JP6966802B2 - 液体挙動抑制デバイス - Google Patents

Description

本発明は、液体挙動抑制デバイスに関する。
本願は、２０１７年１０月２６日に、日本に出願された特願２０１７−２０７４２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、液体収容器中における液体の挙動を抑制する技術が求められている。
例えば、一例として、微小重力環境下を航行する宇宙機では、液体燃料および液体酸化剤といった液体推進薬をエンジン又はスラスターに円滑に供給するために、液体推進薬の挙動を抑制し、液体収容器の内部の気体が、エンジン又はスラスターに供給されるのを防ぐことが求められている。
液体推進薬の挙動抑制としては、例えば、弾性を備えた隔壁により、液体推進薬と気体とを隔てる構成が採用されている（下記特許文献１参照）。
また例えば、液体収容器のうち、エンジン又はスラスターにつながる配管の付近に液体推進薬を留めるために、液体推進薬の表面張力により液体推進薬を保持するチャネル（下記特許文献２参照）、やベーン（下記非特許文献１参照）といった構造物を、液体収容器の内部に配置する構成が採用されている。
また例えば、微小加速度を補助スラスターから宇宙機に与えることで、液体推進薬と気体との気液分離を行うセトリング方式が採用されている（下記特許文献３参照）。

特開平７−１８７０９９号公報 特表２０１０−５２３８７７号公報 特表２０１４−５１９５７８号公報

姫野武洋著「液体ロケットの液体推進薬挙動予測」日本流体力学会、２０１３年６月、Ｐ２３９−Ｐ２４４

上述のとおり、収容物中における液体の挙動を抑制する技術の一例として、特許文献１から特許文献３、および非特許文献１を例示した。
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、極低温環境に耐えられる隔壁の素材の選定が困難であるとともに、隔壁を搭載することで、液体収容器の重量が増加するという問題があった。また、上記特許文献２および上記非特許文献１に記載の構成では、液体収容器の内部にチャネルやベーンといった構造物を配置することで、液体収容器の重量が増加するという問題があった。
また、上記特許文献３に記載の構成では、宇宙機に微小加速度を与えるための液体推進薬が別途必要になるとともに、宇宙機の機体重量が大きい場合には、微小加速度を与えるために大きな推力が必要になるため、必要な液体推進薬が更に多くなり、液体推進薬の重量が増加するという問題があった。

本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、液体の挙動を抑制する液体挙動抑制デバイスを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の構成を備える。
本発明に係る液体挙動抑制デバイスは、液体収容器の内部を中心軸線に直交する方向に仕切り、前記液体収容器の底部側に液体を保持し、前記軸方向に貫通した孔部が複数形成されている。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスにおける複数の前記孔部は、前記液体収容器における径方向にメッシュ状に配置されてもよい。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスは、この液体挙動抑制デバイスの外周縁部に配置され、外周縁部に沿って延びる環部（環状部材）を備えてもよい。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスにおける複数の前記孔部は、前記中心軸線を中心として放射状をなすように配置されてもよい。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスにおける複数の前記孔部における径方向の大きさは互いに異なってもよい。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスにおける複数の前記孔部における周方向の大きさは互いに異なってもよい。

本発明に係る液体挙動抑制デバイスによれば、液体の挙動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る液体挙動抑制デバイスの平面図である。 図１に示す液体挙動抑制デバイスの作用を説明する図のうち、（ａ）液体推進薬が液体収容器の内面をつたう状態を示す図、（ｂ）気液界面が液体挙動抑制デバイスと軸方向の位置が同等になる状態を示す図、（ｃ）（ｂ）におけるＡ部拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る液体挙動抑制デバイスの平面図である。 図３に示す液体挙動抑制デバイスの変形例である。 （ａ）宇宙機が航行する軌跡を示す図、（ｂ）下段ロケットの転回開始からｔ_ａ秒後の液体推進薬の挙動を示す図、（ｃ）下段ロケットの転回開始からｔ_ｂ秒後の液体推進薬の挙動を示す図、（ｄ）下段ロケットの転回開始からｔ_ｃ秒後の液体推進薬の挙動を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る液体挙動抑制デバイスにおける、（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図である。 比較例１における液体の挙動のうち、（ａ）検証試験の結果を示す図、（ｂ）数値解析の結果を示す図である。 実施例１における液体の挙動を示す図である。 実施例２における液体の挙動のうち、（ａ）検証試験の結果を示す図、（ｂ）数値解析の結果を示す図である。 実施例３の数値解析における、（ａ）転回開始からｔ_１１秒後の液体推進薬の挙動を示す図、（ｂ）転回開始からｔ_１２秒後の液体推進薬の挙動を示す図、（ｃ）転回開始からｔ_１３秒後の液体推進薬の挙動を示す図、（ｄ）転回開始からｔ_１４秒後の液体推進薬の挙動を示す図である。

