる。
【００１０】
請求項４の発明では、噴射管フィルタ及び上流側フィルタの少なくとも一方に金網が用いられるようにする。この発明により、上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触がいわゆる点接触となり、両者間の接触面積を更に小さくすることができ、分解熱が噴射管を通して噴射器に伝熱しづらい状態にすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態を示す図であって、符号１はスラスタ本体である。スラスタ本体１は、無色透明液体のヒドラジン等の推薬を噴射させる円筒形の噴射器２と、噴射器２の下流側に固着されて噴射器２から噴射された推薬を分解して高温高圧の分解ガスを発生させる円筒形の燃焼室３と、燃焼室３の下流側に固着されて燃焼室３で発生した分解ガスを加速して外部に噴出させるノズル４とからなる。
【００１２】
燃焼室３は、上流側から、ヘッドスペース５と推薬を分解して分解ガスを発生させるための触媒粒９を充填させた触媒層６と、発生した分解ガスをノズル４から噴出させる前に一時的に充満させるチャンバ１０とからなる。触媒層６は、上流側から、上流側フィルタ７と下流側フィルタ８とを備え、上流側フィルタ７と下流側フィルタ８により仕切られた空間に触媒粒９を充填するようにしてある。触媒粒９には、アルミナ等の金属の表面にイリジウム金属を付着させた０．５〜０．７ｍｍ径程度の粒状のものが用いられる。
【００１３】
上流側フィルタ７及び下流側フィルタ８は、ともに耐熱性を備え、その周縁が燃焼室３の壁面に固着される。上流側フィルタ７は、それ自身が柔軟に伸縮可能な金網からなり、触媒粒９は通過不能であるようになっている。特に、４０メッシュ／インチ程度の金網が適している。そして、下流側フィルタ８は、触媒粒９は通過不能であるが、触媒粒９が砕けた微粉は通過可能であるような複数の空孔等を持つ多孔質部材の他に、金網やパンチプレス等が用いられる。
【００１４】
図２は、上流側フィルタ７部分を含む本発明の要部を拡大した断面図である。噴射器２から推薬を噴射する１本の噴射管１１が燃焼室３の内部にまで挿入されており、その先端の噴射口１２を覆うように噴射管フィルタ１３が設けられる。噴射管フィルタ１３は、上流側フィルタ７よりも目の細かい網目を持つ金網が用いられ、特に、８０から１２０メッシュ／インチ程度の金網が適している。ここで、上流側フィルタ７よりも噴射管フィルタ１３の網目を細かくするのは、噴射管フィルタ１３の網目の程度により推薬の流速を任意に設定できるようにするためであり、また、粉砕した触媒粒９の微粉が噴射管１１内に入り込んで詰まってしまわないようにするためである。
【００１５】
また、噴射管１１は上流側フィルタ７の周縁よりも下流側まで挿入されているので、噴射管１１が上流側フィルタ７を下流側に凸形となるように押し付ける状態となっている。そして、上流側フィルタ７は、その略中心部分を押し付けられるため略椀形に変形するとともに、その変形を回復しようとする力により、噴射管フィルタ１３との接触を確実に維持するようになっている。なお、上流側フィルタ７には、予め下流側に向けて凸形に成形されたものを用いてもよい。
【００１６】
次に、このスラスタの動作を説明すると、前記噴射器２から推薬が間欠的に燃焼室３に噴射され、触媒層６に流入し、触媒粒９と接触して触媒反応により高温高圧の分解ガスに分解される。触媒反応により発生した分解ガスは、下流側フィルタ８を通り抜け、チャンバ１０を通ってノズル４から外部へ噴出される。この噴出により生じる反力として所望の推力が得られる。
【００１７】
ここで、推薬が噴射器２から噴射管１１を通して燃焼室３に噴射されるが、図２に示すように噴射管１１の先端には噴射管フィルタ１３が噴射口１２を覆うように設けられているので、推薬はこの金網が障害となって流速が減速する。特に、噴射管フィルタ１３に目の細かい金網を用いているので、簡単な構造で確実に推薬の流速を減速させることができる。これにより、噴射口１２から噴射された推薬の流速が減速されずに触媒粒９に衝突して触媒粒９が損失することが無くなり、触媒粒９に与える作動負荷を小さく抑えることができる。
【００１８】
また、噴射管フィルタ１３と上流側フィルタ７とが接触していることにより、推薬はヘッドスペース５を通過することなく、噴射管１１から触媒層６に直接流入される。これにより、ヘッドスペース５に溜まった推薬がまとめて触媒層６に投入されて激しい触媒反応を起こして触媒粒９が損失することが抑制され、触媒粒９に与える作動負荷を小さく抑えることができる。
【００１９】
そして、上流側フィルタ７の一部分が下流側に凸形になっているため、噴射管１１と触媒層６の奥との距離が接近して、推薬が触媒層６の全体に拡がりやすくなる。特に、上流側フィルタ７の略中心部分を凸形に形成することで、推薬の触媒反応が活発な触媒層６の略中心部分に推薬が流入しやすくなる。これにより、推薬が触媒層６を効率よく拡がることとなり、推薬の触媒反応が良好に行われるようになる。
【００２０】
一方、触媒層６では推薬の触媒反応により分解熱が発生するが、この分解熱は触媒層６から上流側フィルタ７を伝わり、噴射管フィルタ１３及び噴射管１１を通して噴射器２へと伝熱される。しかし、上流側フィルタ７及び噴射管フィルタ１３を介して噴射管１１へ熱が伝達されるので、上流側フィルタ７及び噴射管フィルタ１３の分だけ触媒層６から噴射器２への伝熱が抑えられる。特に、噴射フィルタ１３と上流側フィルタ７に金網を用いた場合には、噴射管フィルタ１３と上流側フィルタ７との接触が非常に僅かな、いわゆる点接触となるので熱が非常に伝わりづらくなる。すなわち、金網には網目に起因する複数の凸部があり、その複数の凸部のみが相手側と接触するので、パンチプレスを用いた場合に比べて接触面積が小さくなり、伝熱しづらい状態となる。
【００２１】
