(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、
このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えた一液スラスタにおいて、
前記チャンバで生じた分解ガスの一部を蓄えて、この蓄えた分解ガスを前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に噴射するガス循環機構を設け、
前記ガス循環機構は、前記チャンバから分解ガスの一部を抜き出す導出配管と、この導出配管を通して送給される前記分解ガスの一部を蓄える分解ガス容器と、この分解ガス容器に蓄えた前記分解ガスを抜き出して前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に導入して噴射する導入配管と、前記分解ガス容器に蓄えた分解ガスの前記チャンバ内に対する噴射をコントロールする制御手段を具備している
ことを特徴とする一液スラスタ。
【請求項２】
ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備え、前記チャンバから分解ガスの一部を抜き出す導出配管と、この導出配管を通して送給される前記分解ガスの一部を蓄える分解ガス容器と、この分解ガス容器に蓄えた前記分解ガスを抜き出して前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に導入して噴射する導入配管と、前記分解ガス容器に蓄えた分解ガスの前記チャンバ内に対する噴射をコントロールする制御手段を具備したガス循環機構が設けられている一液スラスタの作動方法であって、
前記チャンバで生じた分解ガスの一部を蓄えて、この蓄えた分解ガスを前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に噴射する
ことを特徴とする一液スラスタの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒドラジンの分解反応で生じる分解ガスを噴出させて推力を得る一液スラスタ及びその作動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記した一液スラスタは、宇宙空間において人工衛星の姿勢を制御したり、軌道を変更したりするのに用いられ、このような一液スラスタとしては、例えば、ヒドラジンを収容したタンクと、このタンクから電磁弁及びインジェクタを介して供給されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えたものがある。
【０００３】
この一液スラスタでは、アルミナ粒子に触媒であるイリジウムを約３０％担持させて成る粒径１ｍｍ未満の触媒粒子の層を触媒層としており、電磁弁の開弁作動によってタンクからインジェクタを介してチャンバ内にヒドラジンをパルス状に供給すると、ヒドラジンが触媒層と触れて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され、これらの分解ガスをノズルから噴射することで推力を得るものとなっている。ヒドラジンの分解が定常状態のとき、（式１）に示す分解反応が起きる。
【０００４】
３Ｎ２Ｈ４→４（１−ｘ）ＮＨ３＋（２ｘ−１）Ｎ２＋６ｘＨ２ 
（但し、ｘは０〜１の係数）                                        （式１）
このような一液スラスタにおいて、人工衛星の姿勢制御時のように間欠的作動を繰返し行う場合には、触媒層の触媒粒子自体が熱膨張と収縮を繰返すうえ、高圧ガスの発生による衝撃を受けるが、とくに触媒層のうちのインジェクタ近傍に位置する部分、すなわち、ヒドラジンを直接浴びて急激に反応が起きる部分では、触媒粒子の摩耗や粉砕が発生してしまい、これによる触媒量の減少に伴って空隙が形成されて分解反応の効率が低下するほか、触媒粒子の摩耗や粉砕で生じた微粒子が触媒層の下流部分やノズルスロート部分に堆積して、圧力損失の増加による推力低下を招くといった不具合が生じる可能性があった。
【０００５】
このような不具合の発生を回避するために、触媒粒子の摩耗や粉砕により触媒層に生じる空隙を小さくするべく、触媒層自体を圧縮する押圧機構を備えた一液スラスタや、触媒層を格子状の一体型触媒層とした一液スラスタが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開平11-82171号