本発明の実施形態を以下に説明する。しかし、本発明は、下記の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。

（第１実施形態）
以下、図１および図２を参照し、本発明の第１実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１について説明する。以下の説明では、微小重力環境下を航行する宇宙機において、液体推進薬（液体）５０を収容する液体収容器１００に用いられる液体挙動抑制デバイス１を例に挙げて説明する。
本実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１は、図１および図２に示すように、液体収容器１００の内部を中心軸線Ｏに直交する方向に仕切り、液体収容器１００の軸方向に沿う底部側（以下単に底部側という）に液体を保持する。本実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１は、「液体収容器１００に付与される加速度方向と交差する方向に、気液界面を分画する」かつ「分画された気液界面で表面張力を生じさせる」部材である。

液体挙動抑制デバイス１は、例えば円筒状等の液体収容器１００内に配置される。以下の説明において、液体収容器１００の中心軸線Ｏに沿う方向を軸方向といい、中心軸線Ｏと直交する方向を径方向、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。
液体挙動抑制デバイス１は平面視で円環状を呈する。液体挙動抑制デバイス１における径方向の中央部には、開口部１１が形成されている。開口部１１は、液体収容器１００の軸方向に沿う頂部側（底部の反対側、以下単に頂部側という）と、底部側とを連通している。開口部１１は、液体推進薬５０を底部からスラスター等に供給するときに必要となる液体収容器１００内における圧送抵抗が低い部分となっている。

液体挙動抑制デバイス１は、液体収容器１００に対して軸方向の位置が固定される。この状態において、液体挙動抑制デバイス１は液体推進薬５０の内部に配置されている。すなわち、液体挙動抑制デバイス１は液体推進薬５０の液面（以下、気液界面という）よりも底部側に位置している。なお、液体挙動抑制デバイス１は、液体推進薬５０の減少に伴って、気液界面よりも頂部側に位置することとなる。

そして本実施形態では、液体挙動抑制デバイス１には、軸方向に貫通した孔部１０が複数形成されている。液体挙動抑制デバイス１は、縦横に張り巡らされた網目構造に形成されている。この網目構造により、微細な孔部１０が液体挙動抑制デバイス１の全域にわたって一様に形成されている。このため複数の孔部１０は、液体収容器１００における径方向にメッシュ状に配置されている。孔部１０の開口面積は、液体推進薬５０の性状等により、適宜変更することができる。

次に、液体挙動抑制デバイス１の作用について説明する。
なお、液体収容器１００を搭載した宇宙機が、微小重力環境下を航行している状態での作用を説明する。
微小重力環境下では、液体推進薬５０に作用する慣性力が小さくなることで、液体推進薬５０に作用する表面張力の影響が大きくなる。これにより、図２（ａ）に示すように、液体収容器１００の内面に対する液体推進薬５０の濡れ性が大きくなり、液体推進薬５０が液体収容器１００の内面をつたって、頂部側に向けて移動する。この際、液体挙動抑制デバイス１における複数の孔部１０は、液体推進薬５０を頂部側に向けて流出させる。

液体推進薬５０の頂部側への移動に伴って、液体収容器１００内における液体挙動抑制デバイス１よりも底部側の空間が減圧され、頂部側の空間が相対的に加圧される。図２（ｂ）に示すように、気液界面が液体挙動抑制デバイス１の孔部１０と同等の高さとなると、孔部１０の液体の通過が妨げられる。このとき孔部１０内に位置する気液界面には、式（１）により求められる表面張力σが生じる。（図２（ｃ）参照）
Ｐ１−Ｐ２＝σ／Ａ…（１）
ここで、Ｐ１：頂部側の圧力（Ｎ／ｍｍ^２）、Ｐ２：底部側の圧力（Ｎ／ｍｍ^２）、σ：表面張力（Ｎ）、Ａ：孔部１０における中心軸線Ｏと直交する断面積（開口面積）（ｍｍ^２）

