(57)【要約】  ロケットエンジンの液体酸素タンクを加圧するための装置。ロケットエンジン（１０）に酸化剤を供給するために使用される液体酸素（２０）をタンク（１８）に充填した後であるがしかしエンジン（１０）を運転する前に、タンクは、タンク内に気体窒素（Ｎ）を注入することにより加圧される。エンジン（１０）が運転されている間に、液体酸素（２０）は、取り出され、取り出された酸素が加熱されて気体酸素が得られ、気体酸素がタンクのガスブランケット（４２）内に注入されており、その際予圧窒素は、ガスブランケット内に注入された気体酸素タンク内に存在する液体酸素の間に窒素緩衝部（４０）を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロケットエンジン（１０）に酸化剤を供給するための液体酸素タンク（１８）を加圧する方法であって、
前記液体酸素タンク（１８）に液体酸素（２０）を充填した後であるがしかし前記ロケットエンジン（１０）が運転される前に、予圧気体窒素が、ガスブランケット（４０）を形成するために、前記液体酸素タンク内に注入されている、方法において、
液体窒素層（４０Ａ）は、前記ガスブランケット内の前記予圧気体窒素の分圧をその飽和蒸気圧力よりも大きくすることにより、前記液体酸素（２０）の表面に形成される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記予圧気体窒素の前記分圧は、前記液体酸素タンク（１８）の総予圧圧力に作用することにより、その飽和蒸気圧力よりも大きくされる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予圧気体窒素は、−１２３．１５℃（１５０Ｋ）〜７６．８５℃（３５０Ｋ）の範囲内にある温度において注入される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ロケットエンジン（１０）が運転されている間に、液体酸素（２０）が取り出され、前記取り出された酸素は、加熱されて（３８）、気体酸素を得ており、更に前記気体酸素は、前記ガスブランケット（４２）内に注入されており、
前記予圧気体窒素は、前記液体酸素タンク内に存在する前記液体酸素（２０）と前記ガスブランケット内に注入される前記気体酸素（４２）との間において窒素緩衝部（４０、４０Ａ、４０Ｂ）を形成する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記窒素緩衝部（４０）は、前記液体酸素（２０）に接触する液体窒素層（４０Ａ）と、前記液体窒素層の上の気体窒素（４０Ｂ）と、を具備することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
気体酸素（４２）を前記液体酸素タンクの前記ガスブランケット内に注入することにより、前記窒素緩衝部（４０）内の窒素の分圧を低下させて前記液体窒素層（４０Ａ）の窒素を蒸発させる、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロケットエンジンに酸化剤を供給するための液体酸素タンクを加圧する方法に関する。
【０００２】
エンジンを運転するために、酸素は、酸化剤として作用する推進剤であり、水素又はメタン等の燃料として作用する、別の推進剤もまた、別のタンクからエンジンに供給するために使用される。
【０００３】
推進剤は、タンク内に液体状態で貯蔵されており、タンクは、推進剤がエンジンに定常状態で流れることを確保するために、圧力下に保持される。
【０００４】
本発明は、液体酸素タンクを加圧することに関する。
【背景技術】
【０００５】
このタンクを加圧するために、専用の補助タンク内に気体又は液体の形態で貯蔵される、ヘリウム等の不活性気体をタンク内に注入することが知られる。この目的のために、ガス（気体）ブランケットをタンクに形成するために、ヘリウムが、気体形態でタンクの頂部分に注入される。その技術は、打ち上げのためにエンジンを始動する前に、タンクの予圧の間に使用される。その技術はまた、飛行中に使用可能であり、そのことはその場合、機内の補助タンクを必要とする。
【０００６】
気体酸素でタンクを加圧することもまた知られている。この目的のために、液体酸素は、タンクから又はタンクから下流、例えばエンジン又はその供給ポンプから取り出されており、更に取り出された酸素は、気化するために適切な手段により加熱されており、その結果として、気体酸素がその後、そのガスブランケットに供給するためにタンクの頂部分に注入される。その技術は、技術が機内に専用の補助タンクの任意の必要性を回避するので、特に飛行の段階において使用される。
