(57)【要約】【課題】燃料を用いて再生冷却を行っていた従来の宇宙機用スラスタでは、燃焼器の冷却効果は得られるものの、燃焼圧力の増大による高性能化を期待した割には性能が向上しないという問題点があった。【解決手段】燃料と酸化剤とを燃焼器１で混合燃料させて、その燃焼ガスを外部に噴出させることで推力を得る宇宙機用スラスタにおいて、燃焼器１に燃料及び酸化剤を夫々供給する燃料及び酸化剤の供給手段２，３に加えて、燃焼器１の燃焼室１Ａの内面に沿って酸化剤を噴射する冷却手段４を備え、冷却手段におけるインジェクタ４ａの少なくとも酸化剤噴射部分をチタン合金製としたことにより、燃焼器の充分な冷却機能を確保したうえで高性能化を実現し、酸化剤噴射部分におけるカーボンの付着を防止して長期的運用に好適なものにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを燃焼器で混合燃料させて、その燃焼ガスを外部に噴出させることで推力を得る宇宙機用スラスタにおいて、燃焼器に燃料及び酸化剤を夫々供給する燃料及び酸化剤の供給手段に加えて、燃焼器の燃焼室の内面に沿って酸化剤を噴射する冷却手段を備え、冷却手段において、酸化剤を噴射するインジェクタの少なくとも酸化剤噴射部分がチタン合金製であることを特徴とする宇宙機用スラスタ。
【請求項２】
燃料がＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）であると共に、酸化剤がＮＴＯ（四酸化二窒素）であることを特徴とする請求項１に記載の宇宙機用スラスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙機の移動や姿勢制御などに用いられるスラスタにおいて、とくに、燃焼器の冷却機能と推進機能の向上を実現した宇宙機用スラスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙機用スラスタでは、高性能化を図る手段の一つとして燃焼圧力を高めることが行われているが、この場合、燃焼器の内部が１３００℃以上の高温となって、熱負荷が大きくなるので、燃焼器に耐熱対策を講じる必要がある。燃焼器の耐熱対策としては、燃焼器の構成材料として、ニオブ、レニウム、白金及びロジウム等の高温耐熱材料を使用する方法がある。ところが、高温耐熱材料を使用すると、材料費が非常に高価なものとなる。そこで、従来では、推薬による再生冷却が広く採用されていた。
【０００３】
再生冷却は、例えば特許文献１に記載されているように、燃焼器の壁部を二重構造にして壁部間に流路を形成し、この流路に推薬（主として燃料）を流通させることで、燃焼器を冷却すると同時に燃料を予熱するものであり、燃焼器の内部の温度を７００℃未満に維持することができる。これにより、燃焼器の構成材料としてニッケルや鋼などの安価な材料を使用することが可能となった。
【０００４】
なお、上記の宇宙機用スラスタの燃料には、代表的な宇宙機用燃料であるＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）がある。このＭＭＨは、保存性にも優れるので、人工衛星のように長期的に運用される宇宙機のスラスタ燃料としても好適である。
【特許文献１】特開平６−４２４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したような従来の宇宙機用スラスタでは、燃焼器を再生冷却構造にして燃料にＭＭＨを用いると、燃焼器の冷却効果は得られるものの、燃焼に供されるＭＭＨが予熱により高温化しているため、酸化剤との衝突や微粒化の過程で酸化剤との混合が不充分になって燃焼効率が低下し、燃焼圧力の増大による高性能化を期待した割には性能が向上しないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、長期的な運用に好適であって、燃焼器の充分な冷却機能を確保したうえで高性能化を実現することができる宇宙機用スラスタ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】