そして、宇宙機が微小重力環境下を航行している状態で、宇宙機のスラスターが推力を発生すると、液体収容器１００および液体推進薬５０に頂部側を向く加速度に起因する慣性力が作用する。
この際、前述した表面張力σが孔部１０内に位置する気液界面に生じているので、スラスターが発生した推力の加速度に起因する慣性力により、液体推進薬５０を孔部１０内を通して頂部側に流出させようとする力と、孔部１０内の気液界面に生じる表面張力σと、が対抗する。このため、液体収容器１００の内部において、底部側の液体推進薬５０が、孔部１０を頂部側に向けて通過したり、頂部側の気体が、孔部１０を底部側に向けて通過したりすることが妨げられる。

以上説明したように、本実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１によれば、液体挙動抑制デバイス１に孔部１０が複数形成されている。このため、頂部側を向く加速度に起因する慣性力が液体推進薬５０に作用したときに、複数の孔部１０のうちの一部は、その慣性力の影響又は壁面での表面張力σの作用で、頂部側に向けて液体推進薬５０を流出させる。これにより、液体収容器１００の内部において、液体挙動抑制デバイス１よりも底部側の領域が減圧される。

そして、液体収容器１００の内部における頂部側と底部側との圧力差を、孔部１０内において表面張力σが強く作用する気液界面で受け持つことで、液体収容器１００の内部における液体推進薬５０が、底部側から頂部側に向けて移動するのを妨げる。またこれにより、気体が頂部側から底部側に向けて移動するのを妨げる。以上の結果、液体推進薬５０の挙動を抑制することができる。

また、液体挙動抑制デバイス１に孔部１０が複数形成されているので、液体挙動抑制デバイス１の重量を抑えることが可能になり、液体挙動抑制デバイス１を内部に配置することによる液体収容器１００の重量の増加を抑えることができる。
また、このような液体挙動抑制デバイス１は、一定の剛性を具備する素材により形成することが可能であり、ダイヤフラムのような弾性を必要とする素材により形成する必要が無い。したがって、液体挙動抑制デバイス１に極低温環境での耐久性を容易に具備させることができる。

また、複数の孔部１０が互いに径方向の位置を異ならせて配置されている。このため、軸方向に真直ぐ沿う加速度に起因する慣性力が液体推進薬５０に加えられたときに、径方向の外側の孔部１０から液体収容器１００の内面をつたって流出させやすくしながら、径方向の内側の孔部１０により、液体収容器１００の内部の気体が底部側に向けて流入するのを妨げることができる。

（第２実施形態）
次に、図３を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、本実施形態においては、第１実施形態に係る構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。また、同一の作用についてもその説明を省略する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る液体挙動抑制デバイス２の平面図である。
図３に示すように、液体挙動抑制デバイス２は、外周縁部に配置され、外周縁部に沿って延びる環部（環状部材）２１と、環部２１の内周縁部に接続された格子部２２と、を備えている。
環部２１は全周にわたって延びている。格子部２２は平面視で互いに直交して延びており、平面視で矩形状をなす孔部２０を画成している。

環部２１および格子部２２は一体に形成されている。図示の例では、環部２１は全周にわたって連続して延びている。なお、環部２１における周方向の一部が欠如していてもよい。液体挙動抑制デバイス２では、第１実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１のように網目構造に形成された構成と比較して、孔部２０の開口面積を大きくすることで、重量を小さくしている。液体挙動抑制デバイス２には、第１実施形態に係る開口部１１が形成されていない。液体挙動抑制デバイス２では、孔部２０の開口面積が確保できるので、孔部２０が、液体収容器１００内における圧送抵抗が低い部分にもなっている。

次に、液体挙動抑制デバイス２の作用について説明する。
微小重力環境下において、液体推進薬５０が液体収容器１００の内面をつたって、液体収容器１００の頂部側に向けて移動すると、環部２１に液体推進薬５０が干渉することで、液体推進薬５０の頂部側への移動が部分的に遮られる。これにより、大量の液体推進薬５０が頂部側に向けて移動するのを抑え、頂部側の気体が底部側に向けて孔部２０を通過するのを抑制することができる。

