JP4934672B2 - 極低温液体用の推進剤タンク - Google Patents

Description

本発明は、移送媒体として利用される駆動ガス、ならびに、表面張力を利用して駆動ガスからの推進剤の分離をもたらすようになっており、再充填可能なリザーバの形態をとる少なくとも一つの取出し装置を有している推進剤タンク、特にスペースクラフトの飛行運転用の極低温液体を貯蔵するためのタンクに関する。

スペースクラフトでは、推進剤タンクから推進剤を燃焼室ないしは反応室に送り込むために、多くは駆動ガスが利用される。極低温液体の場合は、駆動ガスとして通常ヘリウム（Ｈｅ）が適用され、これが推進剤容器に作用することにより、推進剤をその時々の推進システムに取り廻された配管系に押し込むようにしている。そのような、たとえば特許文献１から知られるようなタンクにおいては、推進剤に取り込まれる異質ガスが推進剤の点火時には皆無とならなければならないために、移送媒体として利用される駆動ガスと推進システムの内部に到達する推進剤とを完全かつ確実に分離することが重要である。

極低温推進剤は、効率に優れる上に軽量であるために、たとえばモノメチルヒドラジンＭＭＨなどの従来の液体推進剤よりも優先して使用される。しかしながら極低温推進剤では、従来の推進剤とは対照的に室温で貯蔵できない点が短所となっている。たとえばＬＨ２とも呼ばれる液体水素は、約３０Ｋの温度でガス状の状態に移行するために、十分な時間にわたる貯蔵性を保証するためには、推進剤タンクの十分な断熱が不可欠である。これは、ＬＨ２と一緒に導入される、別のタンクに貯蔵される液体酸素（ＬＯＸ）についてもいえる。長時間貯蔵時の推進剤タンクの断熱は、何よりも特に太陽光線の入射、および推進システムなど高温コンポーネントによる入熱のために欠かせなくなっている。

貯蔵性のある非極低温推進剤を使用する場合とは異なり、極低温推進剤では一般に、タンク壁面の昇温によりタンク壁面付近の液体に沸騰を来たし、それにより無気泡状態での推進剤の移送を困難にしている。そのため、この種のタンクには、特に取出し装置を形成するリザーバの、リザーバ内部のガス生成を防止するための熱絶縁、およびリザーバの内部に配置される案内板の形状に、特段の要求が課されている。その際にこれらの案内板は、リザーバの内部で液体が安定した位置をとると同時に、気泡がリザーバから出てタンク内に戻されるように、リザーバの内部に配置されるようになっている。この保持効果は、毛細圧の局所的な変動により支援されるようにしている。

無重力状態における無気泡状態での推進剤の移送も、もう一つの問題となっている。無気泡状態での推進剤の移送は、たとえば携行される補助ロケットを利用した予備加速により達成することができる。この予備加速により、出口管付近の液体の再配向および位置決めがもたらされる。この場合は点火工程として、最初に管路系の運転温度への冷却期が、続いて推進システムの本来の点火期が実行される。冷却期には、十二分に低温の液体推進剤が推進剤タンクから管路系に送り込まれる。この冷却期についても、本発明では推進剤を無制限で供給することができる。推進システムの点火は、運転温度への冷却後に系全体が無気泡状態となったときに初めて実行される。

DE 101 17 557 A1

本発明の課題は、極低温推進剤を使用する場合に、予備加速の代わりに静圧ならびに毛管力を利用することにより無気泡状態での推進剤の移送が保証されるように、冒頭に記した種類の推進システムを構成することにある。

本発明は、取出し装置がタンク壁面の外側の下側領域に配置される推進剤タンクにより、この課題を解決する。、取出し装置であるリザーバの内部には、円錐状のほぼＬ字形の板が備えられ、その角のところに、切り取られた板が、一種の円筒切片のように配置されている。このリザーバは、タンク壁面に設けられた好ましくは円形の複数の開口部を介して、推進剤タンクの内部と導通されており、それにより液体がリザーバの内部に流れ込むことができるようにしている。