【０００７】
慣例として、本明細書において、「予圧」という用語は、エンジンの始動及び打ち上げ前に実施される、タンクを加圧する初期段階について使用される一方で、「加圧」という用語は、飛行中及びエンジン運転中にタンク内の圧力の加圧及び維持の段階について使用される。
【０００８】
上記の２つの技術は、エンジンの始動及びロケットの打ち上げ前に使用される、ヘリウムガス予圧と、飛行中に使用される気体酸素加圧と、にしばしば組み合わされる。
【０００９】
従って、飛行中に、タンクは、その底部分において液体酸素と、ヘリウム及び気体酸素の両方を具備する、ガスブランケットと、を含む。例えば、液体酸素は、−１８２．５℃（９０．５Ｋ）の温度であり、その一方で気体ヘリウムとタンクの上部に注入された気体酸素は当初、約２６．８５℃（３００Ｋ）の温度である。もし気体ヘリウムが、液体酸素の温度に近い温度に達するように、液体酸素と接触して冷却されたとしても、その密度は、加圧のために使用される気体酸素の密度に比べてより低いままである。従って、気体ヘリウムは、気体酸素が液体酸素と接触するように、ガスブランケット内でタンクの頂部に向かって上昇する傾向がある。結果として、気体／液体境界面は、液体酸素と気体酸素との間の境界面である。この境界面で起こる熱交換は、気体酸素の温度を低下させる効果を有し、それによりその密度を増大させる。結果として、タンクのブランケット内の気体酸素の質量が増加し、それによりタンクの総質量を増加させる。更に、これらの熱交換は、液体酸素の加熱をもたらし、推進の終わりに向かって、液体酸素は、エンジン及び、特にはその供給ポンプにとって受け入れられない、温度に達してもよいかもしれない。
【００１０】
要約すると、エンジンを運転する前に予圧気体としてヘリウムを使用することは、気体ヘリウムが軽量である限り有利であるが、しかし、ヘリウムは、エンジンが運転されている間に使用される、加圧気体に対して有効である、気体／液体境界面の緩衝部を形成することを可能にしない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の欠点を克服すること、あるいは少なくともそれら（欠点）を弱めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、タンクに液体酸素が充填された後であるがしかしエンジンが運転される前に、不活性予圧気体が注入されてタンク内にガスブランケットを形成する状態に関する。本発明によれば、不活性気体は窒素である。
【００１３】
窒素は、酸素に対して化学的に不活性な気体であり、即ち、窒素が酸素と接触する時に、化学反応は生じない。更に、液体酸素と接触する際に冷却される、窒素が、液体酸素温度（例えば、約−１４３．１５℃（１３０Ｋ））よりも高い温度で安定化するにも係わらず、酸素の分圧に対して高い分圧に関して、気体酸素がその注入温度（例えば、約２６．８５℃（３００Ｋ））にあるか又はガスブランケット内の安定した温度（例えば、約−１４３．１５℃（１３０Ｋ））にあるかにかかわらず、窒素の密度は、気体酸素の密度よりも大きい状態に留まる。
【００１４】
従って、タンクを予圧するために使用される窒素は、液体酸素の表面において緩衝部を形成しており、以下に説明するように、エンジンが運転されている段階の間において、気体が気体酸素である場合でさえも、緩衝部は、タンクを加圧するために使用される気体から、液体酸素を分離するように作用する。
【００１５】
選択可能に、気体窒素の単相の層は、液体酸素の表面に形成される。
【００１６】
選択可能に、液体窒素の層は、ガスブランケット内の窒素の分圧をその飽和蒸気圧よりも高くすることにより、液体酸素の表面に形成される。
【００１７】
その様な状況下において、液体酸素の表面に形成された窒素緩衝部は、窒素緩衝部が液体酸素と接触する液体窒素の層と、その層の上に、エンジンの運転中に加圧のために使用される気体とそれ自体が接触する、気体窒素の層と、を具備するので、二相緩衝部である。
【００１８】
特に、窒素の分圧は、タンクの総予圧圧力に作用することによりその飽和蒸気圧よりも高くされる。
【００１９】
従って、タンク内に存在する液体酸素の表面に液体窒素の層を作り、更にこの層の厚さを管理することが可能である。