またこのとき、液体推進薬５０の気液界面が径方向に周期的に揺動する（スロッシング）ことがある。この場合には、環部２１の外表面のうち、底部側を向く下面に液体推進薬５０が繰り返し衝突することにより、このような揺動を抑えることができる。すなわち、環部２１に液体推進薬５０のスロッシングを抑制するためのバッフル板としての機能を具備させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る液体挙動抑制デバイス２によれば、液体挙動抑制デバイス２の外周縁部に環部２１が配置されている。このため、径方向の外側の孔部２０から液体収容器１００の内面をつたって流出する液体推進薬５０を環部２１により部分的に遮ることで、頂部側に向かう液体推進薬５０の流出量を減少することができ、その結果として、孔部２０を通過する液体推進薬５０の量を調整することができる。
これにより、孔部２０の開口面積を大きくして軽量化を実現した液体挙動抑制デバイス２において、開口面積が大きいことで孔部２０を通過する液体推進薬５０の量が多くなりすぎるのを効果的に抑制することができる。
また、環部２１をバッフル板として設けることで、外部から加えられた加速度に起因する慣性力により、液体推進薬５０の気液界面が径方向に周期的に揺動するのを抑えることが可能になり、液体推進薬５０の挙動をより一層効果的に抑制することができる。

ここで、液体挙動抑制デバイス２の変形例について説明する。
図４は、液体挙動抑制デバイス２の変形例の平面図である。
図４に示すように、本変形例に係る液体挙動抑制デバイス２Ｂは環部２１を備えていない。このため、環部２１を備えている構成と比較して、液体挙動抑制デバイス２Ｂの重量を低減することができる。これにより、液体挙動抑制デバイス２Ｂを配置することによる液体収容器１００の重量の増加を、より一層効果的に抑制することができる。
また、環部２１を備えていないことにより、環部２１に液体推進薬５０が干渉することがなく、液体収容器１００の内面をつたって流出する液体推進薬５０の流出量を多くすることができる。その結果として、孔部２０を通過する液体推進薬５０の量を調整することができる。

（第３実施形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。
なお、本実施形態においては、第２実施形態に係る構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。また、同一の作用についてもその説明を省略する。

図５（ａ）は宇宙機が航行する軌跡を示す図であり、図５（ｂ）は下段ロケット３００の転回開始からｔ_ａ秒後の液体推進薬の挙動を示す図である。また、図５（ｃ）は下段ロケット３００の転回開始からｔ_ｂ秒後の液体推進薬の挙動を示す図であり、図５（ｄ）は下段ロケット３００の転回開始からｔ_ｃ秒後の液体推進薬の挙動を示す図である。なお、転回開始からｔ_ａ秒_、ｔ_ｂ秒_、ｔ_ｃ秒の順に時間が経過するものとする。

前述した第１実施形態および第２実施形態では、軸方向に作用する加速度に起因する慣性力に対して液体推進薬５０の挙動を抑制する構成を説明した。一方、航行中の宇宙機では、図５（ａ）に示すように、例えば多段のロケットにおける上段ロケット２００を下段ロケット３００から切り離し、下段ロケット３００を転回させること等がある。
このような場合には、図５（ｂ）から図５（ｃ）に示すように、下段ロケット３００の液体収容器１００内の液体推進薬５０に、例えば軸方向と交差する方向の加速度に起因する慣性力が作用することがある。

例えば、図５（ｄ）に示すように、液体推進薬５０の挙動が著しく変化すると、宇宙機全体の重心がふらついたり、スラスターへの液体推進薬５０の供給に支障が生じたりするおそれがある。
そこで、本実施形態では、軸方向の加速度に起因する慣性力のみならず、軸方向と交差する方向の加速度に起因する慣性力に対しても効果的に液体推進薬５０の挙動を抑制するための構成について説明する。

図６は、本発明の第３実施形態に係る液体挙動抑制デバイスにおける、（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ線矢視断面図である。
図６（ａ）に示すように、液体挙動抑制デバイス３は、外周縁部に配置され、外周縁部に沿って延びる環部３１と、径方向の中央部に配置され、平面視で円形状をなす中央板３２と、中央板３２に接続され、径方向に延びる連結部３３と、連結部３３に接続され、周方向の全域にわたって延びる隔壁部３５と、を備えている。

