JP2008189304A - 極低温液体および貯蔵可能な燃料を貯蔵するためのタンク - Google Patents

Abstract

【課題】極低温液体および貯蔵可能な燃料を貯蔵するためのタンクを提供する。
【解決手段】液体からの推進ガスの分離は、フィルタを用いてかつ表面張力を利用して行われる。ガス供給および取り出し装置４，５はタンク１の上部領域に配置され、かつ周囲側に配置されてタンクに向かって拡大する、バッフル板によって覆われる一列の開口部６，７，８，９を備える。開口部には、前後に交互に配置された金属シートが設けられる。開口部は、二重フィルタを介してガス供給および取り出し装置のハウジングの内部とそれぞれ結合され、この内部に、ハウジングの長手軸に対し並列に延在する別の金属シートが配置される。ガス供給および取り出し装置内に侵入する液体は、次の主推進段階の際にタンク内に戻されるまで、弾道段階中に貯蔵槽に貯蔵される。
【選択図】図１

Description

本発明は、搬送媒体として使用される推進ガスを有し、ならびに再充填可能な貯蔵槽の形態の少なくとも１つの充填および取り出し装置を有する、スペースクラフトを動かすための極低温液体または貯蔵可能な燃料を貯蔵するためのタンクであって、フィルタを用いてかつ表面張力を利用して液体からの推進ガスの分離がもたらされるタンクに関する。

この種類のタンクでは、推進ガスは、その中に含まれる液体成分、すなわち、一方で燃料、および他方で酸化剤を燃焼または反応室内に搬送するために使用される。推進ガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ_２）などの活性ガスが通常使用され、これらは、圧力下で燃料または酸化剤容器内に押入され、これによって、それぞれの駆動装置に通じる管路系内に燃料および酸化剤を押入する。この場合、重要なことは、搬送媒体として使用される推進ガスと駆動装置内に達する燃料または酸化剤との間の完全かつ確実な分離であるが、この理由は、燃料または酸化剤に他のガスの混入が絶対にあってはならないからである。

極低温の液体では、特に液体の水素では、燃料の加熱は、蒸発効果のため時間の経過につれ、一般にタンク内の圧力上昇をもたらす。発生する過圧は、タンクの構造的な完全性を確保するために、上方限界値に達成した際にタンクから排出されなければならない。この問題は、特に、軌道において無重力の状態で長時間にわたって作動しなければならない極低温の宇宙飛行システムに生じる。この場合、タンク内に存在するガスは、同様にスペースクラフトの位置制御のために頻繁に使用される。このことは、追加の駆動システムと比較して廉価であり、かつ位置制御に十分な推力生成の変形例である。この場合、低温のガスは、１つまたは複数の推力ノズルを介して燃料タンクから真空中に向けて放出される。

このプロセスの際、ガス液体混合物がタンクから真空中に放出され、このように、混合比に応じた液体およびガスの異なる密度により、一定でない推力特性がもたらされる。次に、宇宙船の制御アルゴリズムは、ミッション要求に応じてこの推力の変更を補正しなければならない。さらに、ガス取り出し装置からの液体の排出は、宇宙船の主駆動装置のために燃料がもはや利用できないという点で望ましくない。

気相および液相の確実な分離のために、従来、宇宙飛行で次の方法が利用されている。
−燃料の加熱によって、燃料タンクから出てくる液体が気化される。この方法は、液体を気化するために高いエネルギ需要を必要とする。
−減圧の時点に燃料がガス出口に存在しないように行われる追加の加速が加えられる。このことにより、追加の駆動システムを用いた適切な加速が必要とされ、このことは、一般に比較的高価である。さらに、放圧の前にミッション特性の適合が必要である。

さらに、特許文献１から、ガス状の相から液体を分離するための相分離器の使用が公知であり、この場合、この公知の装置では、低加速段階のための相分離器が使用され、超伝導磁石を使用して分離が行われる。さらに、特許文献２は、ポンプおよび一列のバルブが設けられる相分離器を記載している。最後に、特許文献３に記載された相分離器では、液体混合ガスが回転されるプロペラが使用され、かつポリエチレンまたはナイロンからなる膜により液体、この場合水が分離される。この公知のシステムは、燃料電池と共に使用するために用意され、極低温液体の分離には適していない。特許文献４および特許文献５から公知の別の装置は、地球の重力場における使用に限定される。