【００２０】
例えば、予圧気体窒素は、−１２３．１５℃（１５０Ｋ）〜７６．８５℃（３５０Ｋ）の範囲にある温度で注入される。
【００２１】
一実施の形態において、エンジンが運転されている間に、液体酸素が取り出され、取り出された酸素が、加熱されて気体酸素が得られ、更に気体酸素は、ガスブランケット内に注入され、予圧窒素は、タンク内に存在する液体酸素とガスブランケット内に注入された気体酸素との間に窒素緩衝部を形成する。
【００２２】
従って、エンジンが運転されている間にタンクを加圧するために、タンク内に存在する酸素は、液体の形態で取り出されること及びその後、酸素を注入する前に酸素を気化することにより使用される。これにより、加圧気体を含む補助タンクを使用する任意の必要性を回避することが可能になる。上述したように、この方法において、気体窒素の密度は、気体酸素の密度よりも大きい状態に留まるので、窒素緩衝部が有効な状態に留まっており、タンクのブランケット内に存在する気体酸素が、タンクの底部分内に存在する液体酸素に接触することを回避する。これは、タンクのブランケット内に存在する気体酸素とタンクの底部に存在する液体酸素との間の多量の熱交換を回避することを可能にする。第一に、これは、タンクのブランケット内の密度及び従って気体酸素の質量を増加させることを回避することを可能にし、更に第二に、それは、エンジン、特にはその供給ポンプ、にとって許容可能な限界を超えて液体酸素を加熱することを回避することを可能にする。
【００２３】
選択可能に、窒素緩衝部は、液体酸素と接触する液体窒素の層と、液体窒素の層の上の気体窒素と、を具備する。
【００２４】
選択可能に、気体酸素をタンクのブランケット内に注入することにより、窒素緩衝部内の窒素の分圧が、低下させられて、液体窒素層の窒素を蒸発させる。これを行う場合に、窒素が緩衝部として作用し続けるように、飽和窒素蒸気の密度が気体酸素の密度よりも大きいことを確保することが好ましい。
【００２５】
従って、エンジンが運転されている間に、ガスブランケットは、第一に、注入された気体酸素が供給され、第二に液体窒素の層から来る蒸発した窒素が供給される。この液体窒素の蒸発作用は、液体酸素と窒素との間の境界面における低温、例えば約−１８２．５℃（９０．５Ｋ）の温度を維持することに寄与するので、従って、エンジン及び／又はその供給ポンプの適正な運転に有害であり得る、液体酸素の加熱を回避する。
【００２６】
本発明は、非限定的な例により与えられる、実施の形態の以下の詳細な説明を読むことにおいて、良好に理解可能であり、更にその利点は、より明確に明らかになる。
【００２７】
説明は、添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、タンクが予圧される間における、液体酸素タンクを含む推進アセンブリの一部を示す図である。
【図２】図２は、エンジンが運転されている段階においてタンクが加圧されている間における、図１と同じ推進アセンブリの部分を示す。
【図３】図３は、変形例において、エンジンが運転される段階における加圧時の酸素タンクの内容を示す拡大部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１及び２に部分的に示される、推進アセンブリ（組立体）は、燃焼室１２を有するロケットエンジン１０と、拡散部分を含むノズル１４と、を具備する。燃焼室は、燃料として使用される第１の推進剤、特には水素又はメタン等の還元性推進剤、を含有していて且つ部分的に示される、第１のタンク１６から、推進剤を供給されており、更に燃焼室はまた、燃焼のための酸化剤として作用する、第２の推進剤を酸素が構成する、第２のタンク１８から酸素を供給される。
【００３０】
その底部分に位置する、液体酸素２０を含む、第２のタンク１８に特に注目する。タンクの底部は、供給管２２を介して、エンジン１０に供給するために使用されるポンプ２４、特にはターボポンプに接続する。開閉（オン／オフ）弁２６が、タンク１８とポンプ２４との間に配置される。タンク１６から第１の推進剤をエンジン１０に供給するために、図１に示す装置はまた、別の必要な構成要素（図示せず）に関連して、ポンプ２８と、開閉弁２７とを有する。
【００３１】
図１に示す装置はまた、原則的にロケットの機内に無い、補助タンク３０を有する。そのことは、このタンクが、ロケットが打ち上げられる前にタンク１を予圧する段階の状態を示す、図１にだけ示されていて、更に飛行中の加圧段階における状況を示す、図２に示されない、理由である。タンク３０は、供給管３３及び開閉弁３２を介してタンク１８の頂部分に接続する。タンク３０は、窒素を含む。