環部３１は、表裏面が軸方向を向くとともに、径方向に延びる平板状をなしている。環部３１の径方向の大きさは、液体挙動抑制デバイス３における孔部３０が配置された部分における径方向の大きさと同等となっている。
環部３１は液体収容器１００の内面に接続される。なお、環部３１の径方向の大きさは任意に変更することができる。環部３１の径方向の大きさを大きくすることで、前述したスロッシングを抑制するためのバッフル板としての機能を高めることができる。

中央板３２は、中心軸線Ｏと同軸に配置されている。
連結部３３は周方向に間隔をあけて複数配置されている。連結部３３は、環部３１と中央板３２とを径方向に連結している。複数の連結部３３は中心軸線Ｏを中心とする放射状に配置されている。隔壁部３５は径方向に間隔をあけて複数配置されている。複数の連結部３３および複数の隔壁部３５により、複数の孔部３０が画成されている。複数の孔部３０は、中心軸線Ｏを中心として放射状をなすように配置されている。

図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、複数の連結部３３の径方向の大きさは、周方向の位置により互いに異なっている。
複数の連結部３３は、図６（ｂ）に示すような、中央板３２と環部３１の内周縁部とを連結する第１連結部３３Ａと、図６（ｃ）に示すような、中央板３２と環部３１の外周縁部とを連結する第２連結部３３Ｂと、を備えている。第１連結部３３Ａと第２連結部３３Ｂとは、周方向に交互に配置されている。連結部３３が第１連結部３３Ａを備えていることにより、液体挙動抑制デバイス３全体の重量を抑えることができる。

また複数の孔部３０における径方向の大きさは互いに異なっている。図示の例では、複数の孔部３０のうち、径方向のうちの一方向（以下、転回方向Ｔという）における一方側Ｔ１に位置する孔部３０の径方向の大きさが、転回方向Ｔの他方側Ｔ２に位置する孔部３０の径方向の大きさよりも小さくなっている。
液体挙動抑制デバイス３は、周方向に延びる補助隔壁部３６を備えている。補助隔壁部３６は転回方向Ｔの一方側Ｔ１に配置されている。補助隔壁部３６における周方向の両端部同士の中心軸線Ｏを中心とする中心角は、１８０°以下となっている。

補助隔壁部３６における周方向の中央部は、転回方向Ｔの一方側Ｔ１における最も外側に位置している。図示の例では、補助隔壁部３６は２つ設けられている。２つの補助隔壁部３６は、転回方向Ｔにおける一方側Ｔ１に偏って配置されている。
２つの補助隔壁部３６は、径方向に互いに隣り合う隔壁部３５同士の間、および隔壁部３５と環部３１の内周縁部との間に各別に配置されている。

径方向に互いに隣り合う隔壁部３５同士の間に画成された孔部３０は、補助隔壁部３６により径方向に細分化されている。すなわち、径方向に互いに隣り合う隔壁部３５同士の間に画成された孔部３０における径方向の大きさと比較して、隔壁部３５と補助隔壁部３６との間に画成された孔部３０における径方向の大きさが小さくなっている。
言い換えると、複数の孔部３０のうち、転回方向Ｔの一方側Ｔ１に位置する孔部３０の開口面積は、転回方向Ｔの他方側Ｔ２に位置する孔部３０の開口面積よりも小さくなっている。
なお、例えば互いに周方向に隣り合う連結部３３同士の間に、径方向に延びる補助連結部を配置することにより、複数の孔部３０における周方向の大きさを互いに異ならせることで、複数の孔部３０の開口面積を互いに異ならせてもよい。

次に、液体挙動抑制デバイス３の作用について説明する。
まず、液体推進薬５０に頂部側を向く加速度に起因する慣性力が作用すると、放射状をなすように配置された孔部３０それぞれにおいて、第１実施形態において前述した液体推進薬５０の通過および通過の妨げを作用させることができる。
そして、液体推進薬５０に転回方向Ｔの一方側Ｔ１から他方側Ｔ２に向かい、軸方向と交差する方向の加速度に起因する慣性力が作用すると、液体推進薬５０は転回方向Ｔの他方側Ｔ２に向かう力を受けて、転回方向Ｔの他方側Ｔ２に位置する孔部３０内を、液体収容器１００の頂部側に向けて通過しようとする。

