JP4858981B2 - バルブレス液体供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、バルブレス液体供給装置に関し、特に液体推進剤を用いる液体ロケットまたはハイブリッドロケットに好適なバルブレス液体供給装置に関する。

液体の推進剤を用いる液体ロケット（燃料、酸化剤ともに液体）や、液体と固体の推進剤を用いるハイブリッドロケット（主に、燃料は固体、酸化剤は液体）では、液体の推進剤として、通常、極低温の液体（例えば、液体酸化剤としての液体酸素）が用いられる。

極低温の液体を、バルブを介して供給する場合は、通常、極低温用のバルブが使用される。使用するバルブが極低温用でない場合は、極低温に耐えうる適当なシール材がなく、バルブが凍り付いて動かなくなることがあるためである。しかし、極低温用のバルブは、構造が複雑で、大きくて重たく、しかも高価である。そのため、バルブを使用せずに極低温の液体を供給するシステム（以下「バルブレス液体供給システム」という）が提案されている。

従来のバルブレス液体供給システムとして、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。

図６は、特許文献１に記載された従来のバルブレス液体供給システムの構成を示す概略図である。

図６に示すバルブレス液体供給システム１０は、固体燃料（固体推進剤）を液体酸化剤（液体推進剤）により燃焼させてジェット推進力を得るハイブリッドロケットに適用されている。このバルブレス液体供給システム１０では、液体推進剤を一時貯蔵する液体タンク１２は燃焼室１４の周囲に配置されている。液体タンク１２には、液体タンク１２を加圧するための高圧ガス源１６が、三方弁１８を介して接続されている。燃焼室１４には、頭部に液体推進剤を噴射する噴射器２０が、尾部にロケットノズル２２が、それぞれ設けられている。液体タンク１２と燃焼室１４とは、バルブレスの配管２４で接続されている。三方弁１８によって、液体タンク１２と燃焼室１４をつなぐラインと、液体タンク１２と高圧ガス源１６をつなぐラインとが切り替えられる。

特に、このバルブレス液体供給システム１０では、液体タンク１２内の液面２６を噴射器２０よりも低くしている。これにより、液面２６の加圧の有無により燃焼室１４への液体推進剤供給の有無を制御することができ、もって液体タンク１２から燃焼室１４への液体推進剤流路（配管２４）からバルブを排除することができる。そして、このバルブレス化の実現により、小型ロケットへの適用が可能になる。
特開２００５−５４６４９号公報

しかしながら、上記した従来のバルブレス液体供給システムでは、液体タンク１２内の液面２６を噴射器２０よりも低くしなければならないため、液体タンク１２を燃焼室１４の上部に配置することができない。このため、上記のように液体タンク１２を燃焼室１４の周囲に配置するなど、液体タンク１２は複雑な形状にならざるを得ない。このとき、液体タンク１２と燃焼室１４は一体的に配置されてロケットエンジンを構成している。また、液体タンク１２の形状が複雑になれば、液体タンク１２の断熱が困難となり、極低温液体の保持も困難となる。さらには、液体タンク１２を燃焼室１４の周囲に配置することにより、ロケット機体の断面積が増加し、空気抵抗の増大を招くことになる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンクの配置位置の制約をなくすことができるバルブレス液体供給装置を提供することを目的とする。

本発明のバルブレス液体供給装置は、液面への加圧により極低温の液体をバルブレスで外部に供給するバルブレス液体供給装置であって、前記液体を一時貯蔵する液体タンクと、前記液体タンクの天井部から下方に伸張する内管と、前記内管の内側上部に開口端部を有する供給管と、を有し、前記供給管の前記開口端部は、前記液体充填後の前記内管内の液面の初期位置よりも高い位置に配置され、前記供給管は、前記内管内の液面が初期位置から上昇したときに前記内管内から流入した前記液体を外部に供給する、構成を採る。

本発明によれば、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンクの配置位置の制約をなくすことができる。