米国特許第４０２７４９４号明細書 米国特許第４８４８９８７号明細書 米国特許第７０７７８８５Ｂ２号明細書 米国特許第４４３５１９６号明細書 米国特許第４６１７０３１号明細書

本発明の課題は、多様な加速の際の極低温および非極低温両方の燃料および液体の確実な相分離が、宇宙飛行システムに生じるような弾道飛行段階中の低加速から主推進段階中の高加速まで保証されるように、冒頭に述べた種類のタンクを形成することである。

この課題は、本発明により、このようなタンクにおいて、充填または取り出し装置がタンクの上部領域に配置され、かつ略円筒形のハウジングから構成され、このハウジングが、周囲側に配置されてタンクに向かって拡大する一列の開口部と、少なくとも１つの駆動装置に通じる取り出し管とを備え、開口部が、前後に交互に配置された、開口部内に突出する金属シートを備え、かつ二重フィルタを介してハウジングの内部と結合され、かつハウジングの内壁に、ハウジングの長手軸に対し並列に延在する金属シートが配置されることが意図されることによって解決される。

タンクに向かって拡大し、したがってほぼラッパ状に形成された開口部は、この場合、毛管状金属シートを組み込むことによって、液体の侵入が大部分防止されるように形成される。例えば、より大きな液体運動のため、取り出し装置の内部に液体が侵入すると、液体は、毛管状金属シートによって貯蔵槽の内部に排出され、これによってガスから分離される。この場合、本発明によるタンクに設けられる取り出し装置は、金属シートにより受動部品のみから構成され、例えば弁を備えないという利点を有する。したがって、全体のシステムは、例えば、前加速に頼るかまたは燃料の気化による相分離をもたらすシステムに当てはまるような追加の制御を必要としない。したがって、本発明によるタンクは、アクティブシステムと較べ本質的に単純化された構造、堅牢性の向上およびコスト低減を特徴とし、かつ宇宙飛行の上段および運搬船に現れるような加速飛行段階におけるのと同様に、加速低減の段階中、すなわち弾道段階中の液体を含まないガスの搬送を可能にする。

本発明によるタンクにより、簡単な方法で、加速および無重力の状態の両方の場合、圧縮ガスの排出によってタンク圧を低減する際に、推進ガスまたはタンク内に存在する蒸気のみが残留液なしに漏れることが保証される。さらに、本発明によって、推進ガスの供給が可能である。タンク温度に対し、高温の活性ガスが導入されると、取り出し装置内の液体の蒸発制御により、存在する限り、圧縮ガスに関し追加の質量節約がもたらされる。

以下に、図面に示した実施形態を参照して本発明について詳細に説明する。

図１に示したタンク１と２の場合、主駆動装置１２を有するロケット上段３に通常配置されるようなタンクが対象とされる。両方のタンク１、２の各々には、それぞれ１つのガス供給および取り出し装置４または５がある。この場合、装置４と５は同様に構成され、それぞれのタンク形状に関係するそれらの構造長さによってのみ区別される。外側に向かって拡大するラッパ状開口部６、７、８、９は、それぞれ、タンク１または２と、ガス供給および取り出し装置４と５との間の結合を示している。管１０または１１により、ガス供給および取り出し装置４と５と、タンクの外側の管路系とが結合され、この管路系は駆動装置１２に通じ、かつ表示の分かりやすさの理由から図示していない。この場合、管１０または１１は、構造に応じて、任意の箇所においてタンク１と２から離れることができる。ラッパ状開口部６、７、８、９は、タンク１と２で、それぞれ４つの開口部６、８が燃料タンク内の完全に上部にあり、かつ４つの別の開口部７と９がタンク１、２のほぼ中央にあるようにそれぞれ配置される。