また、噴射管１１が上流側フィルタ７を下流側に押し付けて凸形に変形させているので、例えば触媒粒９が損失して触媒層６に空隙が発生した場合でも、上流側フィルタ７がその変形を回復しようとする力により、上流側フィルタ７と噴射管フィルタ１３との接触が良好に維持される。
【００２２】
図３および図４は、噴射管の他の形態を示す概略図である。図３に示すように、複数の噴射管２１に対して噴射管フィルタ２２が噴射管２１毎に設けられる。噴射管２１毎に異なる網目の噴射管フィルタ２２を用いることにより、噴射管毎に推薬の流速を調整可能としている。また、図４に示すように、複数の噴射管２３に対して一つの噴射管フィルタ２４を設けることにより、全ての噴射管２３からの推薬の流速を同一にしている。
【００２３】
図５は、上流側フィルタの他の形態を示す概念図である。上流側フィルタ２５には、複数の凸部２６が存在し、その複数の凸部２６に対応するように複数の噴射管２７が配置され、それぞれの噴射管２７に設けられた噴射管フィルタ２８と上流側フィルタ２５とが接触するものである。
【００２４】
また、上流側フィルタ７及び噴射管フィルタ１３は、その全体が金網で構成される場合に限られず、接触する部分のみを金網とすることも可能である。そして、図２に示すように上流側フィルタ７の全体が凸形に形成させる場合に限らず、噴射管フィルタが接触する付近のみを凸形に形成する場合も可能である。更に、噴射管フィルタ１３が上流側フィルタ７の凸部以外の部分と接触する場合や噴射管フィルタ１３と上流側フィルタ７とが接触しない場合も可能である。
【００２５】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１に係る発明によれば、噴射管を通して推薬を燃焼室内に噴射し、触媒反応により発生する分解ガスを外部に噴出して推力を得るスラスタにおいて、噴射管の先端に噴射管フィルタを備えるようにした。そのため、噴射管フィルタが障害となって推薬の流速を減速させるので、触媒層への推薬の流入が緩やかになり、推薬が急に投入されて激しく触媒反応が生じるのを抑えることができる。これにより、触媒層に与える作動負荷が低減されて触媒粒の損失が抑えられるのでスラスタの寿命を延ばすことができる。
【００２６】
請求項２に係る発明によれば、燃焼室内に推薬を分解させる触媒粒を保持するための上流側フィルタを有し、その上流側フィルタが噴射管フィルタと接触する位置に設けられるようにした。そのため、触媒層と噴射器との接続が上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触部分のみとなるので触媒層で発生した分解熱が上流側フィルタと噴射管フィルタを介して噴射管に伝達されるようになり、噴射器への熱伝達を抑制した状態とすることができる。これにより、分解熱が噴射器内の推薬に与える熱負荷が低減され、噴射器内の推薬の気化が抑制されるのでスラスタの動作が安定して信頼性が高まり、また、複雑な熱対策を施す必要が無くなるので製造コストを抑えることができる。
【００２７】
更に、噴射管フィルタと上流側フィルタとが接触するので、推薬が噴射管から直接触媒層に流入するようになり、触媒層より上流に形成されるヘッドスペースに推薬が留まることを防止でき、ヘッドスペースに溜まった推薬がまとめて触媒層に投入されることにより激しく触媒反応が生じることが抑制される。これにより、触媒層に与える作動負荷が低減されて触媒粒の損失が抑えられるのでスラスタの寿命を更に延ばすことができる。
【００２８】
請求項３に係る発明によれば、上流側フィルタの一部に下流側に向けた凸形が形成され、噴射管フィルタをその凸部に接触させるようにした。そのため、上流側フィルタの凸部を通して推薬が触媒層の奥に流入しやすくなり、推薬が触媒層全体に速く拡がることにより触媒反応を良好にすることができる。また、例えば触媒粒が損失して触媒層内に空隙が発生した場合でも、上流側フィルタの凸形が回復する力により、容易に上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触を維持することができる。これにより、スラスタの能力を向上することができ、また、その性能を長期間維持することができる。
【００２９】
請求項４に係る発明によれば、噴射管フィルタ及び上流側フィルタの少なくとも一方に金網が用いられるようにした。そのため、上流側フィルタと噴射管フィルタとの接触がいわゆる点接触となるので両者間の接触面積を更に小さくすることができ、分解熱が噴射管を通して噴射器に伝熱しづらい状態にすることができる。これにより、分解熱が噴射器内の推薬に与える熱負荷が低減され、噴射器内の推薬の気化が抑制されるのでスラスタの動作が更に安定して信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスラスタの概略構成を示す側断面図である。
【図２】図１における上流側フィルタ部分の拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスラスタの上流側フィルタ部分を示す概念図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスラスタの噴射管を示す概念図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るスラスタの噴射管を示す概念図である。
【符号の説明】
１  スラスタ本体
２  噴射器
３  燃焼室
４  ノズル
５  ヘッドスペース
６  触媒層
７  上流側フィルタ、
８  下流側フィルタ
９  触媒粒
１０  チャンバ
１１  噴射管
１２  噴射口１２
１３  噴射管フィルタ
２１  噴射管
２２  噴射管フィルタ
２３  噴射管
２４  噴射管フィルタ
２５  上流側フィルタ
２６  凸部
２７  噴射管
２８  噴射管フィルタ
【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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