【特許文献２】特許第3790387号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した前者の一液スラスタにおいて、特殊環境で使用することを考慮すると、ばねなどの可動要素を有する押圧機構は、信頼性の面で不利であり、加えて、部品点数が多くなる分だけ、コストの面でも劣る。
一方、後者の一液スラスタにおいて、十分な推力を得るためのヒドラジン分解に必要な
有効面積（触媒粒子との接触面積）を確保するうえで、触媒層を升目が微細な格子状に形成することが不可欠であるが、多量のイリジウムを担持させつつ微細升目の格子状一体型触媒層を形成することは極めて困難であり、現実的ではない。
【０００７】
加えて、上記した一液スラスタにおいて、触媒層のうちのインジェクタ近傍に位置する部分では、供給されたヒドラジンが触媒層の空隙や触媒粒子内の細孔に液体の状態で残留すると、図３に示すように、分解ガスの急激な圧力上昇（いわゆるスパイク）Ｔの発生要因になってしまうだけでなく、触媒層の劣化を加速させてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００８】
本発明は、上述した従来の課題に着目してなされたもので、製造し易くそして信頼性及びコストの面で有利であるのは勿論のこと、作動中に分解ガスが急激に圧力上昇するのを阻止して触媒層における局所的ないし全体的な触媒粒子の崩壊や摩耗を防ぐことができ、その結果、ヒドラジン分解反応の効率低下や推力の低下などの不具合の発生を抑制することが可能な耐久性に優れた一液スラスタ及びその作動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に係る発明は、ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備えた一液スラスタにおいて、前記チャンバで生じた分解ガスの一部を蓄えて、この蓄えた分解ガスを前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に噴射するガス循環機構を設け、前記ガス循環機構は、前記チャンバから分解ガスの一部を抜き出す導出配管と、この導出配管を通して送給される前記分解ガスの一部を蓄える分解ガス容器と、この分解ガス容器に蓄えた前記分解ガスを抜き出して前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に導入して噴射する導入配管と、前記分解ガス容器に蓄えた分解ガスの前記チャンバ内に対する噴射をコントロールする制御手段を具備している構成としたことを特徴としており、この一液スラスタの構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
一方、本発明の請求項２に係る発明は、ヒドラジン導入部を具備し且つこのヒドラジン導入部を通して導入されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層を充填したチャンバと、このチャンバで生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズルを備え、前記チャンバから分解ガスの一部を抜き出す導出配管と、この導出配管を通して送給される前記分解ガスの一部を蓄える分解ガス容器と、この分解ガス容器に蓄えた前記分解ガスを抜き出して前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に導入して噴射する導入配管と、前記分解ガス容器に蓄えた分解ガスの前記チャンバ内に対する噴射をコントロールする制御手段を具備したガス循環機構が設けられている一液スラスタの作動方法であって、前記チャンバで生じた分解ガスの一部を蓄えて、この蓄えた分解ガスを前記チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に噴射する構成としたことを特徴としており、この一液スラスタの作動方法の構成を前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
この場合、ヒドラジンの分解に対して不活性なアルミナの粒子に、触媒としてのイリジウムを約３０％担持させて粒径１ｍｍ未満の触媒粒子を形成し、これで得た触媒粒子を充填して成る構成のものを触媒層として採用することができる。
