JP6121541B2 - 宇宙航行体用の気蓄器及び宇宙航行体 - Google Patents

Description

本発明は、作動ガスを蓄圧する宇宙航行体用の気蓄器及び宇宙航行体に関するものである。

従来、ロケット上段に設けられ、燃料を貯蔵するタンクが知られている（例えば、特許文献１参照）。このタンクには、ガス供給及び取り出し装置が設けられており、タンク内にガスを供給することで、タンク内の燃料を取り出している。

特開２００８−１８９３０４号公報

ここで、タンクの内部に供給されるガスは、ロケットに設けられる気蓄器に蓄圧されている。ところで、ロケットまたは人工衛星等の宇宙航行体は、その重量が出来るだけ軽いことが望ましい。一方で、ガスが充填される気蓄器は、その重量が、例えば１個当たり２５ｋｇ前後と重いことから、ロケットの軽量化を図る上で妨げとなっている。特に、宇宙航行体の宇宙空間内の航行期間が長くなる場合には、気蓄器を多く搭載する必要があることから、ロケットの軽量化を図ることが困難となる。

そこで、本発明は、作動ガスを蓄圧すると共に、重量を軽減することができる宇宙航行体用の気蓄器及び宇宙航行体を提供することを課題とする。

本発明の宇宙航行体用の気蓄器は、中空円筒状の強度部材を用いて構成されるフレームを備える宇宙航行体に設けられる宇宙航行体用の気蓄器であって、前記強度部材の内部に、作動ガスを蓄圧可能な気蓄構造を有することを特徴とする。

また、本発明の宇宙航行体は、中空円筒状の強度部材を用いて構成されるフレームと、前記強度部材の内部に、作動ガスを蓄圧可能な気蓄構造を有する気蓄器と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、強度部材に気蓄構造を設けることで、強度部材を気蓄器の容器の一部として利用することができる。このため、強度部材を気蓄器として機能させることができることから、専用の気蓄器を設ける必要がなく、宇宙航行体の重量を軽減することができる。また、強度部材の剛性は、専用の気蓄器に比して高くなっている。このとき、専用の気蓄器は、重量を軽減するために、肉厚を薄くしつつ内部のガス圧を高圧にすることから、専用の気蓄器への作動ガスの充填作業は、作業員を退避させ、安全性の高い作業環境で行う必要がある。一方で、本発明では、剛性の高い強度部材を気蓄器の容器の一部として利用することができるため、作業員を退避させることなく、充填作業を行うことができ、専用の気蓄器に比して作動ガスの充填作業を安全に行うことができる。

また、前記気蓄構造を有する前記強度部材は、内部洗浄後に前記作動ガスが蓄圧されることが好ましい。

この構成によれば、強度部材の内部洗浄後に、作動ガスを強度部材内に充填することができるため、強度部材内へのダストの混入を抑制することができる。このため、ダストによる詰まり、またはダストによる機器の作動不良等の発生を抑制することができる。

また、前記気蓄構造は、前記強度部材の内部に設けられる対向する一対の管板と、前記一方の管板に設けられ、前記一対の管板により区画された前記強度部材の内外において、前記作動ガスを流通させるための配管が接続される継手と、を有することが好ましい。

この構成によれば、気蓄構造を、一対の管板と継手とにより簡易な構成にすることができる。また、一対の管板により区画された強度部材の内部に、継手を介して作動ガスを充填したり、強度部材の内部に蓄圧された作動ガスを、継手を介して排出したりすることができる。

また、前記強度部材は、全周に亘って複数設けられ、一方の前記強度部材の内部と、他方の前記強度部材の内部とを連通する連通管を、さらに備えることが好ましい。

この構成によれば、気蓄構造を有する強度部材を複数設ける場合、連通管により複数の強度部材の内部を接続することができる。このため、気蓄構造を有する複数の強度部材を、単一の気蓄器として使用することができる。

また、前記強度部材は、全周に亘って複数設けられ、前記作動ガスが使用される設備を、さらに備え、前記設備に最も近い前記強度部材に、前記気蓄構造を設けると共に、前記強度部材と前記設備とを配管により接続することが好ましい。