この際、複数の孔部３０のうち、転回方向Ｔの一方側Ｔ１に位置する孔部３０の開口面積が、転回方向Ｔの他方側Ｔ２に位置する孔部３０の開口面積よりも小さくなっている。
このため、前述した式（１）により、転回方向Ｔの一方側Ｔ１に位置する孔部３０内の気液界面に作用する表面張力σを大きくすることが可能になり、転回方向Ｔの一方側Ｔ１に位置する孔部３０内を、気体が底部側に向けて通過するのを妨げることができる。これにより、転回方向Ｔの他方側Ｔ２に位置する孔部３０内を、液体推進薬５０が頂部側に向けて通過するのを妨げることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る液体挙動抑制デバイス３によれば、複数の孔部３０が、液体収容器１００の中心軸線Ｏを中心として放射状をなすように配置されている。このため、軸方向の加速度に起因する慣性力に対する液体推進薬５０の挙動を、周方向の位置によらず均等に抑制することができる。また、液体挙動抑制デバイス３を周方向に均一な形状とすることで、液体挙動抑制デバイス３の製造性を確保することができる。

また、複数の孔部３０における径方向の大きさが互いに異なっている。このため、軸方向だけではなく、軸方向に加えて径方向を向く加速度に起因する慣性力が液体推進薬５０に作用した場合においても、前述した孔部３０内の周縁部に生じる表面張力σにより、液体収容器１００の内部の気体が、底部側に向けて流入することを効果的に妨げることができる。
また、孔部３０における周方向の大きさを互いに異ならせた場合には、軸方向だけではなく、軸方向に加えて周方向を向く加速度に起因する慣性力が液体推進薬５０に作用した場合においても、前述した孔部３０の周縁部に生じる表面張力σにより、液体収容器１００の内部の気体が、底部側に向けて流入することを効果的に妨げることができる。

このように、本実施形態では、微小重力環境下において液体推進薬５０に強く作用する表面張力を利用して、液体収容器１００内の圧力差により液体推進薬５０および気体の通過を許容および妨げる孔部３０の開口面積を、径方向又は周方向の位置により異ならせている。これにより、軸方向と交差する方向の加速度に起因する慣性力に対して液体推進薬５０の挙動を抑制することで、宇宙機を大きく姿勢変化させながらスラスターの再稼働に向けて液体推進薬５０をスラスターに供給することが可能になる。
また、前述した作用効果は、スラスターからの推力により発生する加速度に起因する慣性力が小さい場合に更に有効性が増すと考えられ、月着陸船等の探査に向けた宇宙輸送機への採用も期待できる。さらに、宇宙機の姿勢変化の自由度を挙げる点で、これまでの宇宙機において不可能であった航行経路やオペレーションの採用に資することができる。

（検証結果）
次に、前述した第１実施形態および第２実施形態に係る作用効果の検証結果について説明する。
検証試験では、実施例１として第１実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１を配置した液体収容器１００を、実施例２として第２実施形態に係る液体挙動抑制デバイス２を配置した液体収容器１００を、それぞれ採用した。また比較例１として、液体挙動抑制デバイスを配置しない液体収容器１００を採用した。

そして、それぞれの液体収容器１００を落下塔内で自由落下させて微小重力環境下に配置した状態で、頂部側を向く加速度に起因する慣性力を与えた際の液体推進薬５０の挙動を観測した。また、比較例１および実施例２に係る液体収容器１００においては、ＣＦＤシミュレーション（数値流体力学解析）を用いて、検証試験と同様の重力環境、加速度に起因する慣性力条件における液体推進薬５０の挙動の解析を行った。

その結果、比較例１に係る液体収容器１００では、図７に示すように、検証試験および数値解析の双方において、液体推進薬５０の挙動が著しく変化することが確認された。
具体的には、液体推進薬５０における径方向の中央部が、頂部側に向けて大きく盛り上がるとともに、液体推進薬５０における外周部分が液体収容器１００の内面をつたって頂部側に向けて移動していることが確認された。また、液体推進薬５０の気液界面は径方向の位置により、軸方向の位置が大きく異なることが確認された。そして、検証試験と数値解析の双方の結果は互いに同等となっていることが確認された。

一方、実施例１に係る液体収容器１００では、図８に示すように、液体推進薬５０の挙動が抑制されていることが確認された。
具体的には、液体推進薬５０のうち、液体挙動抑制デバイス１における開口部１１と同等の位置に位置する気液界面が、底部側に向けて表面張力により窪んでいるとともに、液体推進薬５０における外周部分が頂部側に向けて表面張力により盛り上がっていることが確認された。