したがって、例えば、本発明のバルブレス液体供給装置をロケット（特に液体ロケットまたはハイブリッドロケット）に適用した場合には、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンクをロケットエンジンから分離して噴射器よりも高い位置に配置することができる。すなわち、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、極低温の液体をロケットエンジンから切り離して別置きとすることができる。これにより、極低温の液体を用いた場合の断熱および液体保持能力を向上することができる。また、ロケット機体の断面積が減少し、空気抵抗を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において共通する部材には同一の符号を付し、重複説明回避のため、適宜、その説明を省略する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るバルブレス液体供給装置の構成を示す概略図である。

このバルブレス液体供給装置１００は、液体推進剤を用いる液体ロケットまたはハイブリッドロケットに好適なバルブレス液体供給装置であって、主に、液体タンク１１０と三方弁１５０とで構成されている。液体タンク１１０は、液体推進剤として極低温の液体（例えば、液体酸素）１６０を一時貯蔵し、三方弁１５０によって液面への加圧および外部への液体供給のオンオフを制御できる構造を有している（バルブレス液体供給方式）。

具体的には、液体タンク１１０は、ケーシングとしてタンク本体１１２ａと上蓋１１２ｂ（天井部）を有する。上蓋１１２ｂには、下方に伸張する内管１１４が取り付けられている。内管１１４は、液体タンク１１０に対して非貫通の状態にある。内管１１４の内部は、下端部で、内管１１４外側の液体タンク１１０内部と連通している。

また、内管１１４の内部には、液体タンク１１０内の液体を取り出して外部に供給するための供給管１１６が設けられている。供給管１１６は、液体タンク１１０（タンク本体１１２ａ）の底部を貫通して液体タンク１１０の外部に伸びている。供給管１１６の開口上端部は、液体充填後の液体タンク１１０内（とりわけ内管１１４内）の液面１６２（つまり、液面１６２の初期位置）よりも高く上蓋１１２ｂよりも低い位置に配置されている。また、供給管１１６の内部には、流量を制御するための絞り（オリフィス）１１８が設けられている。絞り１１８の位置は、特に限定されるわけではなく、供給管１１６の内部の任意の位置に設けることができる。

例えば、一例として、液体タンク１１０内に充填可能な液体酸素の量を２０００ｍｌとし、液体酸素の供給量を２００ｇ／秒とした場合、内管１１４の内径は１／２インチ（約１０ｍｍ）、供給管１１６の内径は１／４インチ（約４ｍｍ）、絞り１１８の径は２ｍｍである。なお、液体タンク１１０の材質は、特に限定されるわけではなく、軽くて丈夫な金属や合金、複合材などであれば任意のものを使用することができる。

液体タンク１１０の上蓋１１２ｂには、極低温の液体を注入するための注入口１２０が設けられている。注入口１２０は、図示しない蓋によって閉じられる。

また、液体タンク１１０の上部側面には、液面１６２の位置を規制するための開口部１２２が設けられている。開口部１２２は、例えば、所定のねじによって閉じられる。開口部１２２の位置は、液体タンク１１０に充填可能な液量（例えば、液体タンク１１０の容積の８０％）に対応する位置に設定されている。注入口１２０から液体を注入する際は、開口部１２２を開けておく。これにより、充填可能な液量を超えて注入された液体は、開口部１２２から外部に流出することになり、液体充填後の液体タンク１１０内の液面１６２は、常に一定の位置に規制される。

また、液体タンク１１０の上蓋１１２ｂには、ともに図示しない排気口および通気口が設けられている。排気口は、内管１１４外側の液体タンク１１０内部に連通し、排気口は、内管１１４の内部に連通している。排気口には排気管１５２の一端が接続され、通気口には通気管１５４の一端が接続されている。また、排気管１５２および通気管１５４の他端は、三方弁１５０にそれぞれ接続されている。したがって、内管１１４外側の液体タンク１１０内部と内管１１４の内部とは、排気管１５２、三方弁１５０、および通気管１５４を介して連通している。また、三方弁１５０には、一端が後述する高圧ガス源に接続された高圧ガス管１５６が接続されている。