この構成によれば、設備に最も近い強度部材に気蓄構造を設けることができるため、強度部材と設備とを接続する配管の長さを短くすることができる。このため、配管の長さを短くすることができる分、配管の重量を軽減することができ、これにより、宇宙航行体の重量の軽減を図ることができる。

図１は、本実施例に係る宇宙航行体としてのロケットを模式的に表した概略構成図である。 図２は、気蓄器を模式的に表した概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施例に係る宇宙航行体としてのロケットの一部を模式的に表した概略構成図であり、図２は、気蓄器を模式的に表した概略構成図である。図１及び図２に示すように、本実施例の気蓄器１０は、宇宙航行体に設けられ、宇宙航行体で使用される作動ガスを蓄圧するものである。ここで、宇宙航行体としては、ロケット等の飛翔体、人工衛星または宇宙基地等があり、本実施例の気蓄器１０は、ロケットに適用されている。なお、本実施例では、気蓄器１０を多段式ロケットの２段目のロケットに適用して説明するが、気蓄器１０は、ロケットのいずれの段数であっても適用が可能であり、また、人工衛星または宇宙基地等の宇宙航行体に適用してもよく、特に限定されない。先ず、図１を参照して、気蓄器１０が設けられる２段目のロケット１（以下、単にロケットという）について説明する。

図１に示すように、ロケット１は、フレーム５と、フレーム５の一方側に支持される燃料タンク６と、フレーム５の他方側に支持される酸化剤タンク７と、燃料を燃焼させて推進力を発生させるロケットエンジン８と、気蓄器１０とを備えている。

フレーム５は、トラス構造となっており、燃料タンク６側（一方側：図示上側）に設けられる第１支持部材１１と、酸化剤タンク７側（他方側：図示下側）に設けられる第２支持部材１２と、第１支持部材１１と第２支持部材１２との間に設けられる複数の強度部材１３とを有している。

第１支持部材１１は、燃料タンク６の外側の全周に亘って環状に設けられている。この第１支持部材１１には、強度部材１３の一端が接続される。第２支持部材１２は、酸化剤タンク７の外側の全周に亘って環状に設けられている。この第２支持部材１２には、強度部材１３の他端が接続される。複数の強度部材１３は、第１支持部材１１と第２支持部材１２との間に設けられている。そして、複数の強度部材１３は、複数の強度部材１３、第１支持部材１１及び第２支持部材１２で三角形状を形成するように、全周に亘って配置されている。各強度部材１３は、内部が中空となる円筒形状に形成されている。なお、詳細は後述するが、この強度部材１３の内部には、作動ガスを蓄圧可能な気蓄構造２０が設けられている。

燃料タンク６は、例えば、燃料として液体水素を溜める液体水素タンクとなっており、円筒形状に形成されている。燃料タンク６は、気蓄器１０から作動ガスが供給されることで、ロケットエンジン８へ向けて液体水素を供給可能となっている。酸化剤タンク７は、例えば、酸化剤として液体酸素を溜める液体酸素タンクとなっており、円筒形状に形成されている。酸化剤タンク７は、気蓄器１０から作動ガスが供給されることで、ロケットエンジン８へ向けて液体酸素を供給可能となっている。そして、燃料タンク６及び酸化剤タンク７は、フレーム５を挟んで対向して配置されている。

ロケットエンジン８は、酸化剤タンク７の他方側（図示下側）、つまり、酸化剤タンク７を挟んで、燃料タンク６の反対側に設けられている。ロケットエンジン８は、燃料タンク６から供給された液体水素及び酸化剤タンク７から供給された液体酸素を混合して燃焼させることで、推進力を発生させる。