【０００７】
本発明の宇宙機用スラスタは、請求項１として、燃料と酸化剤とを燃焼器で混合燃料させて、その燃焼ガスを外部に噴出させることで推力を得る宇宙機用スラスタにおいて、燃焼器に燃料及び酸化剤を夫々供給する燃料及び酸化剤の供給手段に加えて、燃焼器の燃焼室の内面に沿って酸化剤を噴射する冷却手段を備え、冷却手段において、酸化剤を噴射するインジェクタの少なくとも酸化剤噴射部分がチタン合金製である構成とし、請求項２として、燃料がＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）であると共に、酸化剤がＮＴＯ（四酸化二窒素）である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
なお、上記構成において、燃焼器は、燃料と酸化剤を混合燃焼させる燃焼室と、その燃焼ガスを外部に噴出させるノズルとを連続的に備えたものとすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１に係わる宇宙機用スラスタは、燃焼器の燃焼室の内面に沿って噴射した酸化剤によって燃焼器の充分な冷却機能を得ることができるうえに、燃料の温度上昇が無いので、燃料と酸化剤の混合が充分に行われて燃焼効率も良好になり、燃焼圧力の増大による性能向上を実現することができる。また、再生冷却を行わずに燃焼器の充分な冷却機能が得られるので、燃焼器の壁部を二重にする再生冷却構造が不要になり、燃焼器の構造の簡略化及び軽量化を実現することができる。
【００１０】
そして、当該宇宙機用スラスタは、冷却手段のインジェクタにおいて、酸化剤噴射部分に酸化チタン膜を形成して、燃焼ガスの輻射による光触媒作用によりカーボンの付着を抑制することができ、これにより、燃焼器の充分な冷却機能や高い性能を長期にわたって維持することができる。よって、長期的に運用される人工衛星等の宇宙機のスラスタに好適である。
【００１１】
本発明の請求項２に係わる宇宙機用スラスタは、燃料であるＭＭＨと酸化剤であるＮＴＯが、混合させるだけで燃焼する自己着火性を有するので、燃焼器の構造のさらなる簡略化に貢献することができ、しかも、燃焼室の内面に沿って噴射したＮＴＯの分解吸熱効果によって燃焼器の冷却機能のさらなる向上を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の宇宙機用スラスタの一実施形態を説明する図である。図示の宇宙機用スラスタは、人工衛星等の宇宙機に搭載して、その宇宙機の移動や姿勢制御に用いるものであって、燃焼器１と、燃焼器１に燃料を供給する燃料供給手段２と、燃焼器１に酸化剤を供給する酸化剤供給手段３を備えている。
【００１３】
燃焼器１は、燃料と酸化剤とを混合燃焼させる燃焼室１Ａと、その燃焼ガスを外部に噴出させるノズル１Ｂを備えている。燃料供給手段２は、燃料タンク、圧送用ポンプ、流量制御バルブ及び各種配管類（図示略）を備えると共に、燃焼室１Ａ内に向けたインジェクタ２ａを備えている。また、酸化剤供給手段３は、同様に、酸化剤タンク、圧送用ポンプ、流量制御バルブ及び各種配管（図示略）を備えると共に、燃焼室１Ａ内に向けたインジェクタ３ａを備えている。
【００１４】
ここで、当該宇宙機用スラスタでは、燃料としてＭＭＨ（モノメチルヒドラジン）を用いると共に、酸化剤としてＮＴＯ（四酸化二窒素）を用いている。これらは、互いに混合するだけで燃焼する自己着火性を有している。
【００１５】
したがって、燃料のインジェクタ２ａと、酸化剤のインジェクタ３ａは、図１中に太い矢印で示すように、燃焼室１Ａ内に噴射した燃料と酸化剤とが衝突して燃焼するように、適当な傾斜角度を付けて配置してある。このように、自己着火性を有する燃料と酸化剤を用いれば、点火機構が不要となり、構造のさらなる簡略化に有効である。
【００１６】