三方弁１５０は、排気管１５２と通気管１５４をつなぐ（つまり、排気口と通気口をつなぐ）ライン（排気流路）と、高圧ガス管１５６と排気管１５２をつなぐ（つまり、液面１６２を加圧する）ライン（高圧ガス流路）とを切り替える機能を有する。ここでは、以下、前者のラインを「排気ライン」、後者のラインを「加圧ライン」という。排気ラインを構成する排気管１５２、三方弁１５０および通気管１５４は、気化したガスの流量に比較して十分な流路断面積を確保して圧力損失がないようにするため、十分な大きさの管径を有する。

次いで、上記構成を有するバルブレス液体供給装置１００の動作について、図２を用いて説明する。図２は、バルブレス液体供給装置１００の動作を説明するための図であり、図２（Ａ）は、三方弁１５０により排気ラインを開いた場合を示し、図２（Ｂ）は、三方弁１５０により加圧ラインを開いた場合を示している。

まず、図２（Ａ）に示すように、三方弁１５０により加圧ラインを閉じて排気ラインを開いた場合、液体タンク１１０の排気口と通気口は互いにつながった状態になる。したがって、液体１６０の充填完了後に、排気ラインを開くと、液体タンク１１０内で気化したガス（例えば、液体酸素の場合はガス化した酸素）は、排気口から順に排気管１５２、三方弁１５０、通気管１５４、および通気口を通って内管１１４の内部に流入する、つまり、内管１１４内に排気される。このため、液体タンク１１０内において内管１１４の外側と内側の圧力が等しく保たれる。この結果、液体タンク１１０内における内管１１４の外側と内側の液面１６２は、ともに等しく、かつ、供給管１１６の上端部よりも低い位置に保たれる。このため、液体タンク１１０内の液体１６０が供給管１１６を通って外部に流出することはない。

これに対し、図２（Ｂ）に示すように、三方弁１５０により排気ラインを閉じて加圧ラインを開いた場合、液体タンク１１０の排気口は高圧ガス源とつながった状態になる。したがって、排気ラインを閉じて加圧ラインを開くと、高圧ガス源から高圧ガスが、順に高圧ガス管１５６、三方弁１５０、排気管１５２、および排気口を通って液体タンク１１０の内部に流入し、内管１１４の外側の液面１６２を加圧する。このため、液体タンク１１０内において内管１１４の外側の圧力が内側の圧力よりも高くなる。この結果、内管１１４内の液面が上昇して供給管１１６内に流入する。これにより、液体タンク１１０内の液体１６０が供給管１１６を通って外部に流出する（外部への液体供給の開始）。

このように、本実施の形態によれば、内管１１４と供給管１１６を組み合わせた上記構造を採用するため、液体タンク１１０の配置位置にかかわりなく、三方弁１５０の切り替えのみによって液面への加圧および外部への液体供給のオンオフを制御することができる（バルブレス液体供給方式の実現）。

したがって、例えば、本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置１００をロケットエンジンに適用した場合には、液体タンクと噴射器の位置関係にかかわらず、バルブレス液体供給方式を実現することができる。すなわち、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンクを燃焼室から分離して噴射器よりも高い位置に配置することができ、極低温の液体を燃焼室から切り離して別置きとすることもできる。

図３は、本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置１００をロケットエンジンに適用した場合のシステム構成の一例を示す概略図であり、図３（Ａ）は、三方弁１５０により排気ラインを開いた場合を示し、図３（Ｂ）は、三方弁１５０により加圧ラインを開いた場合を示している。ここでは、一例として、例えば、ハイブリッドロケットに適用した場合を例にとって説明する。

このロケットエンジンシステムは、図３に示すように、上記のバルブレス液体供給装置１００に加えて、燃焼室２００および高圧ガス源３００を有する。燃焼室２００は、頭部に噴射器２１０が、尾部にロケットノズル２２０が、それぞれ設けられている。ここでは、バルブレス液体供給装置１００は、燃焼室２００から切り離されて噴射器２１０の上部に配置されている。液体タンク１１０の供給管１１６の他端は、噴射器２１０に接続されている。また、三方弁１５０に接続された高圧ガス管１５６の他端には、高圧ガス源３００が接続されている。