次に、図２を参照して、気蓄器１０について説明する。図２に示すように、気蓄器１０は、中空円筒状の強度部材１３の内部に、気蓄構造２０を設けることで、作動ガスを蓄圧可能となっている。気蓄器１０は、蓄圧した作動ガスを、燃料タンク６及び酸化剤タンク７へ向けて供給可能となっている。また、気蓄器１０は、燃料タンク６及び酸化剤タンク７の他、ロケットエンジン８、ロケット１に設けられる機体システムを制御するための各種バルブ、姿勢制御及び軌道を修正するスラスタ等へ向けて、蓄圧した作動ガスを供給可能となっている。つまり、燃料タンク６、酸化剤タンク７及びスラスタ等は、作動ガスが使用される設備となっている。

ここで、気蓄器１０に蓄圧される作動ガスとしては、例えば、ヘリウムガスが用いられる。なお、作動ガスは、ヘリウムガスに限定されず、不活性ガスであればいずれであってもよく、例えば、窒素ガスまたはアルゴンガス等を用いてもよい。

気蓄器１０は、強度部材１３を容器の一部として利用している。このとき、強度部材１３の肉厚は、例えば、１０ｍｍ〜２０ｍｍとなっている。これに対し、ロケット１に搭載される専用の気蓄器の肉厚は、例えば、約３ｍｍとなっている。このため、強度部材１３の肉厚は、専用の気蓄器の肉厚に比して厚くなっていることから、本実施例の気蓄器１０の剛性は、専用の気蓄器の剛性に比して高くなっている。また、強度部材１３は、その外径が、約１００ｍｍ前後となっており、その長手方向（軸方向）における長さが、約１０００ｍｍ〜２０００ｍｍとなっている。

所定の強度部材１３の内部に設けられる気蓄構造２０は、一対の管板２１，２２と、充填用継手２３と、排出用継手２４と、を有している。一対の管板２１，２２のうち、一方の管板２１は、強度部材１３の軸方向の一方側（図示上側）に設けられ、他方の管板２２は、強度部材１３の軸方向の他方側（図示下側）に設けられている。このため、強度部材１３の内部は、一対の管板２１，２２により区画される。また、一対の管板２１，２２は、溶接等により強度部材１３の内部へ接合されていることから、強度部材１３と管板２１，２２との間は、気密に封止された構造となっている。このため、強度部材１３の内部から、作動ガスが漏出することを抑制することができる。

充填用継手２３は、一方の管板２１に設けられ、作動ガスの充填時に使用される。充填用継手２３は、強度部材１３の内部に作動ガスを充填する場合に、ガス充填管が接続される。作動ガスは、充填用継手２３を介して、強度部材１３の内部に供給される。なお、ガス充填管は、作動ガスの充填が終了すると取り外される。

排出用継手２４は、一方の管板２１に設けられ、作動ガスの排出時に使用される。排出用継手２４は、燃料タンク６、酸化剤タンク７及びスラスタ等の設備に、排出配管２５を介して接続されている。強度部材１３の内部に充填された作動ガスは、排出用継手２４及び排出配管２５を介して、燃料タンク６、酸化剤タンク７及びスラスタ等の設備へ向けて供給される。

上記のように構成された気蓄器１０は、作動ガスの充填前に、内部洗浄が行われることで、一対の管板２１，２２により区画された強度部材１３の内部に付着するダストを排出する。

以上のように、本実施例の構成によれば、強度部材１３の内部に気蓄構造２０を設けることで、強度部材１３を気蓄器１０の容器の一部として利用することができる。このため、強度部材１３を気蓄器１０として機能させることができることから、専用の気蓄器を設ける必要がなく、ロケット１の重量を軽減することができる。また、強度部材１３の剛性は、専用の気蓄器に比して高くなっている。このとき、専用の気蓄器は、重量を軽減するために、肉厚を薄くしつつ内部のガス圧を高圧にすることから、専用の気蓄器への作動ガスの充填作業は、作業員を退避させ、安全性の高い作業環境で行う必要がある。一方で、本実施例の気蓄器１０では、剛性の高い強度部材１３を気蓄器１０の容器の一部として利用することができるため、作業員を退避させることなく、充填作業を行うことができ、専用の気蓄器に比して作動ガスの充填作業を安全に行うことができる。