また、実施例２に係る液体収容器１００においても、図９に示すように、検証試験および数値解析の双方において、液体推進薬５０の挙動が抑制されていることが確認された。
具体的には、液体推進薬５０における径方向の中央部が底部側に向けて僅かに窪んでいるとともに、液体推進薬５０における外周部分が液体収容器１００の内面をつたって頂部側に向けて移動していることが確認された。
なお、液体推進薬５０における径方向の中央部が底部側に向けて窪んでいるが、孔部３０内の表面張力σにより曲面状に形成された気液界面が窪んでいる状態であり、本願発明の作用としての表面張力σが生じていることにより、液体推進薬５０の挙動が抑制されていると判断できる。そして、検証試験と数値解析の双方の結果は互いに同等となっていることが確認された。
以上より、第１実施形態に係る液体挙動抑制デバイス１、および第２実施形態に係る液体挙動抑制デバイス２の双方において、液体の挙動を抑制する効果が確認された。

次に、前述した第３実施形態に係る作用効果の検証結果について説明する。
この検証試験では、実施例３として第３実施形態に係る液体挙動抑制デバイス３を配置した液体収容器１００を採用した。
そして、ＣＦＤシミュレーションを用いて、微小重力環境下において、液体収容器１００を搭載した宇宙機が転回して軸方向と交差する方向からの加速度に起因する慣性力を受けることを想定し、転回方向Ｔの一方側Ｔ１から他方側Ｔ２に向く加速度に起因する慣性力が、液体収容器１００に作用した際の液体推進薬５０の挙動の解析を行った。

その結果、実施例３に係る液体収容器１００では、図１０に示すように、液体推進薬５０の挙動が抑制されていることが確認された。以下の説明において、転回開始からｔ_１１秒_、ｔ_１２秒_、ｔ_１３秒_、ｔ_１４秒の順に時間が経過するものとする。
具体的には、図１０（ａ）から図１０（ｄ）にそれぞれ示すように、転回動作の開始［０秒］からｔ_１１秒後、ｔ_１２秒後、ｔ_１３秒後、およびｔ_１４秒後それぞれにおいて、液体収容器１００の頂部側に移動した液体推進薬５０の状態は時々刻々と変化しているが、液体収容器１００の底部側に位置する液体収容器１００は、常に底部側に保持された状態を維持している。これはすなわち、前述した孔部３０の作用効果によって、孔部３０の内側に位置する気液界面に作用する表面張力σにより、気体が底部側に流入するのを妨げられているものと認められる。
以上より、第３実施形態に係る液体挙動抑制デバイス３においては、軸方向のみならず、軸方向と交差する方向の加速度に起因する慣性力に対しても液体の挙動を抑制する効果が確認された。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、上記各実施形態では、宇宙機の液体推進薬５０を収容する液体収容器１００に配置される液体挙動抑制デバイス１〜３を例に挙げて説明したが、このような態様に限られない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態に係る構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

上記した液体挙動抑制デバイスによれば、液体の挙動を抑制することができる。

１、２、２Ｂ、３、４ 液体挙動抑制デバイス
１０、２０、３０ 孔部
２１、３１ 環部
５０ 液体推進薬
１００ 液体収容器

Claims (3)

1. 液体収容器の内部を中心軸線に直交する方向に仕切り、前記液体収容器の底部側に液体を保持し、
   前記中心軸線方向に貫通した孔部が、前記中心軸線を中心として放射状をなすように複数形成され、
   複数形成された前記孔部における径方向及び周方向の大きさは互いに異なっているとともに、
   複数の前記孔部のうち、径方向のうちの一方向である転回方向の一方側に位置する前記孔部の開口面積は、前記転回方向の他方側に位置する前記孔部の開口面積よりも小さくなっている、
   液体挙動抑制デバイス。
2. 複数の前記孔部は、前記液体収容器における径方向にメッシュ状に配置されている、請求項１に記載の液体挙動抑制デバイス。
3. この液体挙動抑制デバイスの外周縁部に配置され、外周縁部に沿って延びる環部を備えている、請求項１又は２に記載の液体挙動抑制デバイス。

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