本発明に係る一液スラスタでは、ヒドラジン導入部からチャンバ内にヒドラジンを導入して作動させると、ヒドラジンが触媒層と触れて分解反応が起こり、ヒドラジンのパルス噴射が多数繰り返されて（あるいはヒドラジンの連続噴射が成されて）チャンバ内が定常状態となった時点では、上記（式１）に示す分解反応が起きて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され、これらの分解ガスをノズルから噴射することで推力を得ることとなる。
【００１３】
この作動の間に、チャンバで生じた高圧の分解ガスの一部を蓄えておき、この蓄えた分解ガスをチャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に噴射するように成すと、この部分における触媒層の空隙や触媒粒子内の細孔に溜まった（あるいは溜まりかけた）液状のヒドラジンが、瞬間的に分散されることとなり、この状態で、再びヒドラジン導入部からチャンバ内にヒドラジンを導入して作動させると、作動中に分解ガスの急激な圧力上昇（いわゆるスパイク）が生じることが回避されることとなる。
【００１４】
なお、本発明に係る一液スラスタのように、チャンバで生じる分解ガスの一部を分解ガス容器に蓄える構成を採用することができるが、この分解ガス容器には、チャンバ内での分解反応に影響を及ぼさない、例えば、窒素ガスや水素ガスを充填しておくことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に係る一液スラスタ及び請求項２に係る一液スラスタの作動方法では、上記した構成としているので、チャンバ内における触媒層のヒドラジン導入部側に位置する部分に、液状のヒドラジンが溜まることがなくなって、作動中に分解ガスの急激な圧力上昇（いわゆるスパイク）が生じることが皆無となり、その結果、信頼性の向上を実現することができると共に、触媒層に局所的ないし全体的な触媒粒子の崩壊や摩耗が発生するのを回避することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１６】
つまり、製造し易くそしてコストの面での優位性を保ちつつ、ヒドラジン分解反応の効率が低下したり、推力が低下したりするなどの不具合の発生を抑えることが可能であり、長寿命化をも実現することができる。
加えて、本発明の請求項１に係る一液スラスタでは、上記した構成としているので、構造を複雑化させることなく、作動中における分解ガスの急激な圧力上昇の発生を皆無とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る一液スラスタを図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明に係る一液スラスタの一実施形態を示している。
図１に示すように、この一液スラスタ１は、ヒドラジンを収容したタンク２と、インジェクタ（ヒドラジン導入部）３を具備し且つこのインジェクタ３を通してタンク２から供給されるヒドラジンを分解して分解ガスを生じさせる触媒層４を充填したチャンバ５と、このチャンバ５で生じた分解ガスを噴出させて推力を得るノズル６とから主として成っており、インジェクタ３を構成するフィードチューブ３ａと、タンク２との間には、電磁弁７が配置してある。
【００１８】
上記チャンバ５において、インジェクタ３のフィードチューブ３ａに隣接して配置したヒドラジン分散用の上流側メッシュ８とノズル６寄りの部分に配置した下流側メッシュ９との間の空間を触媒層収容部５Ａとしていると共に、下流側メッシュ９とノズル６との間の空間を分解ガスチャンバ５Ｂとしており、触媒層収容部５Ａ内の触媒層４は、アルミナ粒子に触媒であるイリジウムを約３０％担持させて成る粒径１ｍｍ程度の触媒粒子の充填層としている。
【００１９】
また、この一液スラスタ１は、チャンバ５で生じた分解ガスの一部を蓄えて、上記蓄えた分解ガスをチャンバ５内における触媒層４のインジェクタ３側に位置する部分に噴射するガス循環機構１０を備えている。
このガス循環機構１０は、一端部がチャンバ５の分解ガスチャンバ５Ｂに接続してこの分解ガスチャンバ５Ｂから分解ガスの一部を抜き出す導出配管１１と、この導出配管１１の他端部と接続してこの導出配管１１を通して送給される上記分解ガスの一部を蓄える分解ガス容器１２と、一端部がこの分解ガス容器１２に接続してこの分解ガス容器１２に蓄えた分解ガスを抜き出してチャンバ５の上流側メッシュ８近傍に導入して噴射する、すなわち、触媒層収容部５Ａ内における触媒層４のフィードチューブ３ａ側に位置する部分に導入して噴射する導入配管１３と、分解ガス容器１２に蓄えた分解ガスの触媒層収容部５Ａ内に対する噴射をコントロールする電磁弁（制御手段）１４と、導出配管１１上に配置した逆止弁１５を具備しており、上記したヒドラジン導入用の電磁弁７及び分解ガス噴射用の電磁弁１４は、いずれも図示しない制御部からの指令に基づいて動作するようになっている。
