(57)【要約】【課題】大きな固体燃料ペレットを用いなくとも、従来のスラスタよりも大きな推力を得ることができるスラスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態に係るスラスタ１は、宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタ１であって、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて構成される固体推進剤２と、固体推進剤２の側面２ａを被覆し、複数個の固体燃料ペレット２０を接着する接着剤３と、接着剤３で被覆された少なくとも１つの固体推進剤２を収容する容器５と、固体推進剤２の一端面２ｂを露出させつつ、固体推進剤２と容器５の内壁との間の空間を埋める樹脂４と、を備える。【選択図】図１
2016089654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタであって、
複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて構成される固体推進剤と、
前記固体推進剤の側面を被覆し、前記複数個の固体燃料ペレットを接着する接着剤と、
前記接着剤で被覆された少なくとも１つの前記固体推進剤を収容する容器と、
前記固体推進剤の一端面を露出させつつ、前記固体推進剤と前記容器の内壁との間の空間を埋める樹脂と、
を備えるスラスタ。
【請求項２】
前記固体推進剤は、ボロン及び硝酸カリウムを含む、
請求項１記載のスラスタ。
【請求項３】
前記樹脂は、エポキシ系樹脂である、
請求項１又は２に記載のスラスタ。
【請求項４】
前記接着剤は、エポキシ系接着剤である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスラスタ。
【請求項５】
前記接着剤は、互いに隣接する２つの前記固体燃料ペレットの間に介在しないように前記固体推進剤の側面を被覆する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスラスタ。
【請求項６】
前記容器は、前記接着剤で被覆された前記固体推進剤の束を収容し、各固体推進剤の前記一端面は同じ向きに露出している、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラスタ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のスラスタを備える、
宇宙用装置。
【請求項８】
宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタの製造方法であって、
複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて圧接する工程と、
前記圧接した状態で複数個の前記固体燃料ペレットにより構成される固体推進剤の側面に接着剤を塗布し、前記複数個の固体燃料ペレットを接着する工程と、
前記接着剤で被覆された少なくとも１つの前記固体推進剤を容器に収容する工程と、
前記固体推進剤の一端面を露出させつつ、前記固体推進剤と前記容器の内壁との間の空間を埋める樹脂を注入する工程と、
を備えるスラスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星として、１つの大型衛星に複数のミッションを搭載するのではなく、複数の超小型衛星にミッションを分割して配置することが行われている。複数衛星を利用したミッションや衛星を用いた宇宙環境試験には推進系が不可欠であるが、重量や容積、電力の厳しい制限が要求される超小型衛星において、姿勢制御・軌道制御用スラスタの開発に比べて、超小型衛星を能動的に動かす大推力スラスタの開発はあまり盛んではない。このため、超小型衛星に適合した大推力のマイクロスラスタの開発が大きな課題となっている。
【０００３】
マイクロスラスタに要求される性能はミッション内容によって大きく異なる。小型衛星の高精度な姿勢制御や高比推力が必要な場合には、イオンスラスタやホールスラスタ等の電気推進機が適しているが、短時間での軌道制御を行う場合には化学推進機が用いられることが多い。二液式推進系や一液式推進系は大きな比推力を持つが、推進剤供給機構が複雑であるため小型化するには高い技術力を要する。コールドガススラスタはシステムが簡素で信頼性が高いが、推進剤を排出するとタンク内圧力が減少するため、使用するに従い発生推力が小さくなる。一方で、固体推進剤を搭載したスラスタは、バルブや噴射機等の供給機構が不必要なため、小型化しやすく高い比推力を得ることが可能である。特許文献１，２には、固体推進剤を搭載したスラスタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１６２６４３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体推進剤は固体燃料ペレットとして市販されているが、市販で入手可能な固体燃料ペレットの大きさは限られている。