【００３２】
図１及び２に示す装置はまた、酸素を加熱して酸素を気体状態に変え更にその後タンク１８の頂部分に注入して更にそのガス（気体）ブランケット内に注入するために、タンクから液体酸素を取り出すための手段を有する。具体的には、これらの手段は、ポンプ２４と並列に接続された、取り出し管３６に配置された取り出し弁３４と、タンク１８の頂部分に接続された管３６内に配置されたヒーター（加熱器）３８と、を具備する。ヒーター３８は、任意の適切なタイプのものであってもよく、例えば、ヒーター３８は、抵抗要素、又は例えば、仏国特許出願第３００９５８７号に記載されるタイプの気体発生器の高温気体配管に設置されたヒーターである、任意の別のタイプの熱交換器を具備してもよい。液体酸素は必ずしもポンプから取り出されるとは限らない。液体酸素は、供給管２２の別の区域から取り出し可能であろう。液体酸素はまた、モータ駆動式ポンプ又は同等のもの等の任意の適切な手段を用いて、タンクに接続された、別の管を介して取り出し可能であろう。
【００３３】
図１において、開閉弁３２が開状態にあるので、タンクの頂部は、タンク３０から来る気体窒素を供給される。対照的に、取り出し弁２６、２７及び３４は、閉状態にあるので、タンク１６及び１８から来る推進剤は、動作していない、エンジンに供給されず、更に酸素は、ガスブランケットに供給するためのタンク１８の出口から取り出されない。これは、エンジンの始動及び打ち上げの直前に生じる状態である。タンク１８は、液体酸素２０により満たされており、このタンクは、液体酸素２０の上に窒素ガスブランケット４０を形成することにより圧力下に置かれる。タンク１８は従って、装置の構造に応じて、例えば２００ｋＰａ（２ｂａｒ）〜６００ｋＰａ（６ｂａｒ）の、数百ｋＰａ（数ｂａｒ）の圧力である。
【００３４】
図２は、窒素供給管３３と取り出し弁３２とタンク３０とを除いて、図１と同じ要素を示しているが、その理由は、これらの要素が、必ずしもロケットに搭載されていないからである。図２は、エンジン１０が運転されている、段階における状態を示す。この図において、エンジン１０の燃焼室１２は、タンク１６及び１８から推進剤を供給されており、取り出し弁２７及び２６は開であることが分かる。同様に、取り出し弁３４が、開いているので、液体酸素は、タンク１８の出口から取り出され、ヒーター３８で加熱され、更にタンク１８のガスブランケットに注入される。従って、タンク１８は、上向きに：液体酸素２０と、予圧から来る窒素層４０と、気体酸素４２のブランケットと、を含むことが分かる。
【００３５】
窒素層４０は、液体酸素２０と気体酸素４２との間に緩衝部を形成する。この緩衝部において、窒素は、気体状態で単独で存在してもよく、その場合において、緩衝部は単相気体緩衝部である。それにもかかわらず、更に図３に示すように、窒素層４０は、液体酸素２０と接触する液体窒素の底部層４０Ａと、気体酸素４２と接触する気体窒素の頂部層４０Ｂと、を具備してもよい。
【００３６】
図１に戻ると、離陸の前の数瞬間に、液体酸素タンク１８は、気体窒素を用いて予圧されることが分かる。この状態において、熱交換が、タンク１８内で行われ、潜在的に注入される可能性のある気体窒素は、液体酸素２０よりも高い温度である。例えば、気体窒素が約２６．８５℃（３００Ｋ）の温度で注入される一方で、液体酸素は、約−１８２．５℃（９０．５Ｋ）にある。従って、液体酸素と接触すると、予圧窒素は冷却されるが、しかし窒素とタンクのドーム（丸天井）、即ちタンクの壁の頂部分、との間における接触は、ドームを少しだけ加熱するように作用する。気体窒素４０の温度は従って、例えば、約−１４３．１５℃（１３０Ｋ）で安定する。気体窒素により供給される熱により、液体酸素の極一部分は、酸素／窒素境界面で気体となってもよいので、境界面３９は、気体窒素と気体酸素との混合物を有してもよく、その一方でタンクの頂部分は、気体窒素４０を含む。窒素が、境界面３９において約−１８２．５℃（９０．５Ｋ）の温度に冷却されたとしても、酸素の密度より低い密度を有する限り、液体又は気体状態のいずれであろうと、窒素は、液体酸素の上に留まり、気化された酸素の小部分とほんの少ししか混合しない。もしガスブランケット中の窒素の分圧が、検討中の温度における窒素の飽和蒸気圧（‐１８２．５℃（９０．５Ｋ）で窒素に対して３７７ｋＰａ（３．７７ｂａｒ））よりも低いままであるならば、その時窒素は気体状のままである。その様な温度及び圧力の条件（圧力が、例えば２００ｋＰａ（２ｂａｒ）〜６００ｋＰａ（６ｂａｒ）の範囲にある）下において、その密度は、１４７．１０Ｎ／ｍ3（１５キログラム／立方メートル（ｋｇ／ｍ3））より大きい値に達してもよい。