本発明の好ましい実施形態においては、リザーバに断熱材およびヒートトラップが備えられており、それによりこのリザーバは、たとえばアリアン５の上段極低温ステージＥＳＣ−Ａまたは計画中のＥＳＣ−ＢのＬＨ２タンクとして、同様の形態で導入されている、または将来的に導入されるような、特にトロイド型タンク、ならびに一つの中間床面を備えたタンクに特に適したものとなっている。

その際に、推進タンクに本発明にしたがって備えられる取出し装置の構成方式は、そのようなタンクを備えたロケットステージがタンク縦軸まわりに非常に高速で回転する場合にも、推進剤を送り込むことができるという長所を有している。このためステージの挙動が正常ではない場合にも、推進剤の確実な移送が保証される。本発明にしたがった取出し装置は、既に完全に組み立てた状態で、独立したテストスタンドにおいて試験を行うことができる。それに加え、推進剤タンクの内部に新たに必要となる構成部品は皆無であり、むしろこの取出し装置は、別体の構成部品として、タンク壁面に外側から取り付けられるようになっている。アリアン５のＥＳＣ−ＡのＬＨ２タンクのように大型タンクである場合は、タンクシェルが通常は複数の個別セグメントにより構成されるために、このリザーバは、タンクシェルを組み立てる前に、セグメントのいずれか一つに圧入することができる。

予備加速を廃止し、それに伴い別体の補助ロケットの携行を廃止することにより、さらなる軽量化が可能となり、その結果、多重再点火時のペイロードが増大する。リザーバは、出口における推進剤の安定した位置どりを保証すると同時に、タンク内の残量が極僅かであっても、再点火の回数を制限することはない。したがって、再点火の可能回数は、それぞれの推進剤の所要量だけにより決まることになる。その際に本発明にしたがったタンクは、ＬＨ２などの極低温推進剤の保管にも、またＬＯＸの形態をとる液体酸素の保管にも同様に適したものとなっている。

以下では、図面に示される実施例に基づいて、本発明にしたがった推進剤タンクを詳しく説明することにする。
図１に部分断面図で示される推進剤タンクは、たとえばアリアン５ロケットの現行の上段ステージＥＳＣ−ＡのＬＨ２タンクの下側部分を同様の形態で形成しているような、トロイド型タンクの部分要素として極低温推進剤を収容して貯蔵するためのタンクである。一般にトロイド型タンクは、ＬＨ２用およびＬＯＸ用に各二つの合計四つの推進剤タンクが一つの円環形を形成する点で際立っている。そのようなタンク仕様において、ここに示される実施例では、それぞれの推進剤タンクにつき一つずつ、別の出口が使用されることになる。

図１に示される推進剤タンクは、互いに接合されてトロイド型の受け容器７を形成する二つの半割りシェル１および１’からなっている。それによりタンク壁面には、両方の半割りシェル１および１’の接合領域のところに、曲率が非常に大きい湾曲部が構成され、それによって無重力状態においては、液体がこの領域に優先的に集まるようにしている。それに加え、この領域においては、毛管差圧が非常に高いために、このコーナに向かうポンプ作用を生じている。したがって推進剤タンクのこの領域は、図１に示されるように、再充填可能なリザーバ２の形態をとる取出し装置をそこに配置するために、非常に適したものとなっている。

回転速度が高い飛行期の間にも申し分のない移送を保証するために、リザーバ２は、純スピン荷重がかかる場合も、液体がこのリザーバ２の内部に優先的に集まるように、タンク壁面１’に外側から取り付けられている。リザーバ２は、以下でさらに詳しく説明するように、このリザーバ２への入熱を最小限化するために、二重壁仕様となっている。