固体燃料ペレットは、着火性能及び推進性能の観点からその密度が均一である必要があり、密度が均一かつ大きな固体燃料ペレットを製造することは容易ではない。よって、小さな固体燃料ペレットを利用して大推力スラスタを簡易に実現することが望まれる。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、大きな固体燃料ペレットを用いなくとも、従来のスラスタよりも大きな推力を得ることができるスラスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の所定の実施形態に係るスラスタは、宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタであって、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて構成される固体推進剤と、固体推進剤の側面を被覆し、複数個の固体燃料ペレットを接着する接着剤と、接着剤で被覆された少なくとも１つの固体推進剤を収容する容器と、固体推進剤の一端面を露出させつつ、固体推進剤と容器の内壁との間の空間を埋める樹脂と、を備える。
【０００８】
上記スラスタでは、固体推進剤の一端面が着火されると、固体推進剤の燃焼はその一端面から他端面へと進み、最終的に全ての固体推進剤が燃焼する。本発明では、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて固体推進剤を構成することにより、固体燃料ペレット自体のサイズを大きくしなくても、燃焼させる固体推進剤の量を増大することができ、大きな推力が得られる。また、固体推進剤の側面が接着剤により被覆されていることにより、燃焼ガスが途中で側面に漏れて、側面から燃焼が進み、燃焼面積が急激に拡大することが防止される。これにより、容器内の圧力が急拡大することが防止され、容器の破裂が防止される。
【０００９】
固体推進剤は、ボロン及び硝酸カリウムを含むことが好ましい。これにより、真空中において高い着火性能及び推進性能をもつ固体推進剤が得られる。
【００１０】
樹脂は、エポキシ系樹脂であることが好ましい。これにより、接着剤で被覆された固体推進剤の燃焼中に、エポキシ系樹脂の壁面が微量融けて（エロージョン）、排出質量が増加する。このため、エポキシ系樹脂を用いない場合に比べて、大きな推力が得られる。
【００１１】
接着剤は、エポキシ系接着剤であることが好ましい。エポキシ系接着剤の高い断熱性及び接着性により、燃焼ガスが固体推進剤の側面に漏れることが有効に防止される。
【００１２】
接着剤は、互いに隣接する２つの固体燃料ペレットの間に介在しないように固体推進剤の側面を被覆することが好ましい。これにより、隣接する２つの固体燃料ペレットの間に入り込んだ接着剤により、燃焼が停止することが防止される。
【００１３】
容器は、接着剤で被覆された固体推進剤の束を収容し、各固体推進剤の一端面は同じ向きに露出している。これにより、固体推進剤の断面積、すなわち燃焼面積が増大し、大きな推力が得られる。
【００１４】
また、本発明の所定の実施形態に係る宇宙用装置は、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて構成される固体推進剤を含むスラスタを備える。これにより、大きな推力の発生が可能な宇宙用装置を提供できる。
【００１５】
さらに、本発明の所定の実施形態に係るスラスタの製造方法は、宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタの製造方法であって、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて圧接する工程と、圧接した状態で複数個の固体燃料ペレットにより構成される固体推進剤の側面に接着剤を塗布し、複数個の固体燃料ペレットを接着する工程と、接着剤で被覆された少なくとも１つの固体推進剤を容器に収容する工程と、固体推進剤の一端面を露出させつつ、固体推進剤と容器の内壁との間の空間を埋める樹脂を注入する工程と、を備える。
【００１６】
上記スラスタの製造方法では、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて圧接した状態で、固体推進剤の側面に接着剤を塗布することにより、互いに隣接する２つの固体燃料ペレットの間に接着剤が入り込むことが防止される。このため、固体燃料ペレットを積み重ねて固体推進剤を構成した場合であっても、一端面側から他端面側へと固体推進剤の全てを燃焼させることができ、大きな推力が得られるスラスタが製造される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、大きな固体燃料ペレットを用いなくとも、従来のスラスタよりも大きな推力を得ることができるスラスタ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係るスラスタの構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係るスラスタの製造方法を説明するための図である。