この場合、それぞれのタンク１と２内のラッパ状開口部６、７、８、９の位置は、様々なミッション段階中、開口部のほぼ少なくとも１つが液体によって完全に囲まれない限り、最適化され、この場合、システムは同時にすべての開口部の短時間のカバーを許容する。この段階中、システムの内部は液体で充填され、一方、この液体によって押し退けられたガス量は排出される。

異なるミッション段階中に液体１３が存在できるタンク１と２内の場所が、図２と３に示されている。ミッション段階は、次のように区別される。
−高加速の段階（図２）、この段階はミッション段階を維持し、この段階中、主駆動装置１２は点火しており、線形加速を生成する。この場合、液体は、図の右側部分に示されているようにタンクの下方領域にある。タンクが回転すると、液体はタンクの外側領域に溜まり、したがって、ガス供給および取り出し装置４、５に対する結合を有しない。この状況は、図の左側部分に示されている。
−最初に、すなわちミッションの開始時に、ロケットが地上にある場合、タンク１、２、したがって、ガス供給および取り出し装置４と５も、ほぼ液体で充填される。主駆動装置１２の第１の点火中、貯蔵槽は空にされる。燃料取り出しのこの段階で、タンク１と２において、それぞれのガス供給および取り出し装置４、５を介して、ガスがタンク１と２に導入され、抽出された液体に代わってこのガスが置き換わる。第１の点火が終了すると、ガス供給および取り出し装置４または５の下方開口部９と１０が、それぞれのタンクになお残る液体とは結合しないように、貯蔵槽は寸法決めされ、この結果、システムに液体は含まれない。
−例えば、衛星の展開中の（図３）低加速による弾道飛行段階、ここでは、液体は、タンク１または２内で無秩序な運動にあり、ガス供給および取り出し装置４または５の開口部９と１０に時おり達することがある。

両方のガス供給および取り出し装置４、５の図４に示した様々な断面図によれば、外側に向かって拡大する開口部６、７、８、９の内部に、一列の金属シート１４がある。金属シート１４はまた、フィルタプレートまたは開口プレートの形態で形成することができる。金属シート１４は、開口部６、７、８、９の壁部と共にそれぞれ１つの鋭角を形成するように前後に配置される。ラッパ状開口部６、７、８、９の前に配置されるバッフル板３５は、液体の大部分がラッパ状開口部６、７、８、９を通って流れるように配慮する。この場合、バッフル板３５は、バッフル板３５と円錐状の曲げられた拡張部３４によって形成された間隙３６が、外側に向かって常に狭くなるように配置される。この結果、間隙内に侵入する液体は、毛管作用によりバッフル板３５の曲げられた領域に大部分留まって、ラッパ状開口部６、７、８、９にさらに侵入しない。それにもかかわらず、侵入する液体は、毛管作用により強化されて、開口部６、７、８、９の壁部と共に金属シート１４を形成する縁部１５に溜まる。この場合、金属シート２４は、比較的少ない液体のみがここに溜まることができるように非常に狭く形成される。ラッパ状開口部６、７、８、９の各々の首部は、図５に示したように、それぞれ二重フィルタスリーブ１６から形成される。さらに、断面図Ａ−ＡとＢ−Ｂから推定されるように、ラッパ状開口部６、７、８、９は、それぞれのガス供給および取り出し装置４、５のハウジングにほぼ接線方向に配置される。

図５のこのような二重フィルタスリーブ１６の構造の分解図が示すように、２つのフィルタ１７は、それぞれ２つの穴あきプレート１８によって境界が定められ、フィルタ１７および穴あきプレート１８とからなる組み合わせ部の間に、さらに２つの円筒状スリーブ１９と２０が同心に互いの中に位置して配置され、この内、内側スリーブ２０には穴が設けられる。水分が開口部６、７、８、９の内の１つの首部領域に侵入すると、フィルタ１７と穴あきプレート１８との間またはスリーブ１９と孔スリーブ２０との間の領域の湿潤により、固体構造の完全な湿潤および二重フィルタスリーブ１６の内部領域のガス泡の封入がもたらされる。液体の侵入は、両方のフィルタ１７のいわゆる発泡点圧力によって低減される。この発泡点圧力は、ガス泡を二重フィルタスリーブ１６の内部領域から除去するために、流れにより加えられなければならない圧力である。より大きな量の液体の侵入は、これによって有効に最小化される。この場合、必要な発泡点圧力は、液体混合ガスの流れ速度に関係する。