液体タンク１１０には、液体推進剤（液体酸化剤）として、極低温の液体、例えば、液体酸素などが充填される。液体タンク１１０の下流は、上記のように、供給管１１６を介して燃焼室２００につながっている。また、燃焼室２００は、固体推進剤（固体燃料）として、炭化水素系の固体燃料、例えば、アクリル樹脂やポリエチレンなどの固体高分子樹脂を備えている。ハイブリッドロケットでは、燃焼室２００内の固体燃料（固体推進剤）を、液体タンク１１０から供給される液体酸化剤（液体推進剤）により燃焼させることによって、ジェット推進力が得られる。また、ここでは、高圧ガス源３００として、例えば、高圧ボンベが使用される。高圧ガスは、液体酸化剤に溶け込まないもの（つまり、液体酸化剤の温度で液化しない低沸点を有するもの）、例えば、液体酸素の場合は、ヘリウムガスなどの不活性ガスが使用される。

まず、ロケットの打ち上げ前には、図３（Ａ）に示すように、三方弁１５０により排気ラインが開いている。この状態では、液体タンク１１０内で気化したガス（例えば、ガス化した酸素）が、排気管１５２、三方弁１５０、および通気管１５４を介して内管１１４内に排気されるため、内管１１４の外側と内側の圧力が等しく保たれる。この結果、液体タンク１１０内（とりわけ内管１１４内）の液面１６２は、供給管１１６の上端部よりも低い位置に保たれるため、液体タンク１１０内の液体１６０が供給管１１６を通って燃焼室２００に供給されることはない。また、内管１１４内に排気された気化ガスは、燃焼室２００内の気体（例えば、窒素を主体とする空気）を置換するため、ロケット打ち上げ時の点火を容易にさせる副次的効果をもたらす。

その後、液体タンク１１０から燃焼室２００への液体１６０の供給を開始する場合は、三方弁１５０を切り替えて、図３（Ｂ）に示すように、排気ラインを閉じるとともに、加圧ラインを開く。これにより、高圧ガス源３００から高圧ガスが高圧ガス管１５６、三方弁１５０、および排気管１５２を介して液体タンク１１０内に流入するため、内管１１４の外側の圧力が内側の圧力よりも高くなる。この結果、内管１１４内の液面が上昇して供給管１１６内に流入し、液体タンク１１０内の液体１６０が供給管１１６を通って外部に流出する（燃焼室２００への液体供給の開始）。

このように、本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置１００をロケットエンジンに適用した場合には、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンク１１０を燃焼室から分離して噴射器２１０よりも高い位置に配置することができ、極低温の液体（液体酸化剤）を燃焼室から切り離して別置きとすることもできる。これにより、極低温の液体を用いた場合の断熱および液体保持能力を向上することができる。また、ロケット機体の断面積が減少し、空気抵抗を低減することができる。

なお、本実施の形態では、供給管１１６を内管１１４の内部に設けているが、本発明は、これに限定されない。例えば、図４に示すバルブレス液体供給装置４００のように、供給管４０２を液体タンク１１０ａの外部に設けることも可能である。この構造によれば、図１に示すバルブレス液体供給装置１００と異なり、供給管４０２を予冷することができないものの、基本的な作用効果については、図１に示すバルブレス液体供給装置１００と同様の作用効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、ロケットへの適用に関して、バルブレス液体供給装置１００をハイブリッドロケットに適用した場合を例にとって説明したが、本発明の適用例は、これに限定されない。例えば、図５は、本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置を液体ロケットに適した場合のシステム構成の一例を示している。

本システムでは、２つのバルブレス液体供給装置１００ａ、１００ｂが使用される。一方のバルブレス液体供給装置１００ａは、液体酸化剤１６０ａを供給し、他方のバルブレス液体供給装置１００ｂは、液体燃料１６０ｂを供給する。燃焼室５００には、２つのバルブレス液体供給装置１００ａ、１００ｂから、各噴射器２１０ａ、２１０ｂを介して、液体酸化剤１６０ａおよび液体燃料１６０ｂがそれぞれ供給される。液体燃料用のバルブレス液体供給装置１００ｂに接続された高圧ガス源５１０には、使用する液体燃料１６０ｂに適した高圧ガスが充填されている。なお、高圧ガス源３００、５１０は、共用化して１つにすることも可能である。