【図３】第２実施形態に係るスラスタの構成を示す断面図である。
【図４】本実施形態に係るスラスタを搭載した宇宙用装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るスラスタの構成を示す断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図に相当する。
【００２１】
スラスタ１は、宇宙空間において推力を発生させるためのスラスタである。スラスタ１は、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて構成される固体推進剤２と、固体推進剤２の側面２ａを被覆し、複数個の固体燃料ペレット２０を接着する接着剤３と、接着剤３で被覆された固体推進剤２を収容する容器５と、固体推進剤２の一端面２ｂを露出させつつ、固体推進剤と容器５の内壁との間の空間を埋める樹脂４とを備える。
【００２２】
固体燃料ペレット２０の材料に限定はないが、例えば、塩素酸カリウム、過塩素酸カリウム、硝酸カリウム、硝酸アンモニウム、過塩素酸アンモニウムのような酸化剤と、ホウ素、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、炭素、チオシアン酸鉛のような可燃剤とを混合したものが用いられる。ただし、過塩素酸カリウムとマグネシウムとの混合物は適当でない。なお、固体燃料ペレット２０として、例えばトリシネート、ジアゾジニトロフェノールのような起爆剤を単体で用いてもよい。あるいは、固体燃料ペレット２０として、この起爆剤と上記酸化剤とを混合したものであってもよい。固体燃料ペレット２０には、さらに、フッ素ゴム、フッ素樹脂、ポリウレタン系ゴム、ポリブタジエン系ゴムの例示されるバインダが含まれていてもよい。
【００２３】
固体燃料ペレット２０として、上述した材料の中でも、ホウ素及び硝酸カリウムの混合体（Ｂ／ＫＮＯ3）を用いることが好ましい。Ｂ／ＫＮＯ3は、真空中における着火性能が良好であるからである。ボロンと硝酸カリウムの混合比が２８：７０のものが、高い着火性能及び推進性能をもつ。
【００２４】
固体推進剤２は、固体燃料ペレットを複数個積み重ねて構成される。図１に示す例では、１０個の固体燃料ペレット２０を積み重ねているが、その数に限定はない。固体燃料ペレット２０の形状に限定はないが、円柱状のものが好ましい。固体燃料ペレットが円柱であることにより、固体推進剤２の側面２ａに均一に接着剤３を塗布することが容易となるからである。固体推進剤２の側面２ａは、円柱状の固体推進剤２の側面に相当し、固体推進剤の一端面２ｂとは、円柱状の固体推進剤の底面又は上面に相当する。
【００２５】
接着剤３は、固体推進剤２の側面２ａに塗布され、複数個の固体燃料ペレット２０を接着するものである。接着剤３は、固体燃料ペレット２０の接着性に優れ、かつ、固体推進剤２の燃焼の際に容易に燃焼しない有機系接着剤であればよく、エポキシ系接着剤が好ましく用いられる。例えば、エポキシ系接着剤であるアラルダイト（登録商標）を用いることができる。エポキシ系接着剤の高い断熱性及び接着性により、燃焼ガスが固体推進剤の側面に漏れることが有効に防止される。また、接着剤３は、互いに隣接する２つの固体燃料ペレット２０の間に介在しないように固体推進剤２の側面に塗布される。これにより、固体燃料ペレット２０と固体燃料ペレット２０の間に入り込んだ接着剤３により、燃焼が停止してしまうことが防止される。
【００２６】
樹脂４は、高い断熱性をもつ材料であれば限定はないが、エポキシ系樹脂を用いることが好ましい。エポキシ系樹脂は、高い断熱性以外に、軽量、入手の容易さ、低コストの面で優れるからである。また、エポキシ系樹脂を用いることにより、接着剤で被覆された固体推進剤の燃焼中に、エポキシ系樹脂の壁面が微量融けて（エロージョン）、排出質量が増加する。このため、エポキシ系樹脂を用いない場合に比べて、大きな推力が得られる。エポキシ系樹脂として、例えば市販の日新レジン製クリスタルレジン・スーパークリアーを用いることができる。
【００２７】
容器５は、航空宇宙分野において使用される耐熱性に優れた材料であれば特に限定はないが、例えばステンレスやチタン合金が好ましく用いられる。
【００２８】