さらに図４から理解できるように、二重フィルタスリーブ１６の後方に、溶接エッジから、またはこの代わりに、それぞれの開口部６、７、８、９の管壁２２に対し垂直に配置されたリングディスクからなることができる湿気遮断部２１がある。

ラッパ状開口部６、７、８、９は、ここに示した実施形態の場合にほぼ円筒状に形成されたそれぞれのガス供給および取り出し装置４、５の内部領域２３内にほぼ接線方向に開口し、この領域に、場合によっては侵入する液体の残量が受容される。ラッパ状開口部６、７、８、９の接線方向の配置により、侵入する液体混合ガスの回転が発生され、これによって位相の分離が改善される。この代わりに、容積を拡大するため、内部領域２３は他の幾何学的形状または可変の直径を有することもでき、例えば球状の内部領域を選択することができるかまたは円筒形の代わりに正方形も選択することができる。

内部領域２３は、開口部６、７、８、９を通して侵入する液体の残量を貯蔵槽領域、すなわち内部領域２３内に誘導する一列の毛管状金属シート２４を備える。毛管状金属シート２４は、それぞれのガス供給および取り出し装置４、５のハウジングを同時に形成するスリーブ２５の内壁に取り付けられ、かつ開口部６、７、８、９の近傍に比較的狭く形成されるので、より多くの液体量はそこに集まることができない。毛管の充填挙動を最適化するため、図４の断面図Ｃ−Ｃから認識できるように、毛管状金属シート２４は交互に狭くそして広く形成される。

スリーブ２５の中心には、毛管状金属シート２４がないので、この領域にガスが集まることが好ましい。図面では各々の充填および取り出し装置４、５の駆動装置１２と反対側の上端２６には、さらに分離室２７があり、その内部構造は、特に図４の断面図Ａ−Ａから理解される。この分離室２７には、フィルタ要素３０が螺旋状に取り付けられ、この場合、フィルタ要素３０の屈曲により、ガス内に存在する残留液がフィルタに溜まるようにされる。星形に配置された毛管状金属シート２４の１つ、毛管状金属シート２８は、分離室２７の方向で、毛管状金属シート２８がフィルタ要素３０の外側端部に達し、これによって、分離室２７から排出される残留液が再び貯蔵槽領域２３に戻るまで、ハウジング２５の縦方向に延長される。

したがって、相の分離は、大部分毛管作用により行われる。ガス供給および取り出し装置４、５の中心領域にそれぞれ配置された取り出し管２９は、分離されたガスをガス供給および取り出し装置４、５から、したがって、それぞれの燃料タンク１、２から導く。取り出し管２９は、図５に示したように、ガス供給および取り出し装置４、５の内部領域２３の全体を通ることができるか、またはタンク仕様に応じて、同様に反対方向に上方にガス供給および取り出し装置４、５から離れることができる。常に、必要に応じて、それぞれ付設された管１０または１１を介して各々の取り出し管２９を消費機器と結合することができる。

図６には、図４に示した配置の開口部６〜９の内の１つについて、それぞれのタンク１、２に含まれる液体３１を開口部に付勢する場合の流れ、およびガスからのこの液体３１の分離が概略的に示され、この場合、ガス供給および取り出し装置４、５の内部の液体３１およびガス３２の経路は、それぞれ矢印で示されている。この配置により、貯蔵槽領域２３の毛管状金属シート２４の領域に液体が完全に充填されるまで、確実な相分離が可能になる。したがって、貯蔵槽２３の大きさは、弾道段階に十分であるように寸法決めされる。