また、本実施例の構成によれば、強度部材１３の内部洗浄後に、作動ガスを強度部材１３内に充填することができるため、強度部材１３内へのダストの混入を抑制することができる。このため、ダストによる詰まり、またはダストによる機器の作動不良等の発生を抑制することができる。

また、本実施例の構成によれば、気蓄構造２０を、一対の管板２１，２２と各種継手２３，２４とにより簡易な構成にすることができる。また、一対の管板２１，２２により区画された強度部材１３の内部に、充填用継手２３を介して作動ガスを充填したり、強度部材１３の内部に蓄圧された作動ガスを、排出用継手２４を介して排出したりすることができる。

なお、本実施例において、気蓄器１０は、気蓄構造２０を有する強度部材１３を単体により構成してもよいし、気蓄構造２０を有する強度部材１３を複数設けて構成してもよい。ここで、複数の強度部材１３に気蓄構造２０をそれぞれ設けて気蓄器１０を構成する場合、複数の強度部材１３の内部を、連通管を用いて接続してもよい。この構成によれば、気蓄構造２０を有する複数の強度部材１３を、単一の気蓄器１０として使用することができる。

また、複数の強度部材１３に気蓄構造２０をそれぞれ設けて気蓄器１０を構成する場合、燃料タンク６、酸化剤タンク７及びスラスタ等の設備に最も近い強度部材１３に、気蓄構造２０を設けてもよい。この構成によれば、強度部材１３の排出用継手２４と各設備とを接続する排出配管２５を短くすることができる。このため、排出配管２５の長さを短くすることができる分、排出配管２５の重量を軽減することができ、これにより、ロケット１の重量の軽減を図ることができる。この場合、複数の強度部材１３の内部を、連通管を用いて接続してもよいし、接続しなくてもよい。

１ ロケット
５ フレーム
６ 燃料タンク
７ 酸化剤タンク
８ ロケットエンジン
１０ 気蓄器
１１ 第１支持部材
１２ 第２支持部材
１３ 強度部材
２０ 気蓄構造
２１，２２ 管板
２３ 充填用継手
２４ 排出用継手
２５ 排出配管

Claims (6)

1. 中空円筒状の強度部材を用いて構成される構造体であるフレームを備える宇宙航行体に設けられ、前記宇宙航行体で使用される作動ガスを、前記作動ガスが使用される設備へ供給可能な宇宙航行体用の気蓄器であって、
   前記強度部材の内部に、前記作動ガスを蓄圧可能な気蓄構造を有することを特徴とする宇宙航行体用の気蓄器。
2. 前記気蓄構造を有する前記強度部材は、内部洗浄後に前記作動ガスが蓄圧されることを特徴とする請求項１に記載の宇宙航行体用の気蓄器。
3. 前記気蓄構造は、
   前記強度部材の内部に設けられる対向する一対の管板と、
   前記一対の管板の一方に設けられ、前記一対の管板により区画された前記強度部材の内外において、前記作動ガスを流通させるための配管が接続される継手と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙航行体用の気蓄器。
4. 前記強度部材は、環状の支持部材に接続され、前記支持部材の全周に亘って複数設けられ、
   一方の前記強度部材の内部と、他方の前記強度部材の内部とを連通する連通管を、さらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の宇宙航行体用の気蓄器。
5. 前記強度部材は、環状の支持部材に接続され、前記支持部材の全周に亘って複数設けられ、
   前記作動ガスが使用される設備を、さらに備え、
   前記設備に最も近い前記強度部材に、前記気蓄構造を設けると共に、前記強度部材と前記設備とを配管により接続することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の宇宙航行体用の気蓄器。
6. 中空円筒状の強度部材を用いて構成される構造体であるフレームと、
   前記強度部材の内部に、宇宙航行体で使用される作動ガスを蓄圧可能な気蓄構造を有する気蓄器と、を備え、
   前記気畜器は、前記作動ガスを、前記作動ガスが使用される設備へ供給することを特徴とする宇宙航行体。

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