固体推進剤２の一端面２ｂ側に、固体推進剤２の一端面２ｂを着火するための着火装置６が配置されている。着火装置６の構造に限定はないが、例えば、構造の簡易性の観点から、発熱抵抗式のイグナイターを用いることが好ましい。発熱抵抗式のイグナイターは、例えば、鉄製の２本の電極と、２本の電極間に取り付けられたニクロム線を備える。イグナイターは、その先端のニクロム線を固体推進剤２の一端面２ｂに接触して使用される。２本の電極間に電圧を印加することにより、ニクロム線が発熱し、ニクロム線に接触した固体推進剤２の一端面を着火する。なお、着火装置６として、発熱抵抗式以外の着火装置、例えば、半導体レーザを用いてもよい。
【００２９】
上記スラスタでは、着火装置６により固体推進剤２の一端面２ｂが着火されると、固体推進剤２の燃焼は、固体推進剤２の一端面２ｂ側から他端面側へと進み、最終的に全ての固体推進剤２が燃焼する。本実施形態では、複数個の固体燃料ペレットを積み重ねて固体推進剤を構成することにより、固体燃料ペレット２０自体のサイズを大きくしなくても、燃焼させる固体推進剤２の量を増大することができ、スラスタの推力を増大さえることができる。また、固体燃料ペレット２０の積層数を変えることにより、簡易に目的とする推力を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、固体推進剤２の側面が接着剤３により被覆されていることにより、燃焼ガスが途中で固体推進剤２の側面に漏れて、側面から燃焼が進み、燃焼面積が急激に拡大することが防止される。これにより、燃焼面積の急拡大により容器５内の圧力が急拡大することを防止することができ、容器５の破裂を防止することができる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、互いに隣接する２つの固体燃料ペレット２０の間に接着剤３が介在していないことから、接着剤３により固体推進剤２の燃焼が途中で停止することを防止できる。このため、全ての固体推進剤を有効に燃焼させることができ、目的とする推力を得ることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、接着剤３により被覆された固体推進剤２の周囲を被覆する樹脂４としてエポキシ系樹脂を用いることにより、固体推進剤２の燃焼中に、エポキシ系樹脂の壁面が微量融けて（エロージョン）、排出質量が増加する。このため、エポキシ系樹脂を用いない場合に比べて、推力を増加させることができる。
【００３３】
次に、本実施形態に係るスラスタの製造方法について、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３４】
図２（ａ）に示すように、固体燃料ペレット２０を用意する。固体燃料ペレット２０としては、市販のものを使用することができる。例えば、日油技研製 NAB-1（ボロンと硝酸カリウムの混合火薬）を使用する。日油技研製 NAB-1は、底面の直径φ１０ｍｍ、高さＬ６．３ｍｍのペレットである。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて万力等の押圧手段により、複数個の固体燃料ペレット２０からなる固体推進剤２を圧接する。固体推進剤２の両端に圧力を加えた状態で、固体推進剤２の側面２ａに接着剤３を塗布し、複数個の固体燃料ペレットを接着する。接着剤３としては、エポキシ系接着剤を用いることができる。固体推進剤２の両端に圧力を加えていることから、固体燃料ペレット２０と固体燃料ペレット２０との間の隙間をなくすことができ、この隙間に接着剤３が入り込むことを防止することができる。接着剤３の膜厚に限定はないが、例えば数ｍｍである。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、接着剤３により被覆された固体推進剤２を容器５に入れる。そして、固体推進剤２と容器５の内壁との間に樹脂４を注入する。例えば、エポキシ系樹脂として、日新レジン製クリスタルレジン・スーパークリアーを流し込む。これにより、樹脂４により固体推進剤２が容器５内に固定される。
【００３７】
最後に固体推進剤２の一端面２ａ側に着火装置６を取り付けることにより、スラスタ１が完成する。
【００３８】
本実施形態に係るスラスタの製造方法では、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて圧接した状態で、固体推進剤２の側面２ａに接着剤３を塗布することにより、互いに隣接する２つの固体燃料ペレット２０の間に接着剤３が入り込むことを防止することができる。このため、固体燃料ペレット２０を積み重ねて固体推進剤２を構成した場合であっても、一端面側から他端面側へと固体推進剤２の全てを燃焼させることができ、大きな推力が得られるスラスタ１が製造される。
【００３９】
また、本実施形態に係るスラスタの製造方法では、容器５に入れる前に、固体推進剤２の側面２ａに接着剤３を塗布することにより、固体推進剤２の側面２ａに接着剤３を均一に塗布することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るスラスタの構成を示す断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図に相当する。