貯蔵槽２３の排出は、図７に最後に概略的に示されているように、駆動装置１２の方向に液体３１に対し作用する図に矢印３３で示された加速が発生されることによって、駆動装置１２の方向に置かれた下方の開口部７と９を介して可能である。この場合、開口部６、７、８、９および金属シート１４は、下方に斜めを指すように形成される。これによって、このような加速段階に貯蔵槽が完全に空になることが保証される。

記載した配置により、タンク内の圧縮ガスのガスを含まない排出、およびヘリウムおよび窒素などの活性ガスまたはタンクを加圧するために送り返される蒸気の供給の両方が可能になる。タンク温度に対し高温の活性ガスが導入されると、装置内の液体の蒸発制御により、少なくとも燃料出口の近傍では望ましくないようなタンク内の液体が蒸発によって影響を受けることなしに、追加の質量節約が行われる。

水素および酸素用のタンクと、その中に組み込まれた取り出し装置とを有する上段のタンク装置の部分断面図である。 高加速段階中の図１によるタンク内の液体状態の２つの図面である。 低加速段階中の図１によるタンク内の液体状態の様々な図面である。 図１による配置の取り出し装置の様々な断面図である。 図４による配置の細部の分解図である。 図４に示した配置における多段液体分離のプロセスの図面である。 図４に示した配置における加速段階中の液体排出の図面である。

符号の説明

１、２ タンク
３ ロケット上段
４、５ ガス供給および取り出し装置
６、７、８、９ ラッパ状開口部
１０、１１ 管
１２ 主駆動装置
１３ 液体
１４ 金属シート
１５ 縁部
１６ 二重フィルタスリーブ
１７ フィルタ
１８ 穴あきプレート
１９、２０ 円筒状スリーブ
２１ 湿気遮断部
２２ 管壁
２３ 内部領域
２４ 毛管状金属シート
２５ ハウジング
２６ 上端
２７ 分離室
２８ 毛管状金属シート
２９ 取り出し管
３０ フィルタ要素
３１ 液体
３２ ガス
３３ 矢印
３４ 拡張部
３５ バッフル板

Claims (8)

1. 搬送媒体として使用される推進ガスを有し、ならびに再充填可能な貯蔵槽の形態をした少なくとも１つのガス供給および取り出し装置を有する、スペースクラフトを動かすための極低温液体または貯蔵可能な燃料を貯蔵するためのタンクであって、フィルタを用いてかつ表面張力を利用して液体からの推進ガスの分離をもたらすタンクにおいて、
   前記ガス供給および取り出し装置（４、５）が前記タンク（１、２）の上部領域に配置され、かつ略円筒形のハウジング（２５）から構成され、当該ハウジングが、周囲側に配置されて前記タンク（１、２）に向かって拡大する、バッフル板（３５）によって覆われた一列の開口部（６、７、８、９）と、少なくとも１つの出口に通じる取り出し管（２９）とを備え、前記開口部（６、７、８、９）が、前後に交互に配置されかつ前記開口部（６、７、８、９）内に突出する金属シート（１４）を備え、かつ二重フィルタ（１６）を介して前記ハウジング（２５）の内部と結合され、前記ハウジング（２５）の内壁に、前記ハウジング（２５）の長手軸に対し並列に延在する金属シート（２４）が配置されることを特徴とするタンク。
2. 前記ハウジング（２５）の端部領域に分離室（２７）が配置されることを特徴とする、請求項１に記載のタンク。
3. 前記分離室（２７）の内部に螺旋状に形成されたフィルタ（３０）が配置されることと、前記金属シート（２４）の少なくとも１つが前記分離室（２７）と結合していることを特徴とする、請求項２に記載のタンク。
4. 前記ラッパ状開口部（６、７、８、９）が、前記ハウジング（２５）にほぼ接線方向に配置され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タンク。
5. 前記ハウジング（２５）が局所的により大きな直径を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタンク。
6. 前記タンクが、液体水素および液体酸素などの極低温液体を収容するために形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタンク。
7. 前記タンクが、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）およびヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）のような貯蔵可能な燃料を収容するために形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタンク。
8. 前記タンクが、四酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ_４）などの酸化剤を収容するために形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタンク。

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