本発明に係るバルブレス液体供給装置は、バルブレスの液体供給方式を維持しつつ、液体タンクの配置位置の制約をなくすことができるバルブレス液体供給装置として有用である。

本発明の一実施の形態に係るバルブレス液体供給装置の構成を示す概略図 本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置の動作を説明するための図 本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置をハイブリッドロケットに適用した場合のシステム構成の一例を示す概略図 本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置の一変更例を示す図 本実施の形態に係るバルブレス液体供給装置を液体ロケットに適用した場合のシステム構成の一例を示す概略図 従来のバルブレス液体供給システムの構成の一例を示す概略図

符号の説明

１００、１００ａ、１００ｂ、４００ バルブレス液体供給装置
１１０ 液体タンク
１１４ 内管
１１６、４０２ 供給管
１１８ 絞り
１２０ 注入口
１２２ 開口部
１５０ 三方弁
１５２ 排気管
１５４ 通気管
１５６ 高圧ガス管
１６０ 液体推進剤（極低温液体）
１６０ａ 液体酸化剤
１６０ｂ 液体燃料
２００、５００ 燃焼室
２１０、２１０ａ、２１０ｂ 噴射器
２２０ ロケットノズル
３００、５１０ 高圧ガス源

Claims (8)

1. 液面への加圧により極低温の液体をバルブレスで外部に供給するバルブレス液体供給装置であって、
   前記液体を一時貯蔵する液体タンクと、
   前記液体タンクの天井部から下方に伸張する内管と、
   前記内管の内側上部に開口端部を有する供給管と、を有し、
   前記供給管の前記開口端部は、前記液体充填後の前記内管内の液面の初期位置よりも高い位置に配置され、
   前記供給管は、
   前記内管内の液面が初期位置から上昇したときに前記内管内から流入した前記液体を外部に供給する、
   バルブレス液体供給装置。
2. 前記供給管は、
   前記内管の内部に設けられ、前記液体タンクの底部を貫通している、
   請求項１記載のバルブレス液体供給装置。
3. 前記供給管には、流量制御用の絞りが設けられている、請求項１または請求項２記載のバルブレス液体供給装置。
4. 前記内管外の前記液体が気化したガスを前記内管内に排気する排気流路と、
   前記内管外の液面を加圧するための高圧ガスを供給する高圧ガス流路と、
   前記排気流路と前記高圧ガス流路とを切り替える切り替え手段と、を有し、
   前記切り替え手段は、
   前記液体を外部に供給しない場合は、前記高圧ガス流路を閉じて前記排気流路を開き、前記液体を外部に供給する場合は、前記排気流路を閉じて前記高圧ガス流路を開く、
   請求項１から請求項３のいずれかに記載のバルブレス液体供給装置。
5. 前記切り替え手段は、三方弁である、請求項４記載のバルブレス液体供給装置。
6. 燃焼室と、
   前記液体として液体推進剤を前記燃焼室に供給する請求項１から請求項５のいずれかに記載のバルブレス液体供給装置と、を有し、
   前記バルブレス液体供給装置の少なくとも前記液体タンクは、前記燃焼室の上部に配置されている、
   ロケット。
7. 前記ロケットは、ハイブリッドロケットであり、
   前記燃焼室には、固体燃料が配置され、
   前記バルブレス液体供給装置の前記液体タンクには、液体酸化剤が充填されている、
   請求項６記載のロケット。
8. 前記ロケットは、液体ロケットであり、
   前記液体として液体酸化剤を前記燃焼室に供給する請求項１から請求項５のいずれかに記載の第１のバルブレス液体供給装置と、
   前記液体として液体燃料を前記燃焼室に供給する請求項１から請求項５のいずれかに記載の第２のバルブレス液体供給装置と、を有し、
   前記第１のバルブレス液体供給装置および前記第２のバルブレス液体供給装置のうち少なくともいずれか一方のバルブレス液体供給装置の少なくとも前記液体タンクは、前記燃焼室の上部に配置されている、
   請求項６記載のロケット。
   

Images