そして、当該宇宙機用スラスタは、上記構成に加えて、図１中の細い矢印で示す如く、燃焼器１の燃焼室１Ａの内面に沿って酸化剤（ＮＴＯ）を噴射する冷却手段４を備えている。冷却手段４は、燃料タンクや圧送用ポンプ等については酸化剤供給手段３の構成を一部兼用しており、このほか、独自の流量制御バルブ等を備えると共に、燃焼室１Ａの内面に沿う方向へ向けたインジェクタ４ａを備えている。この冷却手段４のインジェクタ４ａは、少なくとも酸化剤噴射部分（オリフィス）をチタン合金製としている。
【００１７】
上記の構成を備えた宇宙機用スラスタは、燃焼器１の燃焼室１Ａにおいて、燃料供給手段２のインジェクタ２ａから噴射した燃料（ＭＭＨ）と、酸化剤供給手段３のインジェクタ３ａから噴射した酸化剤（ＮＴＯ）とを混合して燃焼させ、その燃焼ガスをノズル１Ｂから噴射することで推力を発生させる。
【００１８】
このとき、宇宙機用スラスタは、冷却手段４のインジェクタ４ａから燃焼室１Ａの内面に沿って酸化剤（ＮＴＯ）を噴射し、この酸化剤の分解吸熱効果により燃焼器１の充分な冷却機能を実現するものとなっている。
【００１９】
また、宇宙機用スラスタは、従来の再生冷却のような燃料の温度上昇が無いので、燃料と酸化剤の混合が充分に行われて燃焼効率も良好になり、燃焼圧力の増大による性能向上を実現することができる。また、燃焼器の壁部を二重にする再生冷却構造も不要であるから、燃焼器１の構造の簡略化及び軽量化を実現することも可能となる。
【００２０】
さらに、宇宙機用スラスタは、冷却手段４のインジェクタ４ａの少なくとも酸化剤噴射部分（オリフィス）をチタン合金製としているので、そのインジェクタ４ａから酸化剤（ＮＴＯ）を繰り返し噴射すると、インジェクタ４ａの酸化剤噴射部分に酸化チタン膜が形成されると共に、燃焼ガスの輻射による光触媒作用により、酸化剤噴射部分にカーボンが付着し難くなり、長期間にわたる運用に充分に耐えることができる。
【００２１】
なお、本発明の宇宙機用スラスタは、上記の動作のほか、燃料供給手段２や酸化剤供給手段３において、要求される推力等に応じて燃料や酸化剤の流量制御が行われ、この際、冷却に用いる酸化剤も燃料との混合燃焼に用いることができるので、燃料や酸化剤の流量制御とともに冷却手段４による酸化剤の流量制御などを行うこととなる。
【００２２】
また、本発明の宇宙機用スラスタは、宇宙機の姿勢制御を行うサイドスラスタとして用いる場合には、複数のノズルが異方向に配置されるように、図１に示す燃焼器１を複数組み合わせたり、複数のノズルを備えた燃焼器を採用したりすることとなり、この場合でも、冷却手段４を備えた構成とすることで、燃焼器１の充分な冷却機能を確保したうえで高性能化を実現する。
【００２３】
さらに、この種のスラスタは、図２に示すように、宇宙機等の基体Ｍに対して複数の燃焼器１を配列したクラスタ・スラスタに用いた場合、従来のスラスタでは、隣接する燃焼器１同士の相互熱干渉を防ぐため、図中に仮想線で示すように、燃焼器１をノズルスカート状の熱シールドＳで包囲しておく必要があったが、本発明の宇宙機用スラスタでは、燃焼器１の冷却機能が非常に高いので、熱シールドＳが不要となり、構造の簡略化、軽量化及び低コスト化などに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の宇宙機用スラスタの一実施形態を模式的に示す説明図である。
【図２】図１に示す宇宙機用スラスタをクラスタ・スラスタに用いた例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      燃焼器
１Ａ    燃焼室
１Ｂ    ノズル
２      燃料供給手段
３      酸化剤供給手段
４      冷却手段
４ａ    インジェクタ
【図１】
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【図２】
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