推進剤は、リザーバ２から、複数の折り目が備えられた、すなわち「プリーツ加工された」濾過器３を介して吸い出される。濾過器は、汚物の濾過機能とならび、長距離弾道飛行期の間に蒸気で充填される推進剤管路４からリザーバ２の内部へのガスの侵入を実質的に抑止する気泡トラップとしての機能を併せ持つ。推進剤管路４は、出口管とも呼ばれるが、図３に示されるようにリザーバ２の外部に配置されてこれに合流して濾過アダプタ３のところで終端している。推進剤管路４からリザーバ２の内部に侵入するガスは、リザーバ２の内部に備えられた板５および６により、推進剤タンクの受け容器７の内部へと導かれる。それにより、弾道飛行期の間に濾過器３が湿潤されることを保証している。濾過器３を通過する十分に高い流速を保証するためには、濾過面積が可能な限り大きくなければならない。この理由から、図２から明らかであるように、プリーツ加工とも呼ばれる星形の断面を持つ二つの円筒形のフィルタエレメント１７が、リザーバ２の内部の出口管４の左右に取り付けられている。出口管４は、そのリザーバ２の内部に延びている部分領域において、いわゆるヒートパイプとしても構成され、複数の縦溝が設けられた外表面を有している。それにより、侵入した熱の、管４から液体への放出性を向上している。図４に符号１５で示される、管壁面のところで蒸発した液体は、そこに作用する毛管力に基づき後から流れてくる液体に取って代わられるために、表面のこの領域は再び湿潤され、管表面の乾燥は防止される；それと同時にこのプロセスにより熱が管４から放出される。それにより管４に沿った入熱は、濾過アダプタ３に向かって減少される。それ以外にも、本来の再点火の前に実施される冷却期に、管をそれほど強力に冷却する必要がなくなる。

侵入する残留熱を最小限化するために、図１から明らかであるように、リザーバ２は、二重壁構造の真空断熱仕様となっている。タンク内圧が約３ｂａｒと高いために、構造上の理由からリザーバ２はシェル要素として構成されている。始動前には、底面の断熱性を向上する目的で、この期の間に底面で動作され、始動直後には切り離すことができる真空ポンプが接続されるようにするとよい。それ以外にもリザーバ２の二重壁構造の壁面８の内部には、さらにもう一つの多層構造の断熱材、いわゆる多層断熱材(MLI: Multi-Layer-Insulation)が施され、輻射熱を絶縁するようになっている。ほかにもリザーバ２は、外側からもさらに発泡断熱材９により熱絶縁されている。

図３から明らかであるように、リザーバ２の内部には、リザーバ壁面から約６ないし８ミリメートルの距離をおいて、一つのＬ形の板６が取り付けられている。そこでは、この板６に設けられた複数の孔により、この板６を通り抜ける流れを可能にしている。複数の垂直なクロスリブ５により、このＬ形板６が補強されると同時に、リザーバ２からのガス抜きが促進されるようにしている。これらのクロスリブ５は、タンクに向かって若干テーパした形状で、互いに対して取り付けられている。それにより達成される毛管作用により、リザーバ２からのガスないしは蒸気の抜き取りを追加支援している。Ｌ形板６の角のところには、プリーツ加工された濾過器３が配置され、二つの垂直な端板および出口管４により、Ｌ形板６に接続されている。

板６は、複数の間隔保持片１４を介在してリザーバの内壁１０に接続されている。これらの間隔保持片１４は、濾過器３を高温のタンク壁面１、１’から熱的に良好に切り離すために、プリーツ加工された濾過器３から最大限可能な距離をおいて配置されている。ほかにも間隔保持片１４は、リザーバ壁面８とＬ形板６間の最適断熱を保証するように製造されている。

濾過器３は、一方ではリザーバ壁面８により、他方では穴あき板１１により、円筒切片に似た形状に限定されている。穴あき板１１は、その毛管作用に基づいて、濾過器３の再湿潤を保証する。発生した気泡は、リザーバ内壁１０とＬ形板６間の隙間を通り、リザーバ２から出て推進剤タンクの受け容器７の内部に押し戻される。