【００４１】
第１実施形態は、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて構成される１本の固体推進剤２を備えるスラスタであったが、第２実施形態は、複数個の固体燃料ペレット２０を積み重ねて構成される固体推進剤２の束を備えるクラスター型スラスタに関する。
【００４２】
第２実施形態に係るスラスタ１ａは、接着剤３で被覆された固体推進剤２の束を備え、各固体推進剤２の一端面２ｂは同じ向きに露出している。好ましくは、全ての固体推進剤２の１端面２ｂは、同一面を形成している。これにより、固体推進剤の断面積、すなわち燃焼面積が増大し、大きな推力が得られる。図示はしないが、固体推進剤２の一端面２ａ側に着火装置が設けられる。着火装置は、複数本の固体推進剤２に同時に着火可能に構成されている。このように、固体推進剤２の束を備えることにより、スラスタ１ａの推力を所望の値に増大させることができる。
【００４３】
特に、図３に示す例では、スラスタ１ａは、７本の固体推進剤２を収容し、１つの固体推進剤２が中央に配置され、残りの６つの固体推進剤が中央の固体推進剤２の周囲に配置されている。図３に示すように、７本の固体推進剤２を配置することにより、六方細密充填と同様の原理で高密度に固体推進剤２を配置することができることから、小型且つ大推力のスラスタ１ａを実現することができる。ただし、クラスター型のスラスタ１ａにおいて固体推進剤２の数に限定はない。
【００４４】
上記のクラスター型のスラスタ１ａでは、着火装置６により複数個の固体推進剤２の一端面２ｂが同時に着火される。各固体推進剤２の燃焼は、固体推進剤２の一端面２ｂ側から他端面側へと進み、最終的に全ての固体推進剤２が燃焼する。本実施形態では、固体推進剤２の束を燃焼させることにより、第１実施形態に比べて、スラスタの推力を増大させることができる。その他、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
次に上記のスラスタ１ａの製造方法について説明する。
【００４６】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１実施形態と同様にして、複数個の固体燃料ペレット２を重ねて構成される固体推進剤２の側面２ａに接着剤３を塗布する。そして、複数本の固体推進剤２を収容可能な容器５に固体推進剤７の束を配置し、固体推進剤２同士の隙間及び固体推進剤２と容器５の内壁との間の隙間に樹脂４を流し込む。例えば、エポキシ系樹脂として、日新レジン製クリスタルレジン・スーパークリアーを流し込む。これにより、複数本の固体推進剤２が容器５内に固定される。最後に固体推進剤２の一端面２ａ側に着火装置６を取り付けることにより、クラスター型のスラスタ１ａが完成する。
【００４７】
本実施形態に係るスラスタの製造方法では、第１実施形態に比べて、推力を増大させたスラスタを簡易に製造することができる。
【００４８】
（第３実施形態）
第３実施形態は、上述したスラスタ１ａを備える宇宙用装置１０に関する。図４は、スラスタ１ａを備える宇宙用装置１０の構成を示す図である。
【００４９】
図４に示すように、宇宙用装置１０は、１又は複数本のスラスタ１ａを備える。図４に示す例では１０９個のスラスタを備える。ただし、スラスタ１ａの本数に限定はない。各スラスタ１ａは、第２実施形態で説明したクラスター型のスラスタであり、複数個の固体推進剤２を備える。なお、スラスタ１ａとして、第１実施形態で説明した１本の固体推進剤のみを備えるスラスタ１を用いてもよい。
【００５０】
図４に示す宇宙用装置１０の用途に限定はなく、例えば超小型衛星自身であっても、超小型衛星に接着して超小型衛星の軌道を修正する装置であってもよい。また、宇宙に存在する使用済み又は破損した超小型衛星やロケットに接着して、これらの軌道を変えて廃棄するデブリ除去装置であってもよい。
【００５１】
宇宙用装置１０は、例えば、複数個のスラスタ１ａの全てを同時に噴射させることにより、大きな推力を発生させることができる。なお、宇宙用装置１０は、複数個のスラスタ１ａのうち、一部のスラスタのみを噴射させてもよい。
【００５２】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５３】
１…スラスタ
２…固体推進剤
２ａ…側面
２ｂ…一端面
３…接着剤
４…樹脂
５…容器
６…着火装置
７…押圧手段
１０…宇宙用装置
２０…固体燃料ペレット
【図１】
2016089654.tif 000003
【図２】
2016089654.tif 000004
【図３】
2016089654.tif 000005
【図４】
2016089654.tif 000006