【００３７】
図２において、気体酸素は、タンクのガスブランケット内に注入される。ヒーター３８の効果の下で、気体酸素は例えば、約２６．８５℃（３００）Ｋの温度に達してもよく、その密度は、約２００ｋＰａ（２ｂａｒ）〜６００ｋＰａ（６ｂａｒ）の従来の加圧圧力に対して約２４．５２Ｎ／ｍ3（２．５ｋｇ／ｍ3）〜７５．５１Ｎ／ｍ3（７．７ｋｇ／ｍ3）であろう。従って、ガスブランケット内に注入される酸素の密度は、層４０内の窒素の密度よりも小さいので、気体酸素４２は、液体酸素を気体酸素から分離する、緩衝部を形成する、層４０の上に留まる。
【００３８】
上述したように、この緩衝部は、窒素層４０と液体酸素２０との間の境界面３９において厳密に発生する、僅かな量の液体酸素の蒸発を無視すると、単相気体緩衝部であってもよい。
【００３９】
上述したように、タンクの予圧圧力は、例えば、２００ｋＰａ（２ｂａｒ）〜６００ｋＰａ（６ｂａｒ）程度のものである。窒素の分圧を少し上げて窒素の分圧が窒素の分圧の飽和蒸気圧に達するか又は超えることが決定されてもよいので、窒素の一部分は液化する。タンク内に注入される窒素の温度を、例えば−７３．１５℃（２００Ｋ）又は更に−１２３．１５度（１５０Ｋ）の付近まで低下させて、その質量流量を増加させ且つその液化に有利にすることも可能である。それにもかかわらず、液体酸素２０の密度は、液体窒素の密度に比べて約１．５倍より大きいので、図３に示す液体窒素層４０Ａは、液体酸素の表面上に残る。液体窒素のこの層の上において、温度は、ガスブランケットの加熱により、特には高温、例えば約２６．８５℃（３００Ｋ）において気体酸素を注入することに起因して、タンクの頂部に向かって上向きで徐々に上昇するので、気体窒素の層４０Ｂは、液体窒素４０Ａの層の上に残る。従って、図３に示すように、液体酸素２０と管３６により注入された気体酸素との間に形成される窒素緩衝部は、液体底部層４０Ａと気体頂部層４０Ｂとを具備する、二相緩衝部である。液体窒素層４０Ａの厚さは、予圧段階の間に調整されてもよい。具体的には、窒素の分圧がその飽和蒸気圧力に達した瞬間から開始して、予圧の期間又は流量を増加させて窒素の分圧を上昇させる効果を有することが可能であり、それにより窒素液化に有利である。液体窒素の自由表面は、クライオポンプの低温壁のように振る舞い、それにより、液体窒素の自由表面に接触する気体窒素の液化に有利である。十分な厚さの液体窒素層が得られたと考えられる場合には、予圧を停止することで十分である。更に、予圧段階の間に、注入される窒素の温度を、例えば−７３．１５℃（２００Ｋ）又は更に−１２３．１５℃（１５０Ｋ）まで低下させることにより、液化窒素量を増加することは可能であるが、しかしそのことがないと、予圧段階の期間を長くする。
【００４０】
エンジンが運転されている間において、タンク１８は、上述したように、気体酸素を注入することにより加圧される。従来使用される温度及び圧力範囲において、気体酸素は、窒素が層４０Ａ又は４０Ｂにおいて液体窒素であるか又は気体窒素であるかに係わらず、窒素の密度よりも小さい密度を有する。従って、気体酸素は、生成された窒素緩衝部の上に残る。その結果として、ガスブランケット内の気体酸素は、液体酸素２０から十分に分離された状態に留まる。液体酸素２０が、エンジン運転の結果として消費される際に、ガスブランケット中の気体容積は増加する傾向があり、更に存在する窒素の量が一定のままである限り、窒素の分圧は減少する。従って、層４０Ａの液体窒素は、蒸発する傾向があり、それにより層４０Ｂの気体緩衝部を供給する。この蒸発作用は、層４０Ａの下に存在する液体酸素２０を加熱することを回避する傾向があり、従って、この酸素がエンジンの運転のための適正な温度において維持されることを可能にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2018508695.tif 000007
2018508695.tif 000008
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