タンク壁面１’にリザーバ２に向かって設けられた、好ましくは円形ないしは長円形の複数の開口部１２、１３は、この両者の領域間の液体の交換も、またガスの交換も許容する。ガスないしは蒸気は、これらの開口部を通り、推進剤タンクの受け容器７の内部に戻されるが、推進剤タンクの受け容器７からの液体により、このガス体積を補充することができる。そこでは、出口管４の直径と概ね等しい直径を持つ、複数の大径の開口部１２が、リザーバ２の下側および上側の領域に、複数の小径の開口部１２が、リザーバの中央部分に備えられている。

ＬＨ２推進剤タンクの切片を、取出し装置とともに示した図である。 図１に示される取出し装置を、濾過アダプタの領域で切り取って上から見た図である。 図１および２に示される取出し装置の切片の三次元図である。 図１から３に示される取出し装置の内部の、いわゆるヒートパイプとして構成される出口管の切片の図である。

符号の説明

１、１’ タンクシェル／タンク壁面
２ リザーバ
３ 濾過器／濾過アダプタ
４ 推進剤管路／出口管
５ 板／クロスリブ
６ 板
７ 受け容器
８ リザーバ壁面
９ 発泡断熱材
１０ リザーバ内壁
１１ 穴あき板
１２ 開口部
１３ 開口部
１４ 間隔保持片
１５ 蒸発した液体
１７ フィルタエレメント

Claims (10)

1. 推進剤タンク、特にスペースクラフトの飛行運転用の極低温液体を貯蔵するためのタンクであって、移送媒体として利用される駆動ガス、ならびに、表面張力と静圧を利用して前記駆動ガスから推進剤の分離をもたらすようになっている、再充填可能なリザーバの形態をとる少なくとも一つの取出し装置を有している、推進剤タンクにおいて、
   前記取出し装置であるリザーバ（２）が、タンク壁面（１’）の外側の下側領域に配置されており、
   前記リザーバ（２）の内部に、円錐状のほぼＬ字形の板（６）が備えられ、その角のところに、切り取られた板（１１）が、一種の円筒切片のように配置されていることを特徴とする、推進剤タンク。
2. 請求項１に記載の推進剤タンクにおいて、前記リザーバ（２）が、二重壁構造の真空断熱仕様であることを特徴とする、推進剤タンク。
3. 請求項２に記載の推進剤タンクにおいて、前記リザーバ（２）が、前記真空領域にて、一つの多層構造の断熱フォイルによりさらに遮蔽されていることを特徴とする、推進剤タンク。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の推進剤タンクにおいて、前記リザーバ（２）が発泡断熱材（９）により外部に対して遮蔽されることを特徴とする、推進剤タンク。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の推進剤タンクにおいて、前記タンク壁面（１’）に、前記リザーバ（２）への導通部として複数の孔（１２、１３）が設けられていることを特徴とする、推進剤タンク。
6. 請求項１に記載の推進剤タンクにおいて、前記各板（６，１１）に複数の穴が設けられることを特徴とする、推進剤タンク。
7. 請求項１または６に記載の推進剤タンクにおいて、円筒状のプリーツ加工された濾過器（３）が、左右の端板により、ならびに、それに加えてさらに出口管（４）の領域で、前記Ｌ形板（６）に固定されていることを特徴とする、推進剤タンク。
8. 請求項６に記載の推進剤タンクにおいて、複数の板（５）が円錐形状で前記Ｌ形板（６）に取り付けられること、またその際にこれらが前記タンク壁面（１）との接触部を一切有さないことを特徴とする、推進剤タンク。
9. 請求項６に記載の推進剤タンクにおいて、前記各板（６，１１）を固定するための保持支点（１４）が、取出し地点として機能する前記濾過器（３）から最大限の距離をおいたところに備えられていることを特徴とする、推進剤タンク。
10. 請求項７に記載の推進剤タンクにおいて、前記出口管（４）が、その前記リザーバ（２）の内部に延びている領域にて、ヒートパイプとして構成され、その外表面に複数の縦溝が備えられていることを特徴とする、推進剤タンク。

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