【００２０】
この場合、導入配管１３の先端は、図２に示すように、円形状を成す上流側メッシュ８を取り囲む環状部１３ａとして形成してあり、この環状部１３ａの複数個所に設置した噴射口１３ｂから触媒層４に向けて分解ガスを噴射するようになっている。
この一液スラスタ１では、タンク２から供給されるヒドラジンを電磁弁７の開弁作動によってインジェクタ３及び上流側メッシュ８を介してチャンバ５内にパルス状に又は連続して導入すると、ヒドラジンは触媒層収容部５Ａ内の触媒層４と触れて分解反応が起きて、高温のアンモニア，窒素及び水素の各ガスに分解され（上記（式１）参照）、分解ガスチャンバ５Ｂで高圧に保持されたこれらの分解ガスをノズル６から噴射することで推力を得るものとなっている。
【００２１】
この作動の間に、ガス循環機構１０の分解ガス容器１２には、チャンバ５の分解ガスチャンバ５Ｂで生じた高圧の分解ガスの一部が逆止弁１５を通して導入されて蓄えられており、電磁弁１４でコントロールしながら上記分解ガス容器１２に蓄えた分解ガスを導入配管１３における環状部１３ａの噴射口１３ｂから上流側メッシュ８近傍に噴出させると、触媒層収容部５Ａ内における触媒層４のフィードチューブ３ａ側に位置する部分の空隙や触媒粒子内の細孔に溜まった（あるいは溜まりかけた）液状のヒドラジンが、瞬間的に分散されることとなる。
【００２２】
そして、このような液状のヒドラジンが溜まっていないクリヤーな状態で、電磁弁７の開弁作動によって再びヒドラジンをインジェクタ３及び上流側メッシュ８を介してチャンバ５内にパルス状に又は連続して導入すると、作動中に分解ガスの急激な圧力上昇（いわゆるスパイク）が生じることがほとんど皆無となって、その結果、信頼性の向上が図られることとなる。
【００２３】
つまり、この一液スラスタ１では、製造し易くそしてコストの面での優位性を保ちながら、ヒドラジン分解反応の効率が低下したり、触媒粒子の崩壊や摩耗で生じた微粒子が触媒層の下流部分やノズルスロート部分に堆積して推力が低下したりするのを抑え得ることとなるうえ、長寿命化をも実現できる。
上記した実施形態に係る一液スラスタ１では、インジェクタ３を構成する一本のフィードチューブ３ａの先端からヒドラジンを拡散供給するようにしているが、これに限定されるものではなく、フィードチューブ３ａの先端にシャワーヘッドを装着してヒドラジンを複数個所から分けて供給するようにしてもよい。
【００２４】
また、上記した実施形態に係る一液スラスタ１では、分解ガス容器１２に蓄えた分解ガスを導入配管１３における環状部１３ａの噴射口１３ｂから上流側メッシュ８近傍に向けて噴射するようにしているが、これに限定されるものではなく、分解ガス容器１２に蓄えた分解ガスを上流側メッシュ８の中心に配置した噴射口から噴射させたり、チャンバ５の触媒層収容部５Ａの内壁に配置した噴射口から噴射させたりしてもよい。
【００２５】
さらに、上記した実施形態に係る一液スラスタ１では、分解ガス容器１２をチャンバ５の外部に配置した構成としているが、これに限定されるものではなく、他の構成として例えば、分解ガス容器１２をチャンバ５の内部に配置したり、チャンバ５を分解ガス容器１２で覆うようしたりする構成を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る一液スラスタの一実施形態を示す断面説明図である。
【図２】図１に示した一液スラスタの上流側メッシュを配置した部分における断面説明図である。
【図３】一液スラスタのチャンバに対するヒドラジン供給時間とチャンバ内における分解ガス圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１    一液スラスタ
３    インジェクタ（ヒドラジン導入部）
３ａ  フィードチューブ（インジェクタ）
４    触媒層
５    チャンバ
６    ノズル
１０  ガス循環機構
１１  導出配管
１２  分解ガス容器
１３  導入配管
１４  電磁弁（制御手段）
【図１】
0005035558.tif 000002
【図２】
0005035558.tif 000003
【図３】
0005035558.tif 000004